Tầm quan trọng của nucleotide trong thức ăn cho thủy sản

Nucleotide là gì?

Nucleotide là thành phần cấu thành nên axit nucleic- đơn vị cấu trúc của các nhiễm sắc thể (Hình 1.1). Và nucleotide cũng là đơn vị cấu trúc của Adenosine triphosphate (ATP), phân tử mang năng lượng, có chức năng vận chuyển năng lượng đến các cơ quan và đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh lý và sinh hóa của cơ thể. 

Hình 1.1 Quá trình thay đổi cấu trúc thành nhiễm sắc thể trong tế bào

Về cấu tạo cơ bản, nucleotide được tạo thành từ sự gắn kết của nhóm phosphate và nucleoside (nucleoside được tạo thành bởi một pentose gắn với một bazơ). Nucleotide được gọi tên theo số nhóm phosphate đi kèm (mono-, di-, tri). Trong 6 loại nucleotide thì Inosine monophosphate (IMP), đang được quan tâm ứng dụng nhiều trong chăn nuôi thủy sản cũng là một sản phẩm quan trọng trong quá trình tổng hợp mới của các nucleotide.

Các loại nucleotide

Nucleotide được chia thành 2 loại gồm: purine và pyrimidine. Purine có chứa nhiều nguyên tử carbon và nito cho sự chuyển hóa sinh lý hơn là pyrimidine. Điều này chỉ ra rằng carbon và nito là cần phải được bổ sung từ nguyên liệu thô để dùng cho quá trình tổng hợp của nucleotide. Thêm vào đó, trong khi pyrimidine nhận nito để tổng hợp từ axit aspartic, thì purine còn nhận thêm nito từ glutamate và glycine. Vì vậy, nếu nucleotide không được bổ sung đầy đủ thông qua nguồn thức ăn thì không những sẽ làm giảm các chức năng sinh lý của nucleotide, mà còn tăng nhu cầu sử dụng của các axit amin cần thiết cho quá trình tổng hợp mới nucleotide, dẫn đến giảm hiệu quả sử dụng của các axit amin này cho các chức năng khác của cơ thể.

Quá trình chuyển hóa và tổng hợp sinh học của nucleotide

Purine và pyrimidine được hình thành qua hai quá trình tổng hợp khác nhau. 

Như hình 3, Purine trải qua 11 bước và cần 6 ATP để tổng hợp IMP (Inosine 5’- monophosphate) từ ribose-5-phosphate. Thêm vào đó, một ATP khác cũng được dùng để chuyển hóa IMP thành GMP, như vậy, tổng cộng có 7 ATP được sử dụng để tổng hợp GMP thông qua quá trình tổng hợp mới.

Quá trình tổng hợp của pyrimidine tương đối đơn giản hơn, chỉ gồm 4 bước và cần 4 ATP để tạo ra OMP (Orotidine Mono- Phosphate), một chất cơ bản của pyrimidine và sau đó tiếp tục các quá trình enzyme, phản ứng phosphoryl hóa để tạo thành CTP.

“IMP và UMP là hai loại nucleotide quan trọng nhất trong các loại Purine và Pyrimidine”

Hình 3: Sự tổng hợp mới (de novo pathway) của purine and pyrimidine

Như vậy, dù cả purine và pyrimidine là cần thiết cho sự chuyển hóa của tế bào, nhưng khi chọn lựa loại nucleotide để bổ sung vào thức ăn chăn nuôi, thì loại purine (IMP và GMP) nên được bổ sung nhiều hơn pyrimidine vì quá trình tổng hợp sinh học của purine tốn nhiều năng lượng (như ATP) và thời gian hơn.

Nếu nucleotide được bổ sung đủ, cơ thể không chỉ giảm được năng lượng và nhu cầu dinh dưỡng vốn cần để tạo lượng nucleotide cần thiết cho duy trì chuyển hóa và tăng trưởng, mà còn tiết kiệm các chất dinh dưỡng cần thiết tham gia quá trình chuyển hóa cho sự tổng hợp sinh học  (sự tổng hợp mới- de novo synthesis pathway). Nguồn cung nucleotide từ quá trình tận dụng (salvage pathway) chi phối quá trình tổng hợp mới thông qua hàm lượng nucleotide từ nguồn thức ăn cung cấp vào cơ thể và từ quá trình thoái hóa axit nucleic. Đặc biệt, với loại purine (IMP và GMP) thì khoảng 90% nhu cầu phụ thuộc vào con đường tận dụng.

Chức năng của nucleotide trong thức ăn thủy sản

Nucleotide là chất dinh dưỡng không thiết yếu vì nó có thể được tổng hợp trong cơ thể. Tuy nhiên, trong giai đoạn tăng trưởng nhanh, quá trình phát triển cơ quan, gia tăng cân bằng nội mô trong giai đoạn phát triển của thú non hoặc trong giai đọan stress do thay đổi thời tiết, dịch bệnh, phục hồi sau chấn thương hoặc thức ăn chăn nuôi có hàm lượng nucleotide thấp, nucleotide cần phải được bổ sung thêm trong khẩu phần để đảm bảo cung cấp đầy đủ cho các hoạt động trên.

