DL-蛋氨酸及其羥基類似物在單胃動(dòng)物體內(nèi)的代謝機(jī)制研究進(jìn)展

方正鋒 張曉玲 吳 德* 林 燕

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究所,雅安 625014;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生命理學(xué)院,雅安 625014)

蛋氨酸是所有脊椎動(dòng)物的必需氨基酸,通常是禽日糧的第一限制性氨基酸,是豬日糧的第二或第三限制性氨基酸[1]。當(dāng)使用噴霧干燥血漿蛋白粉時(shí),蛋氨酸可上升為豬日糧的第一或第二限制性氨基酸[2]。DL-蛋氨酸(DL-MET)和DL-2-羥基-4-(甲硫基)丁酸(DL-HMB)是2種常用的蛋氨酸添加劑。DL-HMB與DL-MET所不同的地方是蛋氨酸的氨基被羥基取代,稱作DL-HMB或者DL-蛋氨酸羥基類似物。從化學(xué)結(jié)構(gòu)而言,DL-HMB不是氨基酸而是脂肪酸;從化學(xué)組成而言,商品DL-HMB中DL-HMB的含量為88%,其中單體、二聚體和寡聚體各占65%、20%和3%[3]。由于化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的差異,2種蛋氨酸源是否具有相同的生物學(xué)效價(jià)一直是人們關(guān)注和爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。

目前,有關(guān)2種蛋氨酸源在肉雞[4-5]和蛋雞[6-7]應(yīng)用中的生物學(xué)效價(jià)的研究已有很多;用于豬日糧的相對(duì)生物學(xué)效價(jià)也有一些報(bào)道[8-9]。但是,這些研究大多數(shù)是以動(dòng)物的生產(chǎn)性能為指標(biāo)來(lái)評(píng)估兩者的效價(jià),并且認(rèn)為統(tǒng)計(jì)方法的不統(tǒng)一可能引起不同研究之間效價(jià)結(jié)果的差異[10],而很少揭示產(chǎn)生效價(jià)差異的生理生化機(jī)制。Han等[3]研究認(rèn)為,蛋氨酸源首先要從腸道吸收,接著是要轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-MET,任何一步的低效都將導(dǎo)致其活性低于100%。近年的研究表明,DL-MET和DL-HMB 2種蛋氨酸源是以不同的機(jī)制但以相同的效率被吸收[11],并且證實(shí)腸道有足夠的能力將DL-HMB的寡聚體水解為單體而有效吸收[12]。但是,目前有關(guān)不同蛋氨酸源在動(dòng)物體內(nèi)轉(zhuǎn)化和代謝機(jī)制的研究則相對(duì)較少,并且這些研究多集中于動(dòng)物的肝和腎[13],而近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),腸道是氨基酸代謝的重要場(chǎng)所,氨基酸在腸道的分解代謝降低了進(jìn)入腸外組織的氨基酸量從而降低氨基酸的營(yíng)養(yǎng)效率[14]。由于30%～40%的日糧蛋氨酸在第1次通過(guò)腸道時(shí)即被利用[15-18],從門(mén)靜脈的凈吸收率來(lái)看,蛋氨酸甚至可能是豬日糧的第一限制性氨基酸[18]。因此,明確不同蛋氨酸源在動(dòng)物體內(nèi)特別是在腸道的轉(zhuǎn)化和代謝機(jī)制對(duì)于揭示產(chǎn)生2種蛋氨酸源效價(jià)差異的生理生化基礎(chǔ)具有至關(guān)重要的意義。為此,本文主要綜述了近年來(lái)有關(guān)2種蛋氨酸源在腸道轉(zhuǎn)化和代謝的研究,以便為正確評(píng)價(jià)DL-MET和DL-HMB的生物學(xué)效價(jià)和合理使用2種蛋氨酸源提供依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)化DL-MET和DL-HMB的關(guān)鍵酶及其在組織中的分布

