全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
　文章编号 :100028551 (2002) 0320156206
动物体蛋白质周转的研究方法和周转模型
伍喜林　杨　凤
(四川农业大学动物营养研究所 ,四川　雅安　625014)
摘 　要 :本文对动物体蛋白质周转的概念、研究方法及存在的问题和影响蛋白质周转
的因素进行了分析 ,同时对动物蛋白质周转模型的进一步完善提高措施进行了讨论 ,
并对有待继续研究的问题进行了探讨。
关键词 :动物 ;蛋白质周转 ;模型
收稿日期 :2001209224
作者简介 :伍喜林 (1971～) ,男 ,四川遂宁人 ,四川农业大学 博士研究生 ,主要从事动物营养代谢研究
1 　动物体蛋白质周转的概念和研究方法及存在问题
111 　蛋白质周转的概念
蛋白质周转 (protein turnover ,PROTU) 是一个经常使用但意义较为含混不清的概念[1 ] 。很
多作者将 PROTU 简单地认为是蛋白质的降解 ,而蛋白质的合成和降解是相对独立但又相互协
调 ,由多种营养及生理条件的反应所控制。蛋白质的合成率和降解率可以使用两种不同的表
示方法 ,第 1 种是相对合成率或部分合成率 (fractional synthesis rate ,FSR) 与相对降解率或部分
降解率 (fractional degradation rate ,FDR) ,它们的单位是 %Πd ;第 2 种是绝对合成率 (abosolute syn2
thesis rate ,ASR)与绝对降解率 (absolute degradation rate ,ADR) ,单位是 gΠd 或 gΠkg 代谢体重Πd。
112 　蛋白质周转的研究方法
11211 　同位素的引入方式 　对于蛋白质合成率的测定可以通过在体实验进行 ,通常使用放射
性同位素或稳定同位素的连续灌注 (continuous infusion) 、大剂量法 (large dose) 和间歇法 (pulse
dose) [2 ] 。而蛋白质降解率的测定由于没有足够且可靠的方法 ,主要是通过间接法计算得到 ,
即通过对蛋白质的合成与动物体蛋白质沉积求差得到 ,也有根据动物尿中三甲基组氨酸的排
出量进行估计的 ,但该方法影响因素较多 ,其可靠性争议较大。
连续灌注法是通过同位素标记氨基酸连续数小时的引入 ,使组织的游离氨基酸代谢池和
血浆中的标记氨基酸的比活性达到平台期 ,并持续数小时。通过对平台期组织和血液中的标
记氨基酸的放射性比活性的分析 ,可以得出细胞内直接来源于血液的氨基酸和来源于蛋白质
降解的相对比例。血浆中标记氨基酸的比活性 Sp 到平台期 Spmax 的上升曲线可以用指数方
程表示 :Sp = Spmax (1 - e - λpt ) ,Spmax还可以用于计算氨基酸的流率。
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间歇法 :在一次性引入标记氨基酸后 ,蛋白质周转速度快的器官 (如肝脏)中的比活性迅速
上升 ,此后又迅速下降 ,为了便于得到稳定的蛋白质合成率 ,采用间隔一定的时间多次引入标
记氨基酸 ,具体的时间间隔要根据待测定的组织中标记氨基酸比活性的下降速度 ,通常需要进
行预备试验进行确定。常采用以下公式计算 : dSBΠdt = KS (SA - SB) 。SA 和 SB 分别表示游离
氨基酸代谢池和蛋白质结合的氨基酸代谢池的比活性 ,KS 表示蛋白质合成率。
大剂量法 :一次性大剂量引入同位素标记氨基酸 ,标记氨基酸比活性在开始时迅速下降 ,
此后缓慢下降。通过对比活性2时间曲线下方面积的计算可以得到流率 (在这里是清除率) 。
在动物处于生长阶段时 ,体内代谢池属于非稳态。此时采用连续灌注法将始终得不到平台期 ,
