Aminokwasy (AA) są budulcem białek i muszą być obecne w komórkach do syntezy polipeptydów . Szkielety węglowe jedenastu z tych AA (mianowicie cysteiny, histydyny, izoleucyny, leucyny, lizyny, metioniny, fenyloalaniny, treoniny, tryptofanu, tyrozyny i waliny) nie są syntetyzowane z non-AA cząsteczek w komórkach jakichkolwiek zwierząt. Dlatego są one klasyfikowane jako odżywczo niezbędne AA (EAA) i muszą być zawarte w dietach dla zwierząt innych niż przeżuwacze, aby utrzymać fizjologiczne funkcje komórek, tkanek i całego organizmu. Ma to szczególne znaczenie dla jelita cienkiego, ponieważ jego błona podstawowa nie ma zdolności do pobierania z krążenia tętniczego istotnej pod względem odżywczym ilości wszystkich AA, z wyjątkiem glutaminy.

Klasyczne podręczniki do żywienia zwierząt nie uważają cysteiny ani tyrozyny za EAA, ponieważ mogą one być syntetyzowane odpowiednio z metioniny i fenyloalaniny w wątrobie. Jednak niezdolność wszystkich zwierząt do tworzenia szkieletów węglowych dla metioniny i fenyloalaniny oznacza, że nie zachodzi synteza de novo cysteiny lub tyrozyny. Również komórki błony śluzowej jelita musi zależeć od cysteiny i tyrozyny jako istotnych prekursorów do syntezy polipeptydów . Ponadto, zawierające siarkę lub aromatyczne AA we krwi tętniczej są w dużej mierze niedostępne dla enterocytów (absorpcyjne komórki kolumnowe w jelicie cienkim). Tak więc, obecność cysteiny i tyrozyny w dietach, które mogą zmniejszyć potrzeby żywieniowe ich prekursora AA, są niezbędne do utrzymania normalnej struktury i funkcji jelita .

Rose rozważyć potrzeby żywieniowe niektórych z tradycyjnie klasyfikowanych NEAA w swoich badaniach na ludziach w 1940s i 1950s, i poinformował, że pominięcie NEAA z diety nie wpływa na bilans azotu w zdrowych dorosłych podczas ośmiodniowego okresu eksperymentalnego . Tak więc, od dawna zakłada się, że wszystkie „odżywczo nieistotne aminokwasy (NEAA)” są wystarczająco syntetyzowane w organizmie, aby zaspokoić potrzeby maksymalnego wzrostu i optymalnego zdrowia. Jednak dokładna analiza literatury naukowej ujawnia, że w ciągu ostatniego stulecia nie było przekonujących dowodów eksperymentalnych na poparcie tego założenia. Rzeczywiście, w latach 60-tych i 70-tych, A.E. Harper i inni badacze stwierdzili, że brak NEAA z kurczaka i szczurów diety nie może wspierać maksymalny wzrost tych zwierząt . Rosnące dowody wskazują, że prawie wszystkie z tych syntetyzowanych AA są nieodpowiednio obecne w typowych białek roślinnych (np. kukurydza i mączka sojowa) -based diety dla rosnących świń w stosunku do optymalnej syntezy białka całego ciała . Wyniki ostatnich badań wykazały, że NEAA mają ważne role regulacyjne w metabolizmie składników odżywczych, aby sprzyjać wzrost tkanki beztłuszczowej i redukcji białej tkanki tłuszczowej. Wyraźnie widać, że zwierzęta mają wymagania żywieniowe nie tylko dla EAA, ale także NEAA, aby osiągnąć maksymalny wzrost i wydajność produkcji. Ta nowa koncepcja doprowadziła do zmiany paradygmatu w naszym rozumieniu żywienia białkowego i jest podkreślona w niniejszym artykule przeglądowym.

