Aminoacizii (AA) sunt elementele constitutive ale proteinelor și trebuie să fie prezenți în celule pentru sinteza polipeptidelor. Scheletele de carbon a unsprezece dintre acești AA (și anume cisteina, histidina, izoleucina, leucina, lizina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofanul, tirozina și valina) nu sunt sintetizate din molecule care nu sunt AA în celulele niciunui animal . Prin urmare, aceștia sunt clasificați ca AA esențiali din punct de vedere nutrițional (EAA) și trebuie să fie incluși în dietele pentru nerumegătoare pentru a menține funcțiile fiziologice ale celulelor, țesuturilor și ale întregului organism . Acest lucru capătă o importanță deosebită pentru intestinul subțire, deoarece membrana bazală a acestuia nu are capacitatea de a prelua din circulația arterială o cantitate semnificativă din punct de vedere nutrițional a tuturor AA, cu excepția glutaminei .

Cărțile clasice de nutriție animală nu consideră cisteina sau tirozina ca fiind AAE , deoarece acestea pot fi sintetizate din metionină și, respectiv, fenilalanină în ficat. Cu toate acestea, incapacitatea tuturor animalelor de a forma scheletele de carbon pentru metionină și fenilalanină înseamnă că nu există o sinteză de novo a cisteinei sau tirozinei . De asemenea, celulele mucoasei intestinale trebuie să depindă de cisteină și tirozină ca precursori esențiali pentru a sintetiza polipeptide . Mai mult, AA cu conținut de sulf sau aromatice din sângele arterial nu sunt în mare parte disponibile pentru enterocite (celulele columnare absorbante din intestinul subțire). Astfel, prezența cisteinei și tirozinei în alimentație, care pot reduce nevoile alimentare de precursori AA, sunt necesare pentru a menține structura și funcția normală a intestinului .

Rose a luat în considerare nevoile alimentare ale unora dintre NEAA clasificate în mod tradițional în studiile sale la om în anii 1940 și 1950 și a raportat că omiterea NEAA din alimentație nu a afectat echilibrul de azot la adulții sănătoși în timpul unei perioade experimentale de opt zile . Astfel, s-a presupus mult timp că toți „aminoacizii neesențiali din punct de vedere nutrițional (NEAA)” sunt sintetizați suficient în organism pentru a satisface nevoile de creștere maximă și sănătate optimă . Cu toate acestea, o analiză atentă a literaturii științifice arată că, în ultimul secol, nu au existat dovezi experimentale convingătoare care să susțină această presupunere . Într-adevăr, în anii 1960 și 1970, A.E. Harper și alți cercetători au constatat că absența NEAA din alimentația găinilor și a șobolanilor nu poate susține creșterea maximă a acestor animale . Din ce în ce mai multe dovezi arată că aproape toți acești AA sintetizabili sunt prezenți în mod inadecvat în dietele tipice pe bază de proteine vegetale (de exemplu, făină de porumb și de soia) pentru porcii în creștere, în ceea ce privește sinteza optimă a proteinelor din întregul corp . Rezultatele unor cercetări recente au arătat că NEAA au roluri importante de reglementare în metabolismul nutrienților pentru a favoriza creșterea țesutului slab și reducerea țesutului adipos alb . În mod clar, animalele au nevoie în alimentație nu numai de EAA, ci și de NEAA pentru a obține performanțe maxime de creștere și de producție. Acest nou concept a dus la o schimbare de paradigmă în înțelegerea noastră privind nutriția proteică și este evidențiat în prezentul articol de sinteză.

