■高春起 黎相廣 范宏博 嚴會超 王修啟

（華南農業(yè)大學動物科學學院，廣東廣州 510642）

蛋白質的消化、吸收和代謝利用一直是豬營養(yǎng)研究所關注的重點問題。動物對飼料蛋白質的利用機制較為復雜，涉及到胃腸道對蛋白質的消化、腸道對消化產物的攝取、腸道自身代謝、腸道微生物的利用、腸道黏膜與微生物互作以及轉運入血的氨基酸被組織器官利用等諸多環(huán)節(jié)。近年來，國內外針對豬體內蛋白質代謝和最佳氨基酸模式等開展了大量研究，從機理上闡述了豬氨基酸代謝的實質，以期提高氨基酸的利用效率，節(jié)省蛋白飼料資源，提高動物健康水平。

1 蛋白質在動物體內的代謝

豬的生長與飼料蛋白質的轉化密不可分。日糧蛋白質、肽和氨基酸轉化為機體蛋白質的過程主要包括：胃腸道的消化吸收（感應和轉運）、血液運輸與組織間的分配以及組織蛋白質的沉積，后者本質上是蛋白質合成和降解動態(tài)平衡的結果。氨基酸的感應與轉運、蛋白質合成與降解，互相影響和調節(jié)，共同構成動物體內蛋白質代謝的動態(tài)平衡。

1.1 氨基酸的感應和轉運

氨基酸的感應以及由此觸發(fā)的轉運信號共同完成腸道對腸腔中氨基酸的吸收環(huán)節(jié)。研究表明，機體內存在營養(yǎng)素感應系統(tǒng)，氨基酸及其代謝產物不僅具有營養(yǎng)功能還可作為化學信號，調節(jié)腸道黏膜功能以及組織器官對營養(yǎng)素的吸收和利用。氨基酸信號可通過改變Rag GTPases鳥嘌呤核苷酸的狀態(tài)使其活化，活化的Rag GTPases當中，RagA/B與GTP結合，RagC/D與GDP結合?；罨腞ag GTPases通過與mTORC1（mammalian target of rapamycin complex 1）中的Raptor特異性結合，將細胞質中的mTORC1招募到溶酶體表面，由Rheb(Ras homolog enriched in brain)激活mTORC1，最終由mTORC1調節(jié)氨基酸的吸收和利用。溶酶體上的SLC38A9（member 9 of the solute carrier family 38）介導細胞質中氨基酸向溶酶體內轉運，并調節(jié)mTORC1的激活。

日糧氨基酸缺乏是影響限飼作用效果的主要因素，適當減少哺乳動物日糧蛋白質或者必需氨基酸的攝入量，可以延長壽命、改善代謝和提高抗應激能力，這些作用主要通過eIF2α(eukaryoticinitiation factor 2α)的激酶 GCN2（general amino acid control non-derepressible 2）和mTOR兩個信號通路進行調節(jié)。當氨基酸缺乏的時候，引起GCN2激酶的活化，進而啟動eIF2α的磷酸化，最終導致蛋白質翻譯的減少；同時 ATF4（transcription factor 4）等特殊mRNA的轉錄增加，上調與抗應激相關基因的表達，從而提高抗應激能力。當亮氨酸、組氨酸、色氨酸、賴氨酸等氨基酸缺乏的時候，GCN2可以迅速激活大腦和肝臟的相關信號通路，使組織適應內環(huán)境的變化。