而只有采用大剂量法。但是如果能进行连续采血 ,那么连续灌注法优于大剂量法。因为对于
平台期计算的比活性比对于不规则的曲线面积计算更准确。
11212 　数学分析方法 　不同学者对于不同的同位素引入途径或相同的引入途径 ,采用不同的
数学模型和分析计算方法。各种方法各具优缺点 ,但是总的来说分为两大类 :随机分析法和分
阈模型法[3 ] 。
随机分析法 (stochastic method) :对于前体池法或尾产物法都可以使用随机分析法。与分
阈模型法相比 ,随机分析法对于使用大剂量法一次性大剂量引入同位素标记氨基酸有明显的
优势。首先 ,它不需要对系统的性质进行假设 ,而这些假设可能是无法证实的 ;其次 ,通过随机
分析法能降低计算误差 ,而不依靠一些中间计算值 ,这些中间计算值都受到较大的实验误差的
影响 ;同时 ,该方法较为简单易行。在大剂量法引入同位素时 ,使用前体池法模型时 ,随机分析
法的计算公式为 :D = dΠΣ(xiΠλi ) ,D 是标记元素比活性的清除率 ;在大剂量法引入同位素时 ,使
用尾产物法模型时 ,随机分析法的计算公式为 :D = d3 ExΠe 3c (x) 。在连续灌注时 ,使用前体池法
模型或尾产物法模型 ,随机分析法的计算公式都是 :D = d3 ΠSmax ,D 是清除率 ,d 3 是引入示踪物
的速度 ,而 Smax是平台期的比活性。
分阈模型法 (compartment analysis method) :当用前体池法或尾产物法模型时 ,测定的比活性
曲线符合多元指数方程 ,采用分阈模型法可以减少未知参数的数量 ,有利于求解 ,可以同时得
到与所研究的问题相关的多个参数。但是利用分阈模型法时的代谢池及其相互的物质流动等
基本假设应基本符合所研究对象的代谢特点和自身的代谢规律。在利用基本流率公式 :Q = I
+ B + N = E + Z + M 的基础上 ,计算出总的周转量 ,总周转量 = d 3 3 ∑(xiλi )Π∑(xi ) 2 。在利用
基本流率公式中 ,Q 代表流率 , I 是日粮摄入量 ,B 是蛋白质降解产生的氨基酸量 ,N 是从头合
成的量 ,E是氨基酸氧化或排出的量 ,Z是用于合成蛋白质的氨基酸的量。
11213 　不同被标记元素及标记氨基酸的比较 　对氨基酸的标记元素可以是14 C 或15 N ,选择14 C
作为标记元素的优势是实验所需的时间较短 ,同时测定较为简便。使用15 N 时 ,测定的准确性
略低 ,对流率的计算带来特殊的问题。在具体选择标记的氨基酸时 ,必须考虑以下因素 :所使
用的氨基酸除了参加蛋白合成和氧化外 ,不应该有其他在量上重要的代谢途径 ;氨基酸应是必
需氨基酸 ,以便使从头合成的量为零 ,简化流率公式 ,一个例外是半必需氨基酸 ———酪氨酸 ;体
内该游离氨基酸的代谢池越小 ,则在使用连续灌注法时达到平台期或使用大剂量法时达到完
全清除率的时间越短 ;由于在对氨基酸进行标记时易受到 D 型异构物的污染进而干扰代谢和
测定 ,因此最好使用其 D 型异构物能被特异性酶降解的氨基酸。
11214 　不同的蛋白质周转研究模型 　动物蛋白质周转模型可以分为整体蛋白质周转模型、器
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官周转模型和细胞及亚细胞周转模型。其中 ,研究较多的是整体蛋白质周转模型 ,在整体周转
模型中可以用前体池法和尾产物法两种模型进行研究。
前体池法模型 :该模型是通过对血浆中标记物比活性的测定来估计整体蛋白质流率和氨
基酸的氧化率。在使用前体池法时 ,必须采用适宜的标记物或灌注持续时间 ,以使标记物的循
环降低到最低程度 ,同时灌注和取样的位置也很重要。
尾产物法模型 :在研究蛋白质周转中 ,使用15 N 标记物时常用尾产物法模型进行分析。通
