動(dòng)物在快速生長期、應(yīng)激期和免疫妥協(xié)期時(shí)對核苷酸的需要量增加。而剛斷奶的仔豬都要經(jīng)歷這三個(gè)時(shí)期;因此,我們預(yù)計(jì)對于剛剛斷奶的仔豬而言,它們對核苷酸的需要量較高。
人類營養(yǎng)學(xué)的研究表明經(jīng)腸胃外補(bǔ)充核苷酸和在嬰兒奶粉配方中添加核苷酸會(huì)提高嬰兒的腸道健康水平,促進(jìn)免疫系統(tǒng)的發(fā)育。相比較而言,對幼年動(dòng)物核苷酸的需要量以及其在促進(jìn)免疫系統(tǒng)和腸道發(fā)育方面的研究非常少。
這篇文章旨在綜述現(xiàn)有的核苷酸在幼畜飼養(yǎng)中的功能和作用的一些研究成果。
1、核苷酸生物化學(xué)
核苷酸是普遍存在的分子,結(jié)構(gòu)多樣。戊糖與至少一個(gè)磷酸基團(tuán)相連,然后再與氮基連接,從而形成核苷酸。這個(gè)戊糖可以是核糖,構(gòu)成核糖核酸(RNA),也可以是2’—脫氧核糖,構(gòu)成脫氧核糖核酸(DNA)。氮基可以是嘌呤或者是嘧啶。
嘧啶是一個(gè)六環(huán)結(jié)構(gòu),包括尿嘧啶、胞嘧啶和胸腺嘧啶(表1)。嘌呤除有一個(gè)六環(huán)結(jié)構(gòu)外,還含有一個(gè)五環(huán)結(jié)構(gòu),包括腺嘌吟、鳥嘌吟和次黃嘌吟。磷酸基以單鍵、雙鍵或者三鍵形式存在,并且通常會(huì)與戊糖的C-5’,羥基發(fā)生酯化反應(yīng)(Rudolph,1994)。
沒有磷酸基時(shí)的化合物稱為核苷。多個(gè)核苷酸聚在一起,通過相鄰核糖的3’和5’位點(diǎn)形成磷酸酯鍵而組成的鏈狀物稱為多聚核苷酸或者核酸。核酸再與蛋白質(zhì)聯(lián)接在一起稱為核蛋白。
2、飼料來源
核苷酸,尤其是次黃苷5’-—磷酸(1MP),在富含蛋白質(zhì)的飼料中含量豐富(Carver和Walker,1995)。一般來說,含有細(xì)胞成分的飼料原料都是核苷酸的潛在來源,這里核苷酸會(huì)以核蛋白的形式存在。臟器、禽類和海產(chǎn)品都含有大量的核蛋白(Kojima,1974; Clifford和 Story,1976;Barness,1994)。單細(xì)胞蛋白、 面包酵母和啤酒酵母以及酵母提取物的核苷酸含量相當(dāng)高(Maloney,1998; Ingledew,1999;Tibbets,2000)。
飼料中的核苷酸濃度一般不在常規(guī)分析之列,但我們已經(jīng)知道有些飼料原料的數(shù)據(jù)(表2)。一些最常用的飼料原料中核苷酸含量相當(dāng)?shù)??!?/span>
泌乳期哺乳動(dòng)物的乳汁中核苷酸含量因動(dòng)物品種而異,并且在泌乳期不同階段大部分核苷酸的濃度也有所變化(JOjke,1963;Gil和Sanchez- Mdina,1981;Gil和Sanchez-Mdina,1982;Mateo等,2004b)。不同動(dòng)物乳汁中核苷酸濃度存在差異表明,核苷酸的需要量可能隨物種不同而有所變化,然而在這點(diǎn)上,尚無資料可循。
在應(yīng)激期或快速生長期核苷酸的需要量會(huì)增加,因此,在家畜剛剛斷奶后的一段時(shí)期內(nèi)對核苷酸的需求可能增加。 目前,我們實(shí)驗(yàn)室正就這一假說開展研究。
飼料中的核蛋白、核酸和核苷酸要經(jīng)過酶的催化水解成核苷、堿基和小量核苷酸才能被吸收。這一過程在動(dòng)物的小腸中進(jìn)行。核酸內(nèi)切酶,磷酸二酯酶和核苷磷酸化酶是這一過程中的幾個(gè)主要酶(圖2)。這些酶來源于刷狀緣上皮細(xì)胞(Makiewicz,1983;Morley等,1987)、胰腺分泌物 (Weickman等,1981)和膽汁(Holdsworth和Coleman,1975)。
3 代謝
