Gli aminoacidi (AA) sono i mattoni delle proteine e devono essere presenti nelle cellule per la sintesi dei polipeptidi. Gli scheletri di carbonio di undici di questi AA (cioè cisteina, istidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofano, tirosina e valina) non sono sintetizzati da molecole non-AA nelle cellule di nessun animale. Pertanto, sono classificati come AA nutrizionalmente essenziali (EAA) e devono essere inclusi nelle diete per i non ruminanti per mantenere le funzioni fisiologiche delle cellule, dei tessuti e dell’intero corpo. Questo assume particolare importanza per l’intestino tenue perché la sua membrana basale non ha la capacità di assumere una quantità nutrizionalmente significativa di tutti gli AA, ad eccezione della glutammina, dalla circolazione arteriosa.

I manuali classici di nutrizione animale non considerano la cisteina o la tirosina come un EAA, perché possono essere sintetizzati da metionina e fenilalanina nel fegato, rispettivamente. Tuttavia, l’incapacità di tutti gli animali di formare gli scheletri di carbonio per la metionina e la fenilalanina significa che non esiste una sintesi de novo di cisteina o tirosina. Inoltre, le cellule della mucosa intestinale devono dipendere dalla cisteina e dalla tirosina come precursori essenziali per sintetizzare i polipeptidi. Inoltre, gli AA contenenti zolfo o aromatici nel sangue arterioso non sono in gran parte disponibili per gli enterociti (cellule colonnari assorbenti nell’intestino tenue). Pertanto, la presenza di cisteina e tirosina nelle diete, che possono ridurre il fabbisogno alimentare dei loro precursori AA, sono necessari per mantenere la normale struttura e funzione dell’intestino.

Rose ha considerato il fabbisogno alimentare di alcuni dei NEAA tradizionalmente classificati nei suoi studi umani negli anni ’40 e ’50, e ha riferito che l’omissione di NEAA dalla dieta non ha influenzato il bilancio di azoto negli adulti sani durante un periodo sperimentale di otto giorni. Così, è stato a lungo assunto che tutti gli “aminoacidi non essenziali dal punto di vista nutrizionale (NEAA)” sono sintetizzati sufficientemente nel corpo per soddisfare le esigenze per la crescita massima e la salute ottimale. Tuttavia, un’attenta analisi della letteratura scientifica rivela che nell’ultimo secolo non ci sono state prove sperimentali convincenti a sostegno di questa ipotesi. Infatti, negli anni ’60 e ’70, A.E. Harper e altri ricercatori hanno scoperto che l’assenza di NEAA dalla dieta di polli e ratti non poteva sostenere la crescita massima di questi animali. Prove crescenti dimostrano che quasi tutti questi AA sintetizzabili sono presenti in modo inadeguato nelle tipiche diete a base di proteine vegetali (ad esempio, farina di mais e soia) per i suini in crescita rispetto alla sintesi proteica ottimale del corpo intero. I risultati di una recente ricerca hanno rivelato che i NEAA hanno importanti ruoli di regolazione nel metabolismo dei nutrienti per favorire la crescita del tessuto magro e la riduzione del tessuto adiposo bianco. Chiaramente, gli animali hanno esigenze dietetiche non solo di EAA, ma anche di NEAA per ottenere la massima crescita e le massime prestazioni produttive. Questo nuovo concetto ha portato ad un cambiamento di paradigma nella nostra comprensione della nutrizione proteica ed è evidenziato nel presente articolo di revisione.