过对尿液中15N2尿素和15N2氨排出量比活性的测定计算整体蛋白质周转的流率。在使用14 C2标
记物时 ,对于尾产物即呼出的14 CO2 的测定来估计蛋白质周转的流率。尾产物法模型的一个主
要弊端是对体内具体的周转情况仍然不能清楚地加以阐明。
113 　蛋白质周转研究方法学存在的问题
蛋白质的合成率和降解率的测定存在许多具体的理论问题 ,这些理论问题的核心是动物
体蛋白质周转理论建立的基础及其基本假设的可靠性不足[1 ,2 ] 。动物体蛋白质周转理论将动
物体内极为复杂的蛋白质、氨基酸及小肽的代谢过分地简单化为合成和降解过程 ,将复杂的蛋
白质翻译表达简单化为蛋白质合成和降解的差 ;同时 ,在蛋白质的合成率和降解率分析模型中
极为重要的代谢池 ,不管是前体代谢池、目标代谢池以及器官代谢池、组织代谢池、细胞代谢池
和亚细胞代谢池等在解剖学上都没有明确的证据 ;在蛋白质的合成率和降解率的测定中 ,有 7
个基本假设 ,即 : (a)代谢池处于稳定状态 ,体积不变 ; (b) 物质的交换在代谢池中进行 ,进入代
谢池的物质与先存物质完全迅速充分混匀 ; (c)每一个代谢池的物质在一定时间内以稳定的速
度进行部分的物质交换或转移 ; (d)同位素示踪物的代谢反应总氨基酸的代谢 ; (e)蛋白质合成
源于均匀的前体池 ,前体池的流率 (又称通量) 可以由血液、尿液和呼出的 CO2 的测定而估计
出来 ; (f)合成率的计算是流率减去排出量 ,其它代谢途径的量被认为可以忽略不计 ; (g) 来自
标记蛋白质的同位素循环可以忽略不计。由假设 (e)导致的误差尤为明显 ,它是由于对复杂的
代谢情况的过分简化导致的。由假设 (d) 、(f) 、(g)导致的测定误差可以由示踪物的合理选择、
测定持续时间的优化而得到一定程度的降低 ,但所有这些假设的实验证据都极为脆弱。此外 ,
作为一种研究方法 ,PROTU 还有一些基本假设 :氨酰 t RNA 代谢池 (即真蛋白前体池)的放射比
活性等于细胞外或细胞内代谢池的放射比活性 ;蛋白质降解的氨基酸与细胞内的氨基酸代谢
池相混合 ,且在试验期内不优先用于蛋白质的合成 ;所有的蛋白质以相同的速度进行周转。模
型还有的问题是 : (h)过量的示踪氨基酸进入体内对平衡的影响 ; (i) 真正的整体平衡与吸收后
氧化率的关系 ; (j)真正的氨基酸前体池丰度与测定值的差异 ; (k) 标记氨基酸以其他形式存在
于体内 ; (l)标记物背景丰度的变异 ,标记氨基酸的氧化排出 ; (m)部分试验氮正平衡的量过大 ;
(n)研究时间较短。而实际上 ,各种氨基酸的代谢途径各异 ,非必需氨基酸甘氨酸、丙氨酸和谷
氨酸的流率远大于必需氨基酸 ,因为非必需氨基酸有显著的从头合成途径 ,但是在某些条件下
非必需氨基酸的合成可能成为限速步骤 ,特别是当对氨基酸的代谢性需要增加时更是如此。
动物体内不同的器官的周转代谢速度也有所差异 :肌肉、肺、心脏、胴体和大脑属于慢速周转的
代谢池 ;胃、脾、皮肤、肾和骨骼属于中等速度周转代谢池 ;肝脏和肠道则属于快速周转代谢池。
尾产物法的基本假设是整体的蛋白质和肝脏的尿素生成及肾脏的氨生成都是源于相同的前体
池。事实上 ,这样的假设是不成立的 ,而作为近似的模型也缺乏根据 ,而且根本不存在所谓的
前体池。甘氨酸的代谢并不能代表所有的氨基酸。此外 ,使用尿中的三甲基组胺 (3 - MH) 作
为肌肉蛋白质降解的指标的原理同样存在问题 :非骨骼肌组织心脏、胃肠道的平滑肌和皮肤中
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含有一定量的 32MH ,且有在尿中排除的报道。尿中 32MH 的量受到非骨骼肌组织中的 32MH
的影响程度与这些组织中的 32MH的含量和这些组织的 FDR 有关[14 ] 。
2 　动物体蛋白质周转的研究方向
