Amino acids (AA) is building blocks for proteins and must be present in cells for synthesis of polypeptides …タンパク質は構成要素であり、ポリペプチドの合成のために細胞内に存在しなければならない。 これらのアミノ酸のうち11種類（システイン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン）の炭素骨格は、どの動物の細胞でも非AA分子からは合成されない。 したがって、栄養学的に必須なAA（EAA）に分類され、細胞、組織、全身の生理機能を維持するために、非反芻動物の飼料に含まれる必要がある。 小腸の基底膜には、動脈循環からグルタミンを除くすべての AA を栄養学的に重要な量だけ取り込む能力がないため、このことは特に重要であると考えられている

古典的な動物栄養学の教科書では、システインとチロシンはそれぞれ肝臓でメチオニンとフェニルアラニンから合成できるため、EAA として見なさない。 しかし、すべての動物がメチオニンとフェニルアラニンの炭素骨格を形成することができないため、システインとチロシンのデボ合成は行われないことになる。 また、腸管粘膜細胞は、ポリペプチドを合成するための必須前駆体として、システインとチロシンに依存せざるを得ない。 さらに、動脈血中の含硫アミノ酸や芳香族アミノ酸は、腸管細胞（小腸の吸収性円柱細胞）にはほとんど利用できない。 したがって、それらの前駆体AAの食事上の必要量を減らすことができるシステインとチロシンの食事中の存在は、腸の正常な構造と機能を維持するために必要である。

Roseは1940年代と1950年代の彼のヒト研究において従来分類されているNEAAのいくつかの食事上の必要量を検討し、食事からNEAAを省略しても8日間実験期間の健康成人の窒素バランスには影響がないことを報告している …。 このように、「栄養学的に非必須なアミノ酸（NEAA）」はすべて体内で十分に合成され、最大限の成長と最適な健康のための必要量を満たしていると長い間考えられてきた … しかし、科学文献を注意深く分析すると、過去1世紀にわたって、この仮定を支持する説得力のある実験的証拠がないことが明らかになった。 実際、1960年代から1970年代にかけて、A.E. Harperとその他の研究者たちは、鶏とラットの飼料からNEAAを除去しても、これらの動物の最大限の成長を維持できないことを発見している。 成長期の豚の典型的な植物性タンパク質（トウモロコシや大豆ミールなど）ベースの飼料では、これらの合成可能なAAのほぼすべてが、全身のタンパク質合成を最適化するには不十分であることを示す証拠が増えつつある ……。 最近の研究の結果、NEAAは栄養代謝において重要な調節機能を持ち、除脂肪組織の成長と白色脂肪組織の減少を促進することが明らかになった。 明らかに、動物は最大の成長と生産パフォーマンスを達成するために、EAAだけでなくNEAAも食事に必要である。 この新しい概念は、タンパク質栄養学の理解にパラダイムシフトをもたらし、本総説で強調されている。

Definitions of requirements of dietary AA

Requirements of dietary AA can be classify as qualitative and quantitative . 定性的な要件は、”維持、最適なパフォーマンス（例えば、成長、授乳、繁殖、スポーツ競技）、最適な健康（例えば、慢性代謝障害の予防、感染症への抵抗力、病気からの回復）に必要なAAは何か？”という疑問に関するものである。 定量的要求量とは、”維持、最適な成長、最適な健康のためにどれだけのAAが必要か？”という問いを指します。 動物が食事から摂取するAAの質的・量的要求量を調べるには、従来から摂食実験が行われてきた。 つまり、窒素またはAAを含まない飼料を与えられた動物が、尿、糞、ガス、その他の経路で失った窒素（維持量）＋動物に蓄積されたAA＋動物製品（乳、卵、羊毛、胎児など）として排泄されたAAを測定する、いわゆる要因分析を使ってAAの最低要求量を推定することも可能である . 過去30年間、ヒトや家畜のEAA必要摂取量を測定するために、放射性トレーサーや安定したAAトレーサーを用いた研究がNバランス法と共に行われてきた。 より現代的な方法では、数時間にわたるAA酸化の直接および間接的な指標を使用する。 理由はまだ不明だが、一般にAA酸化法は、窒素バランス法よりもヒトの食事性EAA所要量をはるかに高い値で算出することができる。 食事性AA必要量の歴史的な推移については、最近の論文を参照されたい。 現在、哺乳類、鳥類、魚類におけるNEAAの食事性要求量についてはほとんど知られていない。