化學(xué)合成法生產(chǎn)的DL-MET和DL-HMB分別含有50%的左旋(L型)和50%的右旋(D型)的異構(gòu)體。由于L-MET是參與中間代謝或用于蛋白質(zhì)合成的唯一蛋氨酸,D-MET和DL-HMB在被動(dòng)物利用之前必須先轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-MET[19]。這種轉(zhuǎn)化總共分2步進(jìn)行,其中第1步反應(yīng)為α-碳位發(fā)生氧化產(chǎn)生中間產(chǎn)物2-羰基-4-(甲硫基)丁酸(酮式蛋氨酸)。催化D-MET、D-HMB和L-HMB氧化為酮式蛋氨酸的酶具有高度特異性,分別為D-氨基酸氧化酶(D-amino acid oxidase,D-AAOX)、D-2-羥基酸脫氫酶(D-2-hydroxy acid dehydrogenase,D-HADA)和L-2-羥基酸氧化酶(L-2-hydroxy acid oxidase,L-HAOX);第2步反應(yīng)為中間產(chǎn)物酮式蛋氨酸在轉(zhuǎn)氨酶的催化下生成L-MET[13]。研究表明,酮式蛋氨酸轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-MET的反應(yīng)不是影響蛋氨酸源轉(zhuǎn)化的限速反應(yīng),因此,D-MET、D-HMB和LHMB轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-MET的效率,取決于催化氧化為酮式蛋氨酸的氧化酶 D-AAOX、D-HADH和 LHAOX的活性[13]。

研究表明,氧化D-MET的特異性酶D-AAOX產(chǎn)生于過(guò)氧化物酶體,先后在肝臟、腎臟[20]以及腸道組織[21]中被發(fā)現(xiàn)。腸道組織中D-AAOX的活性約為肝臟的1/2[21],表明腸道有相當(dāng)?shù)哪芰?lái)轉(zhuǎn)化D-MET。對(duì)于DL-HMB的異構(gòu)體之一D-HMB,盡管氧化D-HMB的特異性酶D-HADH產(chǎn)生于線粒體,存在于包括肝臟、腎臟、肌肉、腸道、胰腺、脾臟和大腦等在內(nèi)的所有組織中,但是,從D-HADH的活性來(lái)看,腸道組織中的活性僅為肝臟組織中活性的1/4[13]。更值得注意的是,對(duì)于DL-HMB的另一異構(gòu)體 L-HMB,氧化 L-HMB的關(guān)鍵酶LHAOX被證實(shí)主要存在于雞的肝臟[13]、鼠的肝臟[22]和豬的腎臟[23]中。方正鋒[24]在仔豬上的研究進(jìn)一步證實(shí),L-HAOX在腸道的活性相對(duì)較低,這可能與產(chǎn)生L-HAOX的過(guò)氧化物酶體主要存在于肝臟和腎臟中有關(guān)。即使肝臟被認(rèn)為是轉(zhuǎn)化DLHMB能力很強(qiáng)的器官[13,19,25],DL-HMB每次流經(jīng)肝臟時(shí)被轉(zhuǎn)化的量也僅為輸入量的4%～5%[26]。因此,門(mén)靜脈回流內(nèi)臟組織,特別是腸道,對(duì) DLHMB的轉(zhuǎn)化能力相當(dāng)有限。如果等量的DL-MET和DL-HMB進(jìn)入腸道時(shí),DL-MET可能為腸細(xì)胞提供更多的L-MET。而且,蛋氨酸的轉(zhuǎn)硫反應(yīng)受到日糧中蛋氨酸水平的調(diào)控[27],這意味著蛋氨酸水平越高,就會(huì)有越多的蛋氨酸發(fā)生分解代謝(轉(zhuǎn)硫反應(yīng))。因此,DL-HMB可能比 DL-MET更多地進(jìn)入到腸外組織被利用。通過(guò)腹膜內(nèi)灌注1-14C-LMET的肉雞腸道組織中14C的濃度遠(yuǎn)高于灌注1-14C-DL-HMB的肉雞(前者約為后者的4倍)[28],進(jìn)一步證實(shí)了DL-HMB由于被腸道轉(zhuǎn)化和代謝的量比較少,從而更多地進(jìn)入到腸外組織被利用。