Definizioni dei requisiti degli AA alimentari

I requisiti degli AA alimentari possono essere classificati come qualitativi e quantitativi. I requisiti qualitativi si riferiscono alla domanda “quali AA sono necessari per il mantenimento, le prestazioni ottimali (ad esempio, la crescita, l’allattamento, la riproduzione e la competizione sportiva) e la salute ottimale (ad esempio, la prevenzione dei disturbi metabolici cronici, la resistenza alle malattie infettive e il recupero dalla malattia)?” I requisiti quantitativi si riferiscono alla domanda “quanto di un AA è necessario per il mantenimento, la crescita ottimale e la salute ottimale? Gli esperimenti di alimentazione sono stati tradizionalmente impiegati per determinare i requisiti qualitativi e quantitativi di AA nella dieta degli animali. I requisiti minimi di AA possono anche essere stimati utilizzando la cosiddetta analisi fattoriale, cioè le misurazioni della perdita di N da parte degli animali alimentati con una dieta priva di azoto o AA attraverso le urine, le feci, il gas e altre vie (mantenimento) + AA depositato negli animali + AA escreto come prodotti animali (ad esempio, latte, uova, lana e feto). Negli ultimi tre decenni, gli studi che hanno coinvolto traccianti radioattivi e stabili di AA sono stati utilizzati insieme alla tecnica dell’equilibrio N per determinare il fabbisogno alimentare di EAA per gli esseri umani e gli animali da allevamento. I metodi più moderni prevedono l’uso di indicatori diretti e indiretti dell’ossidazione degli AA durante un periodo di diverse ore. Per ragioni ancora sconosciute, i metodi di ossidazione degli AA hanno generalmente fornito valori molto più alti del fabbisogno alimentare di EAA per gli esseri umani rispetto agli studi sul bilancio dell’azoto. Si rimanda il lettore ad articoli recenti per conoscere gli sviluppi storici del fabbisogno alimentare di AA. Attualmente, si sa poco sul fabbisogno alimentare di NEAA da parte di mammiferi, uccelli o pesci.

Sviluppo del concetto di proteina ideale nella nutrizione animale

Colli

A partire dalla fine degli anni 50, Mitchell e Scott dell’Università dell’Illinois concettualizzarono una proteina ideale (proporzioni e quantità ottimali di EAA) per le diete dei polli. I NEAA non erano considerati da questi autori. I primi tentativi di definire una proteina ideale si basavano sulla composizione degli EAA delle uova e della caseina, ma non ebbero successo a causa dell’eccesso di molti EAA. Nel 1960, il gruppo di Scott ha simulato il profilo degli EAA nella carcassa del pulcino per progettare un modello rivisto di EAA alimentari in una proteina ideale per migliorare le prestazioni di crescita dei pulcini. Un miglioramento della proteina ideale è stato effettivamente raggiunto utilizzando questo approccio, ma è rimasto insoddisfacente a causa della mancanza di NEAA nella dieta. Tuttavia, i dati sulla composizione di tutti gli EAA o NEAA nei pulcini non erano disponibili. Successivamente, una miscela di diversi AA (cistina, glicina, prolina e glutammato), che sono sintetizzati dagli uccelli a partire da AA preesistenti (compresi gli EAA) e che erano stati precedentemente ritenuti NEAA nell’alimentazione dei polli, è stata utilizzata nelle formulazioni alimentari per ottenere risultati migliori sulle prestazioni di crescita. Questa vasta ricerca durante gli anni ’60 e ’70 è culminata in diverse versioni dello “standard del fabbisogno di AA del pulcino” per le prime tre settimane dopo la schiusa. I valori di riferimento sono stati dati nello standard di Dean e Scott, nello standard di riferimento di Huston e Scott, nello standard di riferimento modificato di Sasse e Baker e nella proteina ideale del pulcino di Baker e Han (tabella 1). Le caratteristiche comuni condivise da questi diversi standard raccomandati di fabbisogno di AA nella dieta dei polli sono che le diete includevano: (a) tutti gli EAA che non sono sintetizzati dai polli; (b) diversi AA (cistina, glutammato, glicina, prolina e tirosina) che sono sintetizzati da EAA o α-chetoglutarato più ammoniaca dagli animali in varia misura; e (c) nessun dato su alanina, aspartato, asparagina, glutamina o serina. Si noti che i modelli di composizione AA nella proteina ideale per i pulcini, come proposto da Scott e Baker, differiscono sostanzialmente per glicina e prolina, e, in misura minore, per AA a catena ramificata, istidina e AA contenenti zolfo. Queste differenze possono riflettere le variazioni nella composizione degli AA dei polli riportate in letteratura. Poiché il contenuto di prolina più idrossiprolina nel corpo dei polli non era noto a quel tempo, la quantità relativamente piccola di prolina nella proteina ideale raccomandata era fissata solo arbitrariamente e poteva limitare le risposte degli animali agli EAA alimentari nella loro crescita massima e nelle prestazioni produttive. Al contrario, quantità molto grandi di glutammato (ad esempio, 13 volte il valore di lisina nello standard di riferimento Sasse e Baker modificato) sono state utilizzate per fornire presumibilmente l’intero fabbisogno di “AA N non specifici”. Tuttavia, gli investigatori dell’Illinois non hanno affrontato le questioni chiave relative al fatto che il glutammato abbia svolto questo ruolo e che il glutammato in eccesso possa interferire con il trasporto, il metabolismo e l’utilizzo di altri AA nei polli. Forse a causa di queste preoccupazioni e la pubblicazione dei requisiti nutrizionali NRC per il pollame nel 1994, Baker non ha incluso il glutammato, la glicina o la prolina in una proteina ideale per le diete dei polli da 0 a 56 anni nella sua Università dell’Illinois modificata Rapporti ideali di aminoacidi per polli da carne nel 1997 (Tabella 2).

