Aminozuren (AA) zijn bouwstenen voor eiwitten en moeten in cellen aanwezig zijn voor de synthese van polypeptiden . De koolstofskeletten van elf van deze AA (namelijk cysteïne, histidine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, fenylalanine, threonine, tryptofaan, tyrosine en valine) worden in de cellen van geen enkel dier gesynthetiseerd uit niet-AA-moleculen. Daarom worden zij ingedeeld als uit voedingsoogpunt essentiële AA (EAA) en moeten zij in de voeding van niet-herkauwers worden opgenomen om de fysiologische functies van cellen, weefsels en het gehele lichaam in stand te houden . Dit is met name van belang voor de dunne darm, omdat zijn basale membraan niet in staat is een vanuit voedingsoogpunt significante hoeveelheid van alle AA’s, behalve glutamine, op te nemen uit de arteriële circulatie. Klassieke leerboeken over diervoeding beschouwen cysteïne en tyrosine niet als een EAA, omdat zij in de lever kunnen worden gesynthetiseerd uit respectievelijk methionine en fenylalanine. Het onvermogen van alle dieren om de koolstofskeletten voor methionine en fenylalanine te vormen betekent echter dat er geen de novo synthese van cysteïne of tyrosine plaatsvindt. Ook moeten darmslijmvliescellen afhankelijk zijn van cysteïne en tyrosine als essentiële precursors voor de synthese van polypeptiden . Bovendien zijn zwavelhoudende of aromatische AA in arterieel bloed grotendeels niet beschikbaar voor enterocyten (absorberende zuilvormige cellen in de dunne darm). De aanwezigheid van cysteïne en tyrosine in diëten, die de behoefte aan hun precursor AA kunnen verminderen, is dus noodzakelijk om de normale structuur en functie van de darm in stand te houden.

Rose heeft de behoefte aan een aantal traditioneel geclassificeerde NEAA in zijn humane studies in de jaren 40 en 50 van de vorige eeuw wel in overweging genomen, en meldde dat het weglaten van NEAA uit de voeding geen invloed had op de stikstofbalans bij gezonde volwassenen gedurende een experimentele periode van acht dagen. Aldus is lang aangenomen dat alle “nutritioneel niet-essentiële aminozuren (NEAA)” in voldoende mate in het lichaam worden gesynthetiseerd om te voldoen aan de behoeften voor maximale groei en optimale gezondheid . Een zorgvuldige analyse van de wetenschappelijke literatuur laat echter zien dat er in de afgelopen eeuw geen overtuigend experimenteel bewijs is geweest om deze veronderstelling te ondersteunen. In de jaren 1960 en 1970 ontdekten A.E. Harper en andere onderzoekers dat de afwezigheid van NEAA in het dieet van kippen en ratten niet kon bijdragen tot de maximale groei van deze dieren. Er zijn steeds meer aanwijzingen dat bijna al deze synthetiseerbare AA onvoldoende aanwezig zijn in typische diëten op basis van plantaardige eiwitten (b.v. maïs- en sojameel) voor opgroeiende varkens, in verhouding tot een optimale eiwitsynthese in het gehele lichaam. Resultaten van recent onderzoek toonden aan dat NEAA een belangrijke regulerende rol hebben in het nutriëntenmetabolisme om de groei van mager weefsel en de vermindering van wit vetweefsel te bevorderen. Het is duidelijk dat dieren niet alleen EAA, maar ook NEAA in hun dieet nodig hebben om maximale groei en productieprestaties te bereiken. Dit nieuwe concept heeft geleid tot een paradigmaverschuiving in ons begrip van eiwitvoeding en wordt benadrukt in dit overzichtsartikel.

