徐運杰

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1 母仔豬精氨酸的生理代謝

1.1 合成代謝

20 世紀90 年代初，人們認識到，以前的養(yǎng)豬研究人員未能確定母豬奶水中所有生理上重要的氨基酸（如谷氨酰胺、瓜氨酸和鳥氨酸）。因此，在泌乳的第1 ～28 天，人們開始對母豬初乳和乳汁中游離和結合氨基酸進行定量研究。與泌乳母豬血漿中0.3 ～0.4 mM 谷氨酰胺相比，奶水中游離谷氨酰胺的濃度隨著泌乳時間的延長而逐漸增加，在泌乳的第28 天達到3.5 mM 的最高平均值。相比之下，在整個哺乳期，母豬乳汁中精氨酸（Arg，游離加結合）的濃度遠遠低于谷氨酰胺加谷氨酸、脯氨酸、賴氨酸和支鏈氨基酸的濃度（表1）。母豬初乳或乳汁中游離精氨酸的濃度少于總Arg含量的0.7%。以克為基礎，母豬在泌乳第7 天的奶水中Arg/Lys 的比值為0.35，而7 日齡仔豬的組織蛋白中Arg/Lys 的比值為0.97，表明母乳中缺乏精氨酸來滿足仔豬最大生長的需求[1，2]。仔豬組織蛋白中精氨酸的高豐度和母豬奶水中精氨酸的明顯缺乏引發(fā)了人們以下思考：1）母豬奶水中真的缺乏精氨酸？2）母豬奶水中高含量的谷氨酰胺和脯氨酸是否有營養(yǎng)意義？

研究表明，豬腸上皮細胞能夠利用谷氨酰胺合成瓜氨酸和精氨酸。對14 ～58 日齡豬的空腸動脈和空腸靜脈進行插管研究表明，小腸能夠積極利用日糧和動脈血中的谷氨酰胺大量合成瓜氨酸[3]。為了確定負責瓜氨酸和精氨酸合成的細胞 類 型，Wu 等（1994）[4]從1 ～58 日齡豬小腸中分離出具有生化活性的腸上皮細胞，將谷氨酰胺的胞外濃度從0.5 增加到5 mM，研究發(fā)現(xiàn)呈劑量依賴性地增加豬腸上皮細胞通過吡咯－5－羧酸（P5C）合成酶合成瓜氨酸和精氨酸。與Blachier 等（1993）[5]的研究結果一致。合成途徑所需底物包括氨、谷氨酸、天冬氨酸和ATP，都是由谷氨酰胺分解代謝產(chǎn)生。吡咯－5－羧酸合成酶和N－乙酰谷氨酸合成酶是由谷氨酰胺轉瓜氨酸的兩種關鍵調節(jié)酶[6]。斷奶前和斷奶后豬的其他主要組織（包括肝臟、腎臟、心臟、胰腺、大腦、大腸和骨骼?。┤狈墓劝滨０坊蚬劝彼岷铣晒习彼岬腜5C 合成酶[7]。這些發(fā)現(xiàn)為腸上皮細胞從谷氨酰胺合成瓜氨酸和精氨酸奠定了基礎。由谷氨酰胺生成瓜氨酸的反應始于腸上皮細胞線粒體，第一種酶是谷氨酰胺酶，將谷氨酰胺水解為谷氨酸，隨后瓜氨酸轉化為精氨酸在胞漿中進行[8]。值得注意的是，與線粒體中產(chǎn)生的鳥氨酸相比，細胞外鳥氨酸是腸上皮細胞中合成瓜氨酸和精氨酸的非常差的底物，這可能是由于細胞外鳥氨酸優(yōu)先進入脯氨酸的生產(chǎn)[9]。這些結果表明：1）谷氨酰胺在瓜氨酸和精氨酸的腸道合成中起著重要作用；2)乳汁中谷氨酰胺的含量對彌補仔豬最佳生長所需的日糧精氨酸供給不足具有重要的營養(yǎng)意義。

