Аминокислотное питание коров: влияние на здоровье животных. Часть 1

Тема аминокислотного питания молочных коров по-прежнему остаётся достаточно новой для России. Влиянию аминокислот, метионина и лизина, на молочную продуктивность уже было посвящено несколько статей (И. Айснер, 2015, Защищённые аминокислоты в кормлении коров; И. Айснер, 2016, Эффективность применения защищённого от разрушения в рубце метионина Смартамин® М в кормлении молочных коров; И. Айснер, Д. Глухов, 2017, Скармливание рационов без сои высокоудойным коровам: секреты успеха). Данные аминокислоты являются лимитирующими, то есть их недостаток ограничивает продуктивность. Объясняется это тем, что обе они критически важны для синтеза белка в организме животного, однако их содержание в транзитном протеине кормов ниже, чем в поступающем из рубца микробном, который является для коровы наиболее полноценным. Из-за этого кормовой белок используется менее эффективно: вместо того, чтобы служить строительным материалом для белков молока и тканей тела, существенная его часть утилизируется в печени с образованием мочевины.

Будучи включёнными в рацион в специальной, защищённой от распада в рубце форме метионин и лизин повышают эффективность использования транзитного протеина, благодаря чему оказывают положительное влияние на надои и содержание белка в молоке (8, 12, 26, 30). Однако помимо участия в синтезе белков эти аминокислоты сами по себе играют важную роль в регуляции множества других физиологических процессов. На данный момент у жвачных наиболее изучены биологические функции метионина (Рис. 1).

Так, например, метионин является предшественником таких веществ как таурин и глутатион - основных антиоксидантов в организме животного. Он также необходим для выведения жиров из печени и их окисления. В данной статье мы подробнее рассмотрим все эти и многие другие функции лимитирующих аминокислот, оказывающие непосредственное влияние на здоровье молочных коров.

Механизмы адаптации молочного скота к дефициту аминокислот в транзитный период

В течение транзитного периода потребление коровами сухого вещества снижается несмотря на то, что потребность в питательных веществах, наоборот, увеличивается для поддержания роста плода, плаценты и тканей молочной железы (2). Сочетание этих двух факторов приводит к возникновению отрицательного баланса питательных веществ и энергии, а также дефициту некоторых макроэлементов. Всё это, в свою очередь, может вести к ухудшению функции печени и иммунитета и возникновению субклинического кетоза и других расстройств обмена веществ (11, 13, 32). В период отрицательного баланса энергии и питательных веществ организм животного мобилизует собственые резервы, в частности жиры, белки и гликоген (21). Общая масса протеина, который мобилизуется в начале лактации, может достигать 20 кг на одну корову (6, 19, 20). Большая часть этого протеина поступает из периферических тканей, в основном - скелетных мышц (23), и, в меньшей степени, из кожных покровов засчёт угнетения синтеза белков в этих тканях и усиленному протеолизу, т.е. расщеплению белков (3). Высвободившиеся в результате этих процессов аминокислоты активно используются для синтеза белка молока, прямого окисления для получения ряда других биологически активных веществ или глюконеогенеза для получения глюкозы (23).

Влияние аминокислот на здоровье печени

В предотёльный период для обеспечения организма коровы энергией, необходимой для перестройки обмена веществ перед отёлом и лактацией, начинается мобилизация жиров из жировой ткани. В кровь они поступают в виде неэстерифицированных или, проще говоря, свободных жирных кислот (НЭЖК или СЖК), в печени из СЖК синтезируются триглицериды. Когда недостаток энергии значителен и концентрация СЖК в крови существенно повышается, начинает снижаться чувствительность клеток к инсулину, что негативно влияет на их способность усваивать 

глюкозу, а это, в свою очередь, ведёт к снижению аппетита (24). В результате снижения потребления сухого вещества дефицит энергии только усиливается и стимулирует ещё более интенсивную мобилизацию жира. В конечном итоге в клетках печени коровы в транзитный период может накапливаться большое количество жиров, что является одним из основных факторов риска развития послеотёльных осложнений (13). Накопление жиров в печени происходит в большинстве случаев из-за недостаточного синтеза липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП), которые являются основным переносчиком триглицеридов в организме. Они синтезируются в печени из триглицеридов и аполипопротеинов. (Рис. 2).