Definities van vereisten van voedings-AAA

De vereisten van voedings-AAA kunnen worden geclassificeerd als kwalitatief en kwantitatief . Kwalitatieve eisen hebben betrekking op de vraag “welke AA’s zijn nodig voor onderhoud, optimale prestaties (bv. groei, lactatie, voortplanting en sportcompetitie) en optimale gezondheid (bv. preventie van chronische stofwisselingsstoornissen, weerstand tegen infectieziekten en herstel van ziekte)?” Kwantitatieve behoeften verwijzen naar de vraag “hoeveel van een AA is nodig voor onderhoud, optimale groei en optimale gezondheid? Voederproeven zijn van oudsher gebruikt om zowel de kwalitatieve als de kwantitatieve behoeften van dieren aan AA in de voeding te bepalen. De minimale AA-behoefte kan ook worden geschat aan de hand van zogeheten factoriële analyse, d.w.z. metingen van het verlies van N door dieren die een stikstofvrij of AA-vrij dieet krijgen via urine, faeces, gas en andere routes (onderhoud) + AA dat in de dieren wordt afgezet + AA dat wordt uitgescheiden in de vorm van dierlijke producten (bv. melk, eieren, wol en foetus) . In de afgelopen drie decennia zijn studies met radioactieve en stabiele AA-tracers samen met de N-balanstechniek gebruikt om de behoefte aan EAA in de voeding van mensen en landbouwhuisdieren te bepalen. De modernere methoden omvatten het gebruik van directe en indirecte indicatoren van AA-oxidatie gedurende een periode van enkele uren. Om nog onbekende redenen hebben de AA-oxidatiemethoden over het algemeen veel hogere waarden opgeleverd voor de behoefte van de mens aan EAA via de voeding dan de stikstof-balansstudies. De lezer wordt verwezen naar recente artikelen voor inzicht in de historische ontwikkelingen van de behoefte aan AA in de voeding. Momenteel is weinig bekend over de behoefte aan NEAA in de voeding van zoogdieren, vogels of vissen.

Ontwikkeling van het ideale eiwitconcept in diervoeding

Kippen

Beginnend aan het eind van de jaren vijftig stelden Mitchell en Scott van de universiteit van Illinois een ideaal eiwitconcept op (optimale verhoudingen en hoeveelheden EAA) voor de voeding van kippen. NEAA werden door deze auteurs buiten beschouwing gelaten. Vroege pogingen om een ideaal eiwit te definiëren waren gebaseerd op de EAA-samenstelling van eieren en caseïne, maar waren grotendeels onsuccesvol vanwege de overmaat aan veel EAA. In 1960 simuleerde de groep van Scott het profiel van EAA in het karkas van kuikens om een herzien patroon van EAA in de voeding te ontwerpen in een ideaal eiwit om de groeiprestaties van kuikens te verbeteren. Met deze aanpak werd inderdaad een verbetering van het ideale eiwit bereikt, maar dit bleef onbevredigend door het ontbreken van NEAA in het dieet. Gegevens over de samenstelling van alle EAA of NEAA in kuikens waren echter niet beschikbaar . Vervolgens werd een mengsel van verschillende AA (cystine, glycine, proline en glutamaat), die door vogels worden gesynthetiseerd uit reeds bestaande AA (waaronder EAA) en waarvan eerder werd aangenomen dat het NEAA waren in de voeding van kippen, gebruikt in dieetformuleringen om betere resultaten op het gebied van groeiprestaties te behalen. Dit uitgebreide onderzoek in de jaren zestig en zeventig heeft geleid tot verschillende versies van de “norm voor de AA-behoefte van kuikens” voor de eerste drie weken na het uitkomen van het ei. Referentiewaarden werden gegeven in de Dean and Scott Standard , de Huston and Scott Reference Standard , de aangepaste Sasse and Baker Reference Standard , en de Baker and Han’s Ideal Chick Protein (tabel 1). De gemeenschappelijke kenmerken van deze verschillende aanbevolen normen voor de AA-behoeften van vleeskuikens zijn dat de diëten het volgende bevatten (a) alle EAA’s die niet door kippen worden gesynthetiseerd; b) verschillende AA’s (cystine, glutamaat, glycine, proline en tyrosine) die door dieren in verschillende mate worden gesynthetiseerd uit hetzij EAA’s hetzij α-ketoglutaraat plus ammoniak; en c) geen gegevens over alanine, aspartaat, asparagine, glutamine of serine. Merk op dat de patronen van AA-samenstelling in het ideale eiwit voor kuikens, zoals voorgesteld door Scott en Baker , aanzienlijk verschillen voor glycine en proline, en in mindere mate voor vertakte AA-keten, histidine, en zwavelhoudende AA. Deze verschillen kunnen het gevolg zijn van in de literatuur gerapporteerde variaties in de AA-samenstelling van kippen. Omdat het gehalte aan proline plus hydroxyproline in het lichaam van vleeskuikens toen nog niet bekend was, was de relatief kleine hoeveelheid proline in het aanbevolen ideale eiwit slechts arbitrair vastgesteld en kon dit de respons van de dieren op EAA-voeder beperken in hun maximale groei en productieprestaties. Daarentegen werden zeer grote hoeveelheden glutamaat (b.v. 13 maal de lysinewaarde in de gewijzigde referentiestandaard van Sasse en Baker) gebruikt om vermoedelijk te voorzien in de volledige behoefte aan “niet-specifieke AA N”. Belangrijke vragen of glutamaat deze rol vervulde en of een teveel aan glutamaat het transport, metabolisme en gebruik van andere AA’s bij kippen zou kunnen verstoren, werden door de Illinois-onderzoekers echter niet beantwoord. Mogelijk als gevolg van deze zorgen en de publicatie van de NRC voedingsbehoeften voor pluimvee in 1994 , nam Baker glutamaat, glycine of proline niet op in een ideaal eiwit voor diëten van 0- tot 56-d-jaar oude kippen in zijn aangepaste University of Illinois Ideale Verhoudingen van Aminozuren voor vleeskippen in 1997 (Tabel 2).

