纈氨酸的生物學功能及其在畜禽日糧中的應用

夏春秋,萬發(fā)春,劉 磊,沈維軍,肖定福

(湖南農業(yè)大學動物科學技術學院,長沙 410128)

畜牧業(yè)規(guī)?；l(fā)展帶來的環(huán)境污染以及“中美貿易戰(zhàn)”、“新冠疫情”和“俄烏戰(zhàn)爭”引起的蛋白質飼料資源短缺等問題一直備受關注。因此,如何通過“開源、節(jié)流、提質、增效”來緩解這一現狀已經成為新時代生態(tài)文明建設過程中不可或缺的部分。日糧蛋白質水平能夠影響畜禽生長和生產性能,高蛋白日糧通常會降低機體氮的利用效率,引發(fā)動物疾病。例如,粗蛋白(CP)水平23%的高蛋白日糧飼喂雛鵝后誘發(fā)了高尿酸血癥[1]。仔豬在采食高蛋白日糧后,腸道微生物區(qū)系發(fā)生改變,蛋白質分解代謝加快,最終引起腹瀉[2]。因此,有效利用低蛋白日糧并補充必需氨基酸(essential amino acid,EAA)是緩解蛋白質飼料資源短缺問題和避免高蛋白日糧對畜禽產生不利影響的重要途徑。纈氨酸(valine, Val)是動物機體的EAA之一,具有調控蛋白質合成[3]、脂質代謝[4]、葡萄糖代謝、抗氧化防御[5]和免疫等生物學功能。Val作為飼料添加劑應用于低蛋白日糧可以平衡氨基酸營養(yǎng),提高畜禽生產性能。本文通過總結國內外最新研究現狀,闡述了Val的來源、分類、代謝途徑、與其他氨基酸之間的相互作用、生物學功能及其在單胃和反芻動物日糧中的應用研究進展,為纈氨酸在畜禽日糧中的科學、高效和廣泛應用提供參考。

1 Val概述

1.1 Val的來源

Val是一種EAA,動物本身不能合成,必須從日糧中獲取。通過查閱《中國飼料成分及營養(yǎng)價值表》(2021年第32版)[6](表1)可知:飼料原料中Val的主要來源是血粉、大豆等一些蛋白質飼料,少部分Val來源于高粱、稻谷、玉米和大麥皮等一些能量飼料及粗飼料。目前,Val可以通過物理、化學和生物技術等方法進行人工合成,由于微生物發(fā)酵技術具有綠色高效且不受原料限制的優(yōu)點,被廣泛應用于Val的工業(yè)化生產[7-8]。

表1 不同類別飼料原料中纈氨酸的含量[6]Table 1 Contents of valine in feed ingredients[6] %

1.2 Val的分類

Val主要有L和D型兩種異構體,它們在調控蛋白質合成、抗炎和免疫等方面存在一定的差異[9-14](表2)。L-Val主要通過培養(yǎng)誘變選育的大腸桿菌發(fā)酵產生,可作為安全性飼料添加劑應用于畜禽日糧中[15-16]。有研究發(fā)現,在感染肺炎克雷伯菌的小鼠尾靜脈中注射L-Val(0.5 g·kg-1)可提高巨噬細胞吞噬病原體的能力,進而增強免疫力,其過程可通過抑制精氨酸酶的活性來實現[11]。D-Val同樣具有增強巨噬細胞吞噬病原體的能力,但與L-Val不同的是,D-Val主要通過抑制RAW264.7巨噬細胞M1的極化來提高機體的免疫力[17]。此外,相較于L-Val,D-Val能夠阻滯牙齦卟啉單胞菌生物膜的形成,因此D-Val可以作為潛在的生物制劑用于菌斑生物膜相關疾病的研究[18];在培養(yǎng)人子宮肌層平滑肌細胞時,D-Val替代培養(yǎng)基中的L-Val更能夠減輕成纖維細胞對平滑肌細胞的污染[19]。

