氨基酸新功能及其對(duì)脂質(zhì)代謝和能量平衡的調(diào)控

印遇龍 院士 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所

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氨基酸新功能及其對(duì)脂質(zhì)代謝和能量平衡的調(diào)控

印遇龍 院士 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所

湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長、特聘教授，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所畜牧健康養(yǎng)殖中心主任，學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，湖南省政協(xié)常委，湖南省海外聯(lián)誼會(huì)常務(wù)理事，湖南省九三學(xué)社省委委員，動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、生物飼料安全與污染防控國家工程實(shí)驗(yàn)室和中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。

氨基酸是構(gòu)成動(dòng)物機(jī)體蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的基本單位。過去一直認(rèn)為氨基酸只是提供蛋白質(zhì)合成的原料。25%～54%氨基酸在腸道發(fā)生分解代謝，機(jī)體蛋白質(zhì)的沉積實(shí)質(zhì)上是氨基酸的沉積。研究表明，氨基酸對(duì)多種生物活性物質(zhì)的合成也是必需的，并且對(duì)動(dòng)物的生長、發(fā)育和肉品質(zhì)均具有重要作用。下面我們將重點(diǎn)探討一下氨基酸的新功能及其對(duì)脂質(zhì)代謝和能量平衡的調(diào)控。

1 精氨酸對(duì)脂質(zhì)代謝和能量分配的作用

研究表明，日糧添加1%精氨酸，可提高育肥豬胴體瘦肉率，降低脂肪率，改善豬肉質(zhì)性狀，提高肌肉組織4E-BP1、rpS6和eIF4E的磷酸化水平，降低總eIF4G的含量，促進(jìn)機(jī)體蛋白質(zhì)的合成，減少脂肪的沉積。

精氨酸可差異調(diào)控育肥豬肌肉和脂肪組織的脂肪代謝相關(guān)酶活性和基因表達(dá)，從而降低機(jī)體脂肪率、提高肌內(nèi)脂肪含量，改善肉品質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn)，添加精氨酸能夠降低血清中腸道菌群的代謝產(chǎn)物濃度，通過改變脂質(zhì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子濃度來增強(qiáng)機(jī)體蛋白質(zhì)合成和減少脂肪的沉積，提高育肥豬背最長肌粗蛋白含量和脂肪含量（圖1），提高育肥豬背最長肌肌糖原含量，從而降低乳酸含量，顯著提高屠宰后45min的肌肉pH（圖2），提高育肥豬肌肉組織中油酸（C18∶1n-9）含量，而降低了硬脂酸（C18∶0）和亞油酸（C18∶2n-6）含量（圖3）。

圖1 背最長肌化學(xué)組成（g/100g）

圖2 背最長肌糖原、乳糖含量及屠宰后45min肌肉pH

圖3 肌肉組織脂肪酸組成（g/100g）

2 谷氨酸對(duì)生長豬胴體性狀和脂質(zhì)代謝的調(diào)控

常脂日糧添加谷氨酸鈉，生長豬的眼肌面積顯著降低，脂肪率和肌內(nèi)脂肪含量顯著升高；高脂日糧添加谷氨酸鈉，生長豬肌內(nèi)脂肪含量顯著降低，可顯著降低背最長肌中單不飽和脂肪酸（MUFA）含量、增加多不飽和脂肪酸（PUFA）含量；高脂日糧添加谷氨酸鈉，可增加股二頭肌中SFA的含量，降低MUFA含量。表明谷氨酸鈉能正向調(diào)節(jié)肌肉脂肪酸組成，從而改善豬肉品質(zhì)。

日糧中添加谷氨酸鈉和脂肪都能促進(jìn)肝臟中脂肪酸的裝載。谷氨酸鈉可增加背部脂肪組織而降低腎周脂中游離脂肪酸的供給，日糧脂肪則使得包含腎周脂在內(nèi)的脂肪組織的脂肪酸供給加強(qiáng)。

