Los aminoácidos (AA) son componentes básicos de las proteínas y deben estar presentes en las células para la síntesis de polipéptidos . Los esqueletos de carbono de once de estos AA (a saber, cisteína, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano, tirosina y valina) no se sintetizan a partir de moléculas no AA en las células de ningún animal . Por lo tanto, se clasifican como AA esenciales desde el punto de vista nutricional (EAA) y deben incluirse en las dietas de los no rumiantes para mantener las funciones fisiológicas de las células, los tejidos y todo el organismo. Esto adquiere especial importancia para el intestino delgado porque su membrana basal carece de la capacidad de absorber una cantidad nutricionalmente significativa de todos los AA, excepto la glutamina, de la circulación arterial.

Los libros de texto clásicos sobre nutrición animal no consideran la cisteína ni la tirosina como un EAA , porque pueden sintetizarse a partir de la metionina y la fenilalanina en el hígado, respectivamente. Sin embargo, la incapacidad de todos los animales para formar los esqueletos de carbono de la metionina y la fenilalanina significa que no hay una síntesis de novo de cisteína o tirosina . Además, las células de la mucosa intestinal deben depender de la cisteína y la tirosina como precursores esenciales para sintetizar los polipéptidos . Además, los AA que contienen azufre o aromáticos en la sangre arterial no están disponibles en gran medida para los enterocitos (células columnares absorbentes del intestino delgado). Por lo tanto, la presencia de cisteína y tirosina en las dietas, que pueden reducir las necesidades dietéticas de sus precursores AA, son necesarias para mantener la estructura y la función normales del intestino.

Rose sí tuvo en cuenta las necesidades dietéticas de algunos de los NEAA tradicionalmente clasificados en sus estudios en humanos en las décadas de 1940 y 1950, e informó de que la omisión de NEAA en la dieta no afectaba al equilibrio de nitrógeno en adultos sanos durante un periodo experimental de ocho días . Por lo tanto, durante mucho tiempo se ha asumido que todos los «aminoácidos no esenciales desde el punto de vista nutricional (NEAA)» se sintetizan suficientemente en el cuerpo para satisfacer las necesidades de crecimiento máximo y salud óptima . Sin embargo, un análisis cuidadoso de la literatura científica revela que durante el último siglo no ha habido pruebas experimentales convincentes que apoyen esta suposición . De hecho, en las décadas de 1960 y 1970, A.E. Harper y otros investigadores descubrieron que la ausencia de NEAA en las dietas de pollos y ratas no podía favorecer el crecimiento máximo de estos animales. Cada vez hay más pruebas de que casi todos estos AA sintetizables están presentes de forma inadecuada en las dietas típicas a base de proteínas vegetales (por ejemplo, harina de maíz y de soja) para cerdos en crecimiento en relación con la síntesis óptima de proteínas en todo el cuerpo. Los resultados de investigaciones recientes han revelado que los NEAA desempeñan importantes funciones reguladoras en el metabolismo de los nutrientes para favorecer el crecimiento del tejido magro y la reducción del tejido adiposo blanco. Está claro que los animales tienen necesidades dietéticas no sólo de EAA, sino también de NEAA para lograr el máximo crecimiento y rendimiento productivo. Este nuevo concepto ha dado lugar a un cambio de paradigma en nuestra comprensión de la nutrición proteica y se destaca en el presente artículo de revisión.

