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活性肽的营养作用与应用
乐国伟
传统的蛋白质营养理论认为蛋白质的营养即是氨基酸的营养。这一理论是Dogman 在1900年提出的,当时他认为在人和动物胃肠道,蛋白质必须被消化成游离氨基酸才能被小肠粘膜细胞吸收和转运。由此,形成了粗蛋白质、氨基酸、必需氨基酸、可利用氨基酸、理想蛋白质等理论,并在生产实践中发挥着指导作用。但传统理论表现出局限性,合成氨基酸取代完整蛋白质的数量是有限的,在快速生长的猪、鸡的日粮中,若保持能量水平一致,动物将不能保持最佳的生产性能和饲料效率(Fancher和Jensen,1989;Mendonca和Jensen,1989;Pinchasov等,1990;Kephart和Sherritt,1990)。近年来,人们对消化过程中蛋白质消化释放的活性肽在蛋白质营养中的作用越来越关注。认识肽的营养作用,利用具有潜在生物活性作用的肽,调控动物的营养生理代谢,为进一步提高动物生产性能和提高畜禽生产效益提供新的手段。
1 肽营养理论的发展历史
长期以来,营养学界一直认为蛋白质消化后主要以游离氨基酸(FAA)的形式被吸收,没有认识到小肠对蛋白质或肽吸收具有生理学意义。Agar等(1953)观察到小肠能完整地转运双甘肽;Naway和Simith(1959、1960)首先令人信服地提出了肽可以被完整吸收的理论。但肽类转运的生理意义并没有得到普遍接受,直到上世纪80年代,直接和间接的证据不断积累,肽类能够被完整吸收的观点才为人们所重视。
1.1 蛋白质的消化与吸收
蛋白质经胃肠道中各种蛋白酶的消化,产物为少量游离氨基酸和大量寡肽。小肠粘膜细胞表面刷状缘肽酶的终末水解是蛋白质消化和吸收的关键环节,其中约10%的二肽、60%的三肽和几乎全部三肽以上的寡肽需经刷状缘肽酶水解,最终形成游离氨基酸,通过载体介导从底侧膜吸收入血;部分二肽、三肽可直接被转运入上皮细胞由细胞浆肽酶水解,这个过程称为二肽和三肽的原样转运;少量小肽和寡肽如含有甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸的肽可不经肽酶水解直接吸收入血。
小肽吸收的三种转运系统的机制:通过对刷状缘膜囊(BBMV)的研究表明,依赖H+ 浓度或Ca2+ 浓度电导的主动转运过程,需要消耗能量(Vinienzini等,1989); 具有pH值依赖性的Na+-H+交换转运系统,不需要消耗能量(Daniel等,1994);谷胱甘肽(GSH)转运系统。小肽的吸收特点:转运速度快、耗能低、载体不易饱和及可避免氨基酸吸收之间的竞争。目前,哺乳动物小肠细胞刷状缘膜肽载体基因已经得到了克隆表达。小肽和游离氨基酸吸收的差异:①二者的吸收是完全不同的独立机制,肽载体能够接受几乎所有二肽、三肽作为底物;②寡肽中氨基酸残基的吸收速度大于相应游离氨基酸的吸收速度,肽载体的吸收能力高于各种氨基酸载体吸收能力的总和;③肽的吸收可以减少或避免氨基酸之间的吸收竞争;④肽的构型与其吸收转运密切相关。肽载体对疏水性、侧链体积较大的底物,如含支链氨基酸、蛋氨酸或苯丙氨酸的肽,具有较高的亲和力,而对亲水性、带电荷的肽,亲和力较低。肽载体对底物表现出较严格的立体特异性,它对N末端含D-型氨基酸的耐受性比C末端为D-型的好,全D-型氨基酸肽不能作为底物。这样可以避免氨基酸之间的吸收竞争。
1.2 肽吸收的营养意义
