Физиологические потребности в энергетических и пластических субстратах и нормирование питания молочных коров с учетом доступности питательных веществ

Продолжение · 4

Таблица 3

Использование обменной энергии при разной структуре рациона

Исследователи обычно выделяют два фактора, потенциально пригодных для манипулирования с целью изменения эффективности использования энергии:1) -содержание протеина в рационе; 2) доступность белков-аминокислот для тканей

Имеется большое число работ, указывающих, что молочная продуктивность повышается при увеличении уровня СП в рационе. По-видимому, большая часть эффекта обусловлена влиянием на переваримость (ОЭ/ВЭ) и повышение потребления корма (ОЭ).

Таблица 4

Использование энергии рационов при разной концентрации сырого протеина в рационе (поTyrrell, Moe (1980).

Однако, как показывают данные табл. 4, не выявлено значительного влияния уровня СП в рационе на показатели чистой эффективности использования продуктивной энергии на образование молока.

Попытки изменить соотношение распадаемый - нераспадаемый протеин в рационе также не были успешными, как это можно было ожидать на основании опытов с инфузией казеина в сычуг. В ряде опытов была показана возможность повышения удоя при снижении распадаемости СП, однако во многих работах такого повышения не было. Возможно положительный эффект связан с улучшением функции рубца.

Из таблицы 5 видно, что использование энергии в организме может сильно варьировать на фоне постоянной величины переваримой энергии, но разного состава. Так, снижение доли ацетата и бутирата в составе ПЭ приводит к падению выхода жира с молоком, а увеличение доли глюкозы с 2 до 4% к увеличению молочной продуктивности.

Таблица 5

Состав молока у коров при разном составе переваримой энергии (ПЭ

Таким образом, как свидетельствуют результаты приведенных исследований, эффективность использования, распределение обменной энергии на молокообразование и отложение, состав молока значительно варьируют в зависимости от субстратного состава обменной энергии. В связи с этим не представляется возможным точно устанавливать потребность молочных коров в обменной энергии без учета ее состава.

2.1.1. Определяющее влияние интенсивности липидного обмена в организме коров на эффективность использования обменной энергии

В связи с самой высокой энергоемкостью жировых компонентов их обмен в организме –использование в энергетическом обмене (генерация макроэргов) и отложение в жировых депо или синтез de novo, может оказывать самое выраженное влияние на эффективность использования обменной энергии. Непосредственное поступление длинноцепочных жирных кислот (ДЦЖК) рациона в молоко является более эффективным путем изменения его состава, чем синтез de novo из углеводов или ЛЖК в организме животного (Baldwin, 1980). Однако такой путь ограничен, поскольку очень немногие ДЦЖК- Cis молочного жира синтезируются de novo. Увеличение доли ДЦЖК в молочном жире происходит в основном за счет синтеза жирных кислот с короткими цепями и/или повышения общей секреции молочного жира (Christie, 1981). В любом случае в жирнокислотном составе молока доля жирных кислот с короткими и средними цепями уменьшается, а доля ДЦЖК увеличивается. Поскольку молочный жир имеет относительно постоянное содержание жирных кислот с короткими цепями, что обусловливает поддержание постоянной точки плавления жира при температуре тела, общая секреция молочного жира может зависеть от содержания в рационе жирных кислот с короткими цепями (Moore, 1981). Наиболее значительная прибавка молочного жира наблюдалась при скармливании полиненасыщенных жирных кислот, хотя сообщалось и об умеренном его повышении при использовании стабилизированного жира (Bines, 1978). Возможно высокое содержание линолевой кислоты в молоке улучшает его физические характеристики, которые обычно обусловлены наличием в рационе жирных кислот с короткими цепями, необходимыми для нормальной секреции молока. Транспорт ДЦЖК рациона в молочный жир во многом зависит от таких факторов, как количество потребляемого жира, уровень продукции молочного жира и обменный статус жировой ткани (Christie, 1981). Хотя кормовой жир увеличивает концентрацию липидов в крови, эти изменения трудно связать с продукцией молока. Показано, что поглощение триацилглицерола тканью молочной железы представляет собой криволинейную функцию артериальной концентрации, которую лучше всего описать по кинетике Михаэлиса—Ментена (Baldwin, 1980) Показатели поступления и выхода для полиненасыщенных жиров варьируют в пределах от 14 до 42 % (Yang, 1978). Кроме указанных факторов, на эффективность использования стабилизированных полиненасыщенных жиров влияет недостаточная или чрезмерная устойчивость к биогидрогенизации в рубце, что как в первом, так и во втором случае снижает всасывание. Отмечено, что только около половины поступившей линолевой кислоты находится в форме триацилглицерола липопротеина, доступного для поглощения молочной железой. В других исследованиях по показателям потребления корма и выхода продукции было установлено, что до 50 % кормовых жирных кислот Cis переносится в молоко, тогда как прежде считали, что такие кислоты используются в пределах 30—40 % (Banks, 1976). Однако использование в опытах рационов с высоким содержанием жира обеспечивало всасывание только около 550 г кормового жира/гол/сут. Это довольно низкий уровень, чтобы получить относительно высокий показатель транспорта, согласно криволинейной зависимости (Baldwin,1980). При использовании метода повторной инъекции хиломикронов, меченных по ¹⁴С, было обнаружено, что 76 % липопротеиновых триглицеридов, синтезированных в желудочно-кишечном тракте, поглощалось молочной железой коров при содержании в рационе 400—500 г ДЦЖК. Кроме того, доля вклада ДЦЖК в молочный жир увеличивается экспоненциально с увеличением общей продукции молочного жира. При использовании кормовых жиров предполагается некоторое ограничение синтеза de novo. Максимальное увеличение продукции молока, по-видимому, можно достигнуть при использовании рациона, обеспечивающего 16% ОЭ за счет ДЦЖК, что подтвердилось в ряде опытов (Bramby, 1978). На основе анализа регрессии исследователи заключили, что максимальная эффективность использования энергии достигается при включении в рацион жирных кислот в форме стабилизированного жира на уровне 12—16% ПЭ (Bramby, 1978). Наиболее низкий показатель содержания жира в рационе (12%) отмечен в период между второй и шестой неделей лактации, тогда как более высокий показатель был оптимальным между седьмой и тринадцатой неделей лактации. Это предполагает, что мобилизуемые жирные кислоты жировой ткани вносят свой вклад в обменную энергию в начальный период лактации. Сообщалось о достоверном повышении эффективности использования валовой (10,1%) и обменной энергии (4,75%) при добавлении в концентратный рацион 7 % говяжьего жира (7,9 % сырого жира в СВ корма; около 16—20 % ОЭ в форме ДЦЖК).

