Физиолого-биохимические аспекты регуляции продукции молочного белка у жвачных животных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физиолого-биохимические аспекты регуляции продукции молочного белка у жвачных животных

Г.Г. Черепанов

З.Н. Макар

Аннотация

конверсия протеин корм молоко

На основе анализа данных литературы и собственных исследований авторов рассматриваются факторы, оказывающие влияние на продукцию молочного белка и эффективность конверсии протеина корма в белок молока у высокопродуктивных жвачных животных. Проанализированы основные механизмы, взаимосвязи и возможные лимиты на уровне пищеварения, межуточного обмена, использования субстратов и биосинтеза в молочной железе. Описано влияние гормона роста, инсулина и инсулиноподобных факторов роста на использование аминокислот и синтез белка в молочной железе у коров и коз. Представлены результаты исследований субстратного гомеостаза в молочной железе с использованием современных методов.

Summary

On basis of literature analysis and own investigations the authors consider the factors and the mechanisms affected the dairy protein production and the efficiency of food protein conversion to dairy protein in high productive ruminant animals. The main correlations and possible limitations on the level of digestion, interstitial metabolism, substrate assimilation and biosynthesis in mammary gland were analyzed. The effect of growth hormone, insulin and insulin-like growth factor on amino acids assimilation and protein synthesis in milk gland in cows and nanny-goats was described. The results of investigations of substrate homeostasis in mammary gland with the use of modern techniques were presented.

В последние десятилетия исследования в молочном скотоводстве направлены на увеличение содержания белка и уменьшение количества жира в молоке. Это связано с выявленным в эпидемиологических исследованиях отрицательным влиянием высокого потребления насыщенных жирных кислот и холестерина, содержащегося в молоке и сливочном масле, на здоровье населения, особенно при малоподвижном образе жизни. Во многих странах предпринимаются специальные меры для стимуляции производства молочного белка и вводятся квоты на содержание жира в молоке. При этом важное значение имеют качественные характеристики, обусловленные содержанием в молоке нужных форм белка. В связи с этим актуальна проблема защиты белков от протеолитического расщепления или направленной стимуляции протеолиза. В настоящее время ассортимент препаратов и способов, применяемых для стимуляции производства молочного белка, весьма ограничен по сравнению с аналогичными средствами, используемыми для повышения содержания жира. Это связано с тем, что регуляция образования молочного белка осуществляется по более сложной схеме, включающей межорганное распределение свободных аминокислот и матричный синтез в секреторных клетках. Для того чтобы управлять производством молочного белка, следует лучше понимать процессы обмена и регуляции биосинтеза, протекающие на уровне организма и в тканях молочной железы.

Использование аминокислот на уровне организма. Поступление субстратов синтеза молочного белка к молочной железе определяется количеством и составом всосавшихся аминокислот, а также утилизацией последних другими тканями. Поэтому необходимо учитывать и метаболизм на уровне организма, и процессы внутримаммарного использования субстратов. Эффективность конверсии сырого протеина корма в белок молока у коров может варьировать в пределах 20-35 % (1). Резервы повышения конверсии имеются как на уровне потребления корма и пищеварения, так и межуточного обмена и биосинтеза, но вычленить эти составляющие и оценить их количественно очень трудно в связи с взаимодействием между потреблением протеина и количеством энергии, между содержанием отдельных аминокислот, участвующих в процессах транспорта и обмена, а также из-за регуляторных влияний, которые оказывают аминокислоты на различные физиологические функции. Поэтому проблема имеет фундаментальный характер и требует привлечения больших исследовательских сил.

На конверсию энергии и протеина корма в продукцию оказывают влияние условия кормления, содержания и особенности метаболизма на разных стадиях воспроизводительного цикла коров. Поэтому общие закономерности проявляются на фоне существенного варьирования экспериментальных данных, в частности, при различном потреблении сырого протеина и обменной энергии (2-4). Поскольку микроорганизмы переваривают бульшую часть корма, взаимодействие между углеводами и протеином у жвачных опосредовано микробной ферментацией. В случае недостаточности или неэффективной утилизации сырого протеина переваримость структурных углеводов заметно снижается. При недостатке растворимых углеводов изменяется характер переваривания протеина: азот может теряться с аммиаком.

Данные Oldham позволяют предположить, что возросшее потребление сухого вещества рациона обеспечивает положительную взаимосвязь между использованием протеина и молочной продуктивностью (3). В ряде работ было показано, что увеличение доли сырого протеина в рационе способствует повышению молочной продуктивности преимущественно за счет более интенсивного потребления энергии. В тех случаях, когда потребление сырого протеина не приводило к увеличению потребления энергии, наблюдалась более слабая реакция или отсутствие реакции по удою (5). Так, повышение доли сырого протеина в изокалорических рационах с 11 до 20 % увеличивало энергетическую ценность рациона, что перевешивало ожидаемую депрессию переваримости при повышенном потреблении корма (6). Стимулирующие эффекты протеина, по-видимому, включают в себя цикл, начинающийся с повышения интенсивности синтеза микробного белка; возрастание переваримости сухого вещества сопровождается увеличением скорости эвакуации, потребления корма, а затем и потребления энергии (7-9).

При варьировании энергопротеинового соотношения тенденция к увеличению продуктивности наблюдалась более четко при ограниченном потреблении энергии (10). Эти данные согласуются с предположением, что протеин может играть роль стимулятора потребления энергии (7). При скармливании коровам рационов с содержанием протеина 80 и 120 % от потребности (факториальная схема 22) использование обменной энергии на молокообразование было больше во втором случае (63 против 50 %) (2). Увеличение продуктивности при дополнительном поступлении энергии также было бульшим при высоком уровне потребления протеина. В работе Oldham с соавт. показано, что соотношение между количеством переваримого азота и потребленной обменной энергии (N/МДж) зависит от стадии лактации: 1,55 (первые 3 мес), 1,3 (6-7 мес) и 1,1 г (после 10-го мес). Эти авторы заключили, что более высокое соотношение легкоферментируемых углеводов, вероятнее всего, стимулирует использование переваримого азота на молокообразование, независимо от общего количества потребленной энергии (11).