Definiții ale cerințelor de AA dietetice

Requisitele de AA dietetice pot fi clasificate ca fiind calitative și cantitative . Cerințele calitative sunt legate de întrebarea „ce AA sunt necesari pentru întreținere, performanță optimă (de exemplu, creștere, lactație, reproducere și competiții sportive) și sănătate optimă (de exemplu, prevenirea tulburărilor metabolice cronice, rezistența la boli infecțioase și recuperarea după boală)?”. Cerințele cantitative se referă la întrebarea „ce cantitate de AA este necesară pentru întreținere, creștere optimă și sănătate optimă?”. Experimentele de hrănire au fost utilizate în mod tradițional pentru a determina atât cerințele calitative, cât și cantitative de AA din alimentație ale animalelor . Cerințele minime de AA pot fi, de asemenea, estimate folosind așa-numita analiză factorială, adică măsurători ale pierderii de N de către animalele hrănite cu o dietă fără azot sau fără AA prin urină, fecale, gaze și alte căi (întreținere) + AA depozitat în animale + AA excretat sub formă de produse animale (de exemplu, lapte, ouă, lână și fetus) . Pe parcursul ultimelor trei decenii, studiile care implică trasori radioactivi și stabili de AA au fost utilizate împreună cu tehnica bilanțului N pentru a determina necesarul alimentar de AAE pentru oameni și animale de fermă . Metodele mai moderne implică utilizarea indicatorilor direcți și indirecți de oxidare a AA pe o perioadă de câteva ore . Din motive încă necunoscute, metodele de oxidare a AA au dat, în general, valori mult mai mari ale necesarului de EAA din alimentația umană decât studiile de bilanț al azotului. Cititorii sunt invitați să consulte articole recente pentru o perspectivă asupra evoluției istorice a necesarului de AA din alimentație. În prezent, se cunosc puține lucruri despre cerințele dietetice pentru NEAA de către mamifere, păsări sau pești.

Dezvoltarea conceptului de proteină ideală în nutriția animală

Pui

Începând cu sfârșitul anilor 1950, Mitchell și Scott de la Universitatea din Illinois au conceptualizat o proteină ideală (proporții și cantități optime de EAA) pentru dietele găinilor . NEAA nu au fost luate în considerare de acești autori. Primele încercări de a defini o proteină ideală s-au bazat pe compoziția EAA din ouă și cazeină, dar au fost în mare parte nereușite din cauza excesului de multe EAA. În 1960, grupul lui Scott a simulat profilul de EAA în carcasa puiului pentru a proiecta un model revizuit de EAA dietetice într-o proteină ideală pentru îmbunătățirea performanțelor de creștere a puilor . O îmbunătățire a proteinei ideale a fost într-adevăr obținută cu ajutorul acestei abordări, dar a rămas nesatisfăcătoare din cauza lipsei de NEAA în alimentație. Cu toate acestea, nu au fost disponibile date privind compoziția tuturor EAA sau NEAA în puii de găină. Ulterior, un amestec de mai multe AA (cistină, glicină, prolină și glutamat), care sunt sintetizate de păsări din AA preexistente (inclusiv EAA) și care au fost considerate anterior ca fiind NEAA în alimentația puilor, a fost utilizat în formulările dietetice pentru a obține rezultate mai bune în ceea ce privește performanța creșterii . Aceste cercetări extinse din anii 1960 și 1970 au culminat cu mai multe versiuni ale „standardului privind necesarul de AA pentru pui” pentru primele trei săptămâni după ecloziune . Valorile de referință au fost date în Standardul Dean și Scott , Standardul de referință Huston și Scott , Standardul de referință Sasse și Baker modificat și Standardul de referință Sasse și Baker și Han’s Ideal Chick Protein (tabelul 1). Trăsăturile comune împărtășite de aceste diferite standarde recomandate privind necesarul de AA din alimentație pentru pui sunt că dietele au inclus: (a) toate EAA care nu sunt sintetizate de găini; (b) mai multe AA (cistină, glutamat, glicină, prolină și tirozină) care sunt sintetizate fie din EAA, fie din α-cetoglutarat plus amoniac de către animale în diferite grade; și (c) nu există date privind alanina, aspartatul, asparagina, glutamina sau serina. Rețineți că modelele de compoziție AA în proteina ideală pentru pui, așa cum au fost propuse de Scott și Baker , diferă substanțial pentru glicină și prolină și, într-o măsură mai mică, pentru AA cu lanț ramificat, histidină și AA cu conținut de sulf. Aceste diferențe pot reflecta variațiile în compoziția AA a puilor raportate în literatura de specialitate. Deoarece conținutul de prolină plus hidroxiprolină din corpul găinilor nu era cunoscut la acel moment, cantitatea relativ mică de prolină din proteina ideală recomandată a fost stabilită doar în mod arbitrar și ar putea limita răspunsurile animalelor la AEA din alimentație în ceea ce privește creșterea maximă și performanța de producție. În schimb, au fost utilizate cantități foarte mari de glutamat (de exemplu, de 13 ori mai mari decât valoarea lizinei din standardul de referință Sasse și Baker modificat) pentru a asigura, se presupune, întregul necesar de „AA N nespecific”. Cu toate acestea, cercetătorii din Illinois nu au abordat întrebări esențiale referitoare la îndeplinirea acestui rol de către glutamat și la posibilitatea ca glutamatul în exces să interfereze cu transportul, metabolismul și utilizarea altor AA la pui. Probabil din cauza acestor preocupări și a publicării cerințelor nutritive ale NRC pentru păsările de curte în 1994, Baker nu a inclus glutamatul, glicina sau prolina într-o proteină ideală pentru dietele pentru puii de 0 până la 56 de zile în raportul ideal de aminoacizi modificat al Universității din Illinois pentru puii de carne din 1997 (tabelul 2).

