Протеиновый метаболизм у кошек: адаптация

Краткий обзор

Научные исследования показали, что кошки, являясь плотоядными, нуждаются в незаменимых питательных веществах, которые не являются незаменимыми для многих других млекопитающих. Типичным примером такой специфической адаптации является более высокая потребность в белке. Дело в том, что, потребляя исключительно позвоночных животных в пищу, кошки утратили способность снижать катаболизм азотистых соединений. Исследования подтверждают, что кошки могут адаптировать окисление белка в зависимости от рациона при условии, что их потребность в протеине достаточна. Однако неспособность кошек регулировать катаболизм азотистых соединений не может полностью объяснить их потребность в высоком содержании белка. Предполагается, что высокая потребность в белке объясняется необходимостью обеспечения организма глюкозой, что осуществляется посредством глюконеогенеза. Постулируется, что потребность в высоком содержании белка необходима для поддержания глюконеогенеза достаточным поступлением аминокислот, а глюконеогенез обеспечивает потребности мозга и других тканей, нуждающихся в глюкозе (рис. 1).

Рис. 1. Глюконеогенез у кошек. Ферменты печени аминотрансферазы расщепляют белки для получения энергии.

Особенности метаболизма у кошек

Домашняя кошка (Felis catus) - единственный представитель семейства кошачьих, пищевые потребности которого хорошо изучены. Научные исследования показали, что существует ряд питательных веществ, незаменимых для плотоядных кошек, но не являющихся незаменимыми для многих других млекопитающих. Считается, что их пищевые и метаболические особенности - результат эволюционной адаптации к диете, состоящей в основном из животных [1]. Таким образом некоторые питательные вещества, такие как аргинин, таурин, ниацин и витамины А и D, незаменимы для кошек, но не для многих других млекопитающих [1]. Незаменимость этих питательных веществ часто обусловлена недостаточной скоростью синтеза in vivo, для удовлетворения их потребностей.

Хищники также нуждаются в белке в большей степени по сравнению с неплотоядными животными [2]. Существенная разница в потребностях в белке между плотоядными и всеядными животными подтверждается данными о том, что крыса может поддерживать массу тела и азотистый баланс в организме при употреблении рационов, в которых 3,5-4,5% метаболизируемой энергии (ME) поступает из белка [3, 4], тогда как минимальная потребность в белке для поддержания массы тела и азотистого баланса у кошки составляет 16% ME [2,5].

Исследования в области изучения метаболизма белка у кошек

Потребности в белке у кошек.

Белок пищи служит источником аминокислот и органического азота, необходимых для синтеза незаменимых аминокислот и других азотсодержащих соединений. Но следует ли из этого, что потребление большого количества белка необходимо кошке именно для обеспечения потребности в одной или нескольких незаменимых аминокислотах и азоте [1]? Исследования подтверждают, что потребности в незаменимых аминокислотах для растущего котенка в целом аналогичны потребностям других растущих млекопитающих [1,6]. Кошки способны контролировать активность ферментов на первом необратимом этапе распада незаменимых аминокислот, что в некоторой степени объясняет отсутствие у них очень высокой потребности в незаменимых аминокислотах [1,7].

Чем обусловлена высокая потребность в белке у кошек?

Возможно, что потребность в белке обусловлена высокой потребностью в незаменимых азотистых соединениях. Ранние данные, подтверждающие высокую потребность в азоте, были получены в результате исследования in vitro, в котором не было обнаружено различий в активности некоторых печеночных аминотрансфераз и ферментов орнитинового цикла у кошек, потребляющих диеты с высоким(54% ME) и низким содержанием белка (14% ME) [8]. Результатом является высокая скорость потери азотистых соединений по сравнению с другими видами, которые приспосабливаются к изменениям в количестве потребляемого белка, регулируя окисление и восполнение белка [9]. Подобная метаболическая негибкость была отмечена и у других хищников, таких как стервятники, сипухи, аллигаторы и форель [10-14]. И наоборот, исследования, проведенные на норках, показали, что скорость декарбоксилирования аминокислот и окисления белка регулируются за счет потребления белка, даже когда количество белка ниже или около рекомендуемых уровней [15-17]. Эти данные подтверждают некоторую метаболическую гибкость у плотоядных [18]. Исследования, проведенные на всеядных и травоядных животных, питавшихся высокобелковыми и низкобелковыми рационами в сходных экспериментальных условиях, показали значительные изменения активности ферментов [5, 19- 25].