使用14 C或15N 对整体蛋白质周转的研究主要集中于该方法发展的早期 ,由于整体蛋白质
周转受到诸多因素的影响 ,而整体蛋白质周转从理论上就是对复杂的动物体内蛋白质代谢动
力学的过分简化 ,该理论的许多基本假设存在根本性的问题 ,加之研究方法自身的一些缺陷 ,
使得对许多研究结果无法作出合理的解释。存在的诸多问题使蛋白质周转的研究在 60 年代
和 80 年代一度出现停滞不前的局面。Halliday 和 McKeran (1975)首先使用15 N2赖氨酸研究了肌
纤维蛋白的周转 ,随后 Rennie 等 (1982)使用15N2亮氨酸进行了研究[4 ] 。14 C或15N 等作为研究的
工具或探针对体内营养素代谢动力学的研究也逐渐转向对体内特异性蛋白质的研究上来。由
对动物整体蛋白质周转向对动物器官、组织及细胞蛋白质周转的方向发展。人们用14 C 或15 N
等作为研究工具对白蛋白、肝脏蛋白和纤维蛋白原、脂蛋白、乳蛋白的周转规律进行了大量的
研究 ,而肌肉蛋白质的合成更成为研究的焦点和极为活跃的研究领域。
3 　影响动物体蛋白质周转的因素
蛋白质的合成与降解受到诸如激素、营养水平、动物生理状态、作功及其他多种因素的影
响。骨骼肌的蛋白质周转率还受到环境温度的影响 ,蛋白质的合成及降解是在消耗能量 ,其代
价是昂贵的 ,因此环境温度影响动物的生长。而这种改变与内分泌功能的改变有关 ,高温下的
蛋白质降解率的降低可以通过日粮中的甲状腺素而恢复正常。Yunianto 等 (1997) 研究肉鸡排
泄物中三甲基组氨酸的含量[5 ] ,结果表明血清甲状腺素和皮质酮的浓度与肌肉蛋白质周转速
度的加快及产热增高有关。肉鸡骨骼肌的合成率和降解率在 34 ℃时比在 31 ℃时明显增高 ,这
与在热应激条件下 (34 ℃)血清甲状腺素和皮质酮的浓度增高有关。蛋白质周转对饲料的采食
水平非常敏感 ,而蛋白质的沉积主要与日粮的蛋白质品质及能量摄入有关。很多研究是针对
整体蛋白质周转代谢 ,而整体蛋白质周转代谢的改变并不意味着机体的所有组成部分都同样
发生改变。对于日粮中的赖氨酸的缺乏 ,肉鸡的胸肌的蛋白质合成与降解率比肝脏更为敏感 ,
胸肌的蛋白质沉积率显著下降 ,而肝脏的下降并不明显。蛋白质绝对合成率和蛋白部分合成
率对于日粮营养素缺乏导致的生长性能降低的反应相反。日粮赖氨酸的缺乏导致蛋白质绝对
合成率的降低 ,这在生长鸡、生长猪和人等的试验均可证实[6～8 ] 。补偿生长条件下 ,小肠的补
偿生长发生最快[18 ] ,整体的补偿生长以前期为主 ,在补偿生长期 ,肌肉蛋白质的合成与正常营
养的对照组无显著差异 ,肌肉蛋白质合成量和 RNA 量均未发生显著变化 ,而蛋白质的降解率
显著低于对照组[16 ] 。在对内毒素和大肠杆菌[9 ] 诱发的生长抑制在恢复期的补偿生长效应来
看 ,在补偿生长时 ,蛋白质的绝对降解率和相对降解率都降低。Stern 等 (1999)利用血液的嗜中
性白细胞建立了细胞蛋白质周转的生物化学模型[10 ] ,研究细胞水平和整体器官水平的营养和
生理机制。对于大量和微量营养素的缺乏 ,改变细胞的酶和蛋白质水平。维生素 B6 的缺乏使
大鼠的胱硫醚酶 (一种吡哆醛磷酸激活的酶) 的降解率增高。Stern 等 (1999) 对维生素 B6 临界
缺乏的人补充维生素 B6 后[10 ] ,显著提高生存时间短的嗜中性白细胞的合成率 ,显著降低嗜中
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性白细胞中多种蛋白质的降解率 ,嗜中性白细胞中的多种蛋白质的半衰期提高了 2 - 3 倍。而
磷酸吡哆醛 (PLP)只是所有细胞蛋白质中的一小部分的辅酶 ,蛋白质的降解主要受 N2末端的
控制 ,赖胺酰残基是生存时间短的蛋白质的降解信号。Deutz 等 (1998) 使用二分阈模型对猪的