Suine

Lucrările privind proteinele ideale pentru dietele pentru păsări de curte au pus bazele studiilor ulterioare cu porcii în creștere. Astfel, nutriționistul britanic Cole a sugerat în 1980 că dietele pentru porci ar putea fi formulate astfel încât să conțină proporțiile ideale de AAE (cu lizina ca AA de referință) pe baza concentrațiilor acestora în carcasa porcului (aproape exclusiv proteine tisulare) . Această idee a fost adoptată mai întâi de Consiliul britanic de cercetare agricolă (ARC) în 1981 și apoi de Consiliul național de cercetare (NRC) din SUA în 1988 . Din nefericire, histidina, arginina și toți AA sintetizabili nu au fost incluse în conceptul de proteină ideală al ARC (tabelul 3). De asemenea, fundația sa conceptuală bazată exclusiv pe compoziția EAA din organism era eronată, deoarece modelul de AA din alimentație nu reflectă compoziția AA din animal . Această nepotrivire poate fi explicată după cum urmează: (a) AA individuali din alimentație sunt supuși unui catabolism și unor transformări extinse la rate diferite în intestinul subțire; (b) concentrațiile de AA în circulație diferă în mod semnificativ de abundența relativă a AA din alimentație; (c) AA individuali din plasmă au destine metabolice diferite în diferite țesuturi animale; și (d) abundența de AA în proteinele tisulare diferă foarte mult de cea din alimentație . Aceste deficiențe majore limitează utilitatea primelor versiuni ale proteinei ideale în formularea dietelor pentru porcine în vederea creșterii maxime sau a performanțelor de producție ale porcilor.

AAAa din dietă sunt necesari animalelor în primul rând pentru întreținere (inclusiv pentru sinteza metaboliților neproteici) și pentru acumularea de proteine . Cu toate acestea, conceptul de proteină ideală al ARC nu a luat în considerare contribuția relativă a întreținerii la nevoile totale de AA ale porcului . Acest lucru s-a datorat, în parte, provocărilor tehnice pentru a determina cu exactitate cerințele de întreținere ale AA, care includ înlocuirea proteinelor degradate, precum și utilizarea AA pentru sinteza substanțelor cu greutate moleculară mică și producția de ATP . Între 1989 și 1990, în încercarea de a îmbunătăți conceptul inițial de proteină ideală , T.C. Wang și M.F. Fuller au folosit purcele cu greutatea cuprinsă între 25 și 50 kg pentru a estima un model ideal de AA alimentar care să includă atât cerințele de întreținere, cât și cele de creștere a proteinelor tisulare. Cu toate acestea, acești doi autori nu au luat în considerare nici arginina, histidina sau toate așa-numitele NEAA în proteina ideală, deși au folosit glutamat la 826% din valoarea lizinei pentru a furniza azot AA nespecific. Ca și în cazul studiilor efectuate pe pui în anii 1960 și 1970, au existat, de asemenea, preocupări cu privire la ipotezele de includere a acestui nivel ridicat de glutamat în dieta porcinelor, care este lipsită de toate celelalte NEAA. Deși glutamatul a fost folosit pentru a pregăti diete izonitrogene în studiile anterioare, niciunul dintre acești cercetători nu a considerat că animalele au un necesar alimentar de glutamat pentru o creștere optimă și performanțe de producție.