Показано, что в ситуации пищевого стресса (например в ранней фазе лактации), когда затраты энергии превышают ее поступление, доступный протеин определяет общую эффективность метаболизма (12). Однако по мере того, как увеличивается потребление протеина и возрастает удой, максимальная продуктивность определяется доступностью энергии. Orskov с соавт. отмечено, что деградируемость протеина играет более важную роль в периоды отрицательного баланса энергии, поэтому при оценке потребности в недеградируемом протеине и энергии следует учитывать стадию лактации (13). Направленность сдвигов баланса энергии и азота у коров в начальной фазе лактации часто не совпадает, например, мобилизация энергии может происходить на фоне ретенции азота в тканях. Описаны ситуации, при которых существенное повышение эффективности использования протеина сопровождается увеличением затрат энергии и снижением образования продукции (9).

При оценке потребности в питательных веществах обычно предполагают существование некоторого генетического потенциала продуктивности стада, который реализуется у отдельных животных при достаточном поступлении нутриента. Альтернативная точка зрения заключается в том, что генетически детерминированный потенциал анаболизма играет подчиненную роль, а нутриенты действуют как субстраты, стимуляторы или модуляторы метаболизма, то есть метаболическая активность животного является некоторой функцией этих эффектов. Какая из этих двух точек зрения верна в каждом конкретном случае, трудно оценить; для этого необходима информация о функционировании целостных метаболических систем на уровне органов и тканей.

Допустим, что продукция молочного белка при увеличении содержания протеина в рационе возрастает в линейной зависимости до точки, в которой энергия становится лимитирующим фактором, -- модель «линейный участок--плато» (14). Такую модель удобно использовать для простого определения «потребности». Однако выявлена тенденция «нелинейного» приближения показателей к асимптоте, и данные этих опытов свидетельствуют скорее об экспоненциальной зависимости (4, 15). Хотя во многих системах протеинового питания принимают постоянным коэффициент конверсии доступного для обмена протеина в протеин молока, на изокалорических рационах при повышенном потреблении сырого протеина и по мере увеличения соотношения между количеством обменного протеина и чистой энергии продукции у коров наблюдается снижение эффективности конверсии протеина в молочный белок (4, 16). Придерживаясь модели «линейный участок--плато», можно полагать, что поступающие сверх «точки перелома» аминокислоты полностью катаболизируются. Однако при разработке некоторых систем нормирования протеина в рационах молочных коров исходят из того, что избыточный протеин может использоваться на синтез молочного белка (17).

У жвачных доля азота мочевины, выделившегося при разложении аммиака, может составлять от 16 до 30 %. При введении аммиака в брыжеечную вену было отмечено 2-3-кратное увеличение мочевинообразования при сопоставлении со стехиометрическими показателями по связыванию аммиака. Поскольку при повышенном потреблении азота происходит более интенсивное образование аммиака, то в свете этих данных не является неожиданным заключение о том, что при этом у жвачных индуцируется катаболизм аминокислот на уровне печени (18, 19). Ранее в исследованиях на лабораторных животных была установлена гетерогенность (компартментация) цикла мочевинообразования в печени, который включает низкоаффинную перипортальную систему уреогенеза и высокоаффинную перивенозную систему детоксикации аммония за счет синтеза глутамина при восстановительном аминировании -кетоглутарата. Перивенозные гепатоциты обладают высокой способностью к синтезу глутамина, причем углеродный скелет поставляется главным образом за счет -кетоглутарата, глутамата и малата. При недостатке глюкозы и повышенном поступлении аммиака часть аминокислот может использоваться по этому пути (20). При ацидозе снижается синтез мочевины, что приводит к удержанию бикарбоната. Зависимость скорости уреогенеза от кислотно-щелочного равновесия и скорости катаболизма аминокислот определяет необходимость регуляции уреогенеза по комплексу внутри- и внеклеточных переменных, что необходимо учитывать при использовании показателей мочевинообразования в качестве критериев для оценки потребности в аминокислотах.

Вследствие интенсивного межорганного обмена поступление эндогенных аминокислот в общий метаболический пул примерно в 3 раза больше потока их всасывания в кишечнике. Вклад кишечного всасывания в общий поток аминокислот составляет у овец и коров соответственно 25 и 23 % (21). У телок с живой массой 379 кг на долю всасывания лейцина в зависимости от уровня кормления приходится 17,6-24,6 %, а на долю его окисления -- 15,3-17,6 % от общего потока (22). Потери аминокислот при окислении обусловлены стадией лактации. Так, окисление лейцина в молочной железе у коз варьирует от 8 до 34 % от поглощения в органе соответственно в начале и конце периода лактации (23). Межорганное распределение аминокислот и соотношение между их использованием в биосинтезе белков и катаболизмом на уровне организма зависят от многих факторов, совместное действие которых в настоящее время представляется слишком сложным, для того чтобы можно было говорить об оценке точной потребности в отдельно взятой аминокислоте. На практике эти неопределенности при разработке рационов могут быть существенными в связи с наличием взаимодействий между потреблением протеина и количеством энергии, содержанием аминокислот и т.д. (24, 25).