腸道上皮的氨基酸感應體接受來自腸腔的信號后，誘發(fā)一系列的信號傳導，啟動由氨基酸/寡肽轉運載體介導的氨基酸/寡肽的轉運，部分氨基酸轉運載體還發(fā)揮感應氨基酸的功能，調節(jié)氨基酸的轉運和信號轉導。日糧蛋白質降解產物——小肽和氨基酸，通過主動轉運的方式進入血液循環(huán)，氨基酸/寡肽的吸收和轉運是其代謝和發(fā)揮功能的基礎。按照底物的類型，氨基酸轉運載體系統(tǒng)可分為酸性、中性和堿性氨基酸轉運系統(tǒng)。酸性氨基酸轉運家族包括Na+依賴性X-AG轉運載體和Na+非依賴性X-c轉運載體；中性氨基酸轉運載體家族包括B0型、A型、N型、ASC型、G型、β型、y+L型等Na+依賴性轉運載體和L型、asc型、T型、b0,+型Na+非依賴性轉運載體；堿性氨基酸轉運載體家族包括Na+依賴性B0,+和Na+非依賴性y+、b0,+和y+L。此外，二肽/三肽轉運載體，包括PepT1、PepT2、PHT1和PHT2。相應轉運載體基因的表達會隨氨基酸的缺乏、過量或不平衡而改變，以改變氨基酸的轉運模式，從而維持體內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。Cervantes等研究表明，向Leu標準回腸消化率為0.90%的基礎日糧添加Leu至其1.52倍，可顯著降低空腸b0，+AT的表達水平，增加空腸CAT1的表達水平；日糧添加過量 Leu、Ile、Val，可顯著促進空腸中B0AT1的表達。

日糧組成對氨基酸和寡肽的吸收轉運具有調控作用，日糧蛋白質的利用效率與腸道氨基酸/寡肽的吸收密切相關，而后者取決于氨基酸/寡肽轉運載體的表達水平與活性。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，日糧不同水平的賴氨酸影響豬腸道堿性氨基酸轉運載體的基因表達。Lin等在日糧中添加2%的谷氨酸以研究其對斷奶仔豬小腸結構和氨基酸相關信號傳導的影響，結果表明，與等氮日糧組相比，日糧中添加2%的谷氨酸可提高空腸黏膜谷草轉氨酶的活性以及與氨基酸感應體基因的表達水平（谷氨酰胺合成酶、鈣信號受體CaR、代謝性谷氨酸受體mGluR1/4和中性氨基酸轉運載體SLC1A5），提高血液中谷氨酸、精氨酸、組氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸和蘇氨酸的含量，提示日糧中添加2%的谷氨酸可影響氨基酸感應和轉運的路徑，從而促進營養(yǎng)素的消化吸收。

除了胃腸道外，日糧氨基酸組成還可以改變其他組織的營養(yǎng)素代謝。Cervantes等研究發(fā)現(xiàn)，日糧添加過量Leu可降低肝臟中CAT1的表達水平。Chen等通過給新生仔豬口服谷氨酸單鈉溶液的方法，研究其對新生仔豬肝臟脂代謝和氮代謝的影響，發(fā)現(xiàn)口服0.5 g/kg body weight/day的谷氨酸單鈉可提高血清中總蛋白和高密度脂蛋白的含量以及肝臟脂肪酸合成酶、乙酰輔酶A羧化酶、胰島素樣生長因子-1、谷草轉氨酶和谷丙轉氨酶的基因表達，表明口服谷氨酸單鈉可以改變哺乳仔豬肝臟中與脂代謝和氮代謝相關的基因表達。