2 DL-MET和DL-HMB在腸道代謝的可能差異及其營(yíng)養(yǎng)意義

Saroka等[29]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在供給等摩爾量的L-MET和DL-HMB的情況下,肉仔雞吸收入血的DL-HMB的濃度高于L-MET,但當(dāng)時(shí)未能對(duì)此現(xiàn)象作出解釋。Stoll等[18]的研究結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)仔豬腸道的第1次代謝后僅有48%的日糧蛋氨酸(LMET)進(jìn)入了門(mén)靜脈血,另外的52%則在腸道的第1次代謝中被利用。Shoveller等[16-17]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)全靜脈營(yíng)養(yǎng)飼喂的新生仔豬的蛋氨酸(L-MET)需要量比通過(guò)腸道飼喂的新生仔豬的需要量低30%。這些研究表明,大量的蛋氨酸在腸道發(fā)生了第1次代謝[15]。因此,Saroka等[29]的研究中所觀測(cè)到的肉仔雞吸收入血后DL-HMB比LMET濃度高的結(jié)果,可能是由于在腸道的吸收和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中,L-MET會(huì)更多地被腸道分解的結(jié)果。與此觀點(diǎn)一致的是,Saunderson[28]采用14C標(biāo)記的DL-MET和DL-HMB研究發(fā)現(xiàn),DL-MET被動(dòng)物機(jī)體氧化分解產(chǎn)生的CO2的量比DL-HMB分解產(chǎn)生的量要高。Ng等[30]認(rèn)為DL-HMB具有減少蛋氨酸被分解代謝的作用。最近,Gonzales-Esquerra等[31]和 Vázquez-An～ón 等[5]分別用等量的DL-HMB和DL-MET來(lái)滿足火雞和肉雞日糧蛋氨酸需要時(shí),飼喂 DL-HMB的雞比飼喂DLMET的雞可獲得更好的生產(chǎn)性能。方正鋒[24]認(rèn)為這些結(jié)果的產(chǎn)生可能與DL-HMB比DL-MET能更多地進(jìn)入到腸外組織,從而降低日糧蛋氨酸在腸道的分解代謝,增加氨基酸在腸外靶組織如肌肉的沉積有關(guān)。Fang等[32]采用穩(wěn)定同位素1-13C-L-MET的研究進(jìn)一步證實(shí),與DL-MET相比,DL-HMB有增加蛋氨酸在腸外組織沉積的趨勢(shì)。此外,與DLMET相比,DL-HMB還可以減少血漿中同型半胱氨酸的濃度從而降低含硫氨基酸的毒性[33]。

3 蛋氨酸源對(duì)血流速度和氨基酸凈吸收的影響

消化道血流速度是影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收的一個(gè)重要因素[34]。Fang等[35]研究發(fā)現(xiàn),仔豬采食后4～6 h內(nèi),DL-HMB組仔豬的門(mén)靜脈血流速度比DLMET組提高了9%;DL-HMB同時(shí)提高了部分氨基酸如亮氨酸、異亮氨酸、組氨酸、精氨酸和丙氨酸的門(mén)靜脈凈吸收量。門(mén)靜脈氨基酸凈吸收量的提高意味著這些氨基酸在腸道分解代謝的降低。該結(jié)果表明,血流速度的加快可以加速氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在吸收過(guò)程中向血液的轉(zhuǎn)運(yùn)[34],這一方面可以提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收效率,另一方面減少了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在腸黏膜的停留時(shí)間,間接地減少了單位時(shí)間內(nèi)腸黏膜細(xì)胞可利用的氨基酸,因而可能有助于減少氨基酸在腸道的分解代謝[36]。因此,加快血流速度可能是DL-HMB減少氨基酸在腸道的分解代謝和提高氨基酸在門(mén)靜脈的凈吸收量的原因之一。

