2. 中国科学院大学, 北京 100039;
3. 湖南农业大学动物科技学院, 长沙 410128;
4. 广东省旺大集团猪清洁饲料技术研发院士工作站, 广州 510663;
5. 湖南畜禽安全生产协同创新中心, 长沙 410128
, YIN Jie1,2, WANG Lijian1,2, HE Liuqin1,2, WANG Qian1,3, WU Fei1,2, YAO Jiming4, FAN Wenjun4, LI Tiejun1,4,5
2. University of Chinese Academy of Sciences, Bejing 100039, China;
3. College of Animal Science and Technology, Hunan Agriculture University, Changsha 410128, China;
4. Guangdong Wangda Group Academician Workstation for Clean Feed Technology Research and Development in Swine, Guangzhou 510663, China;
5. Hunan Co-Innovation Center of Animal Production Safety, Changsha 410128, China
谷氨酸(glutamate，Glu)和天冬氨酸(aspartate，Asp)结构中含有2个羧基，等电点小于7，属于酸性氨基酸。在传统营养学中，Glu和Asp被认为是非必需氨基酸[1-2]，可在动物小肠、肝脏和肾脏等组织间通过转氨基、脱羧基等方式相互转化或转化为其他氨基酸，满足机体的正常需求，故在膳食和饲粮中较少考虑外源性添加Glu和Asp。然而，近期研究表明，Glu和Asp在猪的生长性能、基因表达调控、细胞信号通路、激素分泌、抗氧化能力和神经调节等方面发挥了重要作用[1, 3-5]，在猪的生长发育和繁殖泌乳等方面也具有巨大的潜能[6-7]。且在小肠的吸收代谢过程中，谷氨酰胺、Glu和Asp是产生能量和二氧化碳的主要来源而非葡萄糖[8]，这预示着Glu和Asp可作为功能性氨基酸在猪的肠道健康方面扮演极其重要的角色。因此，本文主要围绕Glu和Asp对断奶仔猪生长性能和肠道功能的影响进行讨论，以期为研究Glu和Asp对肠道健康的影响提供参考。
1 Glu和Asp的基本功能Glu和Asp分子内含有2个羧基，具有酸鲜味。Asp又称为天门冬氨酸或门冬氨酸，化学名为氨基丁二酸，为白色晶体或白色粉末状，其最早于1962年在天门冬植物中发现，等电点为2.77。Glu化学名为氨基戊二酸或氨基羧基戊酸，为无色晶体，最早被Ritthauser等于1866年发现，于1890年其结构被Wolff等证实[4]，等电点为3.24。在动物和细胞研究中，Glu和Asp可在机体组织细胞中通过转氨基和脱羧基等作用转化为其他基底物质(如谷胱甘肽、精氨酸、瓜氨酸和谷氨酰胺)发挥重要作用[7]。另外，Glu和Asp是机体内重要的兴奋性神经递质[9-10]，也是小肠能量的主要来源[8]，还可与阳离子结合形成螯合剂治疗心脏疾病和肝功能损伤等[11-12]。
2 Glu和Asp对断奶仔猪生长性能的影响目前，Glu和Asp对断奶仔猪生长性能的直接影响仍有待深入研究，但其在应激情况下对猪的生长性能具有积极改善作用[13-17]。
2.1 Glu和Asp对断奶仔猪生长性能的直接影响饲粮蛋白质水平为17%、Asp水平为1.3%~1.5%、Glu水平为2.6%~2.9%时，可促进断奶仔猪的生长，有利于氨基酸的利用；而饲粮蛋白质水平为17%、Glu水平为3.2%时，可抑制断奶仔猪的生长；Glu水平为3.5%时，对断奶仔猪血液葡萄糖水平和能量代谢有较大影响[18]。饲粮中添加1% Glu，可促进28日龄断奶仔猪的健康生长、降低料重比、缓解断奶应激反应，从而提高饲料转化率和机体的免疫能力[19]。饲粮中添加乳糖后，补充0.8% L-谷氨酰胺和L-Glu可提高21~35日龄断奶仔猪的生长性能[20]。
2.2 Glu和Asp对断奶仔猪应激模型的干预效果研究表明，在注射脂多糖(LPS)前(1~16 d)，Asp对断奶仔猪的生长性能无显著影响，但在注射LPS后(17~24 d)，0.5%或1.0% Asp能够显著缓解LPS刺激导致的平均日增重的下降[14]；同时，烫伤引起的动物体重的急剧下降可通过注射Asp得到缓解[15]。在注射敌草快介导的断奶仔猪氧化应激模型中，饲粮中添加2% Glu可显著缓解氧化应激导致的体重下降[16]。饲粮中添加2% Glu对脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)导致的仔猪平均日采食量的下降有一定的缓解作用，并能显著提高仔猪的平均日增重，降低料重比[21]。在乳猪教槽料中补充谷氨酸钠或者Glu能够显著提高小猪的饲料转化率[22]。
