奶牛新陈代谢模型研究进展

1、奶牛新陈代谢模型研究进展杨亮，熊本海（中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室 ） 摘要：本文对奶牛新陈代谢模型研究进展进行了综述。关键词：奶牛；新陈代谢；模型新陈代谢指的是生物体从环境摄取营养物转变为自身物质，同时将自身原有组成转变为废物排出到环境中的不断更新的过程,它包括物质代谢和能量代谢两个方面。仿真模型是指通过数字计算机、模拟计算机或混合计算机上运行的程序表达的模型。一个模型可以通过定义为一个有序的方法来描述知识，成为一个仿真系统。在20世纪之前，已经有相关动物营养需要的研究，来评估和提高这些营养需要量模型(Lofgreen等, 1968)。在二战以前，很多国家就致力

2、于代谢等领域应用模型的研究及其应用(Baldwin, 1995)。在农业领域，尤其在有关营养需要量方面，已经有很多这样的模型系统来为我们服务，为我们的科研发展做出了积极贡献。据NRC（National Research Council）2001年报道，通过使用这些营养需要量模型，来降低饲料消耗，已经为世界节约了数十亿美元。奶牛体内的新陈代谢是极其复杂的，如何通过计算机技术以及生理学知识，建立一个机理动态奶牛新陈代谢模型，是提高奶牛生产水平的关键因素之一。国外很多专家学者对此进行了深入研究，现将其内容综述如下。1 奶牛模型介绍1.1 奶牛模型的目标建立奶牛模型之前，首先要有一个明确的目标。Bal

3、dwin（1995）的建模目标：一个可以对假设的能量代谢关系和养分利用模式进行评估的泌乳奶牛消化和代谢的动态机理模型。NRC（2001）提出“旨在提供一个基于用户友好形势下的实用并且精确的信息模型”的目标。1960年，Baldwin参与净能量系统项目(Lofgreen, 1968)。在35年项目进行中，Baldwin开发出一系列重要的生物学进程模型。至今为止，数以万计的奶牛瘤胃和组织实验都是基于Baldwin的研究成果。1.2 奶牛模型的类型随着奶牛模型技术发展和进步，奶牛模型类型多种多样，主要包括经验模型和机理模型两种。经验模型主要基于使用者通过实验积累的数据所得出的实验方程和实验公式，但是

4、这些实验数据不能够清楚说明奶牛体内的代谢机制。经验模型的最好范例是NRC营养需要量模型。NRC营养需要量模型主要来源于实验的数据。但是NRC营养需要量模型的不足之处在于，它不能描述出组织所需要的用于维持的净能是多少，也不能描述出超出数据范围的但是被合理使用的部分。机理模型包括更多元素，比如在肠胃、肝脏、脂肪和肌肉中所进行的生理反应所涉及到能量需要量的数量或者比例，以及奶牛身体所需要的整体能量需要量。从器官水平上看，也许它还属于经验模型，但从奶牛个体本身来看，它则为我们解决了奶牛营养需要量来源这样一个机理问题。2 瘤胃模型奶牛模型化技术发展到现在，已经产生出了无数个子模型，其中最重要的子模型就是

5、奶牛瘤胃模型，很多重要的方程都在这个子模型系统内。虽然我们研究奶牛瘤胃系统已经很久，但是，如何用模型正确地表达出奶牛瘤胃内变化进程，尤其是瘤胃内相关化学物质代谢进程，是我们能否利用模型帮助我们解决科学问题的关键。2.1 瘤胃平衡模型Reichl等（1975）从瘤胃内输入和输出平衡角度，最早提出瘤胃平衡模型。通过线性编程，设计出基于瘤胃内基本输入和输出保持平衡和代谢路径矩阵形式，以及表达瘤胃内可发酵物之间关系的模型。其中定义模型的两个矩阵通过了相关文献数据的证实，同时，模型基本概念也经过了模型输出数据的实验证实。这两个模型主要用于评估饲料不同成分之间的相互作用，挥发性脂肪酸的产生和形式，微生物生