4 蛋氨酸源影響血流速度的可能機(jī)制

從化學(xué)本質(zhì)而言,DL-HMB是一種短鏈脂肪酸(SCFA)。早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)有直接的證據(jù)表明短鏈脂肪酸(SCFA)可以增加內(nèi)臟組織的血流速度[37],但是對(duì)其作用機(jī)制還知之甚少。近年的研究發(fā)現(xiàn),SCFA可以促進(jìn)胃腸道胰高血糖素原(proglucagon,PG)基因的表達(dá)和胰高血糖素樣肽-2(GLP-2)的分泌[38],而GLP-2是促進(jìn)胃腸道運(yùn)動(dòng)、吸收、生長(zhǎng)和增強(qiáng)腸道適應(yīng)能力的關(guān)鍵肽生長(zhǎng)因子[39]。GLP-2可以促進(jìn)隱窩細(xì)胞的增生,提高上皮細(xì)胞的存活率,提高血流速度,提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收率和增強(qiáng)腸黏膜的屏障功能[39]。GLP-2的這些功能需要通過(guò)G-蛋白偶聯(lián)的跨膜受體GLP-2受體(GLP-2R)來(lái)介導(dǎo)[40];最近的研究顯示GLP-2介導(dǎo)的血流速度的增加主要與腸道組成型一氧化氮(NO)合成酶(NOS)的活性和內(nèi)皮型NOS(eNOS)的蛋白質(zhì)豐度增加有關(guān)[34]。與此觀點(diǎn)一致的是,與DL-MET組仔豬相比,PG基因在DL-HMB組仔豬的胃腸道中的表達(dá)量顯著提高[35]。PG基因表達(dá)量升高意味著 GLP-2分泌的增加[38]。PG、GLP-2R和eNOS在胃腸道上段的表達(dá)量同步升高,一方面表明DL-HMB加快血液流速的作用與GLP-2的分泌是相關(guān)的,另一方面也意味著胃中血流速度的加快,表明DL-HMB可以在胃中被高效吸收。在畜禽生產(chǎn)中,仔豬早期斷奶應(yīng)激和家禽熱應(yīng)激可引起動(dòng)物腸道生理結(jié)構(gòu)的損害,以致降低腸道的消化、吸收功能,嚴(yán)重影響動(dòng)物生長(zhǎng)性能的發(fā)揮[41]。Swick等[41]研究發(fā)現(xiàn),在熱應(yīng)激的情況下飼喂DL-HMB的肉雞可獲得比飼喂DL-MET更好的生產(chǎn)性能,這可能與DL-HMB可以誘導(dǎo)GLP-2的表達(dá),從而緩解熱應(yīng)激對(duì)腸道的結(jié)構(gòu)與功能的損害,保證日糧中的氨基酸和葡萄糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效吸收有關(guān)[24]。

有報(bào)道認(rèn)為,除了DL-HMB因本身是一種SCFA而可能影響血流速度外,胃腸道食糜中SCFA的組成模式也可以因?yàn)榈鞍彼嵩吹牟煌霈F(xiàn)差異[42]。究竟是DL-HMB本身,還是發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA影響了血流速度需要進(jìn)一步闡明。Richards等[11]研究表明,日糧中大部分的DL-HMB可以在胃和腸道的上段被迅速吸收。另外,GLP-2可以急劇地提高腸道的血流速度[43]。因此,供給SCFA后PG基因的迅速表達(dá)與GLP-2的快速分泌[38]預(yù)示了一種可能性,即如果DL-HMB本身可以影響血流速度,那么在飼喂后3 h內(nèi)應(yīng)該可以觀察到DLMET組與DL-HMB組之間門(mén)靜脈血流速度的差異。但是,Fang等[35]觀察到的結(jié)果是DL-MET組與DL-HMB組血流速度的差異是發(fā)生在仔豬采食后4～6 h。DL-HMB組回腸食糜中乙酸濃度是DL-MET組的3倍[35],這表明乙酸可能在上調(diào)血流速度的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。因?yàn)镾CFA特別是乙酸,可以顯著影響腸道的血流速度[37],加之DL-MET組與DL-HMB組血流速度的差異是發(fā)生在采食后4～6 h而不是1～3 h,由此推測(cè)DLHMB組仔豬血流速度的增加主要與DL-HMB增加仔豬胃腸道乙酸產(chǎn)量有關(guān)。