Definicje wymagań diety AA

Wymagania diety AA mogą być klasyfikowane jako jakościowe i ilościowe . Jakościowe wymagania są związane z pytaniem „jakie AA są wymagane do utrzymania, optymalnej wydajności (np. wzrost, laktacja, reprodukcja i zawody sportowe) i optymalnego zdrowia (np. zapobieganie przewlekłym zaburzeniom metabolicznym, odporność na choroby zakaźne i powrót do zdrowia po chorobie)?”. Wymagania ilościowe odnoszą się do pytania „ile AA jest wymagane do utrzymania, optymalnego wzrostu i optymalnego stanu zdrowia?”. Eksperymenty żywieniowe były tradycyjnie stosowane w celu określenia zarówno jakościowych, jak i ilościowych wymagań AA z diety przez zwierzęta . Minimalne wymagania AA można również oszacować za pomocą tak zwanej analizy czynnikowej, to jest pomiarów utraty N przez zwierzęta karmione dietą bezazotową lub AA poprzez mocz, kał, gaz i inne drogi (utrzymanie) + AA zdeponowane w zwierzętach + AA wydalane jako produkty zwierzęce (np. mleko, jaja, wełna i płód) . W ciągu ostatnich trzech dekad, badania obejmujące radioaktywne i stabilne znaczniki AA były stosowane wraz z techniką bilansu N w celu określenia zapotrzebowania żywieniowego na EAA przez ludzi i zwierzęta gospodarskie. Bardziej nowoczesne metody obejmują wykorzystanie bezpośrednich i pośrednich wskaźników utleniania AA w okresie kilku godzin. Z nieznanych jeszcze powodów, metody utleniania AA generalnie przyniosły znacznie wyższe wartości wymagań żywieniowych EAA przez ludzi niż badania bilansu azotowego. Czytelnicy są odsyłani do ostatnich artykułów, aby uzyskać wgląd w historyczny rozwój dietetycznych wymagań AA. Obecnie niewiele wiadomo o wymaganiach żywieniowych dla NEAA przez ssaków, ptaków lub ryb.

Rozwój koncepcji idealnego białka w żywieniu zwierząt

Kurczaki

Począwszy w późnych latach 50-tych, Mitchell i Scott na Uniwersytecie Illinois konceptualizacji idealnego białka (optymalne proporcje i ilości EAA) dla diety kurcząt . NEAA nie były brane pod uwagę przez tych autorów. Wczesne próby zdefiniowania idealnego białka były oparte na składzie EAA jaj i kazeiny, ale były w dużej mierze nieudane z powodu nadmiaru wielu EAA. W 1960 roku grupa Scotta symulowała profil EAA w tuszce kurcząt, aby zaprojektować zmieniony wzór diety EAA w idealnym białku dla poprawy wydajności wzrostu kurcząt. Poprawa w idealnym białka rzeczywiście osiągnięto przy użyciu tego podejścia, ale pozostał niezadowalający ze względu na brak NEAA w diecie. Jednak dane dotyczące składu wszystkich EAA lub NEAA w kurczętach nie były dostępne. Następnie, mieszanina kilku AA (cystyny, glicyny, proliny i glutaminianu), które są syntetyzowane z istniejących wcześniej AA (w tym EAA) przez ptaki i wcześniej uważano za NEAA w żywieniu kurcząt, została wykorzystana w preparatach dietetycznych, aby uzyskać lepsze wyniki w wydajności wzrostu. Te szeroko zakrojone badania w latach 60. i 70. ubiegłego wieku doprowadziły do powstania kilku wersji „normy zapotrzebowania na AA dla kurcząt” w pierwszych trzech tygodniach po wykluciu. Wartości referencyjne zostały podane w normie Deana i Scotta, normie Hustona i Scotta, zmodyfikowanej normie Sasse i Bakera oraz idealnej białce kurcząt Bakera i Hana (tabela 1). Wspólne cechy tych różnych zalecanych standardów wymagań żywieniowych AA przez kurczaki są takie, że diety zawierały: (a) wszystkie EAA, które nie są syntetyzowane przez kurczęta; (b) kilka AA (cystyna, glutaminian, glicyna, prolina i tyrozyna), które są syntetyzowane z EAA lub α-ketoglutaranu plus amoniak przez zwierzęta w różnym stopniu; i (c) brak danych na temat alaniny, asparaginianu, asparaginy, glutaminy lub seryny. Należy zauważyć, że wzorce składu AA w idealnym białku dla kurcząt, jak zaproponowano przez Scotta i Bakera , różnią się znacznie dla glicyny i proliny oraz, w mniejszym stopniu, dla AA o rozgałęzionych łańcuchach, histydyny i AA zawierających siarkę. Różnice te mogą odzwierciedlać różnice w składzie AA u kurcząt podawanych w literaturze. Ponieważ zawartość proliny i hydroksyproliny w organizmie kurcząt nie była znana w tym czasie, stosunkowo niewielka ilość proliny w zalecanym idealnym białku była tylko arbitralnie ustalona i mogła ograniczać reakcje zwierząt na dietetyczne EAA w ich maksymalnym wzroście i wydajności produkcyjnej. W przeciwieństwie do tego, bardzo duże ilości glutaminianu (np. 13 razy więcej niż lizyna w zmodyfikowanym wzorcu referencyjnym Sasse i Bakera) zostały użyte, aby przypuszczalnie zaspokoić całe zapotrzebowanie na „niespecyficzne AA N”. Jednak kluczowe pytania dotyczące tego, czy glutaminian spełniał tę rolę i czy nadmiar glutaminianu może zakłócać transport, metabolizm i wykorzystanie innych AA u kurcząt nie zostały poruszone przez badaczy z Illinois. Prawdopodobnie ze względu na te obawy i publikację wymagań żywieniowych NRC dla drobiu w 1994 roku, Baker nie uwzględnił glutaminianu, glicyny lub proliny w idealnym białku dla diet 0- do 56-dniowych kurcząt w swoim zmodyfikowanym University of Illinois Ideal Ratios of Amino Acids dla kurcząt brojlerów w 1997 roku (Tabela 2).

