豬支鏈氨基酸的代謝、互作及理想模式

■ 徐運(yùn)杰 王 釗 蘇雙良 鄧 敦

（1.山東和美集團(tuán)有限公司，山東濱州 251700；2.唐人神集團(tuán)股份有限公司，湖南株洲 412000）

當(dāng)前，豆粕等優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)原料的供應(yīng)越來(lái)越緊張，價(jià)格也一路走高，同時(shí)，飼料中粗蛋白水平過(guò)高，也給腸道消化和環(huán)境防控帶來(lái)了巨大的壓力。大量研究表明，通過(guò)添加多種晶體氨基酸（主要是L-Lys、DL-Met、L-Trp、L-Thr、L-Val、L-Ile 和L-Arg）來(lái)維持氨基酸平衡和滿足營(yíng)養(yǎng)需求，將豬日糧中粗蛋白水平降低2%～4%是可行的。這樣既降低了飼料成本和氮素排泄，又減輕了豬的消化負(fù)擔(dān)和保持了豬的生長(zhǎng)性能。然而，實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，低蛋白、低豆粕或無(wú)豆粕生長(zhǎng)育肥豬日糧中，玉米副產(chǎn)物用量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致亮氨酸（Leu）過(guò)量，支鏈氨基酸（branched-chain amino acids，BCAAs）之間不平衡。與其他BCAAs 不同，纈氨酸（Val）是玉米-豆粕型日糧中的限制性氨基酸，當(dāng)日糧中Leu 高時(shí)，Val 比異亮氨酸（Ile）更易受到拮抗和酶降解。因此，Val必須在低蛋白日糧中補(bǔ)充。Leu（2-氨基-4-甲基戊酸）、Ile（2-氨基-3-甲基戊酸）和Val（2-氨基-3-甲基丁酸）在結(jié)構(gòu)上相似，類似于支鏈脂肪酸，具有疏水側(cè)鏈（見(jiàn)圖1），并共享代謝通路的第一步。因此，一種BCAAs過(guò)量，特別是Leu，可能導(dǎo)致所有BCAAs的降解增加，瘦肉率降低。本文概述了豬BCAAs的代謝通路、相互作用及理想模式，為科學(xué)配制豬低蛋白日糧、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益提供參考。

圖1 BCAAs結(jié)構(gòu)

1 BCAAs的代謝通路

BCAAs（特別是Val和Ile）是保育豬和35～75 kg生長(zhǎng)豬低蛋白日糧中的限制性氨基酸，具有重要的免疫功能（見(jiàn)表1）[1]。1984 年，美國(guó)科學(xué)家Harper 等[2]對(duì)BCAAs的代謝通路進(jìn)行了詳細(xì)描述。大多數(shù)氨基酸在肝臟中進(jìn)行代謝，但肝臟幾乎不能降解BCAAs。從小腸吸收進(jìn)入門靜脈的日糧BCAAs 大部分可繞過(guò)肝臟進(jìn)入血液循環(huán)，在支鏈氨基轉(zhuǎn)移酶（branched-chain aminotransferase，BCAT）的作用下被肝外組織（比如骨骼肌、心臟、脂肪組織、肺、胎盤(pán)和乳腺）降解利用。BCAT 有兩種亞型，分別在細(xì)胞質(zhì)（BCAT1）及線粒體（BCAT2）中（見(jiàn)圖2 和圖3）。BCAAs 在酶的催化下與α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid，AKG，連接氨基酸代謝和葡萄糖氧化）反應(yīng)，產(chǎn)生谷氨酸（Glu）和支鏈α-酮酸（branched chainα- keto acids，BCKAs）。Leu、Ile 和Val 的α-酮酸分別為α-酮異己酸（α-ketoisocaproate，α-KIC）、α-酮-β-甲基戊酸（α-keto-β-methylvalerate，KMV）和α-酮異戊酸（α-ketoisovalerate，KIV）。因此，血清中BCKAs 濃度反映了相應(yīng)氨基酸的代謝變化。代謝產(chǎn)生的Glu 在谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase,GS）的催化下與氨發(fā)生酰胺化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺（Gln），或與丙酮酸（pyruvic acid，PA）和AKG發(fā)生轉(zhuǎn)氨基作用分別生產(chǎn)丙氨酸（Ala）和天冬氨酸（Asp），幫助維持了蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及核酸的生物合成功能。在饑餓條件下，Ala和Gln是腎臟合成萄葡糖的主要前體。這一步驟也是可逆反應(yīng)，它能夠通過(guò)可能來(lái)自其他組織的BCKAs 的再反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生BCAAs。由于肝外組織中支鏈α-酮酸脫氫酶（branched chainα- keto acid dehydrogenase，BCKDH）的活性相對(duì)較低，只能對(duì)BCKAs進(jìn)行部分脫羧作用，因此，BAKAs回輸?shù)礁闻K，被BCKDH不可逆地脫羧，通過(guò)生酮（α-KIC 和KMV）和生糖（KIV 和KMV）作用，最終代謝生成乙酰輔酶A和琥珀酰輔酶 A，用于三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)，同時(shí)伴隨有羰基衍生物CO2和 NADH（還原型輔酶Ⅰ）的生成。

