日糧蛋白質(zhì)與美拉德反應(yīng)

何 穎 譯自Front iers in Immuno lgy,Vol.9(2018)

李 紅 審 潘雪男 復(fù)審

動(dòng)物的免疫系統(tǒng)能夠保護(hù)機(jī)體免受病原微生物的侵襲，同時(shí)幫助機(jī)體在接觸無害抗原時(shí)產(chǎn)生耐受性。因此，動(dòng)物機(jī)體免疫功能受損與其易感染性增強(qiáng)息息相關(guān)，伴隨著疾病嚴(yán)重程度的加劇，甚至需要使用抗生素進(jìn)行治療。家畜的生產(chǎn)性能、飼料轉(zhuǎn)化率以及健康狀態(tài)均取決于其腸道中的微生物菌群、腸上皮細(xì)胞屏障功能和黏膜免疫系統(tǒng)的活性，這些部位的功能狀態(tài)都可通過日糧的組成進(jìn)行調(diào)控。商品飼料大多要經(jīng)過加工才飼喂寵物和家畜，加工促使飼料中的蛋白質(zhì)和糖發(fā)生的非酶促反應(yīng)稱為美拉德反應(yīng)(Mai l lard react ion，MR)。美拉德反應(yīng)產(chǎn)物(Mai l lard reac t ion produc ts，MRPs)和晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end-products，AGEs)決定了許多食品或飼料的味道、氣味和顏色，因此MR食品和MRPs會(huì)與動(dòng)物體內(nèi)不同類型的免疫受體發(fā)生互作，這些受體包括晚期糖基化終產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGEs)，而MR能夠改變飼料蛋白的免疫調(diào)節(jié)潛能。有研究表明，MRPs/AGEs有助于提高動(dòng)物機(jī)體中與日糧相關(guān)的慢性腸炎的患病率，并抑制動(dòng)物的健康和生產(chǎn)性能，因此日糧中的美拉德反應(yīng)備受關(guān)注。有關(guān)家畜和寵物日糧中MRPs和AGEs免疫調(diào)節(jié)作用的研究很少，但普遍認(rèn)為其與人類食品領(lǐng)域中的相關(guān)概念和機(jī)制相似。

1 動(dòng)物飼料的蛋白質(zhì)質(zhì)量

日糧蛋白質(zhì)是動(dòng)物攝入氨基酸的源泉，動(dòng)物吸收氨基酸并利用它們合成蛋白質(zhì)的效率取決于該日糧蛋白質(zhì)的質(zhì)量和滿足動(dòng)物營養(yǎng)需要的必要?jiǎng)┝俊?dòng)物將各種氨基酸用于生長、發(fā)育、免疫和泌乳等生理活動(dòng)的效率，不僅取決于日糧中氨基酸的含量及其生物利用率，還取決于它們之間的相對比例。當(dāng)日糧中的氨基酸組成不平衡甚至缺乏某種氨基酸時(shí)，日糧蛋白質(zhì)的質(zhì)量和機(jī)體合成蛋白質(zhì)的水平會(huì)降低，例如色氨酸是日糧中含量最低的氨基酸，而賴氨酸通常是動(dòng)物飼料中的限制性必需氨基酸。蛋白質(zhì)在日糧中是必不可少的，蛋白質(zhì)不僅決定了日糧的營養(yǎng)價(jià)值，而且它們還決定了日糧的結(jié)構(gòu)、動(dòng)物的感知和免疫調(diào)節(jié)能力。這些功能的強(qiáng)弱取決于pH、離子強(qiáng)度、溫度、壓力等物理化學(xué)條件，而蛋白質(zhì)及其氨基酸的單一行為在很大程度上是未知和不可預(yù)測的。因此更好地理解食品或飼料生產(chǎn)過程中的這些參數(shù)，因?yàn)樗鼈儠?huì)對食品或飼料的質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。通常酶也是日糧蛋白質(zhì)的一部分，包括蛋白酶(將大分子蛋白質(zhì)水解成小肽)和肽酶(將單個(gè)氨基酸從蛋白質(zhì)和多肽末端解離出來)。在加工過程中蛋白酶主要用于提高日糧蛋白質(zhì)的視覺吸引力、口感、產(chǎn)量、營養(yǎng)價(jià)值和物理特性。加工技術(shù)會(huì)影響食品或日糧中蛋白質(zhì)的質(zhì)量，進(jìn)而影響它們的安全性，因此人們開發(fā)了高壓加工、脈沖電場、射頻和低溫等離子體等新型加工技術(shù)。