На распределение жира между молоком и жировой тканью влияет эндокринный статус, обусловленный стадией лактации и уровнем питания (Bines, 1982). Рационы с высоким содержанием концентратов способствуют поступлению энергии не в молоко, а в жировую ткань. Это, по-видимому, происходит с участием инсулина в «глюкогенной реакции» (Bines, 1982). Замещение крахмала кормовым жиром реверсирует снижение продукции молочного жира и сокращает прирост массы тела преимущественно путем нормализации процессов ферментации в рубце и снижении до минимума глюкогенной реакции (Palmquist 1978). Возможно также влияние ДЦЖК на инсулин и гормон роста, поскольку кормовой жир снижает концентрацию и резистентность инсулина в плазме крови, повышает соотношение его с гормоном роста в начальный период лактации (Palmquist,1981). Чувствительность жировой ткани к липолитическим стимулам сильно возрастает, и в начале лактации реэтерификация минимальна или вовсе отсутствует (Metz, 1977). Поскольку полностью подтверждено, что гормон роста мобилизует ДЦЖК жировой ткани, направляя их в молочный жир, кормовой жир может непосредственно включаться в молочный жир, по крайней мере, в начале лактации (Bauman, 1982; Bines, 1982). Во второй половине лактации соотношение гормона роста и инсулина снижается под действием кормового жира (Palmquist, 1981).

Можно предположить, что добавление жира в начале лактации уменьшает потери массы тела (MacLeod, 1977). Сообщалось, что коровы, получавшие стабилизированные липиды в начале лактации имели более низкие уровни кетоновых тел в крови (Bines, 1978). Это объясняли замещением мобилизованного жира жировой ткани (неэтерифицированные жирные кислоты плазмы крови) кормовым жиром (триацил-глицеролы липопротеинов плазмы крови). Обнаружено, что энергия добавленного жира расходовалась на синтез молока, не снижая при этом потерь массы тела (Ostergaard, 1981).

В исследованиях на 185 коровах при добавлении 3-4% жира в концентратные рационы влияние жира на молочную продуктивность оказалось высокодостоверным. Обобщенные результаты многих опытов по изучению молочной продуктивности, в которых коровы получали липидную подкормку, ясно показали криволинейную реакцию на добавленный жир (Ostergaard, 1981), причем более значительная реакция наблюдалась у высокопродуктивных коров. В опытах Mattias (1982) на коровах голштинской породы в период первой или второй лактации в первые 100 дней лактации этих животных кормили концентратами с добавкой 5 % говяжьего жира. Коровы как первой, так и второй лактации при потреблении липидной подкормки увеличили продукцию молока базисной жирности, причем у первотелок повысилась только жирность молока, тогда как у коров старших возрастных групп при равной жирности молока повысилась и его продукция. В данном случае наглядно показана взаимосвязь генетического потенциала животных с уровнем энергии, в данном случае обеспечиваемой за счет кормового жира.

Увеличение уровня ДЦЖК в рационе повышает их секрецию в молоке и ингибирует синтез жирных кислот с короткими и средними цепями de novo (за исключением масляной кислоты) в тканях молочной железы. Обычно повышается содержание олеиновой кислоты вследствие воздействия десатуразы молочной железы на стеариновую кислоту, образовавшуюся в процессе биогидрогенизации в рубце. Этот принцип был использован при производстве сливочного масла размягченной консистенции при низкой температуре, то есть для получения молочного жира с высоким соотношением олеиновой и пальмитиновой кислот (Banks,1980). Жирные кислоты корма, не подвергающиеся изменению в рубце, такие как лауриновая кислота, переносятся непосредственно в молочный жир (Rindsing, 1974). Общая продукция молочного жира зависит от баланса между поступлением ДЦЖК корма в молочный жир и их синтезом в молочной железе de novo (Storry, 1973). Не достаточно известно, оказывают ли специфические жирные кислоты влияние на секрецию общего жира молока. Например, полиненасыщенные ДЦЖК рыбьего жира могут снизить поглощение таких кислот молочной железой из липопротеинов плазмы крови путем ингибирования липопротеиновой липазы, хотя эта точка зрения небесспорна (Bramby, 1972; Chrisie, 1980). Высказано предположение о существовании еще не изученного механизма ингибирования синтеза молочного жира транс-ненасыщенными кислотами (Selner, 1980). В настоящее время уже появились коммерческие препараты (Лутрелл) для специфического воздействия на синтез жира в молочной железе.