Swine

Prace nad idealnym białkiem dla diet drobiowych położyły podwaliny pod późniejsze badania z rosnącymi świniami. Tak więc, brytyjski dietetyk Cole zasugerował w 1980 roku, że diety świń mogą być sformułowane, aby zawierać idealne proporcje EAA (z lizyną jako AA odniesienia) w oparciu o ich stężenia w tuszy wieprzowej (prawie wyłącznie białek tkankowych) . Pomysł ten został przyjęty najpierw przez brytyjską Radę Badań Rolniczych (ARC) w 1981 roku, a następnie przez amerykańską Narodową Radę Badań (NRC) w 1988 roku. Niestety, histydyna, arginina i wszystkie możliwe do syntezy AA nie zostały uwzględnione w koncepcji idealnego białka opracowanej przez ARC (tab. 3). Również jego fundament koncepcyjny oparty wyłącznie na składzie EAA w organizmie był wadliwy, ponieważ wzór AA w diecie nie odzwierciedla składu AA w zwierzęciu. To niedopasowanie może być wyjaśnione w następujący sposób: (a) poszczególne AA w diecie przechodzą rozległy katabolizm i transformacje w różnym tempie w jelicie cienkim; (b) stężenia AA w krążeniu różnią się znacznie od względnej obfitości AA w diecie; (c) poszczególne AA w osoczu mają różne losy metaboliczne w różnych tkankach zwierzęcych; i (d) obfitość AA w białkach tkanek różni się znacznie od tej w diecie . Te poważne niedociągnięcia ograniczają przydatność wczesnych wersji idealnego białka w formułowaniu diet dla świń dla maksymalnego wzrostu lub wydajności produkcyjnej świń.

Dietetyczne AA są wymagane przez zwierzęta głównie do utrzymania (w tym syntezy metabolitów niebiałkowych) i akrecji białka . Jednak idealna koncepcja białka ARC nie uwzględnia względnego wkładu utrzymania do całkowitego zapotrzebowania na AA u świni. Było to spowodowane, w części, technicznymi wyzwaniami do dokładnego określenia wymagań konserwacyjnych AA, które obejmują zastąpienie zdegradowanych białek, jak również wykorzystanie AA do syntezy substancji o niskiej masie cząsteczkowej i produkcji ATP . W latach 1989-1990, w próbach udoskonalenia oryginalnej koncepcji idealnego białka, T.C. Wang i M.F. Fuller wykorzystali loszki w zakresie wagowym od 25 do 50 kg do oszacowania idealnego wzorca diety AA, który obejmował wymagania zarówno dla utrzymania, jak i akumulacji białka tkankowego. Jednak te dwa autorzy również nie uwzględniać argininy, histydyny lub wszystkich tak zwanych NEAA w idealnym białka chociaż używali glutaminianu na 826% wartości lizyny, aby zapewnić niespecyficzne AA azotu . Jak dla badań z kurcząt w latach 60-tych i 70-tych, były również obawy dotyczące założeń włączenia tego wysokiego poziomu glutaminianu w diecie świń, że brakuje wszystkich innych NEAA. Podczas gdy glutaminian był używany do przygotowania izonitrogennych diet w poprzednich badaniach, żaden z tych badaczy nie wziął pod uwagę, że zwierzęta mają dietetyczne zapotrzebowanie na glutaminian dla optymalnego wzrostu i wydajności produkcyjnej.

