Aminosyror (AA) är byggstenar för proteiner och måste finnas i cellerna för att kunna syntetisera polypeptider. Kolskeletten för elva av dessa AA (nämligen cystein, histidin, isoleucin, leucin, lysin, metionin, fenylalanin, treonin, tryptofan, tyrosin och valin) syntetiseras inte från icke-AA-molekyler i djurceller. Därför klassificeras de som näringsmässigt essentiella AA (EAA) och måste ingå i foder för icke idisslare för att upprätthålla fysiologiska funktioner i celler, vävnader och hela kroppen . Detta är särskilt viktigt för tunntarmen eftersom dess basalmembran saknar förmåga att ta upp en näringsmässigt betydande mängd av alla AA, utom glutamin, från den arteriella cirkulationen.

Klassiska läroböcker om djurfoder betraktar inte cystein eller tyrosin som en EAA , eftersom de kan syntetiseras från metionin respektive fenylalanin i levern. Alla djurs oförmåga att bilda kolskelett för metionin och fenylalanin innebär dock att det inte finns någon de novo-syntes av cystein eller tyrosin . Dessutom måste cellerna i tarmslemhinnan vara beroende av cystein och tyrosin som viktiga prekursorer för att syntetisera polypeptider . Dessutom är svavelinnehållande eller aromatiska AA i artärblodet i stort sett inte tillgängliga för enterocyter (absorberande kolonnceller i tunntarmen). Förekomsten av cystein och tyrosin i kosten, som kan minska kostbehovet av deras prekursor AA, är således nödvändig för att upprätthålla tarmens normala struktur och funktion .

Rose tog hänsyn till kostbehovet av några av de traditionellt klassificerade NEAA i sina studier på människor på 1940- och 1950-talen och rapporterade att utelämnandet av NEAA från kosten inte påverkade kvävebalansen hos friska vuxna under en åtta dagar lång experimentell period . Man har därför länge antagit att alla ”näringsmässigt icke-essentiella aminosyror (NEAA)” syntetiseras tillräckligt i kroppen för att tillgodose behoven för maximal tillväxt och optimal hälsa . En noggrann analys av den vetenskapliga litteraturen visar dock att det under det senaste århundradet inte har funnits några övertygande experimentella bevis för att stödja detta antagande . På 1960- och 1970-talen fann A.E. Harper och andra forskare att avsaknaden av NEAA i kyckling- och råttfoder inte kunde stödja maximal tillväxt hos dessa djur . Allt fler bevis visar att nästan alla dessa syntetiserbara AA är otillräckligt närvarande i typiskt växtprotein (t.ex. majs- och sojamjöl) baserade dieter för växande svin i förhållande till optimal proteinsyntes i hela kroppen . Resultaten av nyligen genomförd forskning visade att NEAA har viktiga reglerande roller i näringsmetabolismen för att gynna tillväxt av muskelmassa och minskning av vit fettvävnad . Det är uppenbart att djuren inte bara behöver EAA utan även NEAA i kosten för att uppnå maximal tillväxt och produktionsförmåga . Detta nya koncept har resulterat i ett paradigmskifte i vår förståelse av proteinnäring och lyfts fram i denna översiktsartikel.

Definitioner av kraven på AA i kosten

Behov av AA i kosten kan klassificeras som kvalitativa och kvantitativa . Kvalitativa krav är relaterade till frågan ”vilka AA krävs för underhåll, optimal prestation (t.ex. tillväxt, amning, reproduktion och idrottstävlingar) och optimal hälsa (t.ex. förebyggande av kroniska ämnesomsättningsstörningar, motståndskraft mot infektionssjukdomar och återhämtning efter sjukdom)?”. Kvantitativa krav avser frågan ”hur mycket av ett AA krävs för underhåll, optimal tillväxt och optimal hälsa?”. Utfodringsexperiment har traditionellt använts för att fastställa djurens både kvalitativa och kvantitativa behov av AA i kosten . Minimibehovet av AA kan också uppskattas med hjälp av s.k. faktoranalys, dvs. mätningar av kväveförlusten hos djur som utfodras med en kväve- eller AA-fri diet via urin, avföring, gas och andra vägar (underhåll) + AA som deponeras i djuren + AA som utsöndras som animaliska produkter (t.ex. mjölk, ägg, ull och foster) . Under de senaste tre decennierna har studier med radioaktiva och stabila spårämnen för AA använts tillsammans med N-balanstekniken för att fastställa människors och lantbruksdjurs behov av EAA i kosten . De modernare metoderna omfattar användning av direkta och indirekta indikatorer på AA-oxidation under flera timmar . Av ännu okända skäl har AA-oxidationsmetoderna i allmänhet gett mycket högre värden på människans behov av EAA i kosten än kvävebalansstudierna. Läsarna hänvisas till nyligen publicerade artiklar för att få en inblick i den historiska utvecklingen av kostens AA-behov. För närvarande vet man inte mycket om däggdjurens, fåglarnas eller fiskarnas behov av NEAA i kosten.

