N-甲酰谷氨酸对仔猪内源性精氨酸的合成调控

N-甲酰谷氨酸对仔猪内源性精氨酸的合成调控 N-甲酰谷氨酸对仔猪内源性精氨酸的合成 调控 词斟工韭》?2009年第30簋簟4朋 N一甲酰谷氨酸对仔猪内源性精氨酸的合成调控 吴信高运苓伍国耀印遇龙 摘要精氨酸(Ar譬)具有重要的生理,代谢和营养作用,几乎机体中所有组织均利用Arg合成 胞浆蛋白和核蛋白,精氨酸在促进肌肉蛋白质合成,增强机体的免疫力,促进细胞分裂,伤口复原和激 素分泌等各种生理过程中,也都有着重要的角色.Arg为条件性必需氨基酸,在应激状态下和特殊生长 阶段为必需氨基酸,仔猪体内合成的精氨酸不能满足生理代谢需要.但是精氨酸的吸收与赖氨酸等拮 抗,因此,对精氨酸及其内源性合成调控研究具有极大的应用价值和实践意义.N一乙酰谷氨酸(N— acetylglutamate,NAG)是内源性精氨酸合成途径中的必需辅助因子和限制因素之一.本文就NAG特别 是其类似物N一甲酰谷氨酸(N—carbamoylglutamate,NCG)等对机体内源性精氨酸合成调控作一综述. 关键词N一甲酰谷氨酸;N一乙酰谷氨酸;精氨酸;仔猪 中图分类号$852 L一精氨酸(L—Arg)具有重要的生理,代谢和营养 作用.几乎哺乳动物机体中所有组织均利用L—Arg合 成胞浆蛋白和核蛋白,L—Arg在促进肌肉内蛋白质合 成,增加机体内氮储留,增强机体的免疫力,促进细胞 分裂,伤口复原和激素分泌等各种生理过程中,也都 有着重要的角色(Tong等,2004),因而L—Arg被科学家 誉为"神奇分子".I广A职还是内生性一氧化氮(NO)的 唯一前体fWu等,1998;Appleton,20021. 精氨酸为条件性必需氨基酸,对成年动物来说是 非必需氨基酸,它在体内能自身合成,但体内生成速 度较慢,有时需要部分从食物中补充.在应激状态下 和特殊生长阶段为必需氨基酸,仔猪体内合成的精氨 酸也不能满足其生理代谢~(Tong等,2004).然而外 源性精氨酸具有一定的副作用.因此.内源性精氨酸 的合成调控是近些年来的研究热点. 1内源性精氨酸的不足及其合成 wu等(1997)研究报道,7日龄的仔猪相对于02 吴信,中国科学院亚热带农业生态研究所动物营养代谢过 程与生理调控试验室,410125,长沙. 高运苓,中国科学院研究生院. 伍国耀,TexasA&M大学动物科学院. 印遇龙(通讯作者),单位及通讯地址同第一作者. 收稿日期:2008—12—08 ?海外青年学者合作研究基金"仔猪肠道N一乙酰谷氨酸合 成酶的基因达及其调控"(30528006),国家"973" 项目(2004CB117502),国家自然科学基金项目(30771558), 中国科学院海外杰出学者基金项目"肠道氨基酸代谢与 生态营养调控"(2005—1—4) 日龄,其小肠中合成的瓜氨酸和精氨酸(在新生动物 中主要的内源精氨酸来源)下降了约60%,75%,在第 14,21d进一步下降(Wu等,1997).Flynn等(2000)又 进一步证实,在仔猪出生后的第3,14d,其血浆中的 精氨酸浓度和其直接的前提物质(鸟氨酸和瓜氨酸) 逐步下降了20%,41%,然而血浆中氨的浓度却逐渐升 高了18%,46%. 精氨酸是哺乳动物胎儿期和哺乳期的一种必需氨 基酸wu等.2004).以猪为模型,就仔猪需要相对奶中的 供应来看,母乳中精氨酸量并不能够满足仔猪的最佳生 长.