Swine

Il lavoro sulle proteine ideali per le diete del pollame ha gettato le basi per i successivi studi sui maiali in crescita. Così, il nutrizionista britannico Cole ha suggerito nel 1980 che le diete suine potrebbero essere formulate per contenere rapporti ideali di EAA (con la lisina come AA di riferimento) in base alle loro concentrazioni nella carcassa del maiale (quasi esclusivamente proteine dei tessuti). Questa idea è stata adottata prima dal British Agricultural Research Council (ARC) nel 1981 e poi dal National Research Council (NRC) degli Stati Uniti nel 1988. Sfortunatamente, l’istidina, l’arginina e tutti gli AA sintetizzabili non erano inclusi nel concetto di proteina ideale dell’ARC (tabella 3). Inoltre, il suo fondamento concettuale basato esclusivamente sulla composizione EAA del corpo era difettoso, perché il modello di AA nella dieta non riflette la composizione di AA nell’animale. Questa mancata corrispondenza può essere spiegata come segue: (a) i singoli AA nella dieta subiscono un ampio catabolismo e trasformazioni a tassi diversi nell’intestino tenue; (b) le concentrazioni di AA nella circolazione differiscono notevolmente dall’abbondanza relativa di AA nella dieta; (c) i singoli AA nel plasma hanno diversi destini metabolici in diversi tessuti animali; e (d) l’abbondanza di AA nelle proteine dei tessuti differisce notevolmente da quella nella dieta. Queste importanti carenze limitano l’utilità delle prime versioni della proteina ideale nella formulazione di diete suine per la crescita massima o le prestazioni produttive dei suini.

Gli AA alimentari sono richiesti dagli animali principalmente per il mantenimento (inclusa la sintesi di metaboliti non proteici) e l’accrescimento delle proteine. Tuttavia, il concetto di proteina ideale dell’ARC non prendeva in considerazione il contributo relativo del mantenimento al fabbisogno totale di AA del maiale. Ciò era dovuto, in parte, alle sfide tecniche per determinare accuratamente i requisiti di mantenimento di AA, che includono la sostituzione delle proteine degradate, così come l’uso di AA per la sintesi di sostanze a basso peso molecolare e la produzione di ATP. Tra il 1989 e il 1990, nel tentativo di migliorare il concetto originale di proteina ideale, T.C. Wang e M.F. Fuller hanno utilizzato scrofette di peso compreso tra 25 e 50 kg per stimare un modello ideale di AA alimentare che includesse i requisiti sia per il mantenimento che per l’accrescimento delle proteine dei tessuti. Tuttavia, questi due autori hanno anche omesso di considerare l’arginina, l’istidina o tutti i cosiddetti NEAA nella proteina ideale, sebbene abbiano utilizzato il glutammato all’826% del valore della lisina per fornire azoto AA non specifico. Come per gli studi con i polli negli anni ’60 e ’70, c’erano anche preoccupazioni sulle ipotesi di inclusione di questo alto livello di glutammato nella dieta suina che manca di tutti gli altri NEAA. Mentre il glutammato veniva utilizzato per preparare diete isonitrofe negli studi precedenti, nessuno di questi ricercatori considerava che gli animali hanno un fabbisogno alimentare di glutammato per una crescita ottimale e prestazioni produttive.

