亮氨酸的代謝及營養(yǎng)生理作用研究進展

　　

　　面對保護環(huán)境和降低成本的雙重壓力，低蛋白日糧配方技術(shù)已經(jīng)成為動物營養(yǎng)學的研究熱點之一。國內(nèi)外對低蛋白日糧添加賴氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸和精氨酸等合成氨基酸的應用效果及其作用機制已經(jīng)進行了大量研究，但亮氨酸在低蛋白日糧中的應用卻沒有引起足夠的重視。大量文獻表明：亮氨酸可以促進氮儲留，增加亮氨酸-tRNA的水平，從而促進蛋白質(zhì)的合成。本文總結(jié)了近年關(guān)于亮氨酸的代謝及營養(yǎng)生理作用，以期為亮氨酸在飼料工業(yè)中的科學利用提供參考。

　　亮氨酸（又稱白氨酸）是Proust在1819年首先從奶酪中分離出來的，之后Braconnot（1820）從肌肉與羊毛的酸水解物中得到其結(jié)晶，并定名為亮氨酸。L-亮氨酸的化學名為氨基異己酸，分子式C6H13O2N。L-亮氨酸的相對分子質(zhì)量為131.18，含C54.89％，N10.67％，熔點為337℃，純品為白色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，微苦，不溶于氯仿和甲醇，乙醇中微溶，為非極性氨基酸，100mL水中20℃時溶解度為2.37g，可從水中結(jié)晶。

　　2　亮氨酸的代謝

　　亮氨酸是支鏈氨基酸（BCAA）之一，BCAA包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，哺乳動物自身不能合成，必須由日糧提供。BCAA是目前日糧必需氨基酸中數(shù)量最大的氨基酸，包括了大約35%肌肉蛋白的必需氨基酸和大約40%哺乳動物的必需氨基酸。亮氨酸的從頭合成限于植物和微生物中，在哺乳動物體內(nèi)不能從頭合成。而哺乳動物體內(nèi)亮氨酸的分解過程如下：起始步驟是轉(zhuǎn)氨，即亮氨酸在BCAA轉(zhuǎn)氨酶催化下，生成α-酮異己酸，是一種支鏈酮酸，該反應為可逆反應；然后，α-酮異己酸在BCAA脫氫酶催化下發(fā)生不可逆的氧化脫羧反應，生成少1個碳原子的酮酸與乙酰輔酶A（CoA）衍生物；最終，分解生成乙酰乙酸和乙酰CoA進入檸檬酸循環(huán)，因此，亮氨酸是一種生酮氨基酸。

　　2.1　支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶（BCAT）

　　BCAT廣泛存在于哺乳動物器官，如：線粒體（BCATm）、胞液（BCATc）及細胞器（DeSantiago等，1998）。心臟、肌肉、胃、胰和腎的BCAT主要存在于BCATm，而大腦、卵巢和胎盤中的主要存在于胞質(zhì)體。器官中BCATm的活性在不同物種和器官中變化較大。如：老鼠的胰、胃、心和骨骼肌都有很高的BCAT活性，而肝中的BCAT活性基本上可以忽略。人類器官中的轉(zhuǎn)氨酶活性較為一致。

　　哺乳動物器官中已發(fā)現(xiàn)3種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)氨酶。BCAA都可以作為酶Ⅰ的底物，在多數(shù)器官的BCATm和BCATc中存在，酶Ⅱ以亮氨酸作為特異性底物，在老鼠肝的BCATc中存在，酶Ⅲ多存在于心臟和大腦中。在老鼠肝中發(fā)現(xiàn)有亮氨酸和BCATm特異性轉(zhuǎn)氨酶。

　　目前對BCAT活性的調(diào)控機制仍不清楚。轉(zhuǎn)氨反應的速度取決于底物和酶的質(zhì)量濃度。與BCAA代謝中的支鏈氨基酸脫氫酶（BCDH）相比，BCAA的BCAT有較高的米氏常數(shù)（Km）值。纈氨酸的BCAT活性的Km高于異亮氨酸和亮氨酸，這也可以解釋為何多數(shù)生物中血液纈氨酸質(zhì)量濃度高于亮氨酸和異亮氨酸。

　　BCDH催化是BCAA代謝中的限速步驟，該反應脫掉碳骨架上的第1個碳原子。BCDH復合物與丙酮酸脫氫酶復合物和α-酮酸脫氫酶復合物相似，都位于BCATm膜的內(nèi)部。BCDH復合物由3個催化組成，即由2α和2β亞基組成的BCAAα-酮酸脫氫酶（E1）、二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙酰基酶（E2）和二氫硫辛酸脫氫酶（E3）。3個部分與硫胺焦磷酸酯、核黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和CoA聯(lián)合催化，并由支鏈氨基酸酮酸（BCKA）產(chǎn)生支鏈氨基酸酰CoA、CO2和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酸（NADH）。