母乳(泌乳第7d到第21d)含精氨酸1.34(Wu等, 1994),以猪乳中精氨酸供应和哺乳仔猪对精氨酸的需 要为基准,1头7日龄的仔猪(2.5kg)日增重200其 精氨酸需要(蛋白沉积及氨基酸代谢)大约2.7州,但 是猪乳仅能够提供1.06g/a精氨酸.即猪乳提供的精 氨酸量仅能够满足仔猪需要量的不到40%(Wu等. 20041.仔猪3—4日龄断奶,在与母乳中的粗蛋白和精氨 酸含量相似的干燥奶粉日粮中(cP19.2%,Arg0.75%1 分别添加0.2%,0.4%的精氨酸,结果发现,在仔猪出 生后的第7,14d.仔猪体增重分别增加了43%和93% (Leibholz,1982).Kim(2004)等也得到相似的试验结果. 这些结果表明,母乳中的精氨酸供应及仔猪内源合成 的精氨酸不能够充分满足仔猪的最佳生长需要.因 此,精氨酸不足可能是限制哺乳仔猪获得最佳生长的 一 个主要因素,增加哺乳仔猪的精氨酸供应有助于发 挥新生仔猪的最大生长潜力.Yao等(2008)研究发现, 在7日龄仔猪日粮中添加0.6%的L—Arg,显着提高了 日增重,血清胰岛素水平,促进了肌肉蛋白质的合成. 但是精氨酸的吸收与色氨酸,赖氨酸和组氨酸等 吴信等:N一甲酰谷氨酸对仔猪内源性精氨酸的合成调控 拮抗.直接口服补充精氨酸得不到最佳效果.Arg是合 成NO的唯一底物.过量的外源性L—Arg使机体在短 时间内的NO含量急剧增高.而使NO的负面作用突 出.不仅没有保护机体免受致死性损害,反而使NO在 体内泛滥成灾.对机体造成强烈破坏(Wink等,1998). 在14d仔猪Et粮中添加1.2%的精氨酸的生长性能低 于对照组.而且第6和10d血清赖氨酸含量显着降 低(Zhan等.2008).而通过调控内源性精氨酸的合成 补充机体内精氨酸的不足则可以避免其毒副作用.因 此.非常有必要进一步研究内源性精氨酸的合成通路 及其限速酶. 2内源性精氨酸的合成及其调控途径 精氨酸在体内主要参与鸟氨酸循环,在精氨酸酶I 的作用下脱胍基生成尿素和鸟氨酸.尿素进入血液循 环,鸟氨酸在肝(或者肾脏以及肠粘膜)细胞中生成瓜 氨酸,在线粒体合成后,即被转运到胞液,在胞液经精 氨酸代琥珀酸合成酶的催化下,与天冬氨酸反应生成 精氨酸代琥珀酸,此反应由ATP供能.其后,精氨酸代 琥珀酸在精氨酸代琥珀酸裂解酶作用下,裂解成精氨 酸及延胡索酸,反应部位在胞液f见图11.其中N一乙酰 谷氨酸(N—acetylglutamate,NAG)是氨基甲酰磷酸合成 酶一I(carbamoylphosphatesynthase—I,CPS—I)的变 构催化剂,而CPS—I催化合成的氨基甲酰磷~(car— bamoylphosphate.cP)为线粒体转化鸟氨酸为瓜氨酸所 必需,因此,NAG是精氨酸合成途径和氨转化为尿素过 程中内源性的必需辅助因子(Morizono等,2004). 尿 ,, 鸟氨 , ,?-?-'?..-'-' -- ,, , ,,,, C02+NH3+H20\, 线粒体: /胞液 瓜氨酸 锻 ,正, 精氨酸代琥珀酸 延胡索酸 图1精氨酸合成途径 NAG可能是内源性精氨酸合成过程中的限制因 素之一.小猪肠上皮细胞线粒体NAG的含量较低.从 而降低肠道瓜氨酸和精氨酸的合成(内源性精氨酸的 主要来源),导致仔猪精氨酸缺乏(wu等,2004).与新 生仔猪相比,7,14日龄仔猪小肠上皮细胞线粒体中 NAG浓度降低.7日龄哺乳仔猪小肠合成的精氨酸减 少了70%左右.