支链氨基酸的生物学作用机制及在猪和鸡生产中的应用.pdf

动物营养学报，（）：支链氨基酸的生物学作用机制及在猪和鸡生产中的应用王宗伟，庄佳荣 李洪涛 隋美霞（潍坊学院生物与海洋学院，潍坊；寿光市政务服务中心，寿光；临沂布恩生物科技有限公司，临沂）摘 要：支链氨基酸（亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸）结构相似，在人和动物体内代谢途径相同、功能相近。支链氨基酸具有多种生物学作用，例如亮氨酸能够刺激蛋白质合成，增强免疫功能；缬氨酸、异亮氨酸能够提升抗氧化性能，促进乳蛋白和乳脂合成等。本文综述了支链氨基酸的物理特性、吸收和代谢，以及生物学作用机制及其在猪和鸡生产中的应用，以期为利用支链氨基酸配制畜禽功能性和低蛋白质饲粮提供理论和实践参考。关键词：支链氨基酸；代谢；低蛋白质饲粮；蛋白质合成；免疫功能；抗应激中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：山东省重点研发计划（重大科技创新工程）项目（）作者简介：王宗伟（），男，山东寿光人，高级畜牧师、执业兽医师，硕士，主要从事动物营养与畜禽疾病的研究。：通信作者：隋美霞，副教授，：支 链 氨 基 酸（，）具有多种生物学作用，例如亮氨酸（，）能 刺 激 蛋 白 质 合 成，增 强 免 疫 功能；缬氨酸（，）和异亮氨酸（，）能提升抗氧化性能，促进乳蛋白和乳脂合成。但是，比例失衡会严重影响畜禽的生长性能，例如过多的 会增加 和 的分解代谢，减少蛋白质沉积率；降低血液中色氨酸和下丘脑 羟色胺含量，降低采食量。、和 的规模化生产为精准配制不同养殖条件下的 平衡饲粮提供了必要条件，在饲粮中添加适当比例的，能够在保持生产性能的前提下，显著降低饲粮粗蛋白质水平，有效节约饲用蛋白质；在饲粮中添加适量 能够缓解育肥猪热应激，添加适量 能够改善蛋鸡肠道健康，提升畜禽健康水平。本文综述了 的物理特性、吸收和代谢，以及生物学作用机制及其在猪和鸡生产中的应用研究进展，以期为利用 配制畜禽功能性和低蛋白质饲粮提供理论和实践参考。的物理特性、吸收和代谢 （化学名称为 氨基甲基戊酸，化学式为）、（化学名称为 氨基甲基丁酸，化学式为）、（化学名称为 氨基甲基戊酸，化学式为）均为白色晶体或结晶性粉末，无臭，略有苦味。由于、和 的分子结构中都有 个甲基侧链，所以被称为。的营养价值低于，因此添加到饲粮中的 均为 型，含量在 以上。、和 的主要吸收部位在小肠，通过肠道氨基酸转运体主动转运到肠道细胞。、在吸收部位的拮抗作用可能不显著，因为 能上调肠道丙氨酸丝氨酸半胱氨酸转运蛋白（，）等 的 表 达，增 强 对 氨 基 酸 的吸收。期王宗伟等：支链氨基酸的生物学作用机制及在猪和鸡生产中的应用 吸收进入机体后，部分参与肌肉等部位的蛋白质合成，也有部分 被机体代谢分解。分解代谢的第 步是、通过支链氨基酸转氨酶（，）在肌肉等部位进行可逆的转氨基作用，形成支链 酮酸（，），即 酮异己酸（，）、酮 异 戊 酸（，）和 酮甲基戊酸（，）；第 步是 在肝脏支链 酮酸脱氢酶（，）的催化下进行不可逆的氧化脱 羧 进 入 三 羧 酸（，）循环，释放能量，供机体使用，或者重新进入糖类、脂肪和蛋白质代谢。