Avendo riconosciuto la necessità di modificare il concetto di proteina ideale per la formulazione di diete suine, D.H. Baker ha compiuto grandi sforzi tra il 1990 e il 2000 per valutare i requisiti alimentari di EAA da parte di suini di 10-20 kg. Nel loro studio originale, D.H. Baker e il suo studente T.K. Chung hanno aggiunto arginina (42% della lisina), glicina (100% della lisina), istidina (32% della lisina) e prolina (33% della lisina) alla dieta di base contenente 1,2% di lisina realmente digeribile e utilizzando glutammato all’878% del valore della lisina per fornire azoto AA non specifico. Tuttavia, altri AA sintetizzabili (tra cui alanina, aspartato, asparagina, cisteina, glutamina, serina e tirosina) non sono stati considerati nella versione rivista della proteina ideale e la logica per l’uso di arginina, glicina, istidina e prolina in proporzioni diverse dalla lisina non è stata spiegata. Inoltre, le basi per altri presupposti erano sconosciute, tra cui: (a) se il glutammato è un precursore efficace per la sintesi sufficiente di tutti gli altri AA (tra cui aspartato, glutammina e serina) in tessuti specifici (ad esempio, l’intestino tenue, milza e linfonodi) e il corpo intero, o (b) se l’alto contenuto di glutammato nella dieta può influenzare il trasporto, il metabolismo e l’utilizzo di altri AA nella dieta. Inoltre, poca attenzione è stata data ai flussi inter-organo di aminoacidi rispetto al loro metabolismo intracellulare. Per esempio, solo il ~5% del glutammato alimentare entra nella circolazione portale nei maiali in crescita. Inoltre, anche se il glutammato intracellulare viene utilizzato per sintetizzare l’aspartato, molti tessuti e cellule extra-intestinali (ad esempio, fegato e globuli rossi) hanno una capacità limitata di assumere il glutammato dalla circolazione sanguigna. La decima edizione del NRC Swine Nutrient Requirements pubblicata nel 1998 non riconosceva le esigenze dei suini per la prolina o la glicina alimentare; pertanto, Baker ha omesso glicina e prolina dall’ultima versione della sua “proteina ideale” per le formulazioni della dieta suina nel 2000, come ha fatto nel 1997. Negli ultimi due decenni, ci sono stati tentativi riusciti di perfezionare i modelli di alcuni AA nelle diete per l’allattamento, allattamento, svezzamento, finitura, e suini in gestazione con l’aggiunta di arginina, glutammina, glutammato, prolina, o glicina, o determinando la crescita della ghiandola mammaria, i cambiamenti della composizione del corpo intero AA, e la produzione di latte in scrofe in allattamento. I risultati sono aumenti della crescita neonatale e post-svezzamento, le prestazioni di lattazione e le dimensioni della cucciolata nei maiali.

Le prove crescenti dimostrano che sia EAA che NEAA (ad esempio arginina, glutammina, glutammato, glicina e prolina) svolgono ruoli importanti nella regolazione dell’espressione genica, segnalazione cellulare, trasporto e metabolismo dei nutrienti, microbiota intestinale, risposte antiossidative e risposte immunitarie. Sulla base di queste linee di prove convincenti dagli studi sugli animali, Wu e colleghi hanno proposto il nuovo concetto di AA funzionali, che sono definiti come quegli AA che partecipano e regolano le vie metaboliche chiave per migliorare la salute, la sopravvivenza, la crescita, lo sviluppo, la lattazione e la riproduzione degli organismi. Le vie metaboliche includono: (a) turnover proteico intracellulare (sintesi e degradazione) ed eventi associati; (b) sintesi e catabolismo degli AA; (c) generazione di piccoli peptidi, metaboliti azotati e sostanze contenenti zolfo (es. H2S); (d) ciclo dell’urea e sintesi dell’acido urico; (e) metabolismo dei lipidi e del glucosio; (f) metabolismo delle unità monocarbonio e sintesi del DNA; e (g) segnalazione redox cellulare. Gli AA funzionali possono essere AA nutrizionalmente “essenziali”, “non essenziali” o condizionatamente essenziali. In particolare, il concetto di AA funzionale nella nutrizione è stato adottato anche per il pesce, il pollame e i piccoli animali da laboratorio (ad esempio, topi e ratti). Si rimanda il lettore alle recenti recensioni e all’articolo di ricerca originale su questi nuovi sviluppi.

