Роль метионина для высокопродуктивных коров

Роль метионина для высокопродуктивных коров

Удой молочной коровы зависит от четырех основных факторов: генетического потенциала, кормления, управления стадом и здоровья. Генетический потенциал коровы продолжают улучшать, а значит, и кормление с управлением стадом должны совершенствоваться. Так, для максимальной отдачи от поголовья нужно уделять особое внимание кормлению сухостойных коров и животных на раздое. Чтобы максимально раздоить корову к 60–100 дням лактации, важно полностью обеспечить ее питательными веществами еще до отела и поддерживать этот уровень весь период лактации. Особый акцент при этом следует сделать на белковом питании и оптимизации рациона по аминокислотам. О последних, а именно о роли и значимости метионина для жвачных, мы сейчас и поговорим.

Дмитрий Воронов,
кандидат ветеринарных наук, начальник научно-исследовательского отдела холдинга «Алникор»,
Андрей Сенько,
кандидат ветеринарных наук, начальник консультационного отдела холдинга «Алникор»

Молочное скотоводство эффективно не во всех регионах планеты. Примерно 37 % лактирующих коров в мире имеют низкую эффективность использования азота в кормах при синтезе молока. Этот показатель у них не достигает 10 %. Несмотря на то что таких животных в мире больше 1/3, они дают только 10 % молока от общего объема. В ряде стран с развитой молочной отраслью эффективность синтеза молока из полученного с кормов азота колеблется в пределах 21–25 %. Таких коров чуть меньше 30 % от всего мирового поголовья, но на их долю приходится уже 53 % произведенного молока.

Подобная аналитика позволяет сделать вывод, что улучшить эффективность производства молока можно, обеспечив животных всеми питательными веществами в достаточном количестве, высоком качестве и верной пропорции. Белковая часть рациона играет одну из самых важных ролей в полноценном кормлении коровы. Сегодня при оптимизации рациона у высокопродуктивных коров детально анализируются не только количество и фракции белка, но и аминокислотный состав.

Нормы потребности высокопродуктивных коров в отдельных незаменимых аминокислотах, а также порядок их лимитирования имеют определенные колебания в системах питания для животных, принятых в разных странах. Расчет усвоенного количества той или иной аминокислоты сопряжен со сложностями именно у жвачных. Если в кормлении моногастричных животных проблема аминокислотного питания решается путем введения синтетических аминокислот, то для коровы питательную ценность имеет поступившая в кишечник из преджелудков аминокислота. То есть метионин, лизин и др. деградируют или усваиваются микробиотой в рубце. Вдобавок существует разная скорость распада и дезаминирования отдельных аминокислот в зависимости от белка, в составе которого они поступили в преджелудок.

Сегодня с расширением знаний в этой сфере и увеличением практического опыта принято оценивать отдельные незаменимые аминокислоты при балансировании рационов По сути, коровам нужны легкоусвояемые незаменимые аминокислоты, а не просто сырой белок. Оптимальный источник аминокислот — микробиальный белок. Однако у высокопродуктивных молочных коров аминокислот из микробиального белка недостаточно. Необходим дополнительный источник белка для удовлетворения потребности коров в аминокислотах. Следовательно, важно, чтобы дополнительные аминокислоты доходили без деградации до кишечника, дополняя белок микробиальный. Для этого используют две стратегии: вводят в состав рациона белок с высокой степенью «транзитности», что позволяет доставлять в кишечник большее количество аминокислот; добавляют в рацион защищенные от разрушения в преджелудках аминокислоты.

Эффективная аминокислотная добавка должна быть легкоусвояемой и содержать идеальный аминокислотный профиль. Исследование указывает на то, что метионин является одной из наиболее лимитирующих продуктивность аминокислот для дойных коров (NRC, 2001).

Зачем корове нужны аминокислоты?

Белок состоит из аминокислот. Обычно это цепь из 50 и более аминокислотных молекул. Как было сказано выше, корове нужно восполнять потребность не в белке, а в аминокислотах. Термин «незаменимая аминокислота» относится к тем видам, которые корова не может продуцировать путем изменения химической конфигурации другой аминокислоты. Каждая незаменимая аминокислота должна поступать в кишечник из корма или в составе микробиального белка. Корове также необходимы заменимые аминокислоты, но она может производить их в достаточном количестве для удовлетворения своих потребностей (Stover et al., 2017).