Definiciones de las necesidades de AA en la dieta

Las necesidades de AA en la dieta pueden clasificarse como cualitativas y cuantitativas . Los requisitos cualitativos están relacionados con la pregunta de «¿qué AA se necesitan para el mantenimiento, el rendimiento óptimo (por ejemplo, el crecimiento, la lactancia, la reproducción y la competición deportiva) y la salud óptima (por ejemplo, la prevención de los trastornos metabólicos crónicos, la resistencia a las enfermedades infecciosas y la recuperación de la enfermedad)?» Los requisitos cuantitativos se refieren a la pregunta de «¿qué cantidad de un AA se necesita para el mantenimiento, el crecimiento óptimo y la salud óptima?» Los experimentos de alimentación se han empleado tradicionalmente para determinar las necesidades cualitativas y cuantitativas de AA en la dieta de los animales. Las necesidades mínimas de AA también pueden estimarse mediante el llamado análisis factorial, es decir, mediciones de la pérdida de N por parte de los animales alimentados con una dieta libre de nitrógeno o de AA a través de la orina, las heces, los gases y otras vías (mantenimiento) + AA depositado en los animales + AA excretado como productos animales (por ejemplo, leche, huevos, lana y fetos) . En las últimas tres décadas, se han utilizado estudios con trazadores de AA radiactivos y estables, junto con la técnica de balance de N, para determinar las necesidades dietéticas de AAE de los seres humanos y los animales de granja. Los métodos más modernos implican el uso de indicadores directos e indirectos de la oxidación de los AA durante un período de varias horas. Por razones que aún se desconocen, los métodos de oxidación de AA suelen arrojar valores mucho más altos de las necesidades de EAA en la dieta de los seres humanos que los estudios de balance de nitrógeno. Se remite a los lectores a artículos recientes para conocer la evolución histórica de las necesidades de AA en la dieta. En la actualidad, se sabe poco sobre las necesidades dietéticas de NEAA en mamíferos, aves o peces.

Desarrollo del concepto de proteína ideal en nutrición animal

Pollos

A partir de finales de la década de 1950, Mitchell y Scott en la Universidad de Illinois conceptualizaron una proteína ideal (proporciones y cantidades óptimas de EAA) para las dietas de los pollos. Estos autores no tuvieron en cuenta los NEAA. Los primeros intentos de definir una proteína ideal se basaron en la composición de EAA de los huevos y la caseína, pero no tuvieron mucho éxito debido al exceso de muchos EAA. En 1960, el grupo de Scott simuló el perfil de EAA en la carcasa del pollito para diseñar un patrón revisado de EAA en la dieta en una proteína ideal para mejorar el rendimiento del crecimiento de los pollitos . Efectivamente, se logró una mejora de la proteína ideal con este enfoque, pero siguió siendo insatisfactoria debido a la falta de NEAA en la dieta. Sin embargo, no se disponía de datos sobre la composición de todos los EAA o NEAA en los pollos . Posteriormente, se utilizó una mezcla de varios AA (cistina, glicina, prolina y glutamato), que las aves sintetizan a partir de los AA preexistentes (incluidos los EAA) y que anteriormente se consideraban NEAA en la nutrición de los pollos, para obtener mejores resultados en el rendimiento del crecimiento . Esta amplia investigación realizada durante las décadas de 1960 y 1970 culminó en varias versiones del «estándar de requerimientos de AA de los pollos» para las tres primeras semanas después de la eclosión . Los valores de referencia se dieron en el estándar de Dean y Scott , el estándar de referencia de Huston y Scott , el estándar de referencia modificado de Sasse y Baker , y la proteína ideal para pollitos de Baker y Han (Tabla 1). Las características comunes que comparten estos diferentes estándares recomendados de requerimientos de AA en la dieta de los pollos son que las dietas incluían (a) todos los AAE que no son sintetizados por los pollos; (b) varios AA (cistina, glutamato, glicina, prolina y tirosina) que son sintetizados a partir de los AAE o del α-cetoglutarato más amoníaco por los animales en diversos grados; y (c) ningún dato sobre la alanina, el aspartato, la asparagina, la glutamina o la serina. Obsérvese que los patrones de composición de los AA en la proteína ideal para los pollos, propuestos por Scott y Baker, difieren sustancialmente para la glicina y la prolina y, en menor medida, para los AA de cadena ramificada, la histidina y los AA que contienen azufre. Estas diferencias pueden reflejar las variaciones en la composición de AA de los pollos reportadas en la literatura. Debido a que el contenido de prolina más hidroxiprolina en el cuerpo de los pollos no se conocía en ese momento, la cantidad relativamente pequeña de prolina en la proteína ideal recomendada sólo se fijó de forma arbitraria y podría limitar las respuestas de los animales a los AA de la dieta en su máximo crecimiento y rendimiento productivo. Por el contrario, se utilizaron cantidades muy grandes de glutamato (por ejemplo, 13 veces el valor de la lisina en el estándar de referencia modificado de Sasse y Baker) para cubrir presumiblemente toda la necesidad de «AA N no específicos». Sin embargo, los investigadores de Illinois no abordaron las cuestiones clave relativas a si el glutamato cumplía esta función y si el exceso de glutamato podía interferir en el transporte, el metabolismo y la utilización de otros AA en los pollos. Posiblemente debido a estas preocupaciones y a la publicación de los requisitos de nutrientes del NRC para las aves de corral en 1994 , Baker no incluyó el glutamato, la glicina o la prolina en una proteína ideal para las dietas de pollos de 0 a 56 días de edad en sus Ratios Ideales de Aminoácidos de la Universidad de Illinois modificados para pollos de engorde en 1997 (Tabla 2).