其中，分解代谢为乙酰辅酶（），属于生酮氨基酸；代谢为琥珀酰辅酶（），属于生糖氨基酸；代谢为乙酰辅酶、琥珀酰辅酶，属于生酮生糖氨基酸；不同的生酮生糖特性，使得、能够差异化调控机体三大物质代谢，以及细胞线粒体的功能。过量 通过转录后调控，增强 活性，促进 和 分解；过量 或 也能通过影响肝脏 代谢基因，促进 分解。在疾病等条件下，代谢也会发生改变，例如鸡传染性支气管炎病毒、脂多糖（，）刺 激 分 别 增 加 鸡 肾 脏、肝 脏 的分解。的生物学作用机制 调节消化、吸收和内分泌功能 能够增加胰岛素和胰岛素样生长因子（，）的分泌，促进肠道发育和消化酶分泌，优化肠道菌群。通过变构激活胰腺 细胞内的谷氨酸脱氢酶，诱导胰岛素释放，也能够促进小鼠胰岛中胰岛素的分泌；和 通过上调猪肝脏中 表达水平，下调胰岛素样生长因子结合蛋白（，）表达水平，发挥 的促生长作用。和 通过上调肠道表皮生长因子受体（，）和半胱天冬酶（）表达水平，改善仔猪小肠的发育；适宜比例的 能够显著促进爱拔益加（）肉鸡肠道生长发育；通过增强乳牛胰腺腺泡细胞线粒体 循环中的柠檬酸合酶和 酶活性，促进一般分泌（，）信号通路，增加 淀粉酶的分泌。和 能够提高断奶仔猪结肠中放线菌门（）、肠球菌属（）和短芽孢杆菌属（）丰度。过量的 及其代谢物能够降低采食量，抑制葡萄糖的吸收和利用，不利于动物的生长。过量的、或 混合物通过上调味觉二聚体受体 型成员（，）和蛋白表达，显著增加体外猪空肠模型胆囊收缩素（，）的分泌，而 有降低采食量的作用；能够降低大鼠大脑色氨酸含量，而色氨酸对采食量有促进作用。过量的 和 在骨骼肌细胞中通过上调雷帕霉素复合物 的机制靶点（，）和下游蛋白翻译信号，抑制胰岛素诱导的蛋白激酶（，）磷酸化，降低葡萄糖摄取和线粒体耗氧。调节免疫功能 增强免疫功能 及其代谢物能够增强肠道上皮细胞的免疫功能，促进肠道分泌型免疫球蛋白（，）分泌，提高粒细胞活性和血清免疫球蛋白（，）含量，增强免疫功能。通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（，）信号通路促进猪肠上皮细胞 信号转导与转录激活因子（，）和干扰素刺激基因（，）的蛋白表达，预防猪传染性胃肠炎病毒感染。通过 细胞依赖途径、细胞不依赖途径和肠道菌群的非排他性机制促 进 小 鼠 肠 道 的 分 泌。代 谢物 羟基甲基丁酸（，）显著提高初生犊牛血液中粒细胞趋化和吞噬活性。高温、潮湿环境下母猪补充，能够提高仔猪血清 含量。降低炎症水平 通过促进 调节性 细胞（动 物 营 养 学 报 卷 ，）增 殖，改 善 样 受 体（，）信号通路，调节促炎因子和抗炎因子表达，降低炎症水平。通过 细胞膜表面氨基酸转运体 溶质载体家族 成员（，）信号通路，促进 增殖，减少小鼠胃肠道、肝脏等器官的炎症。通过改善结肠细胞 髓样分化因子（，）核 转 录 因子（，）通路，缓解葡聚糖硫酸钠（，）诱导的大鼠生长发育迟缓和结肠损伤。显著降低肥胖小鼠肝脏中的促炎因子 啮齿动物单核细胞趋化蛋白（，）、基序趋化因子配体（，）等表达；或 通过显著提高抗炎因子 白细胞介素（，）含量，减少肝脏的慢性炎症。提升抗氧化性能 能够促进抗氧化酶表达，增加细胞能量供应，增强过氧化物酶体和线粒体功能等，提升抗氧化性能。通过激活核因子红系 相关因子 （，）信号通路，显著促进牛肠上皮细胞中超氧化物歧化酶（，）等抗氧化酶和相解毒酶 血红素加氧酶（，）和蛋白表达。