1. Hiệu suất tăng trưởng

Chức năng thúc đẩy hiệu suất tăng trưởng của nucleotide đã được nghiên cứu ở nhiều loài cá như cá mú (Lin và cộng sự, 2009), cá hồi vân (Tahmasebi- Kohyani và cộng sự, 2011), cá hồi Đại Tây Dương ( Burrells và cộng sự, 2001), cá tráp đỏ ( Hossain và cộng sự, 2016), cá bơn (Song và cộng sự 2012) và các loài cá ăn tạp khác như cá rô phi thông qua cơ chế tế bào và phân tử. Tốc độ tăng trưởng và độ dày của thịt tăng đáng kể khi dùng thêm 0.2-0.8%IMP vào khẩu phần trong 60 ngày.

Các gen có liên quan đến tăng trưởng thúc đẩy sự tăng lên của hormone phát triển (Hepatic GHR-1. IGF-1) và những gen này ảnh hưởng đến sự tăng lên về số lượng và kích thước của tế bào (MyoD, meogenin, và Pax7) bằng tăng bổ sung hàm lượng IMP.

2. Tăng cường tính dẫn dụ

Thủy sản rất nhạy cảm với nucleotide đặc biệt là khi thay thế bột cá bằng nguồn đạm thực vật trong thức ăn. Kubitza và cộng sự (1997) đã đánh giá tính dẫn dụ của khẩu phần thấp bột cá hoặc nhiều khô đậu nành trên cá vược miệng rộng (Micropterus salmoides). 

Trong các chất dẫn dụ được dùng trong thủy sản, IMP là loại có tác dụng nhất để tăng lượng thức ăn ăn vào. Thêm vào đó, chỉ sử dụng IMP đem lại hiệu quả tốt hơn là trộn IMP với các chất dẫn dụ khác.

Bên cạnh đó, tôm- loại thủy sản có sản lượng sản xuất cao thứ hai ngành thủy sản, cũng cho thấy sự tăng trưởng đáng kể trong khẩu phần có bổ sung nucleotide.

3. Cải thiện miễn dịch và khả năng chịu stress

Cải thiện hệ miễn dịch được cho là một trong những chức năng sinh lý nổi bật của nucleotide.

Tác động của nucleotide lên hệ miễn dịch như sau:

• Cải thiện khả năng thực bào của bạch cầu không hạt như tế bào T và tế bào B trong các tế bào có liên quan đến miễn dịch
• Gia tăng sản xuất kháng thể (IgM và IgA) và tế bào tủy xương
• Đẩy mạnh sản xuất protein miễn dịch cytokine (IL-2, IFN-g)
• Tăng cường sự kích hoạt và tự thải độc của tế bào NK

Sự cải thiện hệ miễn dịch được đánh giá thông qua việc tăng tỷ lệ sống của vật nuôi trong quá trình nuôi trồng và cải thiện khả năng chịu stress khi có dịch bệnh hoặc thay đổi khí hậu.

Song và cộng sự (2012) đã cho thấy tỷ lệ sống giảm đáng kể vào ngày thứ ba của thời kỳ dịch bệnh hoành hành đối với nhóm vật nuôi không bổ sung nucleotide, trong khi đó, tỷ lệ sống vẫn giữ ở mức trên 80% với nhóm có bổ sung IMP. (Hình 4.3)

Một số thí nghiệm gần đây, trên cá chép và cá hồi, hai loại cá được nuôi nhiều nhất ở vùng nước ngọt và nước biển, đã được thử nghiệm trong môi trường (thay đổi về độ mặn), và khả năng chịu đựng stress. Kết quả của thí nghiệm cũng cho thấy tỷ lệ sống và miễn dịch đã được cải thiện đáng kể ở nhóm có bổ sung IMP trong cả hai điều kiện stress. 

4. Cải thiện sức khỏe đường ruột

Nucleotide thường được thêm vào thức ăn cho trẻ sơ sinh vì khả năng tăng cường sự cân bằng của vi khuẩn đường ruột. Singhal và công sự (2008) đã báo cáo rằng bổ sung nucleotide tăng cường hệ vi sinh vật đường ruột liên quan tới miễn dịch. Xu và cộng sự (2015) cũng đã chỉ ra những thay đổi ở hệ vi sinh vật đường ruột khi bổ sung nucleotides ở cá rô phi.

Hình 4.4 Tăng trọng (A), hoạt động của enzyme tiêu hóa đường ruột (B-D), hình thái học cùa microvilli (E,F) của cá ngựa vằn cho chế độ ăn đối chứng và có bổ sung thêm 0.1% nucleotide trong 2 tuần.

5. Dùng nucleotide thay thế kháng sinh

Kháng sinh đã từng được sử dụng rộng rãi để kích thích tăng trưởng nhờ vào những tác dụng phòng ngừa hoặc ngăn chặn bệnh ở vật nuôi. Tuy nhiên, việc sử dụng kháng sinh với mục đích kích thích tăng trưởng đang giảm dần hoặc bị cấm sử dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới do quan ngại về hiện tượng vi khuẩn kháng kháng sinh, giảm hiệu quả sử dụng kháng sinh và dư thừa kháng sinh trong sản phẩm chăn nuôi. Khuynh hướng này không chỉ diễn ra ở chăn nuôi gia súc, gia cầm mà còn được áp dụng chặt chẽ ngành thủy sản.

Vì vậy, nhiều sản phẩm thay thế cho kháng sinh đã và đang được nghiên cứu cũng như ứng dụng. Và nucleotide đã chứng minh về tác dụng trực tiếp cũng như gián tiếp đến sức khỏe đường ruột và hệ miễn dịch. Do đó, nucleotide được sử dụng như một chất kích hoạt miễn dịch và dự kiến sẽ được sử dụng như một chất thay thế kháng sinh, nhờ vào tác dụng tăng cường miễn dịch này của nó.