DL-蛋氨酸及其羟基类似物在单胃动物体内的代谢机制研究进展

方正锋 张晓玲 吴 德* 林 燕

(1.四川农业大学动物营养研究所,雅安 625014;2.四川农业大学生命理学院,雅安 625014)

蛋氨酸是所有脊椎动物的必需氨基酸,通常是禽日粮的第一限制性氨基酸,是猪日粮的第二或第三限制性氨基酸[1]。当使用喷雾干燥血浆蛋白粉时,蛋氨酸可上升为猪日粮的第一或第二限制性氨基酸[2]。DL-蛋氨酸(DL-MET)和DL-2-羟基-4-(甲硫基)丁酸(DL-HMB)是2种常用的蛋氨酸添加剂。DL-HMB与DL-MET所不同的地方是蛋氨酸的氨基被羟基取代,称作DL-HMB或者DL-蛋氨酸羟基类似物。从化学结构而言,DL-HMB不是氨基酸而是脂肪酸;从化学组成而言,商品DL-HMB中DL-HMB的含量为88%,其中单体、二聚体和寡聚体各占65%、20%和3%[3]。由于化学组成和结构的差异,2种蛋氨酸源是否具有相同的生物学效价一直是人们关注和争议的焦点。

目前,有关2种蛋氨酸源在肉鸡[4-5]和蛋鸡[6-7]应用中的生物学效价的研究已有很多;用于猪日粮的相对生物学效价也有一些报道[8-9]。但是,这些研究大多数是以动物的生产性能为指标来评估两者的效价,并且认为统计方法的不统一可能引起不同研究之间效价结果的差异[10],而很少揭示产生效价差异的生理生化机制。Han等[3]研究认为,蛋氨酸源首先要从肠道吸收,接着是要转化为L-MET,任何一步的低效都将导致其活性低于100%。近年的研究表明,DL-MET和DL-HMB 2种蛋氨酸源是以不同的机制但以相同的效率被吸收[11],并且证实肠道有足够的能力将DL-HMB的寡聚体水解为单体而有效吸收[12]。但是,目前有关不同蛋氨酸源在动物体内转化和代谢机制的研究则相对较少,并且这些研究多集中于动物的肝和肾[13],而近年来的研究发现,肠道是氨基酸代谢的重要场所,氨基酸在肠道的分解代谢降低了进入肠外组织的氨基酸量从而降低氨基酸的营养效率[14]。由于30%～40%的日粮蛋氨酸在第1次通过肠道时即被利用[15-18],从门静脉的净吸收率来看,蛋氨酸甚至可能是猪日粮的第一限制性氨基酸[18]。因此,明确不同蛋氨酸源在动物体内特别是在肠道的转化和代谢机制对于揭示产生2种蛋氨酸源效价差异的生理生化基础具有至关重要的意义。为此,本文主要综述了近年来有关2种蛋氨酸源在肠道转化和代谢的研究,以便为正确评价DL-MET和DL-HMB的生物学效价和合理使用2种蛋氨酸源提供依据。

