母猪精氨酸营养研究进展

刘俊锋 胡 慧 孔祥峰 吴 琛 何若钢*

（1.广西大学动物科学技术学院,南宁 530005;2.湖南省畜禽健康养殖工程技术研究中心,中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室,中国科学院亚热带农业生态研究所,长沙 410125）

精氨酸（aginine,A rg）是动物体内一种重要的碱性氨基酸,是精子蛋白的重要组成成分。除参与体内蛋白质沉积外,还通过多种酶参与机体代谢,并通过其代谢产物一氧化氮（NO）和多胺等在动物体内发挥多重营养生理效应。此外,A rg还能有效促进机体的激素分泌[1],提示其对调控猪的生长发育与繁殖生理具有重要作用。虽然国内外大量文献报道了A rg对断奶仔猪和生长肥育猪的营养生理作用,但是对母猪A rg营养报道不多。本文对A rg营养在母猪上的最新研究进展进行综述,旨在为养猪生产,尤其是母猪生产提供一定的参考。

1 Arg的理化特性

A rg的分子式为C6 H14 N4 O2,分子量为174.20,学名为2-氨基-5-胍基戊酸,其化学结构见图1。天然Arg为L-A rg,在水中结晶的产物含2分子的结晶水,105℃失去结晶水。在乙醇中结晶的是无水物,238℃分解,溶于水,微溶于乙醇,不溶于乙醚。由于胍基的存在,A rg呈碱性,易与酸反应形成盐。

在生物体内具有生理作用的A rg是L-Arg。传统上把A rg定义为非必需氨基酸,动物试验发现,在生长发育过程中如果饲料中缺少Arg,则达不到最佳的生长速度,此时只靠体内合成的Arg不能满足机体生长发育的需要;其次,在应激状态下,体内合成的A rg也不能满足生理代谢的需要。因此,有人提出A rg应该为条件性必需氨基酸[2]。

图1 Arg的化学结构Fig.1 Chem ical structure of A rg

2 Arg在子宫和胎盘中的代谢

2.1 内源合成

A rg对胎盘、胚胎和胎儿的发育具有重要作用[3]。在对不同妊娠期的母猪胎儿液进行分析时发现,母猪妊娠第40天时尿囊液中的A rg含量高达4～6 mm ol/L,而母体血浆A rg浓度只有0.10～0.14 mm ol/L。母猪妊娠第30～40天,其尿囊液的A rg、鸟氨酸和谷氨酰胺含量分别提高23、18和4倍,而这3种氨基酸的氮含量占游离α-氨基酸氮总含量的67%[4]。胎儿尿囊液中A rg家族氨基酸的含量这么高,与前1/2妊娠期胎盘合成最大量的NO和多胺有关[5],这时的胎盘正在快速生长[6],说明在孕体生长发育过程中与A rg相关的物质代谢途径是至关重要的。此外,胎盘尿囊液中A rg浓度远高于母体血液,说明子宫可对A rg进行充分吸收和合成,以满足胚胎生长发育的需要。

A rg可由谷氨酰胺和脯氨酸合成,需要谷氨酰胺酶、脯氨酸氧化酶、吡咯酸-5-羧酸合成酶、鸟氨酸转氨酶、鸟氨酸转乙酰酶、精氨酰琥珀酸合成酶和精氨酰琥珀酸分解酶催化。此外,血浆瓜氨酸和线粒体内的鸟氨酸是A rg合成的前体,瓜氨酸在细胞液中进一步合成A rg。对于哺乳动物,内源A rg的合成主要通过小肠-肾代谢轴完成,在胞液精氨酸琥珀酸合成酶和精氨酸琥珀酸裂解酶的作用下,由瓜氨酸转化为A rg。虽然肝脏中这2种酶的活性始终保持较高水平,但所转化的高浓度A rg却通过负反馈调节,在精氨酸酶的作用下,促使其本身分解为鸟氨酸和尿素,阻止A rg释放到循环系统内。因此,内源A rg主要来源于肾近曲小管中瓜氨酸的转化,瓜氨酸则是由肠道内的谷氨酸和谷氨酰胺合成[7]。

2.2 分解代谢

A rg在体内的代谢主要有3种途径:1）通过氧化途径,经NO合成酶（NOS）催化生成具有生物活性的NO,维持血管的通透性,改善器官的缺血缺氧状态。2）在精氨酸酶催化下水解成鸟氨酸,然后在鸟氨酸脱羧酶催化下脱去羧基形成腐胺,腐胺可以生成亚精胺和精胺,三者统称为多胺[8]。多胺可调节DNA和蛋白质的合成,从而调节细胞的增殖和分化[4]。3）A rg可以由甘氨酸转脒基酶分解为鸟氨酸和肌酐酸,由精氨酸分解酶降解为鸟氨酸和尿素。