日糧蛋白質(zhì)中的氨基酸可發(fā)生交互聯(lián)結(jié)和糖基化反應(yīng)，包括美拉德反應(yīng)或糖基化反應(yīng)。MR是以法國醫(yī)生兼化學(xué)家路易斯·卡米爾·美拉德的名字命名的，他在1912年首次報(bào)道了該反應(yīng)。1953年，約翰·霍布斯提出了MR的化學(xué)機(jī)理，并一直沿用至今。MR也被稱為非酶促褐變反應(yīng)，通常由氨基酸(如賴氨酸、精氨酸)和還原性糖(如果糖、葡萄糖)通過一系列化學(xué)重組進(jìn)行，最終產(chǎn)生美拉德反應(yīng)產(chǎn)物。MRPs包括席夫堿、糖胺(amadori)產(chǎn)物以及作為終產(chǎn)物的晚期糖基化終產(chǎn)物。MR晚期產(chǎn)物可通過糖氧化途徑和非氧化途經(jīng)產(chǎn)生。戊糖素和N-羧甲基賴氨酸[N-(carboxymethyl)lysine，CML]是糖氧化途徑的產(chǎn)物(糖基化和氧化)，吡咯素是非氧化途徑的產(chǎn)物。在還原物主要是糖的情況下，MR的激烈程度與蛋白質(zhì)的加熱溫度和持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān)。加熱溫度過高將增強(qiáng)美拉德反應(yīng)的激烈程度，而使用較低溫度長期熱處理也會(huì)產(chǎn)生相似的結(jié)果。MR的進(jìn)程與環(huán)境中可用糖的種類和含量有關(guān)，例如，與富含果糖的產(chǎn)品相比，富含葡萄糖的產(chǎn)品糖基化反應(yīng)速度較慢。天然存在于日糧蛋白質(zhì)的20種氨基酸中，含ε-氨基的賴氨酸和含胍基的精氨酸對MR最敏感。而組氨酸、色氨酸以及所有包含α-氨基或N-末端氨基的氨基酸或者多肽都可參與美拉德 反應(yīng)。

在發(fā)生美拉德反應(yīng)時(shí)，賴氨酸是反應(yīng)性最激烈的氨基酸，可變性產(chǎn)生賴氨酸衍生物，包括席夫堿——一種可逆但不穩(wěn)定的化合物。隨后，席夫堿經(jīng)重排形成糖胺化合物(ε-N-脫氧酮糖賴氨酸)，該反應(yīng)不可逆且可進(jìn)一步生成晚期美拉德反應(yīng)產(chǎn)物，最終形成類黑素，導(dǎo)致飼料被加工成褐色。氨基參與美拉德反應(yīng)的多個(gè)步驟，因而將會(huì)顯著降低氨基酸的利用率。來自于MR的糖胺產(chǎn)物和AGEs可能會(huì)被動(dòng)物的胃腸道微生物吸收，并代謝形成其他物質(zhì)，或直接通過糞便排出體外。被動(dòng)物機(jī)體吸收的AGEs可能會(huì)在被代謝成其他物質(zhì)后貯存在體內(nèi)，或直接通過尿液將未發(fā)生改變的AGEs排出體外。只有部分類黑素能被動(dòng)物的腸道消化吸收，貯存于腎臟中。與高分子量的類黑素相比，未被吸收的小分子量類黑素在動(dòng)物腸道中被降解。

