黏蛋白功能特性及在食品營養(yǎng)評價(jià)中的應(yīng)用

雒明朔，楊立娜，王子義，蔡文琪，劉 賀，馬 濤，何余堂

（渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧錦州 121013）

腸道是人體重要的消化器官，其表面覆蓋一層黏液，通過黏液的持續(xù)分泌與更新，將上皮細(xì)胞與腸道內(nèi)的細(xì)菌、病毒等有害物質(zhì)有效隔離和清除，從而對腸道黏膜起到潤滑和保護(hù)的作用[1-2]。腸黏膜是機(jī)體抵御外界病原侵襲和維持腸道穩(wěn)態(tài)的重要屏障，主要有機(jī)械屏障、化學(xué)屏障、生物屏障和免疫屏障[3]。其中機(jī)械屏障由腸黏膜上皮細(xì)胞間緊密連接的蛋白構(gòu)成；化學(xué)屏障由腸黏膜上皮細(xì)胞分泌的黏液，胃腸道分泌的消化液和腸道共生菌產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)共同構(gòu)成；生物屏障由腸道共生菌群及宿主腸道微環(huán)境相互作用構(gòu)成；免疫屏障由腸道淋巴系統(tǒng)及其分泌的免疫活性物質(zhì)構(gòu)成[4-5]。隨著人們生活水平的提高，食品營養(yǎng)越來越得到重視。人體的生長發(fā)育需要消化、吸收營養(yǎng)物質(zhì)。因個(gè)體的差異而對于營養(yǎng)物質(zhì)的種類和需求量各不相同。營養(yǎng)物質(zhì)攝入不足會導(dǎo)致多種機(jī)體疾病的發(fā)生，營養(yǎng)物質(zhì)攝入過量會導(dǎo)致無效營養(yǎng)物質(zhì)積累，對人體造成危害[6]。腸黏液和黏蛋白為腸道的重要成分，對研究營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸具有重要意義。

黏液是以黏蛋白為主體構(gòu)成的水凝膠體系[7]，存在于多種器官和組織的黏膜表面。黏蛋白為黏液的主要成分，是研究黏液的性質(zhì)和作用中不可忽視的重要因素。本文主要介紹黏蛋白在腸道屏障中的作用以及在食品營養(yǎng)評價(jià)中的意義。

1 黏蛋白簡介

1.1 來源

黏蛋白是一類分子質(zhì)量在40 萬u 以上的糖蛋白，廣泛分布于機(jī)體多種器官和組織的黏膜表面，如消化道、呼吸道、生殖道、角結(jié)膜等[8]。唾液黏蛋白覆蓋在口腔黏膜表面，由人的頜下腺、舌下腺和小唾液腺的黏液腺泡細(xì)胞分泌[9]。眼表的黏蛋白主要由結(jié)膜杯狀細(xì)胞以及角膜和結(jié)膜上皮細(xì)胞分泌[10]。腸道中的黏液主要由腸道中的杯狀細(xì)胞產(chǎn)生的黏蛋白網(wǎng)絡(luò)組成，杯狀細(xì)胞消耗谷氨酰胺和大量其它氨基酸形成并釋放黏蛋白[11]。黏蛋白由黏蛋白基因轉(zhuǎn)錄翻譯而來，在杯狀細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體進(jìn)行聚合、修飾、糖基化和折疊，再分泌到細(xì)胞外，與水及腸腔內(nèi)一些物質(zhì)混合形成黏液凝膠。黏蛋白合成后被包裹成顆粒，運(yùn)輸?shù)奖瓲罴?xì)胞表面，釋放入腸腔。釋放包括基礎(chǔ)分泌和調(diào)控分泌，基礎(chǔ)分泌是通過細(xì)胞骨架運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的小劑量持續(xù)分泌；調(diào)控分泌是受到多種生物活性物質(zhì)刺激的杯狀細(xì)胞通過胞吐作用釋放大量黏蛋白，包括神經(jīng)肽、細(xì)菌、細(xì)菌產(chǎn)物和毒素、細(xì)胞因子等。腸道中某些炎癥會影響杯狀細(xì)胞長期大量分泌黏蛋白，導(dǎo)致杯狀細(xì)胞功能耗竭，黏蛋白合成減少，黏液層變薄[12-15]。