3 Arg对母猪繁殖性能的影响

A rg对母猪繁殖性能的影响目前报道不多,但也有研究发现,在妊娠第14～28天母猪饲粮中添加1.0%的A rg,出生活仔数增加1头,但并不影响平均出生体重[9];在妊娠第30～114天的母猪饲粮中添加1.0%的精氨酸盐酸盐,能够提高血浆中A rg （77%）、鸟氨酸（53%）和脯氨酸（30%）的浓度;添加A rg并不影响母猪的体重和背部皮下脂肪的厚度,但出生活仔数增加2头,出生窝重增加24%[10]。Mateo[11]对初产母猪的研究结果表明,饲粮补充A rg能够显著提高泌乳母猪母乳中A rg含量及所带仔猪的生产性能,然而Laspiur等[12]对经产母猪的研究结果表明,饲粮添加A rg可以减少泌乳期母猪体重损失,提高饲料利用率,但是并没有提高产仔窝重。上述研究结果初步证明,通过在母猪饲粮中添加A rg可提高母猪产仔率,同时也可能会提高仔猪出生后的生长性能、健康状况和肉品质[13]。

4 Arg提高母猪繁殖性能的机制

在母猪饲粮中补充A rg,能提高胎盘合成NO和多胺的能力,NO和多胺是血管生成、胚胎形成、胎盘和胎儿生长发育的关键调控物质,提高胎盘对胎儿血液、氧气和营养物质的供应,从而减少胚胎早期死亡,提高妊娠早期胎猪的成活和生长发育具有重要作用[14]。其作用机制可能主要表现在以下几个方面。

4.1 促进血管发育

近年来,发现血管内皮产生的内皮舒张因子——NO类物质,具有强烈的血管扩张作用[15]。L-A rg是生成NO的前体,L-A rg来源不足、转运障碍或代谢异常都可影响NO的生成,而NO的缺乏是影响血管发育的一个重要因素;补充L-A rg促进NO的生成,可促进血管扩张和血管生成。研究表明,NO可按原始血管形成方式参与包括细胞外基质降解、内皮细胞增殖、迁移并形成网络结构以及管腔形成的血管生成所有过程,是血管生成的重要介质[16]。肖立波等[17]研究表明,NO在体内主要是通过激活可溶性鸟苷酸环化酶,使环鸟苷酸升高来完成如调节血管紧张度等各种生理功能。另外, NO/O2-的平衡对维持血管内皮功能较为重要。当有NO存在时对O2-有拮抗作用,体内L-A rg耗尽时O2-产生增加[18],拮抗NO作用使内皮介导的血管舒张功能异常。NO作为细胞信使分子,可参与血管张力、器官血液供应的调节,具有降压、抑制血管平滑肌细胞生长和增殖、血小板聚集等作用[19]。

4.2 促进蛋白质合成

A rg分解是多胺合成的第一步,细胞内A rg的浓度可以调控多胺的合成。多胺在加快细胞增殖、组织形成及细胞分化中起着重要的作用,是小肠黏膜生长、发育、成熟、适应及恢复创伤必需的物质。长期以来,A rg一直被看作组织愈合的必需营养素,也是一种有潜力的重要的免疫营养成分[20]。A rg特别有吸引力起因于其产物脯氨酸是胶原蛋白的一种必需成分[21],也是特定激素如生长激素释放的重要引发物、多胺合成的主要氨基酸前体物[20]。有关多胺合成缺陷型的大肠杆菌突变株研究表明,在多胺存在时,从培养液中除去亮氨酸,细菌蛋白质合成受到显著的抑制,补充亮氨酸后蛋白质合成迅速出现高峰,但是没有多胺存在时,即使补充亮氨酸蛋白质,合成仍保持不变。另外,多胺对蛋白质的准确翻译（在某些密码中减少蛋白质的误译率）以及在蛋白质翻译后的修饰过程中都起着重要的作用[22]。体腔的生理浓度范围（2～4 mmol/L）的A rg是肠道上皮移行和上皮重建的有效刺激剂。在体外培养的仔猪肠细胞系（IPEC-J2）上的研究发现,蛋白质合成对肠道细胞移行是必需的,抑制磷酸肌醇-3激酶/m TOR途径也可抑制细胞移行。相反,A rg可增加肠上皮细胞的移行、激活其下游m TOR靶点p70 S6K[23]。迁移细胞的免疫细胞化学染色表明,大量p70 S6K染色处于细胞浆内,而其活性形式磷酸化p70 S6K全部定位于休止细胞的核内,A rg激活作用使其再分配到胞浆内。

