Aminokyseliny (AA) jsou stavebními kameny bílkovin a musí být přítomny v buňkách pro syntézu polypeptidů . Uhlíkové skelety jedenácti z těchto AA (konkrétně cysteinu, histidinu, izoleucinu, leucinu, lysinu, metioninu, fenylalaninu, treoninu, tryptofanu, tyrosinu a valinu) nejsou syntetizovány z molekul jiných než AA v buňkách žádných živočichů . Proto jsou klasifikovány jako nutričně esenciální AA (EAA) a musí být obsaženy ve stravě nepřežvýkavců, aby byly zachovány fyziologické funkce buněk, tkání a celého těla . To nabývá zvláštního významu pro tenké střevo, protože jeho základní membrána nemá schopnost přijímat z arteriálního oběhu nutričně významné množství všech AA s výjimkou glutaminu .

Klasické učebnice výživy zvířat nepovažují cystein nebo tyrosin za EAA , protože mohou být syntetizovány z methioninu, resp. fenylalaninu v játrech. Neschopnost všech živočichů tvořit uhlíkové skelety pro methionin a fenylalanin však znamená, že nedochází k de novo syntéze cysteinu nebo tyrosinu . Také buňky střevní sliznice musí být při syntéze polypeptidů závislé na cysteinu a tyrosinu jako základních prekurzorech . Síru obsahující nebo aromatické AA v arteriální krvi navíc enterocyty (absorpční sloupcové buňky v tenkém střevě) z velké části nemají k dispozici. Přítomnost cysteinu a tyrosinu ve stravě, která může snížit potřebu jejich prekurzorů AA, je tedy nezbytná pro udržení normální struktury a funkce střeva .

Rose ve svých studiích na lidech ve 40. a 50. letech 20. století zvažoval potřebu některých tradičně klasifikovaných NEAA ve stravě a uvedl, že vynechání NEAA ve stravě neovlivnilo dusíkovou bilanci u zdravých dospělých během osmidenního experimentálního období . Dlouho se tedy předpokládalo, že všechny „nutričně neesenciální aminokyseliny (NEAA)“ jsou v těle syntetizovány v dostatečné míře, aby pokryly potřeby pro maximální růst a optimální zdraví . Pečlivá analýza vědecké literatury však ukazuje, že za posledních sto let neexistují přesvědčivé experimentální důkazy, které by tento předpoklad podporovaly . V 60. a 70. letech 20. století A. E. Harper a další badatelé skutečně zjistili, že absence NEAA ve stravě kuřat a potkanů nemůže podpořit maximální růst těchto zvířat . Stále více důkazů ukazuje, že téměř všechny tyto syntetizovatelné AA jsou v typických dietách na bázi rostlinných bílkovin (např. kukuřičný a sójový šrot) pro rostoucí prasata nedostatečně zastoupeny vzhledem k optimální syntéze celotělových bílkovin . Výsledky nedávného výzkumu odhalily, že NEAA mají důležitou regulační roli v metabolismu živin ve prospěch růstu libové tkáně a redukce bílé tukové tkáně . Je zřejmé, že zvířata mají dietní požadavky nejen na EAA, ale také na NEAA, aby dosáhla maximální růstové a produkční výkonnosti . Tato nová koncepce vedla ke změně paradigmatu v našem chápání bílkovinné výživy a je zdůrazněna v tomto přehledovém článku.

Definice požadavků na dietní AA

Potřeby dietních AA lze klasifikovat jako kvalitativní a kvantitativní . Kvalitativní požadavky souvisejí s otázkou „jaké AA jsou potřebné pro udržení, optimální výkonnost (např. růst, laktace, reprodukce a sportovní soutěže) a optimální zdraví (např. prevence chronických metabolických poruch, odolnost vůči infekčním onemocněním a zotavení po nemoci)“. Kvantitativní požadavky se týkají otázky „kolik AA je potřeba pro udržení, optimální růst a optimální zdraví?“. Ke stanovení kvalitativních i kvantitativních požadavků zvířat na AA ve stravě se tradičně používají krmné pokusy . Minimální potřeby AA lze také odhadnout pomocí tzv. faktorové analýzy, tj. měřením ztrát N zvířaty krmenými dietou s dusíkem nebo bez AA močí, výkaly, plyny a jinými cestami (udržovací) + AA ukládané ve zvířatech + AA vylučované jako živočišné produkty (např. mléko, vejce, vlna a plod) . V posledních třech desetiletích byly studie využívající radioaktivní a stabilní stopovače AA používány spolu s technikou N bilance ke stanovení potřeby EAA v potravě lidí a hospodářských zvířat . Modernější metody zahrnují použití přímých a nepřímých indikátorů oxidace AA během několika hodin . Z dosud neznámých důvodů poskytly metody oxidace AA obecně mnohem vyšší hodnoty potřeby EAA v potravě u lidí než studie dusíkové bilance. Čtenáře odkazujeme na nedávné články, kde se dozvědí o historickém vývoji potřeby AA ve stravě. V současné době je o dietních požadavcích savců, ptáků nebo ryb na NEAA známo jen málo.

