印遇龍 院士 中國(guó)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(guó)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(zhǎng)、特聘教授，中國(guó)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(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、生物飼料安全與污染防控國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)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(guò)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(zhǎng)、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(guò)改變脂質(zhì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子濃度來(lái)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(zhǎng)肌粗蛋白含量和脂肪含量（圖1），提高育肥豬背最長(zhǎng)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(zhǎng)肌化學(xué)組成（g/100g）

圖2 背最長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)豬肌內(nèi)脂肪含量顯著降低，可顯著降低背最長(zhǎng)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(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)素的高效利用主要體現(xiàn)在肌肉組織的增長(zhǎng)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(shuō)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(kāi)展了低蛋白日糧補(bǔ)充不同比例的BCAA對(duì)生長(zhǎng)豬脂質(zhì)代謝的影響。

試驗(yàn)表明，生長(zhǎng)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(jiàn)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(guò)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(zhǎng)、脂肪沉積和肌內(nèi)脂肪的形成。肌肉組織和脂肪組織通過(guò)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(yíng)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)程中，脂肪細(xì)胞周?chē)难苌蓽p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(zhǎng)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(guò)程中，脂肪細(xì)胞周?chē)难苌蓽p少，巨噬細(xì)胞的滲透增強(qiáng)（圖4）。谷氨酸依賴(lài)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(lái)源。前脂肪細(xì)胞分化過(guò)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(zhǎng)發(fā)育

N-氨甲酰谷氨酸（NCG）不會(huì)影響賴(lài)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(zhǎng)（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(zhǎng)性能、胴體性能；改善豬肉保水性及風(fēng)味；保持長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)營(yíng)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）