SCFA在反刍动物体内代谢

,SCFA在反刍动物体内代谢机制的研究概况,前言SCFA的生成及影响组成的因素SCFA代谢理论研究内脏代谢的新方法结语参考文献,主要内容,前言,据预测到2010、2020、2030年，我国粮食产量的38、43和50将用作饲料，2010年2020年，我国能量饲料的缺口为4300万吨-8300万吨，蛋白质饲料缺口为2400万吨-4800万吨左右。,反刍动物养殖是属于发展节粮型畜牧业的重要组成部分,而短链脂肪酸(SCFA)是反刍动物重要的能量来源。过去的大量研究,使人们对SCFA与能量转化效率和日粮组成对瘤胃产生SCFA浓度的关系有了大体的了解。但事实上,至今SCFA的代谢理论依然保守。,一SCFA生成及影响组成的因素,瘤胃微生物细胞外消化纤维素淀粉纤维二糖麦芽糖1-磷酸葡萄糖葡萄糖果胶糖醛酸6-磷酸葡萄糖蔗糖半纤维素戊糖6-磷酸果糖果糖果聚糖戊聚糖1，6-磷酸果糖丙酮酸,1SCFA的生成过程,瘤胃微生物细胞内代谢单糖丁酰CoA乙酰CoA丙酮酸草酰乙酸乙酰磷酸甲酸乳酸CO2+H2丁酸乙酸甲烷丙酸,在瘤胃内，通常还通过氨基酸的脱氨基作用生成少量的支链SCFA,分别是：缬氨酸异丁酸脯氨酸戊酸异亮氨酸2-甲基丁酸亮氨酸3-甲基丁酸,2影响SCFA组成的因素,日粮动物品种,日粮,动物品种,不同动物VFA比较（）,二SCFA代谢理论,理论一：传统的瘤胃上皮代谢理论BergmanandWolff(1971)：所有三种主要SCFA(乙酸、丙酸和丁酸)的瘤胃产量和门静脉吸收量间的差别是由瘤胃上皮细胞SCFA代谢引起的。认为,瘤胃上皮组织代谢的乙酸盐,丙酸盐和丁酸盐的量分别为瘤胃吸收量的30,50和90。,SCFA代谢理论的发展,理论一的延续随后，很多研究（如Bergman,1990;BrittonandKrebbiel,1993;SealandReynolds,1993;Remomdsetal.,1995;Krisensenetal.,1998;SealandParker,2000）支持理论一：瘤胃上皮通过代谢大量的SCFA，在反刍动物能量代谢中发挥重要作用。,SCFA代谢理论的发展,理论二：理论一的质疑Kristensen等（2000），研究发现,灌注条件下的绵羊与饲喂状态下的绵羊(BergmanandWolff,1971)相比，瘤胃上皮吸收乙酸和丙酸的量前者比后者少很多；Kristensen（2001）研究发现瘤胃微生物似乎大量利用乙酸盐。这对瘤胃上皮大量氧化SCFA的观点提出了挑战。,SCFA代谢理论的发展,Table1Portalveinrecovery()ofSCFAinfusedintoafunctionalrumenofsheeporintothewashedrumenofsheeporsteers,1ValuesforacetatearecorrectedforPDVuptakeofarterialacetateusingsystemicinfusionof2-13Cacetate.2(kristensenetal,1996),3(kristensenetal,2000b),4(kristensenetal,2000a),5(kristensenetal,2004c),6(kristensenetal,2004a),7(kristensenetal,2004b),瘤胃微生物代谢了很大部分的乙酸盐：瘤胃生成的乙酸盐(kristensenetal,1996,kristensenetal,2000b)；直接灌注进入瘤胃的乙酸盐(kristensenetal,2000a;kristensenetal,2004c;kristensenetal,2004a;kristensenetal,2004b)。,表明微生物途径不可忽略。,Emmanuel等（1974）已证实瘤胃微生物用VFA-碳合成脂肪酸和其它微生物细胞成分。对脂肪酸的合成来说,瘤胃乙酸是比丁酸更重要的底物。