在饲粮中单独添加或者联合使用1% Asp和2% Glu时，能缓解过氧化氢(H2O2)介导的仔猪肠道氧化损伤所带来的生长性能抑制，提高其平均日采食量(图 1)，降低料重比[23]。总之，Asp和Glu在一定程度上能够缓解断奶仔猪的应激，提高其生长性能。
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红色箭头表示分别于试验第8天和第11天腹腔注射10% H2O2；数值用平均值(mean)±标准误(SEM)表示，n=8；NC：对照组；PC：H2O2组；PG：基础饲粮+2% Glu+H2O2组；PA：基础饲粮+1% Asp+H2O2组；PGA：基础饲粮+2% Glu+1% Asp+H2O2组。 Red arrows mean intraperitoneal injection with 10% H2O2 at days 8 and 11. The data are presented as mean±SEM, n=8. NC: control group; PC: H2O2 group; PG: basal diet+2% Glu+H2O2 group; PA: basal diet+1% Asp+H2O2 group; PGA: basal diet+2% Glu+1% Asp+H2O2 group. 图 1 Glu和Asp对注射H2O2后仔猪平均日采食量的影响 Figure 1 Effects of Glu and Asp on average daily feed intake of piglets after H2O2 injection[23] |
小肠是动物机体内营养物质消化吸收的主要场所，也是机体抵抗有害物质的天然屏障[24]。研究表明，氨基酸是肠道优先利用的营养物质[25]，小肠结构和功能的完整性是通过肠道中消耗大量三磷酸腺苷(ATP)来支持的，当能量缺乏时极容易引起肠道损伤。而Glu和Asp是哺乳动物肠细胞ATP的主要来源[3, 26]，故对猪肠道形态结构、氨基酸吸收转运、能量代谢和氧化应激发挥着重要的作用。
3.1 Glu和Asp对断奶仔猪肠道形态结构的影响Glu和Asp在动物机体新陈代谢中通过脱羧基作用转化为谷氨酰胺，谷氨酰胺可改善动物的肠道形态结构，促进肠道生长发育[23, 27]。饲粮中添加1% Glu可改善断奶仔猪的小肠绒毛高度、隐窝深度、绒毛宽度以及绒毛表面积[28]；饲粮中添加乳糖后，同时补充Asp和Glu，能够增加断奶仔猪十二指肠、空肠和回肠的绒毛高度[20]。饲粮中添加0.5%或1.0% Asp能够缓解LSP引起的断奶仔猪小肠和结肠结构的损伤，提高仔猪肠黏膜相关抗氧化酶活性，从而改善肠道形态结构[29]；Asp和Glu可恢复双氧水导致的断奶仔猪肠道组织和形态学损伤，减少肠道细胞凋亡[23]。研究也揭示，补充Asp可抑制断奶仔猪在LPS诱导下肠道中Toll样受体4(Toll-like receptor 4，TLR4) 和核苷酸结合寡聚域/核因子κB(nucleotide binding oligomerization domain protein/nuclear factor-κB，NODs/NF-κB)信号通路的表达，说明在炎症反应下Asp可提高仔猪的肠道免疫功能，进而维持肠道屏障功能[30]。
3.2 Glu和Asp对断奶仔猪肠道氨基酸吸收转运的影响小肠是机体吸收氨基酸的主要部位。采用小肠原位结节灌流技术表明Asp(171 mg/L)和Glu(307 mg/L)主要在回肠中端和末端被吸收，利用尤氏灌流技术可知Asp和Glu在转运过程中电阻量增大，且高Glu或Asp浓度会抑制Asp或Glu的吸收[31]。
肠腔中被水解的游离氨基酸主要通过肠上皮细胞的氨基酸转运载体进行转运，从而从肠腔进入血液供全身机体各组织利用[32]。肠道中主要负责转运Glu的转运载体有兴奋性氨基酸转运载体-3(SLC1A1)，兴奋性氨基酸转运载体-2(SLC1A2) 以及谷氨酸胱氨酸转运体(SLC7A11)[33]。饲粮中添加1% Glu能够显著提高肠道SLC1A1的基因表达水平，降低阳离子氨基酸运载体-1(SLC7A1) 的基因表达水平[34]；Glu和Asp可下调肠道T型转运载体-1(SLC16A10) 和y+L氨基酸运载体-1(SLC7A7) 的基因表达水平，提高氧化应激介导的肠系膜静脉、肝门静脉以及颈静脉的赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、丙氨酸、脯氨酸、瓜氨酸等含量；饲粮中添加2% Glu能够提高断奶仔猪空肠黏膜中性氨基酸转运载体的基因表达水平，有益于促进空肠营养物质的消化和吸收[35]。
