动物营养学报  2014, Vol. 26 Issue (1): 26-33   PDF (1165 KB)    
胆碱对奶牛围产期代谢的调控
孙菲菲, 曹阳春, 李生祥, 韩金涛, 姚军虎     
西北农林科技大学动物科技学院, 杨凌 712100
摘要:奶牛围产期干物质采食量下降明显,而产前胎儿发育和产后泌乳启动均需大量营养物质,因此奶牛围产期存在能量和其他营养素的负平衡,易诱发多种代谢性疾病,如脂肪肝和酮病等。胆碱在奶牛围产期脂肪代谢中发挥重要的调控作用,可降低肝脏脂肪沉积,增进围产期奶牛健康,提高产后泌乳性能。本文总结了胆碱的理化性质、生理功能、来源及代谢途径,综述了胆碱对奶牛围产期营养代谢的调控及其机理,并结合已有研究,给出了围产期奶牛饲粮胆碱的建议添加量,旨在为胆碱的合理添加和保障奶牛围产期健康提供参考。
关键词胆碱     奶牛     围产期     调控     添加    
Regulation of Choline on Nutrient Metabolism in Periparturient Dairy Cows:A Review
SUN Feifei, CAO Yangchun, LI Shengxiang, HAN Jintao, YAO Junhu     
College of Animal Science and Technology, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
Abstract: The dry matter intake of dairy cows usually decreases during the periparturient period, and more nutrients are required for fetal development and lactation establishment, and the balance of energy and some nutrients is negative, which results in the incidence of metabolic diseases, such as fatty liver, ketosis, etc. Choline plays a vital role in the modulation of lipid metabolism for dairy cows, and using choline supplements can reduce hepatic fat deposition, promote health and enhance postpartum lactation performance. This paper reviewed recent advances on the regulation of nutrients metabolism by dietary rumen-protected choline (RPC) and its application in feeding periparturient dairy cows.
Key words: choline     dairy cows     periparturient period     regulation     supplement    

围产期是奶牛的一个特殊生理时期,分为围产前期(产前21 d)和围产后期(产后21 d)。围产前期胎儿对瘤胃的机械性压迫严重,导致瘤胃容积变小,同时围产期奶牛受到孕激素、雌激素等生殖激素和瘦素(Leptin)、神经肽Y(neuropeptide Y,NPY)、高血糖素样肽Ⅰ(glucagons-like peptide Ⅰ,GLP-Ⅰ)等代谢信号的调控作用,干物质采食量(dry matter intake,DMI)下降,处于能量负平衡(negative energy balance,NEB)状态[1]。该阶段奶牛通过动员体脂满足胎儿发育和产后泌乳的能量需要,大量非酯化脂肪酸(nonesterified fatty acids,NEFA)进入肝脏进行代谢,一部分NEFA在肝脏形成甘油三酯(triglyceride,TG),而奶牛肝脏缺乏脂蛋白脂酶和肝脂酶,限制了肝脏TG的分解代谢,极易导致TG的积累,形成脂肪肝[2]。因此,及时将TG转运出肝脏是保障奶牛健康的关键。研究表明,肝脏TG能以极低密度脂蛋白(very low density lipoprotein,VLDL)的形式转运出肝脏,经由血液循环被机体各组织利用[3]。胆碱是VLDL的重要组成成分,可促进VLDL的合成,同时还可作为肉毒碱的甲基供体加快肝脏脂肪酸的β氧化,降低肝脏脂肪沉积[3, 4]。此外,胆碱还可提高DMI,缓解奶牛围产期NEB[5]。随着研究的深入,胆碱已被认为是调控围产期奶牛能量平衡和保障健康的必需营养素。

1 胆碱的理化性质与生理功能

胆碱是一种季铵盐,其化学名称为三甲基乙醇胺,分子式为C5H15NO2,结构式如图1。在动物营养学中,胆碱被归类为B族维生素,但它并不完全符合维生素的经典定义,维生素主要以辅酶或催化剂的形式参与机体代谢,不参与构成体组织和能量物质[6],而胆碱则是作为细胞结构物质发挥其生理功能,且动物对胆碱的需要量已超出痕量范围[7]

