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小肽促进微量元素吸收的研究进展

乔 伟 周安国 王之盛 宾石玉
微量元素添加剂产品的发展经历了3个阶段,第一代产品是无机盐类微量元素添加剂,如硫酸亚铁、硫酸锌、氧化锌、硫酸铜和硫酸锰等。但这类无机盐添加剂稳定性差,对动物胃肠刺激性大,消化吸收率低,因而研究者开发出了第二代微量元素产品。第二代微量元素添加剂为简单有机酸盐类,如葡萄糖酸、柠檬酸和富马酸等微量元素盐类,但也存在稳定性差、受肠内容物干扰大等缺点,吸收利用率并不高。近年来发展的第三代微量元素添加剂氨基酸螯合盐(AAC)克服了前两类产品的弊端,微量元素能以游离氨基酸(FAA)为载体,具有抗干扰力强、稳定性好、易吸收等优点,其生物效价为无机盐类添加剂的2~3倍。小肽(SP,主要是二肽、三肽)吸收理论已被人们所接受,与氨基酸(AA)的吸收相比,具有吸收快、不易饱和、耗能低,且与FAA的吸收无竞争等特点。因此,不少研究者将目光转向了第四代微量元素添加剂——小肽螯合盐(SPC)。该类产品可依靠小肽独特的吸收体系促进微量元素的吸收。
1 小肽螯合盐的特点
美国官方饲料管理协会(American association of feed control officials,AAFCO)对氨基酸螯合盐(Amino acid chelate,AAC)的概念确定如下:氨基酸微量元素螯合物是指由1mol可溶性的金属盐中的金属离子与1~3mol(最佳为2mol)氨基酸反应,以配位共价键结合而成的产物,氨基酸的平均分子量必须为150左右,生成的螯合物分子量不得超过800。当配位体由氨基酸改为小肽时,则产物为小肽螯合盐(Small peptide chelate,SPC),一般是二肽和三肽,有时也为四肽,因为较大的配位体所形成的螯合盐分子量大,不易直接被肠道吸收。
α-氨基酸常作为二齿配体,利用其α-碳上的氨基和羧基作为配位基团同金属离子作用,形成较稳定的一个或多个五元环或六元环;某些α-氨基酸的侧链基团,如组氨酸的咪唑基团、酪氨酸的酚基、半胱氨酸的巯基等也可以同金属离子配位。小肽与金属离子形成配合物时,除N-端氨基和C-端羧基以及氨基酸侧链的某些基团可供配位之外,肽链中的羰基和亚氨基也可能参与配位,因而小肽螯合物的稳定性较AAC更高(杨频等,2002)[1]。稳定的AAC和SPC环状结构组成包括金属原子、羧基氧、羰基碳、α-碳和α-氨基氮,金属原子位于环的中心。
2 小肽促进微量元素吸收的理论基础
小肽的吸收特点是其能促进微量元素吸收的理论基础。传统的蛋白质代谢理论认为,动物对蛋白质的需要就是对各种氨基酸的需要。但近些年的研究表明,不同来源的饲料氨基酸利用率存在差异,而且动物喂以按理想氨基酸模式配制的纯合日粮或低蛋白质氨基酸平衡日粮时,不能获得最佳生产性能(Baker,1977;Pinchasov等,1990)[2,3]。因此,一些学者提出了动物对完整蛋白质本身或有关肽具有特殊吸收能力的观点。Agar(1953)[4]首先观察到肠道能完整地吸收转运双甘肽。此后研究者提出了令人信服的小肽可被完整吸收的论据,证实了完整的甘氨酰甘氨酸被转运吸收;大量小肽可直接以肽的形式被吸收进入体循环。Hara等(1984)[5]也指出,蛋白质在消化道中的消化终产物的大部分往往是小肽而不是游离氨基酸(FAA)。小肽能完整地通过肠粘膜细胞而进入体循环(乐国伟,1996)[6]。
研究表明,小肽与游离氨基酸(FAA)在动物体内具有相互独立的吸收机制。小肽吸收系统在氨基酸的吸收中有很重要的作用,与氨基酸运输体系相比,肽吸收具有吸收快、能耗低、效率高、载体不易饱和等优点(Rerat等,1988)[7]。