常脂日糧中添加谷氨酸鈉可上調(diào)背脂中與脂肪合成相關(guān)基因的表達(dá)，高脂日糧中添加谷氨酸鈉則可上調(diào)背脂中與脂肪分解相關(guān)基因的表達(dá)。常脂或高脂日糧中添加谷氨酸鈉并不影響生長豬脂肪和肝臟組織中與脂肪酸β-氧化相關(guān)的CPT-1基因的表達(dá)。

3 支鏈氨基酸對(duì)脂質(zhì)代謝和能量分配的調(diào)控

日糧氮營養(yǎng)素的高效利用主要體現(xiàn)在肌肉組織的增長等方面。支鏈氨基酸（BCAA）在促進(jìn)肌肉蛋白質(zhì)合成方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，而在脂質(zhì)代謝方面的研究卻較少。

Ashley Knight（2013）報(bào)道，支鏈氨基酸成員中的亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸在機(jī)體代謝中競(jìng)爭(zhēng)相同的關(guān)鍵酶（BCAT和BCKDC），說明三者的比例平衡具有重要意義。

以BCAA的平衡為理論基礎(chǔ)，初步開展了低蛋白日糧補(bǔ)充不同比例的BCAA對(duì)生長豬脂質(zhì)代謝的影響。

試驗(yàn)表明，生長豬10～30kg階段，與20%CP相比，17%CP補(bǔ)充BCAAs比例為1∶0.25∶0.25 和1∶0.75∶0.75顯著增加股二頭肌的肌內(nèi)脂肪含量，而比例大于1∶0.25∶0.25則提高胴體的脂肪率。與20%的日糧蛋白水平相比，17%的蛋白水平結(jié)合平衡的BCAAs可改善不同部位肌肉組織n-3 PUFA含量以及n-6/n-3 PUFA，其中以1∶0.75∶0.75組最佳（見表1）。該結(jié)果進(jìn)一步提示，氨基酸代謝與脂肪酸代謝之間存在互作。

不同的支鏈氨基酸比例特異性調(diào)控不同部位肌肉組織的脂肪代謝，主要通過調(diào)節(jié)脂肪合成與分解的限速酶以及脂肪酸結(jié)合蛋白與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)的基因表達(dá)。

試驗(yàn)進(jìn)一步表明，前期關(guān)于脂質(zhì)代謝的研究主要集中于肌肉組織和脂肪組織，其能量平衡還與兩種組織之間的相互作用有關(guān)，這種作用關(guān)系直接影響到肌肉生長、脂肪沉積和肌內(nèi)脂肪的形成。肌肉組織和脂肪組織通過肌細(xì)胞因子Myokine和脂肪細(xì)胞因子Adipokine進(jìn)行“對(duì)話”，為氨基酸的營養(yǎng)調(diào)控提供了新的效應(yīng)靶點(diǎn)。前期研究發(fā)現(xiàn)，肌細(xì)胞因子Myostain通過激活ERK1/2通路抑制3T3-L1細(xì)胞分化，脂肪細(xì)胞因子Chemerin通過激活ERK1/2通路抑制C2C12細(xì)胞分化。

氨基酸是否調(diào)控肌細(xì)胞因子或脂肪細(xì)胞因子的分泌？并通過這些因子調(diào)節(jié)肌肉組織和脂肪組織的脂質(zhì)代謝與能量分配？這些問題都有待進(jìn)一步深入研究。

表1 試驗(yàn)分組

圖4 胰島素抵抗的形成過程中，脂肪細(xì)胞周圍的血管生成減少，巨噬細(xì)胞的滲透增強(qiáng)

4 亮氨酸對(duì)肌細(xì)胞因子和脂肪細(xì)胞因子分泌的調(diào)節(jié)