動物栄養学における理想タンパク質概念の発展

鶏

1950年代末から、イリノイ大学のミッチェルとスコットは、鶏の食事における理想タンパク質（EAAの最適比率と量）の概念を示した。 NEAAはこれらの著者によって考慮されませんでした。 理想的なタンパク質を定義する初期の試みは、卵とカゼインのEAA組成に基づいて行われたが、多くのEAAが過剰であったため、ほとんど成功しなかった。 1960 年、Scott のグループは、ヒヨコ枝肉中の EAA のプロファイルをシミュレートし、ヒヨコの成長性能を向上させるための理想的なタンパク質中の飼料 EAA の改訂パターンを設計しました。 このアプローチで理想的なタンパク質の改善は確かに達成されたが、飼料にNEAAが含まれていないため、満足のいくものではなかった。 しかし、ヒヨコにおけるすべてのEAAまたはNEAAの組成に関するデータは得られていなかった。 その後、鳥が既存のAA（EAAを含む）から合成し、これまで鶏の栄養ではNEAAと考えられていたいくつかのAA（シスチン、グリシン、プロリン、グルタミン酸）の混合物を飼料に使用し、成長成績でより良い結果を得ることができました。 1960 年代から 1970 年代にかけて行われたこの広範な研究は、孵化後最初の 3 週間における「鶏の AA 必要量基準」のいくつかのバージョンに結実した。 Dean and Scott Standard、Huston and Scott Reference Standard、修正Sasse and Baker Reference Standard、Baker and Han’s Ideal Chick Proteinで参考値が示されている（Table 1）。 鶏の AA 要求量に関するこれらの異なる推奨基準に共通する特徴は、飼料に含まれていることである。 (a) ニワトリが合成しないすべてのEAA、(b) EAAまたはα-ケトグルタル酸＋アンモニアから動物が様々な程度で合成するいくつかのAA（シスチン、グルタミン酸、グリシン、プロリン、チロシン）、(c) アラニン、アスパラギン酸、グルタミン、セリンについてはデータがないことです。 ScottとBakerが提案したヒヨコの理想的なタンパク質中のAA組成のパターンは、グリシンとプロリンで大きく異なり、分岐鎖AA、ヒスチジン、含硫AAではそれほどでもないことに注意されたい。 これらの違いは、文献に報告されているニワトリのAA組成のばらつきを反映していると思われる。 当時、ニワトリの体内におけるプロリンおよびヒドロキシプロリンの含有量は知られていなかったため、推奨される理想的なタンパク質中の比較的少量のプロリンは任意に設定されたに過ぎず、最大限の成長および生産性能において、動物の食事性EAAに対する反応を制限し得るものであった。 対照的に、非常に多量のグルタミン酸（例えば、修正SasseおよびBaker参照標準におけるリジン値の13倍）が、おそらく「非特異的AA N」の全ニーズに対応するために使用されていた。 しかし、グルタミン酸がこの役割を果たすかどうか、また、過剰なグルタミン酸がニワトリの他のAAの輸送、代謝、利用に干渉するかどうかという重要な疑問は、イリノイの研究者たちによって扱われなかった 。 こうした懸念と1994年に発表されたNRCの家禽類に対する栄養要求量からか、Bakerは1997年に発表したイリノイ大学のブロイラー用アミノ酸の理想比率（修正版）の0〜56日齢の鶏の飼料に含まれる理想タンパク質にグルタミン酸、グリシン、プロリンを含めていない（Table 2）。

Swine

家禽飼料に最適なタンパク質に関する研究は、その後の成長期の豚の研究の基礎となった。 そこで、イギリスの栄養学者コールは 1980 年に、豚の枝肉 (ほとんど組織タンパク質のみ) に含まれる EAA (リジンを基準 AA とする) の濃度に基づき、豚の飼料を理想的な比率で配合できることを提案しました。 この考えは、1981 年に英国農業研究評議会（ARC）、1988 年に米国学術研究会議（NRC）で採用された。 しかし、残念ながら、ヒスチジン、アルギニン、および合成可能なすべての単離基は、ARCの理想的なタンパク質の概念には含まれていませんでした（表3）。 また、体内のEAA組成のみに基づくその概念的基盤には欠陥があった。なぜなら、食事中のAAのパターンは、動物体内のAAの組成を反映しないからである。 このミスマッチは、次のように説明できる。 (a)食事中の個々のAAは、小腸で異なる速度で広範囲な異化と変換を受ける。(b)循環中のAAの濃度は、食事中のAAの相対存在量とは著しく異なる。 これらの主要な欠点は、豚の最大成長または生産性能のための豚の飼料を策定する際に、理想的なタンパク質の初期バージョンの有用性を制限します。

