CC BY
55
УДК 577.112.385.4:577.122.33
Ключевые слова: лизин, белок, аминокислоты, аминотрансферазы
Key words: lysine, protein, aminoacids, aminotransferases
Нагиев Э. Р., Османова С. О., Исмаилова Ф. Э., Раджабова Ш. Ш.
ВЛИЯНИЕ ЛИЗИНА НА ОБМЕН ВЕщЕСТВ И СОДЕРЖАНИЕ СВОБОДНЫХ АМИНОКИСЛОТ В ОРГАНАХ И ТКАНЯХ БЕЛЫХ КРЫС
the influence of lysine on the metabolism and on the content of free aminoacids in white rats' organs and tissues
Дагестанская государственная медицинская академия, каф. биологической химии Адрес: 367012, г. Махачкала, пл. Ленина, 1
Daghestan state Medical Academy, Biochemistry Dept. Address: 367012, Russia, Makhachkala, Lenin square, 1
Нагиев Эйзудин Рамазанович, академик РАЕН, д. м. н., проф., Заслуженный работник ВШ РФ, зав. кафедрой
Nagiev Ayzudin R., Member of Russian Academy of Natural sciences, Doctor of Medicine, Professor, Honorary Figure of Russian Higher Education, Head of the Dept. Османова Сувар Омаровна, ассистент / osmanova suvar o., Assistant Исмаилова Фариза Эдуардовна, аспирант / Ismailova Fariza E., Postgraduate Раджабова Шарипат Шамильевна, к. м. н., ассистент / Radzhabova sharipat sh., Ph.D. in Medicine, Assistant
Аннотация. Исследовано действие недостатка лизина на обмен веществ и содержание свободных аминокислот в наиболее важных органах и тканях белых крыс. Показано, что дефицит лизина сопровождается высокой активностью аланинаминотрансферазы в печени. Установлено, что при идеальном балансе других незаменимых аминокислот дефицит лизина, первой лимитирующей незаменимой аминокислоты, легче преодолевается животными и они могут определенное время справляться с недостатком лизина.
Summary. The effect of lysine deficiency on the metabolism and on the free aminoacids content in white rats, most important organs and tissues is investigated. It is proved that lysine deficiency is associated with high activity of aminotransferases in the liver It is estimated that deficiency of lysine, which is proved to be one of the most important indispensable aminoacids, is survived better by animals and they are able to control lysine deficiency for some time if ideal balance of other indispensable aminoacids is present.
Введение
Как известно, основными источниками белка (протеина) для моногастричных животных (свинья, птица) является зерно злаковых культур. Вместе с тем злаковые культуры (ячмень, пшеница, кукуруза) отличаются недостаточным содержанием белка и к тому же невысокого качества, что обусловлено низким уровнем незаменимых аминокислот - лизина, метионина, треонина, триптофана и изолейцина [3, 13]. Эффективное использование зерна возможно при условии обогащения его полноценными белковыми концентратами (соей, рыбной мукой, дрожжами и др.) или препаратами недостающих аминокислот. Однако производство таковых сильно отстает от потребности. В результате происходит огромный перерасход зерна, низкая трансформация белка в животноводческую продукцию, из-за этого животноводство недополучает почти 30-35 % продукции, возрастает ее себестоимость [4, 14].
Для всех злаковых культур первой лимитирующей (по степени дефицита) аминокислотой является лизин, второй - треонин, третьей - метионин в зерне ячменя и пшеницы, соответственно. В зерне кукурузы второй лимитирующей аминокислотой является триптофан. Изучение эффективности синтетических препаратов аминокислот (лизина, треонина, метионина) в питании и обмене веществ, разработка норм потребности моногастричных животных представляет теоретическое и практическое значение [6, 15, 17].
Биологическая ценность протеина определяется степенью сбалансированности его по незаменимым аминокислотам и их соотношением относительно потребности человека и животных.
В настоящее время все возможные варианты аминокислотного состава рационов классифицированы на пять категорий по их действию на организм животных: баланс,
дефицит, имбаланс (дисбаланс), антагонизм и токсичность [12, 16].
Наиболее характерным признаком последних четырех форм является ухудшение аппетита и как следствие этого - снижение роста животных. Вместе с тем наблюдается довольно значительное разнообразие по степени проявления этого признака в зависимости от специфической лимитирующей или избыточной аминокислоты [2, 5].
Протеинам злаковых культур как основы рационов свиней и птицы свойственны различные формы имбаланса вследствие острого недостатка одних аминокислот на фоне значительного избытка других.