小肽吸收对胃肠道局部营养具有独特作用。小肽能够被快速吸收,使氨基酸进入循环系统,为机体合成蛋白质提供原料,幼龄动物消化系统(组织结构、酶系)发育不完全,乳蛋白消化产物中小肽比例高,富含生物活性肽,能够避免食物、环境、生物等应激的影响。断奶后乳蛋白变换成植物蛋白,消化产物中肽减少, 以游离形式存在的氨基酸吸收量增加,游离氨基酸吸收耗能高,而ATP生成伴随着游离基生成,过量的游离基会作用于细胞膜、蛋白质、DNA,造成肠粘膜损伤。断奶应激引发肠道缺血,在供血时氧游离基也增加肠粘膜细胞损伤几率;另外,微生物的入侵引发肠道免疫反应,增加吞噬细胞NO游离基生成,加重粘膜损伤,造成腹泻。对肉仔鸡饲喂相同氨基酸组成的游离氨基酸(FAA)日粮、蛋清蛋白(Pro)日粮以及混合(Pro+FAA)日粮,2周后,游离氨基酸组动物空肠粘膜细胞微绒毛短而稀疏,线粒体密集(见图1)。日粮中添加小肽,吸收耗能少,可以提高肠道、肝脏、胸肌及整体的蛋白质合成速度,改善养分的利用效率(见表1、表2)(乐国伟,1996;施用晖等,1998;高启平和乐国伟,1999)。富含谷氨酰胺、谷氨酸、天冬氨酸的肽,既是肠道能量的主要来源,又有利于合成抗氧化剂GSH,保护肠粘膜,提高肠绒毛高度,增加吸收的表面积,避免氧游离基对肠粘膜损伤,减少腹泻。肽的营养理论解释了游离氨基酸吸收的理论局限性,为动物蛋白质营养理论提出了新的标准。

食物蛋白经消化道蛋白酶酶解后在消化道内释放大量肽片段。消化过程中肽的释放与蛋白质的氨基酸组成、排列顺序有关,氨基酸平衡的优质蛋白质如酪蛋白、新鲜豆饼(粕)、鱼粉水解释放的肽量高、分子量小,而低玉米蛋白粉和经长期贮存、过热处理的豆粕以及低质鱼粉的寡肽释放量少(乐国伟,1996;施用晖,2001;刘选珍,1996;王燕桃,2001),这为评价蛋白质的营养价值提出了新的指标。肽作为动物消化道蛋白质的主要酶解产物,是迅速吸收的氨基酸供体,同时释放的许多肽具有活性作用,参与机体的生命活动,起着调节动物体消化系统、神经系统、内分泌系统、免疫机能的生物活性作用。
2 肽的生理调节作用
2.1 肽的完整吸收和转运
小肠对肽的吸收包括肠粘膜上皮细胞对肽的摄入和经肠细胞基底膜、血管内皮转运入血的过程。Gardner(1975)观察到,大鼠游离小肠段吸收至浆膜面的氨基酸中肽占36%。Sleisenger等(1977)对豚鼠灌注酪蛋白水解物后, 血浆中吸收的游离氨基酸比灌注量低,认为可能是由于氨基酸以肽形式进入门静脉血液所致。Takaori(1986)研究证实,肽能被成年哺乳动物小肠完整转运。Brantl(1990)研究证实,β-酪啡肽(β-CM)很容易经肠道转运入血。Inui等(1992)及Bronk等(1993)也证实,在一些情况下,完整的肽能通过浆膜进入循环系统。乐国伟等(1997、1998)和施用晖等(1996、1998)报道, 鸡肠道灌注寡肽后,一些肽类能完整吸收进入血液循环。王燕桃、乐国伟(2001)的研究证明,饲料蛋白质的酶解产物的完整吸收是血浆寡肽的主要来源(见图2、图3)。

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图3 来航公鸡给饲全价饲粮后1 h胃肠各
段门静脉血浆寡肽叠加图谱(HPLC)
生物活性肽能够被小肠粘膜细胞吸收并完整转运入血,靶组织是其发挥营养生理活性作用的基础。对肽分子进入肠细胞再转运入血过程中的变化机制及肽完整吸收进入血液循环的量,还不完全清楚。肽吸收进入血液循环的效率与肽的构型、组成及肽键抗肽酶水解能力密切相关(Webb,1992、1993)。研究不同构型的肽与肽载体亲和力的关系,改造肽的分子结构、用脂质体方法进行包埋、添加表面活性剂或增加活性肽浓度、添加蛋白酶抑制剂等被用来作为增加活性肽吸收的手段。
2.2 活性肽的作用机理
