Aminoácidos (AA) são blocos de construção para proteínas e devem estar presentes nas células para a síntese de polipeptídeos . Os esqueletos de carbono de onze destes AA (nomeadamente cisteína, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofano, tirosina e valina) não são sintetizados a partir de moléculas não-AA em células de quaisquer animais . Portanto, elas são classificadas como AA (EAA) nutricionalmente essenciais e devem ser incluídas em dietas para que não ruminantes mantenham as funções fisiológicas das células, tecidos e de todo o corpo. Isso assume particular importância para o intestino delgado, pois sua membrana basal não tem a capacidade de absorver uma quantidade nutricionalmente significativa de todos os AA, com exceção da glutamina, da circulação arterial .

Os livros didáticos de nutrição animal clássica não consideram a cisteína ou a tirosina como uma CEA , pois elas podem ser sintetizadas a partir da metionina e da fenilalanina no fígado, respectivamente. Entretanto, a incapacidade de todos os animais de formar os esqueletos de carbono para metionina e fenilalanina significa que não há uma nova síntese de cisteína ou tirosina. Além disso, as células da mucosa intestinal devem depender da cisteína e da tirosina como precursores essenciais para sintetizar os polipéptidos . Além disso, AA com enxofre ou aromáticos no sangue arterial não estão disponíveis para enterócitos (células colunares absorventes no intestino delgado). Assim, a presença de cisteína e tirosina nas dietas, que podem reduzir as necessidades dietéticas do seu precursor AA, são necessárias para manter a estrutura e função normal do intestino .

Rose considerou as necessidades dietéticas de algumas das NEAA tradicionalmente classificadas em seus estudos humanos nas décadas de 1940 e 1950, e relatou que a omissão de NEAA na dieta não afetou o equilíbrio de nitrogênio em adultos saudáveis durante um período experimental de oito dias . Assim, há muito que se supõe que todos os “aminoácidos nutricionalmente não essenciais (NEAA)” são suficientemente sintetizados no organismo para satisfazer as necessidades de crescimento máximo e saúde ótima . Contudo, uma análise cuidadosa da literatura científica revela que ao longo do último século não tem havido evidências experimentais convincentes que sustentem esta suposição . De facto, nas décadas de 1960 e 1970, A.E. Harper e outros investigadores descobriram que a ausência de NEAA nas dietas de galinhas e ratos não poderia apoiar o crescimento máximo destes animais . Evidências crescentes mostram que quase todos esses AA sintetizáveis estão inadequadamente presentes em dietas à base de proteínas vegetais típicas (por exemplo, farinha de milho e soja) para o cultivo de suínos em relação à síntese ideal de proteínas de corpo inteiro. Resultados de pesquisas recentes revelaram que o NEAA tem importantes papéis reguladores no metabolismo de nutrientes para favorecer o crescimento do tecido magro e a redução do tecido adiposo branco . Claramente, os animais têm requisitos dietéticos não só para o EAA, mas também para o NEAA, a fim de alcançar o máximo de crescimento e desempenho de produção . Este novo conceito resultou numa mudança de paradigma na nossa compreensão da nutrição proteica e é destacado no presente artigo de revisão.

Definições dos requisitos da dieta AA

Requisitos da dieta AA podem ser classificados como qualitativos e quantitativos . Os requisitos qualitativos estão relacionados com a questão “quais AA são necessários para a manutenção, desempenho ótimo (por exemplo, crescimento, lactação, reprodução e competição esportiva) e saúde ótima (por exemplo, prevenção de distúrbios metabólicos crônicos, resistência a doenças infecciosas e recuperação de doenças)”? Os requisitos quantitativos referem-se à questão de “quanto de um AA é necessário para a manutenção, crescimento óptimo e saúde óptima”? Experiências de alimentação têm sido tradicionalmente empregadas para determinar os requisitos qualitativos e quantitativos de AA dietético por animais . Os requisitos mínimos de AA também podem ser estimados usando a chamada análise fatorial, ou seja, medições da perda de N pelos animais alimentados com uma dieta livre de nitrogênio ou AA através da urina, fezes, gases e outras vias (manutenção) + AA depositado nos animais + AA excretado como produtos animais (por exemplo, leite, ovo, lã e feto) . Nas últimas três décadas, estudos envolvendo marcadores de AA radioativos e estáveis têm sido usados junto com a técnica de equilíbrio N para determinar os requisitos dietéticos para CEA por humanos e animais de fazenda . Os métodos mais modernos envolvem o uso de indicadores diretos e indiretos de oxidação de AA durante um período de várias horas . Por razões ainda desconhecidas, os métodos de oxidação de AA geralmente produziram valores muito mais altos de necessidades de CEA dietéticas por humanos do que os estudos de balanço de nitrogênio. Os leitores são consultados em artigos recentes para conhecerem os desenvolvimentos históricos dos requisitos de AA dietéticos. Atualmente, pouco se sabe sobre as necessidades dietéticas de NEAA por mamíferos, aves ou peixes.