2 食品加工

食品加工已經(jīng)成為提高食物口感、安全性、品質(zhì)、儲(chǔ)存時(shí)間和營養(yǎng)物質(zhì)生物利用率的常規(guī)程序。長期以來，人類使用不同的方法加工膳食，如腌制、發(fā)酵、熏制、加熱等，以保存膳食并獲得期望的產(chǎn)品特性。在上述提及的加工方法中，熱處理是現(xiàn)代最常使用的方法。自人類發(fā)現(xiàn)火種以來，對生食材的烹飪提高了膳食的口感和消化率。食品工業(yè)廣泛使用高溫對原材料進(jìn)行加工，其中一些加工的溫度高達(dá)250 ℃，以改變膳食的外觀和結(jié)構(gòu)。在食品加工過程中，由于結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)物不同，可能會(huì)產(chǎn)生成分相似但生理效應(yīng)截然不同的產(chǎn)品。一般而言，食品加工對膳食的營養(yǎng)成分有重大影響，會(huì)改變分子的生物學(xué)特性，從而在消費(fèi)者攝入膳食后對身體產(chǎn)生不同的影響。其中一些變性分子能立即對消費(fèi)者產(chǎn)生直接作用，例如提升味覺、嗅覺以及膳食養(yǎng)分的消化率(如淀粉、氨基酸)。在常年食用加工的食品之后，另一些變性分子也可能會(huì)表現(xiàn)出對人類機(jī)體的影響。后者主要指變性分子在人體內(nèi)積累，并隨著時(shí)間的推移逐漸影響機(jī)體的細(xì)胞和組織。AGEs修飾態(tài)蛋白與糖尿病、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎和阿爾茨海默病等多種慢性炎癥性疾病的發(fā)病機(jī)理有關(guān)。本綜述重點(diǎn)闡述家畜和寵物日糧中MRPs和AGEs的免疫調(diào)控作用，因?yàn)檫@方面的研究遠(yuǎn)不如對它們在人類領(lǐng)域所起作用的了解，所以使用了來自人類食品研究領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。飼料中MRPs和AGEs的免疫調(diào)節(jié)活性是基于人類和動(dòng)物同樣相關(guān)的概念和機(jī)制。

3 晚期糖基化終產(chǎn)物

美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的糖基化產(chǎn)物通常被稱為晚期糖基化終產(chǎn)物。研究表明，人類和動(dòng)物攝入過多的AGEs，會(huì)誘發(fā)機(jī)體出現(xiàn)病理變化，因此AGEs日益成為食品和飼料安全研究的主題。AGEs既是人類或動(dòng)物體內(nèi)氧化應(yīng)激和衰老等生理反應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)源性產(chǎn)物，又是膳食和日糧在加工過程中發(fā)生美拉德反應(yīng)后產(chǎn)生的外源性產(chǎn)物。糖基化會(huì)改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，這可能會(huì)導(dǎo)致受影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變形并失去生物活性。內(nèi)源性糖基化和錯(cuò)誤折疊的小分子蛋白質(zhì)在動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)被泛素-蛋白酶復(fù)合體(ubiquitin-proteasome-system，UPS)中的20S蛋白酶降解。然而，當(dāng)進(jìn)一步發(fā)生氧化和交互聯(lián)結(jié)反應(yīng)時(shí)，這類小分子蛋白質(zhì)可能會(huì)形成結(jié)構(gòu)更大的復(fù)合物。大分子結(jié)構(gòu)的糖基化蛋白質(zhì)會(huì)阻斷蛋白酶的活性，具有抗降解能力，從而導(dǎo)致它們在動(dòng)物體細(xì)胞和組織中積累。另一種清除AGEs修飾態(tài)蛋白的機(jī)制是利用溶酶體系統(tǒng)。細(xì)胞受體識(shí)別這些修飾態(tài)蛋白(尤其是外源性蛋白質(zhì))，并將它們內(nèi)化進(jìn)入內(nèi)涵體。含有AGEs的內(nèi)涵體會(huì)被融合到細(xì)胞的溶酶體中，溶酶體蛋白酶會(huì)作用并裂解這些修飾態(tài)蛋白，將其降解成多肽后并通過泌尿系統(tǒng)排出體外，但這一機(jī)制目前尚不十分清楚。

原 題 名：Immunomodulation by processed animal feed: the role of Maillard reaction products and advanced glycation end-products (AGEs)(英文)

原 作 者：Malgorzata Teodorowicz、Wouter H Hendriks、Harry J Wichers和Huub F J Savelkoul