Различия метаболизма азота между кошками и нехищными животными.

Основываясь на данных исследования Роджерса и др. (1977), высокая потребность в белке у кошек, по-видимому, отражает высокую скорость окисления белка, вызванную неспособностью понижать активность ферментов орнитинового цикла, чтобы сохранить азот при потреблении недостаточного количества белка [8]. В поддержку этой гипотезы есть сообщения о том, что на безбелковой диете и при пищевой депривации у кошек проявляется более высокая эндогенная экскреция азота, по сравнению с всеядными животными [26, 27]. Важно указать на некоторые ограничения этого исследования проведенного in vitro. Тесты ферментов, используемые в этом проекте, были оптимизированы для крыс, а не для кошек, и активность ферментов была зарегистрирована как максимальная активность, что могло не отражать физиологическое состояние [28, 29]. Кошек в этом исследовании кормили достаточными количествами белка, поэтому полученные результаты не оценивали метаболическую гибкость при снижении уровня белка ниже рекомендуемых [28, 29].

Роджерс и Моррис (2002) предположили, что различиях между кошками и нехищными животными можно рассмотреть в контексте приспособлений, доступных животным для сохранения азота, или окисления его избытка, когда это необходимо [30]. Эти механизмы основаны на четырех уровнях контроля ферментов орнитинового цикла:

1. регулирование субстрата - количества азота поступающего в цикл из аммиака или аспартата;
2. аллостерическая регуляция карбамоилфосфатсинтетазы-1 за счет N-ацетилглутамата (NAG);
3. контроль цикла мочевины путем увеличения и уменьшения содержания орнитина (рис. 2);
4. повышение и понижение уровня ферментов, участвующих в синтезе мочевины [30].

Эти исследователи утверждают, что в то время, как у кошки можно наблюдать первые три уровня регуляции, именно четвертый уровень работает недостаточно, что приводит к неизбежным потерям азота и как следствие потребности в большом количестве белка [30]. Поэтому концентрация промежуточных соединений орнитинового цикла может быть более важной в контроле синтеза мочевины [30,31].

Рис.2. Цикл образования мочевины (орнитиновый цикл). У кошек недостаточно работает регуляция повышения и понижения уровня ферментов, участвующих в синтезе мочевины. Это приводит к потерям азота и повышенной потребности в белке.

Адаптационные возможности кошек к изменениям уровня белка в рационе.

Следующая работа, основанная на этом исследовании, раскрывает некоторые подробности, и поднимает дополнительные вопросы. Исследование in vivo, проведенное Лестером и др. (1999) сообщает об отсутствии изменений в окислении белка, наблюдаемого в группе кошек, получавших рационы с различным количеством энергии, которое поступало из белка [32]. Одной из потенциальных погрешностей исследования было то, что окисление белка было рассчитано, а не измерено непрямой калориметрией. Полученный результат, вероятно, более соотносился с выходом азота, а не его окислением [28]. Другие исследования in vitro и in vivo показали, что кошки обладают некоторой способностью адаптироваться к увеличению потребления белка в отношении уреагенеза и глюконеогенеза [5,28,31,33], однако ни одно из исследований не оценивало диеты с уровнями белка, меньше минимальной потребности кошки.

В одном из таких исследований in vivo, используя непрямую калориметрию, Рассел и др. (2002) исследовали окисление субстрата у кошек, которых кормили ограниченной по белкам (35 % ME) и высокобелковой (52 % ME) диетами [28]. Обе исследуемые группы получали белок в количествах, превышающих минимальные для поддержания жизнедеятельности значения (16% ME) [28]. Они обнаружили, что окисление белка усиливается, когда кошек кормят высокобелковой диетой. Основываясь на данных о ферментах, авторы пришли к выводу, что кошки способны регулировать белковый обмен лучше, чем считалось ранее [28]. Однако оценивались только диеты, превышающие минимальную потребность в белке, и адаптация к этим концентрациям белка могла быть легко объяснена аллостерической и субстратной/ промежуточной регуляцией орнитинового цикла и/или разными размерами печени [5].