豬腸細胞能夠利用脯氨酸合成瓜氨酸和精氨酸。與0 ～7 日齡仔豬相比，14 ～21 日齡仔豬利用谷氨酰胺合成瓜氨酸的速率顯著降低[10]。脯氨酸是哺乳仔豬腸上皮細胞合成精氨酸的替代前體物質。用鳥氨酸轉氨酶抑制劑加巴曲林（gabaculine）處理母豬喂養(yǎng)的仔豬后，血漿中谷氨酰胺和脯氨酸的濃度增加了2 倍，提示脯氨酸可能是瓜氨酸合成的底物[11]。使用放射化學和色譜法研究發(fā)現(xiàn)，脯氨酸通過豬腸上皮細胞廣泛降解，通過脯氨酸氧化酶途徑產(chǎn)生P5C、瓜氨酸和Arg[12]。脯氨酸轉化為瓜氨酸需要氨和谷氨酸，兩者都是由谷氨酰胺降解提供的。由于豬小腸對動脈血中脯氨酸的攝取量很小，因此，豬奶水為腸內提供大量脯氨酸對奶水中精氨酸缺乏的補償作用至關重要[3]。Brunton等（1999）[13]也研究報道，仔豬動脈血中脯氨酸合成精氨酸的作用很小，經(jīng)胃給予脯氨酸可有效改善新生兒精氨酸缺乏。

另外，盡管精氨酸是通過尿素循環(huán)在肝臟中形成的，但在哺乳動物（包括豬）中，這一器官并沒有精氨酸的凈合成，因為胞漿精氨酸酶活性極高，能迅速水解Arg[8]。谷氨酰胺和脯氨酸在腸上皮細胞中形成瓜氨酸和精氨酸，在腎臟中瓜氨酸經(jīng)精氨琥珀酸合成酶和精氨琥珀酸裂解酶（ASL）轉化為精氨酸，這被稱為從頭合成Arg 的腸－腎軸。包括豬在內的許多哺乳動物物種中都存在這種機制，這是精氨酸腸外合成的主要部位。一些哺乳動物（如貓）腸道內缺乏瓜氨酸的合成，導致它們對膳食中精氨酸的需求很高[14]。

出生時，ASL 活性在腸上皮細胞中很高，但在腎臟中很低，因此，大多數(shù)谷氨酰胺和脯氨酸代謝合成的瓜氨酸能夠被1 ～7 d 豬的腸上皮細胞用于合成精氨酸[10]。1 ～21 d 斷奶仔豬腸道缺乏精氨酸酶，限制了精氨酸降解，有助于新生兒小腸Arg 的最大化[15]。Wu 等（1995）[10]估計，母豬奶水最多只能提供7 日齡仔豬所需精氨酸的40%。因此，通過腸－腎軸的Arg 合成在母豬喂養(yǎng)的仔豬維持Arg的穩(wěn)態(tài)起著至關重要的作用。為支持這一觀點，抑制腸道鳥氨酸轉氨酶12 h，可使4 日齡母豬喂養(yǎng)的仔豬血漿中鳥氨酸、瓜氨酸和精氨酸的濃度分別降 低59%、52%和76%[11]。Wilkinson等（2004）[16]研究報道，給7 日齡仔豬喂食高精氨酸日糧（高精氨酸與精氨酸是一對同源氨基酸），與低精氨酸對照組相比，降低了脯氨酸對精氨酸的內源性合成，但這一發(fā)現(xiàn)不應解釋為在生理范圍內增加精氨酸的攝入量會降低瓜氨酸和精氨酸的腸道合成，因為喂食高精氨酸日糧（生長下降17%）的仔豬可能因氨基酸的嚴重不平衡而受損。

斷奶后短期皮質醇升高能夠誘導豬腸上皮細胞P5C合成酶的表達，促進谷氨酰胺合成瓜氨酸[17]。在斷奶后的豬中，ASL 活性在腎臟中高，而在腸上皮細胞中低[10,12]。因此，小腸將大部分合成的瓜氨酸釋放到血液循環(huán)中。在斷奶前和斷奶后的豬中，小腸釋放的瓜氨酸沒有被肝臟提取，而是主要用于腎臟中的精氨酸合成。由于肝細胞中氨基酸轉運系統(tǒng)y+（一種堿性氨基酸轉運體）的活性較低，限制了豬肝臟對生理濃度Arg 的攝取，因此，小腸利用谷氨酰胺和脯氨酸內源合成精氨酸對豬至關重要[18]。谷氨酰胺和脯氨酸在腸道中生成的瓜氨酸和精氨酸作為精氨酸的來源對整個身體同樣有效（圖1）。Wu 等（2016）研究報道，日糧中添加0.5%至2%精氨酸，不會影響斷奶后仔豬利用谷氨酰胺和脯氨酸腸道合成瓜氨酸和精氨酸[19]。

