Aminosyrer (AA) er byggesten for proteiner og skal være til stede i cellerne for at kunne syntetisere polypeptider. Kulstofskeletterne i elleve af disse AA (nemlig cystein, histidin, isoleucin, leucin, lysin, methionin, phenylalanin, threonin, tryptofan, tyrosin og valin) syntetiseres ikke fra ikke-AA-molekyler i cellerne hos nogen dyr . Derfor er de klassificeret som ernæringsmæssigt essentielle AA (EAA) og skal indgå i foder til ikke-drøvtyggere for at opretholde fysiologiske funktioner i celler, væv og hele kroppen . Dette har særlig betydning for tyndtarmen, fordi dens basalmembran mangler evnen til at optage en ernæringsmæssigt betydelig mængde af alle AA, bortset fra glutamin, fra den arterielle cirkulation .

Klassiske lærebøger om dyreernæring betragter ikke cystein eller tyrosin som en EAA , fordi de kan syntetiseres fra henholdsvis methionin og phenylalanin i leveren. Men fordi alle dyr ikke er i stand til at danne kulstofskeletterne til methionin og phenylalanin, betyder det, at der ikke er nogen devo-syntese af cystein eller tyrosin . Tarmens slimhindeceller må også være afhængige af cystein og tyrosin som vigtige forstadier til syntese af polypeptider . Desuden er svovlholdige eller aromatiske AA i det arterielle blod stort set ikke tilgængelige for enterocytter (absorberende søjleformede celler i tyndtarmen). Derfor er tilstedeværelsen af cystein og tyrosin i kosten, som kan reducere kostbehovet for deres forløber AA, nødvendig for at opretholde tarmens normale struktur og funktion .

Rose overvejede således kostbehovet for nogle af de traditionelt klassificerede NEAA i sine undersøgelser på mennesker i 1940’erne og 1950’erne og rapporterede, at udeladelse af NEAA fra kosten ikke påvirkede kvælstofbalancen hos raske voksne i en forsøgsperiode på otte dage . Man har således længe antaget, at alle de “ernæringsmæssigt ikke-væsentlige aminosyrer (NEAA)” syntetiseres tilstrækkeligt i kroppen til at opfylde behovet for maksimal vækst og optimal sundhed . En omhyggelig analyse af den videnskabelige litteratur viser imidlertid, at der i det seneste århundrede ikke har været overbevisende eksperimentelle beviser til støtte for denne antagelse . I 1960’erne og 1970’erne fandt A.E. Harper og andre forskere faktisk, at fraværet af NEAA i kyllinge- og rottefoder ikke kunne understøtte maksimal vækst hos disse dyr . Der er stadig flere beviser for, at næsten alle disse syntetiserbare AA er utilstrækkeligt til stede i typisk planteprotein (f.eks. majs- og sojamel) baseret på diæt til svin i vækst i forhold til optimal proteinsyntese i hele kroppen . Resultaterne af nyere forskning har vist, at NEAA spiller en vigtig regulerende rolle i næringsstofskiftet for at fremme vækst af magert væv og reducere det hvide fedtvæv . Det er klart, at dyrene ikke kun har behov for EAA, men også for NEAA i kosten for at opnå maksimal vækst og produktionsresultater . Dette nye koncept har resulteret i et paradigmeskift i vores forståelse af proteinernæring og er fremhævet i denne oversigtsartikel.