Во втором исследовании оценивалось окисление белка у кошек, получавших рационы с концентрациями белка ниже уровня, на уровне и выше уровня их потребностей. Таким образом можно было проверить способность кошек к адаптации окисления субстрата к концентрациям поступающих с пищей макроэлементов [5]. В исследовании с модифицированным перекрестным дизайном кошек кормили диетами, содержащими белок на уровне 7,5% (низкий уровень, LP), 14,2% (достаточное количество, AP), 27,1% (среднее количество, MP) и 49,6% (высокий уровень белка, HP) % от общей калорийности [5]. При проведении непрямой калориметрии и оценивая азотный баланс для измерения окисления субстрата, исследователи сообщили, что усвоение белка было выше у кошек, употреблявших диету LP, по сравнению с другими тремя диетами [5]. При условии, что рацион содержал достаточное количество белка, чтобы удовлетворить минимальные потребности кошки, окисление белка близко соответствовало его потреблению, что согласуется с выводом, сообщенным Расселом и др. (2002) [5, 28].

Для изучения возможности того, что окисление белка превышало его потребление из-за недостатка энергии, когда кошки потребляли диету LP, авторы провели последующее исследование. Они кормили кошек диетой MP (27,1% калорий из белка) в таких количествах, чтобы калорийность соответствовала группе, потреблявшей диету LP. Выяснилось, что окисление белка для этой лимитированной по энергии подгруппы было таким же, как у кошек, потреблявших MP диету с достаточной калорийностью. Таким образом, можно предположить, что энергетический баланс не связан с неспособностью кошки адаптировать окисление белка при его низких концентрациях в рационе [5]. В целом, полученные результаты подтвердили их гипотезу о том, что кошки адаптируют окисление белка к рациону питания при условии, что их потребность в белке будет удовлетворена; однако, если белка в рационе недостаточно, кошки не смогут ограничить окисление белка, чтобы поддерживать азотистый баланс [5].

В целом, ограниченная метаболическая гибкость для адаптации к низкобелковой диете у кошек может быть результатом эволюционного приспособления к диете, состоящей в основном из белка [1]. Способность регулировать орнитиновый цикл помогает справиться с токсичностью аммиака после потребления высокобелковой пищи и позволяет использовать углеродные скелеты из аминокислот для глюконеогенеза [5]. Такая высокая скорость окисления белка становится вредной только при употреблении диеты, в которой содержание белка ниже минимальной потребности кошки. В этой ситуации кошка сталкивается с отрицательным азотным балансом, в то время как для большинства всеядных животных это было бы не существенно [5].

Однако результаты этих исследований могут иметь и другое значение, если рассматривать их в контексте исследований Ватерлоо о двойной регуляции орнитинового цикла путем введения субстрата (реактивная регуляция) и адаптации ферментов орнитинового цикла (адаптивная регуляция) [9]. Применительно к кошкам может оказаться, что они скорее реагируют, а не приспосабливаются к пищевому белку, хотя и с тем же конечным результатом [34].

Общая модель круговорота белков у млекопитающих, предложенная Ватерлоо (1999), утверждает, что нижний предел катаболизма аминокислот диктуется скоростью круговорота белков всего организма и обязательным выделением азотистых соединений во вне [9,35]. В одном исследовании, оценивавшем кинетику мочевины у кошки, сообщалось, что оборот белка составлял 1/2 1/3 от оборота белка у других млекопитающих. Полученные результаты не объясняли потребности кошки в катаболизме аминокислот с высокой скоростью, о которой сообщалось в других многочисленных исследованиях. Авторы пришли к выводу, что потребность кошки в высоком содержании белка остается необъяснимой, но, вероятно, связана не только с отсутствием способности снижать катаболизм белка печенью в ответ на изменения в потреблении белка с пищей.

Особенности глюконеогенеза у кошек.