通过调节丙酸盐代谢、降解和产热途径，产生更多的，保护牛乳腺上皮细胞免受过氧化氢（）诱导的氧化应激；通过调节过氧化物酶体途径改善过氧化物酶体运输的缺陷，以及调节丙酸代谢途径促进乙酰辅酶 的产生，提高牛乳腺上皮细胞的抗氧化性能。或 通过激活控制线粒体生物发生关键步骤的过氧化物酶体增殖物激活受体 辅激活因子（，）和簇状线粒体同源蛋白（，）表达，提高线粒体的功能和数量，减少肥胖小鼠肝脏的氧化应激和脂质过氧化。促进肌肉生成 及其代谢物能够促进肌细胞的增殖和分化，改善肌肉纤维类型，增强蛋白质合成，抑制蛋白质降解，促进肌肉生成。可以促进小鼠成肌细胞的增殖和分化。通过脂联素 腺苷酸活 化 蛋 白 激 酶（，）、叉 头 框 蛋 白 （，）信号通路和微（）促进猪骨骼肌由快肌纤维向慢肌纤维转变；通过沉默交配型信息调节因子 同源蛋白（，）信号通路诱导猪骨骼肌卫星细胞慢肌纤维表达并改善线粒体功能。通过改变 磷酸化位点、与调控相关蛋白 之间的相互作用，促进 成肌细胞内蛋白质合成；通过上调新生雏鸡骨骼肌卫星细胞雷帕霉素靶蛋白（，）及其下游信号分子 核糖体蛋白 激酶（，）和真核翻译起始因子 结合蛋白（，）表达，激活 转录信号通路，刺激骨骼肌蛋白合成；通过促进应激诱导蛋白 营养感应枢纽 复合物解离，增加 与 结合，激活，刺激新生仔猪骨骼肌蛋白质合成；也能通过 信号通路刺激新生仔猪骨骼肌蛋白质合成。通过下调组蛋白去乙酰化酶（，）表达，抑制大鼠骨骼肌萎缩；通过改善线粒体氧化能力，抑制肌肉蛋白质降解。提高泌乳性能 能够促进乳腺发育，增加乳蛋白、乳脂和乳糖含量，提高泌乳性能。通过调节 和大鼠肉瘤蛋白（，）细胞外信号调节激酶（，）信号通路，促进猪乳腺上皮细胞（，）生 长 和 乳 蛋 白 合 成。通过刺激 和抑制泛素蛋白酶体信号通路，调节 中的蛋白质合成和降解，促进净蛋白质合成。通过磷脂酰肌醇 激酶（，）相关基因（，）固醇调控 元 件 结 合 蛋 白 （，）通路刺激乳腺上皮细胞中乳蛋白和脂肪的合成。妊娠后期饲粮添加 期王宗伟等：支链氨基酸的生物学作用机制及在猪和鸡生产中的应用 通过 固醇调控元件结合蛋白（，）信号通路，促进母猪初乳中乳脂的合成；还能提高高温、潮湿环境下母猪初乳乳糖含量。改善脂肪代谢 及其代谢产物能够调控脂肪代谢。通过独立于 信号通路上调与脂肪酸代谢 相 关 的 基 因 表 达，并 经 依 赖 和 独立的途径上调线粒体生物合成，降低小鼠成肌细胞 内的脂质；通过上调白色脂肪组织（，）褐变相关选择性标记物的基因和蛋白表达，下调脂肪酸合成相关基因的表达，改善小鼠脂质代谢；此外，、分 别 通 过 等 转 录 因 子、信号通路，改变骨骼肌脂肪代谢，改善育肥猪肌肉脂肪酸组成。或 通过失活 等与脂肪变性合成代谢相关的主调控因子，激活 等与线粒体生物合成和酰基辅酶 氧 化 酶 （，）等与脂质分解代谢相关的主调控因子，减少肥胖小鼠肝脏脂肪积累。但是，等研究发现，通过上调脂肪酸合酶（，）和过氧化物酶体增殖物激活受体（，）蛋白水平，显著下调脂肪甘油三酯脂酶（，）和脂蛋白脂肪酶（，）等重要脂解基因的蛋白水平，造成线粒体功能障碍，促进高脂肪喂养小鼠骨骼肌细胞内脂肪沉积；等研究发现，通过过氧化物酶体增殖物激活受体（，）诱导的 氧化和增加丙酰辅酶 供应从头生成脂肪 种途径提高雄性小鼠肝脏和循环中奇链脂肪酸水平。