1.3 Val的代謝途徑

Val、異亮氨酸(isoleucine,Ile)和亮氨酸(leucine,Leu)具有相似的支鏈結構,統(tǒng)稱為支鏈氨基酸(branched-chain amino acids,BCAA),BCAA的代謝主要發(fā)生在肌肉中,在代謝過程中共同競爭支鏈氨基酸轉移酶(branched amino acid transferase,BCAT)和支鏈α-酮酸脫氫酶(branched chain alpha keto acid dehy-drogenase,BCKDH)[20]。Val、Ile和Leu在肌肉中首先被BCAT分解生成對應的α-酮酸,隨后在BCKDH的作用下產生對應的?；o酶A,最后,分解代謝生成的終產物進入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)途徑,參與能量和物質代謝(糖類、脂質和氨基酸)[21](圖1)。

表2 D/L-纈氨酸在動物機體和細菌中的作用Table 2 The roles of D/L-valine in animals and bacteria

Leu. 亮氨酸;Ile. 異亮氨酸;Val. 纈氨酸;BCAT. 支鏈氨基酸轉移酶;α-KIC. α-酮戊己酸;α-KMV. α-酮-β-甲基戊酸;α-KIV. α-酮異戊酸;BCKDH. 支鏈α-酮酸脫氫酶;TCA cycle. 三羧酸循環(huán)。下同 Leu. Leucine; Ile. Isoleucine; Val. Valine; BCAT. Branched amino acid transferase; α-KIC. α-ketoisocaproic acid; α-KMV. α-keto-β-methylvaleric acid; α-KIV. α-ketoisovaleric acid; BCKDH. Branched chain alpha keto acid dehy-drogenase; TCA cycle. Tricarboxylic acid cycle. The same as below圖1 支鏈氨基酸代謝途徑[21]Fig.1 Metabolic pathway of BCAA[21]

Val屬于生糖氨基酸,其在一系列分解代謝酶如BCAT、BCKDH、異丁酰輔酶A脫氫酶(isobutyryl CoA dehydrogenase,IBDD)、短鏈烯酰輔酶A水合酶(short-chain enoyl-CoA hydratase,ECHS)和3-羥異丁酰輔酶A水解酶(3-hydroxyisobutyryl coenzyme A hydrolase,HIBCH)的作用下生成琥珀酰輔酶A,最終進入TCA cycle途徑參與葡萄糖代謝[22](圖2)。

1.4 Val與其他氨基酸之間的相互作用

IBDD. 異丁酰輔酶A脫氫酶;ECHS. 短鏈烯酰輔酶A水合酶;HIBCH. 3-羥異丁酰輔酶A水解酶;3-HIB:3-羥基異丁酸 IBDD. Isobutyryl CoA dehydrogenase; ECHS. Short-chain enoyl-CoA hydratase; HIBCH. 3-hydroxyisobutyryl coenzyme A hydrolase; 3-HIB. 3-hydroxyisobutyryl圖2 纈氨酸代謝途徑[22]Fig.2 Metabolic pathway of valine[22]

Val、Ile和Leu在代謝過程中共同競爭BCAT和BCKDH,因此3種氨基酸之間可能存在拮抗作用[20]。Kwon等[23]報道稱,當豬日糧中標準化回腸可消化(SID)Leu過量(1.71%)時,BCAT和BCKDH會加速Leu的分解,導致體內可利用的Val含量降低,最終影響生產性能,此時補充0.1% SID Val可減輕因Leu過量造成的負面影響。此外,在比目魚低Leu水平日糧(1.6%日糧水平)中補充Val(2.5%日糧水平)同樣能夠維持魚的正常生長[24]。在豬的低蛋白日糧(14%CP)中按一定比例添加Val和Ile(Val∶Ile=0.77∶0.68),能夠通過提高腸道表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)和半胱天冬酶9(caspase 9,CASP9)的表達水平,促進腸道發(fā)育,從而改善生長性能[25]。同樣地,在肉雞低蛋白日糧(16%CP)中補充Val、蘇氨酸和色氨酸(纈氨酸∶蘇氨酸∶色氨酸=0.76∶0.55∶0.18)也能夠提高免疫因子白細胞介素-4(interleukin-4,IL-4)和干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)的mRNA表達水平,增強免疫力,提高肉雞生產性能[26]。在畜禽低蛋白日糧中添加適宜水平的Val對提高氮的利用效率,節(jié)約蛋白質飼料資源,降低養(yǎng)殖成本具有重要意義。根據Val與其他氨基酸之間的相互作用關系,在飼喂畜禽低蛋白日糧時應充分考慮Val與其他氨基酸之間的配比。

