原创《氨基酸调控牛奶乳蛋白合成的思路与进展》
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摘 要：营养丰富的食品——牛奶几乎含有人体所有的必需氨基酸,是一种十分营养而健康的食品.随着时代的发展,人们越来越关注食品的品质,蛋白质含量是决定牛奶品质的关键因素之一,因此提升牛奶的蛋白质含量已成为奶业的关注点.本文综述了一种用氨基酸调控牛奶乳蛋白合成的研究思路,即以血液氨基酸作为分切点,向上游以瘤胃微生物为着眼点研究食物与血液氨基酸的变化,向下游以分子代谢为中心研究血液氨基酸与乳蛋白合成的关系,为指导生产中牛奶乳蛋白的研究提供思路.
关键词：牛奶；调控；乳蛋白合成；研究思路
牛奶中含有丰富的蛋白质,且其蛋白质含有人体几乎所有的必需脂肪酸,消化吸收率高,因此具有很高的营养价值.要提升牛乳品质,提升乳蛋白必不可少.本文综述了一种精准调控乳蛋白合成的研究思路,为今后提升乳品质的研究提供借鉴.
1．合成乳蛋白的过程
乳蛋白由乳腺细胞分泌,其来源有两个,一个途径是血液中蛋白质直接转运到乳汁,主要成分为抗体,占总蛋白的5-10%：另一个途径是从头合成,占90~95%.从头合成的乳蛋白的底物是氨基酸,氨基酸的来源是血液.血液中的氨基酸来源包括两个途径： (1)食物的消化吸收转化； (2)机体自身组织蛋白的分解.健康动物的绝大多数血液氨基酸来源应由第一个途径提供,以保证机体所需要的氨基酸.从消化道到血液的氨基酸又有三个来源： (l)蛋白质在消化道中消化后,氨基酸从小肠上皮细胞主动转运进入血液； (2)小肽（二肽、三肽）被动转运进入小肠细胞内再分解成为氨基酸后转运进入血液； (3)内源蛋白.反刍动物中进入皱胃、小肠的蛋白质分为瘤胃非降解饲料蛋白(UCP)和微生物蛋白( MCP).MCP是瘤胃可降解蛋白(RDP)在瘤胃中经过微生物消化合成的.因此食物中UCP的氨基酸能被小肠吸收到血液中,而RDP的氨基酸则由微生物转化为MCP.另外,MCP的合成底物还包括了氨、氨基酸、肽等,其中有新的氨基酸合成.因此,乳蛋白的主要途径如图l：
2．研究思路
总体研究思路是以血液氨基酸作为分切点,向上游以瘤胃微生物为着眼点研究日粮与血液氨基酸的变化,向下游以分子代谢为中心研究血液氨基酸与乳蛋白合成的关系.以血液氨基酸作为分切点,可以有效降低研究时长,并且得到较为科学的提高乳蛋白的方法.
最基础的研究是下游的乳蛋白合成阶段.研究可先采用乳腺细胞体外培养的方式,优化提高乳腺细胞合成乳蛋白的合理氨基酸比例.研究表明,单纯提高日粮粗蛋白质和瘤胃非降解蛋白水平难以提高乳蛋白的产量,反而造成浪费,但通过改变氨基酸的比例,可增加氨基酸的吸收比例,提高蛋白质的合成量.研究发现产高品质乳蛋白的奶牛在血液中的氨基酸比例也有所不同.因此,我们可以用体外培养的方式,以产乳蛋白氨基酸配比为基础,以奶牛摄人大于合成的氨基酸数据作为调整,结合前人的数据研究大量不同氨基酸比例对奶牛乳腺上皮细胞的蛋白合成与调控,以此找到合理的氨基酸比例.
在此基础上,进行血液灌注氨基酸实验,观察不同氨基酸配比对乳品质的影响.此时,乳腺细胞从血液中吸收氨基酸有选择性：而且,由于动物组织器官的功能受年龄的影响,导致吸收效率在不同年龄、不同时期也有可能不同.尽管如此,相同物种的基因表达往往具有较高的相似性,因此有望在一个品种中的各个年龄段、各个时期找到一个合适的血液氨基酸配比,以实现在血液氨基酸层面上精准调控乳腺合成的蛋白质量,进而提高牛奶中的蛋白.