Swine

Werkzaamheden aan het ideale eiwit voor pluimveediëten legden een basis voor latere studies met groeiende varkens. Zo stelde de Britse voedingsdeskundige Cole in 1980 voor om varkensvoeders samen te stellen met ideale verhoudingen van EAA’s (met lysine als referentie-AAA) op basis van hun concentraties in het varkenskarkas (bijna uitsluitend weefseleiwitten) . Dit idee werd eerst door de Britse Agricultural Research Council (ARC) in 1981 en vervolgens door de Amerikaanse National Research Council (NRC) in 1988 overgenomen. Helaas werden histidine, arginine en alle synthetiseerbare AA niet opgenomen in het door de ARC gehanteerde concept van ideaal eiwit (tabel 3). Ook was de conceptuele basis, uitsluitend gebaseerd op de EAA-samenstelling van het lichaam, gebrekkig, omdat het patroon van AA in de voeding niet de samenstelling van AA in het dier weerspiegelt. Deze discrepantie kan als volgt worden verklaard: (a) de afzonderlijke AA’s in de voeding ondergaan in de dunne darm uitgebreide katabolismen en transformaties in verschillende snelheden; b) de concentraties van AA’s in de circulatie verschillen aanzienlijk van de relatieve abundantie van AA’s in de voeding; c) de afzonderlijke AA’s in plasma hebben verschillende metabolische bestemmingen in verschillende dierlijke weefsels; en d) de abundantie van AA’s in weefseleiwitten verschilt sterk van die in de voeding . Deze belangrijke tekortkomingen beperken de bruikbaarheid van de vroege versies van het ideale eiwit bij het formuleren van varkensvoeders voor maximale groei of productieprestaties van varkens.

Dieet-AA zijn door dieren voornamelijk nodig voor onderhoud (inclusief de synthese van niet-eiwitmetabolieten) en eiwitaccretie . In het ideale eiwitconcept van het ARC werd echter geen rekening gehouden met de relatieve bijdrage van onderhoud aan de totale AA-behoeften van het varken. Dit was ten dele te wijten aan technische problemen bij het nauwkeurig bepalen van de onderhoudsbehoeften aan AA, die de vervanging van afgebroken eiwitten omvatten, alsook het gebruik van AA voor de synthese van stoffen met een laag moleculair gewicht en de ATP-productie . Tussen 1989 en 1990 hebben T.C. Wang en M.F. Fuller, in een poging om het oorspronkelijke ideale eiwitconcept te verbeteren, gelten met een gewicht tussen 25 en 50 kg gebruikt om een ideaal AA-voedingspatroon te schatten dat zowel de behoefte aan onderhoudseiwitten als die aan weefseleiwitten omvatte. Deze twee auteurs hielden echter ook geen rekening met arginine, histidine of alle zogenaamde NEAA in het ideale eiwit, hoewel zij glutamaat gebruikten met een waarde van 826% van de lysinewaarde om niet-specifiek AA-stikstof te leveren. Net als bij de studies met kippen in de jaren zestig en zeventig, bestond er ook bezorgdheid over de veronderstellingen voor de opname van dit hoge glutamaatgehalte in het varkensvoer, waarin alle andere NEAA ontbreken. Hoewel glutamaat werd gebruikt om isonitrogene diëten te bereiden in de eerdere studies, was geen van deze onderzoekers van mening dat dieren een dieetbehoefte van glutamaat hebben voor optimale groei en productieprestaties.