等与 等、等的研究结果不一致，造成差异的 原 因 可 能 与 研 究 部 位、添加量等有关。其他 能够促进小鼠造血干细胞的增殖；增强鸡精子的抗冻性和受精能力；促进神经突生长；还通过增强中国地鼠卵巢细胞（，）中 循环，加速 中氨以丙氨酸的形式排泄，促进 的生长。此外，可以改善中年小鼠衰老诱导的血管重塑和功能障碍。在猪生产中的应用 仔猪 对弱仔猪而言，添加量越高，体重增长越快。等在基础饲粮中额外添加，结果发现，能够通过增强肝脏 磷酸化，缓解 日龄宫内发育迟缓（，）引起的“长大”仔猪（公母各占）蛋白质代谢紊乱，改善血液参数，促进蛋白质合成。等研究发现，初始体重（，）为 的轻型仔猪，在 日龄饲粮中标准回肠可消化（，）赖氨酸（，）时，平均日增重最高；为 的重型仔猪，在 日龄饲粮中 时，平均日增重最高。在 正 常 和 低 蛋 白 质 饲 粮 中，适 宜 比 例 的 都能够促进仔猪的生长。等研究发现，在 日龄和 日龄“杜长大”阉公猪 阶段低蛋白质饲粮（粗蛋白质 ，、分别为、；粗蛋白质 ，、分别为、）中添加 和，结果发现，、分别为、以及、时，低蛋白质组能够通过改善肠道发育、肝脏 表达和生物利用度以及血浆代谢组学特征，逆转低蛋白质饲粮引起的生长性能下降。等研究发现，发酵玉米蛋白（，）中支链氨基酸不平衡，比例过大，饲粮中添加，如果不平衡，会降低仔猪的生长性能；当 添加量为 时，高 饲粮（）显著提高 日龄仔猪饲粮效率；当 添加量为 时，高 饲粮（）也具有相似的效果。育肥猪 饲粮中额外添加 能够缓解育肥猪应激。等在“杜长大”育肥公猪（为）饲粮（为）中添加，试验期，结果发现，通过 样 关联蛋白（，）动 物 营 养 学 报 卷 和 线粒体转录因子（，）信号通路改善热应激育肥公猪的生长性能和肉品质。等研究发现，当免疫系统刺激的大白阉公猪（为）饲粮中 （）为（）推荐水平的 时，有降低肝脏蛋白质合成率和增加骨骼肌 腓肠肌蛋白合成率的趋势；在免疫系 统 刺 激 期 间，补 充 高 于 估 计 需 求 的（）可能支持氨基酸从内脏到外周蛋白质沉积的再分配。在含有谷物干酒糟及其可溶物（，）的饲粮中添加 和 能够缓解高 带来的负面影响，提高育肥猪的生 长 性 能。等研 究 发 现，分 别 在、阶段均添加 的饲粮（分别为、）中添加，结果发现，阶段饲粮中 分别为、时，育肥猪（，阉公猪、母猪各占）平均日增重、平均日采食量和饲料效率均有提高的趋势，生长性能与高蛋白质饲粮组接近；分别在 （为，为）、（为，为）阶段饲粮中添加，结果发现，当 阶段饲粮中 分别为、时，育 肥 猪 具 有 相 似 的 试 验 结 果。等研究发现，在 育肥猪（，阉公猪、母猪各占）饲粮（为，为）中添加，结果发现，当 （）时，获得最大日增重和饲料效率的置信概率分别达到 和 以上。等研究发现，育肥猪（，阉公猪、母猪各占）饲粮（为）中 时，可获得与高蛋白质玉米大豆饲粮（为）相似的生长性能。适当比例的 能够降低脂肪含量，提高猪肉品质。等研究发现，“杜长大”阉公猪低蛋白质饲粮（粗蛋白质 ）中，（推荐）时，能够通过脂肪因子 通路，抑制脂肪酸、甘油三酯合成，加速脂肪酸氧化。等研究发现，与高、低比例组（分别为、）相比，“杜长大”阉公猪低蛋白质饲粮（粗蛋白质为 ，为 ）中 时能够显著降低背膘厚度，提高无脂瘦肉指数，增加风味氨基酸含量，但显著降低肌内脂肪含量，增加熟肉的剪切力；同样，与高、低比例组（分别为、）相比，“杜长大”阉公猪饲粮（粗蛋白质为，为）中 时，也得到相似的试验结果；且与较重的猪（）相比，较轻的猪（）的胴体性状和肉色更易受 的影响。