Нажмите здесь, чтобы открыть версию в формате PDF
Введение
Бета-гидроксибутират крови (BHB; также обозначается как BHBA) часто используют как показатель развития рубца у молодых телят. Такая интерпретация полезна, но может быть слишком упрощённой. Концентрация BHB повышается не только потому, что микроорганизмы рубца начали ферментировать стартерный корм и образовывать бутират. Чтобы BHB появился в крови, эпителий рубца также должен сформировать структуру и метаболический аппарат, необходимые для всасывания и метаболизма летучих жирных кислот (ЛЖК). В этом смысле BHB крови отражает последовательность процессов, происходящих в самой стенке рубца.
Полезно рассматривать это развитие как три взаимосвязанных процесса. Во-первых, по мере роста сосочков увеличивается всасывающая поверхность рубца. Во-вторых, эпителий приобретает большую способность переносить ЛЖК из просвета рубца в эпителиальные клетки и через них. В-третьих, эпителиальные клетки всё лучше способны превращать бутират в кетоновые тела, особенно BHB. Бутират участвует во всех трёх процессах, хотя данные показывают, что не все компоненты созревания эпителия просто «включаются» бутиратом.
Рост сосочков
При рождении рубец мал, а его эпителиальная поверхность относительно слабо развита. Сосочки короткие, поэтому площадь, доступная для всасывания, ограничена. Когда телята начинают потреблять стартерный корм, усиливается микробная ферментация и повышается концентрация ЛЖК в рубце. Давно известно, что бутират и пропионат являются важными стимуляторами развития слизистой рубца, причём бутират обычно вызывает более выраженный ответ.
Классические опыты Sander et al. (1959) показали, что введение бутирата или пропионата непосредственно в рубец стимулировало развитие сосочков у молодых жвачных. Позднейшие исследования помогли объяснить механизм этого эффекта. Например, Mentschel et al. (2001) обнаружили значительно большую длину сосочков у телят, получавших бутират, и пришли к выводу, что одним из важных механизмов было снижение апоптоза эпителиальных клеток. Таким образом, бутират изменяет баланс между пролиферацией и потерей клеток и тем самым изменяет размер всасывающей поверхности.
Это структурное изменение важно, поскольку развитие рубца — не просто увеличение размера органа. Более длинные и многочисленные сосочки значительно увеличивают контакт между содержимым рубца и эпителием. В результате увеличивается поверхность, через которую могут всасываться продукты ферментации. Поэтому потребление стартерного корма способствует развитию рубца не только за счёт снабжения телёнка питательными веществами, но и за счёт поступления ферментируемого субстрата, образующего метаболиты, к которым должна адаптироваться стенка рубца.
Транспорт ЛЖК
Образование ЛЖК в рубце — лишь одна часть процесса. Ацетат, пропионат и бутират должны пройти через эпителий рубца, прежде чем телёнок сможет их использовать. Часть ЛЖК может проходить через мембраны в недиссоциированной форме, однако важны также перенос с участием транспортёров и внутриклеточная кислотно-основная регуляция. Поэтому зрелая стенка рубца не просто больше неонатальной; функционально она лучше приспособлена к большому и постоянному потоку продуктов ферментации.
Транспортёр монокарбоксилатов 1 (MCT1) — одна из транспортных систем, которой уделяют значительное внимание в эпителии рубца. Участвуют и другие белки транспорта и регуляции pH, включая дополнительные транспортёры монокарбоксилатов, анионные обменники, натрий/водородные обменники и системы переноса протонов. Для телёнка важен не столько конкретный транспортёр, сколько то, что транспортная способность изменяется по мере созревания рубца.
Ответ на бутират можно продемонстрировать экспериментально. Liu et al. (2019) вводили бутират натрия новорождённым ягнятам с 10-го по 49-й день жизни. Помимо увеличения длины, ширины и площади поверхности сосочков, бутират повышал экспрессию MCT1 и DRA — генов, связанных с эпителиальным транспортом ЛЖК. Этот опыт особенно полезен тем, что связывает структурный ответ на бутират с функциональным ответом эпителия. Стенка рубца не только увеличивалась; возрастала и её способность переносить продукты ферментации.