Desenvolvimento do conceito ideal de proteína na nutrição animal

Pintos

Com início no final dos anos 50, Mitchell e Scott na Universidade de Illinois conceituaram uma proteína ideal (proporções e quantidades ideais de EAA) para dietas de galinhas . As NEAA não foram consideradas por estes autores. As primeiras tentativas para definir uma proteína ideal baseavam-se na composição das CEA dos ovos e da caseína, mas foram em grande parte infrutíferas devido ao excesso de muitas CEA. Em 1960, o grupo de Scott simulou o perfil das CEA na carcaça do pintinho para desenhar um padrão revisto de CEA dietética em uma proteína ideal para melhorar o desempenho de crescimento dos pintinhos . Uma melhora na proteína ideal foi de fato alcançada usando esta abordagem, mas permaneceu insatisfatória devido à falta de NEAA na dieta. No entanto, os dados sobre a composição de todas as CEAA ou NEAA em pintinhos não estavam disponíveis . Posteriormente, uma mistura de vários AA (cistina, glicina, prolina e glutamato), que são sintetizados a partir de AA pré-existentes (incluindo EAA) pelas aves e que anteriormente se pensava ser NEAA na nutrição das galinhas, foi utilizada em formulações dietéticas para produzir melhores resultados no desempenho de crescimento . Esta extensa pesquisa durante os anos 60 e 70 culminou em várias versões do “padrão de exigência de AA para frangos” durante as três primeiras semanas pós eclosão. Valores de referência foram dados no Dean e Scott Standard , no Huston e Scott Reference Standard , no Sasse modificado e no Baker Reference Standard , e no Baker e no Han’s Ideal Chick Protein (Tabela 1). As características comuns partilhadas por estes diferentes padrões recomendados de requisitos de AA dietético por galinhas são que as dietas incluídas: (a) todas as CEA que não são sintetizadas pelas galinhas; (b) vários AA (cistina, glutamato, glicina, prolina e tirosina) que são sintetizados a partir de CEA ou α-ketoglutarato mais amoníaco pelos animais a vários níveis; e (c) nenhum dado sobre alanina, aspartato, asparagina, glutamina, ou serina. Note que os padrões de composição de AA na proteína ideal para pintos, como proposto pelo Scott e Baker , diferem substancialmente para glicina e prolina e, em menor extensão, para AA de cadeia ramificada, histidina, e AA contendo enxofre. Essas diferenças podem refletir variações na composição de AA de galinhas relatadas na literatura. Como o conteúdo de prolina mais hidroxiprolina no corpo das galinhas não era conhecido naquela época, a quantidade relativamente pequena de prolina na proteína ideal recomendada só foi estabelecida arbitrariamente e poderia limitar as respostas dos animais às EAA dietéticas em seu crescimento máximo e desempenho de produção. Em contraste, quantidades muito grandes de glutamato (por exemplo, 13 vezes o valor de lisina no Sasse modificado e no Padrão de Referência de Padeiro) foram usadas para supostamente prover toda a necessidade de “AA N não específico”. No entanto, questões chave sobre se o glutamato cumpriu este papel e se o excesso de glutamato poderia interferir com o transporte, metabolismo e utilização de outros AA em galinhas não foram abordadas pelos investigadores de Illinois. Possivelmente devido a essas preocupações e à publicação do NRC sobre as necessidades nutricionais das aves em 1994, Baker não incluiu glutamato, glicina ou prolina em uma proteína ideal para dietas de frangos de 0 a 56 anos de idade em sua Universidade de Illinois modificada Razões Ideais de Aminoácidos para frangos de corte em 1997 (Tabela 2).