Utveckling av konceptet idealiskt protein i djurfoder

Höns

Med början i slutet av 1950-talet konceptualiserade Mitchell och Scott vid University of Illinois ett idealiskt protein (optimala proportioner och mängder EAA) för kycklingarnas kost. NEAA beaktades inte av dessa författare. Tidiga försök att definiera ett idealiskt protein baserades på EAA-sammansättningen i ägg och kasein, men misslyckades till stor del på grund av överskottet av många EAA. År 1960 simulerade Scotts grupp EAA-profilen i kycklingkroppen för att utforma ett reviderat mönster av EAA i ett idealiskt protein för att förbättra tillväxten hos kycklingar . En förbättring av det ideala proteinet uppnåddes verkligen med detta tillvägagångssätt, men förblev otillfredsställande på grund av bristen på NEAA i kosten. Det fanns dock inga uppgifter om sammansättningen av alla EAA eller NEAA i kycklingar. Därefter användes en blandning av flera AA (cystin, glycin, prolin och glutamat), som syntetiseras av fåglar från redan existerande AA (inklusive EAA) och som tidigare ansågs vara NEAA i kycklingnäring, i foderformuleringar för att ge bättre resultat i fråga om tillväxtprestanda . Denna omfattande forskning under 1960- och 1970-talen kulminerade i flera versioner av ”kycklingens AA-behovsstandard” för de tre första veckorna efter kläckning . Referensvärdena anges i Dean and Scott Standard , Huston and Scott Reference Standard , den modifierade Sasse and Baker Reference Standard och Baker and Han’s Ideal Chick Protein (tabell 1). Gemensamt för dessa olika rekommenderade standarder för kycklingars behov av AA i kosten är att de innehåller följande: (a) alla EAA som inte syntetiseras av kycklingar, b) flera AA (cystin, glutamat, glycin, prolin och tyrosin) som syntetiseras från antingen EAA eller α-ketoglutarat plus ammoniak av djur i olika utsträckning, och c) inga uppgifter om alanin, aspartat, asparagin, glutamin eller serin. Observera att mönstren för AA-sammansättningen i det idealiska proteinet för kycklingar, enligt Scott och Baker , skiljer sig väsentligt åt för glycin och prolin och, i mindre utsträckning, för förgrenade AA, histidin och svavelinnehållande AA. Dessa skillnader kan återspegla variationer i kycklingars AA-sammansättning som rapporterats i litteraturen. Eftersom innehållet av prolin plus hydroxiprolin i kycklingarnas kropp inte var känt vid den tidpunkten var den relativt lilla mängden prolin i det rekommenderade idealproteinet endast godtyckligt fastställd och skulle kunna begränsa djurens svar på EAA i fodret när det gäller deras maximala tillväxt- och produktionsprestanda. Däremot användes mycket stora mängder glutamat (t.ex. 13 gånger lysinvärdet i den modifierade Sasse och Baker-referensstandarden) för att förmodligen tillgodose hela behovet av ”ospecifik AA N”. De viktiga frågorna om huruvida glutamat uppfyller denna funktion och om överskott av glutamat kan störa transport, metabolism och användning av andra AA i kycklingar togs dock inte upp av utredarna i Illinois. Möjligen på grund av dessa farhågor och offentliggörandet av NRC:s näringskrav för fjäderfä 1994 , inkluderade Baker inte glutamat, glycin eller prolin i ett idealiskt protein för dieter för 0-56 dagar gamla kycklingar i sin modifierade University of Illinois Ideal Ratios of Amino Acids for broiler chickens 1997 (tabell 2).