十二指腸具有最大的吸收能力 (Bronk和Hastewell,1987)。在正常生理?xiàng)l件下,核苷酸通過內(nèi)消化細(xì)胞膜指狀突的能力有限(Sanderson和Youping,1994)。這可能是由于缺少核苷酸的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。
核苷酸磷酸基團(tuán)所帶的高負(fù)電荷阻礙了其吸收,因此,核苷是嘌吟和嘧啶進(jìn)入腸細(xì)胞的主要載體。
核苷進(jìn)入腸細(xì)胞主要依賴于協(xié)助擴(kuò)散和專門的鈉離子依賴性載體介導(dǎo)機(jī)制(Bronk和Hastewell,1987)。這是一個(gè)相當(dāng)有效的過程,一般認(rèn)為,飼料超過90%的核苷和堿基可被腸細(xì)胞吸收(Salati等1984;Uauy,1989)。
從腸細(xì)胞出來,部分飼料代謝產(chǎn)物以及內(nèi)源核苷酸進(jìn)入肝臟的門靜脈,然后進(jìn)入肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行進(jìn)一步代謝。經(jīng)過肝臟,部分飼料代謝產(chǎn)物以及內(nèi)源核苷酸和核苷又釋放入循環(huán)系統(tǒng)然后進(jìn)入肌肉組織。如果這些產(chǎn)物沒有被重新用于核苷酸的生產(chǎn)或被特異組織吸收,嘌吟和嘧啶堿將被分解為尿酸、9一丙氨酸和臼一氨基異丁酸鹽 (Rudolph,l…994;Carver和Walker,1995;Thorell等,1996)。
在鳥類和靈長類動(dòng)物中,尿酸以尿的形式排出。而在非靈長類的哺乳動(dòng)物中,尿酸經(jīng)尿酸酶作用進(jìn)一步分解為尿囊素,然后以尿的形式排出。嘧啶的分解產(chǎn)物是β—丙氨酸和β—氨基異丁酸鹽,它們將進(jìn)一步代謝形成氨、二氧化碳和乙酰輔酶A。
4 核苷酸合成
如果有合適的前體物,人類以及動(dòng)物能夠重新合成核苷酸。這個(gè)過程在肝細(xì)胞中進(jìn)行,那里含有所有合成嘌吟和嘧啶的酶。以α-D-核糖-5-磷酸為底物經(jīng)過11 個(gè)步驟可以合成IMP。谷氨酰胺是其中的氮源供體。甘氨酸、天冬氨酸和四氫葉酸衍生物是這個(gè)合成過程中的其他前體物質(zhì)。 腺苷5’-—磷酸(AMP)和鳥苷5’-—磷酸(GMP)都是由IMP通過腺苷酸琥珀酸化和黃苷單磷酸化途徑分別合成(Rodwell,2000)。合成嘧啶的前體物是氨甲酰磷酸和天冬氨酸。
合成尿苷5’-—磷酸(UMP)需要6個(gè)步驟。UMP經(jīng)過脫磷酸化反應(yīng)后生成尿苷5’—二磷酸(UDP),UDP再轉(zhuǎn)化為胞苷5’ -—磷酸(CMP)或者胸苷5’-—磷酸(TMP)。在合成CMP和TMP的過程中需要谷氨酰胺和N5N10—亞甲-葉酸這兩種物質(zhì)(Rodwell, 2000)。
從頭合成嘌吟和嘧啶核苷酸是一個(gè)代謝消耗的過程,需要大量的腺苷5’-三磷酸(ATP)來提供能量。另外,反應(yīng)中都需要谷氨酰胺。
由核苷和無機(jī)磷酸基團(tuán)合成核苷酸這一過程是通過補(bǔ)救途徑完成的。這里的核苷可能來源于日糧、這是因?yàn)榇蟛糠值娜占Z核苷酸在吸收前已經(jīng)變成了核苷。通過這個(gè)補(bǔ)救途徑,核苷酸分解形成的嘌吟和嘧啶經(jīng)磷酸核糖化過程還可以重新合成核苷酸。這種途徑可以節(jié)省能量,并且能讓那些不能從頭合成核苷酸的細(xì)胞(比如白細(xì)胞、紅細(xì)胞、骨髓細(xì)胞、腸道漿細(xì)胞和淋巴細(xì)胞)保持它們自身的核苷酸池(Sanderson和YoupinS,1994)。
生理作用