3 SPC的吸收转运
根据小肽的吸收转运机制和特点,以小肽为主要配体的微量元素螯合物可能以整体的形式被转运,因而更有利于微量元素生物学效价的提高。无机盐进入消化道后,微量元素呈阳离子态,必须先在胃肠道中与适当的内源或外源的有机体(配位体)结合形成络合物,形成有机的脂溶性表面,再以此形式吸收并通过粘膜细胞的类脂屏障转运入细胞;吸收后的微量元素在血液中也必须与某些蛋白结合才能被运输到机体所需的部位产生功效(Cousins,1979)[8]。氨基酸和小肽都是较合适的配位体。一些研究和试验证明,氨基酸能促进微量元素的吸收机理是通过形成氨基酸螯合微量元素并可直接通过小肠绒毛刷状缘被吸收(Found,1974;Layrisse,1984)[9,10]。在体外将微量元素与氨基酸螯合,形成微量元素吸收的原始形式,受其它物质干扰减少,金属元素之间的拮抗作用也降低,能进一步提高其吸收利用率。Ashmead等(1993)[11]认为氨基酸和小肽螯合盐可能利用氨基酸和小肽的吸收机制。Du 等(1996)[12]的研究也表明,小肽螯合铜利用肽的吸收机制,与铁、锌、锰的普通吸收机制不形成竞争。
Found(1974)[9]指出,位于五元环或六元环络合物中心的金属元素可以通过小肠绒毛刷状缘,以小肽的形式被吸收。许多研究都证实,酪蛋白水解产物中的酪蛋白磷酸肽(CPP),具有促进钙、铁吸收的功能。据报道,肉类水解中的肽类能使亚铁离子可溶性、吸收率提高;在蛋鸡日粮中添加小肽制品后,血浆中的铁离子、锌离子的含量显著高于对照组,蛋壳强度提高。李永富等(2000)[13]报道,对1~21日龄的乳猪分别添加小肽铁、右旋糖苷铁,14日龄时测血清铁蛋白含量,其中添加小肽铁组明显高于添加右旋糖苷铁组和对照组,这说明小肽络合物形式的矿物离子更易被机体吸收。母猪被饲喂小肽铁后,母猪奶和仔猪血液中有较高的铁含量,而饲喂有机铁却不能达到这样的效果,这表明,小肽对铁的吸收转运具有十分重要的作用。研究发现,铁能够以小肽铁的形式到达特定的靶组织,能自由地通过成熟的胎盘,而硫酸亚铁中的铁进入血液是经主动转运途径被结合于运铁蛋白而吸收的,由于其分子量相当大(86kDa),被胎盘滤出,这可能是小肽铁生物学效价较高的原因。Zambonino等(1997)[14]报道,在鲈鱼苗日粮中添加小肽后,能极大减少骨骼的畸形现象。这可能是由于有些小肽具有与金属结合的特性,从而促进钙、铁、铜和锌的被动转运过程及在体内的储存。乔伟(2004)[15]的研究结果表明,以小肽和氨基酸为配体,与铬螯合后均能促进铬的吸收,提高血液中铬含量,吸收效果好于无机铬和两种有机铬;小肽铬的吸收效果优于氨基酸铬,心脏和肝门脉全血中铬含量分别比氨基酸铬组的高17.2%和30.4%。
4 SPC的吸收机制
关于螯合盐的吸收机制,目前有两种假说。第一种为完整吸收假说。这种观点认为金属氨基酸螯合物及其蛋白盐利用肽和氨基酸的吸收机制被完整吸收,而并非小肠中普通金属的吸收机制。其核心是金属离子以共价键和离子键与氨基酸的配位体键合,被保护在螯合物的核心,并且金属螯合物以整体的形式穿过粘膜细胞膜、粘膜细胞和基底细胞膜进入血液。Evans认为锌必须和胰腺分泌的小分子量蛋白配体(二肽)形成螯合物才能被动物吸收。体外和原位研究也表明,当存在大量的半胱氨酸和组氨酸时,它们可与锌生成稳定的螯合物。因此,可大大增加小肠对锌的吸收和运输。锌不能以阳离子的形式穿过小肠上皮细胞,而是以螯合物的形式穿过细胞膜的。
第二种为竞争吸收假说。即金属螯合物中微量元素的吸收利用率高可以用竞争吸收机制来解释。螯合微量元素进入消化道后,可以防止金属元素在肠道变成不溶性化合物或被吸附在有碍元素吸收的不溶解胶体上,而直接到达小肠刷状缘,并在吸收位点处发生水解,其中的金属以离子形式进入肠上皮细胞并被吸收入血液,因此进入体内的微量元素量增加。螯合锌之所以比硫酸锌更有效地改善血清与组织中的锌浓度,可能是因为螯合锌可以防止锌与日粮中的植酸结合而不被吸收。如果配位体大量存在并足够有力地与粘液竞争,将促进金属通过粘液层障碍。