Совсем недавно Эйзерт [35] предложила модель для объяснения этого парадокса. В общих чертах, предложенная модель постулирует: «… у кошек нет потребности в высоком уровне белка как таковом, а скорее высокая вторичная потребность в белке в ответ на высокий спрос на эндогенную глюкозу» [35]. Гипотезы, которые составляют основу модели:

1. У кошки относительно большой мозг по своим размерам и, следовательно, высокая метаболическая потребность в глюкозе. Кошка имеет эволюционно приобретённые метаболические стратегии, которые, однако, не включают гиперкетонемию для удовлетворения потребности в глюкозе при потреблении низкоуглеводных диет.
2. Аминокислоты вступают в глюконеогенез со скоростью, соответствующей эндогенной потребности в глюкозе, не зависящей от углеводов, поступающих с пищей (обязательный (облигатный) глюконеогенез).
3. Обязательный глюконеогенез, расходующий аминокислоты приводит к эндогенной потере азотистых соединений, превышающий прогнозируемое количество для хищника размеров кошки и, следовательно, завышая минимальную потребность в белке у кошек много выше, чем у других нехищных видов [35].

Обзор натуральной кошачьей диеты на основании опубликованных данных установил, что диета состоящая из вылавливаемой добычи обеспечивает недостаточное количество углеводов чтобы удовлетворить высокий, текущий метаболический спрос на глюкозу кошки [35]. Это эндогенное потребление глюкозы происходит от относительно больших размеров мозга кошки для млекопитающего своего размера [35,36]. Используя опубликованные данные о массе мозга и общей утилизации глюкозы крови, была разработана прогнозирующая аллометрическая модель для соотнесения потребления глюкозы мозгом кошки по сравнению с другими млекопитающими [35-37]. Результатом сравнения стало то, что за исключением приматов, доля глюкозы, потребляемая в мозге, посчитанная на метаболическую массу тела была наибольшей среди всех оцененных млекопитающих [35]. На основании этой модели, потребность мозга в глюкозе составила 30% от измеренного у кошки глюконеогенеза сразу после ночного голодания [35,38]. Предполагается, что расхождение между суммой всех углеводов, полученных из естественного рациона кошки и потребности в высоком уровне глюкозы удовлетворяются за счет эндогенного глюконеогенеза [35].

Эйзерт (2011) продолжает исследовать, действительно ли высокая потребность в глюкозе необходимая мозгу кошки является достаточным объяснением повышенной потребности в белке у этого животного. Чтобы оценить это, были рассчитаны теоретические затраты азотистых соединений необходимых для обеспечения потребности мозга в глюкозе от потребности мозга в глюкозе у кошки, оцененной в аллометрическая модели, в сравнении с эндогенной потерей азота с мочой [26,35]. Эндогенный азот, выделяемый с мочой, был использован в качестве прокси для общего уровня окисления аминокислот. Используя этот теоретический подход, для сравнения показателей потерь азота прогнозируемых из-за потребности мозга в глюкозе и опубликованных эндогенных потерь азота с мочой [26,35] автор приходит к выводу, что полученные данные подтверждают гипотезу о том, что для кошки высокие эндогенные потери азота являются следствием увеличения потери азота при обязательном глюконеогенезе [35].

Два потенциальные замечания к подобной модели были сформулированы и озвучены автором [35].

Во-первых, обязательный глюконеогенез уменьшает метаболическую гибкость и оставляет кошку неспособной адаптироваться к низкобелковой диете. Это замечание опровергается выдвижением гипотезы что риски переходного отрицательного баланса азота у кошек потребляющих высокобелковую диету относительно невелики по сравнению с компромиссом в функционировании мозга или других систем органов из-за низких концентраций глюкозы. Второе замечание - зачем поддерживается обязательный глюконеогенез у домашних кошек при потреблении диеты с высоким содержанием углеводов и низким содержанием белка? Эйзерт (2011) утверждает, что современная кошка, вероятно, потребляет диету, которая обеспечивает по крайней мере 30% калорий из белка. Следовательно, неспособность адаптироваться к более высокоуглеводной диете за счет снижения глюконеогенеза вряд ли несет риск дефицита белка [35]. Таково эволюционное давление, чтобы поддерживать текущий метаболический статус quo [35].