Definitioner af krav til AA i kosten

Det kan klassificeres som kvalitative og kvantitative krav til AA i kosten . Kvalitative krav er relateret til spørgsmålet om, “hvilke AA er nødvendige for vedligeholdelse, optimal præstation (f.eks. vækst, laktation, reproduktion og sportskonkurrence) og optimal sundhed (f.eks. forebyggelse af kroniske stofskiftesygdomme, modstandsdygtighed over for infektionssygdomme og helbredelse efter sygdom)?” Kvantitative behov henviser til spørgsmålet om “hvor meget af et AA er nødvendigt for vedligeholdelse, optimal vækst og optimalt helbred?” Der er traditionelt blevet anvendt fodringsforsøg til at bestemme både kvalitative og kvantitative behov for AA i foderet hos dyr . Minimumsbehovet for AA kan også anslås ved hjælp af såkaldt faktoriel analyse, dvs. målinger af tabet af N hos dyr, der fodres med en nitrogen- eller AA-fri diæt via urin, fæces, gas og andre veje (vedligeholdelse) + AA deponeret i dyrene + AA udskilt som animalske produkter (f.eks. mælk, æg, uld og foster) . I løbet af de sidste tre årtier er undersøgelser med radioaktive og stabile AA-sporstoffer blevet anvendt sammen med N-balanceteknikken til at bestemme menneskers og husdyrs behov for EAA i kosten . De mere moderne metoder omfatter anvendelse af direkte og indirekte indikatorer for AA-oxidation i en periode på flere timer . Af endnu ukendte årsager har AA-oxidationsmetoderne generelt givet meget højere værdier for menneskers behov for EAA i kosten end kvælstofbalanceundersøgelserne. Læseren henvises til nyere artikler for at få et indblik i den historiske udvikling i kosten med hensyn til AA-behovet. På nuværende tidspunkt er der kun lidt viden om pattedyrs, fugles og fisks behov for NEAA i kosten.

Udvikling af det ideelle proteinbegreb inden for dyreernæring

Høns

Med udgangspunkt i slutningen af 1950’erne udtænkte Mitchell og Scott på University of Illinois et ideelt protein (optimale proportioner og mængder af EAA) til kyllingers kost. NEAA blev ikke overvejet af disse forfattere. Tidlige forsøg på at definere et ideelt protein var baseret på EAA-sammensætningen i æg og kasein, men var stort set mislykkedes på grund af overskuddet af mange EAA. I 1960 simulerede Scotts gruppe EAA-profilen i kyllingekroppen for at udforme et revideret mønster af EAA i et ideelt protein med henblik på at forbedre kyllingernes vækstpræstationer . Der blev ganske vist opnået en forbedring af det ideelle protein ved hjælp af denne fremgangsmåde, men den var stadig utilfredsstillende på grund af manglen på NEAA i foderet. Der forelå imidlertid ikke data om sammensætningen af alle EAA eller NEAA i kyllinger . Derefter blev en blanding af flere AA (cystin, glycin, prolin og glutamat), som fuglene syntetiserer ud fra allerede eksisterende AA (herunder EAA), og som tidligere blev anset for at være NEAA i kyllingeernæring, anvendt i foderblandinger for at opnå bedre resultater med hensyn til vækstresultater . Denne omfattende forskning i løbet af 1960’erne og 1970’erne kulminerede i flere versioner af “kyllingernes AA-behovsstandard” for de første tre uger efter udklækning . Der blev givet referenceværdier i Dean and Scott Standard , Huston and Scott Reference Standard , den modificerede Sasse and Baker Reference Standard , og Baker and Han’s Ideal Chick Protein (tabel 1). Fælles for disse forskellige anbefalede standarder for kyllingers behov for AA i foderet er, at foderet omfattede følgende: (a) alle EAA, som ikke syntetiseres af kyllinger, b) flere AA (cystin, glutamat, glycin, prolin og tyrosin), som dyrene i forskelligt omfang syntetiserer fra enten EAA eller α-ketoglutarat plus ammoniak, og c) ingen data om alanin, aspartat, asparagin, glutamin eller serin. Det skal bemærkes, at mønstrene for AA-sammensætningen i det ideelle protein til kyllinger, som foreslået af Scott og Baker , adskiller sig væsentligt for glycin og prolin og i mindre grad for AA med forgrenet kæde, histidin og svovlholdige AA. Disse forskelle kan afspejle de variationer i AA-sammensætningen hos kyllinger, der er rapporteret i litteraturen. Da indholdet af prolin plus hydroxyprolin i kyllingekroppen ikke var kendt på daværende tidspunkt, var den relativt lille mængde prolin i det anbefalede ideelle protein kun vilkårligt fastsat og kunne begrænse dyrenes respons på EAA i foderet i deres maksimale vækst- og produktionspræstationer. Derimod blev der anvendt meget store mængder glutamat (f.eks. 13 gange lysinværdien i den modificerede Sasse og Baker-referencestandard) for formodentlig at dække hele behovet for “uspecifikke AA N”. De centrale spørgsmål om, hvorvidt glutamat opfyldte denne rolle, og om overskydende glutamat kunne forstyrre transport, metabolisme og udnyttelse af andre AA i kyllinger, blev imidlertid ikke behandlet af Illinois-undersøgelsespersonerne . Muligvis på grund af disse bekymringer og offentliggørelsen af NRC’s næringsstofkrav til fjerkræ i 1994 , inkluderede Baker ikke glutamat, glycin eller prolin i et ideelt protein til foder til 0-56 dage gamle kyllinger i sit modificerede University of Illinois Ideal Ratios of Amino Acids for broiler chickens i 1997 (tabel 2).

