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1、功能性氨基酸营养研究进展,中国科学院动物营养代谢过程与生理调控重点试验室 印遇龙,报告提纲,1.功能性氨基酸的概念 2.功能性氨基酸与胎儿/新生动物生长 3.功能性氨基酸与细胞内蛋白质周转 4.功能性氨基酸与营养物质代谢5.功能性氨基酸与肠道功能6.功能性氨基酸与免疫功能7.功能性氨基酸今后研究方向展望,营养不良和感染是世界范围上动物成活、健康、生长和繁殖后代的主要威胁。蛋白质摄入缺乏仍是目前动物生产面临的一个严重的营养问题。蛋白质营养不良增加了动物对疾病的易感性以及感染性疾病的发生率和死亡率。最近的生化研究结果表明，某些氨基酸在调节代谢和生理过程中具有多种独特的功能，从而影响动物健康和生产,
2、功能性氨基酸概念的提出,功能性氨基酸的概念,功能AA是指除了合成蛋白质外还具有其它特殊功能的AA，其不仅对动物的正常生长和维持是必需的，而且对多种生物活性物质的合成也是必需的。种类包括：精氨酸、谷氨酸/酰胺、支链氨基酸、色氨酸、甘氨酸、天冬氨酸/酰胺、鸟氨酸、瓜氨酸、脯氨酸、组氨酸、含硫氨基酸和牛磺酸等。特殊功能包括：调节胎儿和新生动物发育、细胞内蛋白质周转、营养代谢、肠道功能和免疫功能。合成的生物活性物质包括：NO、多胺、谷胱甘肽、核酸、激素和神经递质等(Kim et al.,2007.Asian-Aust.J.Anim.Sci.Vol.20,No.2:295 306;Li et al.,2
3、007 British Journal of Nutrition 98:237-252),功能性氨基酸与胎儿/新生动物生长,亮氨酸、谷氨酰胺和精氨酸对妊娠期胚胎、胎盘和胎儿的发育具有重要作用 以精氨酸为主的代谢途径在孕体生长发育过程中至关重要，这些营养物质可通过调节细胞内蛋白质周转和细胞增殖对胚胎发生、血管生成、胚胎着床、胎盘生长和发育、血流量和胎儿生长发挥重要作用 在初产母猪日粮中添加1%Arg增加其产仔率,0,100,200,300,400,500,30,45,60,90,110,母体,mmol/L,在妊娠期不同阶段母体和胎儿血液中各氨基酸的浓度,Wu,Bazer,Tuo(1995)J N
4、utr 125:2859-2868,0,400,800,1200,1600,30,45,60,90,110,mmol/L,胚胎,Arginine,Ornithine,Glutamine,妊娠期,Arginine,Ornithine,Glutamine,妊娠期,妊娠期在日粮中添加精氨酸对大鼠繁殖性能的影响,添加1的Arg提高胚胎成活率，从而提高窝仔数30。这对预防妊娠早期胚胎丢失，提高哺乳动物繁殖性能具有重要的启示作用(Zeng et al,2008.J Nutr,138:1421-1425)。,0,50,100,150,200,250,d 1,d 3,d 7,d 14,d 21,Plasma
5、concentration(mmol/L),Arginine,Citrulline,Ornithine,a,a,a,a,a,a,b,b,b,c,c,c,c,c,c,哺乳仔猪血浆氨基酸浓度随年龄的变化,Flynn NE et al.(2000)J Anim Sci 78:2369-2375.,Means SEM,n=20a-c:p0.01.,日增重(g/d),精氨酸供给量（%）,血氨(mmol/L),精氨酸供给量（%）,0%,0.2%,0.4%,Arg喂养的仔猪（d7-d21）的生长及血氨水平,Pooled SEM=13 mmol/L.,a,b,c,0%,0.2%,0.4%,a-c:P 0.05