După ce a recunoscut necesitatea modificării conceptului de proteină ideală pentru formularea dietelor pentru porcine, D.H. Baker a depus mari eforturi între 1990 și 2000 pentru a evalua necesarul alimentar de EAA de către porcii de 10-20 kg. În studiul lor original, D.H. Baker și studentul său T.K. Chung au adăugat arginină (42% din lizină), glicină (100% din lizină), histidină (32% din lizină) și prolină (33% din lizină) la dieta de bază care conținea 1,2% lizină cu adevărat digerabilă și folosea glutamat la 878% din valoarea lizinei pentru a furniza azot AA nespecific . Cu toate acestea, alte AA sintetizabile (inclusiv alanină, aspartat, asparagină, cisteină, glutamină, serină și tirozină) nu au fost luate în considerare în versiunea revizuită a proteinei ideale și nu a fost explicată rațiunea pentru utilizarea argininei, glicinei, histidinei și prolinei în proporții diferite față de lizină . În plus, bazele pentru alte ipoteze erau necunoscute, inclusiv: (a) dacă glutamatul este un precursor eficient pentru o sinteză suficientă a tuturor celorlalți AA (inclusiv aspartat, glutamină și serină) în țesuturi specifice (de exemplu, intestinul subțire, splina și ganglionii limfatici) și în întregul organism; sau (b) dacă conținutul ridicat de glutamat din alimentație poate afecta transportul, metabolismul și utilizarea altor AA din alimentație. În plus, s-a acordat puțină atenție fluxurilor interorganice de aminoacizi în raport cu metabolismul intracelular al acestora. De exemplu, doar ~5% din glutamatul alimentar intră în circulația portală la porcii în creștere . În plus, deși glutamatul intracelular este utilizat pentru a sintetiza aspartatul, multe țesuturi și celule extraintestinale (de exemplu, ficatul și globulele roșii) au o capacitate limitată de a prelua glutamatul din circulația sanguină . Cea de-a 10-a ediție a NRC Swine Nutrient Requirements publicată în 1998 nu recunoștea nevoile porcinelor în ceea ce privește prolina sau glicina din alimentație; prin urmare, Baker a omis glicina și prolina din ultima versiune a „proteinei ideale” pentru formularea dietei pentru porci în 2000, așa cum a făcut-o și în 1997 . În ultimele două decenii, au existat încercări reușite de a rafina modelele unor AA în dietele pentru porcii care alăptează, care alăptează, care se înțărcă, care termină și care sunt gestanți prin adăugarea de arginină, glutamină, glutamat, prolină sau glicină sau prin determinarea creșterii glandei mamare, a modificărilor compoziției AA la nivelul întregului corp și a producției de lapte la scroafele care alăptează . Rezultatele sunt creșteri ale creșterii neonatale și postînțărcare, ale performanțelor de lactație și ale mărimii puilor la porci.