丁酸在瘤胃液中可溶性很强以至于被运送到瘤胃上皮细胞并被吸收。与VFA碳与微生物螯合的多途径相比,乙酸-丁酸碳交换单个途径不是很重要。Kristensen（2001）在奶牛瘤胃内灌注2-13C乙酸的8能在十二指肠恢复。试验还观察到,从瘤胃微生物中分离的大量脂肪酸（C60C120C140C150）比瘤胃丁酸富含13C。,1瘤胃微生物SCFA代谢,2瘤胃上皮SCFA代谢,第一途径瘤胃上皮血液中乙酸盐和丙酸盐的浓度低,Table1Portalveinrecovery()ofSCFAinfusedintoafunctionalrumenofsheeporintothewashedrumenofsheeporsteers,由表中数据可以得出结论：瘤胃微生物代谢了很大部分的乙酸盐；门脉高达105-109的乙酸盐回收率也表明，应该对门脉回流内脏吸收的动脉血乙酸盐和瘤胃上皮或者其它门脉组织生成的内源乙酸盐进行校正。,乙酸盐代谢,由表1得出的结论推测：活体内瘤胃上皮能够合成乙酸盐，这与体外试验观察到的瘤胃上皮组成的腔体产生乙酸盐的现象(Sehestedetal.,1999)相符。PDV组织也可能从动脉血中移取利用乙酸盐。这个“第二路径”吸收来的乙酸盐可能占瘤胃吸收量的30。,乙酸盐代谢,因此，可以认为乙酸盐是对PDV组织中广泛存在的氧化代谢有着重要作用的主要底物，而不是瘤胃上皮代谢的主要底物。,丙酸盐代谢,瘤胃上皮丙酸盐,乳酸盐PDV净流量,瘤胃灌注SCFA,葡萄糖酵解,瘤胃上皮戊酸盐,瘤胃上皮丁酸盐,其它,？,丙酸盐代谢,早期的研究也证实，活体试验中(Weigandetal,1972)丙酸盐代谢成乳酸盐的量比体外试验(Weigandetal,1975)低（5）。WeedsandWebster(1975)观察到，瘤胃内灌注丙酸盐并不会导致PDV中乳酸盐的大量增加。丙酸盐的瘤胃上皮代谢量很少,总结,在移除瘤胃微生物后研究SCFA吸收时，可以认为:瘤胃吸收来的乙酸盐和异丁酸盐在门静脉全部回复(没有第一途径吸收)，只有5-10的丙酸盐在吸收时被代谢掉。门脉回流内脏吸收动脉乙酸盐（第二途径吸收），暗示瘤胃净吸乙酸盐的70进入门静脉（瘤胃吸收的其它乙酸盐被瘤胃微生物代谢了），这部分乙酸盐被PDV组织代谢掉，瘤胃上皮根本就没有代谢乙酸盐。,丁酸盐是瘤胃上皮能量代谢的主要底物或唯一底物？,2瘤胃上皮SCFA代谢,第一途径瘤胃上皮血管内丁酸盐和戊酸盐大量净增,+,功能瘤胃和冲洗瘤胃试验都显示丁酸盐和戊酸盐在吸收进入门静脉前被大量代谢掉,其它物种，丁酸盐被普遍认为是消化道上皮细胞唯一的代谢底物,ToppingandClifton,2001,表1,丁酸盐,丁酸盐是瘤胃上皮能量代谢的主要底物或唯一底物？,A丁酸盐在瘤胃上皮代谢产物B瘤胃上皮利用脂肪酸的能力C瘤胃上皮是否是单纯的丁酸盐代谢器官D丁酸盐出现在体循环或添加到细胞培养基时，显现出的一系列作用,Kristensenetal.,(2000)发现，试验绵羊超过15的动脉血供给的羟基丁酸被PDV组织所吸收；曾经在牛上观察到羟丁酸盐流量在肠系膜排流内脏减少(ReynoldsandHuntington,1988)，因此，牛PDV组织也可能吸收动脉中的羟丁酸盐。,瘤胃上皮丁酸盐代谢,PDV羟丁酸,资料来源：Pennington,1952；Krehbieletal.,1992;Kristensenetal.,1996；Kristensenetal.,2000c；ReynoldsandHuntington,1988,25,PDV从动脉中吸收乙酸盐生成,?,校正，40,A丁酸盐在瘤胃上皮的代谢产物,PierreNozirea,CcileMartina等(1999)绵羊灌注试验发现，门脉释放的-羟丁酸盐的量随着灌注SCFA而增加，而与丁酸盐的灌注量无关。,丁酸盐可能存在其它代谢途径,A丁酸盐在瘤胃上皮的代谢产物,B瘤胃上皮利用脂肪酸的能力,丁酸盐是唯一的代谢底物吗？从清洗瘤胃模型获得的数据推断，碳链长度超过戊酸盐部分的脂肪酸代谢减慢。