表1 泌乳第7 ～21 天母豬全乳中氨基酸的含量

很多因素，包括遺傳、營養(yǎng)和應激（如擁擠、疾病、環(huán)境溫度和空氣污染）都會影響仔豬的生長。人工飼養(yǎng)系統(tǒng)的研究數(shù)據(jù)表明，新生仔豬的生長潛力至少為400 g/d，或大于母豬喂養(yǎng)仔豬（230 g/d）的74%以上，哺乳仔豬出生后第8 天開始出現(xiàn)亞最大生長[21]。有趣的是，哺乳仔豬的亞最大生長發(fā)生在線粒體中N－乙酰谷氨酸合成酶相對缺乏時，腸上皮細胞合成的瓜氨酸和Arg 顯著減少[6，10]。與新生仔豬相比，7 日齡乳豬以谷氨酰胺為原料腸道合成瓜氨酸和精氨酸減少了70%～73%，腸上皮細胞以脯氨酸為原料合成瓜氨酸和精氨酸的速率也降低了75%～88%，14 ～21 日齡進一步減少[12]。說明哺乳期仔豬內源性Arg 合成顯著減少導致Arg 的缺乏限制了母豬喂養(yǎng)仔豬的最大生長。

1.2 分解代謝

作為調節(jié)精氨酸穩(wěn)態(tài)的一種機制，豬精氨酸分解代謝主要通過精氨酸酶途徑發(fā)生，并隨著日糧精氨酸攝入量的增加而逐漸增加。根據(jù)7 日齡仔豬尿液中肌酸酐的排泄量，Wu 等（2004）[6]估計，新生仔豬每天每千克體重消耗70 mg 精氨酸合成肌酸，占體內分解Arg 的21%或母乳提供Arg 的17%。類似地，Brosnan 等（2009）[22]報告，仔豬在4 ～11 日齡期間每天每千克體重消耗110 mg 精氨酸合成肌酸。對于4 月齡的豬，每天每千克體重消耗84 mg 精氨酸產(chǎn)生肌酸[23]。盡管高精氨酸是由賴氨酸分解代謝或其前體Arg 的氨基轉移合成，但該途徑每天每千克體重僅消耗0.036 mg 精氨酸，在數(shù)量上無關緊要。

泌乳母豬乳腺組織中精氨酸的分解代謝也非?？捎^。乳腺吸收了大量的精氨酸，但乳汁中精氨酸的含量卻遠低于乳腺組織對精氨酸的吸收[24]。為了理解這一點，O'Quinn等（2002）[25]利用泌乳母豬的乳腺組織進行代謝研究，發(fā)現(xiàn)該組織能主動降解精氨酸，形成脯氨酸、多胺和NO。精氨酸酶的2 個亞型（I型和Ⅱ型）負責精氨酸水解產(chǎn)生尿素和鳥氨酸，隨后通過鳥氨酸轉氨酶和P5C 還原酶轉化為脯氨酸。但是，由于缺乏脯氨酸氧化酶，脯氨酸的分解代謝在豬乳腺組織中沒有檢測到。這些發(fā)現(xiàn)有助于我們解釋為什么精氨酸在母豬的乳汁中非常缺乏，而脯氨酸卻非常豐富。

