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.

Нормы потребности в энергетических субстратах

Нормы потребности в энергетических субстратах

В проведенных нами исследованиях установлена динамика потребности в энергетических субстратах у коров по месяцам лактации. После отела в результате мобилизации резервного жира происходит максимальное его использование в энергетическом обмене с высокой эффективностью. В дальнейшем, на втором и третьем месяцах, использование высших жирных кислот в энергетическом обмене постепенно снижается, что контролируется по величине дыхательного коэффициента. Одновременно возрастает включение ацетата в энергетический обмен. Таким образом, происходит переход на использование субстратов, которые первично образуются из питательных веществ корма в пищеварительном тракте. На основе выше приведенных данных, учитывающих динамику изменения использования субстратов в энергетическом обмене нами разработаны нормы потребности коров в энергетических субстратах для разной продуктивности по месяцам лактации (приложение 4,5)

2.2.6. Потребности молочных коров в субстратах и энергетических эквивалентах

Определив потребности молочной железы на продукцию молока определенного состава, потребности организма на поддержание, дополнительные затраты на переваривание и всасывание, а также затраты на переработку всасывающихся субстратов в стенке желудочно-кишечного тракта, печени и почках, основываясь на исходных данных, изложенных выше, мы смогли обосновать и определить общие потребности в пластических субстратах и энергетических эквивалентах для коров разной живой массы и продуктивности (табл.13).

Таблица 13

Потребности молочных коров в субстратах и энергетических эквивалентах рассчитанных на основе биохимических реакций в организме при нулевом балансе энергии (молоко лактоза-4,5, жир 4, белок 3,4%).

Потребности в пластических субстратах и энергетических эквивалентах представленные в таблице рассчитаны для сбалансированных рационах для коров в нулевом балансе энергии. В случае использования несбалансированных рационов энергетические и пластические затраты на осуществление отдельных функций организма будут увеличены и мы можем оценить снижение общей эффективности использования ОЭ и обменного протеина, а также предвидеть нарушение обменных процессов.

2.2.7. Экспериментальное физиологическое подтверждение оптимальных потребностей молочных коров в энергетических и пластических субстратах

Установленные расчетным путем потребности лактирующих коров в пластических субстратах и энергетических макроэргах были проверены в опытах на оперированных животных путем дополнительной или заместительной инфузии отдельных субстратов и их смесей в пищеварительный тракт. При этом достигали разного соотношения всасывающихся конечных продуктов переваривания – первичных субстратов в составе переваримой и обменной энергии.

Главной целью этих работ являлось установление потребности животных в метаболитах, образующихся при переваривании корма и в процессах межуточного обмена для адекватной обеспеченности животных в них. Задачи исследований включали: разработку практических способов оценки потребностей животных в энергетических и пластических субстратах; совершенствование и разработку новых способов оценки кормов и рационов по критериям образования из них субстратов, обеспечивающих высокую биоконверсию питательных веществ корма в компоненты молока и мяса.

Исследования выполнены на лактирующих коровах с канюлями рубца, двенадцатиперстной кишки, канюлями на воротной вене, выведенной под кожу сонной артерией и датчиками кровотока на воротной вене и срамной артерии с целью изучения основных этапов превращения питательных веществ корма в различных участках пищеварительного тракта, поступления субстратов в кровь и использования в синтезе компонентов молока. Эффективность использования обменной энергии на синтез молока оценивали по отношению суммарной энергии субстратов, поглощенных молочной железой, к энергии выделенной с молоком, а также по отношению энергии, выделенной с молоком, к продуктивной обменной энергии (обменная энергия – затраты на поддержание). Эффективность использования протеина корма оценивали по отношению выделенного белка с молоком к потребленному, или переваренному, или усвоенному протеину. Обменную энергию, переваримый и усвоенный протеин определяли в балансовых опытах. Затраты на поддержание принимали из расчета 0,45МДж на кг метаболической массы тела (живая масса в степени 0,75). Суммарную энергию субстратов, поглощенных молочной железой, определяли по артерио-венозной разнице отдельных метаболитов и скорости кровотока через молочную железу.

Об удовлетворении оптимальных потребностей лактирующих коров в основных субстратах-метаболитах судили по четырем основным критериям: 1) по эффективности использования обменной энергии (ОЭ); 2) эффективности использования обменного протеина; 3) по наименьшей разнице в действительных затратах субстратов на энергетические и пластические цели и возможностью их обеспечения за счет кормов рациона; 4) по состоянию гормонального статуса организма коров в разные фазы лактации.

