面对保护环境和降低成本的双重压力，低蛋白日粮配方技术已经成为动物营养学的研究热点之一。国内外对低蛋白日粮添加赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸和精氨酸等合成氨基酸的应用效果及其作用机制已经进行了大量研究，但亮氨酸在低蛋白日粮中的应用却没有引起足够的重视。大量文献表明：亮氨酸可以促进氮储留，增加亮氨酸-tRNA的水平，从而促进蛋白质的合成。本文总结了近年关于亮氨酸的代谢及营养生理作用，以期为亮氨酸在饲料工业中的科学利用提供参考。
1 亮氨酸的概述
亮氨酸（又称白氨酸）是Proust在1819年首先从奶酪中分离出来的，之后Braconnot（1820）从肌肉与羊毛的酸水解物中得到其结晶，并定名为亮氨酸。L-亮氨酸的化学名为氨基异己酸，分子式C6H13O2N。L-亮氨酸的相对分子质量为131.18，含C54.89％，N10.67％，熔点为337℃，纯品为白色结晶或结晶性粉末，微苦，不溶于氯仿和甲醇，乙醇中微溶，为非极性氨基酸，100mL水中20℃时溶解度为2.37g，可从水中结晶。
2 亮氨酸的代谢
亮氨酸是支链氨基酸（BCAA）之一，BCAA包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，哺乳动物自身不能合成，必须由日粮提供。BCAA是目前日粮必需氨基酸中数量最大的氨基酸，包括了大约35%肌肉蛋白的必需氨基酸和大约40%哺乳动物的必需氨基酸。亮氨酸的从头合成限于植物和微生物中，在哺乳动物体内不能从头合成。而哺乳动物体内亮氨酸的分解过程如下：起始步骤是转氨，即亮氨酸在BCAA转氨酶催化下，生成α-酮异己酸，是一种支链酮酸，该反应为可逆反应；然后，α-酮异己酸在BCAA脱氢酶催化下发生不可逆的氧化脱羧反应，生成少1个碳原子的酮酸与乙酰辅酶A（CoA）衍生物；最终，分解生成乙酰乙酸和乙酰CoA进入柠檬酸循环，因此，亮氨酸是一种生酮氨基酸。
2.1 支链氨基酸转氨酶（BCAT）
BCAT广泛存在于哺乳动物器官，如：线粒体（BCATm）、胞液（BCATc）及细胞器（DeSantiago等，1998）。心脏、肌肉、胃、胰和肾的BCAT主要存在于BCATm，而大脑、卵巢和胎盘中的主要存在于胞质体。器官中BCATm的活性在不同物种和器官中变化较大。如：老鼠的胰、胃、心和骨骼肌都有很高的BCAT活性，而肝中的BCAT活性基本上可以忽略。人类器官中的转氨酶活性较为一致。
哺乳动物器官中已发现3种不同结构的转氨酶。BCAA都可以作为酶Ⅰ的底物，在多数器官的BCATm和BCATc中存在，酶Ⅱ以亮氨酸作为特异性底物，在老鼠肝的BCATc中存在，酶Ⅲ多存在于心脏和大脑中。在老鼠肝中发现有亮氨酸和BCATm特异性转氨酶。
目前对BCAT活性的调控机制仍不清楚。转氨反应的速度取决于底物和酶的质量浓度。与BCAA代谢中的支链氨基酸脱氢酶（BCDH）相比，BCAA的BCAT有较高的米氏常数（Km）值。缬氨酸的BCAT活性的Km高于异亮氨酸和亮氨酸，这也可以解释为何多数生物中血液缬氨酸质量浓度高于亮氨酸和异亮氨酸。
2.2 BCDH