胆碱具有多种重要的营养生理功能[8]。对反刍动物而言,胆碱具有以下生理功能:1)构成细胞结构,胆碱是细胞磷脂的组成部分,如卵磷脂(磷脂酰胆碱)和神经鞘磷脂,在维持细胞结构、膜通透性和信息传递中发挥重要作用[9]。2)促进脂蛋白合成,胆碱可促进肝脏脂蛋白(主要为VLDL)的合成,加速肝脏TG转运,降低肝脏脂肪沉积,从而减少奶牛围产期脂肪肝的发生[5, 10]。3)提供活性甲基,胆碱分子中有3个活性甲基,是动物重要的甲基供体,参与多种生理代谢过程。反刍动物可将胆碱氧化成甜菜碱,甜菜碱提供一个活性甲基给同型半胱氨酸,形成蛋氨酸,增加奶牛产奶量[10]。此外,蛋氨酸也是重要的甲基供体,添加胆碱可减少体内蛋氨酸的消耗,使其更多的用于合成乳蛋白,提高泌乳性能[11]。4)维持神经传导,胆碱是动物合成乙酰胆碱的必需营养素,而乙酰胆碱是神经传导过程中的重要神经递质,因此胆碱还可维持神经系统的正常功能[4]

图1 胆碱的结构式 Fig.1 Structure of choline

2 奶牛胆碱的来源及代谢

奶牛饲粮胆碱主要源于植物细胞膜的磷脂酰胆碱,还有一小部分游离胆碱。此外,奶牛还可利用蛋氨酸、叶酸、维生素B12等原料自身合成胆碱。正常生理状态下,饲粮及自身合成胆碱可满足奶牛需要,但处于NEB的奶牛需要大量胆碱参与脂肪酸和TG的运输,饲粮胆碱已不能满足代谢需 要,需外源添加[12]。胆碱主要通过小肠吸收,但它 极易被瘤胃微生物降解,磷脂酰胆碱首先被分解为游离胆碱和磷酸甘油二酯,游离胆碱被进一步降解为三甲胺,并最终生成甲烷[13],甲烷的生成既是能量浪费,也是温室气体的重要组成部分。几种常见饲粮原料和添加剂的胆碱含量及其瘤胃降解率见表1,从表1中可知,饲粮中能过瘤胃的胆碱很少,因此饲粮添加胆碱应采用过瘤胃保护技术。

小肠吸收的胆碱通过氧化、磷酰化和乙酰化被组织利用,肝脏胆碱主要通过氧化形成甜菜碱发挥功能,其他各组织则主要通过磷酰化形成卵磷脂发挥作用,而只有很小部分发生乙酰化[6]。对围产期奶牛,胆碱的肝脏代谢关系到肝脏脂肪沉积和健康,已被认为是降低奶牛围产期脂肪肝的重要调控剂[14]

3 胆碱对奶牛围产期的营养代谢调控

奶牛围产期DMI下降明显,产前胎儿发育和产后泌乳启动均需大量营养物质,处于严重的NEB状态,还遭受分娩、饲粮转换等应激,极易发生各种代谢性疾病(如脂肪肝、酮病等),严重威胁奶牛健康和高效生产[15]。胆碱可调控动物能量代谢和肝脏脂肪转运,提高产后生产性能。如表2所示,由于胆碱的稳定性及其生产工艺等的制约,目前奶牛饲粮中应用的胆碱以过瘤胃氯化胆碱为主,且不同公司生产的过瘤胃胆碱(rumen-protected choline,RPC)产品中胆碱含量及其过瘤胃率也存在差异。

表1 几种饲料原料和添加剂的胆碱含量及其瘤胃降解率 Table 1 Choline content and rumen degeneration rate in several different feedstuffs and additives[13]


表2 不同研究中应用的过瘤胃胆碱产品 Table 2 Commercial rumen-protected choline products used in the different studies[16]


3.1 增加围产期采食量

围产期奶牛DMI下降使得能量、氨基酸等均不能满足需要,存在能量和其他营养素的负平衡,因此,通过营养调控手段提高DMI是保障围产期奶牛机体营养平衡的关键。很多研究表明,RPC可增加奶牛围产期(尤其是围产后期)的DMI[4, 5, 17],促进围产期营养平衡。Zahra等[17]研究表明,奶牛围产期添加RPC(Reashure ,56 g/d)可提高奶牛围产后期的平均DMI(12.6和11.5 kg/d)。Ardalan等[5]也发现,饲粮添加RPC(COL 24 ,60 g/d)不影响围产前期DMI,但会增加围产后期DMI。然而,也有研究证明RPC对奶牛围产期DMI无影响[18, 19],这可能与胆碱的添加量、生物学效价、过瘤胃率等有关。

目前,胆碱调控奶牛DMI的机理并不明确。作者认为,该过程可能与下丘脑腺苷一磷酸激活的蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)信号通路有关。AMPK属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,是反映细胞能量状态变化的感受器和代谢主开关,它活化后可通过调节下游蛋白中丝氨酸或苏氨酸残基的磷酸化而增强或抑制该蛋白的生物学活性,进而调控细胞能量代谢[20]。Minokoshi等[21]证明,Leptin可通过抑制小鼠下丘脑AMPK活性而降低其采食量,而激活AMPK则可缓解Leptin介导的采食量下降。Anderson等[22]也发现,下丘脑AMPK在大鼠采食调控过程中发挥关键作用。Hongu等[23]的研究表明,饲粮添加胆碱可降低大鼠血清Leptin水平。由以上研究可以推测,胆碱可通过降低血液Leptin水平,从而抑制动物下丘脑的AMPK通路,进而提高动物采食量,但RPC是否通过Leptin介导的下丘脑AMPK通路调控围产期奶牛的采食行为尚缺乏数据支持,仍需进一步研究。