丁酸盐在上皮细胞利用方面不同于乙酸盐和丙酸盐(Pennington,1952)。体外试验发现，瘤胃上皮具有代谢很宽范围碳链的能力,其中包括中长链脂肪酸(Hirdetal.,1966;Jesseetal.,1992)戊酸盐，也可以被瘤胃上皮高效的代谢（如表1）瘤胃上皮可能具备利用除丁酸盐之外的很宽碳链范围脂肪酸的能力,丁酸盐,乙酸盐,TCA,能量,瘤胃上皮,？,C瘤胃上皮是否是单纯的丁酸盐代谢器官,ToppingandClifton,2001；Bugaut,1987,消化道上皮细胞代谢丁酸盐的原因，不只是为了获取乙酰辅酶A单位和生成酮体，也是为整个机体提供一种机能。,D丁酸盐出现在体循环或添加到细胞培养基时，显现出的一系列作用,抑制生长，诱导培养的不同来源的细胞包括瘤胃上皮细胞系发生形态学转变(PrasadandSinha,1976;Galfietal.,1991)；作为胰岛素促分泌剂(MannsandBida,1967)，通过刺激上皮细胞受体(Crichlow,1988)或者引起全身效应(LeBarsetal.,1954)来抑制胃肠蠕动；刺激瘤胃上皮发育(Sanderetal.,1959)；杀死(羔羊致死剂量2.5mmolBu/kgBW)动物(MannsandBoda,1967)进入体循环的丁酸盐对机体有害！,消化道上皮细胞通过控制丁酸盐和链长一些的发酵酸进入体循环，发挥门卫功能。门卫功能的副作用，很容易使人误认为，这些酸是消化道上皮细胞重要的能量代谢底物。,推论,3肝脏SCFA代谢,图1,Tissueextraction,数据来自：KristensenandHarmon,2004c,kristensenandHarmon,2004a;KristensenandHarmon,2004b,净流量基础研究发现,乙酸盐是通过肝脏时唯一没有被从血液中完全清除的SCFA。,乙酸盐,绵羊和牛上都发现肝脏单向吸收少量的乙酸盐,肝脏单向产生乙酸盐,BergmanandWolff,1971;KristensenandHarmon,2004c,肝脏中乙酸盐的净生成,长链脂肪酸(C20-C24)支链脂肪酸多不饱和脂肪酸,过氧化物酶体脂肪酸-氧化,乙酸盐,氧化,青贮饲料中的乙醇,以我们所掌握的知识，还不能确定肝脏中生成乙酸盐的前体物。一般认为:,-氧化产生的乙酰辅酶A为什么不进入TCA或合成脂肪酸？,反刍动物肝脏没有或缺乏利用细胞溶质乙酰辅酶A从头合成脂肪酸的能力,线粒体不能直接获得来自过氧化物酶体脂肪酸-氧化的乙酰辅酶A,反刍动物肝脏没有或缺乏利用细胞溶质乙酰辅酶A从头合成脂肪酸的能力,VandenBoschetal.,1992,丙酸盐是饲喂状态反刍动物体内主要的生糖物质(Danfaeretal.,1995)，肝脏对其亲和力和代谢能力都很高(Berthelotetal.,2002)。,丙酸盐,丁酸盐干扰肝脏代谢丙酸盐,阉牛试验发现，增加瘤胃中丁酸盐的吸收会引起内脏丙酸盐释放量的增加，增加范围是瘤胃吸收水平的8-22(KristensenandHarmon,2004a),资料来源：Aielloetal.,198924h;KristensenandHarmon,2004a；,肝脏,丁酸盐,丙酸盐,肝葡萄糖排出量与丙酸盐吸收量呈很强的相关性,肝葡萄糖排出量通常与饲料采食量(Reynolds,1995)和泌乳量(Danfaer,1994)相关。因此不难理解用不同体形大小的牛和不同采食水平试验发现的肝脏吸收丙酸盐和生成葡萄糖量呈很强的相关性。,但具体的关系复杂,虽然多水平采食量试验发现肝脏中丙酸盐的吸收和葡萄糖的产生量呈正相关，但是这并不意味着丙酸盐本身促进葡萄糖生成和转运进入反刍动物体内。