斷奶前豬的腸上皮細胞幾乎不表達精氨酸酶，因此不能從精氨酸合成脯氨酸。這有助于解釋為什么脯氨酸是幼豬必需的營養(yǎng)氨基酸。在斷奶期間，皮質醇的激增誘導了仔豬的腸道表達精氨酸酶[26]。此后，生長育肥豬和成年豬腸上皮細胞中精氨酸酶的活性持續(xù)升高[19]。斷奶后豬的腸上皮細胞表達I 型和Ⅱ型精氨酸酶，能夠積極地將精氨酸降解為鳥氨酸和尿素，鳥氨酸轉氨酶和P5C 還原酶進一步將鳥氨酸轉化為脯氨酸[15]。豬小腸管腔中的細菌也會將一些日糧中的精氨酸代謝為鳥氨酸，可能還有少量短鏈脂肪酸[27]。因此，胃腸道微生物群可能影響Arg 的利用率和宿主健康。仔豬斷奶后，精氨酸的腸道分解代謝減少了日糧精氨酸進入門靜脈的數(shù)量。Wu 等[19,28]（2007 和2016）估計，大約40%的口服精氨酸（通過分解代謝和蛋白質合成）被生長豬和成年豬的小腸利用，其余部分精氨酸進入門靜脈。在腸外組織中，精氨酸是由精氨酸酶、精氨酸；甘氨酸氨基轉移酶、精氨酸脫羧酶和一氧化氮合成酶啟動進入分解代謝途徑，這些途徑分別用于合成鳥氨酸、肌酸、精胺和一氧化氮（圖2）。在胃腸道中，由胞外蛋白酶和肽酶水解日糧蛋白質釋放出精氨酸、其他氨基酸和小肽進入腸腔。腸細胞吸收這些消化產(chǎn)物，降解精氨酸，釋放瓜氨酸。氨基酸的分解代謝也由腸道內的細菌發(fā)生。在斷奶后的豬和大鼠中，在第1 次進入門靜脈時，大約40%的Arg 和15%（例如色氨酸）至95%（例如谷氨酸）的其他氨基酸在小腸內腔中通過分解代謝和蛋白質合成被利用。因此，小腸內腔中有5%（例如谷氨酸）到85%（例如色氨酸）的氨基酸進入門靜脈。

在新生仔豬腸上皮細胞中發(fā)現(xiàn)瓜氨酸和精氨酸合成，那么，這一途徑是否可能在胎豬中就開始發(fā)生？通過分析妊娠不同時期豬的胎液發(fā)現(xiàn)，與母體血漿水平（0.1 ～0.14 mM）相比，妊娠第40 天豬尿囊液中的精氨酸含量異常高（4 ～6 mM）。此外，在妊娠第40 天，與母體血漿水平（鳥氨酸為0.05 ～0.1 mM，谷氨酰胺為0.3 ～0.45 mM）相比，豬尿囊液中的鳥氨酸（1 ～3 mM）和谷氨酰胺（3 ～4 mM）濃度也特別高[29-30]。值得注意的是，豬尿囊液中精氨酸、鳥氨酸和谷氨酰胺的濃度在妊娠第30～40 天之間分別增加了23、18 和4倍，它們的氮占游離α 氨基酸總氮的67%。胎液中精氨酸的異常豐度有利于胎盤中NO 和多胺的合成。這些新發(fā)現(xiàn)為精氨酸依賴性代謝途徑在胚胎存活、生長和發(fā)育中的關鍵作用提供了生理基礎[31]。

2 母仔豬精氨酸的營養(yǎng)作用

很多研究結果表明，在傳統(tǒng)日糧中添加精氨酸可以改善現(xiàn)代豬品種在妊娠期、哺乳期、保育期、斷奶期和生長發(fā)育期的生長、生產(chǎn)性能和健康狀況。2012 年，NRC 認識到精氨酸在豬生產(chǎn)的各個階段都是條件性必需氨基酸。NRC（2012）[32]推薦了在妊娠、哺乳、保育、斷奶和生長肥育豬日糧中精氨酸的最低含量（表2）。