胃肠道蛋白酶释放的活性肽可直接作用于胃肠壁外周的受体,调节生理活动,一些活性肽被完整快速吸收,通过循环系统输送到靶器官细胞,发挥其生理活性作用。Grandison等(1977)将微量的β-内啡肽注入动物下丘脑后,使摄食增加。β-CM-11也可在小肠刷状缘降解成更小的疏水性阿片肽,穿过肠粘膜进入外周血液,再透过血脑屏障与脑中的阿片肽受体结合,具有促进Na+和Cl-的吸收及延长胃肠蠕动时间和胃排空的功能。循环中的肽能否通过血脑屏障(BBB),影响着活性肽从中枢系统发挥作用。Banks(1987)分析了肽通过血脑屏障的几个饱和转运系统:其一能够专门运送N末端为Tyr的肽,包括Tyr-MIF-1 (Tyr-Pro-Leu-Gly-amide)、脑啡肽、酪啡肽(CM)、强啡肽;另一独立的系统转运加压素样肽;至少还有一个可以转运吸收阿片肽的系统。Ermisch(1983)研究表明,能检测到脑微量地吸收β-CM-5。Stark (1992)研究表明,β-CM衍生物Des-Tyr-D-Phe3-β-CM可以不依赖载体系统而透过血脑屏障。Pasi (1993)认为,β-CM能够通过特殊机制从血中转运到脑干,并在中枢调节上有一定的作用。具有泄露性毛细血管的脑区,如松果腺、神经垂体及脉络丛对此肽的吸收则接近于对水的吸收。循环脑室器官,肽分子可以到达组织的细胞元件。β-CM能提高饲后猪的胰岛素、胃泌素和胰多肽分泌水平,调节机体的代谢(Schusdziarro,1991)。
酪啡肽(Casomorphins)是一族酪蛋白水解产生的具有阿片活性的肽。酪啡肽具有内源性阿片肽或吗啡类的作用,与阿片受体有很高的亲和性,具有镇静止痛、诱导睡眠、延长胃肠蠕动和刺激胃肠激素的释放等功能。β-CM-11能直接作用于消化道中的阿片肽受体,影响胃肠道的运动,可作为胃肠道激素的外源性调节剂。Schusdziarro等(1991)用100 mg β-CM-4-amide和食物一起喂狗,可抑制肠的蠕动;用临床治疗腹泻的剂量(50 mg)也可抑制肠蠕动。我们通过RT-PCR产物的琼脂糖凝胶电泳也可观察到,随着给预重组酪啡肽水平提高,小肠阿片受体基因表达增加(见图4)。

2.3 活性肽的作用
蛋白质消化过程中能够释放出许多具有生物活性的肽类。如酪蛋白、牛奶的其它蛋白、小麦蛋白、大米蛋白,经过酶解后都会产生类阿片活性的肽;酪蛋白、大豆蛋白、谷蛋白经酶解后可产生免疫活性肽;酪蛋白、胰岛素蛋白经酶解后能释放促进细胞生长的活性肽序列(见表3)。

2.3.1 增强免疫
已有许多小分子肽被证明有免疫刺激作用,如已被应用于临床的胸腺肽-5。具有免疫活性的内源性肽包括干扰素和白细胞介素,二者都能激活和调节免疫应答。进一步的研究表明,牛β-酪蛋白C末端序列193~209中, Tyr-Gly和Tyr-Gly-Gly皆可诱发大鼠或人的淋巴细胞大量增生(Meisel,1997) 。从奶、鱼、大豆和谷蛋白酶解而获得的神经活性肽,如酪啡肽,具有促进摄食、治疗腹泻、免疫调节、促进生长激素分泌等生理功能。1979年,Brantl等人最早报道了牛乳β-酪蛋白的酶解物中,有对豚鼠回肠纵肌神经节具有吗啡样活性的物质,并从中分离到一个七肽物质,通过对豚鼠回肠和小鼠输精管等进行试验,证明β-CM-7具有阿片肽活性。随后便人工合成了β-CM-7和它的同系物β-CM-6、β-CM-5、β-CM-4,并证明β-CM-5(Try-Pro-Phe-Pro-Gly)在豚鼠回肠试验中具有最强的阿片活性(见表4)。最近的研究表明,无论口腔服入还是腹腔注射β-CM-7,都能提高巨噬细胞一氧化氮(NO)与脾脏细胞IL-2的产量。免疫活性刺激肽对促进动物健康、提高动物生产潜力有着重要作用。

2.3.2 抗氧化作用的活性肽