Изучение эффективности синтеза компонентов молока в зависимости от энергетического соотношения субстратов в обменной энергии показало, что наименьшее теплоприращение происходит при увеличении в составе обменной энергии готовых предшественников компонентов молока. Так, увеличение в составе обменной энергии высокомолекулярных жирных кислот (ВЖК) всегда приводило к снижению общей теплопродукции на килограмм выделенного молока и, соответственно, к повышению эффективности молокообразования (табл.14). Наиболее эффективный синтез молока происходил при содержании в составе ОЭ 12-13% ВЖК. Это было связано с тем, что наиболее энергозатратен синтез молочного жира из низкомолекулярных предшественников – ацетата и кетоновых тел. Поставка в молочную железу готовых высших жирных кислот приводила к снижению потребности в энергии на 10–15%, в результате чего эффективность синтеза повышалась. При этом эффективность использования обменного протеина на синтез молочного белка не изменялась у коров до 90-го дня лактации (табл.14), но заметно снижалась с увеличением стадии лактации, что связано с ингибированием секреции соматотропного гормона, за счет повышенного поступления жиров, роль которого как раз начинает возрастать с 90-го дня лактации (Casper, 1989).

Таблица 14

Эффективность использования обменной энергии и протеина на образование молока у коров в середине лактации (удой 15-25кг молока в сут) при разном уровне ВЖК

В то же время до 90-го дня лактации у коров в связи с особенностями метаболизма в этот период значительны потребности в высших жирных кислотах (ВЖК), которые удовлетворяются за счет жировых депо. Так, у коров в начале лактации повышение в составе ОЭ доли ВЖК не приводило к изменению эффективности использования энергии и протеина на молоко (табл.15), но снижало темпы и размеры мобилизации жировых депо.

Таблица 15

Эффективность использования обменной энергии и протеина на образование молока у коров в начале лактации

В результате опытов установили, что повышение жирности молока и, соответственно, выхода молочного жира (от 6,6 до 16%) в основном происходит за счет увеличения поглощения секреторными клетками молочной железы пальмитиновой кислоты и короткоцепочных жирных кислот. При этом за счет сокращения затрат на синтез жирных кислот, эффективность использования ОЭ на молокообразование увеличивается в среднем с 62 до 65 % (табл.16).

Таблица 16

Эффективность использования обменной энергии на образование молока у коров в разгаре лактации при разном составе ВЖК

Анализ данных по поглощению метаболитов углеводного обмена показал, что происходит снижение потребности в глюкозе на синтез молочного жира на 12-17%. Потребность в глюкозе на образование 100г молочного жира составляет на рационах с энергетической долей жира в ОЭ 6% - 32,5 г, а при повышении доли ВЖК до 10% - 28г.

В целях практической реализации установленных закономерностей для повышения использования ОЭ на синтез молочного жира и определения потребности молочных коров в начале лактации в липидных компонентах проведен опыт на коровах с 40-го по 70-й день лактации с удоем 22 кг и жирностью молока 4.1% при разном уровне ввода в рацион жира (3,2; 3,9 и 4.5% общего жира от СВ рациона), на изокалорийных и изопротеионовых рационах. В качестве источника ВЖК был выбран говяжий жир, имеющий наивысшее содержание пальмитиновой кислоты и пониженное содержание олеиновой кислоты. Нами установлено, что при включении в рационы коров говяжьего жира по сравнению со свиным меньше ВЖК используется в энергетическом обмене на теплопродукцию, но больше их участвует в обеспечении процессов биосинтеза молочного жира и в результате этого с молоком выводится их на 150г больше при том же удое. Эффективность использования ОЭ на молокообразование составляет при применении говяжьего жира 68%, а свиного - 64.6% .

Результаты исследований показали, что повышение уровня липидов в рационе коров от 3.2 до 4.5% от сухого вещества рациона, или энергетической доли липидов от 6.6 до 10.3 % от обменной энергии, при одинаковом уровне энергетического и протеинового питания в начале лактации приводит к снижению темпов мобилизации субстратов из жировой и мышечной тканей.

Увеличение доли других компонентов ОЭ – ацетата, глюкозы, пропионата, аминокислот – не приводило к достоверному изменению ни эффективности энергетического синтеза молока, ни к повышению эффективности использования обменного белка на продуктивные цели (табл.17, 18, 19). В то же время с 90-го дня лактации у коров значительно начинает возрастать ответ инсулярного аппарата на поступление в организм глюкозы.

Таблица 17

Эффективность использования обменной энергии и протеина на образование молока у коров в середине лактации (удой 15-25кг молока в сут) при разном уровне ацетата

Таблица 18

Эффективность использования обменной энергии и протеина на образование молока у коров в середине лактации (удой 15-25кг молока в сут) при разном уровне глюкозы

Продолжение · 10

Таблица 19

Эффективность использования обменной энергии и протеина на образование молока у коров в середине лактации (удой 15-25кг молока в сут) при разном уровне аминокислот

Примерно 50-60% жира молока происходит из липидов хиломикронов и липопротеиодов низкой плотности, остальные синтезируется из ацетата и оксибутирата. При скармливании концентратов усиливается секреция инсулина и большая часть глюкозы, глицеридов и ацетата направляется в жировое депо. Недостатком нормирования по системе ОЭ является то, что не учитываются индивидуальные предшественники молока и возможные взаимодействия между ними и эндокринной системой, регулирующей потоки в организме.