Vývoj koncepce ideálních bílkovin ve výživě zvířat

Kuřata

Počínaje koncem 50. let 20. století Mitchell a Scott z Illinoiské univerzity koncipovali ideální bílkoviny (optimální poměry a množství EAA) pro diety kuřat . NEAA tito autoři neuvažovali. První pokusy o definici ideální bílkoviny vycházely ze složení EAA ve vejcích a kaseinu, ale byly většinou neúspěšné kvůli nadbytku mnoha EAA. V roce 1960 Scottova skupina simulovala profil EAA v jatečném těle kuřat, aby navrhla revidované složení EAA v ideální bílkovině pro zlepšení růstové výkonnosti kuřat . Zlepšení ideálního proteinu bylo tímto přístupem skutečně dosaženo, ale zůstalo neuspokojivé kvůli nedostatku NEAA v dietě. Údaje o složení všech EAA nebo NEAA u kuřat však nebyly k dispozici . Následně byla ve složení diety použita směs několika AA (cystin, glycin, prolin a glutamát), které jsou ptáky syntetizovány z již existujících AA (včetně EAA) a které byly dříve považovány za NEAA ve výživě kuřat, aby se dosáhlo lepších výsledků na růstovou výkonnost . Tento rozsáhlý výzkum v 60. a 70. letech 20. století vyvrcholil několika verzemi „standardu potřeby AA pro kuřata“ pro první tři týdny po vylíhnutí . Referenční hodnoty byly uvedeny v Deanově a Scottově standardu , Hustonově a Scottově referenčním standardu , modifikovaném Sasseho a Bakerově referenčním standardu a Bakerově a Hanově ideálním proteinu pro kuřata (tabulka 1). Společné rysy těchto různých doporučených standardů pro nutriční požadavky kuřat na AA spočívají v tom, že diety obsahovaly: (a) všechny EAA, které nejsou syntetizovány kuřaty; b) několik AA (cystin, glutamát, glycin, prolin a tyrosin), které jsou v různé míře syntetizovány zvířaty buď z EAA, nebo z α-ketoglutarátu a amoniaku; a c) žádné údaje o alaninu, aspartátu, asparaginu, glutaminu nebo serinu. Všimněte si, že vzorce složení AA v ideální bílkovině pro kuřata, jak je navrhli Scott a Baker , se podstatně liší pro glycin a prolin a v menší míře pro AA s rozvětveným řetězcem, histidin a AA obsahující síru. Tyto rozdíly mohou odrážet rozdíly ve složení AA u kuřat uváděné v literatuře. Protože obsah prolinu plus hydroxyprolinu v těle kuřat nebyl v té době znám, bylo relativně malé množství prolinu v doporučené ideální bílkovině stanoveno pouze arbitrárně a mohlo omezit reakce zvířat na dietu EAA v jejich maximálním růstu a produkční výkonnosti. Naproti tomu bylo použito velmi velké množství glutamátu (např. 13násobek hodnoty lyzinu v modifikovaném Sasseho a Bakerově referenčním standardu), aby se pravděpodobně zajistila celá potřeba „nespecifických AA N“. Klíčové otázky týkající se toho, zda glutamát plní tuto úlohu a zda nadbytek glutamátu může narušovat transport, metabolismus a využití jiných AA u kuřat, však nebyly illinoiskými výzkumníky řešeny. Pravděpodobně kvůli těmto obavám a zveřejnění požadavků NRC na živiny pro drůbež v roce 1994 Baker nezahrnul glutamát, glycin ani prolin do ideálního proteinu pro diety 0 až 56denních kuřat ve své modifikované studii University of Illinois Ideal Ratios of Amino Acids for broiler chickens z roku 1997 (tabulka 2).