Svin

Arbejdet med det ideelle protein til fjerkræfoder lagde et grundlag for efterfølgende undersøgelser med svin i vækst. Således foreslog den britiske ernæringsekspert Cole i 1980, at svinefoderet kunne formuleres til at indeholde ideelle forhold mellem EAA (med lysin som reference-AA) baseret på deres koncentrationer i svinekroppen (næsten udelukkende vævsproteiner) . Denne idé blev først vedtaget af det britiske Agricultural Research Council (ARC) i 1981 og derefter af det amerikanske National Research Council (NRC) i 1988 . Desværre blev histidin, arginin og alle syntetiserbare AA ikke medtaget i ARC’s koncept for ideelt protein (tabel 3). Desuden var dens konceptuelle grundlag, der udelukkende var baseret på kroppens EAA-sammensætning, mangelfuldt, fordi AA-mønsteret i kosten ikke afspejler sammensætningen af AA i dyret . Denne uoverensstemmelse kan forklares på følgende måde: (a) de enkelte AA i kosten gennemgår omfattende katabolisme og transformationer med forskellige hastigheder i tyndtarmen; b) koncentrationerne af AA i kredsløbet adskiller sig markant fra den relative mængde AA i kosten; c) de enkelte AA i plasma har forskellige metaboliske skæbner i forskellige dyrevæv; og d) mængden af AA i vævsproteiner adskiller sig meget fra mængden i kosten . Disse store mangler begrænser anvendeligheden af de tidlige versioner af det ideelle protein i forbindelse med formulering af svinefoder med henblik på maksimal vækst eller produktionsydelse hos svin.

Dyrene har primært brug for AA i kosten til vedligeholdelse (herunder syntese af ikke-proteinmetabolitter) og til proteintilvækst . ARC’s ideelle proteinbegreb tog imidlertid ikke hensyn til vedligeholdelsens relative bidrag til grisens samlede AA-behov . Dette skyldtes til dels de tekniske udfordringer i forbindelse med en nøjagtig bestemmelse af vedligeholdelsesbehovet for AA, som omfatter erstatning af nedbrudte proteiner, samt brugen af AA til syntese af stoffer med lav molekylvægt og ATP-produktion . I 1989 og 1990 forsøgte T.C. Wang og M.F. Fuller at forbedre det oprindelige ideelle proteinkoncept ved hjælp af gylte i vægtintervallet 25-50 kg at anslå et ideelt mønster for AA i foderet, der omfattede behov for både vedligeholdelse og tilvækst af vævsprotein. Disse to forfattere undlod imidlertid også at tage hensyn til arginin, histidin eller alle såkaldte NEAA i det ideelle protein, selv om de anvendte glutamat med 826 % af lysinværdien som uspecifikt AA-substrat . Som i forbindelse med undersøgelserne med kyllinger i 1960’erne og 1970’erne var der også bekymring over forudsætningerne for at inkludere dette høje niveau af glutamat i svinefoderet, som mangler alle andre NEAA-stoffer. Selv om glutamat blev anvendt til at tilberede isonitrogenholdige diæter i de tidligere undersøgelser, var ingen af disse forskere af den opfattelse, at dyrene har et behov for glutamat i kosten for at opnå optimal vækst og produktionsresultater.