母猪 高温状态下，能够促进母猪乳腺发育，提高乳汁品质，增强母猪胎盘代谢。等在产前 产后 “长大”母猪饲粮（为，为）中添加，结果发现，当 时，可通过提高母猪妊娠血糖、初乳乳糖和仔猪血清 含量，改善高温、潮湿条件下母猪和仔猪的生产性能；等研究发现，妊娠 分 娩“长 大”母 猪 分 别 饲 喂 低（，为 ）、中（）、高（）种饲粮，结果发现，能够通过上调乳腺组织中乙酰辅酶 羧化酶 等脂肪酸合成相关蛋白的表达来改善乳脂合成；等在妊娠 分娩“长 大”母 猪 饲 粮（为 ，为）中添加，结果发现，当 时，能够通过促进母猪乳腺发育，显著提高断奶仔猪体重和平均日增重，同时增加母猪采食量。但是，等在妊娠 哺乳 期间饲粮（为，为）中添加，结果 发 现，（）没有改变母猪繁殖性能或仔猪生长速度。出现不同试验结果的原因可能与饲养温度有关，等（）、等（）高于 等（）的饲养温度，高温状态下母猪的代谢功能可能与常温下不同。等在妊娠 分娩“长大”母猪饲粮（为）中额外添加，饲养温度为 ，结果发现，会全面改变胎盘代谢，并通过 信号通路促进母胎营养物质（氨基酸、葡萄糖和脂肪酸）运输。期王宗伟等：支链氨基酸的生物学作用机制及在猪和鸡生产中的应用 在鸡生产中的应用 肉鸡 现代白羽肉鸡对低蛋白质饲粮中 的需要量有所增加。等采用正交（）田口法（，）优化 日龄雄性罗斯 肉鸡饲粮 、分别为、时，平均日增重和料重比最佳，并在 粗蛋白质水平上验证确认。等采用 全因子中心复合设计（，）优化 日龄雄性罗斯 肉鸡低蛋白质饲粮（粗蛋白质为）可消化（，）、分别为、时，体增重最高，料重比最低；并认为低 可改善体增重和采食量，而高 可使屠宰率最大化。等研究发现，雄性科宝肉鸡 日龄低蛋白质饲粮（粗蛋白质为）中、分别为、，日龄（粗蛋白质为）分别为、，日龄（粗蛋白质为）分别为、时，体增重最高；并认为在预估低蛋白质饲粮中理想 和 水平时，应考虑 水平。等、等、等研究的肉鸡对、和 的 需 要 高 于 鸡 饲 养 标 准（）、（），与罗斯肉鸡（）推荐的营养需要接近，原因可能是一方面育种技术提高了肉鸡的生长速度，肉鸡对饲粮中氨基酸的需求增加；另一方面，低蛋白质饲粮增加了肉鸡对 的需要量。比例对胸肌率、腹部脂肪、胫骨以及不同性别肉鸡的生长速度都有一定的影响。等研究发现，在低蛋白质饲粮（粗蛋白质为）中 时，提高 （）可提高 日龄雄性罗斯 肉鸡胸肌率，但提高 （）对胸肌率没有影响；等也发现，低蛋白质饲粮（日龄粗蛋白质为，日龄粗蛋白质为，日龄粗蛋白质为）中 时，对 日龄雄性科宝 肉鸡的胴体率和胸肌率没有影响。等研究发现，低蛋白质饲粮（粗蛋白质为）中提高 （）会抑制 日龄雄性罗斯 阉割肉鸡体增重，但当 为 时，料重比最低；同时，增加 和 会降低腹部脂肪的相对重量，当 为、为 时，腹部脂肪的相对重量最轻。等研究发现，日龄雄性科宝 肉仔鸡低蛋白质饲粮（粗蛋白质为）中 、分别为、时，肉仔鸡胫骨断裂强度在 日龄达到最大；此外，能够减少 日龄肉仔鸡软骨肥大。等研究发现，日龄雌性洛曼印第安河肉鸡对 比例的敏感性高于雄性，当雌性肉鸡饲粮中 提高时，需要提高 来抵消负面影响。蛋鸡适宜比例的 能够增强蛋鸡肠道屏障，降低炎症反应，提高产蛋性能。