Грюммер в 1993 году предположил, что синтез ЛПОНП из триглицеридов нарушается при недостатке в печени метионина (15). Метионин необходим для синтеза таких веществ, как аполипоротеины B и фосфатидилхолин, которые, в свою очередь, необходимы для формирования ЛПОНП (Рис. 2 и 3). Лизин, наряду с метионином, также считается источником фосфатидилхолина (14). Так, внутривенное введение коровам в начальной фазе лактации L-метионина и L-лизина (10) в качестве предшественников фосфатидилхолина приводило к увеличению образования ЛПОНП и снижало количество жиров в печени (14).

Связь между уровнем свободных аминокислот в плазме крови в первые 14 дней после отёла и тяжёлой формой жировой дистрофии печени была также обнаружена Шибано и Кавамура в 2006 году (29). В этом исследовании сравнивались концентрации десяти аминокислот, включая метионин и лизин, бета-гидроксимасляной кислоты (БОМК), которая является одним из кетоновых тел, и свободных жирных кислот в плазме крови коров с жировой дистрофией и с нормальной функцией печени (“больных” и “здоровых” соответственно). Уровень БОМК после отёла у животных первой группы был существенно выше. Концентрация СЖК у “больных” коров также сильно возрастала, хотя достоверных различий между группами обнаружено не было. Концентрация большей части свободных аминокислот, включая лизин, в крови животных с жировой дистрофией печени имела тенденцию к более существенному снижению в послеотёльный период (Таблица 1). Примечательно, что уровень метионина существенно различался у “больных” и “здоровых” коров (у первых он был достоверно ниже). Эти данные позволяют предположить, что развитие жировой дистрофии печени в транзитный период связано с недостатком метионина и лизина.

Помимо участия в синтезе ЛПОНП метионин и лизин играют ещё одну важную роль в жировом обмене. Эти аминокислоты необходимы для синтеза карнитина (Рис. 1 и 3) - вещества, которое является ключевым при транспорте свободных жирных кислот внутрь митохондрий для их последующего окисления и получения энергии (9). Более того, на данный момент известно, что карнитин имеет также ряд других важных функций в организме, таких как защита от окислительного стресса, поддержание окисления субстрата в бурой жировой ткани (данный процесс обеспечивает теплопродукцию и играет важную роль в терморегуляции) и регуляция распределения энергии в организме (34).

Результаты опыта, проведённого в 2014 году рабочей группой Осорио, наглядно демонстрируют влияние рационов, обогащённых защищённым метионином, на здоровье печени, окислительный стресс и иммунный статус коров в транзитный период (25). В данном эксперименте было задействовано три группы животных, получавших одинаковые рационы в периоды раннего (50-21 день до ожидаемого отёла) и позднего (в течение 21 дня до ожидаемого отёла) сухостоя, а также в новотельный период (до 28 дня после отёла). Контрольная группа получала только базовые рационы, а две другие в период позднего сухостоя и новотёла дополнительно получали защищённый метионин, Смартамин® M или МетаСмарт®. Соотношение переваримого лизина к переваримому метионину в опытных группах составляло 2,8:1. У коров, которым скармливали обогащённые метионином рационы, содержание карнитина в крови было существенно выше, а концентрация фосфатидилхолина, наоборот, имела тенденцию к снижению (Таблица 2). Это может свидетельствовать о том, что организм животных обеих опытных групп обладал более высокой способностью и к окислению жиров, и к их выведению из печени в составе ЛПОНП.

Помимо этого, в плазме крови коров опытных групп после отёла наблюдалась более высокая концентрация альбумина, основная часть которого также производится в печени (25).

Опираясь на эти факты авторы исследования сделали вывод, что защищённый от распада в рубце метионин способствует улучшению работы печени.

Роль метионина в защите организма от окислительного стресса и воспалительных процессов

На сегодняшний день хорошо известно, что воспалительные процессы играют важную роль в возникновении послеотёльных осложнений, однако факторы и пути развития воспалений в этот период ещё не до конца ясны. Безусловно, в качестве самой очевидной причины можно указать различных инфекционных агентов, но они, тем не менее, далеко не всегда являются инициаторами возникающих в организме воспалительных процессов и связанных с ними осложнений (7). В частности, очень высокую частоту возникновения подобных осложнений у коров с упитанностью свыше 3,5 баллов (по 5-балльной шкале) сложно списать исключительно на инфекции (9, 28).