3.2 降低肝脏脂肪沉积

肝脏是反刍动物糖异生和脂肪酸氧化的主要场所,肝脏健康是保证机体能量代谢稳态的前提。如图2所示,围产期奶牛体脂动员产生的NEFA在肝脏主要有3条代谢途径:1)完全氧化形成CO2和水,提供能量;2)不完全氧化形成酮体[β-羟基丁酸(β-hydroxybutyric acid,BHBA)、乙酰乙酸和丙酮],供能效率较低;3)酯化形成TG,TG可在肝脏沉积,形成脂肪肝,也能以VLDL的形式进入血液循环,供各组织利用[3]。相应地,可通过以下3条途径降低肝脏脂肪沉积,降低奶牛围产期脂肪肝的发病率:1)促进能量平衡,减少体脂动员;2)促进肝脏脂肪酸的β氧化,使NEFA完全氧化为CO2和水;3)促进VLDL合成,使TG及时转运出肝脏。胆碱一方面可促进VLDL合成,加速TG转运出肝脏;另一方面,胆碱作为肉毒碱的甲基供体,促进NEFA的完全氧化[4, 24],已成为奶牛围产期肝脏代谢调控的研究重点。

通过饲粮添加RPC调控肝脏脂肪沉积的研究已有报道。Cooke等[25]采用肝脏活体取样技术研究了RPC(Reashure ,60 g/d)对奶牛围产期肝脏TG含量的影响,结果发现,RPC可降低肝脏TG沉积。Elek等[26]也证明,饲粮添加RPC (Norcol-25 ,60 g/d)可降低奶牛围产期肝脏总脂和TG含量。目前胆碱调控肝脏VLDL合成的详细机制并不明确,可能与载脂蛋白B(apolipoprotein B,ApoB)的合成和组装有关。ApoB是脂蛋白的主要构成部分,分为2类,即ApoB48和ApoB100,其中ApoB100为主要成分,由肝脏合成。ApoB100可修饰和稳定脂蛋白的结构,在VLDL的组装和分泌过程中起重要作用[1]。Gruffat等[27]研究发现,奶牛围产后期肝脏ApoB含量及其mRNA表达量低于围产前期,这可能与产后NEB导致的体脂动员有关。张加力[1]构建了奶牛ApoB100大肠杆菌原核表达载体,研究重组ApoB100对奶牛脂肪代谢的影响,结果表明重组ApoB100可上调奶牛肝细胞极低密度脂蛋白受体(very low density lipoprotein receptor,VLDLR)基因的表达量,并存在剂量和时间依赖性。由此可见,胆碱可能通过改变ApoB100的表达量而调控围产期奶牛肝脏的脂肪转运,但目前还缺乏充足的证据支持。

图2 围产期奶牛肝脏NEFA的代谢途径

Fig.2 Metabolic pathways of hepatic NEFA for periparturient dairy cattle

3.3 调控能量代谢

由于奶牛围产期NEB的发生,体脂动员产生的NEFA进入肝脏进行代谢,而此阶段肝脏对NEFA的氧化能力和TG的转运能力有限,造成酮体(主要是BHBA)释放进入血液,肝脏脂肪沉积增加,诱发酮病和脂肪肝等代谢性疾病,降低奶牛免疫机能和产后泌乳性能[2, 28, 29, 30]。因此,常用血液BHBA和NEFA浓度反映围产期奶牛的能量平衡状况[31]。通过汇总近些年关于胆碱调控奶牛围产期能量代谢的研究发现,RPC对围产期奶牛血液NEFA和BHBA的影响并不一致(表3),这可能与不同研究之间的奶牛体况、饲粮组成、胆碱添加量及其有效性等因素有关。综合已发表文献,胆碱促进围产期奶牛的能量平衡的途径可以归纳为以下3个方面:
1)降低血液Leptin水平,增强下丘脑AMPK活性,进而提高DMI,增加碳水化合物、蛋白质(氨基酸)等营养物质的摄入量;2)加快肝脏脂肪转运,缓解肝脏代谢压力,增强肝脏糖异生能力,最终促进机体葡萄糖营养平衡;3)促进肝脏脂肪酸的β氧化,增加能量供应。