1.2 結(jié)構(gòu)

黏蛋白種類多樣，不同區(qū)域的黏蛋白結(jié)構(gòu)也各不相同，作為一種有串聯(lián)重復(fù)結(jié)構(gòu)存在的高分子質(zhì)量糖蛋白，其中脯氨酸、蘇氨酸和絲氨酸的比例很高。如圖1所示，細(xì)胞表面黏蛋白通常由2 個(gè)不同亞基的二聚體組成，通過非共價(jià)的十二烷基硫酸鈉（Sodium dodecyl sul-fate，SDS）不穩(wěn)定鍵連接在一起，較大的亞基完全暴露于胞外，高度糖基化[15]。黏蛋白域是糖基化的序列，通常在編碼黏蛋白的序列中被發(fā)現(xiàn)。這些序列也被稱為PTS 區(qū)域，表示多肽中富含含有脯氨酸（Proline）、蘇氨酸（Threonine）或者絲氨酸（Serine）的區(qū)域。在腸道中最主要的黏蛋白是MUC2，在所有已知的人類PTS區(qū)域中，只有MUC2 不含絲氨酸。MUC2 包含2 個(gè)不同的PTS 結(jié)構(gòu)域，經(jīng)糖基化作用后變得僵硬，伸出桿狀體，形成黏蛋白結(jié)構(gòu)域。MUC2 具有血管性血友病因子（Von-Willebrand-factor，VWF）區(qū)域，分為VWF-C 和VWF-D 2 個(gè)末端結(jié)構(gòu)域。MUC2的N 端區(qū)和C 端區(qū)分別由半胱氨酸殘基之間的二硫鍵穩(wěn)定連接，這些半胱氨酸殘基的數(shù)量超過氨基酸總量的10%。此外，在MUC2 序列中存在膠原蛋白和肝素結(jié)合位點(diǎn)，可能與其它細(xì)胞外大分子相互作用[16-18]。

圖1 MUC1 和MUC2 的分子結(jié)構(gòu)[18]Fig.1 Molecular structure of MUC1 and MUC2[18]

1.3 分類

至今發(fā)現(xiàn)有22 種黏蛋白，分別以MUC 后不同數(shù)字命名。根據(jù)多糖鏈的類型，黏蛋白可分為中性型和酸性亞型，也可分為硫酸鹽類和非硫酸鹽類。按功能特性分，黏白分為2 類：跨膜型和凝膠形成型（表1）?？缒ゐさ鞍滓揽靠缒^(qū)域與細(xì)胞膜結(jié)合，在羧基端附近有一個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，可參與細(xì)胞內(nèi)信號傳遞，主要包括：MUC1、MUC3A、MUC3B、MUC4、MUC12、MUC13、MUC14、MUC15、MUC16、MUC17、MUC20、MUC21 和MUC22；凝膠形成型黏蛋白由杯狀細(xì)胞分泌，構(gòu)成黏液層的骨架，凝膠形成型黏蛋白包含半胱氨酸富含區(qū)域，包括MUC2、MUC5AC、MUC5B、MUC6、MUC7、MUC8、MUC9 和MUC19[15，19-20]。