На данный момент установлено, что причинами запуска воспалительных просессов могут служить не только инородные вещества и микроорганизмы или травмы, но и соединения, образующиеся в самом организме в процессе жизнедеятельности. К таким соединениям относятся активные формы кислорода (АФК) и липопероксиды (ЛП) (27).

АФК включают в себя ионы кислорода, свободные радикалы и различные пероксиды, например, перекись водорода. Они в небольшом количестве всегда образуются в митохондриях клеток печени, и некоторые из них могут играть роль медиаторов важных внутриклеточных сигнальных путей. Однако при повышенной концентрации они вступают во взаимодействие с другими веществами внутри клетки, окисляя их и вызывая повреждение самой клетки и её гибель. Этот процесс называется окислительным стрессом. Именно при воздействии АФК на внутриклеточные жиры и образуются липопероксиды.
Повышение интенсивности энергообмена в послеотёльный период ведёт к росту образования активных форм кислорода, что, наряду с увеличением концентрации свободных жирных кислот при мобилизации жировых запасов, вызывает повышенное образование липопероксидов. Этот процесс особенно активно протекает именно у коров с высокой упитанностью, что подтверждается высокой концентрацией маркеров перекисного окисления жиров (ТБК-реактивных продуктов) в плазме крови таких животных (4). Кроме того, образование ЛП повышается у животных при жировой дистрофии печени на фоне недостатка метионина и/или холина (27). Липопероксиды запускают воспалительные каскады, которые, в свою очередь, нарушают процессы обмена питательных веществ. Например, они повреждают митохондриальные ДНК, белки и мембраны, вызывая повреждение ткани печени и нарушения в энергетическом обмене (27).

Помимо окислительного повреждения клеток печени и участия в формировании липопероксидов, активные формы кислорода также губительно влияют на иммунные клетки и могут снижать способность иммунной системы противостоять инфекциям (31). Кроме того, АФК вызывают повреждение тканей молочных желёз, что приводит к росту содержания соматических клеток в молоке (35).

Клетки защищаются от воздействия АФК при помощи ферментов, которые называются «антиоксидантами». Острое воспаление или недостаточная антиоксидантная защита может привести к серьёзным повреждениям тканей (35). Двумя основными антиоксидантами в организме являются глютатион и таурин (34), и оба эти соединения синтезируются только с участием метионина (Рис. 1).

Глютатион и таурин, помимо защиты организма от окислительного повреждения, выполняют ряд других важных функций. Так, например, таурин является регулятором постоянства внутренней среды клетки и фоточувствительности сетчатки глаза, ключевым компонентом в передаче нервных импульсов и одним из компонентов желчи, т.е. необходим для нормального усвоения жиров и жирорастворимых витаминов. Таким образом, это соединение оказывает положительный эффект на сердечно-сосудистую, пищеварительную, эндокринную, иммунную, нервную и репродуктивную системы (34).

Глютатион выполняет даже больше жизненно-важных функций. В их числе синтез простагландинов - важных регуляторов работы организма, передача нервных импульсов, экспрессия генов, синтез ДНК и белков. Глютатион в определённой концентрации необходим для нормальной пролиферации, то есть деления клеток и роста тканей, таких как гепатоциты (печёночная ткань), трофобласты (наружная клеточная масса зародыша), лимфоциты и клетки эпителия кишечника. Он также играет важную роль в сперматогенезе, созревании спермы и развитии яйцеклеток, то есть влияет на репродуктивную функцию как самцов, так и самок. Кроме того, глютатион критически важен для активации Т-лимфоцитов и полиморфноядерных лейкоцитов, а также для синтеза цитокинов - всё это необходимо для формирования успешного иммунного ответа при столкновении с инфекциями (34).

Таким образом, обеспечение коров в транзитный период веществами, необходимыми для синтеза антиоксидантов, может помочь животным поддержать здоровье в течение последующей лактации.