Svině

Práce na ideálních bílkovinách pro diety drůbeže položily základ pro následné studie s rostoucími prasaty. Britský odborník na výživu Cole tak v roce 1980 navrhl, že diety pro prasata by mohly být sestaveny tak, aby obsahovaly ideální poměr EAA (s lysinem jako referenčním AA) na základě jejich koncentrací v jatečně upraveném těle prasat (téměř výhradně tkáňových bílkovin) . Tuto myšlenku přijala nejprve britská Rada pro zemědělský výzkum (ARC) v roce 1981 a poté americká Národní rada pro výzkum (NRC) v roce 1988 . Bohužel histidin, arginin a všechny syntetizovatelné AA nebyly do koncepce ideálních bílkovin ARC zahrnuty (tabulka 3). Také její koncepční základ založený pouze na složení EAA v těle byl chybný, protože struktura AA ve stravě neodráží složení AA ve zvířeti . Tento nesoulad lze vysvětlit následovně: (a) jednotlivé AA v potravě procházejí rozsáhlým katabolismem a přeměnami v tenkém střevě různou rychlostí; b) koncentrace AA v oběhu se výrazně liší od relativního množství AA v potravě; c) jednotlivé AA v plazmě mají různý metabolický osud v různých živočišných tkáních; a d) množství AA v tkáňových bílkovinách se výrazně liší od množství AA v potravě . Tyto zásadní nedostatky omezují užitečnost dřívějších verzí ideálních bílkovin při sestavování diet prasat pro dosažení maximální růstové nebo produkční výkonnosti prasat.

Dietní AA potřebují zvířata především pro udržení (včetně syntézy nebílkovinných metabolitů) a akumulaci bílkovin . Koncepce ideálních bílkovin ARC však nezohledňovala relativní podíl udržovacích činností na celkové potřebě AA u prasat . To bylo částečně způsobeno technickými problémy při přesném stanovení udržovacích potřeb AA, které zahrnují náhradu degradovaných bílkovin, jakož i využití AA pro syntézu nízkomolekulárních látek a produkci ATP . V letech 1989-1990 se T. C. Wang a M. F. Fuller pokusili vylepšit původní koncepci ideálních bílkovin , přičemž použili prasničky s hmotností v rozmezí 25 až 50 kg k odhadu ideálního vzorce výživy AA, který zahrnoval požadavky jak na udržení, tak na akumulaci tkáňových bílkovin. Tito dva autoři však v ideální bílkovině nezohlednili ani arginin, histidin nebo všechny tzv. nEAA , přestože k zajištění nespecifického AA-dusíku použili glutamát v hodnotě 826 % lyzinu . Stejně jako v případě studií s kuřaty v 60. a 70. letech 20. století i zde panovaly obavy ohledně předpokladů pro zařazení takto vysokého množství glutamátu do krmiva pro prasata, které postrádá všechny ostatní NEAA. V předchozích studiích se sice glutamát používal k přípravě izonitrogenních diet, ale žádný z těchto řešitelů neuvažoval o tom, že zvířata mají dietní požadavky na glutamát pro optimální růst a produkční výkonnost.

Když si uvědomil potřebu upravit koncept ideálních bílkovin pro formulaci diet pro prasata, vynaložil D. H. Baker v letech 1990 až 2000 velké úsilí na vyhodnocení dietních požadavků na EAA u 10-20 kg prasat. Ve své původní studii D. H. Baker a jeho student T. K. Chung přidávali arginin (42 % lyzinu), glycin (100 % lyzinu), histidin (32 % lyzinu) a prolin (33 % lyzinu) do základní diety obsahující 1,2 % skutečného stravitelného lyzinu a používali glutamát v množství 878 % hodnoty lyzinu k zajištění nespecifického AA-dusíku . V revidované verzi ideálního proteinu však nebyly zohledněny další syntetizovatelné AA (včetně alaninu, aspartátu, asparaginu, cysteinu, glutaminu, serinu a tyrosinu) a nebyl vysvětlen důvod pro použití argininu, glycinu, histidinu a prolinu v různých poměrech k lyzinu . Kromě toho nebyly známy základy dalších předpokladů, mj: (a) zda je glutamát účinným prekurzorem pro dostatečnou syntézu všech ostatních AA (včetně aspartátu, glutaminu a serinu) ve specifických tkáních (např. tenké střevo, slezina a lymfatické uzliny) a v celém těle; nebo b) zda vysoký obsah glutamátu ve stravě může ovlivnit transport, metabolismus a využití ostatních AA ve stravě. Kromě toho byla věnována malá pozornost meziorgánovým tokům aminokyselin ve vztahu k jejich vnitrobuněčnému metabolismu. Například u rostoucích prasat se do portálního oběhu dostává pouze ~5 % glutamátu v potravě . Kromě toho, i když se intracelulární glutamát používá k syntéze aspartátu, mnoho mimostřevních tkání a buněk (např. játra a červené krvinky) má omezenou schopnost přijímat glutamát z krevního oběhu . Desáté vydání NRC Nutrient Requirements (Požadavky na živiny pro prasata) publikované v roce 1998 neuznávalo potřeby prasat na prolin a glycin v dietě; proto Baker v roce 2000 glycin a prolin z poslední verze svých „ideálních bílkovin“ pro složení diet pro prasata vynechal, stejně jako v roce 1997 . V posledních dvou desetiletích proběhly úspěšné pokusy o zpřesnění vzorců některých AA v dietách pro kojící, sající, odstavená, finišující a březí prasata přídavkem argininu , glutaminu , glutamátu , prolinu nebo glycinu nebo stanovením růstu mléčné žlázy, změn celotělového složení AA a mléčné užitkovosti u kojících prasnic . Výsledkem je zvýšení růstu novorozenců a po odstavu, výkonnosti v laktaci a velikosti vrhu u prasat.