另一种观点可能更多地是强调螯合盐在肠道偏碱性环境下稳定性比无机盐高,或抗干扰能力比无机盐强,但并没有说明为什么以螯合形式存在的微量元素被吸收的多,即没有阐明螯合盐的吸收形式,且这种“保护”程度将受到pH值和螯合物本身稳定性的影响。
动物体内存在着独立的小肽(二肽、三肽)转运系统,具有转运速度快、耗能低、不易饱和等特点。当金属离子和小肽螯合后就能抑制刷状缘上肽酶的水解活性,防止肽的水解,结果完整的肽作为矿物质的配体通过肽转运机制进入粘膜细胞,一方面提高了肽的利用率,同时因为金属离子在消化道经过胃及小肠中离子的吸收部位时都以螯合态存在,因此吸收速度较快。动物体内除了二肽、三肽转运系统,还存在着低聚肽的转运系统,其机制和小肽不同,且肽链越长吸收越慢,低聚肽转运活性较小肽低。二肽吸收系统需要C-端羧基的参与,去除这一端肽就不能键合也不能传送;低聚肽吸收对羧基不是必需的,二肽可以利用低聚肽系统吸收,反之不行。氨基酸和过渡金属元素螯合时末端氨基和羧基同时参与,形成与二肽类似的双环内络盐结构,没有自由羧基存在,如果要完整地到达小肠粘膜细胞肽的吸收部位则只能通过低聚肽系统吸收(苏纯阳等,2002)[16]。而小肽参与螯合时一般由末端氨基和邻近的肽键氧形成单环螯合结构,羧基由于空间位阻一般不参与螯合,即使参与也是以不太稳定的副键参与键合,所以这种螯合物保留有比较自由的羧基可通过二肽系统吸收,其吸收强度比低聚肽系统要高得多。因此,小肽螯合物比氨基酸螯合物易于吸收,是第四代金属螯合物。在与其它几种铬源的吸收效果比较后不难发现,小肽铬的优势还是相当明显的,可以推测,如果小肽铬产品中小肽的含量能进一步提高的话,效果将会更好。
在动物体内,许多金属离子的吸收发生在小肠处,这些金属离子首先要同氨基酸生成螯合物,这种螯合物的稳定性可以保证以整体形式进入细胞,然后在细胞中自动断开螯合键,分解成氨基酸和金属离子,它们分别被利用。张经坤等(2000)[17]研究证实,人体吸收钙的位置在小肠处,小肠的刷状缘相同于植物根毛的作用,能自动分泌小分子量的氨基酸或短肽链,它们就是螯合剂。它们在遇到经过胃消化的食物中的钙离子(Ca2+)时,就会立刻发生螯合反应(pH=7.6),生成氨基酸或肽螯合钙,以整体形式被刷状缘细胞吸收。进入细胞之后,在细胞液作用下,又自动断开螯合键,重新分解成钙离子和氨基酸或肽。钙离子通过门静脉进入血液,被输送到各个器官,包括在骨骼上的沉积;而氨基酸可以被细胞所利用,也可以透过细胞膜再次同金属离子螯合。
5 结语
综上所述,微量元素可与小肽形成螯合盐,并能借助小肽的吸收特点和机制以螯合盐整体的形式,促进微量元素的吸收。
参考文献
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16 苏纯阳,董仲华,香红星.微量元素氨基酸(小肽)螯合物的研究应用进展[J].饲料工业, 2002, 23(1):15~18
17 张经坤,张泽民,于傲.人体钙吸收理论探讨[J].科学通报,2000, 45(10):1 114~1 120

(编辑:刘敏跃,lm-y@tom.com

乔伟, 四川农业大学动物营养研究所, 博士,625014,四川雅安。
周安国、王之盛,单位及通讯地址同第一作者。
宾石玉,广西师范大学生命科学院。
收稿日期:2006-05-15

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