В упомянутом выше исследовании группы Осорио 2014 года, посвящённом воздействию рационов, обогащённых метионином, на окислительный стресс и иммунный статус, было установлено, что у животных, получавших защищённый метионин, концентрация в крови церулоплазмина и сывороточного амилоида А была существенно ниже, чем у коров контрольной группы. Указанные соединения являются индикаторами воспалительных процессов: чем сильнее воспаление, тем выше их концентрация в крови. Соответственно у животных, получавших Смартамин М или МетаСмарт, интенсивность воспалительных процессов была ниже. Кроме того, у животных опытных групп наблюдался лучший антиоксидантный статус, о чём свидетельствуют более высокая концентрация глютатиона и повышенная способность к поглощению радикалов кислорода (СПРК, ORAC) (Таблица 3).

Ранее, в 2010 году, группа исследователей под руководством Ардалана достоверно установила положительный эффект от введения в рацион в транзитный период защищённого метионина (Смартамина М) на снижение частоты проявления проблем со здоровьем (Таблица 4). Это исследование также наглядно продемонстрировало, что комбинация защищённого метионина и холина оказывает гораздо больший положительный эффект на здоровье, чем каждое из этих веществ по отдельности.

Роль лизина в регуляции кальцевого и глюкозного обмена

Как уже упоминалось ранее, из всех аминокислот у жвачных животных наиболее изучены биологические функции метионина, поскольку он является первой лимитирующей аминокислотой, то есть его недостаток в рационах высокопродуктивных животных более существенен по сравнению с лизином и выражается не только в менее эффективном использовании белка и меньшей продуктивности, но и в нарушении ряда важных обменных процессов. Что касается лизина, то на данный момент достоверно установлено его влияние на обмен жиров в печени жвачных, о чём мы уже говорили выше, однако подробных исследований его влияния на другие процессы в организме КРС или МРС на настоящий момент нет. Тем не менее, исследования на моногастричных животных позволяют предположить, что лизин имеет ещё как минимум две критически важные функции, которые могут существенно влиять и на здоровье молочных коров.

Первая из них связана с регуляцией глюкозного обмена. Исследования, проведённые на свиньях, показали, что недостаток лизина может влиять на экспрессию белка ГЛЮТ-4 (GLUT-4) (16, 17), который является глюкозным транспортёром, или на инсулиновый сигнальный путь (18), в результате чего ухудшается усвоение глюкозы клетками и, соответственно, обеспечение их энергией.

Второй физиологической функцией лизина, которая может иметь критическое значение для дойных коров, является его способность влиять на усвоение кальция в тонком кишечнике. Группой учёных под руководством Вассермана в исследовании на крысах было установлено, что дополнительное введение лизина в рацион существенно повышало усвояемость кальция (32).

Совместные исследования компании Кемин и Татарского научноисследовательского института сельского хозяйства (ТатНИИСХ) выявили возможную связь между введением в рацион молочных коров защищённого лизина в виде кормовой добавки ЛизиПЕРЛ и глюкозным и кальциевым обменом (36). Опытная группа животных, получавшая 40 г ЛизиПЕРЛ на голову в сутки в дополнение к базовому рациону в течение 2 месяцев, несмотря на более высокую продуктивность по сравнению с контролем (36,1 кг против 31,0 кг), а также более высокое содержание жира (3,82% против 3,65%) и белка (3,24% против 3,10 %), к концу опыта имела достоверно более высокие концентрации глюкозы и кальция в плазме крови (Таблица 5).

Кроме того, у коров опытной группы наблюдалось снижение количества соматических клеток в молоке (Таблица 5), что может свидетельствовать о возможном участии лизина в механизмах антиоксидантной защиты наряду с метионином.

Заключение

Аминокислоты являются жизненно важными питательными веществами, а не просто кормовыми добавками. Среди прочих аминокислот метионин и лизин являются наиболее значимыми в питании коров. Обе они являются ключевыми регуляторами обменных процессов и выполняют множество важных функций в организме животных. Широкий опыт применения этих аминокислот доказывает, что их правильное
балансирование в рационах молочных коров может улучшить работу печени и оптимизировать иммунный и антиоксидантный статус, что позволит поддержать здоровье животных в транзитный период, легче его преодолеть и улучшить тем самым прибыльность молочной фермы.

Лекция по аминокислотам:
https://m.youtube.com/watch?v=ynQ3D6fcjLM&t=47s

Вебинар по протеиновому питанию жвачных:
https://youtu.be/OOAB0TiTDTY