Выводы

Неспособность кошки подавлять катаболическую активность печени при низком содержании белка может быть только частичным объяснением потребности этого плотоядного животного в большом количестве азота. Возникшая теория предполагает, что кошки развили высокую способность к глюконеогенезу из аминокислот, чтобы решить дилемму о том, как выжить на диете с превалирующим высоким содержанием белка и необходимостью маленького млекопитающего обеспечивать энергетически свой большой мозг [35]. Хотя, возможно, всеобъемлющая модель Эйзерт (2011) требует больше научных обоснований, гипотезы, хотя высказанные идеи интригуют и обеспечивают платформу для будущие исследования. Наконец, эта модель подчеркивает взаимосвязь и взаимозависимость метаболизма поступающих с рацион питания белков, жиров и углеводов. Будущие исследования необходимы, чтобы лучше понять, как состав диеты влияет на утилизацию нутриентов и потребности в них.

Список литературы:

1. Morris, JG. Idiosyncratic nutrient requirements of cats appear to be diet-induced evolutionary adaptations. Nutr Res Rev. 2002; 15:153-168.
2. National Research Council. Nutrient Requirements of Cats and Dogs. National Academy Press, Washington, D.C. 2006.
3. Sheehan, P. M.; Clevidence, B. A.; Reynolds, L. K.; Thye, F. W.; Ritchey, S. J. Carcass nitrogen as a predictor of protein requirements of mature female rats. J. Nutr. 111:1224-1230; 1981.
4. Baldwin, J. K.; Griminger P. Nitrogen balance studies in aging rats. Exp. Gerontol. 20:29-34; 1985.
5. Green, AS, Ramsey, JJ, Villaverde, C, et al. (2008) Cats are able to adapt protein oxidation to protein intake provided their requirement for dietary protein is met. J Nutr 138, 1053–1060.
6. Rogers QR, Morris JG (1979) Essentiality of amino acids for the growing kitten. J Nutr 109:718–723.
7. Rogers QR, Morris JG. Why Does the Cat Require a High Protein Diet? In: Nutrition of the Dog and Cat (Anderson, R., ed.), Pergamon Press, Oxford, UK. 1980. pp. 45–66.
8. Rogers OR, Morris JG, Freedland RA (1977) Lack of hepatic enzymatic adaptation to low and high levels of dietary protein in the adult cat. Enzyme 22: 348–356.
9. Waterlow JC. Protein turnover. Wallingford/Cambridge: CABI Publishing; 2006.
10. Walton MJ. Metabolic effects of feeding a high protein/low carbohydrate diet as compared to a low protein/high carbohydrate diet to rainbow troutSalmo gairdneri.Fish Physiol Biochem. 1986 Jan;1(1):7-15. doi: 10.1007/BF02309589.
11. Merrick R. Myers, Kirk C. Klasing.Low Glucokinase Activity and High Rates of Gluconeogenesis Contribute to Hyperglycemia in Barn Owls (Tyto alba) after a Glucose Challenge. The Journal of Nutrition, Volume 129, Issue 10, October 1999, Pages 1896–1904, https://doi.org/10.1093/jn/129.10.1896.
12. Coulson, R.A., Hernandez, T., 1983. Alligator Metabolism: Studies on Chemical Reactions in Vivo. Pergamon Press, Oxford.
13. Cowey, C. B., Cooke, D. J., Matty, A. J. and Adron, J. W. (1981). Effects of quantity and quality of dietary protein on certain enzyme activities in rainbow trout. J. Nutr. 111, 336–345.
14. Migliorini RH, Lindner C, Moura JL, et al. Gluconeogenesis in a carnivorous bird (black vulture). Am J Physiol. 193:225:1389-1392.
15. Fink R, Tauson A, Chwalibog A, et al. Effects of substitution of dietary protein with carbohydrate on lactation performance in the mink (Mustela vison). J An Feed Sci. 2004;13:647-664.
16. Matthiesen CF, Blache D, Thomsen PD, et al. Effect of lategestation, low-protein supply to mink (Mustela vison) dams on reproductive performance and metabolism of dam and offspring. Arch An Nutr. 2010;64:56-76.