6、长的数量和效率，以及微生物的代谢路径。2.2 瘤胃水动力学模型Argyle等（1988）在瘤胃消化和代谢模型里，融入了确定水动力学和pH值对挥发性脂肪酸和纤维素水解机理的生产要素。水动力学必要元素是对在饮食、休息和反刍的唾液流量，时间历程和饮用水数量，基于在瘤胃液体渗透压的瘤胃壁渗透通量变化以及液体周转率的估计。水动力学方程表明，在奶牛两次饲喂之间，瘤胃体积发生改变。在饲喂期间，增加的稀释标记是由于瘤胃体积增加引起的。但是，因为数据不完整，所以当pH值降低的时候，无法预测纤维素水解的降低以及化学计量系数的变化。2.3 瘤胃微生物功能评价模型反刍动物的瘤胃为微生物提供了良好的栖息环境（温度为38

7、.542.00C，pH为 5.07.5）。成年牛瘤胃中栖息的微生物包括细菌、原虫、真菌和古菌（Janssen等，2008）。瘤胃微生物是反刍动物必不可少的组成部分，是降解转化植物纤维素类物质效率最高的天然体系，它依赖瘤胃微生物群体的协同作用，将天然纤维类物质快速降解转化成一系列动物营养和能源物质。Reichl等（1976）通过模型的建立，分析出瘤胃内输入输出之间的关系，从而对瘤胃内微生物之间的竞争关系进行评价，最终实现对瘤胃内微生物最佳关系的计算。在模型中，定义了8个瘤胃微生物组，定义的基础为底物特性、生长的营养需要量、发酵产物以及相关的新陈代谢活动。在目标方程中，根据细胞大小计算出各个微生物

8、组的新陈代谢速率作为系数。根据现有的概念，模型可以评估出来源于饲料和不同碳水化合物的不同数量蛋白质对微生物群的影响。在大多数模型中，都对瘤胃内微生物群落进行了简化。这就说明现有数据、概念以及对相关新陈代谢速率的假设，在一些瘤胃微生物种类中并没有充分显出竞争关系。所以，关于瘤胃微生物竞争关系的数据和概念是有必要在建模的时候考虑进去的。2.4 消化模型为了分析并决定饲料营养价值因素，Baldwin等（1977）建立了反刍动物消化模型。模型由14个相互作用子单元组成。包括12个可消化化学成分，分别是可溶性糖、有机酸、淀粉、果胶、半纤维素、纤维素、脂肪、可溶性蛋白质、不溶性蛋白质、非蛋白氮、木质素和灰

9、分。还包括微生物生长子单元和可进行简易计算的子单元。模型可以用于评价饲料和决定瘤胃动物营养价值属性，包括生化、微生物、生理、物理和化学属性等。但是，只有两个模型因素（调节流出瘤胃物质的速率因素和低氮日粮条件下影响微生物生长的因素）是不够的。因此，在范围广泛的饲料营养价值被准确预测出之前，还需要给模型添加新的因素。Hill等（2008）利用生理学原理和动力学原理，在先进持续仿真语言工具上构建了磷消化和代谢的动态机理模型。磷主要以无机磷、有机磷和植酸磷三种假定形式存在，三种形式都被假定为在无机磷进入血液的消化道内出现。模型输入包括全部磷（由三种状态的磷构成）的进入、奶产量、唾液分泌率（239升/天

10、）和液体穿过瘤胃的通过率（198 升/天）。模型被分为2组实验，观测到磷采食量为75 克/天，磷总体消化率为38%。瘤胃内植酸磷消化率为74%，无机磷和有机磷消化率分别为48%和89%。无机磷和有机磷从瘤胃内流出速率分别是其摄入速率的2.4倍和3倍。随着微生物的数量增加，有机磷的数量也明显增加。增加的无机磷主要来源于无机磷通过分泌唾液进入瘤胃所产生的分泌物。其中，吸收的65%的磷循环回到瘤胃内。吸收的无机磷的30%用于奶的合成，1%在尿液中排除体内。研究表明，维持血液内磷含量主要通过骨的沉积和再吸收，以及从肠内吸收的磷。3 肝脏代谢模型为了精确预测反刍动物肝脏的营养需要和利

11、用，Freetly等（1993）开发出反刍动物肝脏代谢模型。模型可以预测整个器官的新陈代谢，同时模拟出14C放射示踪物的运动轨迹。编程所用语言为高级连续模拟语言，运行平台为VAX计算机，数字集成使用四阶龙格-库塔程序。动力学的论证和参数化来源于体内输入输出数据以及基本生物化学知识。通过综合行为分析、灵敏度分析和设置独立数据校验的三种方式对模型进行评估。3.1 氨基酸代谢模型Hanigan等（2004）利用模型化技术，参数化使用体内净流量实验数据，建立奶牛肝脏内氨基酸代谢模型。模型包括22种氨基酸、氨和尿素，13种能量代谢物，以及对稳态平衡模型的参数化和对两个泌乳中期奶牛所进行的体内净流量实验。