3.4 提高生产性能

蛋氨酸是泌乳牛的限制性氨基酸,饲粮添加蛋氨酸可提高产奶量,改善乳成分[37]。蛋氨酸和胆碱都是机体重要的甲基供体,且二者可在体内相互转化,研究表明,泌乳山羊体内28%的可吸收蛋氨酸用于合成胆碱[38, 39]。因此,饲粮添加胆碱理论上也可影响泌乳性能,这种推测已在试验中得到证明。Elek等[18]研究了饲粮添加RPC(其中围产前期添加Norcol-25 产品100 g/d,产后200 g/d,持续到产后60 d)对奶牛围产期代谢及产后泌乳性能的影响,结果表明,RPC可提高乳蛋白和乳脂产量,并增加产奶量。Zahra等[16]研究证明,饲粮添加56 g/d RPC(Reashure ,添加时间为产前3周至产后4周)可提高产后60 d内的产奶量,平均每天增加1.2 kg,表明围产期添加RPC可提高奶牛产后泌乳性能,存在持续效应。目前RPC调控奶牛泌乳性能的机理尚未清楚,可能是RPC促进了乙酸合成,增加了乳脂肪合成的前体物质,也可能是RPC促进肝脏脂肪酸氧化或运输[12],增强了糖异生能力,最终满足泌乳的能量和葡萄糖需要。

3.5 增强机体抗氧化能力

正常生理条件下,奶牛自身防御系统使机体自由基的产生和消除处于动态平衡,自由基的含量很低,不会对动物产生损伤,且自由基也是很多生理过程的必备物质[40]。当动物代谢异常或受到某些外源刺激时,自由基的产生超出机体抗氧化系统的清除能力,导致动物发生氧化应激,降低动物免疫机能和生产性能[40, 41]。奶牛围产期胎儿发育和泌乳启动均需大量能量,而此时DMI严重不足,处于NEB状态,机体只能通过体脂动员满足能量需求,脂类代谢过程中产生大量自由基,极易造成奶牛氧化应激,威胁奶牛健康[28, 40]。维生素E是一种重要的脂溶性天然抗氧化剂,可作为体内氧自由基(O-2·)的直接清除剂,与谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)等抗氧化酶系共同构成机体抗氧化系统,保护细胞结构免受自由基的攻击和破坏[42]

表3 过瘤胃胆碱调控奶牛围产期能量平衡的研究汇总 Table 3 A summary of regulation of energy balance by RPC for periparturient dairy cattle

研究表明,维生素E在血液循环中主要以VLDL的形式运输,因此,胆碱可能通过调控VLDL的合成而提高奶牛维生素E水平,进而增强机体抗氧化能力[43],但这方面的研究还比较少。Pinotti等[44]研究表明,饲粮添加20 g/d RPC(Overcholine ,起始添加时间为产前14 d,试验期45 d)可提高奶牛血浆维生素E水平,这提示围产期添加RPC还可提高奶牛抗氧化功能,但这需要更多的试验支持。除此之外,RPC也可能通过调控脂肪代谢而影响自由基的产生,进一步提高机体抗氧化能力,但目前还未见研究能证实此结论。

4 奶牛围产期胆碱的适宜添加量

如表3所示,RPC对奶牛围产期营养代谢的影响已经得到证实,但不同研究中的添加量不尽相同,NRC(2001)也并未给出相关标准[35]。Zom等[4]和Goselink等[3]的建议添加量为60 g/d (氯化胆碱含量为14.4 g/d),其过瘤胃率为85.0%,因此实际进入小肠的氯化胆碱约为12.2 g/d。Chung等[32]在试验中确定的最佳添加量为50 g/d(氯化胆碱含量为50.0%,过瘤胃率为50.0%),此时小肠实际获得的氯化胆碱为12.5 g/d。不同胆碱产品的添加量差异很大,主要受基础饲粮、奶牛体况、包被技术和生产工艺的影响。综合近几年关于奶牛围产期RPC的研究发现,尽管其添加量存在差异,但小肠氯化胆碱供应量以12~15 g/d为宜。因此,确定奶牛围产期RPC添加量时,应以小肠RPC需求量计算而来,充分考虑各类RPC产品的氯化胆碱含量和过瘤胃率,且最好以实测值为标准。

5 小 结

围产期是奶牛泌乳周期中的关键时期,该阶段饲养管理和营养调控与胎儿发育、奶牛健康和泌乳性能密切相关。胆碱可调控围产期奶牛脂肪代谢和健康,提高产后泌乳性能,是缓解围产期NEB及相关代谢性疾病的有效添加剂,但由于包被技术和加工工艺的限制,现有RPC产品的胆碱含量及其过瘤胃率还比较低,限制了它在奶牛围产期的应用。此外,胆碱调控奶牛能量代谢和健康的机理也并未完全清楚,仍需进一步研究。

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