Svin

Arbetet med det ideala proteinet för fjäderfäfoder lade en grund för senare studier med växande grisar. Den brittiske näringsforskaren Cole föreslog 1980 att man skulle kunna utforma foder för svin så att det innehöll idealiska proportioner av EAA (med lysin som referens-AAA) baserat på deras koncentrationer i griskroppen (nästan uteslutande vävnadsproteiner). Denna idé antogs först av det brittiska jordbruksforskningsrådet (ARC) 1981 och sedan av USA:s nationella forskningsråd (NRC) 1988. Tyvärr ingick inte histidin, arginin och alla syntetiserbara AA i ARC:s koncept för idealiskt protein (tabell 3). Dessutom var dess konceptuella grund, som enbart byggde på kroppens EAA-sammansättning, bristfällig, eftersom mönstret av AA i kosten inte återspeglar sammansättningen av AA i djuret . Denna bristande överensstämmelse kan förklaras på följande sätt: (a) enskilda AA i kosten genomgår omfattande katabolism och omvandlingar i olika takt i tunntarmen, b) koncentrationerna av AA i cirkulationen skiljer sig markant från den relativa förekomsten av AA i kosten, c) enskilda AA i plasma har olika metaboliska öden i olika djurvävnader och d) förekomsten av AA i vävnadsproteiner skiljer sig kraftigt från förekomsten i kosten . Dessa stora brister begränsar användbarheten av de tidiga versionerna av det ideala proteinet när det gäller att formulera svinfoder för maximal tillväxt eller produktionsprestanda hos grisar.

Dietary AA behövs av djuren i första hand för underhåll (inklusive syntesen av icke-proteinmetaboliter) och proteinackretion . ARC:s ideala proteinkoncept tog dock inte hänsyn till underhållets relativa bidrag till grisens totala AA-behov . Detta berodde delvis på tekniska utmaningar när det gäller att exakt fastställa underhållsbehovet av AA, som omfattar ersättning av nedbrutna proteiner, samt användningen av AA för syntes av ämnen med låg molekylvikt och ATP-produktion . Mellan 1989 och 1990 försökte T.C. Wang och M.F. Fuller att förbättra det ursprungliga ideala proteinkonceptet genom att använda gyltor i viktintervallet 25-50 kg för att uppskatta ett idealiskt mönster för AA i kosten som innefattade krav på både underhåll och vävnadsproteintillväxt. Dessa två författare tog dock inte heller hänsyn till arginin, histidin eller alla så kallade NEAA i det ideala proteinet, även om de använde glutamat med 826 % av lysinvärdet för att tillhandahålla ospecifikt AA-stickämne . Liksom i studierna med kycklingar på 1960- och 1970-talen fanns det också farhågor om förutsättningarna för att inkludera denna höga nivå av glutamat i en svinfoderstat som saknar alla andra NEAA. Även om glutamat användes för att bereda isonitrogena dieter i de tidigare studierna, ansåg ingen av dessa forskare att djuren har ett dietbehov av glutamat för optimal tillväxt och produktionsförmåga.

Med tanke på att han insåg behovet av att ändra det ideala proteinkonceptet för att formulera dieter för svin, gjorde D.H. Baker stora ansträngningar mellan 1990 och 2000 för att utvärdera dietbehovet av EAA hos 10-20 kg tunga svin. I sin ursprungliga studie tillsatte D.H. Baker och hans student T.K. Chung arginin (42 % av lysin), glycin (100 % av lysin), histidin (32 % av lysin) och prolin (33 % av lysin) till grundfodret som innehöll 1,2 % verkligt smältbart lysin och använde glutamat på 878 % av lysinvärdet för att tillhandahålla ospecifikt AA-stickämne. Andra syntetiserbara AA (inklusive alanin, aspartat, asparagin, cystein, glutamin, serin och tyrosin) beaktades dock inte i den reviderade versionen av det ideala proteinet, och skälet till användningen av arginin, glycin, histidin och prolin i olika proportioner i förhållande till lysin förklarades inte . Dessutom var grunderna för andra antaganden okända, bland annat: (a) huruvida glutamat är en effektiv prekursor för tillräcklig syntes av alla andra AA (inklusive aspartat, glutamin och serin) i specifika vävnader (t.ex. tunntarm, mjälte och lymfkörtlar) och i hela kroppen, eller b) huruvida det höga innehållet av glutamat i kosten kan påverka transporten, metabolismen och utnyttjandet av andra AA i kosten. Vidare har liten uppmärksamhet ägnats åt interorganiska flöden av aminosyror i förhållande till deras intracellulära metabolism. Till exempel kommer endast ~5 % av glutamat från kosten in i portcirkulationen hos växande grisar . Även om intracellulärt glutamat används för att syntetisera aspartat har många extraintestinala vävnader och celler (t.ex. lever och röda blodkroppar) en begränsad förmåga att ta upp glutamat från blodcirkulationen . I den tionde upplagan av NRC Swine Nutrient Requirements (NRC:s näringsbehov för svin), som publicerades 1998, erkändes inte grisars behov av prolin eller glycin i fodret. Därför utelämnade Baker glycin och prolin från den sista versionen av sitt ”ideala protein” för sammansättningar av svinfoder år 2000, vilket han också gjorde 1997 . Under de senaste två decennierna har det gjorts framgångsrika försök att förfina mönstren av vissa AA i foder för lakterande, diande, ammande, avvanda, färdiggående och dräktiga grisar genom tillsats av arginin, glutamin, glutamat, prolin eller glycin, eller genom att bestämma tillväxten av bröstkörtlar, förändringar i hela kroppens AA-sammansättning och mjölkavkastningen hos lakterande suggor . Resultaten är ökad tillväxt hos neonatal och efter avvänjning, ökad amningsprestanda och ökad kullstorlek hos grisar.