Zauważywszy potrzebę modyfikacji koncepcji idealnego białka do formułowania diet dla świń, D.H. Baker podjął wielkie wysiłki w latach 1990-2000, aby ocenić wymagania żywieniowe EAA przez 10-20 kg świń. W swoich oryginalnych badaniach, D.H. Baker i jego student T.K. Chung dodali argininę (42% lizyny), glicynę (100% lizyny), histydynę (32% lizyny) i prolinę (33% lizyny) do diety podstawowej zawierającej 1,2% prawdziwej strawnej lizyny i wykorzystującej glutaminian na poziomie 878% wartości lizyny w celu dostarczenia niespecyficznego AA-nitrogenu. Jednak inne syntetyzowane AA (w tym alanina, asparagina, asparagina, cysteina, glutamina, seryna i tyrozyna) nie zostały uwzględnione w zmienionej wersji idealnego białka, a uzasadnienie dla stosowania argininy, glicyny, histydyny i proliny w różnych proporcjach do lizyny nie zostało wyjaśnione. Ponadto nieznane były podstawy dla innych założeń, w tym: (a) czy glutaminian jest skutecznym prekursorem dla wystarczającej syntezy wszystkich innych AA (w tym asparaginianu, glutaminy i seryny) w określonych tkankach (np. w jelicie cienkim, śledzionie i węzłach chłonnych) oraz w całym organizmie; lub (b) czy wysoka zawartość glutaminianu w diecie może wpływać na transport, metabolizm i wykorzystanie innych AA w diecie. Ponadto, niewiele uwagi poświęcono przepływom między narządami aminokwasów w stosunku do ich metabolizmu wewnątrzkomórkowego. Na przykład, tylko ~5% diety glutaminianu wchodzi do krążenia wrotnego w rosnących świń . Ponadto, chociaż wewnątrzkomórkowy glutaminian jest używany do syntezy asparaginianu, wiele tkanek i komórek pozajelitowych (np. wątroba i czerwone krwinki) mają ograniczoną zdolność do podejmowania glutaminianu z krążenia krwi. Dziesiąta edycja NRC Swine Nutrient Requirements opublikowana w 1998 roku nie rozpoznała potrzeb świń na dietetyczną prolinę lub glicynę, dlatego Baker pominął glicynę i prolinę z ostatniej wersji jego „idealnego białka” dla formuł żywieniowych świń w 2000 roku, jak to zrobił w 1997 roku . W ciągu ostatnich dwóch dekad, nie było udanych prób udoskonalenia wzorców niektórych AA w dietach dla świń laktacyjnych, ssących, odsadzenia, wykończeniowych i ciąży przez dodanie argininy, glutaminy, glutaminianu, proliny, lub glicyny, lub poprzez określenie wzrostu gruczołu mlekowego, zmiany składu całego ciała AA, a wydajność mleka w laktacji loch . Wyniki są zwiększenie wzrostu noworodków i po odsadzeniu, wydajność laktacji i wielkość miotu u świń.