BCDH催化是BCAA代谢中的限速步骤，该反应脱掉碳骨架上的第1个碳原子。BCDH复合物与丙酮酸脱氢酶复合物和α-酮酸脱氢酶复合物相似，都位于BCATm膜的内部。BCDH复合物由3个催化组成，即由2α和2β亚基组成的BCAAα-酮酸脱氢酶（E1）、二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2）和二氢硫辛酸脱氢酶（E3）。3个部分与硫胺焦磷酸酯、核黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和CoA联合催化，并由支链氨基酸酮酸（BCKA）产生支链氨基酸酰CoA、CO2和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酸（NADH）。
BCKA降解由BCDH复合物催化并调控，BCDH分为活性和非活性2种形式，通过特异激酶（BCDH激酶）和磷酸化酶（BCDH磷酸化酶）催化脱磷反应调控其磷酸化来转化。磷酸化后为非活性形式，去磷酸化后转变为活性形式。老鼠骨骼肌中BCDH多为非活性形式，人类骨骼肌多为活性形式，大多数器官，如：肝、心脏和肾的酶都是活性形式，BCDH的活性随不同的生物和器官变化。
BCDH复合物活性可由日粮蛋白质、能量、BCAA质量浓度、运动、胰岛素和雄性性激素调控，主要通过改变BCDH激酶活性来调控。低蛋白日粮或采食低能量时，BCDH活性为正调控，BCDH复合物主要处于非活性状态，有利于利用BCAA进行蛋白质合成。提高亮氨酸和异亮氨酸质量浓度可以激活BCDH复合物活性。酮戊己酸（KIC）可以作为BCDH激酶的蛋白抑制剂来激活BCDH的活性，但异戊酸酮（KIV）和甲基戊酸酮（KMV）并没有此效果，表明亮氨酸和KIC在BCDH复合物的调控中起重要作用。
2.3 亮氨酸引发的颉颃现象
在蛋白不足日粮（9%酪蛋白）中添加高亮氨酸水平（3%）会导致老鼠生长抑制，添加异亮氨酸可以部分得到改善。后期试验表明：食入足够蛋白质（18%酪蛋白），3%亮氨酸并不引起生长抑制，高水平的异亮氨酸和缬氨酸的颉颃效应并未发现。Torres等（1989）在使基础日粮的亮氨酸成为限制性氨基酸得出相同结论。可见，3种BCAA相互存在颉颃，动物和人类比较常见的是由亮氨酸引起的颉颃。
在蛋白不足的日粮中添加过量亮氨酸会导致生长抑制，降低血液和器官代谢库中的异亮氨酸和缬氨酸水平，同时还降低相应的酮酸水平，如：KMV和KIV。亮氨酸进入胃10min～30min后可观察到代谢池异亮氨酸和缬氨酸水平随亮氨酸质量浓度的变化情况。在过量亮氨酸日粮中添加异亮氨酸和缬氨酸可以部分改善生长抑制，进一步添加苯丙氨酸、色氨酸和苏氨酸可以恢复到正常生长水平，表明低蛋白日粮添加过量亮氨酸提高异亮氨酸、缬氨酸及其他氨基酸的需要。上述试验过程中动物出现采食量的下降，生长抑制70%由采食量的下降造成，口服亮氨酸1h～3h后采食量并不下降。亮氨酸引发的抑制现象发生次序为：
2.3.1 体内代谢池总游离亮氨酸及其酮酸和KIC升高。
2.3.2 体内代谢池总游离异亮氨酸及KMV，缬氨酸及KIC降低。
2.3.3 采食量和生长性能抑制。亮氨酸的颉颃效应存在特异性，在高蛋白日粮中不发生，提高异亮氨酸和缬氨酸的水平并不能提高血液亮氨酸的质量浓度。很多生物都可以发生亮氨酸引发的颉颃现象，包括老鼠、禽类、猪、火鸡和人类。