17. Tauson AH, Fink R, Chwalibog A. Protein as glucose precursor in lactating mink (Mustela vison) estimated by decarboxylation of 1-13C-labelled leucine. In Proceedings of the 15th Symposium on Energy Metabolism in Animals. Chwalibog A, Jakobsen K (eds). Wageningen Academic Publishers, Wageningen, The Netherlands. 2001;261-264.,
18. Matthiesen CC, Blache PD, Thomsen PD, et al. Foetal life protein restriction in male mink (Neovision vison) kits lowers post-weaning protein oxidation and the relative abundance of hepatic fructose-1,6-bisphosphatase mRNA. Animal. 2012;6: 1:50-60.
19. Schimke RT. Differential effects of fasting and protein-free diets on levels of urea cycle enzymes in rat liver. J Biol Chem. 1962;237:1921-1924.
20. Schimke RT. Studies on factors affecting the levels of urea cycle enzymes in rat liver. J Biol Chem. 1963;238:1012-1018.
21. Chandra M, Singh B, Soni GL, et al. Renal and biochemical changes produced in broilers by high-protein, high-calcium, urea-containing, and vitamin-A-deficient diets. Avian Dis. 1984;28:1-11.
22. Koutsos EA, Smith J, Woods LW, et al. Adult cockatiels (Nymphicus hollandicus) metabolically adapt to high protein diets. J Nutr. 2001;131:2014-2020.
23. Featherston WR, Freedland RA. Influence of dietary protein and carbohydrate levels on liver enzyme activities in quail. J Nutr. 1973;103:625-634.
24. Rosebrough RW, Steele NC, McMurtry JP. Effect of protein level and supplemental lysine on growth and urea cycle enzyme activity in the pig. Growth. 1983;47:348-360.
25. Payne E, Morris JG. The effect of protein content of the diet on the rate of urea formation in sheep liver. Biochem J. 1969; 113:659-662.
26. Hendriks WH, Moughan PJ, Tarttelin MF. Urinary excretion of endogenous nitrogen metabolites in adult domestic cats using a protein-free diet and the regression technique. J Nutr. 1997; 127:623-629.
27. Biourge V, Groff JM, Fisher C, et al. Nitrogen balance, plasma-free amino acid concentrations and urinary orotic acid excretion during long-term fasting in cats. J Nutr. 1994;124: 1094-1103.
28. Russell K, Murgatroyd PR, Batt RM. Net protein oxidation is adapted to dietary protein intake in domestic cats (Felis silvestris catus). J Nutr. 2002;132:456-460.
29. Russell K, Lobley GE, Rawlings J, et al. Urea kinetics of a carnivore, Felis silvestris catus. Br J Nutr. 2000;84:597-604.
30. Rogers QR, Morris JG. Upregulation of nitrogen catabolic enzymes is not required to readily oxidize excess protein in cats. (Letter to the editor) J Nutr. 2002;132:2819-2820.
31. Russell K, Lobley GE, Millward DJ. Whole-body protein turnover of a carnivore, Felis silvestris catus. Br J Nutr. 2003; 89:29-37.
32. Lester T, Czarnecki-Maulden G, Lewis D. Cats increase fatty-acid oxidation when isocalorically fed meat-based diets with increasing fat content. Am J Physiol. 1999;349:53-59.
33. Silva SVPS, Mercer JR (1985) Effect of protein intake on amino acid catabolism and gluconeogenesis by isolated hepatocytes from the cat (Felis domestica). Comp Biochem Physiol B 80:603–607.
34. Russell K. Reply to Rogers and Morris (Author reply) J Nutr. 2002;132:2812-2821.
35. Eisert R. Hypercarnivory and the brain: protein requirements of cats reconsidered. J Comp Physiol B. 2011;181(1):1–17.
36. Röhrs, M. and Ebinger, P., Wild is not really wild: brain weight of wild domestic mammals, Berl. Munch. Tierarztl. Wochenschr., 1999, vol. 112, pp. 234–238.
37. Harper AM, S Jennett (eds). Cerebral Blood Flow and Metabolism. Physiology Society Study Guides-Number 5. Manchester and New York: Manchester University Press; 1990.
38. Kley, S.; Hoenig, M.; Glushka, J.; Jin, E.S.; Burgess, S.C.; Waldron, M.; Jordan, E.T.; Prestegard, J.H.; Ferguson, D.C.; Wu, S.; et al. The impact of obesity, sex, and diet on hepatic glucose production in cats. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 2009, 296, R936–R943.