Rosnące dowody pokazują, że zarówno EAA i NEAA (np. arginina, glutamina, glutaminian, glicyna i prolina) odgrywają ważną rolę w regulacji ekspresji genów, sygnalizacji komórkowej, transportu składników odżywczych i metabolizmu, mikrobioty jelitowej, odpowiedzi antyoksydacyjnej i odpowiedzi immunologicznej . Na podstawie tych linii przekonujących dowodów z badań na zwierzętach, Wu i współpracownicy zaproponowali nową koncepcję funkcjonalnych AA, które są zdefiniowane jako te AA, które uczestniczą i regulują kluczowe szlaki metaboliczne w celu poprawy zdrowia, przeżycia, wzrostu, rozwoju, laktacji i reprodukcji organizmów. Ścieżki metaboliczne obejmują: (a) wewnątrzkomórkowy obrót białek (synteza i degradacja) i związane z tym zdarzenia; (b) synteza i katabolizm AA; (c) wytwarzanie małych peptydów, metabolitów azotowych i substancji zawierających siarkę (np. H2S); (d) cykl mocznikowy i synteza kwasu moczowego; (e) metabolizm lipidów i glukozy; (f) metabolizm jednowęglowy i synteza DNA; oraz (g) komórkowa sygnalizacja redoks. Funkcjonalne AA mogą być odżywczo „niezbędne”, „nieistotne” lub warunkowo niezbędne AA. Warto zauważyć, że koncepcja funkcjonalnych AA w żywieniu została również przyjęta dla ryb, drobiu i małych zwierząt laboratoryjnych (np. myszy i szczurów). Czytelnicy są kierowani do ostatnich przeglądów i oryginalnego artykułu badawczego na temat tych nowych osiągnięć .

Texas A&M University optymalne proporcje aminokwasów w dietach dla świń i kurcząt

Szkielety węglowe EAA (w tym tyrozyny i cysteiny) nie są syntetyzowane z substancji nie-AA w zwierzętach . Jak zauważono wcześniej, synteza NEAA z EAA u zwierząt jest nieodpowiednia dla ich maksymalnego wzrostu, produkcji mleka i wydajności reprodukcyjnej lub dla optymalnego rozwoju i zdrowia. Tak więc, tradycyjna klasyfikacja AA jako EAA lub NEAA jest wyłącznie kwestią definicji. Na przykład, pojawiające się dowody wskazują, że arginina, glutamina, glutaminian i glicyna odgrywają ważną rolę w regulacji ekspresji genów, sygnalizacji komórkowej, odpowiedzi antyoksydacyjnej i odporności. Ponadto, glutaminian, glutamina i asparaginian są głównymi paliwami metabolicznymi dla enterocytów, a także regulują rozwój jelit i funkcji neurologicznych. Ponadto, glutamina jest niezbędna do produkcji ATP, syntezy nukleotydów, ekspresji genów antyoksydacyjnych i sygnalizacji redoks w enterocytach. Co więcej, glutaminian aktywuje detekcję chemiczną w przewodzie pokarmowym i może hamować degradację EAA i NEAA przez mikroby jelitowe. Wreszcie, prolina i arginina, które są głównym źródłem ornityny dla jelitowej i łożyskowej syntezy poliamin, są niezbędne do syntezy DNA i białek, a także uczestniczą w metylacji białek i DNA, a tym samym w genetycznej i epigenetycznej regulacji wzrostu i rozwoju komórek. Łącznie, zwierzęta mają wymagania żywieniowe dla wszystkich syntetyzowanych AA, aby osiągnąć swój pełny potencjał genetyczny do wzrostu, rozwoju, reprodukcji, laktacji i odporności na choroby zakaźne .