Организм коровы использует отдельные аминокислоты и объединяет их в цепочки с определенными последовательностями, чтобы таким образом синтезировать белки. Они используются для секреции молока, в качестве пластического (строительного) материала для собственных тканей (а также для теленка), для образования клеток, отвечающих за иммунитет и гормональную регуляцию, и для многого другого. Для синтеза белка используется 20 разновидностей аминокислот. Несмотря на это, данный процесс может быть ограничен одной конкретной аминокислотой, которая находится в дефиците. Синтез белка не может начаться без первой в цепи кислот аминокислоты. Эта аминокислота называется первой ограничивающей аминокислотой в рационе. Если рассмотреть этот вопрос на примере из быта (для упрощения), то вагоны состава — это аминокислоты, а тепловоз, который тянет состав, — первая лимитирующая аминокислота. Без тепловоза состав из вагонов не сможет сдвинуться с места, так же и без первой лимитирующей аминокислоты не образуется молочный белок. Для дойных коров, производящих молоко, такой лимитирующей аминокислотой (не путаем с незаменимой) является метионин, затем — лизин, реже — аргинин. И еще три аминокислоты с разветвленной цепью могут стать ограничивающими (валин, изолейцин и лейцин). Обратим свое внимание на метионин, т. к. он является наиболее часто лимитирующим фактором в синтезе молочного белка, а значит, и в продуктивности животного.

Итак, синтез белка у коровы — это процесс соединения кусочков (аминокислот) при формировании пазла, который невозможно начать составлять без первой ограничивающей аминокислоты. Даже если у животного будет вдоволь кормового протеина, но ограничено количество первой аминокислоты для синтеза собственного белка в организме, то данный процесс не будет реализован. Метионин — одна из важнейших аминокислот, т. к. его дефицит нарушает синтез значительной части молочного белка.

Усвоение аминокислот организмом

Микрофлора рубца (микробиальный белок), нерасщепленные аминокислоты, поступившие с кормом (в том числе защищенном от деградации белка в рубце), и эндогенные аминокислоты (из десквамированных клеток пищеварительной системы) — все они вносят свой вклад в пул аминокислот, вытекающих из преджелудков и доступных для всасывания в тонком кишечнике. Согласно научным данным, микробные аминокислоты рубца составляют около 50–75 % от общего количества всех усваиваемых аминокислот у коровы (NRC, 2001). Эндогенный (эпителиальные клетки) источник вносит минимальный вклад.

У высокопродуктивных коров (с продуктивностью более 8–10 тыс. л в год) поступает недостаточно аминокислот из микробиального белка. Целями кормления таких животных являются: максимальное увеличение производства аминокислот в рубце; дополнительное введение в рацион аминокислот, которые не будут подвергаться разрушению в рубце. Только такая стратегия обеспечивает экономный ввод белков в рацион.

Аминокислотный профиль микробного белка очень близок с таковым в молоке. Однако предсказать, какое количество аминокислот из микрофлоры рубца поступит в организм, крайне сложно. Количество микробиальных аминокислот, продуцируемых в рубце, зависит от доступности углеводов в преджелудках, баланса углеводов и белков, наличия жира в рубце, pH, скорости продвижение корма по преджелудку, преобладающего типа микробов и др.

Научно-исследовательские центры по всему миру постоянно актуализируют информацию о том, сколько микробного белка производится у коровы. Эти исследования основаны на анализе данных о переваренном веществе не только в рубце, но и в кишечнике. Для этого используют методологический подход in situ: в частности, оценивают корма на фистулированных животных. В целом разработаны формулы, которые на основании уже известных данных о физиологических особенностях коровы при переваривании белка из различных рационов и кормов позволяют рассчитать объем микробиального белка. Однако по-прежнему существует проблема прогнозирования потока микробных аминокислот. По оценкам ученых, около 70 % микробного белка состоит из аминокислот (Korhoren et al., 2002).