2.1 新生仔豬精氨酸的營養(yǎng)作用

仔豬的生長對日糧中精氨酸的供應非常敏感，精氨酸的嚴重缺乏（例如仔豬血漿中精氨酸濃度≤26μM）將迅速導致高血氨癥，甚至新生兒死亡。如前所述，母豬的乳汁中精氨酸含量相對較低。因此，日糧中添加0.2%和0.4%精氨酸至7 ～21 d乳豬的液態(tài)奶中進行人工飼養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)可劑量依賴性地增加血漿中精氨酸濃度（30%和61%），降低血氨濃度（20%和35%），并增加仔豬的體重增長（28%和66%）[1]。最近，Yang 等（2016）[34]報道，在代乳日糧中添加0.4%或0.8%精氨酸可使4 ～24 d 仔豬的體重分別增加19%和22%，而不影響飼料攝入量。有趣的是，在斷奶前日糧添加精氨酸對25 ～45 d 仔豬的腸道生長發(fā)育有促進作用。張莉莉等（2017）[35]研究了精氨酸對子宮內發(fā)育遲緩（IUGR）仔豬抗氧化功能的影響，結果表明，日糧補充Arg 顯著降低IUGR 仔豬背最長肌和空腸黏膜丙二醛含量；顯著提高空腸黏膜總抗氧化能力和谷胱甘肽過氧化物酶活性；顯著提高血清和腔腸黏膜中的NO 水平、總NO 合成酶、誘導型NO 合成酶、結構型NO 合成酶活性，以及空腸黏膜與血清中Arg 水平和Arg 代謝相關的氨基酸水平。說明在早期斷奶IUGR 仔豬日糧中添加精氨酸具有增強IUGR 仔豬抗氧化功能和促進精氨酸代謝的作用。

2.2 斷奶仔豬精氨酸的營養(yǎng)作用

仔豬可有效利用日糧瓜氨酸合成精氨酸，但日糧鳥氨酸對體內精氨酸合成的影響不大。在喂食含13.1%粗蛋白、0.89%賴氨酸和0.18%精氨酸的半純合日糧的斷奶仔豬中，與對照組比較，添加0.18%精氨酸或等摩爾量瓜氨酸的試驗組增加了血漿中精氨酸的濃度和生長性能，但在基礎日糧中添加等摩爾量的鳥氨酸對血漿精氨酸的濃度和生長性能都沒有影響[36]。

表2 NRC 推薦的豬日糧中精氨酸的最低含量和Wu 推薦的豬日糧中精氨酸的最佳含量（數(shù)值為總日糧的百分比）

與豬乳一樣，斷奶仔豬的典型玉米－豆粕型日糧（不添加魚粉或血漿）中精氨酸的含量相對較低。另外，與哺乳仔豬相比，斷奶仔豬在斷奶后第1 周的采食量通常降低，導致日糧氨基酸（如谷氨酰胺、谷氨酸和脯氨酸）攝入不足，加上線粒體中N-乙酰谷氨酸合成酶活性低，雙重影響了精氨酸的內源合成，導致斷奶仔豬精氨酸缺乏，從而極大地限制了斷奶仔豬的生長。在以玉米、豆粕為基礎的日糧中添加0.6%精氨酸，可使斷奶仔豬的小腸重量和日增重分別增加22%和145%[37]。

2.3 妊娠母豬精氨酸的營養(yǎng)作用

現(xiàn)代高產(chǎn)母豬每次排20 ～30個卵細胞，最終產(chǎn)10 ～15 頭甚至更多的活仔豬。大量研究報告證實，精氨酸對胎盤重量、胚胎和胎兒存活、仔豬出生重等方面具有重要生理作用。第一，在實際生產(chǎn)條件下，在妊娠第22 ～114 天期間，飼喂補充0.83%精氨酸日糧的母豬，其胎盤重量增加16%、每窩產(chǎn)活仔豬數(shù)增加1.1 頭和窩出生重增加1.7 kg[38]。第二，在實際生產(chǎn)條件下，在妊娠第14 ～28 天期間的母豬日糧中添加1%的精氨酸，每窩產(chǎn)活仔豬數(shù)增加約1 頭[39]。第三，與對照組母豬相比，在妊娠第14 ～25 天之間的母豬日糧中添加0.4%或0.8%的精氨酸，可使胎盤生長增加21%～34%，每胎產(chǎn)仔數(shù)增加約2 頭，值得注意的是，0.4%和0.8%精氨酸組之間的胚胎存活率沒有差異[40]。郭鵬等（2017）[41]研究表明，精氨酸能通過其代謝產(chǎn)物NO 和腐胺激活β-catenin 和mTOR 信號通路，促進母豬胎盤滋養(yǎng)層細胞的增殖。第四，在妊娠第14 ～28 天期間母豬日糧中添加0.9%精氨酸鹽酸鹽，能夠使超數(shù)排卵母豬在妊娠第70 天的胎兒數(shù)增加3.7 頭，并使后代的出生體重、骨骼肌和器官重量以及肌纖維增生增加[42]。第五，在妊娠第90 ～114 天期間的母豬日糧中添加0.83%精氨酸，可使仔豬的平均出生體重提高16%[43]。