在14,21日龄时更进一步下降,与此 时小肠合成精氨酸减少一致.经研究表明,其原因可 能是细胞5一羧基一吡咯啉合成酶(pyrroline一5一car. boxylatesynthase,P5CS)和N一乙酰谷氨酸合成酶(N— acetylglutamatesynthase,NAGS)的活性降低.在2,2l Et龄仔猪,小肠CPS—I的蛋白含量相似.NAGS只分 布于肝脏和小肠黏膜细胞线粒体内,其功能是催化谷 氨酸和乙酰辅酶A合成NAG.因而肠上皮细胞线粒 体NAGS是内源精氨酸生成关键的限速酶,由此导致 的NAG缺乏是限制仔猪肠内源性精氨酸合成的生化 机制. 通过提高细胞线粒体NAG水平,可能促进小肠 瓜氨酸合成,从而增加内源性精氨酸供给.哺乳仔猪 日粮中添加NAG可以成为抑制肠道瓜氨酸合成下降 的一个有效方式,进而促进精氨酸的合成,提高日粮 氨基酸合成蛋白质的利用率Wu等,2004).然而,哺乳 动物的肠上皮细胞中降解NAG的脱酰(基)酶的活性 很高.而限制了通过外源性添加NAG提高其线粒体 浓度的途径(Meijer等,1985). 3利用NCG调控内源性精氨酸的合成及其优势 3.1NCG的理化特性 N一甲酰谷氨酸fN—carbam(o)ylglutamate或者N— Carbamyl—L—glutamate,NCG)是尿素循环中鸟氨酸生成 瓜氨酸的中间体NAG的类似物,分子式为C6H..N20, 分子量为190.05897.其结构中左边是谷氨酸,右边 是一个氨甲酰基. NCG可以激活尿素循环中的第一个酶CPS—I (也是在肠上皮细胞合成精氨酸过程中的一个关键的 酶)(Elhaji等,2004).NCG在胞浆不被分解,容易进入 线粒体发挥其效应,因此可以成为稳定的CPS—I催 化剂. 3.2NCG调控内源性精氨酸的合成 经研究发现,NCG在内源性精氨酸的调控中具有 一 定的效果.Wu等(2004)体内和体外试验证明,NCG 促进了14日龄仔猪小肠上皮细胞瓜氨酸和精氨酸合 成.在小肠上皮细胞培养液中添加2mmo1]lNCG,分 别增加了由谷氨酰胺和脯氨酸合成的瓜氨酸7.7和 0.6倍,也显着增加了合成精氨酸的产量.4日龄哺乳仔一 昊信等:N一甲酰谷氨酸对仔猪内源性精氨酸的合成调控 猪灌服NCG50mg/kg体重,每132次,直到14日龄, 血浆精氨酸浓度增加了68%,仔猪增重提高了61%,表 明NCG催化了小肠瓜氨酸和精氨酸合成(Wu等, 2004).Frank等对9日龄哺乳仔猪灌服NCG50mg/kg 体重,每日2次,直到17d,提高了仔猪增重25%及血 浆精氨酸浓度32%,并有一定的促进蛋白质合成效应 fFrank等.2006). 3_3利用NCG调控内源性精氨酸的合成优势 从日粮的管理途径提高哺乳仔猪精氨酸或者瓜 氨酸来说,添加NCG具有独特的优势(Wu等,2004): ?日粮中添加NCG对血浆色氨酸,赖氨酸和组氨酸 浓度没有影响.说明NCG不影响小肠对这些氨基酸 的吸收;?因为肠道中瓜氨酸和精氨酸的合成处于持 续的激活状态.相对于母乳中其它基本氨基酸供给, 日粮中添加NCG保证哺乳仔猪精氨酸的平衡;? NCG作P5C合成酶和CPS—I的代谢激活体.