1 转化DL-MET和DL-HMB的关键酶及其在组织中的分布

化学合成法生产的DL-MET和DL-HMB分别含有50%的左旋(L型)和50%的右旋(D型)的异构体。由于L-MET是参与中间代谢或用于蛋白质合成的唯一蛋氨酸,D-MET和DL-HMB在被动物利用之前必须先转化为L-MET[19]。这种转化总共分2步进行,其中第1步反应为α-碳位发生氧化产生中间产物2-羰基-4-(甲硫基)丁酸(酮式蛋氨酸)。催化D-MET、D-HMB和L-HMB氧化为酮式蛋氨酸的酶具有高度特异性,分别为D-氨基酸氧化酶(D-amino acid oxidase,D-AAOX)、D-2-羟基酸脱氢酶(D-2-hydroxy acid dehydrogenase,D-HADA)和L-2-羟基酸氧化酶(L-2-hydroxy acid oxidase,L-HAOX);第2步反应为中间产物酮式蛋氨酸在转氨酶的催化下生成L-MET[13]。研究表明,酮式蛋氨酸转化为L-MET的反应不是影响蛋氨酸源转化的限速反应,因此,D-MET、D-HMB和LHMB转化为L-MET的效率,取决于催化氧化为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的特异性酶D-AAOX产生于过氧化物酶体,先后在肝脏、肾脏[20]以及肠道组织[21]中被发现。肠道组织中D-AAOX的活性约为肝脏的1/2[21],表明肠道有相当的能力来转化D-MET。对于DL-HMB的异构体之一D-HMB,尽管氧化D-HMB的特异性酶D-HADH产生于线粒体,存在于包括肝脏、肾脏、肌肉、肠道、胰腺、脾脏和大脑等在内的所有组织中,但是,从D-HADH的活性来看,肠道组织中的活性仅为肝脏组织中活性的1/4[13]。更值得注意的是,对于DL-HMB的另一异构体 L-HMB,氧化 L-HMB的关键酶LHAOX被证实主要存在于鸡的肝脏[13]、鼠的肝脏[22]和猪的肾脏[23]中。方正锋[24]在仔猪上的研究进一步证实,L-HAOX在肠道的活性相对较低,这可能与产生L-HAOX的过氧化物酶体主要存在于肝脏和肾脏中有关。即使肝脏被认为是转化DLHMB能力很强的器官[13,19,25],DL-HMB每次流经肝脏时被转化的量也仅为输入量的4%～5%[26]。因此,门静脉回流内脏组织,特别是肠道,对 DLHMB的转化能力相当有限。如果等量的DL-MET和DL-HMB进入肠道时,DL-MET可能为肠细胞提供更多的L-MET。而且,蛋氨酸的转硫反应受到日粮中蛋氨酸水平的调控[27],这意味着蛋氨酸水平越高,就会有越多的蛋氨酸发生分解代谢(转硫反应)。因此,DL-HMB可能比 DL-MET更多地进入到肠外组织被利用。通过腹膜内灌注1-14C-LMET的肉鸡肠道组织中14C的浓度远高于灌注1-14C-DL-HMB的肉鸡(前者约为后者的4倍)[28],进一步证实了DL-HMB由于被肠道转化和代谢的量比较少,从而更多地进入到肠外组织被利用。

2 DL-MET和DL-HMB在肠道代谢的可能差异及其营养意义

Saroka等[29]的试验发现,在供给等摩尔量的L-MET和DL-HMB的情况下,肉仔鸡吸收入血的DL-HMB的浓度高于L-MET,但当时未能对此现象作出解释。Stoll等[18]的研究结果表明,经过仔猪肠道的第1次代谢后仅有48%的日粮蛋氨酸(LMET)进入了门静脉血,另外的52%则在肠道的第1次代谢中被利用。Shoveller等[16-17]进一步研究发现,通过全静脉营养饲喂的新生仔猪的蛋氨酸(L-MET)需要量比通过肠道饲喂的新生仔猪的需要量低30%。这些研究表明,大量的蛋氨酸在肠道发生了第1次代谢[15]。因此,Saroka等[29]的研究中所观测到的肉仔鸡吸收入血后DL-HMB比LMET浓度高的结果,可能是由于在肠道的吸收和跨膜转运过程中,L-MET会更多地被肠道分解的结果。与此观点一致的是,Saunderson[28]采用14C标记的DL-MET和DL-HMB研究发现,DL-MET被动物机体氧化分解产生的CO2的量比DL-HMB分解产生的量要高。Ng等[30]认为DL-HMB具有减少蛋氨酸被分解代谢的作用。最近,Gonzales-Esquerra等[31]和 Vázquez-An～ón 等[5]分别用等量的DL-HMB和DL-MET来满足火鸡和肉鸡日粮蛋氨酸需要时,饲喂 DL-HMB的鸡比饲喂DLMET的鸡可获得更好的生产性能。方正锋[24]认为这些结果的产生可能与DL-HMB比DL-MET能更多地进入到肠外组织,从而降低日粮蛋氨酸在肠道的分解代谢,增加氨基酸在肠外靶组织如肌肉的沉积有关。Fang等[32]采用稳定同位素1-13C-L-MET的研究进一步证实,与DL-MET相比,DL-HMB有增加蛋氨酸在肠外组织沉积的趋势。此外,与DLMET相比,DL-HMB还可以减少血浆中同型半胱氨酸的浓度从而降低含硫氨基酸的毒性[33]。