2.4 泌乳母豬精氨酸的營養(yǎng)作用

生理水平的NO 能夠促進哺乳動物（如母豬）乳腺的血液流動、產(chǎn)奶以及乳腺上皮細胞的蛋白質合成[44-45]。精氨酸的供應增加了乳腺組織中NO 和多胺的產(chǎn)生，因此，它促進了乳汁的生成[25，44]。在初產(chǎn)母豬日糧中添加0.83%精氨酸（即1%精氨酸鹽酸鹽）可使初產(chǎn)母豬在泌乳第一周的窩增重和產(chǎn)奶量分別 提 高21%和11%[46]。Wu 等（2006）[47]對初產(chǎn)母豬飼喂添加或不添加精氨酸的日糧，比較了低出生體重和正常出生體重仔豬0～14 d 的生長性能，結果表明，精氨酸能夠使低出生體重仔豬的日增重比正常出生體重仔豬的大。此外，哺乳母豬日糧中添加精氨酸可提高奶水中脂質的生成[48]。Laspiur 等（2001）[49]報道，在泌乳母豬日糧中添加精氨酸降低了其體重損失，提高了飼料效率，特別是在炎熱的環(huán)境中，添加精氨酸有利于改善母豬的心跳和呼吸速率以及仔豬的增重。由此可知，泌乳期日糧中添加精氨酸對改善母仔豬的健康狀況以及仔豬的生長和存活具有重要的營養(yǎng)、生理和現(xiàn)實意義，特別是對于那些經(jīng)歷過宮內生長受限的仔豬。

3 日糧補充精氨酸的安全性

豬日糧中添加精氨酸并沒有影響血漿中賴氨酸或組氨酸的濃度（表明堿性氨基酸之間沒有頡頏作用），但有益于增加瘦肉組織質量和減少白脂肪，以及血漿中氨、游離脂肪酸、三酰甘油酯和膽固醇的濃度[50]。Hu等（2015）[51]評估了長期補充精氨酸鹽酸鹽或精氨酸對30 ～121 日齡豬的安全性，結果表明，日糧中添加0%、1%、1.5%或2%精氨酸，血液生化結果（包括紅細胞和白細胞的數(shù)量、血紅蛋白和pH、血漿中總膽紅素、氨基酸、葡萄糖、尿素、氨、肌酐、脂質和礦物質）均在生理范圍內，沒有受到添加精氨酸的負面影響。但是，與其他營養(yǎng)素一樣，過量攝入精氨酸會對動物產(chǎn)生不良影響。在以玉米、豆粕為基礎的日糧中添加4%精氨酸會對仔豬產(chǎn)生不利影響，表現(xiàn)為氨基酸失衡和生長性能下降。精氨酸和賴氨酸的最佳日糧比例可能隨豬的年齡和健康狀況而變化。日糧中精氨酸與賴氨酸的比例大于3:1 時，斷奶仔豬的采食量和生長性能降低[20]。

4 結語

總之，精氨酸在豬的營養(yǎng)中是一種功能性和條件性必需氨基酸。大量的研究已經(jīng)確認精氨酸是妊娠期豬體內及其胎兒體內最豐富的氨基酸之一。日糧中約40%的精氨酸在第1 次通過小腸時被分解，通過氨基酸的器官間代謝進行內源性合成對維持精氨酸在全身的穩(wěn)態(tài)至關重要（圖1）。在細胞水平上，精氨酸對蛋白質和其他含氮物質（包括NO、肌酸、多胺和高精氨酸）的合成至關重要，這些物質在體內具有關鍵的代謝功能。因此，精氨酸對改善豬的健康、存活、生長、發(fā)育、泌乳和繁殖性能具有重要作用。精氨酸既是哺乳仔豬和斷奶仔豬的功能性必需氨基酸，也是支持母豬最大繁殖和泌乳性能的條件性必需氨基酸。日糧中添加0.5%～1%精氨酸可以改善母仔豬的生產(chǎn)性能和繁殖性能。