Продукция молочного жира наиболее значительно повышается при скармливании стабилизированных жиров, в частности насыщенных, которые повышают концентрацию триацилглицеролов в плазме крови и усиливают поглощение их молочной железой (Gooden, 1973).

Кормовой жир снижает содержание белка в молоке, хотя и не всегда (Palmquist.1978,1980). По-видимому, это влияние специфично для синтеза казеина, и оно действует на обмен в молочной железе. Некоторые ученые утверждают о наличии опосредующего действия инсулина, поскольку при скармливании стабилизированного соевого масла наблюдалась резистентность инсулина (Palmquist, 1981).

2.2. Основные метаболические параметры для расчета потребности молочных коров в субстратах.

Состав конечных продуктов переваривания, всасывающихся из пищеварительного тракта у жвачных животных, существенно отличается от моногастричных. Главное отличие - это низкие значения в составе обменной энергии глюкозы (не выше 10%) и жирных кислот (5-10%). Аминокислоты обычно составляют от 15 до 25%, остальная энергия представлена ЛЖК (ацетат 25-35%, пропионат 15-30%, бутират 8-15%).

Баланс этих главных метаболитов оказывает значительное влияние на их распределение между молочной железой и тканями (Coppock et. al., 1964; Ørskov et al., 1969; 1977; MacRae et al., 1988) и определяет содержание жира, белка и лактозы в молоке (Tyrrell, 1980; Thomas and Chamberlain, 1984). Относительная пропорция ацетата, пропионата и бутирата, по-видимому, самый важный аспект в распределении субстратов (Sutton, 1986). В системе факториального расчета потребности организма в энергии и протеина лежит учет затрат на основные функции организма (основной обмен и поддержание, переработка субстратов в стенке пищеварительного тракта и печени (глюконеогенез, мочивинообразование, ресинтез белков), молокообразование).

2.2.1. Затраты энергетических субстратов в процессах основного обмена и поддержания.

Непродуктивные потребности организма складываются из энергетического обеспечения терморегуляторных процессов, поддержания мышечного тонуса (включая функцию сердца) и могут быть определены через продукцию АТФ из окисления основных неспецифических нутриентов. Основной обмен вообще определяется как выделение тепла полностью бессимптомного животного в пост-прандиальном состоянии, внутри термонейтральной зоны. Однако, хотя это состояние может быть достигнуто у людей, чрезвычайно трудно достичь этого с животными. Следовательно, термин «основной обмен» специально был принят для людей. Чтобы измерить основной обмен, животные обычно помещается в респирационную камеру, где их активность минимальна. Однако проблема применительно к жвачным животным состоит в том, что требуется длительное время, чтобы достичь состояния голодания или пост-абсорбционного состояния. Обычно в течение 5 дней животных выдерживают без корма, прежде чем делают измерения, но даже в конце такого периода, ферментация в рубце или толстом кишечнике может все еще продолжаться.

Продолжение · 5

Во многих системах оценки кормов величина основного обмена служит начальной, против которой определяется использование различных кормов, особенно использование энергии для поддержания. Однако, в свое время эта практика была оспорена (Webster и др., 1974), главным образом на том основании, что полученные значения во время голодания во многом зависят от пищевого состояния до голодания. Это связано с тем, что размеры метаболически активных органов (печени, почек и т.д.) значительно зависят от уровня питания (Koong и др., 1985). Поскольку 5 дней голодания могут лишь незначительно изменить размеры органов, то основной обмен, измеренный у хорошо питающихся животных будет больше, чем измеренный у животных, которые были до этого на уровне поддержания или недокармливались. Доля органов в основном обмене составляет: печень-20-30%, нервная система 12, сердце -10, мышцы-23, пищеварительный тракт -10-12% (Ørskov, E.R. 1992).

Другой аргумент против использования показателя основного обмена определяемого данной методикой, является окисление жира, которое происходит у голодающих животных и связано со значительно увеличенными уровнями -гидроксибутирата в крови. Кроме того, некоторые из аминокислот крови, возможно образующиеся во время оборота белка, окисляются, чтобы обеспечить источники предшественников глюкозы, в то время как связанный азот выделяется.

Потребности в глюкозе для обеспечения основного обмена оценены в 2г на кг обменной массы тела (ОМТ) и они связаны в основном с обеспечением функции нервной системы. Эндогенные потери также определяют специфическую потребность организма в отдельных субстратах, в частности в аминокислотах.