Tilltagande bevis visar att både EAA och NEAA (t.ex. arginin, glutamin, glutamat, glycin och prolin) spelar viktiga roller i regleringen av genuttryck, cellsignalering, näringstransport och metabolism, tarmmikrobiotan, antioxiderande reaktioner och immunsvar . Baserat på dessa övertygande bevis från djurstudier föreslog Wu och kollegor det nya begreppet funktionella AA, som definieras som de AA som deltar i och reglerar viktiga metaboliska vägar för att förbättra hälsa, överlevnad, tillväxt, utveckling, amning och reproduktion hos organismerna . Metaboliska vägar omfattar följande: (a) intracellulär proteinomsättning (syntes och nedbrytning) och tillhörande händelser, b) AA-syntes och katabolism, c) generering av små peptider, kvävehaltiga metaboliter och svavelhaltiga ämnen (t.ex. H2S), d) ureacykeln och urinsyrasyntesen, e) lipid- och glukosmetabolism, f) metabolism av en kolvätenhet och DNA-syntes, och g) cellulär redoxsignalering. Funktionella AA kan vara näringsmässigt ”essentiella”, ”icke-essentiella” eller villkorligt essentiella AA. Begreppet funktionella AA i näringslivet har också antagits för fisk, fjäderfä och små laboratoriedjur (t.ex. möss och råttor). Läsaren hänvisas till nyligen publicerade översikter och ursprungliga forskningsartiklar om denna nya utveckling.

Texas A&M University’s optimala proportioner av aminosyror i dieter för svin och kycklingar

Kolskeletten av EAA (inklusive tyrosin och cystein) syntetiseras inte från icke-AA-ämnen i djur . Som tidigare nämnts är syntesen av NEAA från EAA hos djur otillräcklig för deras maximala tillväxt, mjölkproduktion och reproduktionsprestanda eller för optimal utveckling och hälsa. Den traditionella klassificeringen av AA som EAA eller NEAA är således en ren definitionsfråga. Nya bevis visar till exempel att arginin, glutamin, glutamat och glycin spelar viktiga roller i regleringen av genuttryck, cellsignalering, antioxidativa reaktioner och immunitet . Dessutom är glutamat, glutamin och aspartat viktiga metaboliska bränslen för enterocyter och reglerar även intestinal och neurologisk utveckling och funktion . Dessutom är glutamin viktigt för ATP-produktion, syntes av nukleotider, uttryck av antioxidativa gener och redoxsignalering i enterocyter . Dessutom aktiverar glutamat kemisk sensorik i mag-tarmkanalen och kan hämma nedbrytningen av både EAA och NEAA av tarmmikrober . Slutligen är prolin och arginin, som är viktiga källor till ornitin för den intestinala och placentala syntesen av polyaminer, viktiga för DNA- och proteinsyntesen och deltar också i protein- och DNA-metylering och därmed i den genetiska och epigenetiska regleringen av celltillväxt och utveckling . Sammantaget har djuren behov av alla syntetiserbara AA för att uppnå sin fulla genetiska potential för tillväxt, utveckling, reproduktion, amning och motståndskraft mot infektionssjukdomar.