Сложность системы регуляции образования молочного белка состоит не только в том, что проблемы протеиновой обеспеченности нельзя решать без учета энергетического баланса, но и в том, что эти аспекты кормления необходимо увязывать с репродуктивными функциями животных. Так, при добавлении защищенного протеина в рацион коров на ранней фазе лактации наряду с увеличением удоя усугубляется энергетический дефицит, снижается скорость мобилизации жировых депо, а в последующем наблюдается задержка овуляции. Скармливание в этот период повышенного количества высокодеградируемого протеина может приводить к такому же эффекту, вызывая задержку инволюции матки (26).

Концентрация аминокислот в плазме крови, зависящая от скорости их поступления и выведения из метаболического пула и от пространства распределения, является важным фактором регуляции катаболизма этих соединений (27). Однако при увеличении поступления аминокислот с кормом их концентрация в плазме крови может повышаться, хотя и с меньшей скоростью, чем та, что наблюдается после «точки перелома» (28). По мере увеличения поступления лимитирующей аминокислоты окисление нелимитирующих аминокислот уменьшается, так как их большая доля может расходоваться на образование белка. Это дает основание для использования окисления нелимитирующих («индикаторных») аминокислот в качестве показателя того, что дефицитная аминокислота перестает быть лимитирующей (29).

В экспериментах по введению отдельных аминокислот в сычуг ранее был сделан вывод о том, что метионин и лизин являются лимитирующими аминокислотами у коров, особенно получающих рационы на основе кукурузы (30, 31). В более поздних работах не выявлено положительного влияния на продукцию белка у высокопродуктивных коров препаратов этих аминокислот, защищенных от распада в рубце, при добавлении в рацион, сбалансированный с учетом аминокислотного состава микробного белка и остаточного кормового протеина, поступающего в дуоденум (32, 33). Не отмечено повышения продуктивности и содержания белка в молоке коров с удоем 25 кг/сут при введении в сычуг метионина или лизина в разных дозах (соответственно 10-40 и 15-60 г/сут) при скармливании силоса из разнотравья с добавкой 9 кг концентратов (34). При инфузии гистидина в дозе 6,5 г/сут в аналогичных условиях наблюдалось увеличение удоя и продукции белка (35). При длительном внутривенном введении смеси аминокислот (гистидин, лизин, метионин и треонин) содержание белка в молоке коров увеличивалось на 26 % при скармливании силоса из разнотравья (36). По-видимому, в тех ситуациях, когда микробный протеин составляет бульшую часть доступного для обмена белка, гистидин может выполнять роль фактора, лимитирующего продукцию молочного белка (37, 38), тогда как в других ситуациях более важное значение приобретает аминокислотный состав остаточного кормового протеина, поступающего в тонкий кишечник (35, 39, 40). Поэтому для оценки аминокислотной обеспеченности необходимо прогнозировать поступление аминокислот в тонкий кишечник, а также иметь сведения о границах метаболического лимитирования по основным незаменимым аминокислотам.

Лактоза является главным осмотически активным соединением, определяющим удой. Синтетаза лактозы прикреплена к внутренней стороне мембраны секреторных везикул, содержащих мицеллы казеина. Поэтому накопление лактозы в везикулах и перенос казеина к апикальной мембране секреторных клеток -- это сопряженные процессы. Следовательно, обеспечение организма животных предшественниками глюкозы может лимитировать удой и продукцию молочного белка. Теоретически глюкогенные источники могут оказывать также азотсберегающее действие, предотвращая использование незаменимых аминокислот на энергетические нужды. Однако в многочисленных экспериментах при введении пропионата в рубец или глюкозы в дуоденум были получены противоречивые данные: в одних опытах удой не изменялся (41), в других -- увеличивался (на 0,6-2,4 кг/сут) (42, 43) или снижался (25, 44, 45). Отсутствие эффекта при инфузии глюкозы в дуоденум может быть связано с ингибированием глюконеогенеза в печени, как это наблюдалось в опытах на овцах (46). Кроме того, удой в ответ на введение глюкозы может варьировать в зависимости от количества поступившей в дуоденум фракции крахмала, нерасщепившейся в рубце. Глюкоза может также оказывать действие, аналогичное таковому энергетических субстратов (47). В этом случае важное значение имеет энергетический статус организма животных -- положительный или отрицательный баланс энергии. Окисление глюкозы в секреторных клетках молочной железы существенно снижается при увеличении концентрации ацетата (48, 49). Этот эффект, возможно, лежит в основе отмечаемой в опытах стимуляции продукции молочного белка при инфузиях ацетата и внесении ацетатсодержащих кормовых добавок (50-52).

Таким образом, помимо общего количества поступившего кормового протеина продукцию белка иногда могут лимитировать те или иные незаменимые аминокислоты, хотя сам по себе факт этого лимитирования и степень его выраженности существенно зависят от состава рациона, уровня продуктивности и обеспеченности организма жвачных животных различными нутриентами (глюкоза, ацетат и др.).

Роль гормональных факторов регуляции синтеза белка в молочной железе. В период установившейся лактации обычно наблюдается обратная корреляция между концентрацией в крови соматотропного гормона и инсулина. В тканях молочной железы не обнаружены рецепторы этих гормонов, поэтому распространено мнение, что последние оказывают косвенное влияние на биосинтез белка в результате перераспределения потоков нутриентов в организме в направлении использования на молокообразование. Гормон роста стимулирует молокообразование в период после пика лактации, что обусловлено, по-видимому, усилением кровоснабжения вымени и торможением инволюции молочной железы (53-56). Иногда это сопровождается некоторым снижением концентрации белка в молоке, что, однако, компенсируется повышением удоя.