等在 周龄丰达 号蛋鸡饲粮（为）添加，结果发现，为 时，可以改善肠道绒毛形态，增强肠道屏障，降低盲肠致病菌丰度，抑制一般控制非抑制（，）激酶介导的炎症反应，改善肠道健康；但是，长期摄入 的 可促进 激酶介导的肝脏脂肪生成，抑制脂肪酸氧化，加速蛋鸡非酒精性脂肪肝的发展。等研究发现，随着低蛋白质饲粮（粗蛋白质为）中 添 加 量 的 提 高（），周龄海兰蛋鸡（品系）产蛋率极显著上升；采用线性折线模型，以蛋重、产蛋量、料蛋比为指标，的需要量分别为、。等在 周龄罗曼蛋鸡（品系）饲粮（为，为）中添加，结果发现，为 时，能够显著提高产蛋率，降低料蛋比。等在 周龄罗曼蛋鸡（品系）饲粮（为）中添加，结果发现，为 时，料蛋比最低。小结与展望 综上所述，参与和调控糖类、脂肪和蛋白质代谢，具有刺激蛋白质合成、增强免疫功能等多种生物学作用；在猪和鸡生产中能够降低饲粮粗蛋白质水平、抗应激和提高生产性能等。然而，动 物 营 养 学 报 卷 调 控 脂 肪 代 谢 的 机 理 还 不 完 善，高 温 下 提高母猪生产性能的原因和机制等还缺乏了解，需要在将来进一步探究为 合理应用提供基础理论；此外，考虑到 与 的比例、与色氨酸的拮抗作用以及 之间的协同和拮抗作用，将来还需通过科学、合理的饲粮设计，确定不同畜禽品种、养殖目标下 的适宜添加量和添加比例。参考文献：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：赵阔，程金宇，郭亮，等谷氨酸棒杆菌代谢工程高效生产 缬 氨 酸 生 物 工 程 学 报：，：（）孔帅，陈敏，郑美娟，等常温常压等离子体诱变选育高产 异亮氨酸谷氨酸棒杆菌 中国酿造，（）：，（）：（），（）：，（）：，（）：，：，（）：期王宗伟等：支链氨基酸的生物学作用机制及在猪和鸡生产中的应用 冯子坛，陈元方，温淑豪，等研究大鼠小肠氨基酸吸收的实验模型中国医学科学院学报，（）：，（）：（），（）：，（）：，（）：张宇峰，田敏，恒景会，等支链氨基酸对断奶仔猪肠道和肌肉氨基酸转运载体表达的影响中国畜牧杂志，（）：，（）：（），（，）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：常银莲支链氨基酸对肉鸡小肠发育及 通路相关基因表达的影响硕士学位论文北京：中国农业科学院，：，（），：，（）：，（）：，（）：动 物 营 养 学 报 卷 ，（）：，（）：，（）：，（），（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（），（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，期王宗伟等：支链氨基酸的生物学作用机制及在猪和鸡生产中的应用 ，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，动 物 营 养 学 报 卷 ，（）：，（）：中华人民共和国农业部中华人民共和国农业行业标准鸡饲养标准（）湖南饲料，（）：（），（）：（）张宏福美国 禽类营养需要量（年版）中国饲料，（）：（）（），（）：（）：（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：（责任编辑 田艳明），（，；，；，）：（，），（）：；