Swine

El trabajo sobre la proteína ideal para las dietas de aves de corral sentó una base para los estudios posteriores con cerdos en crecimiento. Así, el nutricionista británico Cole sugirió en 1980 que las dietas para cerdos podían formularse para contener proporciones ideales de EAA (con la lisina como AA de referencia) en función de sus concentraciones en la canal del cerdo (casi exclusivamente proteínas tisulares) . Esta idea fue adoptada primero por el Consejo Británico de Investigación Agrícola (ARC) en 1981 y luego por el Consejo Nacional de Investigación de Estados Unidos (NRC) en 1988 . Lamentablemente, la histidina, la arginina y todos los AA sintetizables no se incluyeron en el concepto de proteína ideal del ARC (Tabla 3). Además, su fundamento conceptual basado únicamente en la composición de EAA del cuerpo era erróneo, porque el patrón de AA en la dieta no refleja la composición de AA en el animal . Este desajuste puede explicarse de la siguiente manera (a) los AA individuales de la dieta sufren un amplio catabolismo y transformaciones a diferentes ritmos en el intestino delgado; (b) las concentraciones de AA en la circulación difieren notablemente de la abundancia relativa de AA en la dieta; (c) los AA individuales del plasma tienen diferentes destinos metabólicos en los distintos tejidos animales; y (d) la abundancia de AA en las proteínas de los tejidos difiere mucho de la de la dieta . Estas importantes deficiencias limitan la utilidad de las primeras versiones de la proteína ideal en la formulación de dietas porcinas para el máximo crecimiento o rendimiento productivo de los cerdos.

Los AA de la dieta son requeridos por los animales principalmente para el mantenimiento (incluyendo la síntesis de metabolitos no proteicos) y la acumulación de proteínas . Sin embargo, el concepto de proteína ideal del ARC no tuvo en cuenta la contribución relativa del mantenimiento a las necesidades totales de AA del cerdo . Esto se debió, en parte, a las dificultades técnicas para determinar con precisión las necesidades de mantenimiento de AA, que incluyen la sustitución de proteínas degradadas, así como el uso de AA para la síntesis de sustancias de bajo peso molecular y la producción de ATP . Entre 1989 y 1990, en un intento de mejorar el concepto original de proteína ideal, T.C. Wang y M.F. Fuller utilizaron cerdas jóvenes con un peso de entre 25 y 50 kg para estimar un patrón ideal de AA en la dieta que incluyera las necesidades tanto de mantenimiento como de acumulación de proteínas en los tejidos. Sin embargo, estos dos autores tampoco tuvieron en cuenta la arginina, la histidina o todos los llamados NEAA en la proteína ideal, aunque utilizaron el glutamato al 826% del valor de la lisina para proporcionar AA-nitrógeno no específico. En cuanto a los estudios realizados con pollos en los años sesenta y setenta, también se plantearon dudas sobre los supuestos de inclusión de este alto nivel de glutamato en la dieta porcina que carece de todos los demás NEAA. Aunque el glutamato se utilizó para preparar dietas isonitrogenadas en los estudios anteriores, ninguno de estos investigadores consideró que los animales tuvieran un requerimiento dietético de glutamato para un crecimiento y rendimiento productivo óptimos.