Эти эффекты гормона роста во многом опосредованы системами инсулиноподобных факторов роста (IGF) и связывающих их белков (IGFBP) (53, 54). В нормальном физиологическом состоянии свободные формы IGF в плазме крови практически отсутствуют, поэтому функция IGFBP заключается в регуляции физиологической активности IGF. Под действием экзогенного соматотропного гормона в крови повышается активность третичного комплекса IGFBP-3 (IGF + IGFBP + кислотно-лабильный белок) и понижается активность бинарного комплекса (IGF + IGFBP-2) (58, 59). При этом из крови в межклеточную жидкость проникают только бинарные комплексы, которые диссоциируют на поверхности клеток. Наличие рецепторов к IGF-1 является необходимым условием для пролиферации, роста и дифференциации клеток; терминальная дифференцировка и старение эпителиальных клеток сопровождаются потерей этих рецепторов. При введении IGF-1 в питающую артерию молочной железы наблюдается такая же стимуляция кровотока и молокообразования, как и при действии экзогенного гормона роста (60, 61). Освобождение и действие факторов IGF и IGFBP осуществляются по эндокринному (печень) или пара- и аутокринному типу (молочная железа) (62). Секреция IGF-1 регулируется синергетически комплексом гормонов, включая соматотропный гормон (потребление протеина), инсулин (потребление энергии), тиреоидные гормоны и глюкокортикоиды. Наличие множественных взаимодействий и точек контроля в этом комплексе обусловливает возможность тонкой настройки кинетических параметров, определяющих распределение нутриентов на уровне организма и тканей.

Влияние инсулина на процессы биосинтеза в молочной железе ранее отрицалось, однако в последние годы это представление пересматривается, так как выяснилось, что при внутривенном введении инсулина в сочетании с глюкозой (введение инсулина с постоянной скоростью на фоне нормогликемии, обеспечиваемой регулируемой инфузией глюкозы) наблюдается существенная (на 25-28 %) стимуляция удоя и продукции молочного белка (63-66). Механизм этого эффекта пока не ясен. В опытах на культуре ткани молочной железы было показано, что инсулин участвует в регуляции транспорта некоторых аминокислот в клетку (67-69). В то же время в последние годы было установлено, что интенсивность синтеза белка в лактирующей молочной железе может меняться при варьировании объема секреторных клеток (70). Поскольку внутриклеточная концентрация аминокислот в среднем на порядок выше внеклеточной, можно предполагать, что вариации по скорости трансмембранного переноса могут оказывать влияние на осмоляльность цитозоля, тем самым изменяя объем клеток и интенсивность синтеза белков.

Использование аминокислот на синтез белка в молочной железе. Продукция молочного белка может лимитироваться обеспеченностью молочной железы субстратами (концентрация в артериальной крови, скорость кровотока, трансмембранный перенос) и активностью матричного синтеза. При экспериментальном моделировании субстратного обеспечения отдельные аминокислоты или их смесь вводили в периферическую кровь или кишечник и регистрировали поглощение последних в молочной железе и содержание белка в молоке. В балансовых опытах выявлена высокая вариабельность показателей продуктивности, что, возможно, обусловлено различиями по переваримости кормов или содержанию доступного для обмена протеина (4). При анализе сводных данных, полученных в 36 опытах с инфузией казеина в сычуг или дуоденум, отмечена очень высокая степень изменчивости по приросту выхода молочного белка за 1 сут. (0-250 г/сут.) при отсутствии достоверной зависимости от дозы казеина (200-1200 г/сут.) (71). Эффективность использования дополнительно вводимых аминокислот при этом снижалась по мере увеличения продуктивности коров и при удое 25 кг/сут. составляла в среднем 20 %, то есть намного ниже показателя, принимаемого обычно при нормировании протеинового питания коров (4).

При анализе этих данных возникают два вопроса: чем обусловлено варьирование по удою; как согласуются полученные данные с концепцией о существовании «точки перелома», выше которой вообще не должно быть приращения по количеству молочного белка вследствие катаболизма «излишних» аминокислот. Здесь могут быть три варианта объяснения: I -- модель «линейный участок--плато» верна, но положение «плато», то есть внутренне детерминированная мера анаболизма, существенно варьирует у разных особей (например, из-за неодинакового развития железистого отдела вымени, функций печени и т.п.); II -- верна модель, альтернативная вышеупомянутой, и повышение удоя это, скорее, эффект определенной констелляции субстратов, эффекторов и модуляторов метаболизма, нежели простая математическая взаимосвязь между поступлением протеина и генетическим потенциалом продуктивности; III -- сочетание этих двух вариантов. Эти рассуждения могут служить основой стратегии практических разработок. В I варианте можно думать о разработке физиологических тестов с последующим формированием производственных групп в зависимости от результатов тестирования (72). Во II варианте необходима более тщательная теоретическая разработка с построением моделей субстратного гомеостаза.

Показатели качественной оценки метаболизма, биосинтеза и секреции в клетках молочной железы достаточно полно представлены в литературе, сведения же о количественных значениях параметров и локальных внутриклеточных концентрациях субстратов немногочисленны и получены в основном in vitro. Для количественной оценки потоков нутриентов определение активности ферментов в гомогенатах ткани является неинформативным. Более эффективным подходом служит использование изотопных индикаторов: количественный анализ проводят посредством математической идентификации с использованием кинетической модели, хотя при этом удается получить лишь «моментальный снимок» метаболической ситуации в одном конкретном случае. Однако методологию параметрической идентификации применяют в настоящее время и в более обобщенном плане, не требующем, в частности, изотопных индикаторов, и в этом отношении она наиболее адекватна обсуждаемой цели (73-75).