Het erkennen van de noodzaak om het ideale eiwitconcept te wijzigen voor het formuleren van varkensdiëten, heeft D.H. Baker zich tussen 1990 en 2000 grote inspanningen getroost om de dieetbehoefte van EAA door 10-20 kg varkens te evalueren. In hun oorspronkelijke studie voegden D.H. Baker en zijn student T.K. Chung arginine (42% van de lysine), glycine (100% van de lysine), histidine (32% van de lysine), en proline (33% van de lysine) toe aan het basisvoeder dat 1,2% werkelijk verteerbare lysine bevatte, en gebruikten zij glutamaat op 878% van de lysinewaarde om niet-specifieke AA-stikstof te leveren. Andere synthetiseerbare AA’s (waaronder alanine, aspartaat, asparagine, cysteïne, glutamine, serine en tyrosine) werden echter niet in aanmerking genomen in de herziene versie van het ideale eiwit en de beweegredenen voor het gebruik van arginine, glycine, histidine en proline in verschillende verhoudingen tot lysine werden niet toegelicht. Voorts waren de grondslagen voor andere veronderstellingen onbekend, waaronder: (a) of glutamaat een effectieve precursor is voor voldoende synthese van alle andere AA (inclusief aspartaat, glutamine, en serine) in specifieke weefsels (b.v. de dunne darm, milt, en lymfeknopen) en het gehele lichaam; of (b) of het hoge gehalte aan glutamaat in de voeding het transport, metabolisme en gebruik van andere AA in de voeding kan beïnvloeden. Bovendien werd weinig aandacht besteed aan de inter-orgaan fluxen van aminozuren in verhouding tot hun intracellulaire metabolisme. Bijvoorbeeld, slechts ~5% van het glutamaat in de voeding komt in de portale circulatie bij groeiende varkens. Bovendien, hoewel intracellulair glutamaat wordt gebruikt om aspartaat te synthetiseren, hebben vele extra-intestinale weefsels en cellen (b.v. lever en rode bloedcellen) een beperkt vermogen om glutamaat op te nemen uit de bloedsomloop. De 10e editie van de Nutrient Requirements van de NRC voor varkens, gepubliceerd in 1998, erkende niet de behoefte van varkens aan proline of glycine in de voeding; daarom liet Baker glycine en proline weg uit de laatste versie van zijn “ideale eiwit” voor varkensvoerformuleringen in 2000, net als hij in 1997 deed . In de afgelopen twee decennia zijn er succesvolle pogingen geweest om de patronen van sommige AA’s in diëten voor zogende, zogende, gespeende, afmestende en drachtige varkens te verfijnen door toevoeging van arginine, glutamine, glutamaat, proline of glycine, of door het bepalen van de groei van de melkklieren, veranderingen in de AA-samenstelling van het gehele lichaam, en melkgiften bij zogende zeugen. De resultaten zijn een toename van de groei bij pasgeborenen en na het spenen, van de lactatieprestaties en van de worpgrootte bij varkens.