2 Val的生物學功能及其作用機制

2.1 調控蛋白質合成

Val可以通過激活哺乳動物雷帕酶素靶蛋白復合物1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1)信號通路來調控蛋白質合成,具體代謝機制如圖3所示[27-28]。Zhang等[9]研究發(fā)現,在豬乳腺上皮細胞(porcine mammary epithelial cells,PMEC)培養(yǎng)基中加入不同濃度的Val(0.05、0.25、0.5、1 mmol·L-1)均可影響蛋白質的合成,尤其是添加量為 0.5 mmol·L-1時,能顯著提高大鼠肉瘤(rat sarcoma,Ras)、p70核糖體S6蛋白激酶(p70 ribosomal protein S6 kinase,p70S6K)和細胞外調節(jié)蛋白激酶1/2(extracellular-regulated kinase 1/2,ERK1/2)的mRNA表達水平。在仔豬低蛋白日糧(16.7%CP)中添加BCAA(Val∶Leu∶Ile=0.95∶1.83∶0.81)同樣能夠調節(jié)蛋白質的合成,提高仔豬生長性能[29]。在肉雞日糧中補充Val能夠通過激活哺乳動物的雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信號通路,增加下游調節(jié)因子核糖體蛋白S6激酶1(ribosomal protein S6 kinase,S6k1)的表達水平來促進蛋白質合成,從而提高肉雞的胴體品質[30-31]。

2.2 調控脂質代謝

Val及其代謝產物丙酰輔酶A可通過激活一磷酸腺苷活化的蛋白激酶-mTOR(adenosine monophosphate-activated protein kinase-mammalian target of rapamycin,AMPK-mTOR)信號通路來調控脂質代謝,具體代謝機制如圖4所示[32-34]。Gart等[35]在肥胖小鼠的高脂日糧中添加Val降低了肝的脂肪變性,抑制脂質氧化應激,減少肝損傷。然而,在蛋雞日糧中添加過量的Val(0.79%日糧水平),抑制了成纖維細胞生長因子19-雷帕酶素靶蛋白復合物1(fibroblast growth factor 19-target of rapamycin complex 1,FGF19-TORC1)信號通路,加速了脂肪沉積,最終導致了非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)和脂肪肝出血綜合征(fatty liver hemorrhagic syndrome,FLHS)的發(fā)生[36]。

2.3 調控葡萄糖代謝

Val能夠通過參與葡萄糖轉運蛋白的轉運調控葡萄糖代謝[37]。Xiao等[38]通過小鼠試驗探究Val對葡萄糖代謝的影響,結果表明,飼喂不含Val日糧的小鼠肝中胰島素敏感性增強,葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase,G6Pase)水平降低,進而促進胰島素的信號傳導,降低了因肥胖引起的胰島素抵抗。然而,在小鼠高脂日糧中添加Val(50 g·kg-1)會產生過量的3-HIB,導致葡萄糖耐量降低,阻礙了胰島素的信號傳導,進而引發(fā)高血糖和2型糖尿病[39]。此外,Val分解代謝產生的3-HIB在人白色和棕色脂肪細胞中會以時間依賴性方式刺激葡萄糖攝取,降低胰島素的敏感性,引發(fā)2型糖尿病[40]。

SLC7A5/LAT1. 溶質載體家族7成員5/L型氨基酸轉運載體1;SLC7A8/LAT2. 溶質載體家族7成員8/L型氨基酸轉運載體2;SLC43A1/LAT3. 溶質載體家族43成員1/L型氨基酸轉運載體3;SLC1A5/ASCT2. 溶質載體家族1成員5/氨基酸轉運載體2;P. 磷酸化作用;mTORC1. 哺乳動物雷帕酶素靶蛋白復合物1;4E-BP1. 真核mRNA翻譯起始因子4E結合蛋白1;eIF4E. 真核mRNA翻譯起始因子4E;S6K1. 核糖體蛋白S6激酶;S6. 核糖體蛋白。下同 SLC7A5/LAT1. Solute carrier family 7 member 5/large amino acid transporter 1; SLC7A8/LAT2. Solute carrier family 7 member 8/large amino acid transporter 2; SLC43A1/LAT3. Solute carrier family 43 member 1/large amino acid transporter 3; SLC1A5/ASCT2. Solute carrier family 1 member 5/amino acid transporter 2; P. Phosphorylation; mTORC1. Mammalian target of rapamycin complex 1; 4E-BP1. Eukaryotic mRNA translation initiation factor 4E-binding protein 1; eIF4E. Eukaryotic mRNA translation initiation factor 4E; S6K1. Ribosomal protein S6 kinase; S6. Ribosomal protein S6. The same as below圖3 纈氨酸調控蛋白質合成機制[27-28]Fig.3 Mechanism of protein synthesis regulated by valine[27-28]