Отрицательные последствия, характерные для имбаланса, могут встречаться в практике свиноводства и птицеводства при неправильном применении препаратов аминокислот на фоне низкобелкового монозернового питания. Поэтому изучение обмена веществ как основы пищевого поведения животных при имбалансе представляет научный и практический интерес.
В связи с вышеизложенным целью настоящего исследования было изучение действия дисбаланса, недостатка и нормы лизина на обмен белка и пул свободных аминокислот и их превращения в наиболее важных органах и тканях белых крыс.
Материалы и методы исследования
Для изучения действия дисбаланса, дефицита и баланса в рационе лизина на биосинтез белка, обмена веществ и роста животных проведен опыт на трех группах крыс-отъемышей породы Вистар в возрасте 20-24 дней с живой массой 56 г, в каждой группе по 14 голов (поровну самок и самцов).
Основной контрольный рацион состоял из зерносмеси (50 % ячменя, 35 % пшеницы, 15 % кукурузы). Рационы обогащали всеми необходимыми витаминами и минеральными веществами по нормам для крыс. В этом рационе первой лимитирующей аминокислотой по степени дефицита (в % от норм потребности) является лизин (дефицит 62 %), второй - метионин (37,4 %), третьей - треонин (33,8 %), четвертой - изолейцин (32,4 %), пятой - триптофан (16 %). Остальные амино-
кислоты в пределах отклонений ±5-10 % от норм потребности.
Животные 1-й группы получали контрольный рацион, в котором содержание незаменимых аминокислот относительно лизина было избыточным (дисбаланс). Животных 2-й группы кормили по тому же рациону, но дополненному смесью недостающих аминокислот точно до норм потребности без одной лимитирующей - лизина (имбаланс). Животных 3-й группы кормили по рациону, скорректированному по всем аминокислотам точно до 100 % потребности (баланс).
Продолжительность опыта 14 дней. Животных кормили сухими кормосмесями, поедаемость учитывали ежедневно. Определение переваримости протеина, коэффициентов утилизации белка (КУБ), пула свободных аминокислот в органах и тканях крыс проводили в соответствии с методиками в прописи В. Г. Рядчикова [16, 17]. Активность аспартат- и аланинаминотрансфераз определяли по методу Райтмана и Френкеля, как описано ранее [1, 8].
Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием общепринятых методов вариационной статистики.
Результаты исследований и обсуждение
Крысы плохо ели основной зерновой рацион и плохо росли. При острейшем дефиците лизина (62 %) добавление смеси аминокислот без лизина не вызвало отрицательного действия. Наоборот, во 2-й группе потребление корма, хотя не сильно, но тем не менее повысился на 12 %, среднесуточные приросты - на 39 % (Р < 0,05).
Анализ полученных данных показывает, что, по всей вероятности, животные могут определенное время справляться с недостатком лизина при идеальном балансе других незаменимых аминокислот.
Известно также о высокой способности лизина, освобождаемого в процессе основного обмена, к реутилизации. По-видимому, этим можно объяснить некоторые улучшения потребления корма и роста во 2-й группе. Результаты этого опыта свидетельствуют о том, что дефицит первой лимитирующей
Таблица 1.
Переваримость и утилизация белка у крыс за период 0-14 дней (М±т)
Показатели Группы
1 основная диета 2 дефицит лизина 3 скорректированная
Коэффициент переваримости, % 85,15±1,10 86,60±0,90 86,62±1,20
КУБ 39,1±3,09 45,8±3,40 57,2±2,54
незаменимом аминокислоты, даже весьма острый, легче преодолевается животными, когда остальные аминокислоты содержатся в количествах, соответствующих нормам потребности.
При дефиците лизина (2 группа) и несбалансированной диете (1 группа) отмечено наименьшее содержание белка в теле (18,93 и 19,23 % против 21,55 % на скорректированной диете (3 группа) (диаграмма 1).
Содержание жира самое высокое (7,1 %) отмечено в тушке животных при дефиците лизина, на основной диете - 6,5 %, на скорректированной диете - 6,6 %.
Анализ печени на содержание белка и жира выявил примерно такую же тенденцию, как при анализе тушки. Наиболее высокий процент жира был в печени крыс 2-й группы (дефицит лизина).
Не отмечено существенных различий в показателях переваримости азота в зависимости от сбалансированности рационов по аминокислотам (табл. 1). По группам коэффициенты оказались в пределах от 81,15 до 86,62 %.
У крыс при имбалансе лизина эндогенные потери азота были ниже, чем в других группах.