Swine

Trabalhar na proteína ideal para dietas de aves de capoeira estabeleceu uma base para estudos subsequentes com suínos em crescimento. Assim, o nutricionista britânico Cole sugeriu em 1980 que as dietas de suínos poderiam ser formuladas para conter proporções ideais de EAA (com lisina como AA de referência) com base nas suas concentrações na carcaça do porco (quase exclusivamente proteínas teciduais). Esta ideia foi adoptada primeiro pelo British Agricultural Research Council (ARC) em 1981 e depois pelo U.S. National Research Council (NRC) em 1988 . Infelizmente, histidina, arginina e todas as AA sintetizáveis não foram incluídas no conceito de proteína ideal do ARC (Tabela 3). Além disso, sua base conceitual baseada apenas na composição do AA no corpo foi falha, porque o padrão de AA na dieta não reflete a composição do AA no animal . Este desajuste pode ser explicado da seguinte forma: (a) o AA individual na dieta sofre catabolismo extensivo e transformações em diferentes taxas no intestino delgado; (b) as concentrações de AA na circulação diferem marcadamente da abundância relativa de AA na dieta; (c) o AA individual no plasma tem diferentes destinos metabólicos em diferentes tecidos animais; e (d) a abundância de AA nas proteínas teciduais difere muito da abundância na dieta . Estas grandes deficiências limitam a utilidade das primeiras versões da proteína ideal na formulação de dietas de suínos para o crescimento máximo ou desempenho de produção de suínos.

As AA dietéticos são necessários pelos animais principalmente para manutenção (incluindo a síntese de metabólitos não-proteicos) e acreção de proteínas . Entretanto, o conceito ideal de proteína do ARC não levou em consideração a contribuição relativa da manutenção para as necessidades totais de AA do porco . Isto deveu-se, em parte, a desafios técnicos para determinar com precisão as necessidades de manutenção de AA, que incluem a substituição de proteínas degradadas, bem como o uso de AA para a síntese de substâncias de baixo peso molecular e produção de ATP . Entre 1989 e 1990, nas tentativas de melhorar o conceito original de proteína ideal, T.C. Wang e M.F. Fuller utilizaram marrãs na faixa de peso de 25 a 50 kg para estimar um padrão ideal de AA dietético que incluía requisitos tanto para manutenção quanto para acreção de proteína tecidual. Entretanto, esses dois autores também não consideraram a arginina, histidina ou todas as chamadas NEAA na proteína ideal, embora tenham usado glutamato a 826% do valor de lisina para fornecer nitrogênio AA não específico. Quanto aos estudos com frangos nas décadas de 1960 e 1970, também houve preocupações sobre os pressupostos para a inclusão deste alto nível de glutamato na dieta de suínos que carece de todos os outros NEAA. Enquanto o glutamato foi utilizado para preparar dietas isonitrogênicas nos estudos anteriores, nenhum destes investigadores considerou que os animais têm uma necessidade dietética de glutamato para um ótimo crescimento e desempenho de produção.

Having reconheceu a necessidade de modificar o conceito ideal de proteína para formular dietas de suínos, D.H. Baker fez grandes esforços entre 1990 e 2000 para avaliar as necessidades dietéticas de CEAA em 10-20 kg de suínos. Em seu estudo original, D.H. Baker e seu aluno T.K. Chung adicionaram arginina (42% de lisina), glicina (100% de lisina), histidina (32% de lisina) e prolina (33% de lisina) à dieta basal contendo 1,2% de lisina verdadeiramente digerível e usando glutamato a 878% do valor de lisina para fornecer nitrogênio AA não específico. Entretanto, outros AA sintetizáveis (incluindo alanina, aspartato, asparagina, cisteína, glutamina, serina e tirosina) não foram considerados na versão revisada da proteína ideal e a razão para o uso de arginina, glicina, histidina e prolina em diferentes proporções à lisina não foi explicada . Além disso, as bases para outras suposições eram desconhecidas, incluindo: (a) se o glutamato é um precursor eficaz para síntese suficiente de todos os outros AA (incluindo aspartato, glutamina e serina) em tecidos específicos (por exemplo, intestino delgado, baço e linfonodos) e em todo o corpo; ou (b) se o alto conteúdo de glutamato na dieta pode afetar o transporte, o metabolismo e a utilização de outros AA na dieta. Além disso, pouca atenção foi dada aos fluxos interorganismos de aminoácidos em relação ao seu metabolismo intracelular. Por exemplo, apenas ~5% do glutamato dietético entra na circulação portal em suínos em crescimento. Além disso, embora o glutamato intracelular seja utilizado para sintetizar aspartato, muitos tecidos e células extra-intestinais (por exemplo, fígado e glóbulos vermelhos) têm uma capacidade limitada para absorver o glutamato da circulação sanguínea . A 10ª edição do NRC Swine Nutrient Requirements publicado em 1998 não reconheceu as necessidades dos suínos em termos de prolina ou glicina alimentar; portanto, Baker omitiu glicina e prolina da última versão da sua “proteína ideal” para formulações de dieta de suínos em 2000, como fez em 1997 . Nas últimas duas décadas, houve tentativas bem sucedidas de refinar os padrões de alguns AA nas dietas para lactantes, lactantes, desmamados, acabamentos e gestação de suínos por adição de arginina , glutamina , glutamato , prolina , ou glicina , ou pela determinação do crescimento da glândula mamária, mudanças na composição de AA de corpo inteiro, e rendimentos de leite em porcas lactantes . Os resultados são aumentos no crescimento neonatal e pós-desmame, desempenho da lactação e tamanho da ninhada em porcos.