血液氨基酸的来源不仅受食物蛋白质的影响,受微生物的影响也很大.虽然胃肠道对氨基酸的吸收受动物的健康状态和营养成分等的影响,但在健康动物的合理采食的情况下,氨基酸的消化率是极高的.而内源蛋白含量极少,因此在此可先忽略.胃肠道吸收的氨基酸绝大部分来自UCP和MCP．结合现有研究技术,一方面可比较饲喂常用日粮奶牛的血液氨基酸含量与高乳蛋白合成的适宜氨基酸之间的差异,然后在日粮添加过瘤胃氨基酸以达到精确调控乳腺合成乳蛋白的效果：另一方面可用体外发酵等技术研究MCP的合成机制,达成改变氨基酸配比调控牛奶蛋白质的目标.然而,奶牛瘤胃微生物的发酵受多种因素的影响,且存在个体差异,给实现蛋白质的精确调控带来困难.
3．当前研究概况
3.1血液氨基酸上游：
在理论层面上,健康的动物机体可在承受的范围内摄人更多的氨基酸,机体就可以吸收更多的氨基酸进入血液.同时,已有实验表明,在日粮中提高氨基酸的水平可以提高血液氨基酸水平.在姜宁等人和毕晓华等人的实验结果中,均发现奶牛日粮中添加蛋氨酸能提高血液中蛋氨酸的含量,而过瘤胃蛋氨酸提高血液中蛋氨酸的效果更好.韩兆玉等人在奶牛日粮中添加过瘤胃蛋氨酸也得到了类似研究结果.以上表明,用过瘤胃氨基酸进行血液氨基酸适合比例的调节具有一定可行性.
日粮对奶牛血液氨基酸的影响因素较多,不仅可以受日粮蛋白成分的影响,还受瘤胃微生物的影响.颜志辉等人的研究中,发现日粮酒糟蛋白饲料(DDGS)对奶牛的血液氨基酸含量有所影响,尤其是随着DDGS的增加,血液氨基酸中的亮氨酸和苯丙氨酸显著提高.至于瘤胃微生物,虽然有较多研究的机制,但受动物体内微生物种类、过往日粮、地域等等的因素影响；而且,微生物对氨基酸的转化的研究还不够明确,因此仍有较大研究的空间.
3.2血液氨基酸下游：
3.2.1血液氨基酸的摄取
当氨基酸消化吸收进入血液后,将有进入乳腺细胞的潜在可能.从王小艳的实验可知,乳腺细胞对氨基酸的摄取率有所不同,最多的是蛋氨酸和赖氨酸,摄取率大概为40%;其次是亮氨酸和组氨酸,摄取率约为35%,其他摄取率较高的还有谷氨酸和脯氨酸.另外,实验还发现高品质奶牛的血液氨基酸水平比低品质奶牛的血液氨基酸水平高,可以促进乳腺对氨基酸的摄取率.
影响氨基酸进入乳腺细胞的因素有很多,如：阴外动脉中氨基酸的供应量和比例、动静脉血流量、氨基酸载体转运效率、能量、脂肪、激素.研究发现,奶牛在组氨酸缺乏时可通过提高血流量增加乳腺吸收乳蛋白的效果,同样供给奶牛激素类物质会提高血流量,但是这种提高乳蛋白的方法在实际生产中对奶牛的健康不利.乳腺的氨基酸转运载体的数量也是影响氨基酸转运的重要因素,而氨基酸载体有多重因素影响,尤其是激素水平.当过量添加氨基酸时,氨基酸转运载体的表达会减少.研究表明,乳蛋白合成需要大量能量,因此调配合适氨基酸的同时要合理提高能量水平.大量的研究证明补饲脂肪的同时会降低乳蛋白在牛奶的中的含量,通过体外乳腺细胞的转录合成水平探究其中的机制.催乳素、胰岛素、生长激素、瘦素等激素对乳腺氨基酸摄取都有不同的影响.
3.2.2乳腺摄取血液氨基酸的基本比例模式
Lapierre等根据乳腺利用必需氨基酸的模式不同,将乳腺摄取的氨基酸分为摄人产出等量组和不等量组,等量组包括Met、Phe (+Tyr)、Trp,这类氨基酸的乳腺摄入量与乳蛋白中的产出量相似.不等量组包括Arg、Ile、Leu、Lys、Thr．和Val．这类氨基酸的乳腺摄人量大于乳蛋白中的产出量.Mabjeesh等也发现,进入奶山羊乳腺的亮氨酸大于乳蛋白的量；在Bequette B J的奶山羊研究中也发现其乳腺从血液中摄取精氨酸的所需量,远高于分泌乳蛋白中精氨酸的含量.这说明,氨基酸除了作为底物影响乳蛋白的合成外,还参与了其他的生理活动,因此在进行细胞研究适宜氨基酸比例时,此类氨基酸应在乳蛋白的基本比例下还应该额外添加.