Системы оценки питательности кормов и нормирования питания должны быть применимы к широкому кругу ситуаций, для чего необходимо учитывать динамические взаимодействия между снабжением субстратами и резервами тела. Поскольку общая цель удовлетворения потребностей заключается в предсказании того, как корова будет реагировать на изменения в снабжении субстратами, и в предсказании выхода составных частей молока, то очевидна необходимость совершенствования систем. Потребность в радикально другом подходе заключается в том, чтобы установить взаимодействие субстратов- нутриентов в основных органах и тканях, которые наиболее сильно влияют на количество и состав молока.

Будущие разработки более совершенных систем дадут возможность более точного предсказания в широкой области условий, в особенности, если анализ чувствительности проведен на разработанных моделях выявит ключевые области дальнейших экспериментальных исследований. До сих пор мало известно, как метаболические пути модифицируются под влиянием дисбаланса нутриентов в рационе, стадии лактации и породы животного.

Традиционные системы ограничены и в том, что отсутствует интеграция обмена энергии и протеина, дают неадекватное представление о составе ОЭ в отношении индивидуальных нутриентов, неспособны предсказать состав молока, разграничить энергию, затрачиваемую на синтез молока и тела, неспособны предсказать продуктивную реакцию на изменения в поступлении питательных веществ с кормом.

Необходим новый подход, учитывающий поступление, использование и самое главное − взаимодействие индивидуальных субстратов. С учетом познания объективных физиологических потребностей, взаимодействия нутриентов на уровне рубца и тканей и условии совершенствования классификации кормов и оценки состояния животного возможно предсказание продуктивной реакции молочных коров.

Таким образом, исходя из особенностей пищеварения жвачных, гормонального статуса коров в разные фазы лактации и уровня молочного синтеза нами разработаны нормы потребности лактирующих коров в основных питательных веществах, представленных в энергетических эквивалентах (табл. 20, 21).

Таблица 20

Нормы обменной энергии и оптимальные соотношения основных питательных веществ (% в энергетических эквивалентах) для половозрелых молочных коров в первую фазу лактации (содержание жира в молоке – 4%, белка – 3,4%)

Применение указанных норм потребностей позволяет получать молочную продукцию с максимально возможной эффективностью, полностью использовать генетический потенциал животных и поддерживать лактационную кривую на более высоком уровне во все фазы лактации.

Таблица. 21.

Нормы обменной энергии и оптимальные соотношения основных питательных веществ (% в энергетических эквивалентах) для половозрелых молочных коров во вторую фазу лактации (содержание жира в молоке – 4%, белка – 3,4%)

Литература к главе 2

Агафонов В.И. Нормирование энергии у жвачных животных по принципу субстратной обеспеченности метаболизма // Актуальные проблемы биологии в животноводстве. Доклады на Второй международной конференции 5-8 сентября 1995 г. – Боровск, 1995.

Агафонов В.И. Нормирование энергии у жвачных животных по принципу субстратной обеспеченности метаболизма. В сб. “ Актуальные проблемы биологии в животноводстве“. Материалы 2-й международной конференции. - Боровск, 1995. – С. 97-105.

Агафонов В.И. Решетов В.Б., Волобуев В.П. и др. Обеспеченность субстратами энергетических процессов при различных условиях кормления и продуктивности // Тр. ВНИИФБиП. – Т. 38. – Боровск, 1999.– С. 375-384.

Агафонов В.И., Волобуев В.П. Методика расчета количества субстратов, образующихся в желудочно-кишечном тракте у коров. В сб. ''Проблемы физиологии, биохимии, биотехнологии и питания сельскохозяйственных животных''. Отчет ВНИИФБиП за 1991-1992 г. – Боровск. – С. 147-148 с.

Агафонов В.И., Надальяк Е.А. Основные достижения в разработке принципов энергетического питания сельскохозяйственных животных материалы международной конференции 3-7 сентября 1990. – Боровск, 1991. – С. 12-24.

Агафонов В.И., Решетов В.Б. Структура фондов субстратов в желудочно-кишечном тракте.у лактирующих коров. В сб. ''Проблемы физиологии, биохимии, биотехнологии и питания сельскохозяйственных животных''. Отчет ВНИИФБиП за 1990-1991 г. – Боровск. – С. 103-104 с.

