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).

Продолжение · 7

При продуктивном обмене энергетические затраты связаны с обеспечением функции подержания и необходимых затрат на синтез компонентов продукции (молоко, прирост массы и т.д.) На величину и эффективность энергозатрат влияют множество факторов, главными из которых являются уровень кормления и физиологическое состояние животных, определяющие продуктивность, возможность потребления корма. У лактирующих коров в период раздоя и при высоком уровне молочной продуктивности установлены сложные закономерности в использовании ЛЖК и высших жирных кислот в качестве источников энергии. Так, крайне низкое использование ацетата в энергетическом обмене у новотельных коров указывает на рост потребности в нем на синтез молочного жира. Предпочтительное использование высших жирных кислот в энергетическом обмене в начале лактации означает существенное повышение эффективности энергетического обмена, но за счет ранее накопленных в организме резервов.

У лактирующих коров, по сравнению с нелактирующими, использование ЛЖК не ограничивается только энергетическим обменом. Не менее важным, в количественном отношении, является использование на синтез жира молока ацетата, лактозы - глюкозы, которая, в свою очередь образуется из пропионата. Альтернативное использование ацетата приводит к резкому снижению его прямого включения в энергетические процессы. В этих условиях основным источником энергии у коров становятся высшие жирные кислоты, которые поступают из жировых депо организма. Следует лишь подчеркнуть, что неэстерифицированные жирные кислоты плазмы крови являются предшественниками липидов молока. Поэтому мобилизация энергетических источников у новотельных коров, по существу, обеспечивает потребности на биосинтез липидов молока (около 50 % молочного жира) и энергетический обмен (до 60 % потребности в энергии). Вероятно, этими условиями определяется количество мобилизованных жирных кислот у новотельных коров.

У новотельных коров затраты субстратов на синтез компонентов молока превосходят необходимый уровень использования энергии на поддерживающий обмен, а энергия суточного удоя сопоставима с общей теплопродукцией тканевого обмена. В этот период потребность коров в субстратах существенно отличается от фонда субстратов, образующихся в желудочно-кишечном тракте. Например, энергетический обмен у коров в начале лактации на 60 % обеспечивается за счет использования высших жирных кислот, тогда как из рациона их усваивалось лишь 200-400 г. Если учесть, что около 50 % жира молока синтезируется за счет высших жирных кислот, то потребность в них возрастает до 2000-2200 г/сут . Является ли такое соотношение поступления высших жирных кислот с кормом и их мобилизации из жировых депо физиологически обоснованным и можно ли с этих позиций определить потребность новотельной коровы в высших жирных кислотах? Ясно лишь, что использование ранее резервированных в организме источников энергии является высокоэффективным механизмом адаптации в условиях стресса (Иванов, 1989).

Методика оценки трансформации питательных веществ корма в желудочно-кишечном тракте в субстраты, доступные для усвоения

При разработке концепции субстратной обеспеченности метаболизма ставилась задача создания математического аппарата с целью количественного расчета субстратов, образующихся в ЖКТ из питательных веществ кормов рациона, субстратов, доступных для усвоения и их использования на биосинтез компонентов молока, прироста и в энергетическом обмене, с учетом их превращения в органах и тканях.

Непосредственно при проведении обменных опытов в качестве основы для расчетов были использованы показатели баланса энергии, азота, данные по соотношению ЛЖК в рубцовой жидкости. При анализе использования субстратов в энергетическом обмене брали величины суточной теплопродукции тканевого метаболизма с учетом дыхательного коэффициента, который характеризует соотношение субстратов, использованных в окислительных процессах.

Существенным преимуществом данного подхода к расчету количества образующихся в желудочно-кишечном тракте субстратов является возможность точного определения их суммарного энергетического эквивалента путем вычитания из энергии переваримых питательных веществ потерь энергии с метаном и теплотой ферментации (24,72 ± 0.72 % от энергии питательных веществ, переваренных в преджелудках и толстом кишечнике.

В зависимости от структуры рациона, физической формы кормов, соотношения в нем основных групп питательных веществ, качества протеина и углеводов корма, существенно изменяется соотношение преджелудочного и кишечного пищеварения, что необходимо учитывать при расчете количества образующихся субстратов в преджелудках, тонком и толстом кишечнике.

Предложенная методика предусматривает предварительное разделение энергии переваримых питательных веществ на две части:

• энергия питательных веществ, переваренных в преджелудках и толстом кишечнике, из которой вычитаются потери энергии с метаном и теплотой ферментации, а оставшаяся часть используется для расчета ЛЖК;
• энергия питательных веществ, переваренных в тонком кишечнике, величина которой используется для расчетов без поправок, через энергетические эквиваленты абсорбированных из тонкого кишечника субстратов: аминокислот, высших жирных кислот и глюкозы, образованных за счет питательных веществ корма.