Это различие важно при интерпретации BHB крови. Телёнок может вырабатывать бутират в рубце, однако количество BHB, появляющегося в крови, зависит также от количества эпителиальной ткани и от того, насколько эффективно эта ткань захватывает и метаболизирует бутират. Поэтому BHB крови отражает не только концентрацию одного из продуктов ферментации в рубцовой жидкости.
Кетогенез
После поступления бутирата в клетку эпителия рубца значительная его часть метаболизируется ещё до того, как он попадёт в кровоток в виде неизменённого бутирата. Зрелый эпителий рубца обладает высокой кетогенной активностью. Бутират активируется до бутирил-КоА и окисляется по митохондриальным путям с образованием ацетил-КоА и ацетоацетил-КоА. Затем ацетоацетил-КоА по пути HMG-КоА превращается в ацетоацетат, который может восстанавливаться до BHB. В результате значительная часть всосавшегося бутирата покидает стенку рубца в форме кетоновых тел, а не неизменённого бутирата.
Несколько ферментов служат полезными маркерами этой кетогенной способности. Ацетил-КоА-ацетилтрансфераза (ACAT1) участвует в образовании и взаимопревращении ацетил-КоА и ацетоацетил-КоА. Митохондриальная 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА-синтаза (HMGCS2) является важным контрольным звеном кетогенеза, а HMG-КоА-лиаза (HMGCL) образует ацетоацетат из HMG-КоА. Бета-гидроксибутиратдегидрогеназа (BDH1) катализирует обратимое превращение ацетоацетата и BHB.
Воздействие бутирата может повышать экспрессию по крайней мере части этого метаболического аппарата. В опыте Liu et al. (2019) бутират натрия увеличивал экспрессию HMGCS2 и HMGCL в эпителии рубца одновременно с повышением BHB крови. Это поддерживает представление о бутирате и как о субстрате, и как о сигнале, связанном с увеличением кетогенной способности.
Как обсуждалось в части 1 (Calf Note #281), развитие кетогенной способности не полностью зависит от воздействия бутирата в рубце. Исследования ягнят, получавших только молоко, показали, что экспрессия и активность кетогенных ферментов существенно возрастали с возрастом даже при минимизации нормальной рубцовой ферментации. Следовательно, бутират, по-видимому, стимулирует и ускоряет лежащий в основе возрастной процесс развития, а не служит его единственным пусковым фактором.
Поэтому утверждение, что бутират просто индуцирует весь кетогенный путь, вероятно, слишком сильное. Более точная модель предполагает, что созревание эпителия имеет возраст-зависимый компонент, а бутират и другие продукты ферментации стимулируют, ускоряют и формируют это созревание. Это различие важно, когда BHB используют как биологический показатель.
Как связаны три процесса
Рост сосочков, транспорт ЛЖК и кетогенез тесно связаны. Увеличение потребления стартерного корма усиливает ферментацию и поступление бутирата. Бутират способствует росту сосочков, увеличивая всасывающую поверхность. Одновременно эпителий приобретает большую способность транспортировать ЛЖК и поддерживать внутриклеточный pH. После поступления в клетку бутират всё в большей степени направляется по кетогенному пути к ацетоацетату и BHB.
Именно поэтому BHB крови является полезным показателем развития рубца. Он объединяет несколько процессов, которые должны происходить одновременно: ферментация должна образовывать бутират; функциональной эпителиальной поверхности должно быть достаточно для его всасывания; а эпителиальные клетки должны обладать метаболической способностью превращать его в кетоновые тела. Поэтому увеличение BHB крови говорит нам больше, чем просто «телёнок ферментирует стартерный корм». Оно указывает на переход телёнка к метаболическому фенотипу функционирующего жвачного животного.