,Table2.Recovery()ofanincreaseprsupplymmolcarbon*(BW0.75)-1*d-1inincreasedglucoseproductionindailycowssuppliedwithprinthefeed,byintra-ruminalinfusionorfrombufferedsolutionsinwashedrumenexperiments.glucoseproductionmmolcarbon*(BW0.75)-1*d-1wasmeasuredeitherfromisotopicdilutionofradioorstableisotopelabeledglucoseorbynethepaticglucosefluxesinmulticatheterizedanimals.,当补给丙酸盐时，葡萄糖生成量增加，但是增加的葡萄糖量（碳平衡基础）仅占灌注丙酸盐量的3819。,划区代谢理论：瘤胃上皮代谢丁酸盐（单胃动物：后肠）是为了使丁酸盐远离肝脏，由此避免丙酸盐和丁酸盐竞争乙酰辅酶A。通过划定不同的代谢部位，两个组织在有限的竞争底物条件下底物库将保持同质。一定程度上解释了肝脏对丙酸盐的亲和力高，但对丁酸盐的亲和力低，对戊酸盐和其它碳链更长的脂肪酸的亲和力也高(KristensenandHarmin,2004b)。,丁酸盐,丁酸盐代谢产物羟丁酸盐在肝脏内的状况,肝脏释放的羟丁酸盐,瘤胃上皮,肝脏中释放的生成羟丁酸盐,Casseetal.,1994;Reynoldsetal.,1988a;Reynoldsetal.,2003,丁酸盐乙酸盐,丁酸盐的75,LomaxandBaird,(1983)Bell,(1980),NBKristensenandDLHarmon,(2005)研究发现戊酸盐，己酸盐和庚酸盐具有高生物活性，并推测它们对反刍动物新陈代谢潜在全身效应。,戊酸盐，己酸盐和庚酸盐,戊酸盐，己酸盐和庚酸盐都被肝脏高效的吸收，其中己酸盐是至今为止被检测出的代谢效率最高的SCFA(KrisrensenandHarmon,2004b)。因此，外周组织中这些脂肪酸的浓度非常低。值得注意的是，灌注己酸盐时，己酸盐肝脏吸收率是所有检测的酸中最高的，因此肝脏高效的阻止己酸盐进入外周循环。,戊酸盐，己酸盐和庚酸盐,奶牛肝脏摄取支链SCFA的能力高于其摄取丁酸盐的能力(Reynoldsetal.,2003)。在阉牛清洗瘤胃试验条件下，观察到通过增加这些脂肪酸的门脉供应量可以增加它们的肝脏吸收率(KrisrensenandHarmon,2004c)。在肝脏中存在一种变构调节成分吸收支链SCFA。,支链SCFA,支链SCFA代谢遵循相同的路径,异戊酸盐乙酰辅酶A和乙酰乙酸异丁酸盐琥珀酰CoA2-甲基-丁酸盐乙酰-CoA和丙酰-CoA,HMG-CoA,脂酰辅酶A,所有SCFA,其它脂肪酸,Grootetal.,1976,第一步反应,激活,也涉及辅酶A合成酶或硫激酶,4代谢中脂酰辅酶A合成酶,乙酰辅酶A合成酶对乙酸盐的亲和力很高，对丙酸盐也有一些亲和力。这个酶在反刍动物瘤胃上皮和肝脏的活力很低。这与瘤胃上皮和肝脏有限代谢吸收来的乙酸盐相一致。,CampagnariandWebster,1963;Grootetal.,1976;RicksandCook,1981b；Cooketal.,1969;AshandBaird,1973,乙酰辅酶A合成酶,肝脏中丙酰辅酶A合成酶活性与丁酸盐的存在几乎无关。反刍动物瘤胃上皮丙酰辅酶A合成酶的活力几乎完全被丁酸盐所抑制。瘤胃上皮中丙酰辅酶A合成酶缺乏活力与体内试验观察到的瘤胃上皮吸收丙酸盐能力有限相符。,AshandBaird,1973;Harmonetal.,1991,丙酰辅酶A合成酶,在体外试验和短期的体内试验中观察到，丁酸盐抑制肝脏中丙酸盐的吸收(Aielloetal.,1989;kristensenandharmon,2004a)。与直接竞争丙酰-CoA合成酶相互作用无关，因为该酶与丁酸盐的亲和力非常低。,丙酰辅酶A合成酶,瘤胃上皮代谢的最显著特点是，代谢丁酸盐时的高亲和力和高容量。这个特点反映了上皮细胞丁酰辅酶A合成酶的活性高(AshandBaird,1973)。