Provas de crescimento mostram que tanto a EAA quanto a NEAA (por exemplo, arginina, glutamina, glutamato, glicina e prolina) desempenham papéis importantes na regulação da expressão gênica, sinalização celular, transporte e metabolismo de nutrientes, microbiota intestinal, respostas anti-oxidantes e respostas imunes. Com base nestas linhas de evidências convincentes de estudos com animais, Wu e colegas propuseram o novo conceito de AA funcional, que são definidos como aqueles AA que participam e regulam as principais vias metabólicas para melhorar a saúde, sobrevivência, crescimento, desenvolvimento, lactação e reprodução dos organismos . As vias metabólicas incluem: (a) rotação intracelular de proteínas (síntese e degradação) e eventos associados; (b) síntese AA e catabolismo; (c) geração de pequenos peptídeos, metabolitos nitrogenados e substâncias contendo enxofre (por exemplo, H2S); (d) ciclo de uréia e síntese de ácido úrico; (e) metabolismo de lipídios e glicose; (f) metabolismo de uma unidade de carbono e síntese de DNA; e (g) sinalização de redox celular. O AA funcional pode ser nutricionalmente “essencial”, “não essencial”, ou condicionalmente essencial. Notavelmente, o conceito de AA funcional em nutrição também foi adotado para peixes, aves de capoeira e pequenos animais de laboratório (por exemplo, ratos e ratos). Os leitores são referidos a revisões recentes e artigos originais de pesquisa sobre estes novos desenvolvimentos .

Texas A&M Razões ótimas de aminoácidos em dietas para suínos e frangos

Os esqueletos de carbono de AAA (incluindo tirosina e cisteína) não são sintetizados a partir de substâncias não-AA em animais . Como foi observado anteriormente, a síntese de NEAA a partir de CEA em animais é inadequada para seu crescimento máximo, produção de leite e desempenho reprodutivo ou para um ótimo desenvolvimento e saúde. Assim, a classificação tradicional de AA como CEA ou NEAA é puramente uma questão de definição. Por exemplo, evidências emergentes mostram que arginina, glutamina, glutamato e glicina desempenham papéis importantes na regulação da expressão gênica, sinalização celular, respostas antioxidativas e imunidade. Além disso, glutamato, glutamina e aspartato são combustíveis metabólicos importantes para enterócitos e também regulam o desenvolvimento e função intestinal e neurológica. Além disso, a glutamina é essencial para a produção de ATP, síntese de nucleotídeos, expressão de genes anti-oxidativos e sinalização redox em enterócitos . Além disso, o glutamato ativa a detecção química no trato gastrointestinal e pode inibir a degradação tanto de EAA quanto de NEAA por micróbios intestinais . Finalmente, a prolina e a arginina, que são fontes importantes de ornitina para a síntese intestinal e placentária de poliaminas , são essenciais para a síntese de DNA e proteínas e também participam na metilação de proteínas e DNA, e, portanto, regulação genética e epigenética do crescimento e desenvolvimento celular . Coletivamente, os animais têm necessidades dietéticas de todos os AA sintetizáveis para alcançar seu pleno potencial genético de crescimento, desenvolvimento, reprodução, lactação e resistência a doenças infecciosas .