Habiendo reconocido la necesidad de modificar el concepto de proteína ideal para formular dietas para cerdos, D.H. Baker realizó grandes esfuerzos entre 1990 y 2000 para evaluar los requerimientos dietéticos de AEE por parte de cerdos de 10-20 kg. En su estudio original, D.H. Baker y su estudiante T.K. Chung añadieron arginina (42% de la lisina), glicina (100% de la lisina), histidina (32% de la lisina) y prolina (33% de la lisina) a la dieta basal que contenía un 1,2% de lisina digestible verdadera y utilizaba glutamato al 878% del valor de la lisina para proporcionar nitrógeno AA no específico. Sin embargo, en la versión revisada de la proteína ideal no se tuvieron en cuenta otros AA sintetizables (como la alanina, el aspartato, la asparagina, la cisteína, la glutamina, la serina y la tirosina) y no se explicaron los motivos del uso de la arginina, la glicina, la histidina y la prolina en proporciones diferentes a la lisina . Además, se desconocían los fundamentos de otras suposiciones, entre ellas (a) si el glutamato es un precursor eficaz para la síntesis suficiente de todos los demás AA (incluidos el aspartato, la glutamina y la serina) en tejidos específicos (por ejemplo, el intestino delgado, el bazo y los ganglios linfáticos) y en todo el organismo; o (b) si el alto contenido de glutamato en la dieta puede afectar al transporte, el metabolismo y la utilización de otros AA en la dieta. Además, se prestó poca atención a los flujos interorgánicos de aminoácidos en relación con su metabolismo intracelular. Por ejemplo, sólo el ~5% del glutamato de la dieta entra en la circulación portal en los cerdos en crecimiento. Además, aunque el glutamato intracelular se utiliza para sintetizar aspartato, muchos tejidos y células extraintestinales (por ejemplo, el hígado y los glóbulos rojos) tienen una capacidad limitada para captar glutamato de la circulación sanguínea. La 10ª edición de los Requerimientos Nutricionales del Porcino del NRC, publicada en 1998, no reconocía las necesidades de prolina o glicina en la dieta de los cerdos; por lo tanto, Baker omitió la glicina y la prolina en la última versión de su «proteína ideal» para las formulaciones de las dietas porcinas en el año 2000, al igual que hizo en 1997 . Durante las dos últimas décadas, se ha intentado con éxito perfeccionar los patrones de algunos AA en las dietas para cerdos lactantes, amamantados, destetados, en fase de acabado y gestantes mediante la adición de arginina, glutamina, glutamato, prolina o glicina, o mediante la determinación del crecimiento de la glándula mamaria, los cambios en la composición de AA de todo el cuerpo y la producción de leche en cerdas lactantes. Los resultados son aumentos en el crecimiento neonatal y post-destete, el rendimiento de la lactancia y el tamaño de la camada en los cerdos.

La evidencia creciente muestra que tanto los EAA como los NEAA (por ejemplo, la arginina, la glutamina, el glutamato, la glicina y la prolina) juegan un papel importante en la regulación de la expresión génica, la señalización celular, el transporte de nutrientes y el metabolismo, la microbiota intestinal, las respuestas antioxidantes y las respuestas inmunes . Basándose en estas líneas de evidencia convincente de los estudios en animales, Wu y sus colegas propusieron el nuevo concepto de AA funcionales, que se definen como aquellos AA que participan y regulan las vías metabólicas clave para mejorar la salud, la supervivencia, el crecimiento, el desarrollo, la lactancia y la reproducción de los organismos . Las vías metabólicas incluyen: (a) el recambio proteico intracelular (síntesis y degradación) y los eventos asociados; (b) la síntesis y el catabolismo de los AA; (c) la generación de pequeños péptidos, metabolitos nitrogenados y sustancias que contienen azufre (por ejemplo, H2S); (d) el ciclo de la urea y la síntesis del ácido úrico; (e) el metabolismo de los lípidos y la glucosa; (f) el metabolismo de las unidades de carbono y la síntesis del ADN; y (g) la señalización redox celular. Los AA funcionales pueden ser nutricionalmente «esenciales», «no esenciales» o condicionalmente esenciales. En particular, el concepto de AA funcionales en nutrición también se ha adoptado para los peces, las aves de corral y los pequeños animales de laboratorio (por ejemplo, ratones y ratas). Se remite a los lectores a las revisiones recientes y al artículo de investigación original sobre estos nuevos desarrollos.