Stále více důkazů ukazuje, že EAA i NEAA (např. arginin, glutamin, glutamát, glycin a prolin) hrají důležitou roli v regulaci genové exprese, buněčné signalizace, transportu a metabolismu živin, střevní mikrobioty, antioxidačních reakcí a imunitních reakcí . Na základě těchto přesvědčivých důkazů ze studií na zvířatech navrhli Wu a jeho kolegové nový koncept funkčních AA, které jsou definovány jako ty AA, které se účastní a regulují klíčové metabolické dráhy pro zlepšení zdraví, přežití, růstu, vývoje, laktace a reprodukce organismů . Metabolické dráhy zahrnují: (a) vnitrobuněčný obrat proteinů (syntéza a degradace) a související děje; b) syntéza a katabolismus AA; c) tvorba malých peptidů, dusíkatých metabolitů a látek obsahujících síru (např. H2S); d) cyklus močoviny a syntéza kyseliny močové; e) metabolismus lipidů a glukózy; f) metabolismus jedouhlíkových jednotek a syntéza DNA; a g) buněčná redoxní signalizace. Funkční AA mohou být nutričně „esenciální“, „neesenciální“ nebo podmíněně esenciální AA. Pozoruhodné je, že koncept funkčních AA ve výživě byl přijat také pro ryby , drůbež a malá laboratorní zvířata (např. myši a potkany). Čtenáře odkazujeme na nedávné recenze a původní výzkumný článek o těchto nových trendech .

Optimální poměry aminokyselin ve výživě prasat a kuřat na Texaské univerzitě A&M

Uhlíkové skelety EAA (včetně tyrosinu a cysteinu) nejsou u zvířat syntetizovány z látek, které nejsou AA . Jak již bylo uvedeno dříve, syntéza NEAA z EAA u zvířat je nedostatečná pro jejich maximální růst, produkci mléka a reprodukční výkonnost nebo pro optimální vývoj a zdraví. Tradiční klasifikace AA jako EAA nebo NEAA je tedy čistě otázkou definice. Nové důkazy například ukazují, že arginin, glutamin, glutamát a glycin hrají důležitou roli v regulaci genové exprese, buněčné signalizace, antioxidačních reakcí a imunity . Kromě toho jsou glutamát, glutamin a aspartát hlavními metabolickými palivy pro enterocyty a také regulují vývoj a funkci střev a neurologických orgánů . Glutamin je navíc nezbytný pro produkci ATP, syntézu nukleotidů, expresi antioxidačních genů a redoxní signalizaci v enterocytech . Kromě toho glutamát aktivuje chemické snímání v gastrointestinálním traktu a může inhibovat degradaci EAA i NEAA střevními mikroby . A konečně prolin a arginin, které jsou hlavními zdroji ornitinu pro střevní a placentární syntézu polyaminů , jsou nezbytné pro syntézu DNA a proteinů a podílejí se také na metylaci proteinů a DNA, a tím na genetické a epigenetické regulaci růstu a vývoje buněk . Souhrnně mají zvířata požadavky na výživu všech syntetizovatelných AA, aby dosáhla svého plného genetického potenciálu pro růst, vývoj, reprodukci, laktaci a odolnost vůči infekčním onemocněním .