3 蛋氨酸源对血流速度和氨基酸净吸收的影响

消化道血流速度是影响营养物质吸收的一个重要因素[34]。Fang等[35]研究发现,仔猪采食后4～6 h内,DL-HMB组仔猪的门静脉血流速度比DLMET组提高了9%;DL-HMB同时提高了部分氨基酸如亮氨酸、异亮氨酸、组氨酸、精氨酸和丙氨酸的门静脉净吸收量。门静脉氨基酸净吸收量的提高意味着这些氨基酸在肠道分解代谢的降低。该结果表明,血流速度的加快可以加速氨基酸等营养物质在吸收过程中向血液的转运[34],这一方面可以提高营养物质的吸收效率,另一方面减少了营养物质在肠黏膜的停留时间,间接地减少了单位时间内肠黏膜细胞可利用的氨基酸,因而可能有助于减少氨基酸在肠道的分解代谢[36]。因此,加快血流速度可能是DL-HMB减少氨基酸在肠道的分解代谢和提高氨基酸在门静脉的净吸收量的原因之一。

4 蛋氨酸源影响血流速度的可能机制

从化学本质而言,DL-HMB是一种短链脂肪酸(SCFA)。早在20世纪80年代就已经有直接的证据表明短链脂肪酸(SCFA)可以增加内脏组织的血流速度[37],但是对其作用机制还知之甚少。近年的研究发现,SCFA可以促进胃肠道胰高血糖素原(proglucagon,PG)基因的表达和胰高血糖素样肽-2(GLP-2)的分泌[38],而GLP-2是促进胃肠道运动、吸收、生长和增强肠道适应能力的关键肽生长因子[39]。GLP-2可以促进隐窝细胞的增生,提高上皮细胞的存活率,提高血流速度,提高营养物质的吸收率和增强肠黏膜的屏障功能[39]。GLP-2的这些功能需要通过G-蛋白偶联的跨膜受体GLP-2受体(GLP-2R)来介导[40];最近的研究显示GLP-2介导的血流速度的增加主要与肠道组成型一氧化氮(NO)合成酶(NOS)的活性和内皮型NOS(eNOS)的蛋白质丰度增加有关[34]。与此观点一致的是,与DL-MET组仔猪相比,PG基因在DL-HMB组仔猪的胃肠道中的表达量显著提高[35]。PG基因表达量升高意味着 GLP-2分泌的增加[38]。PG、GLP-2R和eNOS在胃肠道上段的表达量同步升高,一方面表明DL-HMB加快血液流速的作用与GLP-2的分泌是相关的,另一方面也意味着胃中血流速度的加快,表明DL-HMB可以在胃中被高效吸收。在畜禽生产中,仔猪早期断奶应激和家禽热应激可引起动物肠道生理结构的损害,以致降低肠道的消化、吸收功能,严重影响动物生长性能的发挥[41]。Swick等[41]研究发现,在热应激的情况下饲喂DL-HMB的肉鸡可获得比饲喂DL-MET更好的生产性能,这可能与DL-HMB可以诱导GLP-2的表达,从而缓解热应激对肠道的结构与功能的损害,保证日粮中的氨基酸和葡萄糖等营养物质的有效吸收有关[24]。