6、,Kim et al.,2004.J Nutr 134:625-630.,0,100,200,300,a,b,c,Pooled SEM=13 g/d.,氨基酸是肠道生长发育的重要营养支持，谷氨酰胺、精氨酸和半胱胺酸等能氧化供能，促进细胞增殖和粘膜发育；合成NO和多胺，增强肠道免疫屏障，对维护肠道正常形态结构和生理功能有重要作用。谷胺酰胺是猪肠道上皮细胞的一种主要能量底物，是合成嘌呤和嘧啶核苷酸的一种必需前体物，被认为可维护猪肠道屏障的完整性和功能。在日粮中添加1的谷胺酰胺能防治发生在断奶后7天内的空肠萎缩症，并降低断奶后第2周的料重比。Wang et al.2008.Amino Acid.DO
7、I 10.1007/s00726-008-0152-,功能性氨基酸与肠道功能,精氨酸在体内能合成NO，促进多胺、胍氨酸、鸟氨酸、-酮戊二酸等肠粘膜滋养因子合成，恢复肠粘膜结构完整性；促进下丘脑释放生长激素，减少肠粘膜萎缩，加速受损肠粘膜的修复，维持肠粘膜的结构和功能，增强机体免疫力。Zhan等（2008）研究发现早期断奶仔猪补充0.7%的精氨酸能提高小肠血管生长因子基因表达水平，改善肠道微血管循环，促进营养物质吸收。,功能性氨基酸与肠道功能,Arg on morphology in the small intestine of early-weaned pigs(Zhan et al.,200
8、8.J.Nut),Arg villus height and crypt depth of weaned pigs after Escherichia coli lipopolysaccharide(LPS)challenge(Liu et al.2008.Bri.J Nut.100,552560),早期断奶仔猪空肠和回肠绒毛（H.E,1010）A：对照组空肠；B：0.6%精氨酸空肠；C：对照组回肠D：0.6%精氨酸回肠(Tan et al.,2008.Amino Acids.DOI:10.1007/s00726-008-0148-0),A,B,C,D,Arg on immunoreactiv
9、e expression of CD34(Zhan et al.,2008.J.Nutr.138:13041309),Arg increasing vascular endothelial growth factor(Zhan et al.,2008.J.Nutr.138:13041309,代乳料中添加不同浓度精氨酸对7日龄断奶仔猪平均日增重的影响（Yao et al.,J.Nutr.138:867872),注：同行数据标不同字母表示差异显著（P0.05）。,与对照组比较，在代乳料中添加0.60.8%的精氨酸饲喂14d，平均日增重提高42上述数据均表明，精氨酸缺乏是限制新生仔猪发挥最大生长潜力
10、的一个主要因素,Arg increasing nitric oxide(A)and endothelin-1(B)concentration(Zhan et al.,2008.J.Nutr.138:13041309),细胞内持续的蛋白质合成和降解统称为细胞内蛋白质周转，这决定着细胞和组织内的蛋白质平衡及氨基酸的净释放量支链氨基酸、精氨酸和色氨酸等对蛋白质合成有重要作用，既是蛋白质合成的底物，又是合成过程的调节物，介导细胞内信号转导通路的调节氨基酸作为一种营养信号通过调控mTOR，激活蛋白质翻译起始过程，从而影响蛋白质合成 蛋白质合成和降解信号同时存在，组织蛋白质降解主要通过细胞酶体和非溶酶体两
11、条途径进行。动物蛋白质降解也受某些氨基酸的影响,功能性氨基酸与细胞内蛋白质周转,亮氨酸水平对组织器官蛋白合成速率的影响,亮氨酸可显著提高28日龄断奶仔猪心脏、小肠后段、肾、肝脏、胰、脾和胃中的蛋白质合成速率(Yin.2008.FASEB J),亮氨酸水平对肌肉(A)和肝脏(B)磷酸化4E-BP1含量的影响,亮氨酸可提高肌肉和肝脏中4E-BP1磷酸化的含量，1.88和1.61%亮氨酸组肌肉中4E-BP1磷酸化含量比1.34%组分别提高29、19%，肝脏中则分别提高19、4%。提示亮氨酸在低蛋白日粮中可以提高断奶仔猪的蛋白质合成，通过调控蛋白起始翻译因子促进器官蛋白的起始翻译(Yin.FASEB