Skład EAA w składnikach pasz i prawdziwe strawności krętej EAA u świń i drobiu zostały opublikowane. Jako wstępny krok do określenia zapotrzebowania zwierząt na NEAA, ostatnio określiliśmy skład wszystkich białek-AA w głównych paszach i w tkankach zwierzęcych. Przykłady podano w tabeli 4 dla ziarna kukurydzy, śruty sojowej, ziarna sorgo i mączki mięsnej & kostnej. W oparciu o dotychczasowe badania biochemii i żywienia AA (w tym metabolizmu AA i przyrostów białek tkankowych) u drobiu np. 3, i świń np. , autor niniejszej pracy chciałby zaproponować opracowane przez Texas A&M University optymalne proporcje prawdziwie strawnych AA w dietach dla świń (tab. 5) i kurcząt (tab. 6) w różnych fazach wzrostu i produkcji. Wartości dla 5- do 10-kg młodych świń opierają się przede wszystkim na uwzględnieniu: (a) wejścia AA z diety do żyły wrotnej dla 30-dniowych świń po odsadzeniu, w porównaniu do akrecji AA w organizmie ; (b) opublikowanych danych Bakera i NRC na temat wymagań EAA w diecie; oraz (c) szacowanych szybkości syntezy, katabolizmu i akrecji AA w organizmie . W szczególności szacuje się, że: (a) wskaźniki syntezy netto asparaginianu, argininy, glutaminianu, glutaminy, glicyny i proliny w tkankach pozajelitowych świń po odsadzeniu o masie ciała 5-10 kg wynoszą odpowiednio 195, 361, 415, 1149, 331 i 276 mg/kg masy ciała na dzień; (b) tempo katabolizmu (w tym utleniania i syntezy substancji o niskiej masie cząsteczkowej) alaniny i tyrozyny w tkankach pozajelitowych wynosi 30% ich tempa gromadzenia w białkach ustrojowych; (c) tempo katabolizmu (w tym utleniania) leucyny i izoleucyny w tkankach pozajelitowych wynosi odpowiednio 30% i 25% ich tempa gromadzenia w białkach ustrojowych; (d) tempo katabolizmu (w tym utleniania) asparaginy w tkankach pozajelitowych wynosi 124 mg/kg masy ciała na dobę; (e) tempo katabolizmu (w tym utleniania) waliny i seryny w tkankach pozajelitowych wynosi 15% ich tempa gromadzenia się w białkach ustrojowych; (f) tempo katabolizmu (w tym utleniania) fenyloalaniny w tkankach pozajelitowych wynosi 124 mg/kg masy ciała na dobę; oraz (g) stosunek fenyloalaniny do tyrozyny wynosi 60:40, podczas gdy stosunek metioniny do cysteiny wynosi 1:1. Ponadto optymalne proporcje prawdziwie strawnych AA w dietach dla loch prośnych i karmiących ustalone przez Texas A&M University opierają się na wcześniejszych badaniach składu AA w diecie, krętej strawności AA w składnikach paszy (tabela 4 i ref. ), składu EAA i NEAA w organizmie (tabela 4), przeżywalności i wzrostu zarodka/płodu, a także produkcji mleka i wzrostu prosiąt.

Uzasadnionych jest kilka dodatkowych uwag dotyczących optymalnych proporcji AA w diecie opracowanych przez Texas A&M University. Po pierwsze, autor przyjmuje wartości NRC dla lizyny, metioniny, treoniny i tryptofanu w modelu Texas A&M University dla 5- do 10-kg świń. Po drugie, optymalne proporcje EAA w dietach starszych świń są oparte na sugestiach NRC i Bakera, że proporcje tryptofanu, siarki-AA i treoniny do lizyny (wszystkie oparte na prawdziwej strawności EAA) nieznacznie wzrastają z wiekiem, podczas gdy proporcje innych EAA do lizyny nie zmieniają się znacząco podczas rozwoju postnatalnego. Po trzecie, po raz pierwszy NEAA zostały uwzględnione w optymalnych proporcjach AA w diecie dla świń i drobiu na różnych etapach fizjologicznych. Po czwarte, w przypadku EAA, proporcje BCAA, histydyny, fenyloalaniny lub tyrozyny do lizyny w optymalnych proporcjach diety Texas A&M University są wyższe niż te zaproponowane przez NRC i Bakera dla świń. Wynika to z następujących względów : (a) BCAA są aktywnie degradowane w tkankach pozawątrobowych i pozajelitowych; (b) leucyna może stymulować syntezę białek mięśniowych u młodych świń; (c) leucyna, izoleucyna i walina powinny być w odpowiednim stosunku, aby zapobiec zaburzeniu równowagi AA; (d) duże ilości dipeptydów zawierających histydynę są obecne w mięśniach szkieletowych; i (e) tyrozyna jest aktywnie wykorzystywana w wielu szlakach metabolicznych, a jej szkielet węglowy jest tworzony tylko z fenyloalaniny u zwierząt. Wreszcie, dane dotyczące zapotrzebowania kurcząt na EAA w diecie, wraz ze składem EAA i NEAA, jak również akumulacją AA w organizmie (85 i Tabela 4) oraz nowa wiedza na temat metabolizmu AA u ptaków, stanowiły podstawę dla proponowanych przez Texas A&M University optymalnych proporcji aminokwasów w dietach kurcząt (Tabela 7). Zalecane wartości zapotrzebowania na EAA i NEAA muszą być weryfikowane w miarę pojawiania się nowych i przekonujących danych doświadczalnych.

.