核糖核酸的濃度在所有細(xì)胞中都相對穩(wěn)定,而脫氧核糖核酸濃度則隨著細(xì)胞發(fā)育的階段而有所變化(Barness,1994)。核苷酸是構(gòu)成核酸(DNA和RNA)的基石,而且在機(jī)體內(nèi)還有其它生理作用,比如提供能量(即ATP和鳥苷5’-三磷酸[GTP]),充當(dāng)氧化還原反應(yīng)中的輔助因子(即FAD,NAD和 NADP+),參與生理調(diào)節(jié)(即cAMP和cGMP),運(yùn)載中間活性物質(zhì)(即UDP—葡萄糖、CMP-唾液酸和CDP—膽堿)和?;鶊F(tuán)(即CoA)。
另外,核苷酸對免疫系統(tǒng)的發(fā)育、腸道微生物區(qū)系和小腸完整性都有影響。
5.1 核苷酸對免疫系統(tǒng)的影響在日糧中添加核苷酸對體液免疫和細(xì)胞免疫都有影響,但是目前還不能準(zhǔn)確闡述它的機(jī)制。 日糧核苷酸促進(jìn)體內(nèi)核苷酸池的循環(huán),它可以刺激白細(xì)胞的生成(Kulkarni等,1994;Carver和Walker,1995)。因此,在免疫系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)期間對核苷酸的需要量增加。
喂養(yǎng)核苷酸強(qiáng)化奶粉的嬰兒免疫反應(yīng)得到加強(qiáng),表現(xiàn)為體液抗體水平升高(Fanslow等,1988;Pickering等,1995),細(xì)胞因子生成增加(Carver等,1991)。
在老鼠日糧中添加核苷酸也取得了類似的體內(nèi)研究結(jié)果(Jyonouchi等,1993;Jyonouchi,1994)。對新出生的犢牛進(jìn)行脂多糖攻擊試驗(yàn),在代乳日糧中添加純核苷酸與不加的相比,免疫球蛋白G(1gG)的平均值較高(Oliver等。2002)。
對斷奶仔豬進(jìn)行植物凝集素和伴刀豆球蛋白A攻擊試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),添加核苷酸分別可以提高淋巴細(xì)胞反應(yīng)的50%和30%(Zomborsky-Kovacs等,1998)。這些研究都說明日糧中的核苷酸對免疫系統(tǒng)的發(fā)育、維持和提高都有一定作用。
5.2 核苷酸對腸道微生物區(qū)系的影響 日糧中的核苷酸能促進(jìn)腸道對鐵的吸收,影響脂蛋白和長鏈多不飽和脂肪酸的代謝,并且營養(yǎng)腸粘膜和肝臟,降低腹瀉發(fā)生率(Cosgrove、1998;Schlimme等,2000)。
食用添加核苷酸商業(yè)配方奶的嬰兒的排泄物微生群落中優(yōu)勢菌群為雙歧桿菌(Tanaka和Mutai,1980)。而在食用未添加核苷酸商業(yè)配方奶的嬰兒的排泄物微生物區(qū)系中優(yōu)勢菌群為腸細(xì)菌(Uauy,199)。
這些研究說明,添加核苷酸可能會(huì)對胃腸道的微生物區(qū)系產(chǎn)生正面影響,可降低胃PH值,阻止病原性微生物的繁殖,從而降低腹瀉發(fā)生率(Yu,1998)。
我們近來的研究結(jié)果認(rèn)為,對斷奶仔豬缺乏核苷酸的飼料中添加核苷,相對于飼喂未添加核苷飼料的對照組仔豬,有益菌的數(shù)量增加,而產(chǎn)氣莢膜芽孢梭菌的濃度降低(Mateo等,2004a)。
5.3 核苷酸對腸發(fā)育的影響日糧中的核苷可能會(huì)促進(jìn)腸上皮細(xì)胞的生長和成熟,表現(xiàn)為粘膜蛋白和DNA的生成量增加,小腸絨毛增長以及麥芽糖酶與乳糖酶的比值提高(Uauy等1990;Carver,1994)。
日糧核苷酸還可以刺激腸細(xì)胞的分化(Sanderson和Youping,1994)。腸外添加核酸可以促進(jìn)粘膜細(xì)胞的增殖和效能,表現(xiàn)為粘膜濕重增加,蛋白質(zhì)和DNA含量提高,腸絨毛伸長,隱窩深度不變,空腸粘膜匯合處更加緊密(Kishibuchi等,1997;TsujIaka等,1999)。
6 是否需要?