利用Transwell小室將分化后的C2C12肌管細(xì)胞與3T3-L1成熟的脂肪細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)，考察亮氨酸對(duì)脂質(zhì)代謝調(diào)控相關(guān)細(xì)胞因子表達(dá)的調(diào)節(jié)。研究表明，肌細(xì)胞與脂肪細(xì)胞共培養(yǎng)條件下，亮氨酸上調(diào)mTOR而下調(diào)AMPKβ1磷酸化蛋白的表達(dá)水平，細(xì)胞事件趨于消耗能量的蛋白合成。經(jīng)分泌蛋白質(zhì)組學(xué)分析，篩選得到4個(gè)倍數(shù)大于1.2的上調(diào)蛋白和6個(gè)倍數(shù)小于0.75的下調(diào)蛋白，其具體功能有待進(jìn)一步挖掘。脂肪細(xì)胞與肌細(xì)胞共培養(yǎng)條件下，亮氨酸促進(jìn)脂肪細(xì)胞因子Chemerin、肌細(xì)胞因子IL-6和生長因子家族IGFBP-3的分泌表達(dá)，而降低IGFBP-2、IGFBP-5、IGFBP-6的分泌表達(dá)。這些因子將繼續(xù)發(fā)揮細(xì)胞之間的能量調(diào)節(jié)作用。共培養(yǎng)條件下，亮氨酸上調(diào)脂肪細(xì)胞PPARγ 和FAS的基因表達(dá)，促進(jìn)脂肪的合成。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)mTOR信號(hào)通路抑制劑雷帕霉素顯著抑制與脂肪生成相關(guān)的基因，促進(jìn)脂肪的分解。

5 谷氨酰胺調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的互作

胰島素抵抗的形成過程中，脂肪細(xì)胞周圍的血管生成減少，巨噬細(xì)胞的滲透增強(qiáng)（圖4）。谷氨酸依賴谷氨酰胺合成酶（GS）生成谷氨酰胺，GS在分化成熟的脂肪細(xì)胞中高表達(dá)，而在巨噬細(xì)胞中的表達(dá)量非常低。因此，推測(cè)脂肪細(xì)胞為巨噬細(xì)胞提供谷氨酰胺作為能量來源。前脂肪細(xì)胞分化過程中的分子c/ EBPβ、PPARγ以及c/EBPα的表達(dá)都需要谷氨酰胺。脂肪細(xì)胞與巨噬細(xì)胞共培養(yǎng)增加了促炎性因子（IL-6、MCP-1、RANTES）的分泌表達(dá)。

6 N-氨甲酰谷氨酸（NCG）對(duì)育肥豬生長發(fā)育

N-氨甲酰谷氨酸（NCG）不會(huì)影響賴氨酸、組氨酸和色氨酸的吸收，還可以持續(xù)激活精氨酸和瓜氨酸的合成，同時(shí)具有高效穩(wěn)定、使用成本低及在腸道黏膜中半衰期長（8～10h）等優(yōu)點(diǎn)。吳琛等（2011）為了研究添加NCG對(duì)環(huán)江香豬胴體性狀的影響，在28～33kg環(huán)江香豬日糧中添加800g NCG，發(fā)現(xiàn)可顯著降低脂肪率和均膘厚，顯著提高屠宰率。

7 半胱胺改善豬肉品質(zhì)

半胱胺的巰基（-SH）自身具有很高的還原性。并且，半胱胺是谷胱甘肽的組成成分之一，能夠提高血液中GSH的濃度，提高動(dòng)物對(duì)抗高溫應(yīng)激氧化損傷的能力。

添加包膜半胱胺能夠提高育肥豬的生長性能、胴體性能；改善豬肉保水性及風(fēng)味；保持長時(shí)間貯存條件下肉色狀態(tài)。研究表明，添加量為70mg/kg，對(duì)改善生長性能、胴體性能及肉質(zhì)的效果相對(duì)較好。

8 研究展望

①精氨酸通過營養(yǎng)感受體調(diào)控棕色脂肪以及白色脂肪棕色化相關(guān)方面的研究。

②亮氨酸調(diào)控豬肌肉組織和脂肪組織能量代謝平衡方面的研究。

③亮氨酸中間代謝產(chǎn)物HMB 和α-KIC對(duì)豬脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)作用。

④日糧蛋氨酸限制不僅調(diào)控脂肪代謝，且改善機(jī)體的整體代謝，相關(guān)機(jī)制都有待進(jìn)一步揭示。

⑤以脂肪細(xì)胞為中心，研究其與肌細(xì)胞、肝細(xì)胞、乳腺上皮細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞之間的互作，為改善豬的脂質(zhì)代謝與能量分配提供參考。

（編輯張瑞霜整理）