I rapporti ottimali di aminoacidi nelle diete per suini e polli della Texas A&M University

Gli scheletri di carbonio degli EAA (compresi tirosina e cisteina) non sono sintetizzati da sostanze non-AA negli animali. Come notato in precedenza, la sintesi di NEAA da EAA negli animali è inadeguata per la loro crescita massima, la produzione di latte e le prestazioni di riproduzione o per uno sviluppo e una salute ottimali. Quindi, la classificazione tradizionale degli AA come EAA o NEAA è puramente una questione di definizione. Per esempio, le prove emergenti mostrano che arginina, glutammina, glutammato e glicina svolgono ruoli importanti nella regolazione dell’espressione genica, della segnalazione cellulare, delle risposte antiossidative e dell’immunità. Inoltre, il glutammato, la glutammina e l’aspartato sono importanti combustibili metabolici per gli enterociti e regolano anche lo sviluppo e la funzione intestinale e neurologica. Inoltre, la glutammina è essenziale per la produzione di ATP, la sintesi dei nucleotidi, l’espressione dei geni antiossidativi e la segnalazione redox negli enterociti. Inoltre, il glutammato attiva il rilevamento chimico nel tratto gastrointestinale e può inibire la degradazione di EAA e NEAA da parte dei microbi intestinali. Infine, la prolina e l’arginina, che sono le principali fonti di ornitina per la sintesi intestinale e placentare delle poliammine, sono essenziali per la sintesi del DNA e delle proteine e partecipano anche alla metilazione delle proteine e del DNA, e quindi alla regolazione genetica ed epigenetica della crescita e dello sviluppo cellulare. Collettivamente, gli animali hanno esigenze alimentari per tutti gli AA sintetizzabili per raggiungere il loro pieno potenziale genetico per la crescita, lo sviluppo, la riproduzione, l’allattamento e la resistenza alle malattie infettive.