Dietary AA is needed by animals mainly for maintenance (including the synthesis of nonprotein metabolites) and protein accretion … しかし、ARCの理想的なタンパク質コンセプトは、豚の総AA必要量に対する維持の相対的な寄与を考慮に入れていなかった。 これは、分解されたタンパク質の代替と、低分子物質の合成と ATP 産生に使用される AA の維持要件を正確に判断することが技術的に困難だったことが一因である。 1989 年から 1990 年にかけて、T.C. Wang と M.F. Fuller は当初の理想的なタンパク質の概念を改良しようと、体重 25 ～ 50kg の雌牛を使用して、維持と組織タンパク質の増 加の両方の要件を含む理想的な飼料 AAのパターンを推定した。 しかし、この二人の著者は、非特異的なAA-窒素を供給するためにリジンの826％のグルタミン酸を使用したものの、アルギニン、ヒスチジン、いわゆるすべてのNEAAを理想的なタンパク質に考慮することはできなかった。 1960 年代と 1970 年代の鶏の研究でも、他のすべての NEAA を欠く豚の飼料にこの高いレベルのグルタミン酸が含まれることの前提が懸念された。

豚の飼料を作るために理想的なタンパク質の概念を修正する必要性を認識したD.H. Bakerは、1990年から2000年にかけて10-20kgの豚のEAA食事要求量を評価するために多大な努力を払った。 D.H. Baker とその学生 T.K. Chung は、真の可消化リジンを 1.2% 含む基本飼料に、アルギニン（リジンの 42%）、グリシン（リジンの 100%）、ヒスチジン（リジンの 32%）、プロリン（リジ ンの 33%）を加え、リジン値の 878%のグルタミン酸を用いて非特異的 AA-窒素を供給する最初の研究を行っている 。 しかし、他の合成可能なAA（アラニン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、セリン、チロシンなど）は理想的なタンパク質の改訂版では考慮されておらず、リジンに対して異なる割合のアルギニン、グリシン、ヒスチジン、プロリンを使用する根拠は説明されていない . さらに、次のような他の前提条件の根拠も不明であった。 (a) 特定の組織（例：小腸、脾臓、リンパ節）および全身において、グルタミン酸が他のすべてのAA（アスパラギン酸、グルタミン、セリンなど）を十分に合成するための有効な前駆体であるかどうか、 (b) 食事中のグルタミン酸の高い含有量が、食事中の他のAAの輸送、代謝、利用に影響を与える可能性があるかどうか、などです。 さらに、細胞内代謝に対するアミノ酸の臓器間フラックスについては、ほとんど注意が払われていない。 例えば、成長期の豚では、食餌性グルタミン酸のうち門脈循環に入るのはわずか5％程度である。 さらに、細胞内のグルタミン酸はアスパラギン酸の合成に使用されるが、腸管外の多くの組織や細胞（肝臓や赤血球など）は血液循環からグルタミン酸を取り込む能力が限られている … 1998年に発表されたNRC豚用栄養所要量第10版では、豚の食事性プロリンやグリシンの必要性を認めていなかったため、ベーカーは1997年と同様に2000年の豚用飼料配合の「理想タンパク質」の最終版からグリシンとプロリンを省いた … 過去20年の間に、アルギニン、グルタミン、グルタミン酸、プロリン、グリシンを添加したり、乳腺の成長、全身のAA組成の変化、授乳中の母豚の乳量を測定したりして、授乳期、哺乳期、離乳期、仕上げ期、妊娠期の豚の飼料中のいくつかのAAパターンを改良する試みが成功した … その結果、豚の新生児期および離乳後の成長、泌乳能力、および子豚のサイズが増加しました。

増加する証拠は、EAA および NEAA (アルギニン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、およびプロリンなど) が、遺伝子発現、細胞シグナリング、栄養輸送および代謝、腸内細菌叢、抗酸化応答、および免疫応答を制御する重要な役割を果たすことを示します。 動物実験から得られたこれらの有力な証拠に基づき、Wuらは、機能性AAという新しい概念を提案した。機能性AAは、生物の健康、生存、成長、発達、授乳、繁殖を改善するために主要な代謝経路に関与し制御するAAと定義される。 代謝経路には以下のようなものがある。 (a) 細胞内タンパク質のターンオーバー（合成と分解）および関連イベント、(b) AA合成と異化、(c) 小ペプチド、窒素代謝物、含硫物質（H2Sなど）の生成、(d) 尿素サイクルと尿酸合成、(e) 脂質とグルコース代謝、(f) 一炭素単位代謝とDNA合成、(g) 細胞内酸化還元シグナル伝達などです。 機能性AAは、栄養学的に「必須」、「非必須」、または条件付きで必須のAAとなり得る。 特に、魚類、家禽類、実験用小動物（マウス、ラットなど）にも栄養学上の機能性AAの概念が取り入れられている。