Показатель оценки потребности в энергии для поддержания обозначает уровень обменной энергии (ОЭ), потребляемой за сутки, при котором животное находится в нулевом энергетическом балансе и выражает уровень экзогенного снабжения питательными веществами. Из обобщенных данных литературы ARC (1980), приводит среднее значение между 420 и 460 кДж/кгЖМ^0,75 для овец и рогатого скота. Ørskov и McDonald (1970), используя сравнительные данные убойных опытов, получили величину 420 кДж/кгЖМ^0,75 для ягнят.

Энергия, затрачиваемая на поддержания в виде АТФ необходима для таких процессов как циркуляция крови, поддержание мышечного тонуса и концентрации ионов, оборот протеина, синтез ферментов, физическая активность. Согласно нашим знаниям о биохимических процессах в организме на образование одного моля АТФ из АДФ требуется 96, 94, 89, 85, 100 и 81 кДж (включая 10% на теплоту ферментации) соответсвенно из ацетата, пропионата, бутирата, жира, протеина и глюкозы, т.е. в среднем 95 кДж. Лучшими субстратами для синтеза АТФ являются глюкоза и жир но глюкоза обычно составляет малую часть от ОЭ.

Балансовые эксперименты по определению потребности на поддержание показывают довольно значительный разброс получаемых значений, что в основном зависит от уровня белка и жира в рационе, т.к. именно эти два компонента могут вносить значительный вклад в обеспечение потребности организма в необходимом количестве АТФ. 189 опытов с коровами (Van Es, A.J.H. 1994) показали негативное влияние увеличения уровня протеина в рационе на эффективность использования энергии на поддержание. Эффективность может снижаться при преобладании в рационах грубых кормов, когда для обеспечения достаточного уровня энергии требуется потребление большего количества СВ. В этом случае возрастают энергетические затраты на его потребление и передвижение химуса по пищеварительному тракту.

На большинстве рационов потребности на поддержание взрослых нелактирующих коров, установленные в респирационных камерах, варьируют от 420-460кДж/кг ОМТ с коэффициентами вариации между животными от 5 до 10% (Van Es, 1978). Значения энергии поддержания вообще выражаются относительно живого веса, и имеет значение только влияние предыдущего кормления на вес органов, а размеры жира и белка в теле ни, в частности, вес содержимого пищеварительного тракта не является важными. Имеется относительно немного доказательств, указывающих, что запасы жира и белка влияют на потребность в питательных веществах для поддержания жизни, или полного +или метаболического веса тела. Blaxter (1962), на основе результатов Schiemann (1958), заключил, что нет вероятно никаких различий между упитанными и тощими животными в их потребности в питательных веществах для поддержания жизни на единицу веса тела.

Относительно объема и веса пищеварительного тракта, маловероятно, что энергия на килограмм ткани, требуемая для поддержания пищеварительного тракта и для работы, связанной с содержимым тракта, равняется таковой, требующейся для поддержания тканей тела. Mould и др. (1982) показали, что вес пищеварительного тракта с содержимым некоторых особей банглодешского скота составлял 33% живого веса, принимая во внимание, что у Европейского рогатого скота это только 20%. По-видимому, потребность в питательных веществах для поддержания тканей пищеварительного тракта, относительно веса тела, разная для обоих видов скота.

Таким, образом, для правильной оценки потребности молочного скота в энергии на поддержание требуется знание веса пищеварительного тракта, характерного для данной группы или породы животных. Это различие в первую очередь касается расчета потребности на поддержание для высокопродуктивных молочных коров, отселектированных на повышенную способность к потреблению кормов за счет большего относительного веса тканей пищеварительного тракта от обменной массы тела.

2.2.2. Метаболизм субстратов в стенке пищеварительного тракта

Конечные продукты переваривания питательных веществ корма, которые всасываются из просвета пищеварительного тракта, участвуют в метаболизме в его стенке, печени, периферических тканях и молочной железе. Собственно метаболизм всосавшихся питательных веществ начинается в слизистой пищеварительного тракта, о чем свидетельствует интенсивное использование кислорода. Ткани пищеварительного аппарата используют 18-28% кислорода от всего его объема употребляемого организмом коровы (Reynolds, 1995), и поэтому количество и соотношение субстратов, достигающих печени, отличается от всосавшихся из пищеварительного тракта. Это в основном касается глюкозы и аминокислот (особенно глутамина и глутамата) (Bergman, 1986; Reynolds et al., 1994). В то же время средне и длинноцепочные жирные кислоты (С₁₀-С₁₂) не участвуют в метаболизме в стенке ЖКТ, но попадают в артериальную циркуляцию через трокальный проток, избегая метаболизма в печени.

Оценки потребления кислорода спланхиальными тканями (пищеварительный тракт, поджелудочная железа и брыжейка) варьируют от 35 до 60% и составляют 15% от ОЭ (Lindsay, 1993; Seal, Reynolds, 1993), при этом на сам ЖКТ приходится 20% общего расхода кислорода организмом (Cant, 1996), в то время как масса ткани составляет всего 10-13% от общей массы животного. Расход кислорода на работу натрий-калиевого -АТФ насоса составляет 30-60%. Оборот белка требует также значительных энергетических затрат (20-24% на синтез и 4% на распад белка). На метаболическую активность влияет физиологический статус животного (например, беременность и лактация увеличивают массу ткани)

В портальную кровь поступает 40-69% ацетата, 30-78 пропионата и 8-66 бутирата от образованных в рубце, что демонстрирует разную степень участия различных ЛЖК в энергетическом обмене в стенке пищеварительного тракта (Seal, Reynolds, 1993). Изменение питания может оказывать существенное влияние на соотношение ЛЖК в рубце и портальной вене, но интенсивность метаболизма отдельных ЛЖК остаются постоянными.