器官间的氨基酸代谢进行了研究[11 ] ,二分阈模型的缺点是它并未考虑细胞内的氨基酸循环。
在正常的肠道营养供给条件 ,动物表现为蛋白质合成和氧化的增高。内脏区域利用了肠道营
养的 50 %用于其自身蛋白质的合成 ,而内脏区域产生的进入循环的氨基酸是内脏外区域蛋白
质合成的决定因素。在肠道营养条件下 ,内脏外器官的蛋白质降解减少。Grrits 等 (1998) [12 ] 研
究了反刍前犊牛的蛋白质和非蛋白的能量摄入对肌纤维蛋白质降解情况的影响。Millward
(1989)和 Reeds(1991)认为每克蛋白质沉积所消耗的能量随蛋白质沉积率的增加而增高[13 ] 。
蛋白质周转随蛋白质沉积率的增加而增高 ,这与沉积效率的降低有直接关系 ,这在猪、大鼠和
羊等动物的研究中均有证据。肌纤维蛋白质占骨骼肌蛋白质组成的 50 %～55 % ,而骨骼肌蛋
白质是整体蛋白质组成的约 50 %。尿中的三甲基组胺 (32MH) 是肌纤维蛋白质降解的重要指
标[17 ] 。
4 　动物体蛋白质周转模型的完善措施
由于稳定同位素技术和相应分析测试技术的发展 ,对动物体内营养素的代谢动力学的研
究越来越受到人们的重视。对于蛋白质周转理论上的缺陷及其基本假设的不合理性 ,通过各
种手段不断地加以解决和完善。近年来 ,对蛋白质周转的研究也逐渐转移到对特定组织、器官
蛋白质周转的研究上来。Johnson 等 (1999) 提出了在稳态条件下基于亮氨酸代谢动力学的整
体蛋白质周转模型[14 ,15 ] 。该模型是一个具有 6 个代谢池的模型 ,由于充分考虑了各种蛋白质
周转速度的差异 ,将蛋白质代谢池分为快速、中速和慢速蛋白质代谢池。该模型可以更接近动
物体内真实代谢动力学的情况。对于更合理的整体蛋白质周转模型还需要在对动物体内的营
养素代谢机制更清楚的认识后才可能得到。在对细胞水平的蛋白质周转方面 ,Stern 等 (1999)
利用血液的嗜中性白细胞建立了细胞蛋白质周转的生物化学模型[10 ] ,研究细胞水平和整体器
官水平的营养和生理机制。该模型对于研究细胞及器官水平的蛋白质周转作了很好的示范。
对于亚细胞水平或分子水平的蛋白周转的深入研究 ,将有利于揭示某些代谢机制 ,从而为真正
的科学合理的整体蛋白质周转理论的建立打下牢固的基础。
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THE RESEARCH METHODS AND MODEL OF PROTEIN TURNOVER IN ANIMAL
WU Xi2lin 　YANG Feng
( Institute of Animal Nutrition , Sichuan Agricultural University , Ya′an , Sichuan prov. 　625014)
ABSTRACT :This paper discussed the concept and research methods of protein turnover in animal
body. The existing problems and the research results of animal protein turnover in recent years
were presented. Meanwhile ,the measures to improve the models of animal protein turnover were
analyzed.
Key words :animal ; protein turnover ; model
161Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2002 ,16 (3) :156～161