　　BCKA降解由BCDH復合物催化并調(diào)控，BCDH分為活性和非活性2種形式，通過特異激酶（BCDH激酶）和磷酸化酶（BCDH磷酸化酶）催化脫磷反應調(diào)控其磷酸化來轉(zhuǎn)化。磷酸化后為非活性形式，去磷酸化后轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚孕问?。老鼠骨骼肌中BCDH多為非活性形式，人類骨骼肌多為活性形式，大多數(shù)器官，如：肝、心臟和腎的酶都是活性形式，BCDH的活性隨不同的生物和器官變化。

　　BCDH復合物活性可由日糧蛋白質(zhì)、能量、BCAA質(zhì)量濃度、運動、胰島素和雄性性激素調(diào)控，主要通過改變BCDH激酶活性來調(diào)控。低蛋白日糧或采食低能量時，BCDH活性為正調(diào)控，BCDH復合物主要處于非活性狀態(tài)，有利于利用BCAA進行蛋白質(zhì)合成。提高亮氨酸和異亮氨酸質(zhì)量濃度可以激活BCDH復合物活性。酮戊己酸（KIC）可以作為BCDH激酶的蛋白抑制劑來激活BCDH的活性，但異戊酸酮（KIV）和甲基戊酸酮（KMV）并沒有此效果，表明亮氨酸和KIC在BCDH復合物的調(diào)控中起重要作用。

　　在蛋白不足日糧（9%酪蛋白）中添加高亮氨酸水平（3%）會導致老鼠生長抑制，添加異亮氨酸可以部分得到改善。后期試驗表明：食入足夠蛋白質(zhì)（18%酪蛋白），3%亮氨酸并不引起生長抑制，高水平的異亮氨酸和纈氨酸的頡頏效應并未發(fā)現(xiàn)。Torres等（1989）在使基礎日糧的亮氨酸成為限制性氨基酸得出相同結(jié)論?？梢姡?種BCAA相互存在頡頏，動物和人類比較常見的是由亮氨酸引起的頡頏。

　　在蛋白不足的日糧中添加過量亮氨酸會導致生長抑制，降低血液和器官代謝庫中的異亮氨酸和纈氨酸水平，同時還降低相應的酮酸水平，如：KMV和KIV。亮氨酸進入胃10min～30min后可觀察到代謝池異亮氨酸和纈氨酸水平隨亮氨酸質(zhì)量濃度的變化情況。在過量亮氨酸日糧中添加異亮氨酸和纈氨酸可以部分改善生長抑制，進一步添加苯丙氨酸、色氨酸和蘇氨酸可以恢復到正常生長水平，表明低蛋白日糧添加過量亮氨酸提高異亮氨酸、纈氨酸及其他氨基酸的需要。上述試驗過程中動物出現(xiàn)采食量的下降，生長抑制70%由采食量的下降造成，口服亮氨酸1h～3h后采食量并不下降。亮氨酸引發(fā)的抑制現(xiàn)象發(fā)生次序為：

　　2.3.1 體內(nèi)代謝池總游離亮氨酸及其酮酸和KIC升高。

　　2.3.3 采食量和生長性能抑制。亮氨酸的頡頏效應存在特異性，在高蛋白日糧中不發(fā)生，提高異亮氨酸和纈氨酸的水平并不能提高血液亮氨酸的質(zhì)量濃度。很多生物都可以發(fā)生亮氨酸引發(fā)的頡頏現(xiàn)象，包括老鼠、禽類、豬、火雞和人類。

　　BCAA頡頏導致血液氨基酸變化的機制可能有3種。提高蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)（提高蛋白合成，降低蛋白分解）；其他氨基酸與亮氨酸使用相同的運輸載體，彼此競爭；BCAA氧化反應提高會導致異亮氨酸和纈氨酸水平下降。使用相同載體的L型氨基酸間在進出細胞時存在運輸競爭，并不能解釋肌肉中大型中性氨基酸分子（LNAA）存在競爭，異亮氨酸和纈氨酸代謝池嚴重下降。如果亮氨酸導致肌肉異亮氨酸和纈氨酸吸收的抑制，會導致血液異亮氨酸和纈氨酸代謝池升高而不是降低。第3種可能是BCAA氧化導致血液氨基酸水平降低。Harper和associate（1984）認為提高亮氨酸水平會增加BCAA轉(zhuǎn)氨形成KIC，KIC水平提高會誘導纈氨酸和異亮氨酸的轉(zhuǎn)氨反應，提高BCDH活性。