Расшифровка взаимосвязей между концентрацией нутриентов в артериальной крови, артериовенозным балансом предшественников, эффективностью извлечения субстратов из крови, объемом кровотока и содержанием белка в молоке имеет важное значение для понимания регуляции синтеза и секреции молочного белка и создания концептуальных моделей метаболизма молочной железы. В ряде работ не было обнаружено отчетливой взаимосвязи между поглощением аминокислот в молочной железе и их концентрацией в артериальной крови, а также между артериовенозной разницей (АВР) и выходом молочного белка (71). По нашим данным, такая взаимосвязь существует, но, для того чтобы ее выявить, необходимы специальные тесты и вычислительные процедуры для анализа и идентификации параметров (74, 76). При разработке этих тестов мы использовали ряд теоретических положений, которые и рассмотрим.

В рамках краткосрочной регуляции синтеза компонентов молока баланс метаболических потоков в секреторных клетках, по-видимому, обеспечивается величиной кровотока и равновесными соотношениями концентраций на фоне постоянных внутренних параметров (аффинность, максимальная скорость, эффекторные константы), совокупность которых теоретически может быть специфической для разных точек гомеоретической траектории. В ходе лактации и в процессе адаптации к изменившимся условиям питания происходит перенастройка внутренних параметров, в результате чего продуктивность при одном и том же «нормальном» метаболическом профиле крови будет иной, хотя структура взаимодействий в системе остается прежней, меняются лишь коэффициенты. Поэтому для понимания регуляции субстратных потоков необходима оценка этих инвариантных структур (то есть построение модели субстратного гомеостаза) и ключевых параметров с учетом стадии лактации, особенностей генотипа и условий питания.

Клетки секреторного эпителия альвеол можно рассматривать как непрерывно действующий ферментер, который перерабатывает поступающие из крови субстраты в компоненты молока -- белок, жир и лактозу. Работа этого ферментера имеет две характерные особенности: поступающие субстраты используются как для пластических, так и для энергетических целей (с образованием АТФ); регуляция скорости поступления субстратов к местам синтеза может осуществляться на уровне органного кровотока за счет изменений сопротивления периферических сосудов, регулируемого по критерию поддержания энергетического баланса клетки (74, 77, 78). Как показало компьютерное моделирование, субстратные потоки в такой системе охвачены сложной сетью взаимных влияний, а локализация узких мест, лимитирующих интенсивность синтеза молочного белка, может меняться в зависимости от метаболической ситуации, в том числе от концентрации и соотношения поступающих субстратов. Например, когда при постоянных значениях параметров в модели повышали концентрацию в артериальной крови только свободных аминокислот, увеличивались кровоток и АВР, а эффективность извлечения из крови аминокислот снижалась, что соответствует данным опытов. При этом содержание белка в молоке увеличивалось не на много (с эффектом плато). Однако в тех случаях, когда одновременно с концентрацией аминокислот изменяли концентрацию в крови какого-то другого субстрата, то при различных сочетаниях продуктивность как повышалась, так и понижалась, что объясняется наличием взаимодействий между субстратами на уровне клеточного обмена и объемной скоростью кровотока (79, 80).

Мы провели несколько серий опытов с кратковременным изменением уровня кормления (81, 82). При этом у тех коров, из рациона которых исключали концентраты, наблюдался неожиданный феномен -- существенное снижение объемной скорости кровотока в первые 6-12 ч на фоне постоянной концентрации субстратов в крови. Оказалось, что на ранней стадии адаптации к новому рациону не изменение концентрации метаболитов в крови определяет интенсивность кровоснабжения органов, а, напротив, изменение кровотока в основном обусловливает баланс субстратов в органе. Адаптивные изменения поступления аминокислот в секреторные клетки проявлялись через 10-20 ч после отмены концентратов, причем показатели объема молока и содержания белка в молоке коррелировали с таковыми по динамике транспорта аминокислот (82). Следовательно, обеспеченность субстратами является важным фактором, определяющим интенсивность синтеза белков молока, который зависит от активности транспорта аминокислот в клетки.

Результаты наших исследований согласуются с данными зарубежных авторов (83, 84). Так, по сообщению Bequette с соавт., активность транспорта гистидина в секреторные клетки увеличивалась в 40 раз при снижении содержания этой аминокислоты в рационе, причем транспорт других аминокислот сокращался (83). На основании этих исследований можно предположить, что синтез белков молока может лимитироваться на уровне трансмембранного переноса аминокислот. Поэтому возникает необходимость оценки механизмов лимитирования продуктивности на уровне микроциркуляции, мембранного транспорта и метаболизма секреторных клеток молочной железы.

В последние годы достигнут определенный прогресс в понимании ряда физиологических аспектов проблемы, связанной с производством молочного белка, эффективностью конверсии корма и качественным составом молока, однако для ее решения необходим комплексный подход. В вопросах питания центр внимания постепенно переносится от нормирования протеина и энергии в кормах к оптимизации субстратного баланса в организме животных. Повышение продуктивности сельскохозяйственных животных при вариации энергопротеинового соотношения существенно зависит от набора всасывающихся субстратов и функциональной активности секреторных клеток, опосредованной гормонально-метаболическими факторами. Как выяснилось, существует значительный биологический резерв в повышении интенсивности синтеза молочного белка, однако попытки реализовать этот потенциал за счет изменения условий кормления плохо воспроизводимы. Для решения этой проблемы необходима детальная проработка количественных аспектов оценки метаболизма секреторных клеток молочной железы в условиях in vivo. Методология такого подхода, созданная в последние годы, включает в себя комплексную оценку кровотока в молочной железе, артериовенозного баланса предшественников, состава молока, а также компьютерное моделирование с целью идентификации лимитирующих факторов. В настоящее время разработаны основные элементы теории субстратного гомеостаза и получены экспериментальные данные, свидетельствующие о возможности воздействия на белковый синтез посредством направленных изменений субстратно-метаболического фонда и гормонального баланса в организме животных. Данные проведенных нами исследований позволяют предположить, что интенсивность синтеза белка в молоке может лимитировать активность трансмембранного переноса аминокислот в секреторные клетки, которая определяется как системными влияниями, так и местными факторами, действующими на уровне микроциркуляции и клеточного метаболизма.