動(dòng)物在快速生長期、應(yīng)激期和免疫應(yīng)答期對核苷酸的需要增加。剛斷奶的仔豬都要經(jīng)歷這三個(gè)時(shí)期。因此,預(yù)計(jì)剛剛斷奶后的仔豬有著較高的核苷酸需要量。
核苷酸的合成中需要能量和谷氨酰胺,而剛斷奶的仔豬又經(jīng)常缺乏這兩種物質(zhì),因此在這期間,仔豬有可能不能合成足夠的核苷酸。如果是這樣的話,剛斷奶仔豬日糧中的核苷酸可能會(huì)加快生長和/或促進(jìn)健康。
在典型的斷奶仔豬日糧中,胞苷5’-—磷酸(CMP)的含量與泌乳后半期豬奶千物質(zhì)中的含量接近,但是5’AMP、5’GMP、5’IMP和5’UMP的含量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于豬奶(表3)。
假設(shè)豬奶中的核苷酸濃度代表仔豬的需要量,那么就容易總結(jié)出仔豬日糧中極有可能缺乏5種核苷酸中的4種。因此,在仔豬日糧中添加這4種核苷酸會(huì)產(chǎn)生有益的效果。
我們進(jìn)行的體內(nèi)和體外試驗(yàn)結(jié)果表明,在剛斷奶仔豬日糧中添加核苷可使產(chǎn)氣莢膜芽抱梭菌降低,而提高了嗜酸性乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量,對胃腸道微生物區(qū)系的建立有積極作用。
這項(xiàng)研究結(jié)果說明在仔豬日糧中添加核苷可能有益腸道健康,提高生長性能。
7 結(jié)論
核苷酸是一紐結(jié)構(gòu)多樣的分子。它們是由戊糖與至少一個(gè)磷酸基團(tuán)相連后再與氮基連接而形成的。包含細(xì)胞成分的飼升或食物都是核苷酸的潛在來源。
核苷酸有許多生理功能,同時(shí)對胃腸道和免疫系統(tǒng)也有重要影響。幼畜吸收核酸后的確切代謝機(jī)制仍不清楚。與補(bǔ)救途徑相比,體內(nèi)從頭合成核苷酸是一個(gè)消耗性的代謝過程,且需要谷氨酰胺。
在快速生長發(fā)育期、患病期、受傷期或應(yīng)激期,日糧中添加核苷酸會(huì)有益于動(dòng)物,這是因?yàn)楹塑账峥梢蕴岣呙庖呦到y(tǒng)功能,保持腸道健康,并且節(jié)約能量。
剛斷奶仔豬的日糧中缺乏核苷酸,其他幼畜的日糧可能也是如此。同時(shí),谷氨酰胺和能量的攝入,對于機(jī)體從頭合成核苷酸來說也很不足。對于剛斷奶的幼畜而言,一方面它們對核苷酸的需要量增加,而另一方面核苷酸以及合成核苷酸的前體物質(zhì)攝入量較低,從而出現(xiàn)核苷酸雙重不足的狀況。
需要繼續(xù)進(jìn)行更多的試驗(yàn),以研究日糧中添加核苷酸或者核苷是否能夠幫助幼畜克服這種窘境。
表一 核苷酸的術(shù)語表
表2 某些常用飼料中核苷酸的含量