　　3　亮氨酸的營養(yǎng)生理作用

　　3.1　氧化供能

　　亮氨酸在體內(nèi)可用于蛋白合成，但在特殊生理時期（饑餓、泌乳、應激和運動等）能作為能量來源。仔豬饑餓時其腦與肌肉中亮氨酸氧化量增加。瘤胃原蟲也可以利用BCAA作為能源。BCAA能以較快的速率轉(zhuǎn)氨基和完全氧化，氧化產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP）的效率高于其他氨基酸，每分子亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸完全氧化分別產(chǎn)生42、43和32分子ATP。其主要代謝場所在肌肉中，在轉(zhuǎn)氨酶作用下，BCAA將氨基轉(zhuǎn)移給酮戊二酸生成谷氨酸，谷氨酸將氨基轉(zhuǎn)移給丙酮酸生成丙氨酸。特殊狀態(tài)下2種糖異生氨基酸的利用率增加，肝糖異生的能量轉(zhuǎn)換加快，使血清丙氨酸和谷氨酸質(zhì)量濃度降低，補充BCAA可以節(jié)約肌糖原。

　　BCAA可以促進氮儲留和蛋白質(zhì)合成。亮氨酸可以調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)代謝，異亮氨酸和纈氨酸對蛋白質(zhì)的合成和降解無顯著影響。亮氨酸是骨骼肌與心肌唯一可調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)的氨基酸，可以促進骨骼肌蛋白質(zhì)的合成，對骨骼肌蛋白質(zhì)的降解并沒有影響。亮氨酸增加蛋白質(zhì)合成高達50%，抑制分解僅25%。亮氨酸的代謝產(chǎn)物α-酮戊己酸（α-KIC）和β-羥基-β-甲基丁酸（HMB）具有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)代謝的作用。亮氨酸抑制分解主要通過α-KIC促進胰島素的分泌，抑制胰高血糖素分泌，從而抑制糖原異生，減緩肌肉蛋白的分解。飼喂閹牛瘤胃保護性α-KIC的鈣鹽，日增質(zhì)量增加14%，飼料轉(zhuǎn)化率提高8%，對胴體品質(zhì)未產(chǎn)生不良影響。羔羊腹膜內(nèi)注射α-KIC的鈉鹽或飼喂瘤胃保護性或不保護性α-KIC，可以提高日增質(zhì)量、飼料轉(zhuǎn)化率和肌肉生長，降低脂肪沉積。HMB也可以調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)代謝，用離體的大鼠及仔雞的跖長伸肌、大鼠比目魚肌及脛骨前肌與HMB共同培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)HMB可促進大鼠的跖長伸肌和比目魚肌及雞的跖長伸肌和脛骨前肌的蛋白質(zhì)合成（蛋白質(zhì)合成分別增加7%，4%和8%，5%），抑制蛋白降解（蛋白質(zhì)降解分別減少31%，6%和15%，22%）。

　　3.3　調(diào)節(jié)機體免疫功能

　　亮氨酸缺乏導致動物胸腺和脾萎縮，淋巴組織受損，并使免疫球蛋白、補體C3和鐵轉(zhuǎn)運蛋白水平降低，斷奶仔豬缺乏BCAA會導致合成特異性抗體的能力下降。添加瘤胃保護性α-KIC（0.05%）可增強羔羊抗豬紅細胞的抗體反應與淋巴細胞增殖反應，添加0.05%的亮氨酸則抑制其抗豬紅細胞的抗體生成；綿羊飼養(yǎng)中添加亮氨酸與α-KIC，可調(diào)節(jié)其T-淋巴細胞亞群的免疫功能（Kuhlman等，1991）。肉雞補飼0.6%的α-KIC，未增強其抗新城疫病毒的抗體反應。亮氨酸及其轉(zhuǎn)氨基作用產(chǎn)物對動物免疫反應的作用效果受添加形式、數(shù)量與動物的種類等因素的影響。

　　通過上述分析可以看出，亮氨酸可以起到氧化供能、促進蛋白質(zhì)合成和提高免疫功能的作用。對斷奶仔豬的試驗表明：外源添加0.27%的亮氨酸能促進肝和胃的發(fā)育，從而促進斷奶仔豬整體的生長發(fā)育，但在其他發(fā)育階段及不同種類動物的適宜補充劑量還需要進一步確定。來源于：賽爾畜牧網(wǎng)