Er zijn steeds meer aanwijzingen dat zowel EAA als NEAA (bijv. arginine, glutamine, glutamaat, glycine en proline) een belangrijke rol spelen bij de regulering van genexpressie, celsignalering, voedingsstoftransport en metabolisme, intestinale microbiota, antioxidatieve reacties en immuunreacties . Op basis van deze overtuigende bewijzen uit dierstudies hebben Wu en collega’s het nieuwe concept van functionele AA’s voorgesteld, die worden gedefinieerd als AA’s die deelnemen aan belangrijke metabolische routes en deze reguleren om de gezondheid, overleving, groei, ontwikkeling, lactatie en voortplanting van de organismen te verbeteren. De metabolische routes omvatten: (a) intracellulaire eiwitomzet (synthese en afbraak) en daarmee samenhangende gebeurtenissen; b) AA-synthese en -katabolisme; c) generatie van kleine peptiden, stikstofhoudende metabolieten en zwavelhoudende stoffen (bv. H2S); d) ureumcyclus en urinezuursynthese; e) vet- en glucosemetabolisme; f) één-koolstofeenhedenmetabolisme en DNA-synthese; en g) cellulaire redoxsignalering. Functionele AA kunnen uit voedingsoogpunt “essentiële”, “niet-essentiële” of voorwaardelijk essentiële AA zijn. Met name is het concept van functionele AA’s in de voeding ook overgenomen voor vis, gevogelte en kleine laboratoriumdieren (bv. muizen en ratten). Lezers worden verwezen naar recente reviews en originele onderzoeksartikelen over deze nieuwe ontwikkelingen.

Texas A&M University’s optimale verhoudingen van aminozuren in diëten voor varkens en kippen

De koolstofskeletten van EAA (inclusief tyrosine en cysteïne) worden niet gesynthetiseerd uit niet-AA stoffen in dieren . Zoals eerder opgemerkt, is de synthese van NEAA uit EAA bij dieren ontoereikend voor hun maximale groei, melkproductie en voortplantingsprestaties of voor een optimale ontwikkeling en gezondheid. De traditionele indeling van AA als EAA of NEAA is dus louter een definitiekwestie. Uit nieuwe gegevens blijkt bijvoorbeeld dat arginine, glutamine, glutamaat en glycine een belangrijke rol spelen bij de regulering van genexpressie, celsignalering, antioxidatieve reacties en immuniteit. Bovendien zijn glutamaat, glutamine, en aspartaat belangrijke metabolische brandstoffen voor enterocyten en reguleren ook de intestinale en neurologische ontwikkeling en functie. Bovendien is glutamine essentieel voor ATP productie, synthese van nucleotiden, expressie van anti-oxidatieve genen, en redox signalering in enterocyten . Verder activeert glutamaat chemische sensing in het maagdarmkanaal en remt mogelijk de afbraak van zowel EAA als NEAA door intestinale microben . Tenslotte zijn proline en arginine, de belangrijkste bronnen van ornithine voor de intestinale en placentale synthese van polyamines, essentieel voor de synthese van DNA en eiwitten en nemen zij ook deel aan de methylering van eiwitten en DNA, en daarmee aan de genetische en epigenetische regulering van celgroei en -ontwikkeling. Gezamenlijk hebben dieren voedingsbehoeften aan alle synthetiseerbare AA om hun volledige genetische potentieel voor groei, ontwikkeling, voortplanting, lactatie en weerstand tegen infectieziekten te bereiken.