BCAA颉颃导致血液氨基酸变化的机制可能有3种。提高蛋白质周转（提高蛋白合成，降低蛋白分解）；其他氨基酸与亮氨酸使用相同的运输载体，彼此竞争；BCAA氧化反应提高会导致异亮氨酸和缬氨酸水平下降。使用相同载体的L型氨基酸间在进出细胞时存在运输竞争，并不能解释肌肉中大型中性氨基酸分子（LNAA）存在竞争，异亮氨酸和缬氨酸代谢池严重下降。如果亮氨酸导致肌肉异亮氨酸和缬氨酸吸收的抑制，会导致血液异亮氨酸和缬氨酸代谢池升高而不是降低。第3种可能是BCAA氧化导致血液氨基酸水平降低。Harper和associate（1984）认为提高亮氨酸水平会增加BCAA转氨形成KIC，KIC水平提高会诱导缬氨酸和异亮氨酸的转氨反应，提高BCDH活性。
3 亮氨酸的营养生理作用
3.1 氧化供能
亮氨酸在体内可用于蛋白合成，但在特殊生理时期（饥饿、泌乳、应激和运动等）能作为能量来源。仔猪饥饿时其脑与肌肉中亮氨酸氧化量增加。瘤胃原虫也可以利用BCAA作为能源。BCAA能以较快的速率转氨基和完全氧化，氧化产生三磷酸腺苷（ATP）的效率高于其他氨基酸，每分子亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸完全氧化分别产生42、43和32分子ATP。其主要代谢场所在肌肉中，在转氨酶作用下，BCAA将氨基转移给酮戊二酸生成谷氨酸，谷氨酸将氨基转移给丙酮酸生成丙氨酸。特殊状态下2种糖异生氨基酸的利用率增加，肝糖异生的能量转换加快，使血清丙氨酸和谷氨酸质量浓度降低，补充BCAA可以节约肌糖原。
3.2 调节蛋白质代谢
BCAA可以促进氮储留和蛋白质合成。亮氨酸可以调节蛋白质代谢，异亮氨酸和缬氨酸对蛋白质的合成和降解无显著影响。亮氨酸是骨骼肌与心肌唯一可调节蛋白质周转的氨基酸，可以促进骨骼肌蛋白质的合成，对骨骼肌蛋白质的降解并没有影响。亮氨酸增加蛋白质合成高达50%，抑制分解仅25%。亮氨酸的代谢产物α-酮戊己酸（α-KIC）和β-羟基-β-甲基丁酸（HMB）具有调节蛋白质代谢的作用。亮氨酸抑制分解主要通过α-KIC促进胰岛素的分泌，抑制胰高血糖素分泌，从而抑制糖原异生，减缓肌肉蛋白的分解。饲喂阉牛瘤胃保护性α-KIC的钙盐，日增质量增加14%，饲料转化率提高8%，对胴体品质未产生不良影响。羔羊腹膜内注射α-KIC的钠盐或饲喂瘤胃保护性或不保护性α-KIC，可以提高日增质量、饲料转化率和肌肉生长，降低脂肪沉积。HMB也可以调节蛋白质代谢，用离体的大鼠及仔鸡的跖长伸肌、大鼠比目鱼肌及胫骨前肌与HMB共同培养，发现HMB可促进大鼠的跖长伸肌和比目鱼肌及鸡的跖长伸肌和胫骨前肌的蛋白质合成（蛋白质合成分别增加7%，4%和8%，5%），抑制蛋白降解（蛋白质降解分别减少31%，6%和15%，22%）。
3.3 调节机体免疫功能
亮氨酸缺乏导致动物胸腺和脾萎缩，淋巴组织受损，并使免疫球蛋白、补体C3和铁转运蛋白水平降低，断奶仔猪缺乏BCAA会导致合成特异性抗体的能力下降。添加瘤胃保护性α-KIC（0.05%）可增强羔羊抗猪红细胞的抗体反应与淋巴细胞增殖反应，添加0.05%的亮氨酸则抑制其抗猪红细胞的抗体生成；绵羊饲养中添加亮氨酸与α-KIC，可调节其T-淋巴细胞亚群的免疫功能（Kuhlman等，1991）。肉鸡补饲0.6%的α-KIC，未增强其抗新城疫病毒的抗体反应。亮氨酸及其转氨基作用产物对动物免疫反应的作用效果受添加形式、数量与动物的种类等因素的影响。
4 小结
通过上述分析可以看出，亮氨酸可以起到氧化供能、促进蛋白质合成和提高免疫功能的作用。对断奶仔猪的试验表明：外源添加0.27%的亮氨酸能促进肝和胃的发育，从而促进断奶仔猪整体的生长发育，但在其他发育阶段及不同种类动物的适宜补充剂量还需要进一步确定。