首先,氨基酸可以作为信号传导分子,调控蛋白质的合成与降解.Kimball等发现,亮氨酸对肌动蛋白的合成是通过信号通路介导实现的.此外,还有大量的实验表明添加亮氨酸可以促进乳蛋白的合成.其次,奶牛乳腺中的氨基酸还能通过柠檬酸循环来供能.Bionaz等在奶牛上的转录组学研究证实了这一点.另外,某些必需氨基酸具有其他重要功能.例如支链氨基酸和赖氨酸,能通过转氨作用,为合成非必需氨基酸提供N源,而C链骨架则可以合成脂肪酸,或为乳腺氧化供能.
3.2.3氨基酸对乳腺细胞乳蛋白合成的影响
近年来,氨基酸对蛋白合成的研究也有很多,也证明了用不同比例的氨基酸调节乳蛋白合成的研究是可行的.现阶段的研究表明,影响乳蛋白合成的两个通路是JAK2 -STAT5通路和mTOR信号通路．JAK2和STAT5基因不仅维持了妊娠期小鼠乳腺上皮细胞的增殖和分化还影响着B一酪蛋白的转录和表达,mTOR信号通路在奶牛乳蛋白合成翻译过程的起始及延伸阶段都发挥了重要的作用,并受到氨基酸水平的影响.
能在细胞实验中提高乳蛋白合成的氨基酸有：亮氨酸、甲硫氨酸、组氨酸、精氨酸等.代文婷等研究发现在乳腺上皮细胞的培养基中加入适宜浓度的亮氨酸能显著提高K-酪蛋白基因mRNA水平.相互印证的是,在庞学燕的研究中,118.lmg/L—236.2mg/L的亮氨酸能使乳蛋白的合成达到较好的水平.类似,林叶等发现甲硫氨酸的添加可以提高酪氨酸的合成,并且甲硫氨酸也有调节信号通路的作用.此外,王珊珊等的研究证实了适合浓度的组氨酸可以通过JAK2-STAT5信号通路的调节和mTORCI的P-raptor(Ser863)作用于下游靶点P-4EBPl (Thr37)提高B -酪蛋白的表达.在Chen LM等的研究发现556.OOmg/L的精氨酸能显著提高酪蛋白的合成.
除此以外,更是有学者已经开始研究不同氨基酸比例对酪蛋白合成的效果和机理.Li等的研究发现适合比例的氨基酸(Lys: Met等于2.9:1；Thr: Phe等于1.05:1; Lys: Thr等于1.8:1; Lys: His等于2.38:1；and Lys: Val等于1.23:1）能提高B一酪蛋白的合成量.Appuhamy等证实了亮氨酸和异亮氨酸可促进体外培养的奶牛乳腺组织、乳腺上皮细胞m TOR CI的磷酸化激活,促进S6K1和4EBP1的磷酸化激活,从而提高乳腺组织及乳腺上皮细胞乳蛋白合成率.Nan等在研究中发现乳腺上皮细胞合成酪蛋白的最合适赖氨酸与蛋氨酸的比例为3：1.高海娜等人发现添加0.45-10.80mmol/L亮氨酸及0.15—4.80mmol/L组氨酸的亮氨酸或组氨酸可以提高酪蛋白和mTOR信号通路中与乳蛋白翻译相关的表达,影响乳蛋白的合成.随着分子生物技术的发展,氨基酸对乳蛋白的合成影响可用western blot研究,而其中的机理也可用荧光定量PCR的方法进行深入研究.
4．小结：未来的研究与应用
以血液氨基酸为分切点,运用分子生物学技术研究下游血液氨基酸与乳蛋白关系,需要专业人员的操作和高级实验仪器的支持,但对场地面积的要求较低.因此,这种研究适合在专门的高级实验室进行.现在,研究者们在改变氨基酸配比以提升乳腺上皮细胞乳蛋白合成能力研究领域进行了初步探索,但有待进一步系统化.如借助荧光定量PCR等技术,已经可以初步研究其中的机理,并帮助我们深入理解.另外,乳腺细胞对氨基酸的吸收效率的影响因素和具体的规律等还需要进一步的研究,最终实现找到合理的血液氨基酸配比.
以血液氨基酸为分切点,上游研究血液氨基酸与日粮的关系,可以通过过瘤胃氨基酸进行调整.养殖场可以通过对奶牛血液氨基酸的检测,判断所用日粮是否能满足蛋白质的产乳蛋白的需要添加过瘤胃氨基酸.当然,也可以进行日粮的优化来达到合适血液氨基酸的水平．但是还需要对瘤胃微生物有更深一步的研究.
分子细胞层面的研究运用了高科技技术,结果具有可靠性和准确性,但必须要进入指导的层面才能为社会创造价值,此思路以分子细胞层面为基础,逐步指向生产实践,目标是使牧场中奶牛产生的牛奶中含有更多的乳蛋白.
参考文献（略）
研究进展论文参考资料：
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