目前關(guān)于DL-HMB改變胃腸道SCFA組成的機(jī)制尚不清楚。雖然已經(jīng)有相當(dāng)多的體內(nèi)及體外試驗(yàn)探討了DL-HMB對(duì)SCFA的影響,但是大多數(shù)研究都是針對(duì)反芻動(dòng)物開(kāi)展的,而且結(jié)果也并不一致。有的研究認(rèn)為DL-HMB對(duì)瘤胃中的乙酸、丙酸和丁酸等SCFA基本無(wú)影響[44];而Lundquist等[45]研究發(fā)現(xiàn),DL-HMB可以增加乙酸的濃度而降低丙酸的濃度;Gil等[46]研究認(rèn)為乙酸、丙酸和丁酸的濃度都是降低的,與Noftsger等[42]研究結(jié)果大體一致。有關(guān)單胃動(dòng)物DL-HMB影響SCFA組成的報(bào)道相對(duì)較少。Fang等[35]研究發(fā)現(xiàn),胃腸道食糜中SCFA的變化主要發(fā)生在回腸,其乙酸的濃度大量增加,而胃和結(jié)腸中SCFA組成的變化相對(duì)較小。產(chǎn)生這些變化的原因目前知之甚少。Noftsger等[42]采用核糖體基因間隔區(qū)長(zhǎng)度多態(tài)性方法分析了DL-HMB對(duì)瘤胃中微生物區(qū)系的影響并總結(jié)認(rèn)為SCFA的變化可能取決于微生物區(qū)系的組成。反而言之,SCFA組成的變化反過(guò)來(lái)也可以反映微生物區(qū)系組成的不同。May等[47]研究表明,日糧是決定碳水化物影響腸道微生物和SCFA的主要因素,由此可見(jiàn),在日糧的碳水化物組成一致的情況下,DL-HMB對(duì)胃腸道SCFA的影響可能與以下因素有關(guān):第一,DL-HMB的p Ka為3.6,與蟻酸相當(dāng),顯示了DL-HMB可以通過(guò)低p H效應(yīng)來(lái)抑制病原菌增殖的能力;第二,DL-HMB主要在胃和腸道的上段被吸收,到達(dá)后腸的量相對(duì)很少,因此,結(jié)腸食糜中SCFA的濃度變化相對(duì)較小可能為DLHMB影響SCFA提供了進(jìn)一步證據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

DL-HMB作為一種蛋氨酸源添加劑,其結(jié)構(gòu)的特殊性使其具備了一些額外的營(yíng)養(yǎng)效應(yīng)。1)由于腸道對(duì)DL-HMB的轉(zhuǎn)化能力較低,推測(cè)更多的DLHMB進(jìn)入腸外組織可能為肌肉蛋白質(zhì)的合成提供更多可利用蛋氨酸;2)DL-HMB作為一種有機(jī)酸可能影響胃腸道SCFA的產(chǎn)量,進(jìn)而調(diào)控與消化道血流速度相關(guān)基因如PG、GLP-2R和eNOS的表達(dá),加快門(mén)靜脈的血流速度,提高亮氨酸、異亮氨酸、組氨酸、精氨酸和丙氨酸的門(mén)靜脈凈吸收量。這些結(jié)果為正確評(píng)價(jià)DL-MET和DL-HMB的生物學(xué)效價(jià)和合理使用2種蛋氨酸源提供了新的理論依據(jù)。但是,為了進(jìn)一步揭示蛋氨酸源在腸道代謝差異的機(jī)制,以下幾個(gè)方面還有待深入研究:1)腸道微生物在蛋氨酸源代謝中的作用;2)不同蛋氨酸源對(duì)蛋氨酸轉(zhuǎn)硫途徑和轉(zhuǎn)甲基途徑限速酶的影響;3)不同蛋氨酸源在腸道的代謝命運(yùn)。

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