Литература

1. Физиологические потребности в питательных веществах и нормирование питания молочных коров /Под ред. Г.Г. Черепанова, Е.Л. Харитонова. Боровск, 2001.

2. Gordon F.J., Forbes T.J. The associative effect of level of energy and protein intake in the dairy cow. J. Dairy Res., 1970, 37: 481-490.

3. Oldham J.D. Protein-energy interrelationships in dairy cows. J. Dairy Sci., 1984, 67: 1090.

4. Hanigan M.D., Cant J.P., Weakley D.C. e.a. An evaluation of postabsorptive protein and amino acid metabolism in the lactating dairy cow. J. Dairy Sci., 1998, 81: 3385-3401.

5. Foldager J., Huber J.T. Influence of protein percent and source on cows in early lactation. J. Dairy Sci., 1979, 62: 954-963.

6. Teller E., Godeau J.-M. Protein and energy relationships in dairy cattle. I. Dry cows. Arch. Anim. Nutr., 1989, 39, 6: 535-542.

7. Nocek J.E., Russell J.B. Protein and energy as an integrated system. Relationship of ruminal protein and carbohydrate availability to microbial synthesis and milk production. J. Dairy Sci., 1988, 71: 2070-2107.

8. Roffler R.E., Thaker D.L. Early lactational response to supplemental protein by dairy cows fed grass-legume forage. J. Dairy Sci., 1983, 66: 2100-2112.

9. Решетов В.Б. Энергетический обмен у коров в связи с физиологическим состоянием и условиями питания. Автореф. докт. дис. Боровск, 1998.

10. Van Horn H.H., Blanco О. Interaction of protein percent with caloric density and protein source for lactating cows. J. Dairy Sci., 1985, 68: 1682-1690.

11. Oldham J.D., Emmans G.C. Prediction of responses to protein and energy yielding nutrients. In: Nutrition and lactation in the dairy cow. London, 1988.

12. Mac Rae J.C., Buttery P.J., Beever D.F. Nutrient interactions in the dairy cow. In: Nutrition and lactation in the dairy cows. Butterworths, London, 1988: 57-75.

13. Orskov E.R., Reid G.W., M c Donald I. The effects of protein degradability and food intake on milk yield and composition in cows in early lactation. Br.J. Nutr., 1981, 45: 547-555.

14. National Research Council. Nutrient requirements of dairy cows. Washington, 1989.

15. De Peters E.J., Cant J.P. Nutritional factors influencing the nitrogen composition of bovine milk: a review. J. Dairy Sci., 1992, 75: 2043-2070.

16. Tamminga S. Nutrition management of dairy cows as a contribution to pollution control. J. Dairy Sci., 1992, 75: 345-357.

17. Fox D.G., Sniffen C.J., O'Connor J.D. e.a. A net carbohydrate and protein system for evaluating cattle diets. III. Cattle requirements and diet adequacy. J. Anim. Sci., 1992, 70: 3578-3596.

18. Parker D.S., Lomax M.A., Seal C.J. e.a. Metabolic implications of ammonia production in the ruminant. Proc. Nutr. Soc., 1995, 54: 549-563.

19. Lobley G.E., Cornell A., Lomax M.A. Hepatic detoxification of ammonia in the ovine liver: possible consequences of amino acid catabolism. Br.J. Nutr., 1995, 73: 667-685.

20. Haussinger D. Nitrogen metabolism in liver: structural and functional organization and physiological relevance. Biochem. J., 1990, 267: 281-290.

21. Reeds P.J., Lobley B.L. Protein synthesis: are there real species differences? Proc. Nutr. Soc., 1980, 39: 43-52.

22. Hammond A.C., Huntington G.B., Reynolds P.J. e.a. Absorption, plasma flux and oxidation of L-leucine in heifers at two levels of intake. J. Anim. Sci., 1987, 64: 420-425.

23. Oddy V.H., Lindsay D.B., Fleet J.R. Protein synthesis and degradation in the mammary gland of lactating goats. J. Dairy Sci., 1988, 55: 143-154.

24. Kim K.-H., Elliott J.I., Bayley H.S. Oxidation of an indicator amino acid by young pigs receiving diets with varying levels of lysine or threonine and an assessment of animal acid requirements. Br.J. Nutr., 1983, 50: 391-399.

25. Whitelaw F.G., Milne E.R., Orskov E.R. e.a. The nitrogen and energy metabolism of lactating cows given abomasal infusions of casein. Br.J. Nutr., 1986, 55: 537-556.

26. Robinson J.J. Nutrition in the reproduction of farm animals. Nutr. Res. Rev., 1990, 3: 253-276.

27. Riis P.M. The pools of cellular nutients: Amino acids. In: Dynamic Biochemistry of Animal Nutrition /Ed. P.M. Riis. Amsterdam, 1983: 151-172.

28. Kang-Lee Y.A., Harper A.E. Effect of histidine intake and hepatic histidinase activity on the metabolism of histidine in vivo. J. Nutr., 1977, 197: 1427-1443.

29. Chavez E.R., Bayley H.S. Amino acid metabolism in piglets. 3. Influence of lysine level in the diet on energy metabolism and in vivo oxidation. Br.J. Nutr., 1976, 26: 1087-1091.

30. Schwab C.G., Satter L.D., Clay B. Response to lactating dairy cows to abomasal infusion of amino acids. J. Dairy Sci., 1976, 59: 1254-1270.

31. Rulquin H. The determination of certain limiting amino acids in the dairy cow by post-ruminal administration. Reprod. Nutr. Develop., 1987, 27: 299-300.