有报道认为,除了DL-HMB因本身是一种SCFA而可能影响血流速度外,胃肠道食糜中SCFA的组成模式也可以因为蛋氨酸源的不同而出现差异[42]。究竟是DL-HMB本身,还是发酵产生的SCFA影响了血流速度需要进一步阐明。Richards等[11]研究表明,日粮中大部分的DL-HMB可以在胃和肠道的上段被迅速吸收。另外,GLP-2可以急剧地提高肠道的血流速度[43]。因此,供给SCFA后PG基因的迅速表达与GLP-2的快速分泌[38]预示了一种可能性,即如果DL-HMB本身可以影响血流速度,那么在饲喂后3 h内应该可以观察到DLMET组与DL-HMB组之间门静脉血流速度的差异。但是,Fang等[35]观察到的结果是DL-MET组与DL-HMB组血流速度的差异是发生在仔猪采食后4～6 h。DL-HMB组回肠食糜中乙酸浓度是DL-MET组的3倍[35],这表明乙酸可能在上调血流速度的过程中发挥了重要作用。因为SCFA特别是乙酸,可以显著影响肠道的血流速度[37],加之DL-MET组与DL-HMB组血流速度的差异是发生在采食后4～6 h而不是1～3 h,由此推测DLHMB组仔猪血流速度的增加主要与DL-HMB增加仔猪胃肠道乙酸产量有关。

目前关于DL-HMB改变胃肠道SCFA组成的机制尚不清楚。虽然已经有相当多的体内及体外试验探讨了DL-HMB对SCFA的影响,但是大多数研究都是针对反刍动物开展的,而且结果也并不一致。有的研究认为DL-HMB对瘤胃中的乙酸、丙酸和丁酸等SCFA基本无影响[44];而Lundquist等[45]研究发现,DL-HMB可以增加乙酸的浓度而降低丙酸的浓度;Gil等[46]研究认为乙酸、丙酸和丁酸的浓度都是降低的,与Noftsger等[42]研究结果大体一致。有关单胃动物DL-HMB影响SCFA组成的报道相对较少。Fang等[35]研究发现,胃肠道食糜中SCFA的变化主要发生在回肠,其乙酸的浓度大量增加,而胃和结肠中SCFA组成的变化相对较小。产生这些变化的原因目前知之甚少。Noftsger等[42]采用核糖体基因间隔区长度多态性方法分析了DL-HMB对瘤胃中微生物区系的影响并总结认为SCFA的变化可能取决于微生物区系的组成。反而言之,SCFA组成的变化反过来也可以反映微生物区系组成的不同。May等[47]研究表明,日粮是决定碳水化物影响肠道微生物和SCFA的主要因素,由此可见,在日粮的碳水化物组成一致的情况下,DL-HMB对胃肠道SCFA的影响可能与以下因素有关:第一,DL-HMB的p Ka为3.6,与蚁酸相当,显示了DL-HMB可以通过低p H效应来抑制病原菌增殖的能力;第二,DL-HMB主要在胃和肠道的上段被吸收,到达后肠的量相对很少,因此,结肠食糜中SCFA的浓度变化相对较小可能为DLHMB影响SCFA提供了进一步证据。

5 结 语

DL-HMB作为一种蛋氨酸源添加剂,其结构的特殊性使其具备了一些额外的营养效应。1)由于肠道对DL-HMB的转化能力较低,推测更多的DLHMB进入肠外组织可能为肌肉蛋白质的合成提供更多可利用蛋氨酸;2)DL-HMB作为一种有机酸可能影响胃肠道SCFA的产量,进而调控与消化道血流速度相关基因如PG、GLP-2R和eNOS的表达,加快门静脉的血流速度,提高亮氨酸、异亮氨酸、组氨酸、精氨酸和丙氨酸的门静脉净吸收量。这些结果为正确评价DL-MET和DL-HMB的生物学效价和合理使用2种蛋氨酸源提供了新的理论依据。但是,为了进一步揭示蛋氨酸源在肠道代谢差异的机制,以下几个方面还有待深入研究:1)肠道微生物在蛋氨酸源代谢中的作用;2)不同蛋氨酸源对蛋氨酸转硫途径和转甲基途径限速酶的影响;3)不同蛋氨酸源在肠道的代谢命运。

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