Для расчета количества ЛЖК необходимо их молярное соотношение в рубцовой жидкости перевести в весовое с использованием коэффициентов: для ацетата – 60: для пропионата – 74; для бутирата - 88. Затем энергия переваримых питательных веществ в преджелудках и толстом кишечнике, исправленная с учетом потерь энергии с метаном и теплотой ферментации, распределяется пропорционально весовому количеству каждой ЛЖК и в дальнейшем находится количество образовавшихся ЛДЖ в граммах, исходя из их калорических коэффициентов: в 1 г ацетата содержится 14,65 кДж; в 1 г пропионата – 20,76 кДж; в 1 г бутирата – 24,93 кДж (табл. 2).

Количественный выход аминокислот рассчитывали по данным новой системы протеинового питания коров. Для этого учитывали качественные показатели сырого протеина в каждом из кормов рациона, а именно его распадаемость в рубце. Доступный для микроорганизмов (распадаемый) сырой протеин корма используется в преджелудках с эффективностью 80 %, а в дальнейшем протеин микроорганизмов при поступлении в тонкую кишку переваривается с коэффициентом 70 %. Таким образом, конечная эффективность образования аминокислот из распадаемого протеина достигает 56 %. Нерасщепляемый в рубце протеин корма поступает в тонкий кишечник, где выход аминокислот достигает 70 %.

Количество высших жирных кислот определяли из содержания переваримого сырого жира в рационе с использованием коэффициента 1,2. Это связано с микробным синтезом липидов в переджелудках.

Калорическую стоимость аминокислот и высших жирных кислот определяли с использованием коэффициентов 23,94 и 39,77 кДж/г соответственно, и вычитали из общей величины энергии переваримых в тонком кишечнике питательных веществ. Разницу относили на возможное образование в тонком кишечнике глюкозы, количество которой рассчитывали с использованием калорического коэффициента глюкозы – 16,12 кДж/г.

С силосом в преджелудки может поступать некоторое количество молочной кислоты. Ее количество определяли непосредственно в силосе методами химического анализа и учитывали наряду с образованием ЛЖК

Анализ теплопродукции тканевого метаболизма

Анализ теплопродукции тканевого метаболизма

Обменную энергию в животном организме можно рассматривать как сумму двух слагаемых: теплопродукции тканевого метаболизма и энергии продукции:

ОЭ = ТП + Эпр.

Энергией теплопродукции при поддерживающем уровне кормления животных представлена вся обменная энергия. При продуктивном обмене часть обменной энергии будет использована на отложение продукции, однако величина теплопродукции всегда превышает уровень энергии, содержащейся в продукции.

Во всех существующих схемах большое значение придается анализу химического состава и содержанию нетто-энергии в продукции (молоко, прирост). В молоке содержание энергии определяли прямой калориметрией, а также на основе анализа химического состава. Прижизненное определение химического состава прироста определяли по балансам энергии, углерода и азота. Химический состав молока в комплексных исследованиях определяли более подробно, в том числе аминокислотный состав, что характеризует потребности в субстратах на синтез компонентов продукции.

Однако до последнего времени не уделялось внимания анализу теплопродукции с точки зрения использования в энергетическом обмене субстратов, их количества и соотношения, от чего в значительной степени зависит эффективность использования энергии для поддержания основных функций и затрат энергии на реакции, связанные с использованием АТФ на биосинтез компонентов продукции.

Анализ теплопродукции тканевого метаболизма проводили по методике, усовершенствованной Демченко.

Методика основана на учете величины суточной теплопродукции и дыхательного коэффициента. Дыхательный коэффициент (ДК) – это отношение выделенного при дыхании углекислого газа к потребленному за тот же отрезок времени количеству кислорода. Еще в конце 19 века Цунтцем установлены величины дыхательных коэффициентов при окислении углеводов, жира и белка. Применительно к жвачным животным установлен дыхательный коэффициент, равный единице при окислении в тканях глюкозы и ацетата. Окисление высших жирных кислот осуществляется с самым низким дыхательным коэффициентом, равным 0,7, так как в молекулах ВЖК кислорода очень мало (только в карбоксильной группе). При окислении многих аминокислот дыхательный коэффициент равен средней величине 0,85.

Поэтому при любом значении дыхательного коэффициента можно рассчитать количество окисленных ацетата и глюкозы – с одной стороны и высших жирных кислот - с другой. Предварительно из теплопродукции тканевого метаболизма необходимо вычесть энергию, полученную в результате окисления белка, используя для этих целей величину суточного выделения азота с мочой и энергетический эквивалент 1г азотсодержащих веществ, приравненный к 18 кДж. Далее, имея величину дыхательного коэффициента, зависящую только от соотношения двух крайних величин, легко представить, что при ДК =1,0 в энергетическом обмене используется преимущественно углеводы и ацетат, про ДК = 0,9 – 67 % ацетат и углеводы и 33 % ВЖК, при ДК = 0,8 – 33 % ацетата и углеводов и 67 % ВЖК и при ДК = 0,7 – в основном используется ВЖК.

На основе систематических измерений легочного газообмена и анализа особенностей теплопродукции у новотельных коров была установлена закономерность, связанная с низким использованием ацетата в энергетическом обмене на фоне мобилизации энергетических резервов организма. Дыхательный коэффициент, очень низкий в самом начале лактации, постепенно возрастает по мере уменьшения мобилизации тканевых энергетических резервов.