Da D.H. Baker havde erkendt behovet for at ændre det ideelle proteinbegreb til formulering af svinefoder, gjorde han sig store anstrengelser mellem 1990 og 2000 for at evaluere 10-20 kg svins behov for EAA i kosten. I deres oprindelige undersøgelse tilføjede D.H. Baker og hans elev T.K. Chung arginin (42 % af lysin), glycin (100 % af lysin), histidin (32 % af lysin) og prolin (33 % af lysin) til basisfoderet, der indeholdt 1,2 % ægte fordøjeligt lysin og anvendte glutamat på 878 % af lysinværdien for at tilvejebringe uspecifik AA-stikstof . Andre syntetiserbare AA (herunder alanin, aspartat, asparagin, cystein, glutamin, serin og tyrosin) blev imidlertid ikke taget i betragtning i den reviderede version af det ideelle protein, og begrundelsen for brugen af argininin, glycin, histidin og prolin i forskellige proportioner i forhold til lysin blev ikke forklaret . Desuden var grundlaget for andre antagelser ukendt, herunder: (a) om glutamat er en effektiv forløber for tilstrækkelig syntese af alle andre AA (herunder aspartat, glutamin og serin) i specifikke væv (f.eks. tyndtarm, milt og lymfeknuder) og i hele kroppen; eller (b) om det høje indhold af glutamat i kosten kan påvirke transport, metabolisme og udnyttelse af andre AA i kosten. Desuden blev der kun i ringe grad taget hensyn til aminosyrernes interorganiske flux i forhold til deres intracellulære metabolisme. F.eks. kommer kun ~5% af glutamat fra kosten ind i portalkredsløbet hos svin i vækst . Selv om intracellulært glutamat anvendes til at syntetisere aspartat, har mange ekstraintestinale væv og celler (f.eks. lever og røde blodlegemer) desuden en begrænset evne til at optage glutamat fra blodcirkulationen . I den 10. udgave af NRC’s Swine Nutrient Requirements, der blev offentliggjort i 1998, anerkendte man ikke svins behov for prolin eller glycin i foderet; derfor udelod Baker glycin og prolin fra den sidste version af sit “ideelle protein” for svinefoderformuleringer i 2000, ligesom han gjorde i 1997 . I de seneste to årtier har man med succes forsøgt at forfine mønstrene for visse AA i foder til diegivende, ammende, fravænnede, færdigproducerende og drægtige svin ved at tilsætte arginin , glutamin , glutamat , prolin eller glycin , eller ved at bestemme mælkekirtelvækst, ændringer i hele kroppens AA-sammensætning og mælkeydelse hos diegivende søer . Resultaterne er stigninger i neonatal vækst og vækst efter fravænning, laktationspræstationer og kuldstørrelse hos svin.