На процесс переваривания и всасывания питательных веществ в пищеварительном тракте затрачивается приблизительно 20% всей доступной энергии. Это связано с быстрым оборотом клеточного белка (Cant,1996). Разница в потребности на основной обмен (33кДж/кг ОМТ) и на поддержание (0,45кДж/кг ОМТ), когда дополнительно включается функция пищеварительного тракта и метаболические процессы на переработку всасывающихся нутриентов (печень, почки), составляет 0,12кДж или 26,6 % от всей доступной энергии.

Проведенные нами опыты по изучению поступления в кровь воротной вены конечных продуктов переваривания и метаболитов показали, что у коров при продуктивности 5-10кг молока затраты на поддержание функции пищеварительного тракта составляют 31% от ОЭ, а у коров при продуктивности 20кг молока-27,6%. Анализ этих данных показывает, что потери энергии при всасывании подчиняются линейным отношениям и рассчитываются: ОЭ×0,24-0,135, при R²=0,95. Т.о. при всасывании 1 МДЖ ОЭ окисляется ее около 24%.

Исходя из современных представлений динамической биохимии, включающих понятие пул и метаболический поток, в субстратное обеспечение метаболизма необходимо включать параметры поступления субстратов из желудочно-кишечного тракта, так как их превращение в процессе всасывания является неотъемлемой частью обмена веществ в целом. При расчете удовлетворения потребностей в субстратах мы учитывали изменение их количеств при прохождении через стенку желудочно-кишечного тракта и печень. При изучении роли стенки ЖКТ в формировании субстратной смеси для организма сравнивали соотношение субстратов, образованных в пищеварительном тракте и поступающих в кровь воротной вены. Установили, что в процессе всасывания часть субстратов метаболизируется в стенке желудочно-кишечного тракта, вследствие чего количество и качество отдельных субстратов, поступивших в кровеносную систему организма отличается от их поступления из желудочно-кишечного тракта. Например, значительная доля бутирата в стенке пищеварительного тракта превращается в кетоновые тела, а часть глюкозы используется клетками стенки пищеварительного тракта.

На основании экспериментальных данных, характеризующих интенсивность и направленность процессов рубцового метаболизма у коров нами было рассчитано количество образовавшихся субстратов для всасывания из пищеварительного тракта (табл. 6).

Таблица 6

Образование и поступление в кровь субстратов при разной доле крахмала в рационе

Анализ потоков метаболитов, поступающих в систему воротной вены, показал, что в энергетическом выражении в основном сохраняется соотношение между образованными субстратами и поступившими из желудочно-кишечного тракта. При изменении условий питания приводящих к снижению образования глюкозы, происходило возрастание относительной доли ацетата и пропионата во всосавшейся смеси за счет прекращения поступления глюкозы и уменьшения поступления в кровь аминокислот (табл.6). Отмечено, что поступление некоторых субстратов в кровь зависело не от их концентрации в притекающей крови, что характерно для других органов (молочная железа), а в большей мере от образования и усвоения других метаболитов, например, поглощение пропионата и ацетата от уровня образования глюкозы и аминокислот.

Изучение состава окисляющихся метаболитов показало, что в среднем метаболизируемая энергия в стенке пищеварительного тракта состоит на 17% из ацетата, 20 - пропионата, 20 - бутирата, 25 - аминокислот и 18% из глюкозы (табл.7).

Таблица 7

Доля использования субстратов в энергетическом обмене желудочно-кишечного тракта, %

На других по составу питательных веществ рационах, это соотношение может изменяться. Как показали наши исследования, при увеличении в составе ОЭ энергетической доли отдельных метаболитов, процент их окисления в стенке ЖКТ увеличивается, а наиболее дефицитного компонента - снижается. Наиболее часто наблюдается низкое образование глюкозы для всасывания, и даже при достаточном образовании и всасывании других метаболитов (пропионата) сохраняется потребность именно в глюкозе и она извлекается из артериальной крови. Так, на рационе, обеспечивающем образование 1400г глюкозы, наблюдается положительная венозно-артериальная разница этого метаболита в системе воротной вены и около 700 г ее поступает в кровь, а 670 г окисляется в стенке ЖКТ. На рационе, обеспечивающем образование только 200г глюкозы, она извлекается из крови в количестве около 480г, а общее ее окисление составляет почти те же 700г (680). При этом происходит снижение доли участия пропионата в энергетическом обмене, как становящегося первым лимитирующим субстратом, и возрастает доля окисляющихся аминокислот.

