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蛋白质营养中小肽的研究新进展
郑云峰 许云英 徐玉娟
蛋白质营养一直是动物营养研究的核心问题,过去的观点认为,动物采食的蛋白质在消化道内蛋白酶和肽酶的作用下降解为游离氨基酸才能被动物直接吸收。但最近的研究表明,蛋白质在动物消化道中消化酶作用下的水解产物大部分为2或3个氨基酸残基的小肽,它们是以完整形式被吸收并进入循环系统而被组织利用的。动物营养学家也发现,动物对饲料中各种氨基酸的利用程度并不完全受单一限制性氨基酸的影响,当动物采食按理想氨基酸模式配制的纯合日粮或低蛋白氨基酸平衡的日粮时,动物并不能获得最佳生产性能,因此,一些学者提出动物要获得最佳生产性能,日粮中必须有一定数量的完整蛋白质和小肽的观点。基于以上两个发现,人们提出了小肽的营养学说。
1 小肽的概念和分类
肽是分子结构介于氨基酸和蛋白质之间的一类化合物,氨基酸是构成肽的基本基团。含氨基酸残基50个以上的通常称为蛋白质,低于50个氨基酸残基的称为肽,肽中氨基酸残基低于10个的称为寡肽,含2或3个氨基酸残基的为小肽(张怀蓉等 2002)。
按其所发挥的功能小肽分为两大类:功能性小肽和营养性小肽。功能性小肽指能参与调节动物的某些生理活动或具有某些特殊作用的小肽,如抗菌肽、免疫肽、抗氧化肽、激素肽、表皮生长因子等。营养性小肽是指不具有特殊生理调节功能,只为蛋白质合成提供氮架的小肽。
2 小肽的吸收机制及影响因素
2.1 小肽吸收的载体
小肽吸收的载体是一种以H+梯度为动力,将肠腔内的小肽和其它组织中的小肽从细胞外转运到细胞内的一种蛋白质,它对小肽的吸收有重要作用。小肽载体的吸收能力可能是各种氨基酸载体吸收能力的总和,因此小肽的吸收载体不易饱和。小肽转运载体主要有两种:PepT1和PepT2,PepT1主要在小肠中表达,对小肽的吸收起关键性作用,它能转运2~5个氨基酸残基的肽,但以转运二肽的速度最快;而PepT2主要在肾中表达,对小肽起重新吸收的作用(张云华等 2003)。
2.2 小肽的吸收机制
2或3个氨基酸残基的小肽可以通过载体直接被吸收,因此,与氨基酸吸收相比小肽的吸收具有吸收速度快、耗能低、可以消除以游离氨基酸形式吸收时氨基酸之间的相互竞争的特点。对刷状缘膜囊(BBMV)的研究表明,小肽可能存在三种转运系统:①依赖H+ 浓度或Ca2+ 浓度电导的主动转运过程,需要消耗能量。Vincenzini(1989)报道,在一定H+浓度下,囊泡膜刷状缘肽的主动转运加快。这种吸收方式在缺氧和添加抑制剂的情况下被抑制;②具有pH值依赖性的Na+/H+交换转运系统,不需要消耗能量,这种方式转运一分子的小肽,需要二分子的氢离子;③谷胱甘肽(GSH)转运系统,GSH的跨膜转运与Na+、K+、Ca2+、Mn2+的浓度梯度有关,而与H+无关,由于GSH在细胞膜内具有抗氧化作用,因此GSH转运系统可能具有特殊的生理作用。
2.3 影响小肽吸收的因素
小肽的吸收与动物种类、年龄、生理阶段和肠道位置有关。赵昕红(1999)研究证实,二肽在猪小肠的不同部位吸收率不同。肽链的长度、组成、结构、载体等对小肽的吸收也有重要的影响,目前研究认为,二和三肽能被完整吸收,但对于三肽以上的寡肽能否被吸收还存在争议。研究表明,肽的氨基酸组成也影响其吸收,当谷氨酸以谷酰氨赖氨酸形式而不以谷酰氨蛋氨酸形式利用时,大鼠对其的吸收率倍增。组成小肽的氨基酸所处的位置影响其吸收,即氨基酸处在C-端和N-端其吸收率不同。例如,当赖氨酸位于N-端与组氨酸组成二肽时,其吸收比它位于C-端的速度快;而当它在C-端与谷氨酸组成二肽时,其吸收比它位于N-端的速度快。肽载体几乎能以所有的二肽三肽作为底物,但肽载体对疏水性、侧链体积大的底物有较高的亲和力,而对亲水性、带电荷的小肽的亲和力较弱(Morttnhews 1991)。
3 影响蛋白原料小肽释放的因素
3.1 蛋白质的品质
饲料蛋白质在动物体内消化过程中受到各种蛋白酶的作用,由于酶作用位点、蛋白质的氨基酸组成及结构的差别,最终释放的寡肽和游离氨基酸的数量不同。必需氨基酸含量高且平衡的优质蛋白在消化过程中释放的分子量低的寡肽较多;而必需氨基酸缺乏的劣质蛋白则水解成少数的大分子量肽。施用晖等(2001)报道,6种不同的蛋白源采用体外胃蛋白酶-胰酶两步法消化后测定其释放出寡肽的数量,必需氨基酸含量较高、平衡状况较好的鱼粉、酪蛋白、蚕蛹释放出的寡肽较多。
3.2 氨基酸的组成
刘选珍等(1996)对几种不同动、植物性蛋白质饲料胃蛋白酶-胰酶水解产物的肽链链长与蛋白质的氨基酸组成相关分析表明,脯氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸含量越高寡肽链越长;而精氨酸、赖氨酸、天冬氨酸、甘氨酸含量越高则链越短。含疏水性的苯丙氨酸的肽类对肽载体的亲合力高,且影响蛋白质水解释放的肽链长度,所以推测苯丙氨酸主要是以肽形式被吸收。另一试验表明,小肽的释放量与碱性氨基酸含量相关的有效蛋白质的含量呈正相关。
3.3 加工、贮藏条件