1.2 蛋白質合成與降解

蛋白質合成主要受Akt-mTOR信號通路的正向調節(jié)和Myostatin-Smad2/3通路的負向調節(jié)，蛋白質降解主要受泛素蛋白酶系統(tǒng)和自噬溶酶體途徑調節(jié)，哺乳動物細胞內的絕大多數(shù)蛋白質（80%～90%）都是依賴泛素蛋白酶體系降解。IGF-1通過PI3K-Akt促進mTOR活化和肌肉生長，F(xiàn)ollistatin通過抑制Myostatin和Activin A從而誘導肌肉生長，這兩個通路通過Smad3和Akt的互相影響而產生交叉作用。細胞蛋白質降解系統(tǒng)的活化受轉錄因子的調節(jié)。生長因子刺激時，PI3K-Akt途徑可以沉默細胞質中的FoxO1/3/4轉錄因子，抑制降解的發(fā)生；缺乏生長因子時，Akt處于非活化狀態(tài)，F(xiàn)oxOs移位至細胞核，誘導調節(jié)泛素蛋白酶系統(tǒng)和自噬溶酶體途徑的基因發(fā)生轉錄。Chotechuang等研究發(fā)現(xiàn)，高氨基酸和胰島素水平下蛋白質的泛素化依賴于AMPK信號通路的抑制和mTOR信號通路的活化。Liu等通過長白豬和巴馬香豬對比試驗發(fā)現(xiàn)，飼喂同樣粗蛋白質水平日糧，生長期巴馬香豬肌肉中風味氨基酸量高于長白豬，MyoD、MyoG、MEF2A、MSTN的mRNA表達水平也高于長白豬，說明不同品種間肌肉中與蛋白質代謝相關基因的表達水平不一。

骨骼肌中的研究表明，蛋白質代謝還受氨基酸轉運載體表達的調控，探明氨基酸轉運和氨基酸轉運載體在肌肉蛋白質代謝中的作用將有助于肌肉健康和蛋白質沉積。研究表明，氨基酸轉運載體 SNAT2、SNAT3、LAT1、LAT2、PAT1和 PAT2對mTORC1的活化在肌肉蛋白代謝中起著至關重要的作用，這些氨基酸轉運載體基因表達的水平與其活化程度成正相關。Suryawan等在仔豬上的研究表明，肌肉中SNAT2、SNAT3、LAT1、LAT2、PAT1、PAT2和PAT2-mTOR復合物的表達豐度與mTORC1的活化程度一致，提示這些氨基酸轉運載體是影響仔豬骨骼肌蛋白質合成（mTORC1活化）的關鍵因素。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，宮內發(fā)育遲緩（Intra-uterine growth retardation，IUGR）嚴重影響仔豬生長性能、小腸重量和腸黏膜發(fā)育，這些不利的影響可能與腸黏膜中胰島素、胰島素樣生長因子1（IGF-1）以及Akt、mTOR和p70 S6K的表達水平有關，在人工乳中添加0.06%的精氨酸，可以提高宮內發(fā)育遲緩仔豬的生產性能和小腸重量，改善腸黏膜發(fā)育，提高腸黏膜中精氨酸、胰島素以及Akt、mTOR的蛋白表達水平，降低caspase-3的活性和腸細胞凋亡指數(shù)，提示精氨酸可通過抑制小腸黏膜中的細胞凋亡以及活化AktmTOR信號通路，從而改善宮內發(fā)育遲緩仔豬小腸的發(fā)育。

2 必需氨基酸和功能性氨基酸

被小腸吸收后，日糧中的氨基酸通過體液循環(huán)輸送到腸外各組織器官，從而影響機體的生理機能，隨著動物健康問題越來越突出，氨基酸營養(yǎng)從傳統(tǒng)意義上的滿足動物需要向同時滿足動物生長需要和維持健康轉變，而不同氨基酸比例的平衡是發(fā)揮氨基酸功能的關鍵。