12、J.2008 2:877.12)。,亮氨酸,高亮氨酸提高肌肉和肝脏磷酸化rpS6含量,Yin et al.FASEB J.2008 22:877.12,亮氨酸,亮氨酸水平对肌肉和肝脏总mTOR含量的影响,日粮添加0.6精氨酸7 d后对肌肉和肝脏中mTOR磷酸化的影响,7日龄断奶仔猪补充0.6%精氨酸，肌肉中mTOR磷酸化水平显著提高，提示精氨酸可能通过调控蛋白起始翻译因子促进器官蛋白的起始翻译，提高动物机体的蛋白质合成(Yao et al.,J.Nutr.138:867872),早期断奶仔猪空肠和回肠绒毛,0.6Arg提高肌肉eIF4G与eIF4E复合物的活性,精氨酸,0.6Arg提高肌肉和肝
13、脏中4E-BP磷酸化活性,Yao et al.,J.Nutr.138:867872),0.6Arg提高肌肉和肝脏中S6K1磷酸化活性,0.6Arg提高肌肉和肝脏mTOR磷酸化活性,精氨酸,Yao et al.,J.Nutr.138:867872),蛋白质合成率(10-3 nmol Phe/ug蛋白/3h),细胞培养液中精氨酸的添加浓度,精氨酸对猪胚胎滋养外胚层细胞蛋白质合成率的影响,用不同浓度的精氨酸处理体外培养的猪胚胎滋养外胚层细胞4d，能剂量依赖性地增加其蛋白质合成率（Kong et al，2008）,c,b,a,Arg on intestinal mucosal protein and
14、DNA after Escherichia coli lipopolysaccharide challenge(Liu et al.2008.Bri.J Nut.100,552560),亮氨酸和精氨酸通过调节翻译起始因子，激活肝脏和肌肉中mTOR信号通路，促进蛋白合成,精氨酸是N-乙酰谷氨酸合成酶的变构激活因子，因此精氨酸和谷氨酸使尿素循环维持在活跃状态。丙氨酸可抑制丙酮酸激酶，从而调节糖异生和糖酵解过程，以确保食物缺乏时肝净产生葡萄糖。天冬氨酸和谷氨酸可介导还原当量通过线粒体膜，从而调节细胞的糖酵解和氧化还原状态。精氨酸和苯丙氨酸能上调GTP 环式水解酶-I的表达和活性，从而增加用于精氨酸合
15、成NO和芳香族氨基酸羟基化作用的BH4的供给。,功能性氨基酸与营养物质代谢,精氨酸或其代谢产物可上调与线粒体生物合成和底物氧化有关的关键蛋白质和酶的表达，从而减少肥胖动物体脂的储积。蛋氨酸、甘氨酸和丝氨酸在一碳基团代谢、蛋白质和DNA甲基化过程中起着重要作用，从而调节基因表达和蛋白质活性。协调肝脏、骨骼肌、肠道和免疫细胞中的氨基酸代谢，为肾脏中氨的生成提供最多的谷氨酰胺，从而调节机体的酸碱平衡。,功能性氨基酸与营养物质代谢,精氨酸能促进PGC基因表达，调节能量代谢利用代谢组学方法发现肥育猪日粮中添加精氨酸能降低血清超低密度脂蛋白、脂质、甘油磷酸胆碱、胆碱、柠檬酸、1-甲基组氨酸、糖蛋白、二甲胺
16、和三甲基氧化物，而增加血清中3-甲基组氨酸、甜菜碱、甲胺、丙酮酸、琥珀酸和酮体的浓度，进一步证明精氨酸在能量物质代谢中的重要作用精氨酸的添加增加了猪血清乙酰乙酸浓度而减少了-羟基丁酸的浓度，表明肝脏的氧化能力增强，也提示精氨酸可增加脂肪酸的广泛氧化,功能性氨基酸与营养物质代谢,主要基于NMR和MS的代谢组学研究方法,核磁共振,质谱,精氨酸改变养分代谢途径提高氨基酸利用率,He et al.2008 Amino Acids(in press),瘦肉率明显提高，脂肪率下降,精氨酸 改善肉品质(Tan et al.2008.Amino Acids.DOI:10.1007/s00726-008-014
17、8-0),精氨酸与免疫功能,促进胰岛素、生长激素、泌乳素和IGF-1分泌，这些激素参与了精氨酸对免疫功能的调节作用 通过生成多胺和NO等活性分子影响免疫功能提供充足的精氨酸对淋巴细胞发育是必需的，日粮添加Arg增强各种免疫应激模型的免疫功能(Tan et al.,2008.Amino Acids.DOI:10.1007/s00726-008-0148-0),Arg on intestinal IL-6,TNF-and PPAR mRNA abundance of weaned pigs after 6h Escherichia coli lipopolysaccharide(LPS)chall