Din ce în ce mai multe dovezi arată că atât EAA cât și NEAA (de exemplu, arginina, glutamina, glutamatul, glicina și prolina) joacă roluri importante în reglarea expresiei genice, a semnalizării celulare, a transportului și metabolismului nutrienților, a microbiotei intestinale, a răspunsurilor antioxidante și a răspunsurilor imune . Pe baza acestor linii de dovezi convingătoare din studiile pe animale, Wu și colegii săi au propus noul concept de AA funcționale, care sunt definite ca fiind acele AA care participă la și reglează căile metabolice cheie pentru a îmbunătăți sănătatea, supraviețuirea, creșterea, dezvoltarea, lactația și reproducerea organismelor . Căile metabolice includ: (a) rotația intracelulară a proteinelor (sinteză și degradare) și evenimentele asociate; (b) sinteza și catabolismul AA; (c) generarea de peptide mici, metaboliți azotați și substanțe care conțin sulf (de exemplu, H2S); (d) ciclul ureei și sinteza acidului uric; (e) metabolismul lipidelor și al glucozei; (f) metabolismul unitar al carbonului și sinteza ADN-ului; și (g) semnalizarea redox celulară. AA funcționale pot fi AA „esențiale” din punct de vedere nutrițional, „neesențiale” sau esențiale condiționat. În special, conceptul de AA funcțional în nutriție a fost adoptat, de asemenea, pentru pește , păsări de curte și animale mici de laborator (de exemplu, șoareci și șobolani) . Cititorii sunt invitați să consulte recenziile recente și articolul original de cercetare privind aceste noi evoluții .

Ratele optime de aminoacizi în dietele pentru porci și găini ale Universității Texas A&M

Scheletele de carbon ale AAE (inclusiv tirozina și cisteina) nu sunt sintetizate din substanțe non-AA la animale . După cum s-a menționat anterior, sinteza de NEAA din EAA la animale este inadecvată pentru creșterea maximă a acestora, producția de lapte și performanțele de reproducere sau pentru o dezvoltare și sănătate optime. Astfel, clasificarea tradițională a AA ca EAA sau NEAA este doar o chestiune de definiție. De exemplu, noile dovezi arată că arginina, glutamina, glutamatul și glicina joacă un rol important în reglarea expresiei genice, a semnalizării celulare, a răspunsurilor antioxidante și a imunității . În plus, glutamatul, glutamina și aspartatul sunt combustibili metabolici majori pentru enterocite și, de asemenea, reglează dezvoltarea și funcția intestinală și neurologică . În plus, glutamina este esențială pentru producția de ATP, sinteza nucleotidelor, expresia genelor antioxidative și semnalizarea redox în enterocite . În plus, glutamatul activează detecția chimică în tractul gastrointestinal și poate inhiba degradarea atât a EAA, cât și a NEAA de către microbii intestinali . În cele din urmă, prolina și arginina, care sunt surse majore de ornitină pentru sinteza intestinală și placentară a poliaminelor , sunt esențiale pentru sinteza ADN-ului și a proteinelor și participă, de asemenea, la metilarea proteinelor și a ADN-ului și, astfel, la reglarea genetică și epigenetică a creșterii și dezvoltării celulare . În mod colectiv, animalele au cerințe dietetice pentru toate AA sintetizabile pentru a-și atinge potențialul genetic complet pentru creștere, dezvoltare, reproducere, lactație și rezistență la boli infecțioase .