2.1 必需氨基酸

氨基酸是所有有機體生存、生長、發(fā)育、繁殖和健康所必需的，必需氨基酸對動物正常生長發(fā)育的重要性不言而喻。賴氨酸作為豬的第一限制性氨基酸，其在日糧中的含量已成為影響豬生產性能的重要因素。研究表明，當動物飼喂高氨基酸日糧時，動物血清中該氨基酸含量會迅速升高，在某些情況下會導致其它氨基酸含量的下降。Zeng等對生長豬的研究發(fā)現(xiàn)，采食后2 h門靜脈血液中各種氨基酸的含量達到峰值，且受日糧賴氨酸水平的影響；當日糧氨基酸水平為0.95%時可獲得較高的氨基酸表觀消化率，提示日糧賴氨酸水平可調節(jié)氨基酸的吸收模式和利用效率。He等研究發(fā)現(xiàn)，日糧添加1.35%賴氨酸可增加斷奶仔豬空腸的絨毛高度和隱窩深度，提高空腸堿性氨基酸轉運載體b0,+AT、y+LAT1和CAT1的基因表達，提示日糧賴氨酸水平可通過影響堿性氨基酸轉運載體基因表達來調節(jié)堿性氨基酸的吸收，這與Wang等在生長豬上的研究結果相一致。García等在仔豬上的研究證明，日糧Leu∶Lys比值為120%時，空腸中b0,+的基因表達水平和背最長肌中myosin的蛋白表達水平顯著高于兩氨基酸比率為88%和160%時基因或蛋白的表達水平；過量Leu也可通過影響轉運載體水平調節(jié)氨基酸的吸收和代謝，降低血清中其他氨基酸的濃度。Zhan等研究了不同精氨酸水平對早期斷奶仔豬腸道微血管發(fā)育的影響，結果表明日糧中添加0.70%的L-精氨酸可以有效地改善早期斷奶仔豬小腸微血管和上皮的發(fā)育，提高仔豬的腸道健康水平。Ma等研究發(fā)現(xiàn)，增加日糧中標準回腸可消化率色氨酸和賴氨酸的比例，可顯著增加血清生長激素（GH）和IGF-1水平，降低血清尿素氮，提高后備母豬日增重和飼料轉化率。

近年來，科學家們對必需氨基酸影響豬蛋白質合成的機理開展了大量研究，必需氨基酸可通過mTOR信號通路促進骨骼肌蛋白質的沉積。Drummond等研究表明，增加必需氨基酸的供給，可上調肌肉中mTOR的活化程度，調節(jié)蛋白質的合成。Escobar等通過靜脈注射的方法，研究了亮氨酸、α-酮異己酸和正亮氨酸對仔豬蛋白質合成和轉錄起始因子活化的影響，發(fā)現(xiàn)亮氨酸和α-酮異己酸可提高骨骼肌中eIF4E、4EBP1和eIF4G蛋白的表達以及蛋白質的合成，而正亮氨酸無此作用。

2.2 功能性氨基酸

傳統(tǒng)上，人們對氨基酸營養(yǎng)的關注主要集中在必需氨基酸上。然而,最新研究表明，非必需氨基酸在調節(jié)代謝和生理過程中具有獨特的功能,從而影響動物的健康和飼料轉化效率。針對理想蛋白質氨基酸模型的不足，有學者提出了功能性氨基酸的概念，這些氨基酸主要包括精氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、支鏈氨基酸、色氨酸、甘氨酸、半胱氨酸和脯氨酸等。

豬乳中含有豐富的谷氨酸，仔豬斷奶后由于采食量降低，攝入谷氨酸的量也顯著下降。作為一種功能性氨基酸，谷氨酸是小腸黏膜的主要能源物質，參與體內的物質代謝和氧化途徑，調節(jié)胰高血糖素樣肽-I等激素的釋放，影響動物生長和健康。因此，日糧適宜的谷氨酸水平對豬的生長和健康具有正向的影響。Duan等研究表明，飼喂霉菌毒素污染日糧可導致肥育豬平均日增重和飼料轉化效率下降，抗氧化系統(tǒng)和腸道形態(tài)損傷；而在霉菌毒素污染的日糧中添加2%的谷氨酸可有效緩解這種毒副作用。同樣，作為腸黏膜的主要能源物質，谷氨酰胺和谷氨酸的作用效果有一定的相似性。

精氨酸既是豬的必需氨基酸，也是功能性氨基酸。研究表明，對于7～21日齡的哺乳仔豬，母乳僅可提供40%的精氨酸用于蛋白質的沉積，精氨酸缺乏是限制哺乳仔豬獲得最優(yōu)生產性能的重要因素。此外，日糧適宜水平的精氨酸還可改善后備母豬的生產性能。Ma等在肥育豬上的研究表明，在玉米-豆粕型日糧中添加精氨酸可改善豬肉品質和緩解氧化應激。