Современным трендом исследований является определение уравнения, которое позволяет определить, сколько требуется азота микробам из расщепляемых в рубце белков и мочевины в зависимости от доступной для них энергии — расщепляемых углеводов. Кроме того, диеты, рассчитанные на высокую продуктивность, обычно содержат больше жира в рубце. Из-за более высокого уровня легкодоступных углеводов это приводит к снижению pH рубца. Избыточный жир и низкий pH отрицательно влияют на рост микробов. Вдобавок скорость обновления корма в рубце (так называемый коэффициент пассажа — kp) растет по мере увеличения потребления сухого вещества. Это, как правило, приводит к повышению интенсивности роста микробов в рубце. Все вышеуказанные переменные могут влиять на аминокислотный состав химуса, который поступает из преджелудков. Следовательно, на основании даже самых современных и актуализированных уравнений не всегда представляется возможным точно описать, сколько и каких аминокислот поступит в организм из микробиального белка.

Тем не менее ученые и специалисты практики не оставляют попыток разработать максимально точные компьютерные программы, которые позволят рассчитывать аминокислотную потребность и ее удовлетворение у коров различного веса и продуктивности. Известны модели, разработанные Корнельским университетом, Пенсильванскмм университетом, рядом коммерческих компаний. Главная ценность подобной программы определяется в первую очередь количеством заложенных в ней переменных, которые влияют на состав аминокислот. Следовательно, основная цель таких программ — оптимизировать потребность коровы в аминокислотах (в первую очередь незаменимых) для уменьшения протеиновой нагрузки на животное, что позволяет снизить затраты на белковую часть корма, т. к. потребует ввода в рацион меньшего количества шротов, жмыхов при том же балансе необходимых аминокислот.

Зачем нужен именно метионин?

Исследования показали важность для крупного рогатого скота и ограниченность определенных аминокислот, в первую очередь содержащих метильные группы, таких как метионин. Сейчас применяются стратегии увеличения доступности этой аминокислоты за счет защиты от разрушения в рубце микрофлорой белкового сырья с большим содержанием в своем составе метионина, к которым относятся рапсовый шрот и жмых (Waterman et al., 2012). Метионин считается алифатической незаменимой аминокислотой, действующей как предшественник карнитина, креатина, цистеина, гомоцистеина и сукцинил-КоА. Кроме того, он влияет на метаболизм липидов и активацию антиоксидантных ферментов, таких как метионин-сульфоксидредуктаза А, и биосинтез глутатиона, важных молекул против окислительного стресса. Последние исследования показывают, что метионин может регулировать некоторые метаболические процессы, пищеварительную функцию, среду в матке и иммунную систему (Martínez et al., 2017).

Добавки на основе метионина доступны в различных формах, но использование незащищенных аминокислот у жвачных животных становится дорогостоящим и неоправданным, из-за того что они разрушаются в рубце под влиянием микроорганизмов. Для жвачных животных при интенсивной технологии эксплуатации актуальны и экономически оправданны только формы метионина, защищенные от разрушения в рубце. В основном эти добавки сделаны с использованием физических покрытий, с pH-чувствительными полимерами и липидными соединениями или аналогичными формами, связанными с гидроксильными или изопропанольными группами. На рынке Беларуси их все больше и больше. Каждый продукт имеет преимущества и недостатки, которые можно раскрывать или нивелировать при грамотном применении. Введение в рацион рубцовозащищенного метионина повышает его биодоступность (Graulet et al., 2005), что увеличивает количество этой аминокислоты для метаболических процессов. Например, в качестве донора метильной группы. Выступая как источник упомянутой метильной группы, метионин включается в механизм метилирования ДНК. Это означает, что он может регулировать экспрессию генов (Martinov et al., 2010; Yoder, 2020). Это важное свойство было открыто и глубоко изучается относительно недавно. Но уже сейчас установлено большое значение метионина для репродуктивной и иммунной систем организма коровы.