Аналогичные закономерности зафиксированы в опытах по изучению поступления метаболитов в кровь у коров в конце лактации при продуктивности 10кг молока. Изменение спектра всасывающихся субстратов достигали дополнительной инфузией отдельных чистых питательных веществ в ЖКТ. Так, при увеличении количества образовавшихся аминокислот уменьшалось использование стенкой пищеварительного тракта глюкозы и пропионата, за счет более высокого участия в энергетическом обмене аминокислот и кетоновых тел. При увеличении образования ацетата, увеличивалась его доля и доля аминокислот в окислении в стенке, при снижении доли глюкозы, пропионата и кетоновых тел. Увеличение образования глюкозы приводило к возрастанию окисления пропионата, ацетата и аминокислот, при снижении доли кетоновых тел и глюкозы в этом процессе. Субстратные смеси, образовавшиеся в процессе переваривания, со значительной долей глюкозы (12%) и аминокислот (25%) требуют для всасывания больше энергетических затрат, т.к. их транспорт осуществляется активным путем (затраты на перенос 1 молекулы глюкозы составляют 0,46кДж), в отличие от пассивного механизма транспорта для ЛЖК. Таким образом, можно заключить, что метаболизм субстратов и перераспределение их доли в энергетическом обмене начинается с момента их всасывания в стенке желудочно-кишечного тракта и, судя по полученным данным, имеет вариабельный характер.

Показано, что на спектр всасывающихся субстратов оказывает влияние не только их количество, но и в каких соотношениях они поступают относительно их потребности. Превышение потребностей в том или ином метаболите (в нашем случае глюкозы и аминокислот в первой и аминокислот во второй и третьей серии исследований) приводит к повышению их использования в энергетическом обмене уже на первом этапе метаболического контроля - в стенке пищеварительного тракта. Проведенные исследования показали, что при расчете потребностей в отдельных метаболитах и их практическом обеспечении необходимо учитывать как потребности самой стенки ЖКТ, так и ее непосредственное активное участие в образовании питательной субстратной смеси для физиологически активных и продуктивных органов. Избирательное использование отдельных метаболитов в стенке ЖКТ может служить определенным критерием общей обеспеченности в отдельных субстратах.

По нашим данным, полученных в опытах на сбалансированных рационах, окисляющиеся субстраты в стенке пищеварительного тракта в энергетическом выражении составяют: ацетат 17%, пропионат 17, бутират -20, глюкоза 22 и аминокислоты 24%.

2.2.3. Метаболизм субстратов в печени

Дальнейшие превращения метаболитов после всасывания в кровь происходят в основном в печени. Орган получает кровь из двух источников - из портальной вены, транспортирующей всосавшиеся метаболиты, и из печеночной артерии. Метаболиты из печени распространяются кровью через печеночные вены и лимфатическую систему. В печени происходят наиболее важные метаболические процессы- глюконеогенез, глюкогенез, обмен протеина, синтез мочевины, синтез липидов, эндогенного ацетата и кетоновых тел. Высокая метаболическая активность этого органа требует высокого уровня окисления субстратов для обеспечения энергией синтетических процессов и соответственно вносит значительный вклад в общую теплопродукцию. Следовательно, печени принадлежит ведущая роль в переработке субстратов и она во многом определяет общие потребности организма в энергетических и пластических субстратах.

Продолжение · 6

У жвачных печень поглощает из портальной крови ЛЖК, ВЖК с длиной цепи менее 10 атомов углерода (С₁₀), аминокислоты, аммиак и аммоний, нуклеодиты и небольшое количество глюкозы. ВЖК больше С₁₀ абсорбируются, как и триглицериды в хиломикронах через лимфатическую систему. Из артериальной крови печень поглощает аминокислоты, НЭЖК, глицерол и лактат. Энергия требуется для обеспечения процессов глюконеогенеза, мочевинообразования, переаминирования аминокислот, ресинтеза белковых молекул, теряемых при обороте белка печени, синтеза триацилглицеролов. Для энергетического обеспечения этих процессов в печени происходит генерация молекул АТФ в реакциях окисления ацетата, глюкозы и аминокислот. Печень использует 15-17% доступной энергии, молочная железа 12% (Baldwin and Kim, 1993).

За счет аминокислот обеспечивается 15-25% глюкозы, образующейся в процессе глюконеогенеза у дойных коров (Kelly et al., 1993; Lindsay, 1993).

Исходя из стехиметрии реакций глюконеогенеза можно рассчитать затраты энергии и потребность в АТФ для их обеспечения (табл.8).

Таблица 8

Энергетическая затратность глюконеогенеза (Holmes,1987)

Аналогично вычисляется энергетическая затратность синтеза АТФ из различных субстратов (табл.9, 10).

Таблица 9

Энергетическая затратность АТФ-синтеза из различных субстратов (Holmes,1987)

Таблица 10

Образование тепла, АТФ и потребность в энергии для их формирования (Blaxter, 1989).

Пример расчета энергетических затрат на обеспечение анаболических процессов приведен в табл.11. Были сделаны попытки разработать целиком систему питания, основанную на обеспечении энергетических затрат метаболизма в показателях необходимых и генерируемых величинах АТФ (Chady, 2000). Однако практическое воплощение данная система не получила из-за недоработки алгоритма расчета образования и всасывания отдельных метаболитов из пищеварительного тракта животных.

Таблица 11

Теоретическая энергетическая затратность анаболических процессов (Holmes,1987)

ТП-теплопродукция

На мочевинообразование требуется дополнительно окислить 9 КДж ОЭ для каждого грамма видимо переваримого СП. Таким образом, избыток легко распадаемого протеина снижает эффективность использования ОЭ.