甘氨酸是傳統(tǒng)意義上的非必需氨基酸，生產上很少關注甘氨酸對畜禽生產性能和生理應答的影響。然而，甘氨酸作為功能性氨基酸在豬生產中發(fā)揮著重要作用。甘氨酸在腸道病理損傷時可保護腸上皮細胞，腸道氧化損傷時維持動脈血壓的正常水平。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，在人工乳中添加0.5%、1%和2%的甘氨酸均可提高14～28日齡哺乳仔豬的平均日增重、抗氧化能力以及血液甘氨酸和絲氨酸的含量，降低血液中氨和尿素的含量。

3 低蛋白質日糧的新探索

日糧中蛋白質水平過高，是導致仔豬腹瀉的原因之一。降低日糧蛋白質水平，可以降低腸道中用于微生物繁殖的氮源，從而有效地降低腹瀉率，此外，低蛋白質日糧也有助于節(jié)省蛋白飼料資源和減少浪費。然而，低蛋白質日糧會影響氨基酸供給的平衡，導致豬生產性能降低。目前，科學家們正在不斷地探索低蛋白質日糧在豬生產中應用的可行性。

Gloaguen等研究表明，在日糧粗蛋白質含量為14.5%的條件下，以標準回腸消化率計算，當苯丙氨酸∶賴氨酸比值為0.54，酪氨酸∶賴氨酸比值為0.40時，10～20 kg的仔豬可獲得最佳生產性能。相似地，Toledo等研究表明，當日糧粗蛋白質水平從21%下調至15%時，調整必需氨基酸和非必需氨基酸的比例為53∶47，斷奶仔豬的生長性能并未發(fā)生顯著改變。Zhang等研究表明，相對于正常蛋白質水平日糧（20.9%），低蛋白質水平日糧（17.1%）降低了斷奶仔豬的生產性能和小腸絨毛高度，而在低蛋白質日糧中添加支鏈氨基酸可消除這種負面影響。Zhang等對22～50 kg生長豬的研究表明，在低蛋白水平日糧（14.6%粗蛋白質）條件下添加氨基酸（賴氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、色氨酸、纈氨酸和異亮氨酸），以標準回腸氨基酸消化率計算，當蘇氨酸∶賴氨酸比為0.70時，可獲得最高的平均日增重，為0.68時可獲得最優(yōu)的飼料轉化效率，為0.63時血清尿素氮含量最低。Xie等研究了低蛋白質日糧（12%粗蛋白質）條件下肥育閹公豬標準回腸可消化賴氨酸需要量及蘇氨酸∶賴氨酸的最適比例，結果表明當標準回腸可消化賴氨酸為0.75%時，可獲得較高的平均日增重和飼料轉化效率；當蘇氨酸∶賴氨酸為0.68時，平均日增重最高，二者比為0.75時，飼料轉化效率最高。Liu等研究表明，低蛋白質日糧可提高巴馬香豬肌肉中mTOR和p70S6K的蛋白表達水平，而在長白豬肌肉中兩種蛋白的表達水平反而降低，提示不同品種豬對蛋白水平的反應不同，需要開展針對性的研究。

4 小結與展望

氨基酸不僅可滿足傳統(tǒng)意義上動物生長的需要，其自身及代謝產物還可調節(jié)機體生理功能，維持動物健康。氨基酸在動物體內的代謝較為復雜，其研究不能局限于某種氨基酸本身，而應更多關注不同氨基酸之間的相互關系。隨著試驗技術和研究水平的提高，氨基酸功能越來越多的被發(fā)現(xiàn)，畜牧業(yè)亦將向精細化的方向發(fā)展。因此，豬機體內氨基酸平衡的維持以及各氨基酸作用機理的探究，將是今后豬氨基酸營養(yǎng)研究的重要方向之一。

（參考文獻67篇，刊略，需者可函索）