低剂量 的NCG在增加仔猪内源性精氨酸具有高敏感性. NCG在胞浆不被分解,因此,在体内的肠道粘膜中的 半衰期可能要更长(大概8,10h),每天加2次既可以 有效提高血清精氨酸的浓度(Frank等,2007); NCG对人和动物没有毒性,根据对大鼠的研究以 及NCG被用于防治遗传性NAGS缺陷婴儿的高氨血 症20多年来,还没有发现其副作用fCohen等,1950). 而且,NAG可以在室温下由谷氨酸和氰酸钾合成,易 于大量生产. 4利用NCG调控内源性精氨酸的应用 4.1可降低血清氨和尿素氮的浓度 NAG的缺乏可导致高血氨,NAGS不足的时候亦 会复发(Caldovic等,2004).NCG可以有效改善NAGS 不足和丙酸及甲基丙二酸尿导致的高血氨症状.用 NCG治疗NAGS缺乏的病人后,同位素标记的N,血 氨和血中谷氨酰胺含量显着降低,血清尿素含量提高 了2—3倍(Tuchman等,2008);用NCG治疗甲基丙二 酸尿的病人,显着增加了尿素含量,同时降低了血中 谷氨酰胺,丙氨酸和甘氨酸含量,表明NCG的添加影 响氮代谢(Gebhardt等,2005,Jones等,2008).其它研 究亦得出相似的结论(Boyd等,1995).本试验室研究 亦表明.日粮中添加0.8g/kg的NCG或者6g/kgL— Arg均可显着地降低21日龄断奶仔猪血清氨和尿素 氮的浓度. 4.2调控特殊生理阶段内源性精氨酸的缺乏 传统上认为,猪乳是能够提供足够量的氨基酸以 满足哺乳仔猪的生长需要,但近来的研究却表明,当 猪乳作为仔猪唯一的日粮蛋白来源时,哺乳仔猪却并 不能够获得最佳的生长性~(Frank等,2007).人工喂 养仔猪试验表明,出生后仔猪的生长生物学潜能至少 是400g/a(从出生到21日龄时的平均值),比哺乳仔 猪(230g/d)高了74%. 最新研究表明.NCG可有效地提高内源性精氨酸 的合成与供给,进而促进蛋白质的合成.以新生仔猪为 模型,使用精氨酸和NAG可以使母乳饲养的仔猪生长 提高55%,60%.在7日龄的仔猪中添加50mg/kg体重 的NCG比对照组体重提高了28%.显着提高了背最 长肌,腓肠肌,十二指肠等中的蛋白质合成率;血清精 氨酸和生长激素水平也显着提高(Frank等,2007). 印遇龙等(2oo8)i~验研究表明,日粮中添加0.8g/kg NCG可有效地提高仔猪血清精氨酸浓度,进而增强机 体免疫力,促进仔猪生长;但是El粮中高水平的NCG f1.6g/kg)N-~致仔猪腹泻率增加,具有一定的副作用. 这可能与合成过高水平的精氨酸进而产生过多的 NO,产生氧化应激所致. 4_3其它 精氨酸在蛋白质的合成代谢,多胺和NO的合成 中都起着重要作用,这些产物与机体免疫功能密切相 关.因此.精氨酸的应用在免疫营养学的研究中得到 了广泛的关注.精氨酸在运动免疫营养剂的研究领域 备受关注.目前,已经有相关产品通过NCG有效地提 高血浆精氨酸的浓度,进而促进肌肉蛋白质的合成. 精氨酸亦可以修复肠粘膜损伤,这为通过NCG有效 地防治幼龄动物的胃肠道代谢综合征等相关疾病提 供新途径 5展望 总之,精氨酸在促进肌肉内蛋白质合成,增强机 体的免疫力,促进细胞分裂,伤口复原和分泌激素等 各种生理过程中都有着重要的作用.口服或者日粮中 添加NCG的形式可以有效提高内源性精氨酸的合 成,这为人类和动物的医疗和营养保健提供了一个崭 新的途径.NCG的最佳服用量及其与其它氨基酸的联 合应用等方面仍需要进一步的研究. (参考文献26篇,刊略,需者可函索) (编辑:王芳,xfang2005@163.corn)