丁酸盐对肝脏内丙酸盐的激活无影响，同时丙酸盐对丁酸盐在瘤胃上皮的活化也无影响，但是降低其在肝脏的活化(AshandBaird,1973)。著名的丁酰辅酶A合成酶首次从牛的听觉线粒体中提纯出来，该酶显示出对戊酸盐和己酸盐的高亲和力(Websteretal.,1965)。,丁酰辅酶A合成酶,在反刍动物中发现，丁酸盐与外来的中链脂肪酸脂酰辅酶A合成酶也具有亲和力。这些脂酰辅酶A合成酶活化多种开链脂肪酸:丁酸盐，较长碳链SCFA，支链脂肪酸和外来羧基酸；其它包括：苯甲酸盐和苯乙酸盐(Aas,1971;Vessyetal.,1999)。,中链脂肪酸脂酰辅酶A,到目前为止，关于SCFA活化与长链脂肪酸和瘤胃吸收的外来化合物的相互作用确切可获得信息还没有；但是一些试验现象似乎可以证实长链脂肪酸活性物质的存在。Jesseetal.,1992;Hirdetal.,(1966)体外试验发现SCFA中的脂肪酸参与合成软脂酸盐，这表明，瘤胃上皮激活中长链脂肪酸的活性物质的存在。,长链脂肪酸活性物质的存在,三研究SCFA代谢的新方法,H.C.Bertram,N.B.Kristensen等(2005)研究报道,首次引进高分辨率的1H核磁共振分光检定法阐释在清洗瘤网胃前后灌注SCFA的吸收和代谢状况。使用偏最小二乘法回归分析研究使用核磁共振数据确定血浆中不同代谢产物的浓度。氕核磁共振自旋回波光谱自变量在回归模型中作为预测器来预测制定的生物化学反应的代谢产物浓度。,预期值与参考浓度值比较的实例图,Predictedvs.referenceconcentrationsoflactate.Lactateconcentrationsaregiveninmmol/kg.预测误差值是可接受的，预测与参考浓度值的相关系数在0.88-0.98，相对误差值在3-39%。,资料来源：H.C.Bertram,N.B.Kristensen等(2005),证明氕核磁共振光谱方法在阐释内脏代谢上应用的巨大潜力。用偏最小乘方分析氕核磁共振光谱检测动脉，门脉和肝脏血浆样品代谢产物的区别。显示光谱差异的分析，可以归咎到乙酸盐，丙酸盐，-羟丁酸，丁酸盐，异丁酸盐，戊酸盐，异戊酸盐，乳酸盐和葡萄糖水平的变化，并且这些检测结果被生化学检查所支持。1H核磁共振分光检定法是一个吸引人的方法，因为这个方法能够检测所有的含氢物质，并且不需要广泛的制备样品，“就能提供一个代谢产物指纹”。,四结语,1瘤胃上皮细胞中只有少量的SCFA被代谢和氧化,瘤胃上皮代谢的观点已经改变；2乙酸盐没有被瘤胃上皮或肝脏吸收,与这两个部位的乙酰辅酶A的活性低有关；3肝脏是丙酸盐代谢的主要器官,该部位丙酰辅酶A合成酶活性高，并且不受丁酸盐的影响；4瘤胃上皮细胞在代谢丁酸盐和戊酸盐方面具有重要作用；5异丁酸盐也被肝脏糖异生作用高效的利用;,（一）总结,6消化道上皮通过部分氧化丁酸盐，戊酸盐和中等长度脂肪酸为乙酰乙酸盐和羟丁酸盐实现对其通透性的调控，阻止它们进入体循环。7丙酰辅酶A合成酶的活性在肝脏中不受丁酸盐的影响而在瘤胃上皮却被丁酸盐抑制了，推测丁酸盐发挥其抑制丙酰辅酶A合成酶的活性时还需要其它特定物质或场所条件。,（一）总结,（二）存在的问题及研究方向,1丙酸盐的肝脏吸收量和葡萄糖生成量的关系尚不清楚，有待于进一步研究；2丁酸盐代谢途径还不能确定；3由于代谢产物和影响因素还不是完全确定的,认为1H核磁共振分光检定法，对于探明代谢产物是一个有效的方法。,参考文献,郑元林，韩正康，陈杰，艾晓杰.