Bylo publikováno složení EAA v krmných složkách a skutečná ileální stravitelnost EAA u prasat a drůbeže. Jako první krok k definování požadavků zvířat na NEAA jsme nedávno stanovili složení všech proteinů-AA v hlavních krmivech a v živočišných tkáních . Příklady jsou uvedeny v tabulce 4 pro kukuřičné zrno, sójový šrot, čirokové zrno a masokostní moučku &. Na základě předchozích studií biochemie a výživy AA (včetně metabolismu AA a přírůstků tkáňových bílkovin) u drůbeže např. 3 a u prasat např. 3 , by autor této práce chtěl navrhnout Texas A&M University optimální poměry skutečně stravitelných AA v dietách pro prasata (tabulka 5) a kuřata (tabulka 6) v různých fázích růstu a produkce. Hodnoty pro 5 až 10kg mladá prasata jsou založeny především na zohlednění: (a) vstupu AA z diety do portální žíly u 30denních prasat po odstavu v porovnání s akrecí AA v těle ; b) publikovaných údajů Baker a NRC o potřebě EAA v dietě a c) odhadované rychlosti syntézy, katabolismu a akrece AA v těle . Konkrétně se jedná o tyto odhady: (a) rychlost čisté syntézy aspartátu, argininu, glutamátu, glutaminu, glycinu a prolinu v mimostřevních tkáních 5-10 kg prasat po odstavu je 195, 361, 415, 1149, 331 a 276 mg/kg tělesné hmotnosti za den; (b) míra katabolismu (včetně oxidace a syntézy nízkomolekulárních látek) alaninu a tyrosinu v extraintestinálních tkáních je 30 % míry jejich akumulace v tělesných bílkovinách; c) míra katabolismu (včetně oxidace) leucinu a isoleucinu v extraintestinálních tkáních je 30 %, resp. 25 % míry jejich akumulace v tělesných bílkovinách; (d) míra katabolismu (včetně oxidace) asparaginu v mimostřevních tkáních je 124 mg/kg tělesné hmotnosti za den; e) míra katabolismu (včetně oxidace) valinu a serinu v mimostřevních tkáních je 15 % míry jejich akumulace v tělesných bílkovinách; f) míra katabolismu (včetně oxidace) fenylalaninu v mimostřevních tkáních je 124 mg/kg tělesné hmotnosti za den a g) poměr fenylalaninu k tyrosinu je 60:40, zatímco poměr methioninu k cysteinu je 1:1. Kromě toho jsou optimální poměry skutečně stravitelných AA v dietách pro březí a kojící prasnice podle Texas A&M University založeny na předchozích studiích složení AA v dietě , ileální skutečné stravitelnosti AA v krmných složkách (tabulka 4 a ref. ), složení EAA a NEAA v těle (tabulka 4), přežívání a růstu embryí/plodů , jakož i produkce mléka a růstu selat.

Několik doplňujících poznámek k optimálním poměrům AA ve výživě podle Texas A&M University je oprávněných. Za prvé, autor přejímá hodnoty NRC pro lysin, metionin, threonin a tryptofan v modelu Texas A&M University pro prasata o hmotnosti 5 až 10 kg. Za druhé, optimální poměry EAA v dietách starších prasat vycházejí z návrhů NRC a Bakera v tom smyslu, že poměry tryptofanu, síry-AA a treoninu k lyzinu (všechny vycházejí ze skutečné stravitelnosti EAA) se s věkem mírně zvyšují, zatímco poměry ostatních EAA k lyzinu se během postnatálního vývoje podstatně nemění. Zatřetí je to poprvé, kdy jsou NEAA zahrnuty do optimálních poměrů dietních AA pro prasata a drůbež v různých fyziologických stadiích. Začtvrté, u EAA jsou poměry BCAA, histidinu, fenylalaninu nebo tyrosinu k lysinu v optimálních poměrech diety Texaské univerzity A&M vyšší než poměry navržené NRC a Bakerem pro prasata. To vychází z následujících úvah : (a) BCAA jsou aktivně degradovány v mimojaterních a mimostřevních tkáních; b) leucin může stimulovat syntézu svalových bílkovin u mladých prasat; c) leucin, izoleucin a valin by měly být ve vhodném poměru, aby se zabránilo nerovnováze AA; d) v kosterním svalstvu je přítomno velké množství dipeptidů obsahujících histidin; a e) tyrosin je aktivně využíván v mnoha metabolických drahách a jeho uhlíkatý skelet se u zvířat tvoří pouze z fenylalaninu. A konečně, údaje o potřebě EAA v potravě kuřat , spolu se složením EAA a NEAA, jakož i akrecí AA v těle (85 a tabulka 4) a nové poznatky o metabolismu AA u ptáků , poskytly základ pro navržené Texas A&M University optimální poměry aminokyselin ve výživě kuřat (tabulka 7). Doporučené hodnoty pro požadavky na EAA a NEAA musí být revidovány, jakmile budou k dispozici nové a přesvědčivé experimentální údaje.

.