Las proporciones óptimas de aminoácidos en las dietas para cerdos y pollos de la Universidad de Texas A&

Los esqueletos de carbono de los AAE (incluyendo la tirosina y la cisteína) no se sintetizan a partir de sustancias no AA en los animales . Como se ha señalado anteriormente, la síntesis de NEAA a partir de EAA en los animales es inadecuada para su máximo crecimiento, producción de leche y rendimiento reproductivo o para un desarrollo y salud óptimos. Por lo tanto, la clasificación tradicional de los AA como EAA o NEAA es una mera cuestión de definición. Por ejemplo, las nuevas pruebas demuestran que la arginina, la glutamina, el glutamato y la glicina desempeñan un papel importante en la regulación de la expresión genética, la señalización celular, las respuestas antioxidantes y la inmunidad. Además, el glutamato, la glutamina y el aspartato son los principales combustibles metabólicos de los enterocitos y también regulan el desarrollo y la función intestinal y neurológica. Además, la glutamina es esencial para la producción de ATP, la síntesis de nucleótidos, la expresión de genes antioxidantes y la señalización redox en los enterocitos. Además, el glutamato activa la detección química en el tracto gastrointestinal y puede inhibir la degradación de EAA y NEAA por los microbios intestinales. Por último, la prolina y la arginina, que son las principales fuentes de ornitina para la síntesis intestinal y placentaria de poliaminas, son esenciales para la síntesis de ADN y proteínas y también participan en la metilación de las proteínas y el ADN y, por tanto, en la regulación genética y epigenética del crecimiento y el desarrollo celular. En conjunto, los animales tienen necesidades dietéticas de todos los AA sintetizables para alcanzar su pleno potencial genético para el crecimiento, el desarrollo, la reproducción, la lactancia y la resistencia a las enfermedades infecciosas.