32. Overton T.R., Emmert L.S., Clark J.H. Effects of source of carbohydrate and protein and rumen protected methionine on performance of cows. J. Dairy Sci., 1998, 81: 221-228.

33. Robinson P.H., Chalupa W., Sniffen C.J. e.a. Ruminally protected lysine or lysine and methionine for lactating dairy cows fed a ration designed to meet requirements for microbial and postruminal protein. J. Dairy Sci., 1998, 81: 1364-1373.

34. Varvikko Т., Vanhatalo A., Jalava Т. e.a. Lactation and metabolic responses to graded abomasal doses of methionine and lysine in cows fed grass silage diets. J. Dairy Sci., 1999, 82: 2659-2673.

35. Vanhatalo A., Huhtanen P., Toivonen V. e.a. Response of dairy cows fed grass silage diets to abomasal infusions of histidine alone or in combinations with methionine and lysine. J. Dairy Sci., 1999, 82: 2674-2685.

36. Choung J.-J., Chamberlain D.G. The effects of intravenous supplements of amino acids on milk production of dairy cows consuming grass silage and a supplement containing feather meal. J. Sci. Food Agric., 1995, 68: 265-270.

37. Virtanen A.I. Milk production of cows on protein-free feed. Science, 1966, 153: 1603-1614.

38. Fraser D.L., Orskov E.R., Whitelaw F.G. e.a. Limiting amino acids in dairy cows given casein as the sole source of protein. Livest. Prod. Sci., 1991, 28: 235-252.

39. Кальницкий Б.Д., Харитонов Е.Л. Физиологические основы оптимизации аминокислотного питания молочного скота. В сб.: Корма и кормопроизводство. Киев, 2002, 49: 45-50.

40. Харитонов Е.Л. Комплексные исследования процессов рубцового и кишечного пищеварения у жвачных животных в связи с прогнозированием образования конечных продуктов переваривания кормов. Докт. дис. Боровск, 2003.

41. Clark J.H., Spires H.R., Derrig R.G. e.a. Milk production, nitrogen utilization and glucose synthesis in lactating cows infused postruminally with sodium caseinate and glucose. J. Nutr., 1977, 107: 631-644.

42. Frobish R.A., Davis C.L. Effects of abomasal infusions of glucose and propionate on milk yield and composition. J. Dairy Sci., 1977, 60: 204-209.

43. Hurtaud C., Lemosquet S., Rulquin H. Effect of graded duodenal infusions of glucose on yield and composition of milk from dairy cows. 2. Diets based on grass silage. J. Dairy Sci., 2000, 83: 2952-2962.

44. Lemosquet S., Rideau N., Rulquin H. e.a. Effects of a duodenal glucose infusion on the relationship between plasma concentrations of glucose and insulin in dairy cows. J. Dairy Sci., 1997, 80: 2854-2865.

45. Oldick B.S., Staples C.R., Thatcher W.W. e.a. Abomasal infusion of glucose and fat-effect on digestion, production, and ovarian and uterine functions of cows. J. Dairy Sci., 1997, 80: 1315-1328.

46. Judson G.J., Leng R.A. Studies on the control of gluconeogenesis in sheep: effect of glucose infusion. Br. J. Nutr., 1973, 29: 159-174.

47. Hurtaud C., Rulquin H., Verite R. Effects of level and type of energy sources (volatile fatty acids or glucose) on milk yield, composition and coagulating properties in dairy cows. Reprod. Nutr. Dev., 1998, 38: 315-330.

48. Forsberg N.E., Baldwin R.L., Smith N.E. Roles of glucose and its interactions with acetate in maintenance and biosynthesis in bovine mammary tissue. J. Dairy Sci., 1985, 68: 2544-2549.

49. Baldwin R.L., France J., Gill M. Metabolism of the lactating cow. I. Animal elements of a mechanistic model. J. Dairy Res., 1987, 54: 77-105.

50. Maas J.A., Trout D.R., Cant J.P. e.a. Method for close arterial infusion of the lactating mammary gland. Can. J. Anim. Sci., 1995, 75(3): 345-349.

51. Алиев А.А. Обмен веществ у жвачных животных. М., 1997.

52. Purdie N.G., Trout D.R., Cant J.P. e.a. Mammary responses to short term close arterial infusions of selected amino acid profiles and acetate. J. Anim. Sci., 2000, 78, Suppl. 1, J. Dairy Sci., 2000, 83, Suppl. l: 167.

53. Bauman D.E., Vernon R.G. Effects of exogenous bovine somatotropin on lactation. Ann. Rev. Nutr., 1993, 13: 437-461.

54. Capuco A.V., Wood D.L., Baldwin R.L. e.a. Mammary cell number, proliferation, and apoptosis during bovine lactation: relation to milk production and effect of bST. J. Dairy Sci., 2001, 84: 2177-2187.

55. Accorsi P.A., Pacioni В., Pezzi C. e.a. Role of prolactin, growth gormone and insulin-like growth factor 1 in mammary gland involution in the dairy cows. J. Dairy Sci., 2002, 85: 507-513.

56. Baldi A., Medina S., Cheli F. e.a. Bovine somatotropin administration to dairy goats in late lactation: effects in mammary gland function, composition and morphology. J. Dairy Sci., 2002, 85: 1093-1102.

57. Riis P.M., Nielsen M.O., Jacobsen J. Effect of lactation, pregnancy and somatotropin treatment on plasma IGF-1 concentration, IGF-1 partition between protein groups and binding protein pattern in goats. Acta Agric. Scand., Sect. A, Animal Sci., 1998, 48: 19-27.

58. McGuire M.A., Bauman D.E. What is this somatomedin stuff. Proc. Cornell Nutr. Conf. for Feed-Manuf. Cornell University Ithaka. N.Y., 1991: 20-26.