12、追溯细胞内9种物质的流动是体内实验的最佳路径，而通过观测可以直接得到细胞外流量数据。氮在一般情况下可以保持平衡，但是亮氨酸和预测的用于输出蛋白质合成所需要的量相比还是有点不足，这表明亮氨酸要有两个来源处。不同葡萄蛋白浓度的模拟数据表明，需要5摩尔/天的额外葡萄糖来用于合成，这就需要增加乳酸、谷氨酸、天门冬氨酸、丙氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺的移动，从而满足增加的葡萄糖量。随着葡萄糖产量增加，酮体和乙酸盐释放也增加，而二氧化碳释放降低。3.2 葡萄糖代谢模型在奶牛泌乳早期，葡萄糖非常短缺，胰岛素含量下降，脂肪组织生成脂肪的比例只有分娩前的5-10%(McNamara等, 1989)。同时，生长激素变

13、化和可能存在的交感神经活动的改变(Bauman等, 1993; McNamara等, 2001)也会引起脂肪大量增加。在肌肉里，据相关报道(Overton等, 1998)，肌肉蛋白质周转明显增加，从而为氨基酸和牛奶的合成提供支持。此外，采食量和牛奶合成的增加，导致肝脏代谢率明显增加(Reynolds等, 2003)。据Molly模型介绍(Baldwin, 1995)，三磷酸腺苷主要用于新陈代谢反应。随着三磷酸腺苷需求增加，间接增加了葡糖糖和脂肪酸混合物氧化反应。所以，在设置肝脏内肌肉蛋白转化率和代谢率参数时，如果存在系统性错误，那么在模型的运算结果上，将出现过量脂肪数据。奶牛模型同样遵守热力学

14、原理，在葡萄糖和脂肪酸形成过程中，超出部分能量既不会消失，也不会氧化，这些能量只会以脂肪的形式沉积下来。越是容易引起沉积的部分(McNamara等, 2000; McNamara, 2003)，越是应该引起我们足够重视。因此，模拟日粮要尽量符合瘤胃环境模型。尽管猪的模型没有瘤胃子模型部分，但是将泌乳猪模型同奶牛模型进行比较，也是一件非常有意义的事情(McNamara等, 2002a,b)。猪模型中的方程和参数用到了一些有限的数据，但是有研究表明(McNamara等, 2002a,b)，在泌乳期肌肉蛋白质转换率和肝脏代谢率要比之前预想的增加很多。随着模型中葡萄糖被乳腺所使用，奶牛体内葡萄糖浓度发

15、生变化，这就导致可利用的葡萄糖减少。如果减少的量大于采食的量，那么来自于氨基酸的糖质新生将供应这些缺少的部分，从而导致氨基酸循环量减少。如果内脏采食量不能维持的话，肌肉蛋白水解将增加，肌肉蛋白合成将减少，来维持氨基酸供给的维持量(Baldwin等, 1987)。因此，在奶牛模型中，只有引进氨基酸营养需要量，才能描述出碳水化合物的营养量。能量和葡萄糖缺失现象主要体现在两个进程中：脂类分解释放出游离脂肪酸和蛋白质水解为氨基酸(Baldwin, 1995)。不只在葡萄糖缺少的时候发生脂类分解，在乳腺产出乳脂肪的时候也会增加脂类分解作用的发生。过量的脂类分解并不是我们所需要的，如果葡萄糖缺失尽量少的话

16、，脂类分解作用也会降低。3.3 脂肪代谢模型脂肪在反刍动物营养中的应用优势，一方面体现为可高效补充能量需要，尤其在家畜泌乳早期等特殊生理阶段，可避免或缓解机体能量负平衡；另一方面，长链脂肪酸、部分多不饱和脂肪酸对反刍动物产品中脂肪酸的组成具有一定调控作用，可进一步提高产品品质。多年来，为提高对泌乳奶牛代谢模型的研究，人们一直在进行着努力，并研究出基于描述动物体组织中瘤胃发酵和化学品之间反应的动态模型。McNamara等（2000）通过对高产奶牛实验数据的分析，实现对泌乳期描述脂肪代谢模型的参数评估。根据遗传性状不同，牛在泌乳期产出奶量也不同，大约305天产出7045公斤到12909公斤奶，有1