Se ha publicado la composición de los AAE en los ingredientes de los piensos y las digestibilidades ileales reales de los AAE en el ganado porcino y las aves de corral. Como paso inicial para definir las necesidades de NEAA por parte de los animales, hemos determinado recientemente la composición de todos los AAA proteicos en los principales piensos y en los tejidos animales . En la Tabla 4 se presentan ejemplos de grano de maíz, harina de soja, grano de sorgo y harina de huesos de carne &. Basándose en los estudios anteriores sobre la bioquímica y la nutrición de los AA (incluido el metabolismo de los AA y la ganancia de proteínas en los tejidos) en las aves de corral, por ejemplo, 3, y en los cerdos, por ejemplo, el autor del presente trabajo desea proponer las proporciones óptimas de AA digerible verdadero de la Universidad de Texas A&M en las dietas para los cerdos (cuadro 5) y los pollos (cuadro 6) durante diferentes fases de crecimiento y producción. Los valores para cerdos jóvenes de 5 a 10 kg se basan principalmente en la consideración de (a) la entrada de AA de la dieta en la vena porta para los cerdos de 30 días después del destete, en comparación con la acumulación de AA en el cuerpo ; (b) los datos publicados de Baker y NRC sobre las necesidades de EAA en la dieta; y (c) las tasas estimadas de síntesis, catabolismo y acumulación de AA en el cuerpo . En concreto, estas estimaciones son las siguientes (a) las tasas de síntesis neta de aspartato, arginina, glutamato, glutamina, glicina y prolina en los tejidos extraintestinales de cerdos de 5-10 kg después del destete son de 195, 361, 415, 1149, 331 y 276 mg/kg de peso corporal por día, respectivamente; (b) los índices de catabolismo (incluida la oxidación y la síntesis de sustancias de bajo peso molecular) de la alanina y la tirosina en los tejidos extraintestinales son el 30% de sus índices de acumulación en las proteínas corporales; c) los índices de catabolismo (incluida la oxidación) de la leucina y la isoleucina en los tejidos extraintestinales son el 30% y el 25% de sus índices de acumulación en las proteínas corporales, respectivamente (d) la tasa de catabolismo (incluida la oxidación) de la asparagina en los tejidos extraintestinales es de 124 mg/kg de peso corporal al día; (e) las tasas de catabolismo (incluida la oxidación) de la valina y la serina en los tejidos extraintestinales son el 15% de sus tasas de acumulación en las proteínas corporales; (f) la tasa de catabolismo (incluida la oxidación) de la fenilalanina en los tejidos extraintestinales es de 124 mg/kg de peso corporal al día; y (g) la relación entre la fenilalanina y la tirosina es del 6040, mientras que la relación entre la metionina y la cisteína es de 1:1. Además, las proporciones óptimas de AA verdaderamente digeribles de la Universidad de Texas A&M en las dietas para cerdas gestantes y lactantes se basan en estudios anteriores sobre la composición de los AA en la dieta , la digestibilidad ileal verdadera de los AA en los ingredientes de los piensos (Tabla 4 y Ref. ), la composición de EAA y NEAA en el organismo (Tabla 4), la supervivencia y el crecimiento embrionario/fetal, así como la producción de leche y el crecimiento de los lechones .

Se justifican varios comentarios adicionales sobre las proporciones óptimas de AA en la dieta de la Universidad de Texas A&M. Primero, el autor adopta los valores del NRC para la lisina, la metionina, la treonina y el triptófano en el modelo de la Universidad de Texas A&M para cerdos de 5 a 10 kg. En segundo lugar, las proporciones óptimas de EAA en las dietas de los cerdos de más edad se basan en las sugerencias del NRC y de Baker en el sentido de que las proporciones de triptófano, azufre-AA y treonina con respecto a la lisina (todas ellas basadas en la verdadera digestibilidad de los EAA) aumentan ligeramente con la edad, mientras que las proporciones de otros EAA con respecto a la lisina no se alteran sustancialmente durante el desarrollo postnatal. En tercer lugar, es la primera vez que se incluyen los NEAA en las proporciones óptimas de AA de la dieta para los cerdos y las aves de corral en diversas etapas fisiológicas. En cuarto lugar, en el caso de los AAE, las proporciones de BCAA, histidina, fenilalanina o tirosina con respecto a la lisina en las proporciones óptimas de la dieta de la Universidad de Texas A&M son superiores a las propuestas por el NRC y Baker para los cerdos. Esto se basa en las siguientes consideraciones : (a) los BCAA se degradan activamente en los tejidos extrahepáticos y extraintestinales; (b) la leucina puede estimular la síntesis de proteínas musculares en los cerdos jóvenes; (c) la leucina, la isoleucina y la valina deben estar en una proporción adecuada para evitar el desequilibrio de AA; (d) en el músculo esquelético hay grandes cantidades de dipéptidos que contienen histidina; y (e) la tirosina se utiliza activamente en múltiples vías metabólicas y su esqueleto de carbono se forma sólo a partir de la fenilalanina en los animales. Por último, los datos sobre las necesidades de EAA en la dieta de los pollos, junto con la composición de EAA y NEAA, así como la acumulación de AA en el organismo (85 y Tabla 4) y los nuevos conocimientos sobre el metabolismo de los AA en las aves, proporcionaron la base para las proporciones óptimas de aminoácidos en las dietas de los pollos propuestas por la Universidad de Texas A&M (Tabla 7). Los valores recomendados para los requisitos de EAA y NEAA deben revisarse a medida que se disponga de nuevos y convincentes datos experimentales.