Den voksende dokumentation viser, at både EAA og NEAA (f.eks. arginin, glutamin, glutamat, glycin og prolin) spiller vigtige roller i reguleringen af genekspression, cellesignalering, næringsstoftransport og metabolisme, intestinal mikrobiota, antioxidative reaktioner og immunreaktioner . På baggrund af disse overbevisende beviser fra dyreforsøg foreslog Wu og kolleger det nye begreb funktionelle AA, som defineres som de AA, der deltager i og regulerer centrale metaboliske veje for at forbedre organismers sundhed, overlevelse, vækst, udvikling, amning og reproduktion . Metaboliske veje omfatter: (a) intracellulær proteinomsætning (syntese og nedbrydning) og tilknyttede hændelser; (b) AA-syntese og katabolisme; (c) dannelse af små peptider, nitrogenholdige metabolitter og svovlholdige stoffer (f.eks. H2S); (d) urinstofcyklus og urinsyresyntese; (e) lipid- og glukosemetabolisme; (f) stofskifte af en kulstofenhed og DNA-syntese; og (g) cellulær redox-signalering. Funktionelle AA kan være ernæringsmæssigt “essentielle”, “ikke-essentielle” eller betinget essentielle AA. Begrebet funktionel AA i ernæring er også blevet anvendt for fisk, fjerkræ og små laboratoriedyr (f.eks. mus og rotter) . Læseren henvises til nyere anmeldelser og originale forskningsartikler om denne nye udvikling.

Texas A&M University’s optimale forhold mellem aminosyrer i diæter til svin og kyllinger

Kulstofskeletterne af EAA (herunder tyrosin og cystein) syntetiseres ikke fra ikke-AA-stoffer i dyr . Som tidligere nævnt er syntesen af NEAA fra EAA hos dyr utilstrækkelig til at sikre maksimal vækst, mælkeproduktion og reproduktionsevne eller optimal udvikling og sundhed. Den traditionelle klassificering af AA som EAA eller NEAA er således udelukkende et spørgsmål om definition. F.eks. viser nye beviser, at argininin, glutamin, glutamat og glycin spiller en vigtig rolle i reguleringen af genekspression, cellesignalering, antioxidative reaktioner og immunitet . Desuden er glutamat, glutamin og aspartat vigtige metaboliske brændstoffer for enterocytter og regulerer også tarmens og den neurologiske udvikling og funktion . Desuden er glutamin afgørende for ATP-produktion, syntese af nukleotider, ekspression af antioxidative gener og redox-signalering i enterocytter . Endvidere aktiverer glutamat kemisk sensorik i mave-tarmkanalen og kan hæmme nedbrydningen af både EAA og NEAA af tarmmikrober . Endelig er prolin og arginin, som er hovedkilder til ornithin til intestinal og placenta-syntese af polyaminer , afgørende for DNA- og proteinsyntese og deltager også i protein- og DNA-methylering og dermed i den genetiske og epigenetiske regulering af cellevækst og udvikling . Samlet set har dyr behov for alle syntetiserbare AA i kosten for at opnå deres fulde genetiske potentiale for vækst, udvikling, reproduktion, laktation og modstandsdygtighed over for infektionssygdomme.