圖2 BCAAs在細(xì)胞中的區(qū)室化代謝通路[3]

圖3 動(dòng)物體內(nèi)BCAAs在器官間的代謝

2 BCAAs的拮抗作用

BCAT和BCKDH 兩種酶是3種BCAAs的共同酶。其中一種BCAAs 對(duì)酶的激活將增加所有BCAAs 的分解代謝，可能在它們之間產(chǎn)生拮抗作用。BCAT 和BCKDH 最有效的激活因子是Leu 及其代謝產(chǎn)物α-KIC[2]。日糧中過(guò)多的Leu 顯著增加了肝臟和股二頭肌中的BCKDH 活性。豬的日糧中添加L-Leu，血漿游離Leu 以及血清α-KIC、KMV 和KIV 水平隨著日糧Leu 水平的增加呈線性增加，血漿游離Ile 和Val 水平呈線性降低，表明BCAAs 分解代謝增加和生長(zhǎng)性能下降；Val或Ile過(guò)量對(duì)其他BCAAs分解代謝影響較?。蝗占Z中添加Ile 和Val 可以緩解高Leu 引起的大鼠生長(zhǎng)遲緩。1961 年，美國(guó)科學(xué)家Spolter 等[4]首次公開(kāi)報(bào)道了Leu 和Ile 之間的拮抗作用，且高劑量的Leu 沒(méi)有毒性。1963 年，Spolter 等[5]用部分肝切除大鼠作動(dòng)物模型進(jìn)一步證實(shí)了BCAAs 之間的拮抗作用。Allen等[6]研究表明，過(guò)量的Val 不會(huì)影響Leu 或Ile 的利用，然而，過(guò)量的Ile，特別是Leu 會(huì)損害其他BCAAs 的利用，并導(dǎo)致雛雞飼料攝入減少和生長(zhǎng)性能降低。用初始體重為10.4 kg 的保育豬研究發(fā)現(xiàn)，與SID Leu/Lys為1 的對(duì)照組比較，比值為1.86 就足以引起平均日采食量（ADFI）減少，比值為3.53 則更加顯著；高Leu 可以刺激包括大腦在內(nèi)的多個(gè)組織中的BCKDH 活性，增加血漿和其他幾種組織中Leu 的濃度，降低了幾乎所有組織（包括血漿）中游離Vle 和Ile 的濃度[7]。總之，高Leu 不僅增加了自身的分解代謝，也增加了其他BCAAs的分解代謝。