Texas A&M University’s optimal ratio of amino acids in diets for swine and chickens

EAA（チロシン、システインなど）の炭素骨格は動物では非AA物質からは合成されない。 前述したように、動物におけるEAAからのNEAAの合成は、その最大限の成長、乳生産、繁殖性能、あるいは最適な発達と健康には不十分である。 従って、従来のEAAとNEAAという分類は、純粋に定義の問題である。 例えば、アルギニン、グルタミン、グルタミン酸、グリシンは、遺伝子発現、細胞シグナル伝達、抗酸化反応、免疫の調節に重要な役割を担っているという証拠が新たに出てきている。 さらに、グルタミン酸、グルタミン、アスパラギン酸は、腸細胞の主要な代謝燃料であり、腸および神経の発達と機能も調節している … さらに、グルタミンは腸細胞の ATP 産生、ヌクレオチドの合成、抗酸化遺伝子の発現、および酸化還元シグナル伝達に不可欠である . さらに、グルタミン酸は、消化管における化学物質の感知を活性化し、腸内細菌によるEAAとNEAAの両方の分解を抑制する可能性がある 。 最後に、プロリンおよびアルギニンは、腸および胎盤でのポリアミン合成のためのオルニチンの主要供給源であり、DNAおよびタンパク質合成に必須であるほか、タンパク質およびDNAメチル化、ひいては細胞の成長および発達の遺伝的およびエピジェネティック制御に関与する。

豚や鶏の飼料成分中のEAA組成やEAAの真の回腸消化率などが発表されています。 動物が必要とするNEAAを定義するための最初のステップとして、我々は最近、主要な飼料および動物組織中のすべてのタンパク質-AA組成を決定した。 表4は、トウモロコシ穀物、大豆粕、ソルガム穀物および肉&骨粉の例である。 家禽のAA生化学および栄養学（AA代謝および組織タンパク質の増加を含む）に関するこれまでの研究に基づいて、本研究の著者は、豚（表5）および鶏（表6）の成長および生産の異なる段階における飼料中の真の消化可能AAのテキサスA&M大学の最適比を提案したいと思う。 5〜10kgの若豚の値は主に以下の点を考慮したものである。 (a)離乳後30日の豚の門脈への食事性AAの流入と体内へのAAの蓄積；(b)食事性EAA要求量に関するBakerとNRCの公表データ；(c)体内でのAA合成、異化、蓄積の推定速度 …を考慮している。 具体的には、次のような推定がなされている。 (a) 体重5〜10kgの離乳期豚の腸管外組織におけるアスパラギン酸、アルギニン、グルタミン酸、グリシンおよびプロリンの純合成率は、それぞれ1日当たり195、361、415、1149、331および276mg/kg体重である。 (b) アラニン及びチロシンの腸管外組織における異化（酸化及び低分子物質の合成を含む）率は、体蛋白質への付加率の30%である； (c) ロイシン及びイソロイシンの腸管外組織における異化（酸化を含む）率は、体蛋白質への付加率のそれぞれ30及び25%である。 (d）腸管外組織におけるアスパラギンの異化（酸化を含む）率は、1日当たり124mg／kg体重である；（e）腸管外組織におけるバリン及びセリンの異化（酸化を含む）率は、体タンパク質への付加率の15％である；（f）腸管外組織におけるフェニルアラニンの異化（酸化を含む）率は1日当たり124mg／kg体重である；（g）チロシンに対するフェニルアラニンの比が60である。40であり、一方、メチオニンとシステインの比率は1：1である。 さらに、テキサスA&M大学の妊娠中および授乳中の母豚の飼料における真の消化可能なAAの最適比率は、飼料中のAA組成 、飼料原料中のAAの回腸真の消化率（表4および参考文献）、体内のEAAおよびNEAAの組成（表4）、胚・胎児の生存と成長、ならびに乳量と子豚成長に関する過去の研究に基づいている 。