表1 黏蛋白分類與功能性Table 1 Classification and function of mucin

2 黏蛋白的生物學(xué)活性

2.1 黏蛋白與流變性

黏液蛋白纖維通過二硫鍵連接形成寡聚體，使得黏液具有特殊的黏彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在低剪切作用下，它表現(xiàn)為彈性固體；在高剪切作用下，它表現(xiàn)為黏性液體[56-57]。Parlato 等[58]研究pH 值對體外黏液流變特性的影響并與純化的黏蛋白進(jìn)行對比，研究表明胃黏液的黏彈性特性對pH 值的變化是相當(dāng)穩(wěn)定的，而純化的黏蛋白溶液對pH 值比較敏感。同時(shí)，當(dāng)對黏蛋白溶液堿化至溶解（pH＞8.5），然后再酸化至初始pH 值時(shí)，豬胃黏液的流變特性是可逆的。Bhattacharjee 等[59]利用不同直徑的二氧化硅納米顆粒探究豬空腸黏液的滲透能力，發(fā)現(xiàn)由于黏液素和二氧化硅納米顆粒之間存在電荷依賴性，兩者相互作用改變了黏液的黏彈性。Wilcox 等[60]研究聚乳酸-羥基乙酸納米顆粒滲透對小腸黏液體積流變特性的影響，結(jié)果表明添加聚乳酸-羥基乙酸納米顆粒對小腸黏液的體積流變學(xué)影響很小。腸黏液中成分的改變都會引起腸黏液流變特性的變化，黏蛋白的含量是決定腸黏液流變性的主要因素，黏蛋白纖維間的非共價(jià)鍵和二硫鍵可以提升黏液的黏彈性。黏液流變特性的改變可能會極大地影響其作為潤滑劑、選擇性屏障和機(jī)體抵抗感染第一道防線的功能[56]。對于腸道黏膜表面疾病的治療，通常是增加局部藥物濃度，減少全身副作用，從而提高療效，然而這個(gè)過程會被腸黏液屏障阻礙。探究腸黏液的流變性對于藥物跨過黏液屏障直達(dá)病患處，提高療效具有重要意義。

2.2 黏蛋白與黏附性

細(xì)菌與上皮細(xì)胞或者黏液通過生物化學(xué)作用產(chǎn)生特異性的黏連稱為黏附，根據(jù)細(xì)菌作用的底物差異，可將黏附分為細(xì)胞黏附和黏液黏附[61]。腸道中的細(xì)菌黏附會導(dǎo)致腸道疾病，腸黏液細(xì)菌所黏附的受體多為黏蛋白。Jin 等[62]證明了培養(yǎng)的大腸桿菌18C23 或其上清液可抑制大腸桿菌K88ac或K88MB 對仔豬小腸黏液的黏附。馬玉龍等[63]發(fā)現(xiàn)肉雞腸黏液糖蛋白有一定的黏附作用，黏附能力存在差異。鄒芳[64]發(fā)現(xiàn)致病性大腸桿菌與肉雞各腸段黏液蛋白有不同黏附率，乳酸菌與結(jié)腸的黏附率高于其它腸段，且乳酸菌的黏附性顯著優(yōu)于大腸桿菌。黃劍飛等[65]利用納豆芽孢桿菌對牙鲆進(jìn)行腸黏液的黏附試驗(yàn)，納豆芽孢桿菌的表面蛋白具有腸內(nèi)黏附的能力。陳營等[61]利用黏液黏附模型證明乳桿菌對腸黏液的黏附不但具有菌種的特異性，而且也有宿主的特異性。

2.3 腸黏蛋白與腸道屏障完整性

上皮細(xì)胞和黏液層形成的一個(gè)物理屏障將大部分細(xì)菌隔離在上皮細(xì)胞之外，在這個(gè)屏障中黏蛋白發(fā)揮著重要作用。Birchenough 等[16]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌能引起羧甲酸肽水解酶β 的釋放從而裂解黏蛋白，導(dǎo)致黏液脫落，破壞腸道屏障。Linden 等[66]認(rèn)為黏液蛋白不應(yīng)被視為靜態(tài)屏障，而應(yīng)被視為黏膜屏障的動態(tài)響應(yīng)元件，與先天免疫和適應(yīng)性免疫的其它要素相互作用并作出反應(yīng)。Heazlewood 等[67]發(fā)現(xiàn)黏蛋白的錯(cuò)誤折疊和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激會在小鼠中引發(fā)結(jié)腸炎，同時(shí)黏液屏障的減少和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激都會引發(fā)局部黏膜炎癥。Van Der Sluis等[68]利用小鼠實(shí)驗(yàn)證明黏蛋白可以發(fā)揮屏障作用保護(hù)腸上皮細(xì)胞，黏蛋白的缺失會引發(fā)腸道炎癥。黏蛋白對于保護(hù)腸道屏障的完整，減少細(xì)菌的入侵有重要作用，是維持腸道屏障的重要組成部分。