3 BCAAs與其它氨基酸之間的關(guān)系

研究表明[7]，日糧中過(guò)量Leu（SID Leu/Lys=3.53）會(huì)減少Trp 和Tyr 的吸收利用和代謝轉(zhuǎn)化，降低大腦中Trp 和Tyr 濃度，使抑制性神經(jīng)遞質(zhì)血清素（5-羥色胺）和興奮性神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺（3-羥酪胺）的合成量減少，血漿中3-羥基丁酸濃度升高，影響動(dòng)物采食量。因?yàn)锽CAAs 和其他的大型中性氨基酸（large neutral amino acids，LNAAs），如色氨酸（Trp）、組氨酸（His）、苯丙氨酸（Phe）和酪氨酸（Tyr），共用相同的腦轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，增加其中一種BCAAs 和LNAAs 的水平會(huì)提高其大腦吸收量，并降低另一種BCAAs 和LNAAs 的吸收量[8]。不過(guò)，高Leu（SID Leu/Lys=1.86）實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的豬大腦中，Trp濃度相似，但采食量較低。原因可能是因?yàn)榧?xì)胞燃料傳感器mTOR（哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白）過(guò)度激活，刺激厭食信號(hào)，以及由于高Leu導(dǎo)致BCAAs 分解代謝增加，使Val 和Ile 缺乏[9]。Millet 等[10]用初始重9.9 kg 的保育豬評(píng)估BCAAs 與Trp之間的相互作用，結(jié)果表明，高濃度的Leu 對(duì)生長(zhǎng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響；添加Val 后，有所改善；再添加Ile沒(méi)有改善效果；有趣的是，與低Leu 對(duì)照組相比，在高Leu 日糧中添加Trp 反而產(chǎn)生負(fù)面影響。說(shuō)明BCAAs 與Trp 之間存在一定程度的拮抗作用。但是，日糧中過(guò)量Leu 或BCAAs 對(duì)生長(zhǎng)豬血漿Met 濃度沒(méi)有影響[11]。

4 保育豬和生長(zhǎng)育肥豬BCAAs的理想模式

4.1 保育豬BCAAs的理想模式

Kerr 等[12]通過(guò)添加噴霧干燥血細(xì)胞（spray-dried blood cells，SDBC，一種含有高Leu、Val和低Ile的原料）和L-Ile 調(diào)控日糧中BCAAs 的水平，用初始體重7 kg的保育豬進(jìn)行研究，結(jié)果表明，日糧中添加2.5% SDBC，無(wú)論是否添加L-Ile，豬的平均日增重（ADG）、平均日采食量（ADFI）和肉料比（G/F）相似；然而，日糧中添加5% SDBC、但不添加L-Ile 的日糧，豬的ADG、ADFI和G/F 降低，添加L-Ile 后，表現(xiàn)與2.5% SDBC 日糧豬的生長(zhǎng)性能相似。總之，當(dāng)日糧中SID Leu/Lys 比值大于150%時(shí)，必須外源添加適量的L-Ile，否則會(huì)影響生長(zhǎng)性能。綜合分析12 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)日糧SID Leu/Lys 比值回歸分析估算SID Ile/Lys 的需求量（圖4），該方程表明，在一定范圍內(nèi)，隨著日糧Leu的增加，Ile 需求量按一定比例增加[13]。例如，如果日糧中SID Leu/Lys 比值是110%，則SID Ile/Lys 需求量約為54%，如果SID Leu/Lys 為200%，則SID Ile/Lys 需求量將增加到61%。