4.3 促进激素分泌

A rg可刺激机体释放生长激素和胰岛素,对糖、脂肪和蛋白质的代谢起着协同平衡作用,二者的升高可加强组织对糖的利用,加速蛋白质和胶原的合成,促进正氮平衡和损伤后机体的修复。A rg刺激生长激素释放可由其直接作用或通过其代谢物起作用。A rg代谢生成鸟氨酸,进而生成谷氨酸,这2种氨基酸均可促进生长激素释放。另外,经NOS催化生成的NO对生长激素释放也有促进作用。因为NO是子宫胎盘血流量的一个重要调控因子,严重的胰岛素耐受可影响妊娠后期胎盘对营养物质和氧气的运输[24]。

4.4 增强免疫功能

在饲粮中补充A rg能增强妊娠母猪和新生仔猪的免疫状态,从而减少病原感染引起的发病率和死亡率[25]。A rg影响免疫功能的途径很多,调节免疫机能的具体机制尚不完全清楚,但主要包括NO途径、精氨酸酶途径和内分泌途径。

NO途径是指A rg在NOS作用下生成瓜氨酸和NO。巨噬细胞和中性粒细胞合成的NO是机体抗微生物和抗有害细胞的必需机制。因此,由诱导型一氧化氮合成酶（inducible nitric oxide synthase,iNOS）催化合成的NO与免疫反应关系最为密切。因为A rg是精氨酸酶和iNOS的共同底物,二者竞争催化A rg,所以调节精氨酸酶的表达和活性在细胞产生NO过程中起着关键作用[26]。A rg可调节T细胞受体ζ链（CD3ζ）的表达,CD3ζ对T细胞受体的完整性是必需的。另外,瓜氨酸或A rg的充分供给对CD3ζ保护和表达是必需的。这为利用瓜氨酸增加A rg的供给提供了基础[27]。

NO是近年来新发现的重要免疫调节物质,既是肿瘤免疫、微生物免疫的效应分子,又是多种免疫细胞的调节因子。NO对免疫系统的调节作用主要包括:1）NO抑制抗体应答反应、抑制肥大细胞的反应性;2）促进NK细胞活性,激活外周血中的单核细胞;3）调节T细胞和巨噬细胞分泌细胞因子;4）介导巨噬细胞的细胞凋亡;5）A rg-NO途径被认为是杀死细胞内微生物的主要机制,也是巨噬细胞对靶细胞毒性的主要机制;6）减弱多型核粒细胞黏附[28]。

此外,A rg可促进胰岛素、生长激素、泌乳素和胰岛素样生长因子-Ⅰ（IGF-Ⅰ）的分泌[25],这些激素参与了A rg对免疫功能的调节作用。例如,胰岛素和生长激素调节葡萄糖和氨基酸在主要组织（骨骼肌、脂肪、肝脏和心脏）中的代谢,从而影响其在免疫系统细胞中的利用率。生长激素也能增加胸腺中T淋巴细胞的产生、骨髓中定向造血干细胞的数量、T细胞对细胞因子的反应和树状突细胞的抗原提呈能力。并且泌乳素能增加Th1淋巴细胞释放细胞因子和抗原提呈MHC II型分子的表达。另外, IGF-Ⅰ可促进骨髓中淋巴细胞的成熟,缓解随着年龄增长发生的胸腺退化,增加淋巴细胞数量和活性。

5 小 结

具有特殊营养活性的氨基酸,调节着母猪的新陈代谢途径,对维持母猪正常的生长、发育和繁殖都起着至关重要的作用;同时通过调节蛋白质合成和细胞信号转导机制对增强母猪免疫功能也发挥着重要作用。在寻找有效策略以通过肠内或肠外途径补充氨基酸以达到最佳健康过程中,应充分考虑氨基酸不平衡和营养素拮抗作用的负面影响。这样的策略应建立在氨基酸生理生化效应对免疫功能、个体营养和生理状态的影响等基础上。随着动物饲料级氨基酸商业供应的增加,氨基酸,特别是A rg,将成为提高动物健康和预防传染性疾病的廉价、高效物质。鉴于氨基酸的重要调节作用,希望在常规饲料中添加A rg等特殊营养活性的氨基酸以有效增强母猪、胎猪、新生仔猪和断奶仔猪的免疫功能,提高其生长速度和养分利用率,以及改善肉质。

[1] Newsholm e P,Brennnan L,Rubi B.New insigh ts into am ino acid metabolism,beta-cell function and diabetes[J].Clinical Science,2005,108:185-194.

[2] 孔祥峰,印遇龙,伍国耀.猪功能性氨基酸营养研究进展[J].动物营养学报,2009,21（1）:1-7.

[3] K im SW,Wu G,Baker D H.Am ino acid nutrition o f breeding sows during gestation and lactation[J]. Pig News Information,2005,26:89N-99N.