Таким образом, исходя из знаний количественных превращений метаболитов в процессах межуточного обмена (глюконеогенез, мочевинообразование, генерация АТФ) на основе представленных в таблицах 8, 9, 10 и 11 нормативных показателей можно рассчитывать затраты энергии на осуществление этих процессов, их эффективность, расход и образование субстратов для расчета общих потребностей организма в пластичексихи энергетических субстратах.

2.2.4. Синтез компонентов молока в молочной железе

Энергия, образующаяся сверх уровня поддержания направляется для продукции молока, отложения жира и белка в тканях, иначе говоря на синтез жира и белка, а также лактозы. Для осуществления этих процессов требуются пластические субстраты и энергия АТФ. Имеющиеся знания позволяют вычислить потребность в субстратах и АТФ для обеспечения синтеза жира, белка и лактозы. Они составляют приблизительно 40,24 и 17кДж на грамм вещества. Конечно, каждый процесс превращения ОЭ в элемент продукции будет зависеть от вида используемого субстрата.

Синтез молочного жира в значительной степени зависит от исходных его предшественников. Например, затраты энергии ниже, когда длинноцепочные жирные кислоты используются напрямую для синтеза жиров, и повышаются когда жир и жирные кислоты сначала распадаются на низшие жирные кислоты. Этот распад сопровождается образованием АТФ, но ресинтез требует АТФ и НАДФН, и энергозатратность синтеза в полтора раза превышает реализацию АТФ при распаде. Часть жирных кислот синтезируется из ЛЖК, и этот процесс требуюет АТФ для начальной активации и АТФ и НАДФН для элонгации цепи. Процесс синтеза НАДФН через пентозофосфатный путь имеет теоретическую эффективность около 70%.

Синтез белка требует участия аминокислот и 5 молей АТФ на моль образованных пептидов, при условии равномерной скорости оборота белка. Один моль аминокислот имеет вес около 100г и содержит 4200 кДж энергии. Т.о. 1,1×2400КДж необходимо для получения 2400 КДж аминокислотных строительных блоков. Продукция 1 моля АТФ у жвачных требует 95 КДж ОЭ. Суммарная эффективность белкового синтеза будет составлять 24/1,1×24+5×95=77%. У молодых быстро растущих животных отложение белка сопровождается увеличенной скоростью оборота, что требует дополнительного количества АТФ и снижает эффективность синтеза до 50% (Van Es, 1978.).

Эффективность синтеза лактозы из глюкозы составляет − 97%. Обычно у жвачных в составе ОЭ очень мало глюкозы и ее основная часть синтезируется из пропионата и аминокислот. Синтез лактозы из пропионата имеет теоретическую эффективность 73%. Синтез лактозы из белка возможен только из половины аминокислот (глюкогенные).

Синтез НАДФН необходим для синтеза жирных кислот из ЛЖК−2 моля НАДФН для элонгации 1 ацетатной единицы требует глюкозы как предшественника. С учетом синтеза глюкозы из пропионата производство 1 моля НАДФН требует затрат 315 кДж ОЭ. В случае использования аминокислот стоимость синтеза увеличивается еще на 10-20%. Так как синтез жирных кислот происходит не в митохондриях и т.к перимидиновые нуклеотиды не могут пойти через митохондриальную мембрану − НАДФН для синтеза жира должен генерироваться в цитоплазме. Существует три системы для производства НАДФН, их относительный вклад зависит от вида. Важнейшая система представляет генерацию НАДФН прямо при окислении глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном цикле. Полное окисление глюкозы обеспечивает генерацию 12 молей НАДФН и затрату 1 моля АТФ. Секреторные ткани молочной железы требуют АТФ для обеспечения биосинтетических процессов, для переноса ионов и для поддержания жизнедеятельности самой ткани. Оценку минимальных потребностей можно сделать с учетом знаний использования АТФ в биосинтезе, информации о количестве секретируемых компонентах молока, соотношений синтезированных и прямо включенных компонентов молока. Например, 3 моля АТФ требуется для синтеза 1 моля лактозы (Kuhn, 1977), отсюда можно вычислить, что для синтеза 1 г лактозы требуется гидролиз 8,3 ммоля АТФ. Синтез протеина требует 3 молей АТФ для образования 1 моля пептидный связей и 1 моль на перенос белка. Оценки потребности в АТФ для синтеза молочного жира более сложны. Часть молочного жира синтезируется в железе при использовании предшественников. Типичный молочный жир требует 10,5 ммолей АТФ для производства 1 г. Больше АТФ необходимо, если жирные кислоты синтезируются из ацетата или β-окси-бутирата. У жвачных приблизительно 40% жира синтезируется в молочной железе именно из этих предшественников, при этом затраты АТФ составляют 27 ммолей на 1 г жира. Синтез 100г молока у коз (38г лактозы, 30 г протеина и 33г жира) может оцениваться потребностью в 2,45 молей АТФ. Эти потребности можно представить в виде количества глюкозы, которое требуется окислить для получения такого количества АТФ (11,5г).

Используя изолированное перфузируемое вымя Wood (1965) вычислил, что 60% поглощенной глюкозы использовалось для синтеза лактозы, 30 в пентозофосфатном цикле и 8 в процессах гликолиза. Однако другие авторы (Smith, 1977) обнаруживали до 15% окисленной глюкозы в цикле Кребса.