18、enge(Liu et al.2008.Bri.J Nut.100,552560),Arg增强免疫功能：IgG,IgM,IL-1,Tan et al.,2008.Amino Acids.DOI 10.1007/s00726-008-0155-1,Arg提高免疫细胞因子基因表达,ab,ab,ab,b,b,b,b,ab,a,a,精氨酸,日粮精氨酸水平对7日龄断奶仔猪血清免疫球蛋白浓度的影响,在代乳料中添加不同水平的精氨酸，饲喂7日龄断奶，饲喂14天后，血清中IgG和IgM的含量均不同程度地升高(Bie Tan,et al.Amino Acids.DOI 10.1007/s00726-008-015
19、5-1),a,c,c,c,b,a,bc,bc,b,c,日粮精氨酸水平对7日龄断奶仔猪免疫器官指数的影响,在代乳料中添加不同水平的精氨酸，饲喂7日龄断奶，饲喂7天后，0.2和0.8%精氨酸组脾脏指数显著升高，0.6%精氨酸组胸腺指数显著升高(Bie Tan,et al.Amino Acids.DOI 10.1007/s00726-008-0155-1),环磷酰胺刺激下精氨酸增强仔猪的体液免疫功能(Han et al.,2008.Amino Acids,DOI 10.1007/s00726-008-0184-9),环磷酰胺刺激下精氨酸增强仔猪抗炎相关细胞因子的水平,环磷酰胺刺激下精氨酸增强仔猪的细
20、胞免疫功能,环磷酰胺刺激下精氨酸改善了仔猪生长性能,N-氨基甲酰谷氨酸在仔猪上的应用效果,是尿素循环中鸟氨酸生成瓜氨酸的中间体N-乙酰谷氨酸(NAG)的类似物）414日龄哺乳仔猪口服NCG，可提高血浆精氨酸浓度68，阻止生后血浆精氨酸浓度下降，体增重增加61口服NCG可分别增加仔猪背最长肌和腓肠肌中绝对蛋白合成30和21%,NAG,Net synthesis of citrulline and arginine,postnatal changes in mitochondrial NAG concentration,NAG&NCG,Arg和NCG对断奶仔猪ADFI和ADG的影响,Control
21、,0.6%Arg,NCG,Control,NCG,0.6%Arg,a,b,b,Arg和NCG对断奶仔猪腹泻率的影响,Control,0.6%Arg,NCG,b,ab,a,NCG has unique and important advantages,NCG,Constant activation of intestinal synthesis of citrulline and arginine,Does not affect intestinal absorption of dietary try,his,or lys,A metabolic activator of P5C synthas
22、e and CPS-I,highly effective,can be readily synthesized chemically in the room temperature(costs),in vivo half-life in the intestinal mucosa is expected to be relatively long(perhaps 810 h).,NAG&NCG,功能性氨基酸今后研究方向展望,在通过肠内或肠外途径补充氨基酸以提高动物机体健康和增加生产性能过程中，应充分考虑氨基酸不平衡造成的对其它营养素利用的拮抗作用（AA Transport!)。尽管近年来营养免疫学发展快速，但仍需要整合应用基因组学、转录组学、代谢组学、蛋白质组学、生物信息学等现代高通量技术手段进一步研究氨基酸调节免疫系统的分子机制。,谢,谢,