[4] M ateo R D,Wu G,M oon H K,etal.Effects of dietary arginine supplementation during gestation and lactation on the performance of lactating prim iparous sows and nursing pig lets[J].Journal o f Anim al Science,2008,86:827-835.

[5] W u G,Bazer FW,Hu JB,et al.Po lyam ine synthesis from p ro line in the developing porcine placenta[J]. Biology of Reproduction,2005,72:842-850.

[6] Self J T,Spencer T E,Johnson G A,et al.G lutam ine syn thesis in the developing porcine p lacenta [J].Biology of Reproduction,2004,70:1 444-1 451.

[7] W u G,Bazer F W,Davis T A,et al.Important roles for the arginine fam ily o f am ino acids in sw ine nutrition and p roduction[J].Livestock Science, 2007,112:8-22.

[8] 刘兆金,印遇龙,邓 敦,等.精氨酸生理营养研究[J].氨基酸和生物资源,2005,27（4）:54-57.

[9] Ramaekers P,Kemp B,Van der Lende T.Progenosis in sows increases number of piglets born[J]. Journal of Animal Science,2006,84（Supp l.1）: 394.

[10] M ateo R D,Wu G,Bazer F W,et al.DietaryL-arginine supplementation enhances the reproductive perform ance o f gilts[J].Journal of Nutrition,2007, 137:652-656.

[11] Mateo R D.A rginine and omega-3 fatty acids for enhancing rep roductive perform ance o f sows[D]. Dissertation.Texas:Texas Technolofy University, 2007.

[12] Laspiur JP,Trottier N L.Effect o f dietary arginine supp lenmenation and environmental temperature on sow lactation per form ance[J].Livestock Production Science,2001,70:159-165.

[13] W u G,Bazer FW,W allace JM.Intrauterine grow th retardation:im plications for the anim al sciences[J]. Journal of Anim al Science,2006,84:2 316-2 337. [14] Bird IM,Zhang L B,Magness R R.Possiblemechanisms underlying p regnancy-induced changes in uterine artery endothelial function[J].American Journal o f Regu latary Comparative Physio logy, 2003,284（2）:R 245-R 258.

[15] Radom skiM W,Palmer R M J,M oncade S.Modulation o f p latelet aggregation by anL-arginine-nitric oxidepathw ay[J].Trends of Pharm acological Science,1991,12（3）:87.

[16] Cooke JP.NO and angiogenesis[J].A therosclerosis Supp lements,2003,4（4）:53-60.

[17] 肖丽波,鲁燕妮,刘凌鹏.四（4-磺酸基苯基）卟啉锰钠盐-NO配合物的合成及NO释放效能和生物学活性研究[J].有机化学,2009,29（6）:936-937.

[18] Pou S,Pou W S,Bred t D S,et al.Generation of superoxide by purified brain nitric oxide synthase[J]. Journal of Biology and Chem istry,1992,267:173-176.

[19] 张竞逵,于玲范,张丽丽,等.SHR血清及心肌NO浓度的变化及L-精氨酸对其抑制作用[J].中华医学全科杂志,2002,1（1）:1-2.

[20] Barbul A.A rginine:biochem istry,physiology,and therapeutic imp lications[J].Journal o f Parenter Enteral Nutrition,1986,10:227-238.

[21] K rane SM.The importance of proline residues in the structure,stability and suscep tibility to p roteolytic degradation o f collagens[J].Am ino A cids,2008, 35:703-710.

[22] M cCorm ack S A,Johnson L R.Ro le of polyam ines in gastrointestinal m ucosal grow th[J].American Journal of Physiology,1991,260:G 795-G806.

[23] Rhoads JM,N iu X,Odle J,et al.Ro le of m TOR signaling in intestinal cellm igration[J].American Journal of Physio logy Gastrointestine and Liver Physiology,2006,291:G 510-G 517.

[24] 孔祥峰,伍国耀,印遇龙.猪宫内生长迟缓及其防治研究进展[J].畜牧与兽医,2009,41（10）:96-100.

[25] Jobgen W S,Fried S K,FuW J.Regulatory role for the arginine-nitric oxide pathw ay in energy-substrate m etabolism[J].Journal of Nutrition Biochem istry, 2006,17:571-588.

[27] Newsholme P,Brennnan L,Rubi B,et al.New insights into am ino acidmetabolism,beta-cell function and diabetes[J].Clinical Science,2005,108:185-194.

[28] Jobgen W S,Fried SK,Fu W J,et al.Regulatory ro le for the arginine-nitric oxide pathway in energysubstrate metabolism[J].Journal of Nutrition Biochem istry,2006,17:571-588.

*Correspond ing au thor,p rofessor,E-m ail:h.r.gang@163.com

（编辑 陈 圆）