3 腸黏蛋白在食品營養(yǎng)中的應(yīng)用

3.1 營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸與吸收

黏蛋白構(gòu)成腸道的潤滑劑促進(jìn)食糜沿著胃腸道運(yùn)輸。Li 等[69]利用微流控系統(tǒng)測試了同一肽內(nèi)正電荷和負(fù)電荷結(jié)合的效果，結(jié)果表明肽的運(yùn)輸因黏蛋白的存在增強(qiáng)，而陽離子和陰離子的運(yùn)輸都被黏蛋白減慢。盡管黏蛋白阻礙了均勻帶電底物的運(yùn)輸，但它可能促進(jìn)了帶不同電荷底物的運(yùn)輸。Atuma 等[70]認(rèn)為腸上皮細(xì)胞參與營養(yǎng)吸收，而杯狀細(xì)胞則參與黏液的持續(xù)形成和釋放。在腸道中，杯狀細(xì)胞釋放黏蛋白后，通過鄰近腸上皮細(xì)胞的微絨毛移動黏蛋白，從而保證未攪拌的水層的連續(xù)性。未攪拌水層的深度在很大程度上取決于從微絨毛頂端延伸出來的膜相關(guān)黏蛋白的長度。在腸道中黏蛋白高度糖基化，保證其不被消化系統(tǒng)降解，但可以被腸道中的微生物降解。MUC2 聚糖作為腸道共生細(xì)菌的主要營養(yǎng)源，同時(shí)可為更新腸道黏液提供能量[71]。

在胃腸道中，陰離子肽比陽離子肽更容易在胃黏膜中擴(kuò)散，然而凈電荷為零的肽并不受黏膜的限制更容易擴(kuò)散，這表明在與黏蛋白的相互作用中，蛋白或顆粒表面的電荷分布起著重要的作用[69]。黏蛋白纖維傾向于與疏水、陽離子或氫鍵的基團(tuán)形成低至中等親和度的相互作用[72]。黏液中黏蛋白帶負(fù)電荷，與進(jìn)入黏液層的帶正電的物質(zhì)發(fā)生相互作用。已有研究表明，帶正電的納米顆粒比帶負(fù)電的納米顆粒具有更高的黏附性，導(dǎo)致運(yùn)輸過程中在黏液層中滯留時(shí)間延長。此外，黏液層中有活性巰基，可與其它巰基自發(fā)反應(yīng)形成二硫鍵，同樣會延長粒子在黏液層中的時(shí)間。經(jīng)過PEG修飾的納米粒子由于親水、近中性的表面特性，能夠有效穿透黏液到達(dá)黏膜組織[73]。說明在物質(zhì)的傳遞運(yùn)輸過程中靜電相互作用和二硫鍵起到了主要作用，進(jìn)入腸道中的物質(zhì)也可能會因?yàn)槭杷远y以進(jìn)入黏液層。在研究過程中僅考慮黏蛋白的作用顯然是不夠全面的，還要考慮其它成分與組織和黏蛋白間是否存在協(xié)同作用，對于研究物質(zhì)在腸道中的輸送具有重要意義。

3.2 益生菌黏附與增殖

益生菌可以改善人體腸道菌群、提升身體健康狀況。腸道是益生菌定植的主要場所，益生菌在腸黏膜上定植，與宿主發(fā)生相互作用，抵抗病原體調(diào)節(jié)免疫功能。一些乳桿菌可以促進(jìn)黏液層表面的黏附[74]。益生菌可通過調(diào)節(jié)黏液蛋白的表達(dá)來修飾黏液層。這種調(diào)節(jié)已被證明通過細(xì)菌直接接觸黏膜表面或通過細(xì)菌產(chǎn)物發(fā)生[75]。Kebouchi 等[76]發(fā)現(xiàn)益生菌能增加黏液產(chǎn)生，其成分也可以保持黏液層的完整性。益生菌在寄主組織中具有特異性的黏膜細(xì)胞黏附受體，包括黏液結(jié)合蛋白、磷脂壁酸或胞外多糖，還受到靜電和疏水相互作用等非特異性黏附機(jī)制的影響[77-78]。Plaza-Diaz 等[79]研究也證明黏蛋白基因的表達(dá)可以被益生菌調(diào)節(jié)。益生菌除了黏附作用外，在治療腹瀉等其它腸道疾病方面也有很好的效果。