Composição de CEA em ingredientes de ração e verdadeiras digestibilidades ileais de CEA em suínos e aves de capoeira foram publicadas. Como um passo inicial para definir os requisitos de NEAA pelos animais, recentemente determinamos a composição de todas as proteínas-AA nas principais rações e nos tecidos animais. Exemplos são dados na Tabela 4 para grãos de milho, farinha de soja, grãos de sorgo e carne & farinha de osso. Com base nos estudos anteriores de bioquímica e nutrição de AA (incluindo metabolismo de AA e ganhos de proteína tecidual) em aves, por exemplo, 3, e suínos, por exemplo, o autor do presente trabalho gostaria de propor Texas A&M University’s optimal ratios of true digestible AA in diets for swine (Tabela 5) and chickens (Tabela 6) during different phases of growth and production. Os valores para suínos jovens de 5 a 10 kg são baseados principalmente na consideração de: (a) a entrada de AA dietético na veia porta para suínos pós-desmame de 30 dias, em comparação com o acreção de AA no organismo; (b) os dados publicados de Baker e NRC sobre as necessidades de AA dietético; e (c) as taxas estimadas de síntese de AA, catabolismo e acreção no organismo. Especificamente, estas estimativas são as seguintes: (a) as taxas de síntese líquida de aspartato, arginina, glutamato, glutamina, glicina e prolina em tecidos extra-intestinais de 5-10 kg de porcos pós-desmame são 195, 361, 415, 1149, 331 e 276 mg/kg de peso corporal por dia, respectivamente; (b) as taxas de catabolismo (incluindo oxidação e síntese de substâncias de baixo peso molecular) de alanina e tirosina nos tecidos extra-intestinais são 30% das suas taxas de acreção nas proteínas corporais; (c) as taxas de catabolismo (incluindo oxidação) de leucina e isoleucina nos tecidos extra-intestinais são 30% e 25% das suas taxas de acreção nas proteínas corporais, respectivamente; d) a taxa de catabolismo (incluindo oxidação) da asparagina nos tecidos extra-intestinais é de 124 mg/kg de peso corporal por dia; e) a taxa de catabolismo (incluindo oxidação) da valina e serina nos tecidos extra-intestinais é de 15% das suas taxas de acreção nas proteínas corporais; f) a taxa de catabolismo (incluindo oxidação) da fenilalanina nos tecidos extra-intestinais é de 124 mg/kg de peso corporal por dia; e g) a proporção de fenilalanina em relação à tirosina é de 60:40, enquanto a proporção de metionina para cisteína é de 1:1. Além disso, as proporções ótimas da Universidade do Texas A&M de AA verdadeiro digerível em dietas para porcas gestantes e lactantes são baseadas em estudos prévios da composição do AA dietético, da digestibilidade ileal do AA nos ingredientes da ração (Tabela 4 e Ref. ), da composição de EAA e NEAA no organismo (Tabela 4), da sobrevivência e crescimento embrionário/fetal, bem como da produção de leite e do crescimento dos leitões.

Comentários adicionais sobre a Universidade do Texas A&M são justificados os rácios ideais de AA dietético da Universidade. Primeiro, o autor adota os valores do NRC para lisina, metionina, trionina e triptofano no modelo da Universidade do Texas A&M para suínos de 5 a 10 kg. Em segundo lugar, as proporções ótimas de CEA em dietas de porcos mais velhos são baseadas nas sugestões do NRC e Baker em que as proporções de triptofano, enxofre-AA e treonina para lisina (todas baseadas na verdadeira digestibilidade das CEA) aumentam ligeiramente com a idade, enquanto as proporções de outras CEA para lisina não são alteradas substancialmente durante o desenvolvimento pós-natal. Em terceiro lugar, esta é a primeira vez que as CEAA são incluídas em proporções óptimas de AA dietético para suínos e aves de capoeira em vários estádios fisiológicos. Quarto, para CEA, os rácios de BCAA, histidina, fenilalanina ou tirosina para lisina na Universidade do Texas A&M, os rácios óptimos da dieta alimentar são superiores aos propostos pelo NRC e Baker para suínos. Isto é baseado nas seguintes considerações : (a) BCAA são degradados ativamente nos tecidos extra-hepáticos e extra-intestinais; (b) a leucina pode estimular a síntese protéica muscular em suínos jovens; (c) leucina, isoleucina e valina devem estar em uma proporção apropriada para prevenir o desequilíbrio AA; (d) grandes quantidades de dipeptídeos contendo histidina estão presentes no músculo esquelético; e (e) a tirosina é ativamente utilizada em múltiplas vias metabólicas e seu esqueleto de carbono é formado somente a partir da fenilalanina em animais. Finalmente, os dados sobre os requerimentos dietéticos de CEA das galinhas , juntamente com a composição de CEA e NEAA, bem como o acreção de AA no corpo (85 e Tabela 4) e novos conhecimentos sobre o metabolismo de AA nas aves , forneceram a base para a proposta Texas A&M da Universidade de Texas para as relações ideais de aminoácidos nas dietas das galinhas (Tabela 7). Os valores recomendados para os requisitos de EAA e NEAA devem ser revistos à medida que novos e convincentes dados experimentais se tornem disponíveis.