3.3 Glu和Asp对断奶仔猪肠道能量代谢的影响Asp能够在精氨酸琥珀酸合成酶作用下转化为瓜氨酸进入尿素循环，也能转化为Glu进入三羧酸循环，还能进入苹果酸天冬氨酸循环影响机体的能量代谢[26, 36]。0.5%或1.0% Asp能够提高肠道中ATP、二磷酸腺苷(ADP)和总腺嘌呤核苷酸含量以及腺苷酸能荷，降低单磷酸腺苷(AMP)/ATP。Asp可下调肠道和肌肉中AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)α1、AMPKα2、沉默信号调控因子(silent information regulator 1，SIRT1) 和过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子(proliferator-activated receptor gamma coactivator-1α，PGC1α)的基因表达水平并降低肠道中AMPKα的氧化磷酸化，通过影响AMPK信号通路进而影响肠道的能量供应[26]；同时，Asp可增加三羧酸循环中关键酶(如柠檬酸合成酶，异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶)活性及肠道黏膜中二糖酶的活性[26, 37]。Glu为饲粮中含量丰富的氨基酸，但在小肠上皮细胞从肠腔到肠系膜静脉的跨细胞转运过程中被大量氧化供能，只有少部分被血液循环系统吸收代谢[38-39]。当饲粮Glu摄入量增加3~4倍时，大部分在肠道被分解代谢转化为其他氨基酸，并产生大量的ATP供机体利用[38]。Glu能够上调能量代谢通路哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamyci，mTOR)通路的表达，增加血液柠檬酸、延胡索酸等含量[40]；Glu在机体内还能通过脱羧基和转氨基作用转化为谷胱甘肽、N-乙酰谷氨酸、Asp、α-酮戊二酸以及CO2等(图 2)[1, 15, 35-36]，这些物质可为肠道提供营养，也能作为基底物质参与多种代谢过程，特别是在肠道完整性、蛋白质合成[35]、氮节约、氧化应激[38-39, 41]及能量代谢[4]方面起着主要作用。
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图 2 谷氨酸在肠道中的代谢 Figure 2 Glutamate metabolism in the intestinal tract[38] |
Glu和Asp因在机体中可转化为谷胱甘肽等抗氧化物质，故在缓解动物机体氧化应激方面也发挥着重要作用，在一定程度上可提高肠道的抗氧化能力[38-39, 41]。研究表明，Asp具有提高仔猪肠黏膜抗氧化相关酶活性的趋势，同时降低相关氧化产物的生成，从而改善肠道结构，缓解机体的氧化应激[29]。Glu可能通过一定的细胞信号转导过程上调仔猪肠道酸性氨基酸转运载体基因表达水平，来增加其在肠道的代谢水平，进而有效缓解仔猪的氧化应激反应，降低活性氧分子对仔猪组织器官的损伤[16, 34]。另外，利用H2O2构建的猪氧化应激模型发现，Glu和Asp可减少肠道细胞凋亡，增加仔猪肠道己糖激酶(hexokinase，Hexok)和肉毒碱棕榈酰转移酶-1(carnitine palmitoyl transferase-1，CPT-1) 的活性，活化AMPK-乙酰辅酶A羧化酶(acetyl-coenzyme A carboxylase，ACC)信号通路[23]。
4 Glu和Asp的其他生物学功能Glu和Asp在食品和临床医学等方面具有重要的生物学功能。在食品工业中，Asp是生产阿斯巴甜(人造甜味剂)和阿力甜(二肽甜味剂)的主要原料[42-44]。谷氨酸钠盐，俗称味精，作为一种增鲜剂被广泛应用于食品中，是生活常见调味品。这是由于Glu是一种具有鲜味的氨基酸，在体内能够与鲜味受体结合，从而改变摄食行为，也可促进胃酸的分泌和胃肠道运动[45-46]。Asp和Glu是中枢神经系统重要的神经递质，主要参与细胞内氧自由基等的解毒反应，可调节机体神经、繁殖、记忆以及运动等方面的功能[42, 47-48]。因此，在临床医学上，Asp和Glu可治疗和预防肝损伤[12, 49]、脂肪肝[50]、心肌梗塞[51-52]、胃肠道疾病[53]等疾病，改善肠道微生物菌群。
5 小结Glu和Asp是肠道主要的能量来源，可转化为其他物质在机体内发挥重要的生物学功能，尤其是Glu作为功能性氨基酸在断奶仔猪的生长性能、肠道健康、免疫以及氧化应激等方面发挥重要作用，而在正常状态以及低蛋白质情况下Glu和Asp的精确添加剂量及其消化吸收代谢机制，还需进一步研究。
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