Согласно данным Bickenstaffe (1974) и данным Linzell (1974) 29 и 44% поглощенного ацетата молочной железой окисляется. Поэтому у жвачных ацетат является основным энергетическим источником для молочной железы. Оксибутират составил 1,4% СО₂ (Linzell 1967) и 7% (Annison, 1971). В случае голодания его вклад в СО₂ может составлять 24%.

У нормально питающихся жвачных и нежвачных животных не обнаруживается существенного окисления жирных кислот в молочной железе. Вклад в образование СО₂ при обычных условиях составляет 1,3% (Annison, 1967), а при недокорме до 9% (Taylor, 1979). Потребление молочной железой коров оценено 150, 227 и 235мг/мин для оксибутирата, ацетата, и триглицеридов (Bickenstaffe ,1974).

Жир из аминокислот в молочной железе не образуется, т.к. ацетил-Ко-А, произведенный в митохондриях из аминокислот не доступен для его синтеза. Если 30-60% (Taylor, 1979) или 56-76% (Annison, 1964) CO₂ образуется из ацетата и глюкозы, то отсюда остальное – окисление аминокислот.

Согласно указанным эффективностям образования основных компонентов молока, производство молока содержащего 4% жира по энергии 50% -жир, 25-белок, 25-лактозы будет осуществляться с суммарной эффективностью 0,5×70+0,25×73+25×77=72,5%.

Многочисленные данные балансовых опытов определяют эффективность синтеза молока на уровне 60%, что значительно ниже теоретической расчетной величины − 72.%. Такой же результат получается при сравнении эффективности жироотложения у нелактирующих коров -50% в опытах и 70% теоретически. У нежвачных наблюдают такую же картину. Используя 50%-ную эффективность синтеза жира против 70% теоретической суммарная эффективность составит 62,5%. Причина переоценки теоретической эффективности в том, что обычно берут в расчет только прямые потери на синтез и не учитывают дополнительные затраты на потребление, переваривание, транспорт химуса, крови, лимфы, работу печени, почек и других органов, что требует энергии сверх поддержания.

Исходя из стехиометрии биохимических реакций образования основных компонентов молока (белка, жира и лактозы) в табл.12 нами обобщены литературные данные по расходу предшественников – субстратов и энергетических эквивалентах (АТФ и НАДФН) для их формирования.

Таблица 12

Потребность молочной железы в пластических и энергетических субстратах (на основе биохимических реакций)

Согласно этим данным, можно производить расчет энергетических потребностей и пластических предшественников для образования любого количества произведенного молока с разным компонентным составом. Например, на производство 20 кг молока стандартного состава (846г лактозы, 680г белка, 800г жира) требуется: 1244г глюкозы (на синтез лактозы и НАДФН); 99 моль АТФ (593г ацетата); 675 г ацетата (на синтез 50% ВЖК); 360г ВЖК; 675г аминокислот.

2.2.5. Нормы потребности коров в энергетических субстратах

Сложившиеся методы оптимизации рационов являются недостаточно точными, прежде всего по причинам, связанным с отсутствует учета параметров обмена как процессах пищеварения, так и в специфических процессах использования метаболитов на биосинтез компонентов продукции и обеспечение энергетического обмена (Агафонов В.И., 1991).

В течение ряда лет нами применяется новый подход к оценке питательности рационов и их оптимизации, заключающейся в учете количественных показателей образования в желудочно-кишечном тракте субстратов, доступных для усвоения: ацетата, пропионата, бутирата, высших жирных кислот, аминокислот и глюкозы и их использования на физиологические функции и биосинтез. Таким образом, принцип оценки питательности кормов и нормирования кормления животных на основе обменной энергии дополнен концепцией субстратной обеспеченности метаболизма. Разработаны прямые и расчетные способы определения количества субстратов в пищеварительном тракте (Агафонов В.И., 1990, 1991, 1995). Усовершенствована методика расчета количества и соотношения субстратов, использованных в энергетическом обмене. В сочетании с химическим анализом продукции у коров (молоко, отложения в теле), можно представить потребность животных не только в энергии и сырых питательных веществах, но и в конкретных субстратах, необходимых на различные физиологические функции и биосинтез компонентов продукции.

Концепция субстратного обеспечения метаболизма не выходит за рамки принципа оценки корма и определения потребности животных в обменной энергии, но имеет решающее преимущество в характеристике структуры обменной энергии по количеству и соотношению доступных для усвоения субстратов, необходимых для обеспечения энергетического обмена и биосинтеза. Однако новая концепция выявляет и некоторые различия с принципом обменной энергии, в частности, в рационах нужно определять не «сырые» питательные вещества, а доступные для усвоения субстраты и одновременно необходимо рассчитывать величину «суммарной энергии субстратов, доступных для усвоения», на основании известных энергетических эквивалентов каждого субстрата с целью сопоставления этих данных с балансом энергии.

Универсальность энергетических процессов обусловлена тем, что все органические вещества являются источниками энергии. При поддерживающем уровне кормления можно добиться количественной эквивалентности усвоенных и окисленных субстратов у животных. Исключение составляют NH₂- радикалы, которые не окисляются в тканях, а выводятся с мочой в составе мочевины, образующейся в печени (Овчаренко Э.В., 1991; Агафонов В.И.1998).