Au fost publicate compoziția EAA în ingredientele furajere și digestibilitățile ileale reale ale EAA la porci și păsări de curte. Ca un pas inițial pentru a defini cerințele de NEAA de către animale, am determinat recent compoziția tuturor proteinelor-AA în principalele furaje și în țesuturile animalelor . Exemplele sunt prezentate în tabelul 4 pentru boabele de porumb, făina de soia, boabele de sorg și făina de carne & de oase. Pe baza studiilor anterioare privind biochimia și nutriția AA (inclusiv metabolismul AA și câștigurile de proteină tisulară) la păsări de curte, de exemplu, 3, și la porcine, de exemplu, , autorul prezentei lucrări dorește să propună ratele optime ale Universității Texas A&M din Texas A&M de AA digestibil adevărat în dietele pentru porcine (tabelul 5) și găini (tabelul 6) în timpul diferitelor faze de creștere și producție. Valorile pentru porcii tineri de 5 până la 10 kg se bazează în primul rând pe luarea în considerare a: (a) intrarea AA din alimentație în vena portală pentru porcii în vârstă de 30 de zile după înțărcare, în comparație cu acumularea de AA în organism; (b) datele publicate de Baker și NRC privind necesarul de AAE din alimentație; și (c) ratele estimate de sinteză, catabolism și acumulare de AA în organism . Mai exact, aceste estimări sunt următoarele: (a) ratele de sinteză netă a aspartatului, argininei, glutamatului, glutaminei, glicinei și prolinei în țesuturile extra-intestinale ale porcilor de 5-10 kg după înțărcare sunt de 195, 361, 415, 1149, 331 și, respectiv, 276 mg/kg de greutate corporală pe zi; (b) ratele de catabolism (inclusiv oxidarea și sinteza substanțelor cu greutate moleculară mică) ale alaninei și tirozinei în țesuturile extraintestinale reprezintă 30% din ratele lor de acumulare în proteinele corporale; (c) ratele de catabolism (inclusiv oxidarea) ale leucinei și izoleucinei în țesuturile extraintestinale reprezintă 30% și, respectiv, 25% din ratele lor de acumulare în proteinele corporale; (d) rata de catabolism (inclusiv oxidarea) a asparaginei în țesuturile extraintestinale este de 124 mg/kg de greutate corporală pe zi; (e) ratele de catabolism (inclusiv oxidarea) a valinei și serinei în țesuturile extraintestinale sunt de 15% din ratele lor de acumulare în proteinele din organism; (f) rata de catabolism (inclusiv oxidarea) a fenilalaninei în țesuturile extraintestinale este de 124 mg/kg de greutate corporală pe zi; și (g) raportul dintre fenilalanină și tirozină este de 60:40, în timp ce raportul dintre metionină și cisteină este de 1:1. În plus, ratele optime ale Universității Texas A&M de AA digestibil adevărat în dietele pentru scroafele gestante și cele care alăptează se bazează pe studii anterioare privind compoziția AA din dietă , digestibilitatea ileală adevărată a AA din ingredientele furajere (Tabelul 4 și Ref. ), compoziția de EAA și NEAA în organism (Tabelul 4), supraviețuirea și creșterea embrionară/fetală , precum și producția de lapte și creșterea purceilor .

Sunt justificate câteva comentarii suplimentare cu privire la ratele optime de AA din dietă ale Universității Texas A&M. În primul rând, autorul adoptă valorile NRC pentru lizină, metionină, treonină și triptofan în modelul Universității Texas A&M pentru porcii de 5 până la 10 kg. În al doilea rând, proporțiile optime de EAA în dietele pentru porcii mai în vârstă se bazează pe sugestiile NRC și Baker, în sensul că proporțiile de triptofan, sulf-AA și treonină în raport cu lizina (toate bazate pe digestibilitatea reală a EAA) cresc ușor odată cu vârsta, în timp ce proporțiile altor EAA în raport cu lizina nu se modifică substanțial în timpul dezvoltării postnatale. În al treilea rând, aceasta este prima dată când NEAA sunt incluse în ratele optime de AA din alimentație pentru porci și păsări de curte în diferite stadii fiziologice. În al patrulea rând, în ceea ce privește EAA, proporțiile de BCAA, histidină, fenilalanină sau tirozină în raport cu lizina din rațiile optime de alimentație ale Universității Texas A&M sunt mai mari decât cele propuse de NRC și Baker pentru porcine. Acest lucru se bazează pe următoarele considerente : (a) BCAA sunt degradate în mod activ în țesuturile extra-hepatice și extra-intestinale; (b) leucina poate stimula sinteza proteinelor musculare la porcii tineri; (c) leucina, izoleucina și valina ar trebui să fie într-un raport adecvat pentru a preveni dezechilibrul AA; (d) cantități mari de dipeptide care conțin histidină sunt prezente în mușchiul scheletic; și (e) tirozina este utilizată în mod activ în mai multe căi metabolice, iar scheletul său de carbon este format numai din fenilalanină la animale. În cele din urmă, datele privind necesarul de EAA din alimentație al găinilor , împreună cu compoziția EAA și NEAA, precum și acumularea de AA în organism (85 și tabelul 4) și noile cunoștințe despre metabolismul AA la păsări , au constituit baza pentru ratele optime de aminoacizi în alimentația găinilor propuse de Texas A&M University (tabelul 7). Valorile recomandate pentru necesarul de EAA și NEAA trebuie revizuite pe măsură ce sunt disponibile date experimentale noi și convingătoare.

.