2.4 調控抗氧化防御

Val可通過增強機體抗氧化酶和溶菌酶活性、促進轉錄因子類似核轉錄因子紅系2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)的表達以及增加血清還原型谷胱甘肽(glutathione,GSH)的含量,提高機體抗氧化能力,具體代謝機制如圖5所示[41-43]。Bernal等[44]研究發(fā)現,在雞精液稀釋劑中加入10 mmol Val,能夠抑制活性氧(reactive oxygen species,ROS)對精子的損害作用,進而減少解凍后精子DNA的片段化。有研究表明,飼喂圍產期母豬平衡氨基酸模式的日糧(纈氨酸∶賴氨酸∶蘇氨酸∶亮氨酸∶精氨酸=0.71∶1∶0.72∶0.95∶1.1)可提高血清中GSH水平和總超氧化物歧化酶(total superoxide dismutase,T-SOD)的活性,進而增強母豬抗氧化能力[45]。在豬的低蛋白日糧(18%CP)中添加BCAA(Val∶Leu∶Ile=0.83∶1.56∶0.70)可提高血清中抗氧化酶活性,同時降低血清中丙二醛(malondialdehyde,MDA)的含量,進而增強機體抗氧化能力[46]。

2.5 調控免疫

Val能夠通過調控免疫細胞和腸道免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)來提高機體的免疫水平。研究發(fā)現,Val可以通過調控人腫瘤細胞和單核細胞衍生樹突狀細胞(monocyte-derivedmodendritic cells,MoDC)來增強免疫力[47-48];另外,Val還可以促進間充質干細胞(mesenchymal stem cell,MSC)的增殖來提高巨噬細胞吞噬病原體的能力[49]。Luo等[50]在幼草魚日糧中添加不同水平的Val(0.43%～1.91%日糧水平)探究其對機體腸道免疫反應的影響,結果表明,日糧中缺乏Val(0.43%日糧水平)會引發(fā)幼草魚的腸道炎癥反應,導致生長性能下降。Val調控機體免疫還與腸道Ig水平有關。在斷奶仔豬日糧中添加0.27%Val能夠提高空腸和回腸的IgA水平,改善腸道免疫功能,從而促進仔豬生長[51]。

3 Val在畜禽日糧中的應用

3.1 Val在豬日糧中的應用

Val對豬的影響在各個生產階段具有不同的作用效果[52-61](表3)。生長肥育豬、仔豬和母豬日糧中Val水平分別在0.59%～0.68%、0.68%～1.01%和1.07%～1.67%范圍內能夠滿足豬在特定生產階段的營養(yǎng)需要并提高生長和生產性能。研究發(fā)現,在育肥豬日糧中添加0.24%Val可以提高平均日增重(average daily gain,ADG)[53]。然而,日糧中添加0.32%Val對育肥豬的ADG無顯著影響,但減少了肌肉滴水損失[52]。此外,在仔豬日糧中添加0.24%Val增加了小腸的絨毛高度,提高了營養(yǎng)物質的吸收速率[54]。李方方等[59]研究發(fā)現,在哺乳母豬日糧中添加0.45%Val可提高乳脂和乳蛋白含量,改善泌乳性能。日糧中添加Val(0.93%日糧水平)能夠調節(jié)妊娠后期母豬乳腺中脂肪酸代謝,增加初乳中脂肪含量[62]。Waguespack等[63]發(fā)現,在生長肥育豬低蛋白日糧(14.59%CP)中添加Val(0.51%～0.59%日糧水平)可提高豬的生長性能,但當日糧Val水平達到0.61%時生長性能反而下降。這與易孟霞等[53](表3)的結果不一致,原因可能是受豬品種、日糧蛋白水平等條件影響。