克伦特罗对绵羊肝脏短链挥发性脂肪酸和糖代谢的影响，畜牧兽医学报，2002，33（3）：221-225张巧娥,摘译奶牛短链挥发性脂肪酸的内脏代谢，中国奶牛，2006年第4期：23-26Aas.M(1971).Organandsubcellulardistributionoffattyacidactivatingemzymesintherat.BiochimicaetBiophysicaActa,231,32-47Aiello,R.J.,L.E.Armentano,S.J.BerticsandA.T.Murphy(1989).Volatilefattyaciduptakeandpropionatemetabolisminruminanthepatocytes.JournalofDairyScience,72,942-949Ash.R.andG.D.Baird(1973).Activationofvolatilefattyacidsinbovineliverandrumenepithelium.Evidenceforcontrolbyautoregulation.BiochemicalJournal,136,311-319.Baird,G.D.,M.A.Lomax,H.W.SymondsandShaw(1980).Nethepaticandsplanchnicmetabolismoflactate,pyruvateandpropionateindairycowsinvivoinrelationtolactationandnutrientsupply.BiochemicalJournal,186,47-57.Bell,A.W.(1980).Lipidmetabolisminliverandselectedtissuesandinthewholebodyofruminantanimals.ProgressinLipidResearch.18,117-164Bender,D.(1985).AminoAcidMetabolism(2ed.).Chichester,GB:JohnWileyandSons.Benson,J.A.,C.K.Reynolds,P.C.Aikman,B.LupoliandD.E.Beever(2002).Effectsofabomasalvegetableoilinfusiononsplanchnicnutrientmetabolisminlactatingdairycows.Journalofdairyscience.85,1804-1814Benson,J.A.,C.K.Reynolds,D.J.Humphries,S.M.RutterandD.E.Beever(2001).Effectsofabomasalinfusionoflong-chainfattyacidsonintake,feedingbehaviorandmilkproductionindairycows.Journalofdairyscience,84,1182-1191.Bergman,E.N.(1990).Energycontributionsofvolatilefattyacidsfromthegastrointestinaltractvariousspecies.PhysiologicalReviews,70,567-589.,Bergman,E.N.andJ.E.Wolff(1971).Metabolismofvolatilefattyacidsbyliverandportal-drainedvisccrainsheep.AmericanJournalofPhysiology,221,586-592.Berthelot,V.,S.G.Pierzynowski,D.SauvantandN.B.Kritensen(2002).Hepaticmetabolismofpropionateandmethylmalonateingrowinglambs.LivestockProductionScience,74,33-43Britton,R.andC.Krehbiel(1993).Nutrientmetabolismbyguttissues.JournalofDairyScience,76,2125-21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