В то же время BHB нельзя считать прямой мерой размера сосочков или потребления стартерного корма. На измеренную концентрацию в крови могут влиять возраст, количество и тип потребляемого твёрдого корма, характер рубцовой ферментации, масса эпителия, транспортная способность, экспрессия кетогенных ферментов и периферическое использование кетоновых тел. BHB лучше рассматривать как интегральный функциональный маркер, а не как прямое измерение отдельного компонента развития рубца.
Что это означает для выращивания телят?
Практический вывод остаётся знакомым: до отъёма телята должны потреблять достаточное количество сухого корма. Стартерный корм обеспечивает ферментируемые углеводы, необходимые для активной рубцовой ферментации, и подвергает стенку рубца нагрузке ЛЖК, сопровождающей переход от преджвачного к жвачному типу пищеварения. Однако биология этой рекомендации сложнее старой последовательности «стартер образует бутират, а бутират выращивает сосочки». Рубец одновременно изменяет площадь поверхности, транспортные системы и внутриклеточный метаболизм.
Это также объясняет, почему ни возраст сам по себе, ни потребление стартера само по себе не являются идеальными показателями готовности к отъёму. Возраст способствует внутреннему созреванию метаболизма эпителия, а стартерный корм обеспечивает субстрат и метаболическую нагрузку, ускоряющие функциональную адаптацию. Телёнку, готовому перейти с молока, нужны оба условия: достаточная биологическая зрелость и достаточное потребление твёрдого корма, чтобы поддерживать ферментацию и поступление питательных веществ после удаления молока.
Основной вывод
BHB крови у молодого телёнка — больше, чем пассивный показатель начала ферментации. Бутират, образующийся при ферментации стартера, участвует в координированном созревании эпителия рубца, включающем рост сосочков, увеличение способности транспортировать ЛЖК и усиление кетогенеза. Бутират может стимулировать каждый из этих процессов, хотя развитие кетогенной способности имеет также важный возраст-зависимый компонент. Поэтому BHB крови наиболее полезен как интегральный показатель функционального развития рубца, а не просто как мера количества бутирата в рубце.
Литература
Giesecke, D., U. Beck, S. Wiesmayr, and M. Stangassinger. 1979. The effect of rumen epithelial development on metabolic activities and ketogenesis by the tissue in vitro. Comp. Biochem. Physiol. B 62:459-463.
Lane, M. A., R. L. Baldwin VI, and B. W. Jesse. 2002. Developmental changes in ketogenic enzyme gene expression during sheep rumen development. J. Anim. Sci. 80:1538-1544. doi:10.2527/2002.8061538x.
Liu, L., D. Sun, S. Mao, W. Zhu, and J. Liu. 2019. Infusion of sodium butyrate promotes rumen papillae growth and enhances expression of genes related to rumen epithelial VFA uptake and metabolism in neonatal twin lambs. J. Anim. Sci. 97:909-921. doi:10.1093/jas/sky459.
Malhi, M., H. Gui, L. Yao, J. R. Aschenbach, G. Gabel, and Z. Shen. 2013. Increased papillae growth and enhanced short-chain fatty acid absorption in the rumen of goats are associated with increased ruminal butyrate concentration. J. Dairy Sci. 96:105-115.
Mentschel, J., R. Leiser, C. Mulling, C. Pfarrer, and R. Claus. 2001. Butyric acid stimulates rumen mucosa development in the calf mainly by a reduction of apoptosis. Arch. Anim. Nutr. 55:85-102. doi:10.1080/17450390109386185.
Niwinska, B., R. Klebaniuk, and K. Bilik. 2016. The role of butyric acid in the functional development of rumen epithelium in calves. Rocz. Nauk. Zoot. 43:113-123.
Sander, E. G., R. G. Warner, H. N. Harrison, and J. K. Loosli. 1959. The stimulatory effect of sodium butyrate and sodium propionate on the development of rumen mucosa in the young calf. J. Dairy Sci. 42:1600-1605.