Наилучшее использование азота было у животных на скорректированной диете. Снижение этого показателя наблюдалось у животных 1 и 2 групп, где он на 38,2 % и 27,6 %
был ниже, чем на скорректированной диете. Эти данные свидетельствуют о том, что недостаток лимитирующих аминокислот (лизина, метионина, треонина и изолейцина) в рационе снижает его биологическую ценность. Свидетельством тому является уменьшение коэффициентов утилизации белка (КУБ).
Самое низкое значение КУБ наблюдалось на несбалансированной диете (39,1) при имбалансе лизина (45,8), о чем свидетельствует самый низкий среднесуточный прирост. Высокий показатель утилизации белка наблюдался у животных на скорректированной диете (57,2), где и прирост был самым высоким.
Наиболее часто встречающимися расстройствами аминокислотного обмена в печени и других тканях при дефиците какой-либо незаменимой аминокислоты является изменение скорости дезаминирования и пе-реаминирования аминокислот.
Наши исследования показали, что существенной разницы в активности АСТ в крови подопытных групп не было, хотя у крыс, получавших основную диету (1 группа), просматривалась тенденция более высокой активности по отношению к таковой у животных на скорректированной диете (3 группа). В то же время активность АЛТ у животных первой группы заметно ниже ее активности в крови животных на скорректированной диете (табл. 2).
Содержание общего белка в плазме крови было наиболее высокое у животных на скорректированной диете (6,01 %). Некоторое его снижение отмечено при дефиците лизина (5,17 %) и на основной диете (4,68 %). По-видимому, существует прямая зависимость между скоростью роста и концентрацией общего белка в плазме крови у растущих животных. Аналогичная закономерность наблюдается и в отношении щелочного резерва крови.
Таблица 2.
Активность ферментов переаминирования в крови и печени белых крыс
Показатели Группы
1 основная диета 2 дефицит лизина 3 скорректир. диета
кровь
Аспаратаминотрансфераза, мкм/мл/час 1,87±0,13 1,625±0,09 1,775±0,10
Аланинаминотрансфераза, мкм/мл/час 0,30±0,09 0,40±0,03 0,48±0,05
Общий белок, г% 4,68±0,17 5,17±0,25 6,01±0,34
Щелочной резерв, мг% 450±20 475±15 500±16
печень
Аспаратаминотрансфераза, мкм/мл/час 228,8±11,6 315,0±9,6 265±9,6
Аланинаминотрансфераза, мкм/мл/час 342±11,8 452,5±10,3* 465,0±5,0*
Примечание: *P < 0,05.
Активность АСТ и АЛТ в печени крыс проявляется иначе. Так, на скорректированной диете она была ниже, чем при дефиците лизина (Р < 0,05). Видимо, это связано с увеличением количества свободных, не лимитирующих аминокислот в печени и необходимостью усиления обменных процессов в организме. Высокая каталитическая активность АЛТ характерна при дефиците лизина (вторая группа) и на скорректированной диете (третья группа) и низкая - на основной диете (первая группа).
Как известно, активность АЛТ может зависеть от качества белка [7, 9]. Возможно, низкая активность ферментов переаминиро-вания в печени у животных на основной диете, где ощущается недостаток по нескольким аминокислотам, проявляется подобно дефициту белка, в результате которого замедляется рост, снижается концентрация белка в органах.
Тенденцию повышения активности ферментов переаминирования при имбалансе аминокислот отмечали в своих работах и другие исследователи [12, 15].
Высокая активность ферментов переами-нирования при дефиците, вероятно, свидетельствует об его активном синтезе и распаде цитоплазматических ферментных белков, необходимых для деградации нелимитирую-щих свободных аминокислот.
Свободные аминокислоты в крови, органах и тканях - субстрат для синтеза белков. Биосинтез белков представляет собой наи-
более энергозатратный процесс организма. Концентрация свободных аминокислот в крови отражает, с одной стороны, качественную и количественную сторону притока аминокислот в результате кормления и деградации белков тела, с другой - оттока на синтез белков в организме [10, 11, 18].
У животных третьей группы, получавших скорректированную диету, общая сумма свободных аминокислот в плазме крови и мышцах существенно не отличалась от таковой у животных первой и второй группы, несмотря на то что они потребляли протеина на 50 и 29 %, соответственно, больше (диаграммы 2, 3, 4).
В печени суммарная концентрация свободных аминокислот у них ниже, чем у животных первой и второй групп - 128,2 против 152,4 и 143,5 мг%, соответственно.