Влияние метионина на репродуктивную функцию

Первые дни после оплодотворения яйцеклетки, когда эмбрион попадает в рог матки, а затем переходит в матку для закрепления на эндометрии, являются критически важными и крайне сложными (Antoniazzi et al., 2011; Niswender et al., 2000). В первые недели беременность зачастую обрывается. В 2008 году была установлена важность синтеза интерферон-тау-белка (ИТБ) (Roberts et al., 2008) для продолжения беременности на первых неделях. ИТБ выполняет роль стимулятора образования веществ, которые повышают питание эмбриона на слизистой оболочке матки (Ribeiro et al., 2016). Фактические питательные вещества для будущего плода представляют собой аминокислоты, белки, углеводы, липиды и ионы, продуцируемые железами эндометрия (Spencer et al., 2004).

Таким образом, понимание того, как концентрация аминокислот в организме беременной коровы влияет на разные стадии эмбрионального роста, позволило предположить, что метионин выполняет важнейшую роль для эффективного оплодотворения (Yoder, 2020). При этом результаты исследований 2010 года доказывают, что добавление метионина влияет на выживаемость эмбрионов (Martinov et al., 2010), но только при условии достаточного количества энергии для них. Запасы липидов служат тем самым источником энергии для эмбриона.

Исследования в период с 2014 по 2020 год доказывают, что метилирование ДНК посредством дополнительно введенного метионина — важный путь эпигенетической регуляции экспрессии генов. Следовательно, предимплантационное развитие эмбрионов у млекопитающих является критическим периодом для установления их способности к выживанию. Таким образом, метионин играет фундаментальную роль в развитии эмбриона крупного рогатого скота на ранних стадиях беременности.

Значит, можно выделить преимущества добавок, содержащих защищенный от разрушения в рубце метионин, для репродукции у коров на стадии, когда отсутствие плацентарной связи с материнским организмом делает концентрацию метионина определяющей для внутриматочного развития эмбриона.

Метионин влияет на иммунитет

Дефицит белков или аминокислот в рационе нарушает правильное функционирование иммунной системы и повышает восприимчивость к инфекционным заболеваниям у животных и людей (Calder, Yaqoob, 2003). В последние годы начали выясняться клеточные и молекулярные механизмы, вовлеченные в эти процессы, и они указывают на важную роль аминокислот в иммунном ответе, регулирующих активацию лейкоцитов, молекул антиоксидантов, экспрессию генов, а также продукцию цитокинов и антител (Li et al., 2007).

Иммунная система, по сути, делится на: 1) физическую защиту, примером которой являются естественные барьеры (кожа, слизистые оболочки); 2) врожденный иммунитет (система комплемента, гранулоцитов, макрофагов и др.); 3) специфический иммунитет (Т- и В-лимфоциты, иммуноглобулины). Как врожденные, так и специфические системы зависят от опре- деленного количества аминокислот для синтеза белков и полипептидов. В этом смысле были проведены исследования по поиску аминокислот, способных помогать иммунной системе. Причем не всегда напрямую, поскольку аминокислоты выполняют важные функции в активации и пролиферации лейкоцитов, снижении окислительного стресса, экспрессии генов и производстве цитокинов и иммуноглобулинов.

Оценка эффективности врожденного иммунитета при даче коровам защищенного метионина позволила установить, что у животных повышается фагоцитарная способность после заражения Escherichia coli (Osorio et al., 2013). Исследования по всему миру в период с 2016 по 2020 год показывают, что дополнительное введение метионина в рацион коров не только улучшает эффективность работы факторов иммунитета, но и снижает уровень медиаторов воспаления, повышает антиоксидантный потенциал (Batistel et al. 2018; Zhou et al. 2016a; Vailati-Riboni et al., 2017; Yoder, 2020).

Таким образом, роль метионина в организме животного крайне важна. Степень значимости усиливается при увеличении метаболической нагрузки, что можно наблюдать у высокопродуктивных коров. Эффективное дополнительное введение метионина корове возможно только в защищенном от деградации в рубце виде. Выполняя роль первой лимитирующей аминокислоты, метионин влияет на продуктивность коров, их репродуктивную функции, а также иммунитет. Эффект от применения рубцовозащищенного метионина не только биологический, но и экономический.