17、到4个泌乳周期，泌乳期从分娩前30天到分娩后345天，干物质采食量平均每天从14公斤到29公斤。这就需要我们对膳食投入、产出牛奶成分、体脂肪、血液中养分浓度、最大速度和脂肪组织底物代谢进行观察。虽然我们可以模拟出脂质代谢以及体脂肪聚集的过程，但是，模型对能量摄入的反应却不够敏锐。由于动态响应时间不充分，在泌乳后期问题将显现更为突出。这就对实验设计提出了新要求，比如在内脏、肌肉、脂肪组织中营养成分如何被利用的问题。此外，实验还应包括遗传能力、养分输入以及时间参数的确定，才能够充分说明代谢反应的动态和综合性。乙酸和葡萄糖是能量的直接供给者以及能量是否平衡的指示物。在泌乳早期，随着乳腺利用葡萄糖和乙

18、酸的急剧增加，脂肪合成的速率将有几天时间内降到0 (McNamara, 1994)。随着葡萄糖浓度的降低，胰岛素等将减少脂肪合成的速度。动物体脂肪的量很低，也可以增加产生脂肪的速度（McNamara等, 2000; McNamara, 1994)。即使是体脂肪含量很少的牛也可以比脂肪含量多的牛释放出更多的量（McNamara等, 1989; Smith等, 1990）。因此，在模型中增加的牛奶产量释放出葡萄糖和乙酸，即使饲料采食量不满足需要量，系统也可以减少脂肪合成的速率同时增加脂肪流失的速率。4 乳腺代谢模型Waghorn等（1984）通过平衡碳流入流出乳腺，建立可产生足够能量的泌乳奶牛乳腺

19、代谢模型。其中摄取的葡萄糖、乙酸和丁酸满足乳腺的需要，而氨基酸摄取的量少于牛奶中的数据，还需要对模型平衡进行调整。从血浆摄入的三酰甘油脂肪酸少于乳脂肪合成所需要的数量，这需要其它血浆脂肪酸的摄入，从而平衡模型。得到的葡萄糖和氧化底物说明，在戊糖循环中产生了42%用于脂肪合成的相等物，其它的58%部分则是由异柠檬酸脱氢酶作用产生的。平衡模型的建立，可应用于追踪来自底物的有碳物质同位素运行轨迹的动态模型方程。Hanigan等（1994）通过模拟奶牛体内体外数据，建立描述流量的泌乳奶牛乳腺代谢模型。乙酸和乳酸的摄入与营养物浓度的增加表现并不灵敏。灵敏度分析表明，丙酮酸盐转化为线粒状乙酰辅酶A、丙酮酸

20、盐转化为草酰乙酸盐、苹果酸盐转化为甘油三磷酸、柠檬酸盐转会为乙酰辅酶A时，必须增加能量来模仿放射示踪物的数据。针对如何确定在泌乳奶牛瘤胃、消化道、胃肠道、内脏、脂肪和乳腺组织中识别出关键的化学变化，并确定其营养利用方式，Baldwin等（1994）通过研究在发酵、消化、吸收时的差异，以及不同状态下，对相关参数的评估和相关组织的营养利用状况，建立了乳蛋白合成过程中所需营养素新陈代谢关系的综合模型。利用动态机理模型，对以组为单位所测得的实验数据进行分析。结果发现，在化学转化效率、牛奶产量以及营养采食量等方面存在认识的不足，对模型方程以及参数的描述还需要很好讨论，在实验设计以及产量的评估方面，包括输

21、入输出关系的量化，修改奶牛营养利用的生理学机制方面，还需要多方面合作，并付出更大努力。5 展望当今，营养代谢模型的研究和开发已经非常重要。如何通过模型准确描述出新陈代谢过程，及其产物对营养需要量的影响，直接关系到我们能否高效的饲养食用动物的前景。因此，我们还要提高模型化技术在这方面的应用。随着基因和环境方面知识的不断进步，只有通过我们不断地努力，去提高模型的准确性和复杂性，我们才能够真正的进步，才能够生产出更多食用动物产品，以满足不断增长人口数量的需求。参考文献：1 Argyle J L, Baldwin R L. Modeling of Rumen Water Kinetics and Ef

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