表3 纈氨酸在豬日糧中的應用Table 3 Applications of valine in pig diets

3.2 Val在家禽日糧中的應用

Val在提高家禽生長和生產性能方面具有重要作用[64-70](表4)。由表中數據可知,蛋雞和肉雞日糧中Val水平分別在0.79%～0.81%和0.80%～0.88%范圍內能夠滿足特定生產階段雞的營養(yǎng)需要并提高生長和生產性能。在以玉米和豆粕為基礎的肉雞日糧中,Val屬于第四限制性氨基酸,且在日糧中添加適宜水平的Val能夠促進骨骼和腸道發(fā)育[67],有利于肉雞的生長和腸道內營養(yǎng)物質的吸收,從而改善肉雞生產性能[71-72]。Jian等[64]研究表明,蛋雞日糧中添加0.20%Val可以提高蛋品質和產蛋量,從而獲得最佳飼料轉化率(feed conversion rate, FCR)。此外,日糧中Val水平為1.0%時,蛋雞的生產性能受到影響,主要表現為平均日采食量(average daily feed intake, ADFI)和蛋品質下降[65]。

表4 纈氨酸在家禽日糧中的應用Table 4 Applications of valine in poultry diets

3.3 Val在反芻動物日糧中的應用

在日糧中添加Val可以改善奶牛泌乳性能并促進犢牛生長,增強機體免疫力。研究發(fā)現,Val能夠通過上調β-酪蛋白水平刺激牛乳腺上皮細胞(bovine mammary epithelial cells,BMEC)蛋白質的合成[73-74],因此在日糧中添加Val能夠提高奶牛泌乳性能[73-75]。高酮血癥和脂肪肝是奶牛在妊娠期最為常見的兩類疾病,尤其在高產奶牛中最為常見,研究發(fā)現在日糧中添加BCAA(Val∶Leu∶Ile=1.49∶2.48∶1)可以減少奶牛產后高酮血癥和脂肪肝的發(fā)生[76-77];同時,飼喂犢牛BCAA(Val∶Leu∶Ile=1∶1∶1)可改善腸道健康,增強免疫力,進而提高生長性能[78]。目前,有關Val在反芻動物日糧中的應用主要集中在奶牛方面。然而,在實際生產中,尤其是在低蛋白日糧條件下,Val促進奶牛泌乳和肉牛生長的作用機制仍待進一步探究。

4 小結與展望

Val是動物在生長發(fā)育過程中不可或缺的EAA之一,在畜禽日糧中添加適宜水平的Val能夠增強機體免疫和抗氧化能力,并且通過調節(jié)蛋白質和葡萄糖代謝,改善畜禽生產性能。尤其在蛋白質資源供應不足的情況下,合理添加Val不僅能夠促進畜禽生長發(fā)育,還可以有效緩解我國畜禽養(yǎng)殖過程中蛋白質飼料不足的現狀。目前,有關Val在畜禽日糧上的應用研究還存在一些問題:1)Val在畜禽低蛋白日糧中最佳添加水平和使用范圍亟需建立相應的標準;2)D-Val主要應用于醫(yī)藥、食品和農藥方面,其能否用于畜禽生產以及和L-Val存在怎樣的關系有待進一步確認;3)Val對機體抗氧化能力、免疫功能調節(jié)和葡萄糖代謝作用機制的探究主要集中在實驗動物和水產動物類模型上,關于Val在養(yǎng)殖動物上的作用機制有待進一步探究;4)Val在反芻動物日糧中的研究較少,尤其是Val對肉牛免疫水平、腸道健康和生長性能方面的影響有待進一步探究;5)盡管Val在蛋雞和肉雞日糧中研究較多,但在鵝、鴨日糧中的作用效果和需要量還需進一步探索;6)Val作為一種BCAA,在后續(xù)的研究中應當充分考慮其與另外兩種BCAA之間的拮抗作用,同時也要注意BCAA在畜禽日糧中的合理配比。因此,今后可從Val對單胃動物營養(yǎng)調控機制和對反芻動物生產性能的作用效果及分子機制方面著手,研究Val在低蛋白日糧體系中的應用,為Val在畜禽日糧中的科學、高效和廣泛應用提供參考。