Sono stati pubblicati la composizione degli EAA negli ingredienti dei mangimi e la vera digeribilità ileale degli EAA nei suini e nel pollame. Come un primo passo per definire i requisiti di NEAA da parte degli animali, abbiamo recentemente determinato la composizione di tutte le proteine-AA nei principali mangimi e nei tessuti animali. Esempi sono riportati nella tabella 4 per il grano di mais, la farina di soia, il grano di sorgo e la farina di ossa di carne &. Sulla base dei precedenti studi di biochimica e nutrizione dell’AA (incluso il metabolismo dell’AA e i guadagni proteici dei tessuti) nel pollame, ad esempio, 3, e nei suini, ad esempio, l’autore del presente lavoro vorrebbe proporre i rapporti ottimali della Texas A&M University di vero AA digeribile nelle diete per suini (Tabella 5) e polli (Tabella 6) durante diverse fasi di crescita e produzione. I valori per i suini giovani da 5 a 10 kg si basano principalmente sulla considerazione di: (a) l’ingresso di AA alimentare nella vena porta per suini post-svezzamento di 30 giorni, rispetto all’accrescimento di AA nel corpo; (b) i dati pubblicati da Baker e NRC sui requisiti di EAA nella dieta; e (c) i tassi stimati di sintesi, catabolismo e accrescimento di AA nel corpo. In particolare, queste stime sono che: (a) i tassi di sintesi netta di aspartato, arginina, glutammato, glutammina, glicina e prolina nei tessuti extra-intestinali di suini post-svezzamento di 5-10 kg sono 195, 361, 415, 1149, 331 e 276 mg/kg di peso corporeo al giorno, rispettivamente; (b) i tassi di catabolismo (comprese l’ossidazione e la sintesi di sostanze a basso peso molecolare) di alanina e tirosina nei tessuti extraintestinali sono il 30% dei loro tassi di accrescimento nelle proteine corporee; (c) i tassi di catabolismo (compresa l’ossidazione) di leucina e isoleucina nei tessuti extraintestinali sono rispettivamente il 30% e il 25% dei loro tassi di accrescimento nelle proteine corporee (d) il tasso di catabolismo (compresa l’ossidazione) dell’asparagina nei tessuti extraintestinali è di 124 mg/kg di peso corporeo al giorno; (e) i tassi di catabolismo (compresa l’ossidazione) della valina e della serina nei tessuti extraintestinali sono pari al 15% dei loro tassi di accrescimento nelle proteine corporee; (f) il tasso di catabolismo (compresa l’ossidazione) della fenilalanina nei tessuti extraintestinali è di 124 mg/kg di peso corporeo al giorno; e (g) il rapporto fenilalanina/tirosina è 60:40, mentre il rapporto tra metionina e cisteina è 1:1. Inoltre, i rapporti ottimali della Texas A&M University di AA realmente digeribili nelle diete per le scrofe in gestazione e in allattamento si basano su studi precedenti sulla composizione di AA nella dieta, sulla digeribilità ileale reale di AA negli ingredienti dei mangimi (Tabella 4 e Rif.), sulla composizione di EAA e NEAA nel corpo (Tabella 4), sulla sopravvivenza embrionale/fetale e sulla crescita, nonché sulla produzione di latte e sulla crescita dei suinetti.

Sono necessari diversi commenti aggiuntivi sui rapporti ottimali di AA nella dieta della Texas A&M University. In primo luogo, l’autore adotta i valori NRC per la lisina, la metionina, la treonina e il triptofano nel modello della Texas A&M University per i maiali da 5 a 10 kg. In secondo luogo, i rapporti ottimali di EAA nelle diete dei suini più anziani si basano sui suggerimenti del NRC e di Baker, nel senso che i rapporti tra triptofano, zolfo-AA e treonina e lisina (tutti basati sulla reale digeribilità degli EAA) aumentano leggermente con l’età, mentre i rapporti tra altri EAA e lisina non sono alterati sostanzialmente durante lo sviluppo postnatale. In terzo luogo, questa è la prima volta che i NEAA sono inclusi nei rapporti ottimali di AA alimentari per suini e pollame in varie fasi fisiologiche. In quarto luogo, per gli EAA, i rapporti di BCAA, istidina, fenilalanina o tirosina con la lisina nei rapporti ottimali della dieta della Texas A&M University sono superiori a quelli proposti dal NRC e da Baker per i suini. Questo si basa sulle seguenti considerazioni: (a) i BCAA sono attivamente degradati nei tessuti extra-epatici ed extra-intestinali; (b) la leucina può stimolare la sintesi proteica muscolare nei suini giovani; (c) leucina, isoleucina e valina dovrebbero essere in un rapporto appropriato per prevenire lo squilibrio di AA; (d) grandi quantità di dipeptidi contenenti istidina sono presenti nel muscolo scheletrico; (e) la tirosina è attivamente utilizzata in molteplici vie metaboliche e il suo scheletro di carbonio è formato solo dalla fenilalanina negli animali. Infine, i dati sul fabbisogno di EAA nella dieta dei polli, insieme alla composizione di EAA e NEAA e all’accrescimento di AA nel corpo (85 e Tabella 4) e le nuove conoscenze sul metabolismo di AA negli uccelli, hanno fornito la base per i rapporti ottimali di aminoacidi proposti dalla Texas A&M University nella dieta dei polli (Tabella 7). I valori raccomandati per i requisiti di EAA e NEAA devono essere rivisti man mano che si rendono disponibili nuovi e convincenti dati sperimentali.