Если рассматривать концентрацию свободных аминокислот относительно их потребления с кормом, то такое соотношение будет самым низким в плазме крови, печени и мышцах у животных на скорректированной диете. По-видимому, правильное соотношение аминокислот в скорректированной диете способствовало более эффективному использованию свободных аминокислот на синтез белков тела.
Эти данные согласуются с выводами некоторых авторов [14, 21], которые считают, что дефицит даже одной незаменимой кислоты вызывает снижение белкового синтеза и повышение концентрации свободных (не утилизированных) аминокислот в плазме.
И наоборот, при балансе аминокислот они быстро расходуются на синтез белка тканей и уровень их в плазме снижается.
Уровень свободного лизина был чрезвычайно низким при дефиците лизина -0,56 мг%. Животные 1-й группы получали рацион с таким же содержанием лизина, потребляли меньше корма, но содержание свободного лизина в крови у них было заметно больше - 1,95 мг%. Эти данные еще раз подтверждают факт, что свободный лизин плазмы при 100 % обеспеченности остальными аминокислотами использовался у животных 2-й группы более эффективно, чем у животных первой группы, где недоставало до норм потребности незаменимых аминокислот.
Интересен тот факт, что в плазме животных 2-й группы (дефицит лизина) наблюдается высокое содержание свободного треонина. В печени несколько другая картина по содержанию свободных аминокислот. Так, уровень свободного лизина у животных при дефиците лизина мало отличался от его концентрации в печени животных 1-й и 3-й групп.
Обращает на себя внимание высокое содержание свободных незаменимых аминокислот в печени животных 1-й и 2-й групп, у которых наблюдался наименее интенсивный рост. Это, по-видимому, объясняется необходимостью переработки избытка этих аминокислот печенью.
В мышцах можно отметить только незначительную тенденцию к понижению уровня свободного лизина по сравнению с таковыми в других группах.
Уровень незаменимых, заменимых и общая сумма аминокислот при всех формах аминокислотного баланса оказалась очень близкой. По-видимому, в мускулы транспортируется оптимальный набор аминокислот в качестве субстрата для осуществления синтеза внутриклеточных белковых структур.
Обращает на себя внимание взаимозависимость концентрации одних аминокислот крови, печени и мышц с концентрацией других. Так, у животных при дефиците лизина (вторая группа) вместе со снижением уровня лизина в плазме крови заметно повышается содержание свободного треонина, серина и валина.
В исследованиях Н. А. Шманенкова [19] обнаружен повышенный распад треонина при недостатке избытке лизина в рационе.
Полагают, что снижение концентрации лимитирующей аминокислоты в крови при дефиците и имбалансе является следствием массированного оттока ее в печень [4]. В печени усиливается синтез белка, и тем самым, по-видимому, обеспечивается мобилизация адаптивных факторов и нормализация процессов обмена.
Ряд исследователей считает, что характерным признаком при остром дефиците лизина является то, что синтез белка в более важных органах (печень, сердце, мозг) продолжает
оставаться высоким за счет аминокислот, освобождаемых в результате деградации белков менее важных органов, прежде всего, таких как мускулы [5, 20].
Таким образом, анализ полученных данных еще раз подтверждает тот факт, что даже при остром дефиците лизина, но хорошем балансе остальных аминокислот биосинтетические процессы в организме животных интенсифицируются. По всей видимости, в организме существует гомеостатический механизм, играющий важную роль в поддержании необходимого уровня лизина, чтобы исключить отрицательные последствия.
Список литературы
1. Алейникова, Т. Л. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии / Т. Л. Алейникова, Г. В. Рубцова. - М. : Высшая школа, 2002. - 238 с.
2. Головко, Е. Н. Потребность поросят в лизине / Е. Н. Головко, С. О. Османова //Материалы Всеросс. научно-практ. конф. «Научное обеспечение агропромышленного комплекса». - КубГАУ - Краснодар, 2009. - С. 54-57.
3. Головко, Е. Н. Доступность аминокислот злаковых в кормлении свиней / Е. Н. Головко, М. В. Кашири-на, С. О. Османова // Материалы III Всеросс. научно-практ. конф. молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» 18-20.11.2009 г. -КубГАУ. - Краснодар. - С. 20-22.
4. Драганов И. Ф. Кормление животных / И. Ф. Драганов, Н. Г. Макарцев, В. В. Калашников. -М. : Изд-во РГАУ - МСХА им. К. А. Тимирязева, 2010. -Т. 1. 341 с. ; Т. 2. 565 с.