De samenstelling van EAA in voederingrediënten en de werkelijke ileale verteerbaarheid van EAA bij varkens en pluimvee zijn gepubliceerd. Als een eerste stap om de NEAA-behoeften van dieren te bepalen, hebben wij onlangs de samenstelling van alle eiwit-AA’s in belangrijke voedermiddelen en in dierlijke weefsels bepaald. Voorbeelden worden gegeven in tabel 4 voor maïskorrels, sojameel, sorghumkorrels, en vleesbeendermeel &. Op basis van eerdere studies naar AA-biochemie en -voeding (inclusief AA-metabolisme en eiwitstoename in weefsels) bij pluimvee, bijv. 3, en varkens, bijv. , wil de auteur van dit werk de optimale verhoudingen van werkelijk verteerbaar AA in diëten voor varkens (tabel 5) en kippen (tabel 6) tijdens verschillende groei- en productiefasen van de Texas A&M University voorstellen. De waarden voor 5- tot 10-kg jonge varkens zijn voornamelijk gebaseerd op de volgende overwegingen (a) de opname van AA uit de voeding in de poortader bij 30 dagen oude, gespeende varkens, vergeleken met de accumulatie van AA in het lichaam; b) de gepubliceerde gegevens van Baker en de NRC over de behoefte aan EAA in de voeding; en c) de geschatte snelheid van de synthese, het katabolisme en de accretie van AA in het lichaam. Meer in het bijzonder zijn deze schattingen dat: (a) de netto-synthese van aspartaat, arginine, glutamaat, glutamine, glycine en proline in extra-intestinale weefsels van 5-10 kg post-speenvarkens bedraagt respectievelijk 195, 361, 415, 1149, 331 en 276 mg/kg lichaamsgewicht per dag; (b) het katabolisme (met inbegrip van oxidatie en synthese van stoffen met een laag moleculair gewicht) van alanine en tyrosine in weefsels buiten de darmen bedraagt 30% van het tempo waarin deze in de lichaamseiwitten worden opgenomen; c) het katabolisme (met inbegrip van oxidatie) van leucine en isoleucine in weefsels buiten de darmen bedraagt respectievelijk 30% en 25% van het tempo waarin deze in de lichaamseiwitten worden opgenomen; (d) het katabolisme (met inbegrip van oxidatie) van asparagine in weefsels buiten de darmen bedraagt 124 mg/kg lichaamsgewicht per dag; e) het katabolisme (met inbegrip van oxidatie) van valine en serine in weefsels buiten de darmen bedraagt 15% van het percentage van deze stoffen dat in lichaamseiwitten wordt opgenomen; f) het katabolisme (met inbegrip van oxidatie) van fenylalanine in weefsels buiten de darmen bedraagt 124 mg/kg lichaamsgewicht per dag; en g) de verhouding fenylalanine/tyrosine bedraagt 6040, terwijl de verhouding van methionine tot cysteïne 1:1 is. Bovendien zijn de optimale AA-verhoudingen in diëten voor drachtige en zogende zeugen van de Texas A/3790>M University gebaseerd op eerdere studies naar de AA-samenstelling van het rantsoen, de ileale verteerbaarheid van AA in voederbestanddelen (tabel 4 en ref. ), de samenstelling van EAA en NEAA in het lichaam (tabel 4), de overleving en groei van embryo’s en foetussen, alsmede de melkproductie en de groei van biggen.

Een aantal aanvullende opmerkingen over de optimale AA-verhoudingen in het rantsoen van de Texas A&M University zijn gerechtvaardigd. Ten eerste neemt de auteur de waarden van de NRC voor lysine, methionine, threonine en tryptofaan over in het model van de Texas A&M University voor 5- tot 10-kg-varkens. Ten tweede zijn de optimale verhoudingen van EAA in het dieet van oudere varkens gebaseerd op de suggesties van de NRC en Baker, in die zin dat de verhoudingen van tryptofaan, zwavel-AA, en threonine tot lysine (alle gebaseerd op de werkelijke verteerbaarheid van EAA) licht stijgen met de leeftijd, terwijl de verhoudingen van andere EAA tot lysine niet wezenlijk veranderen tijdens de postnatale ontwikkeling. Ten derde is dit de eerste keer dat NEAA zijn opgenomen in de optimale AA-voedingsverhoudingen voor varkens en pluimvee in verschillende fysiologische stadia. Ten vierde, voor EAA zijn de verhoudingen van BCAA, histidine, fenylalanine of tyrosine tot lysine in de optimale voedingsverhoudingen van de Texas A&M University hoger dan die welke door de NRC en Baker voor varkens worden voorgesteld. Dit is gebaseerd op de volgende overwegingen : (a) BCAA worden actief afgebroken in extra-hepatische en extra-intestinale weefsels; b) leucine kan de spiereiwitsynthese bij jonge varkens stimuleren; c) leucine, isoleucine en valine moeten in een juiste verhouding aanwezig zijn om een verstoring van het AA-evenwicht te voorkomen; d) grote hoeveelheden histidinebevattende dipeptiden zijn aanwezig in de skeletspieren; en e) tyrosine wordt actief gebruikt in meerdere stofwisselingstrajecten en het koolstofskelet ervan wordt bij dieren alleen gevormd uit fenylalanine. Tenslotte vormden de gegevens over de EAA-behoeften van kippen via de voeding, samen met de samenstelling van EAA en NEAA en de AA-accretie in het lichaam (85 en tabel 4) en nieuwe kennis van het AA-metabolisme bij vogels, de basis voor de voorgestelde optimale aminozuurratio’s in het kippenvoer van de Texas A&M University (tabel 7). De aanbevolen waarden voor EAA- en NEAA-vereisten moeten worden herzien naarmate nieuwe en overtuigende experimentele gegevens beschikbaar komen.