圖4 根據(jù)日糧SID Leu/Lys比值估算SID Ile/Lys需求量的回歸方程

Gloaguen 等[14]用初始體重11.3 kg 的保育豬進(jìn)行研究證實(shí)，SID Leu/Lys 為0.8 降低了ADFI 和ADG；然而，SID Leu/Lys為0.9和1.3兩組之間沒(méi)有差異。這表明，Leu 水平低于NRC（2012）[15]推薦需求量的10%不會(huì)影響生長(zhǎng)性能；SID Leu/Lys 為1.3 不足以減少飼料攝入量。Gloaguen 等[16]用平均初始體重11.7 kg 的保育豬進(jìn)一步研究表明，SID Val/Lys 和SID Leu/Lys 之間存在顯著的互作效應(yīng)，將SID Val/Lys 由0.6 增加到0.7 可改善生長(zhǎng)性能；飼喂高SID Leu/Lys 日糧的豬生長(zhǎng)性能下降，當(dāng)SID Val/Lys比值低時(shí)，下降更為嚴(yán)重。當(dāng)保育豬日糧中SID Leu/Lys 達(dá)到1.69 時(shí)，估計(jì)的SID Val/Lys 需要量為0.72。盡管這一研究結(jié)果高于NRC（2012）的需求推薦量，但與其它的研究結(jié)果相似[17-19]。Gaines 等[20]研究表明，正常情況下，SID Val/Lys 為0.65 就足以維持13～32 kg 保育豬的生長(zhǎng)性能。Siebert 等[21]研究表明，斷奶仔豬最佳SID Val/Lys 為0.68。最近研究表明，低蛋白日糧顯著影響仔豬的氨基酸代謝和腸道健康，補(bǔ)充L-Leu 和L-Val 可以提高仔豬的ADFI 和ADG，但補(bǔ)充L-Ile 沒(méi)有效果；BCAAs平衡增加了仔豬血清中BCAAs 濃度，改善了仔豬的氨基酸代謝、生長(zhǎng)性能和腸道微生物群落[22]。因此，對(duì)于10～35 kg保育豬，要避免日糧配方中血液制品用量過(guò)大或粗蛋白設(shè)計(jì)值過(guò)低導(dǎo)致BCAAs 不平衡或缺乏的現(xiàn)象。此階段，建議SID Lys∶Leu∶Ile∶Val 的理想模式為100∶100～150∶50～60∶65～70。其中，SID Leu/Lys的范圍是90%～150%。