5. Калашников, А. П. Нормы и рационы кормления сельскохозяйственных животных. Справочное пособие. 3-е изд. перераб. и доп. / А. П. Калашников,
B. И. Фисинин, В. В. Щеглов и др. - М., 2003. - 456 с.
6. Кононенко, С. И. Балансирование рационов свиней с использованием белковых кормов и биологически активных веществ : автореф. дисс...доктора с.-х. наук / С. И. Кононенко. - КубГАУ - Краснодар, 2008. - 40 с.
7. Нагиев, Э. Р. Биологическая химия. Практикум / Э. Р. Нагиев. - ИПЦ ДГМА, Махачкала, 2010. - 166 с.
8. Нагиев, Э. Р. Влияние пиридоксальфосфата на активность аминотрансфераз в различных структурно-функциональных отделах головного мозга кроликов при лучевой болезни / Э. Р. Нагиев, В. В. Цыбульский // Укр. биохим. журн. - 1993. - Т. 65. - № 5. -
C. 63-69.
9. Нагиев, Э. Р. Исследование активности аланин-и аспартатаминотрансфераз в органах белых крыс при тотальном гамма-облучении и физической нагрузке. / Э. Р. Нагиев, Г. А. Карпович // Радиационная био-
логия. Радиоэкология. - 1994. - Т. 34. - Вып. 4-5. -С. 639-644.
10. Нагиев, Э. Р. Обмен макроэргических фосфатов при критических состояниях организма / Э. Р. Нагиев, М. Н. Дадашев, Ф. Э. Исмаилова, С. Э. Нагиева, М. С. Сейфаддинова // Актуальные вопросы ветеринарной биологии. - 2011. - № 1. - С. 57-61.
11. Николаев, А. Я. Биологическая химия /
A. Я. Николаев. - М. : Медицинское информационное агенство, 2007. - 568 с.
12. Омаров, М. Рацион балансируем по протеину / М. Омаров, Е. Головко, Н. Морозов, М. Каширина // Животноводство России. - 2006. - № 2. - С. 57-58.
13. Османова, С. О. Оптимизация рационов для свиней с учетом «идеального» протеина и истинной доступности аминокислот. / С. О. Османова, М. В. Каширина // Материалы Всеросс. научно-практ. конф. «Научное обеспечение агропромышленного комплекса». - КубГАУ - Краснодар, 2010. - С. 62-63.
14. Полежаев, С. Л. Молекулярно-биологические аспекты действия имбаланса незаменимых аминокислот на моногастричных животных / С. Л. Полежаев, М. О. Омаров, В. Г. Рядчиков, В. К. Плотников // Научные основы ведения животноводства и кормопроизводства : кн. - Краснодар, 1999. - С. 8-12.
15. Рядчиков, В. Г. Потребность в лизине и эффективность его препаратов при кормлении свиней /
B. Г. Рядчиков, М. О. Омаров, В. И. Лесных,
B. К. Плотникова // сб. науч. тр. СКНИИЖ. - Краснодар, 1987. - С. 5-16.
16. Рядчиков, В. Г. Мировые ресурсы растительного и животного белка. Аминокислотный состав: справочное пособие / В. Г. Рядчиков, Е. Н. Головко, И. Г. Бескаравайная. - Краснодар, 2003. - 732 с.
17. Рядчиков, В. Г. Нормы потребности свиней мясных пород и кроссов в энергии и переваримых аминокислотах / В. Г. Рядчиков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [электронный ресурс]. - Краснодар : КубГАУ, 2007. - № 10 (34). - С. 111-139.
18. Северин, Е. С. Биохимия (Серия «XXI век») / Е. С. Северин. - М. : ГЕОТАР-МЕД, 2007. - 784 с.
19. Шманенков, Н. А. Достижения науки и практики в области белково-аминокислотного питания сельскохозяйственных животных / Н. А. Шманенков // Белково-аминокислотное питание с.-х. животных : Материалы всесоюзного совещания. - Боровск, 1987. -
C. 3-10.
20. Hanigan, M. D. An evaluation postabsorbtive protein and airy cow. amino acid metabolism in the lactating dairy cove / M. D. Hanigan, J. P. Cant // J. dairy Sci. - 1998. - Des; 81(12). - P. 3385-3401.
21. Hoffman, P. S. Production the effect of proteolysis on ruminal crude protein degradation of legume and grass silage using near-infrared ceflectabce spectroscopy / P. S. Hoffman, N. M. Brohm, O. K. Cumbs // J. Dairy Sci. -1999. - V. 82. - P. 756-763.