59. McCuscer R.H. Controlling insulin-like growth factor activity and the modulation of insulin-like growth factor binding protein and receptor binding. J. Dairy Sci., 1998, 81: 1790-1800.

60. Prosser C.G., Fleet I.R., Corps A.N. e.a. Increase in milk secretion and mammary blood flow by intra-arterial infusion of insulin-like growth factor-1 into the mammary gland of the goat. J. Endocr., 1990, 126: 437-443.

61. Cohick W.S. Role of the insulin-like growth factors and their binding proteins in lactation. J. Dairy Sci., 1998, 81: 1769-1777.

62. Baumrucker C.R., Erondu N.E. Insulin-like growth factor (IGF) system in the bovine mammary gland and milk. J. Mamm. Gland Biol. and Neoplasia, 2000, 5: 53-64.

63. Griinari J.M., McGuire M.A., Dwyer D.A. e.a. The role of insulin in the regulation of milk protein synthesis in dairy cows. J. Dairy Sci., 1997, 80: 2361-2371.

64. Mackle T.R., Dwyer D.A., Ingvarsen K.L. e.a. Effects of insulin and amino acids on milk protein concentration and yield from dairy cows. J. Dairy Sci., 1999, 82: 1512-1524.

65. Mackle T.R., Dwyer D.A., Ingvarsen K.L. e.a. Effects of insulin and postruminal supply of protein on use of amino acids by the mammary gland for milk protein synthesis. J. Dairy Sci., 2000, 83: 93-105.

66. Bequette B.J., Kyle C.E., Crompton L.A. e.a. Protein metabolism in lactating goats subjected to the insulin clamp. J. Dairy Sci., 2002, 85: 1546-1555.

67. Millar I.D., Barber M.C., Lomax M.A. e.a. Mammary protein synthesis is acutely regulated by the cellular hydration state. Biochem. Biophys. Res. Comm., 1997, 230: 351-355.

68. Sharma R., Kausal V.K. Heterogeneity of cationic amino acid transport systems in mouse mammary gland and their regulation by lactogenic hormones, evidence for two broad spectrum systems. J. Dairy Res., 2000, 66: 385-398.

69. Rehan G., Kausal V.K., Sharma R. Mechanism of glycine transport in mouse mammary tissue. J. Dairy Res., 2000, 67: 475-483.

70. Grant A.C.G., Gow I.F., Zammit V.A. e.a. Regulation of protein synthesis in lactating rat mammary tissue by cell volume. Bioch. Biophys. Acta, 2000, 1475: 39-46.

71. Mackle T.R., Bauman D.E. Recent developments in the regulation of milk protein production. Proceedings of the Cornell Nutrition Conference for Feed Manufacturers. Cornell University Ithaca. N.Y., 1998: 104-113.

72. Черепанов Г.Г., Медведев И.К., Макар З.Н. и др. О биологических ресурсах и ограничениях в совершенствовании молочного скота (к построению модели высокопродуктивной молочной коровы). С.-х. биол., 2001, 4: 3-22.

73. Cant J.Р., McBride В.W. Mathematical analysis of the relationship between blood flow and uptake of nutrients in the mammary glands of a lactating cow. J. Dairy Res., 1995, 62: 405-422.

74. Cherepanov G.G., Danfaer A., Cant J.P. Simulation analysis of substrate utilization in the mammary gland of lactating cows. J. Dairy Res., 2000, 67: 171-188.

75. Hanigan M.D., Bequette B.J., Crompton L.A. e.a. Modeling mammary amino acid metabolism. Livest. Prod. Sci., 2001, 70: 63-78.

76. Черепанов Г.Г., Токарев Т.Ю., Макар З.Н. Косвенная оценка транспорта метаболитов в клетку in vivo по данным измерения их артерио-венозного баланса. Российский физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 2003, 89, 8: 1021-1028.

77. Prosser C.G., Davis S.R., Farr V.C. e.a. Regulation of blood flow in the mammary microvasculature. J. Dairy Sci., 1996, 79: 1184-1197.

78. Cant J.P., Trout D.R., Qiao F. e.a. Milk synthetic response of the bovine mammary gland to an increase in the local concentration of arterial glucose. J. Dairy Sci., 2001, 85: 494-503.

79. Черепанов Г.Г., Макар З.Н., Токарев Т.Ю. Динамические аспекты использования аминокислот крови в молочной железе: исследование на модели, подтверждение в эксперименте. Сб. тр. ВНИИФБиП. Боровск, 2001: 131-145.

80. Черепанов Г.Г. Системно-кинетические принципы и модели в теории питания продуктивных животных. Боровск, 2002.

81. Черепанов Г.Г., Макар З.Н., Решетов В.Б. и др. Исследование сопряженной регуляции органной гемодинамики, биосинтеза и секреции компонентов молока в лактирующей молочной железе. Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук. Калуга, 2001, 2: 507-519.

82. Макар З.Н., Черепанов Г.Г., Бояршинов И.А. и др. Взаимосвязь органного кровотока, поглощения субстратов из крови, активности транспорта в секреторные клетки молочной железы и образования компонентов молока у коров. Российский физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 2003, 89(8): 951-959.

83. Bequette B.J., Hanigan M.D., Calder A.G. e.a. Amino acid exchange by the mammary gland of lactating goats when histidine limits milk production. J. Dairy Sci., 2000, 83: 765-775.

84. Bequette B.J., Backwell F.R., MacRae J.C. e.a. Effect of intravenous amino acid infusion on leucine oxidation across the mammary gland of the lactating goat. J. Dairy Sci., 1996, 79: 2217-2224.

Размещено на Allbest.ru