Агафонов В.И., Решетов В.Б., Волобуев В.П. и др. Совершенствование системы энергетического питанияч молочного скота. // Тр.ВНИИФБиП, т.40, Боровск, 2001, с.55-68.

Агафонов В.И., Решетов В.Б., Волобуев В.П. и др. Обеспеченность субстратами энергетических процессов у коров при различных уровнях кормления и продуктивности. . В сб. '' Современные проблемы биотехнологии и биологии продуктивных животных''. Тр. ВНИИФБиП, т. 39. – Боровск. – С. 375-384.

Агафонов В.И., Решетов В.Б., Волобуев В.П. и др. Особенности использования энергии корма у коров в начальный период лактации. // Тр.ВНИИФБиП, т.39, Боровск, 2000, с.123-134.

Агафонов В.И., Решетов В.Б., Лазаренко В.П. и др. Обоснование норм потребности коров в энергетических субстратах. // Тр. ВНИИФБиП, т. 43, Боровск, 2003, с.197-205.

Ерсков Э.Р. Протеиновое питание жвачных животных. Пер. с англ. – М. - 183 с.

Иванов К.П. Основы энергетики организма. – Т. 1. – Л.: Наука. – 1990. 308 с.

Agricultural Research Council (1980) The Nutrient Requirements of Farm Livestock No. 2. Ruminants 2nd Edition Commonwealth Agricultural Bureaux, Slough

Anderson M.J., et.al. (1979). Feeding whole cottonseed to lactating dairy cows. J. of Dairy Sci. 62, 1098—1103

Annison E.F. 1971. The mammary metabolism of glucose, acetate and ketone bodies. In: I.R. Falconer (Ed) Lactation. Butterworths, London,281-295.

Annison E.F. and Linzell J.L. 1964. The oxidation and utilization of glucose and acetate by the mammaryn gland of the goat in relation to their overall metabolism and to milk formation. J. Physiol. Lond. 175.372-385.

Annison E.F. et. al. 1967. The oxidation and utilization of palmitate, stearate, oleate and acetate by mammary gland of the fed goat in relation to their overall metabolism, and the role of plasma phospholipids and neutral lipids in milk-fat synthesis. Biochem. J. 102.637-647.

Baldwin et.al. (1980). Manipulating metabolic parameters to improve growth rate and milk secretion.Journal of Animal Science 51, 1416—1428

Baldwin, R.L. and Kim, W.Y. (1993) Lactation. In: Forbes, J.M. and France, J. (eds), Quantitative Aspects of Ruminant Digestion and Metabolism. CAB International, Wallingford, UK, pp. 433-452.

Banks S.W., et.al. (1976). Effect of feeding fat to dairy cows receiving a fat-deficient basal diet. II. Fatty acid composition of the milk fat. J. of Dairy Research 43, 219—227

Banks W., et.al. (1976). Effect of feeding fat to dairy cows receiving a fat- deficient basal diet. I. Milk yield and composition. J. of Dairy Research 43, 213—218 7

Banks W., et.al. (1980). The yield, fatty acid composition and physical properties of milk fat obtained by feeding soya oil dairy cows. J. of the Science of Food and Agriculture 31, 368—374

Bauman D. E., et.al. (1982). Hormonal effects on partitioning of nutrients for tissue growth: role of growth hormonu-and prolactin. Federation Proceedings 41, 2538—2544 11

Bauman, D. E. and Currie, W. B. (1981). Partitioning of nutrients during pregnancy and lactation: a review of mechanisms involving homeostasis and homeorhesis. J. of Dairy Sci. 63, 1514—1529

Bergman E.N. In: In: Dynamic Biochimistry of animal production. World Anim. Sci., A3. Elsever, Amsterdam, pp173-196.

Bergman, E.N. (1986) Splanchnic and peripheral uptake of amino acids in relation to the gut. Federation Proceedings (FASEB Journal) 45, 2277-2282

Bickenstaffe R. et. Al. 1974. The metabolism of glucose, acetate, lipids and amino acids in lactating dairy cows. J. agric. Sci. 82.71-85.

Bickerstaffe, R. and Johnson A. R. (1972). The effect of intravenous infusions of sterculic acid on milk fat synthesis. Brit. J. of Nutrition 27, 561—570.

Bines J. A., et.al. (1978). The effect of protected lipids on nutrient intakes, blood and rumen metabolites and milk secretion in dairy cows during early lactation. J. of Agric. Sci. 91, 135—150

Bines, J. A. and Hart, I. C. (1982). Metabolic limits to milk production,especially roles of growth hormone and insulin. Journal of Dairy Science 65, 1375—1389.

Blaxter, K.L. (1962) The Energy Metabolism of Ruminants Hutchinson Scientific & Technical, London