加工、贮藏条件是影响蛋白质消化过程中小肽释放量与游离氨基酸(FAA)比例的重要因素。Restani等(1992)报道,新鲜羊肉寡肽释放量高于蒸制、冻干等4种加工方法的产品。研究表明,经过加热、长期存放的豆粕,肽的释放量仅为有效赖氨酸含量高的新鲜豆粕的63%,这可能是由于加热、贮藏使某些氨基酸尤其是限制性氨基酸(LAA)残基及毗邻氨基酸肽键难以断裂影响丁酶对其的消化作用,从而使肽的释放量降低。
4 小肽的营养作用
4.1 促进氨基酸的吸收,加速蛋白质的合成
由于小肽吸收速度快、吸收峰高,能快速提高动静脉的氨基酸差值,从而提高整体蛋白的合成。Boza等(1995)报道,当以小肽形式作为氮源时,整体蛋白质沉积高于相应游离氨基酸日粮和完整蛋白日粮。另外,小肽可直接被胃肠道吸收进入血液循环,刺激胰岛素的分泌,将血液中的葡萄糖迅速转移到肝脏,参与肽链的延长,提高蛋白质的合成。Rerat等(1998)研究报道,向猪十二指肠灌注小肽后,血浆胰岛素的浓度高于灌注游离氨基酸组。除了小肽的吸收机制能促进氨基酸吸收外,小肽本身也对氨基酸及其残基的吸收有促进作用,作为肠腔的吸收底物,小肽不仅能增加肠刷状缘氨基肽酶和二肽酶的活性,而且能提高小肽载体的数量(Bamba等 1993)。
4.2 促进矿物质元素的吸收
小肽的氨基酸残基可与金属离子螯合,可以避免肠腔中拮抗因子及其它影响因子对矿物元素的沉淀或吸附作用,直接到达小肠刷状缘,并在吸收位点处发生水解,从而增加矿物质元素的吸收。Meisel等(1989)从牛的αs1-酪蛋白中分离出一个磷肽,为αs1-酪蛋白的66~75氨基酸残基构成的肽片段:Ser-Ser-Glu-Glu-Ile-Val-Pro-Asn,其丝氨酸残基几乎被磷酸化,可与Ca2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+形成螯合物,促进这些离子的吸收。施用晖等(1996)报道,在蛋鸡日粮中添加小肽制品后,血浆中铁、锌的含量显著增高,蛋壳强度提高。
4.3 刺激消化酶的分泌和活性的提高
小肽蛋白不仅是诱导消化酶分泌的最适底物,同时又能给机体消化酶的快速合成提供完整的氮架。王恬等(2003)报道,小肽营养素能刺激仔猪断奶后十二指肠食糜乳糖酶、淀粉酶、脂肪酶和胰蛋白酶的活性。计成等(2001)也得出类似的结果,在饲料中添加小肽类物质能显著提高胃蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶的活性。蒋建文等(1999)研究表明,补充Gly-Gln可缓解应激时Gln水平的下降,促进蛋白质的合成,防止肠黏膜萎缩和维持肠黏膜的正常结构和功能。
4.4 促进肠道黏膜结构和功能发育
小肽可优先作为肠黏膜上皮细胞结构和功能发育的能源底物,有效促进肠黏膜组织的发育。小肽可被完整有效地吸收,从而降低了进入大肠的未消化的蛋白质量,减少了大肠后段氨气和有毒胺类的产生,对消化道起积极的保护作用,维持消化道正常的免疫功能。另外,一些生理活性小肽可直接作为神经递质间接刺激肠道激素受体或促进酶的分泌而发挥生理调节作用,从而促进小肠发育。王恬等(2003)报道,断奶仔猪日粮中添加小肽营养素,十二指肠、空肠、回肠的绒毛长度增加,隐窝深度减少,并且这种影响随着小肽营养素添加量的增加而提高。
5 小肽的生产方法
小肽制品的生产方法主要有3种:化学合成法、DNA重组技术法和蛋白质酶解法。
5.1 化学合成法
广泛应用于生产高活性的药理级小肽,其缺点是副产品多、成本高、效率低、产品需分离提纯,而且生产中大量使用有毒溶剂,造成环境污染,有损机体健康
5.2 DNA重组技术法
目前,仅限于生产大分子活性多肽和蛋白质的生产,存在小分子的基因片段操作困难、表达困难、检测工作困难、难筛选到高效表达的菌株和产量较低等缺点;另一个的缺点是许多消费者对使用由遗传性生物产生的产品的生物安全性存在顾虑。因此,应用DNA重组技术生产小肽还需要一个较长的时间。
5.3 酶解法
具有原料来源广泛、反应条件温和、生产成本低、对环境不造成破坏等优点,是一种具有广阔前景的方法。生产饲用小肽制品,蛋白酶解法成为最佳选择。
自1940年,营养学家Scott发现“未知生长因子”即生物活性肽以来,随着人们对小肽研究的深入,其独特的吸收机制和特殊的营养作用逐渐被人们所认识。小肽营养理论的建立及其在动物营养中的实践结果,揭示了理想氨基酸模式的不足,并丰富和发展了氨基酸营养和代谢理论。作为一种优质蛋白,小肽产品的开发应用将在动物生产中具有广阔的前景。因此,深入进行小肽研究对动物营养具有十分重要的意义。
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郑云峰,上海邦成生物科技有限公司技术部,200231,上海市徐汇区上中路462号。
许云英、徐玉娟,单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期:2005-10-17
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