蛋白中潜在着的抗氧化肽,对于保护肠粘膜结构,提高营养素的吸收、转运和防止腹泻具有重要意义。一些肽和蛋白水解物一般可起着重金属清道夫和过氧化氢分解促进剂的作用,因而可降低自氧化速率和减少脂肪过氧化氢含量。动物肌肉中存在一种天然肌肽。肌肽可在体外抑制被铁、血红蛋白、脂质氧化酶和单态氧催化的脂质氧化作用(Chen等,1993),也曾有人应用它作为贮存熟肉的一种氧化型酸败抑制剂。香菇、马铃薯、蜂蜜等的植物性蛋白及其酶解产物中同样存在抗氧化肽,发现可抑制多酚氧化酶(polyphenyloxidase,PPO)的低分子量的肽, 除了抑制PPO外,尚可通过与PPO催化的醌式产物反应而减少食物褐变,从而防止聚合氧化产物的生成(Lyengar等, 1992)。另一种很有潜力的抗氧化肽是谷胱甘肽。在目前消费者认识水平下,主张全部使用天然防腐剂而反对使用人工添加剂, 抗氧化肽的应用对提高动物生产性能、改善动物产品质量具有重要意义。
2.3.3 促生长作用
利用对生长激素轴的调控可以调节动物的生长,将生长激素、IGF-I、胰多肽、生长激素释放因子等应用于动物生产,皆可促进动物的生长。近年来发展起来的生长激素释放肽及其类似物可以通过提高动物生长激素的释放,增进IGF-I的产生来促进动物生长。另外,有研究表明,脑啡肽也具有促生长激素释放的功能。由于这类肽分子量小,可经肠道被完整吸收入血,给药方便,因此是一种很有潜力的生长促进剂。
2.3.4 促进矿物元素消化和吸收
这类肽的研究主要集中于利用由酶解酪蛋白获得的肽来结合和运输二价矿物质阳离子(Meisel,1997)。乳蛋白是矿物质结合肽的主要来源,它们也可产生于其它食物,如鱼、大豆和谷蛋白。可与矿物质结合的酪蛋白磷酸肽(caseinphosphopeptides)已从α-酪蛋白和β-酪蛋白的酶解液中分离出来(Maubois和Leonil,1989;Maubois,1991),这些矿物质结合肽在其核心序列中含有丝氨酸、苏氨酸残基能够与磷酸结合,形成带负电的磷酸基团侧链,例如,钙的结合就是与丝氨酸联结的磷酸基团和谷氨酸的游离羧基相结合,这种结合既可掩护复合物不发生进一步相互影响,而且还可提高矿物质结合肽复合物的溶解度。
2.3.5 抗菌作用
抗菌活性肽通常都是由细菌和真菌产生的抗生素肽类和抗病毒肽类,如乳酸链球菌肽是由乳酸菌产生的含3~4个氨基酸残基的短肽,能抑制革兰氏阳性细菌的活性并对梭状芽胞杆菌的芽孢形成具有抑制作用。近几年,人们从几种鳞翅目、双翅目昆虫中发现了数十种抗菌肽,如天蚕杀菌肽A、B、D等。除此之外,还有100多种不同的抗菌肽已从脊椎动物中分离出来。研究发现,抗菌肽都具有亲水和亲脂的两性结构,其抗菌机理是易与细胞膜结合而造成原生质体的泄露,根据这一原理,研究小组已研究制备出了具有抗菌特性的脂肪酰化肽。抗菌肽一般都有很高的热稳定性,这使它们在人类食品和动物饲料加工过程中成为理想的防腐剂,另外,人们还发现在玉米、大米、大豆的蛋白中也存在抗菌物质,饲料原料中的抗菌物质具有潜在的应用前景。
3 结语
动物需要完整蛋白以保证正常的生产性能。蛋白质消化过程中可能释放出各类活性肽,影响着养分消化、吸收和代谢。生产实践中,饲粮中添加少量活性肽可显著提高动物生长速度,改善生产性能。进一步认识蛋白潜在的活性肽,采用适宜的酶水解或微生物发酵定向生产活性肽,调节消化、神经内分泌、免疫机能系统,改善动物生产的安全性,提高畜禽生产性能和经济效益。(参考文献37篇,刊略,需者可函索)
(编辑:张学智,mengzai007@163.com

乐国伟,江南大学食品学院,教授,博士生导师,214036,江苏无锡。
收稿日期:2006-09-25
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