4.2 生長(zhǎng)育肥豬BCAAs的理想模式

BCAAs 對(duì)生長(zhǎng)肥育豬性能影響的研究數(shù)據(jù)并不多。Morales 等[23]用基礎(chǔ)日糧（SID Leu/Lys 為99%、SID Ile/Lys 為58%、SID Val/Lys 為73%）、實(shí)驗(yàn)日糧一（SID Leu/Lys 為137%、SID Ile/Lys 為58%、SID Val/Lys是73%）和實(shí)驗(yàn)日糧二（SID Leu/Lys是133%、SID Ile/Lys是74%、SID Val/Lys 是95%）飼喂初始體重為31.8 kg的生長(zhǎng)豬，結(jié)果表明，各處理之間，豬的生長(zhǎng)性能沒(méi)有差異，SID Leu/Lys值達(dá)137%不足以引起生長(zhǎng)豬飼料攝入量減少。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)中SID Ile/Lys 和SID Val/Lys 都高于需求量。Rojo[24]用初始體重為42.4 kg的生長(zhǎng)豬，研究了BCAAs對(duì)生長(zhǎng)性能的影響，結(jié)果表明，與對(duì)照組（SID Leu/Lys 為128%、SID Ile/Lys 為61%、SID Val/Lys為68%）相比，處理一組（SID Leu/Lys為192%、SID Ile/Lys為61%、SID Val/Lys 為68%）和處理二組（SID Leu/Lys為192%、SID Ile/Lys 為62%、SID Val/Lys 為74%）的ADG 均降低，但三者之間的ADFI 沒(méi)有差異。Hyun等[25]用初始體重為78.4 kg 的育肥豬進(jìn)行研究，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)日糧中添加2.1%的L-Leu，使SID Leu/Lys高達(dá)424%，與對(duì)照組（SID Leu/Lys 為171%）相比，ADG 顯著降低，分別是829 g和930 g，但ADFI各組之間差異不顯著，分別為2.75 kg和2.89 kg，減少了5%。另一項(xiàng)研究表明[26]，育肥豬的生長(zhǎng)性能不受SID Lys（0.5%和0.7%）或Leu（1%、2%和3%）水平的影響，即使SID Leu/Lys 比率為501%，也不影響ADFI，結(jié)果與Cisneros 等[27]的早期研究結(jié)果類似，并且短期飼喂氨基酸缺乏日糧可顯著提高肌內(nèi)脂肪水平?？偨Y(jié)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于生長(zhǎng)育肥豬，只要SID Ile/Lys 和SID Val/Lys 達(dá)到營(yíng)養(yǎng)要求，日糧中高水平的Leu 不會(huì)顯著影響ADFI，但增加了肌肉的分解代謝，降低了ADG，導(dǎo)致料重比升高。日糧Ile 水平對(duì)育肥豬的ADG 和ADFI 沒(méi)有顯著影響，但I(xiàn)le 不足降低了育肥豬的胴體性狀和肌內(nèi)脂肪含量[28]。綜合分析國(guó)內(nèi)外研究數(shù)據(jù)，結(jié)合玉米副產(chǎn)物使用的實(shí)際情況，建議生長(zhǎng)育肥豬SID Lys∶Leu∶Ile∶Val 的 理 想 模 式 為100∶110～150∶45～55∶65～75。特別是35～75 kg 的生長(zhǎng)豬，配制粗蛋白15%左右的低蛋白日糧時(shí)，一定要注意補(bǔ)充BCAAs。因?yàn)锽CAAs 缺乏或過(guò)量通過(guò)兩種可能的方式影響飼料攝入：上調(diào)腸道中氨基酸T1R1/T1R3（taste dimeric receptor type 1 member 1/3）的mRNA 表達(dá)和蛋白豐度誘導(dǎo)飽感激素CCK分泌，同時(shí)降低下丘腦中阿片黑素促皮質(zhì)激素原（pro-opiomelanocortin，POMC）的表達(dá)，激活下丘腦中的GCN2/eIF2α（general control nonderepressible 2 and eukaryotic initiation factor 2 alpha）通路[29-30]。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，BCAAs 是蛋白質(zhì)中常見(jiàn)的3 種氨基酸，總量占肌肉總蛋白的三分之一。日糧中充足的BCAAs在防止熱應(yīng)激下蛋白水解方面起著至關(guān)重要的作用，促進(jìn)肌肉的形成和發(fā)育。如果日糧中BCAAs 不足，則通過(guò)AMPK-mTOR-FoxO1 信號(hào)途徑抑制脂肪酸合成并增強(qiáng)肝臟中脂肪酸β-氧化，影響胴體質(zhì)量。此外，BCAAs 能夠調(diào)節(jié)免疫功能、腸道發(fā)育和減少氧化應(yīng)激。由于BCAT 和BCKDH 兩種酶是三種BCAAs 代謝通路的共同酶，因此，BCAAs 之間存在拮抗作用。當(dāng)保育豬日糧中大量使用血液制品或生長(zhǎng)育肥豬日糧中大量使用DDGS 等玉米副產(chǎn)物時(shí)，需要關(guān)注Leu水平；當(dāng)通過(guò)減少蛋白質(zhì)來(lái)源和增加富含Leu 的谷物來(lái)配制低蛋白日糧時(shí)，會(huì)增加Leu 對(duì)其他BCAAs 的拮抗。無(wú)論保育豬還是生長(zhǎng)育肥豬，高Leu 會(huì)影響生長(zhǎng)性能。通過(guò)添加L-Ile 及L-Val 滿足BCAAs 的需求，可以提高其底物利用率和肌肉中的凈氨基酸通量，促進(jìn)胰島素和生長(zhǎng)激素釋放，增強(qiáng)合成代謝，改善胴體瘦肉率。雖然日糧中過(guò)量Leu（SID Leu/Lys＞150）對(duì)生長(zhǎng)育肥豬的ADFI 影響不明顯，但是增加了肌肉的分解代謝，導(dǎo)致ADG 下降，料重比升高。因此，保育豬階段，建議SID Lys∶Leu∶Ile∶Val 的理想模式為100∶100～150∶50～60∶65～70；生長(zhǎng)育肥豬階段，建議SID Lys∶Leu∶Ile∶Val 的理想模式為100∶110～150∶45～55∶65～75。