益生菌在腸道中的黏附性離不開靜電、疏水和氫鍵的相互作用。益生菌在腸道中可以抑制病原微生物的生長繁殖。根據(jù)作用介質(zhì)的不同，細(xì)菌黏附可分為特異性黏附和非特異性黏附。各類細(xì)菌的黏附過程基本相似，先是通過趨化作用使細(xì)菌和易感宿主細(xì)胞表面接近及定位，繼之細(xì)菌黏附素與易感宿主細(xì)胞表面處于靜電荷及疏水性結(jié)合進(jìn)行非特異性黏附，然后黏附素進(jìn)一步與相應(yīng)的特異性受體結(jié)合進(jìn)行特異性黏附[80]。益生菌與細(xì)胞黏附后，會釋放細(xì)胞因子和趨化因子作為相關(guān)蛋白，刺激宿主的系統(tǒng)免疫等[81]。在腸道中乳酸菌的黏附過程包括多種作用力，如：被動力、靜電相互作用、疏水性、空間力等[82]。益生菌維持腸道的免疫平衡，對人體腸道健康有重要作用。檢測人不同益生菌的黏附能力，針對于不同個(gè)體，選擇合適的益生菌極為重要。非活菌益生菌在腸道中也有良好的治療作用，在腸道中的作用機(jī)制也是研究中不可忽視的問題。

4 展望

黏蛋白種類多樣，在人體中分布廣泛，在維持腸道屏障的完整和腸道環(huán)境的穩(wěn)態(tài)中起到重要作用。由于黏蛋白分子質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在人體中還會發(fā)生結(jié)構(gòu)上的改變，給深入探究黏蛋白帶來困難，許多黏蛋白的功能還是未知的。在腫瘤或者癌細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)黏蛋白的表達(dá)，然而對于黏蛋白的表達(dá)過程缺少深入的探究，明確黏蛋白在疾病發(fā)生過程中的作用，可以把黏蛋白作為藥物輸送的靶點(diǎn)為治療提供新的解決方法。黏蛋白在人體發(fā)生疾病時(shí)，結(jié)構(gòu)和活性改變的機(jī)制并不明確。此外，納米顆粒在黏液層中與黏液發(fā)生黏附，可以延長藥物的作用時(shí)間，然而很難穿透黏液層進(jìn)入上皮組織，這是后期的研究中需要克服的重要問題。黏蛋白成為生理、病理研究中不可忽視的因素，在腸道給藥和納米粒子的運(yùn)輸中也是值得研究的課題。在營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行運(yùn)輸吸收的過程中，黏蛋白與物質(zhì)吸附方式、界面活性等互作機(jī)制也是未來食品營養(yǎng)學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。針對黏蛋白腸道中屏障作用的機(jī)制，可以研發(fā)在腸道中滯留時(shí)間較長的食物，在腸道中緩慢釋放能量以提升飽腹感，有利于降脂減肥的新型食品。對于腸道易患病人群，可以嘗試研發(fā)富含益生菌的食物，促進(jìn)黏蛋白對益生菌的黏附和增殖，提高腸道中的益生菌豐度，提升腸道免疫力，預(yù)防腸道疾病的發(fā)生。從長遠(yuǎn)角度看，研究黏蛋白在腸道中的作用機(jī)制是極為重要的，研究者們可以根據(jù)相應(yīng)的作用機(jī)制有針對性的開發(fā)運(yùn)載體、新型食品，提高治療和保健的功效，取得新的進(jìn)展。