Sammansättningen av EAA i foderingredienser och den verkliga ileala smältbarheten av EAA hos svin och fjäderfä har publicerats. Som ett första steg för att definiera djurens behov av NEAA fastställde vi nyligen sammansättningen av alla protein-AA i de viktigaste fodermedlen och i djurvävnader . Exempel ges i tabell 4 för majskorn, sojamjöl, sorghumkorn och kött- & benmjöl. På grundval av tidigare studier av AA-biokemi och näring (inklusive AA-metabolism och vävnadsproteintillväxt) hos fjäderfä, t.ex. 3, och svin, t.ex. , vill författaren till detta arbete föreslå Texas A&M Universitys optimala proportioner av verkligt smältbart AA i foder för svin (tabell 5) och kycklingar (tabell 6) under olika faser av tillväxt och produktion. Värdena för 5- till 10-kilos ungsvin är främst baserade på hänsyn till: (a) inflödet av AA i portvenen för 30 dagar gamla grisar efter avvänjning, jämfört med ackretionen av AA i kroppen, b) publicerade uppgifter från Baker och NRC om dietens behov av EAA, och c) de uppskattade hastigheterna för AA-syntes, -katabolism och -ackretion i kroppen. Dessa uppskattningar är särskilt följande (a) Nettosyntesen av aspartat, arginin, glutamat, glutamin, glycin och prolin i extraintestinala vävnader hos 5-10 kg tunga grisar efter avvänjning är 195, 361, 415, 1149, 331 respektive 276 mg/kg kroppsvikt per dag; (b) Kataboliseringsgraden (inklusive oxidation och syntes av ämnen med låg molekylvikt) av alanin och tyrosin i extraintestinala vävnader är 30 % av deras ackretionsgrad i kroppsproteiner. c) Kataboliseringsgraden (inklusive oxidation) av leucin och isoleucin i extraintestinala vävnader är 30 % respektive 25 % av deras ackretionsgrad i kroppsproteiner; (d) graden av katabolism (inklusive oxidation) av asparagin i extraintestinala vävnader är 124 mg/kg kroppsvikt per dag; (e) graden av katabolism (inklusive oxidation) av valin och serin i extraintestinala vävnader är 15 % av deras ackretionsgrad i kroppsproteiner; (f) graden av katabolism (inklusive oxidation) av fenylalanin i extraintestinala vävnader är 124 mg/kg kroppsvikt per dag; och (g) förhållandet mellan fenylalanin och tyrosin är 60:40, medan förhållandet mellan metionin och cystein är 1:1. Dessutom bygger Texas A.A.3790-M Universitys optimala proportioner av verkligt smältbart AA i foder för dräktiga och lakterande suggor på tidigare studier av kostens AA-sammansättning , ileal verklig smältbarhet av AA i foderingredienser (tabell 4 och ref. ), sammansättningen av EAA och NEAA i kroppen (tabell 4), överlevnad och tillväxt hos embryon/foster samt mjölkproduktion och smågristillväxt.

Det är motiverat med flera ytterligare kommentarer om Texas A&M Universitys optimala proportioner av AA i fodret. För det första antar författaren NRC:s värden för lysin, metionin, treonin och tryptofan i Texas A&M Universitys modell för grisar på 5 till 10 kg. För det andra baseras de optimala proportionerna av EAA i foder till äldre grisar på förslagen från NRC och Baker, eftersom förhållandet mellan tryptofan, svavel-AA och treonin och lysin (alla baserade på EAA:s verkliga smältbarhet) ökar något med åldern, medan förhållandet mellan andra EAA och lysin inte förändras nämnvärt under den postnatala utvecklingen. För det tredje är detta första gången som NEAA ingår i de optimala proportionerna av AA i fodret för grisar och fjäderfä i olika fysiologiska stadier. För det fjärde är förhållandet mellan BCAA, histidin, fenylalanin och tyrosin och lysin för EAA i Texas A&M-universitetets optimala förhållanden för kosttillskott högre än de förhållanden som föreslagits av NRC och Baker för svin. Detta grundar sig på följande överväganden: (a) BCAA bryts aktivt ned i extrahepatiska och extraintestinala vävnader, b) leucin kan stimulera muskelproteinsyntesen hos unga grisar, c) leucin, isoleucin och valin bör finnas i ett lämpligt förhållande för att förhindra obalans av AA, d) stora mängder histidininnehållande dipeptider finns i skelettmuskulaturen, och e) tyrosin används aktivt i flera metaboliska vägar och dess kolskelett bildas endast från fenylalanin hos djur. Uppgifterna om kycklingars behov av EAA i kosten, tillsammans med sammansättningen av EAA och NEAA samt AA-ansamlingen i kroppen (85 och tabell 4) och ny kunskap om AA-metabolismen hos fåglar, utgjorde slutligen grunden för det föreslagna optimala förhållandet av aminosyror i kycklingfoder från Texas A&M University (tabell 7). De rekommenderade värdena för EAA- och NEAA-krav måste ses över i takt med att nya och övertygande experimentella data blir tillgängliga.