Sammensætningen af EAA i foderingredienser og ægte ileal fordøjelighed af EAA hos svin og fjerkræ er blevet offentliggjort. Som et første skridt til at definere dyrenes behov for NEAA har vi for nylig bestemt sammensætningen af alle protein-AA i de vigtigste foderstoffer og i dyrevæv . Eksempler er anført i tabel 4 for majskorn, sojaskrå, sorghumkorn og kød- & benmel. På grundlag af tidligere undersøgelser af AA-biokemi og ernæring (herunder AA-metabolisme og vævsproteintilvækst) hos fjerkræ, f.eks. 3, og svin, f.eks. 3, vil forfatteren af dette arbejde gerne foreslå Texas A&M University’s optimale forhold for ægte fordøjeligt AA i foder til svin (tabel 5) og kyllinger (tabel 6) i forskellige faser af vækst og produktion. Værdierne for 5- til 10-kg ungsvin er primært baseret på overvejelser om: (a) indgangen af AA i portvenen for 30 dage gamle svin efter fravænning sammenlignet med ophobningen af AA i kroppen, b) de offentliggjorte data fra Baker og NRC om kostens behov for AA i kosten og c) de anslåede hastigheder for AA-syntese, -katabolisme og -ophobning i kroppen. Specifikt er disse skøn, at: (a) Nettosyntesen af aspartat, arginin, glutamat, glutamin, glycin og prolin i ekstraintestinale væv hos 5-10 kg tunge svin efter afvænning er henholdsvis 195, 361, 415, 1149, 331 og 276 mg/kg legemsvægt pr. dag; (b) katabolismehastigheden (herunder oxidation og syntese af stoffer med lav molekylvægt) af alanin og tyrosin i ekstraintestinalt væv er 30 % af deres tilvæksthastighed i kropsproteiner; c) katabolismehastigheden (herunder oxidation) af leucin og isoleucin i ekstraintestinalt væv er henholdsvis 30 % og 25 % af deres tilvæksthastighed i kropsproteiner; (d) katabolismehastigheden (herunder oxidation) af asparagin i ekstraintestinale væv er 124 mg/kg legemsvægt pr. dag; e) katabolismehastigheden (herunder oxidation) af valin og serin i ekstraintestinale væv er 15 % af deres akkretionshastighed i kropsproteiner; f) katabolismehastigheden (herunder oxidation) af phenylalanin i ekstraintestinale væv er 124 mg/kg legemsvægt pr. dag; og g) forholdet mellem phenylalanin og tyrosin er 60:40, mens forholdet mellem methionin og cystein er 1:1. Desuden er Texas A3790>M University’s optimale forhold for ægte fordøjeligt AA i foder til drægtige og diegivende søer baseret på tidligere undersøgelser af foderets AA-sammensætning , ileal ægte fordøjelighed af AA i foderingredienser (tabel 4 og ref. ), sammensætningen af EAA og NEAA i kroppen (tabel 4), embryonale/føtale overlevelse og vækst , samt mælkeproduktion og smågrisevækst .

Der er behov for flere supplerende bemærkninger til Texas A&M University’s optimale forhold for AA i foderet. For det første overtager forfatteren NRC-værdierne for lysin, methionin, threonin og tryptofan i Texas A&M University’s model for 5- til 10-kg-svin. For det andet er de optimale forhold mellem EAA i foderet til ældre svin baseret på NRC’s og Bakers forslag, idet forholdet mellem tryptofan, svovl-AA og threonin og lysin (alle baseret på den reelle fordøjelighed af EAA) stiger en smule med alderen, mens forholdet mellem andre EAA og lysin ikke ændres væsentligt i løbet af den postnatale udvikling. For det tredje er det første gang, at NEAA indgår i det optimale forhold mellem AA i foderet til svin og fjerkræ på forskellige fysiologiske stadier. For det fjerde er forholdet mellem BCAA, histidin, phenylalanin og tyrosin og lysin for EAA i Texas A&M University’s optimale forhold mellem foderet og lysin højere end de forhold, som NRC og Baker har foreslået for svinefoder. Dette er baseret på følgende overvejelser : (a) BCAA nedbrydes aktivt i ekstra-hepatiske og ekstra-intestinale væv; b) leucin kan stimulere muskelproteinsyntesen hos unge svin; c) leucin, isoleucin og valin bør stå i et passende forhold for at forhindre AA-balance; d) der findes store mængder histidinholdige dipeptider i skeletmuskulaturen; og e) tyrosin udnyttes aktivt i flere metaboliske veje, og dets kulstofskelet dannes kun fra phenylalanin hos dyr. Endelig dannede dataene om kyllingers behov for EAA i kosten sammen med sammensætningen af EAA og NEAA samt AA-akkretion i kroppen (85 og tabel 4) og ny viden om AA-metabolismen hos fugle grundlaget for de foreslåede optimale forhold mellem aminosyrer i kyllingernes foder (tabel 7) fra Texas A&M University. De anbefalede værdier for EAA- og NEAA-kravene skal revideres, efterhånden som der foreligger nye og overbevisende forsøgsdata.