晚期美拉德反應(yīng)產(chǎn)物及其對(duì)動(dòng)物健康的影響

何 穎 譯自Frontiers in Imunolgy,Vol.9(2018))

李 紅 審 潘雪男 復(fù)審

1 美拉德反應(yīng)和受損的日糧蛋白質(zhì)

日糧中的晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end-products，AGEs)通常以與蛋白質(zhì)相結(jié)合的形態(tài)存在，而有些則處于與多肽相結(jié)合的游離狀態(tài)。這些蛋白質(zhì)-AGEs復(fù)合物會(huì)通過(guò)酶促反應(yīng)降解成小片段，被動(dòng)物小腸吸收，或游離在腸腔中，其吸收效率主要與日糧AGEs的消化率有關(guān)。飼料加工過(guò)程中α-二羰基的豐度及其與AGEs形成的相關(guān)性，決定了蛋白質(zhì)-AGEs復(fù)合物的消化率、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和對(duì)動(dòng)物機(jī)體健康的影響。

美拉德反應(yīng)(Maillard reaction，MR)可以在溫度接近人類體溫的環(huán)境中發(fā)生。例如，體外試驗(yàn)中血紅蛋白的一部分血紅素(hemoglobin，HbA0)與葡萄糖反應(yīng)，生成MR產(chǎn)物HbA1c，其進(jìn)一步反應(yīng)的產(chǎn)物包括希夫堿和糖胺化合物。糖尿病患者的體內(nèi)含有高濃度的HbA1c，這些糖基化血紅蛋白的β-鏈N末端的纈氨酸含有α-氨基-1-脫氧果糖。

對(duì)飼料原料進(jìn)行熱加工處理可能會(huì)降低原料和日糧中氨基酸(特別是賴氨酸)的含量、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和消化率。與未受熱損傷的豆粕型日糧相比，飼喂熱損傷的豆粕型日糧會(huì)顯著降低肉雞或斷奶仔豬的體重和胴體重。如果在日糧中加入晶體氨基酸，熱損傷的豆粕型日糧對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能的負(fù)作用能得到部分緩解。熱加工處理對(duì)原料產(chǎn)生的熱損傷也可能會(huì)引發(fā)維生素的損失，例如當(dāng)存儲(chǔ)溫度為70 ℃時(shí)，奶粉中的維生素B6和維生素B1(硫胺素)含量下降。

在晚期糖基化終產(chǎn)物的形成過(guò)程中，由于共價(jià)互作和交互聯(lián)結(jié)作用，蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能特性的改變，由此產(chǎn)生的耐消化作用會(huì)延遲這些蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)率，而AGEs在動(dòng)物機(jī)體中的積累可能會(huì)阻礙組織的修復(fù)。此外，這些AGEs與廣泛表達(dá)于動(dòng)物組織細(xì)胞上的受體結(jié)合，從而刺激動(dòng)物產(chǎn)生氧化應(yīng)激，并導(dǎo)致血管收縮、膠原蛋白沉積過(guò)度以及炎癥反應(yīng)。動(dòng)物的組織細(xì)胞與AGEs長(zhǎng)期結(jié)合可能會(huì)發(fā)展成慢性全身炎癥(代謝性炎癥)，人和狗的許多癌癥病患都出現(xiàn)了全身慢性炎癥。因此，狗糧應(yīng)限制動(dòng)物體內(nèi)AGEs積累對(duì)全身慢性炎癥軸的刺激，進(jìn)而降低日糧中致癌物的活性。測(cè)定食用這種日糧的狗體內(nèi)AGEs和全身慢性炎癥水平，可降低狗患癌癥的發(fā)病率。

在小鼠模型中，小鼠攝入含低水平美拉德反應(yīng)產(chǎn)物(Maillard reaction products，MRPs)的日糧后，體重會(huì)減輕，空腹時(shí)胰島素濃度下降，血清中高密度脂蛋白水平升高，機(jī)體能夠抑制高脂日糧引起的抗胰島素作用。在人糖尿病患者中，當(dāng)除去膳食中的MRPs時(shí)，與糖尿病相關(guān)的并發(fā)癥會(huì)得到改善。晚期糖基化終產(chǎn)物與人類年齡相關(guān)的疾病的病因?qū)W有關(guān)，例如動(dòng)脈粥樣硬化、腎病、視網(wǎng)膜病、骨關(guān)節(jié)炎、神經(jīng)退行性疾病和糖尿病。與人類相似，狗也會(huì)發(fā)生與年齡相關(guān)的疾病。研究發(fā)現(xiàn)，患有糖尿病的高齡犬的組織含有較高濃度的AGEs；同樣，患有白內(nèi)障、骨關(guān)節(jié)炎、神經(jīng)退行性老年疾病、血管功能障礙或動(dòng)脈粥樣硬化等疾病的高齡犬也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。在限制熱量攝入期間，少量攝入日糧AGEs和減少AGEs的積聚可以解釋廣泛報(bào)道的對(duì)衰老及相關(guān)并發(fā)癥的有益影響。

2 美拉德反應(yīng)對(duì)賴氨酸和其他日糧成分生物利用率的副作用

美拉德反應(yīng)不僅會(huì)封阻賴氨酸降低賴氨酸的生物利用率，也會(huì)使賴氨酸發(fā)生聚集交互聯(lián)結(jié)，進(jìn)而阻礙消化酶對(duì)蛋白質(zhì)的水解。這一現(xiàn)象已經(jīng)在動(dòng)物飼料原料中得到證實(shí)，這些原料包括乳制品、用作豬飼料的干谷物、大豆、胡蘿卜、豌豆和玉米。在含糖的情況下，加熱會(huì)降低賴氨酸的生物利用率，降低的程度取決于加工過(guò)程中所用的溫度和加熱的持續(xù)時(shí)間、水活性、環(huán)境的pH?？钒彼?ε-N-呋喃甲酰甲基-L-賴氨酸，又名呋喃素)與MR早期階段密切相關(guān)，它不僅標(biāo)志著果糖賴氨酸、乳糖賴氨酸和賴丙氨酸等美拉德產(chǎn)物的形成和存在，還標(biāo)志著可利用賴氨酸的損失。

除了降低賴氨酸的生物利用率，MRPs還具有很強(qiáng)的礦物質(zhì)螯合能力，會(huì)影響動(dòng)物對(duì)鈣、鐵和磷等礦物元素的利用率。

Rérat等利用豬的體內(nèi)模型進(jìn)行了蛋白質(zhì)原料的飼喂試驗(yàn)，研究高水平MR誘導(dǎo)封阻賴氨酸對(duì)氨基酸和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收和排泄的動(dòng)力學(xué)影響。以飼喂未經(jīng)過(guò)加工的牛奶(無(wú)MR作用)的豬為對(duì)照組，飼喂加工過(guò)的脫脂奶粉(約含50%的賴氨酸因早期美拉德反應(yīng)被封阻)的豬為試驗(yàn)組。結(jié)果是，試驗(yàn)組豬對(duì)乳糖中葡萄糖和乳糖的吸收量減少了。這在一定程度上是由于乳源性乳糖損失造成的，因?yàn)樗鼈儽晦D(zhuǎn)化為ε-脫氧-果糖-半乳糖-賴氨酸(lactuloselysine)和乳果糖。此外，由于吸收受阻，賴氨酸、半胱氨酸和丙氨酸的可吸收總量降低了，且乳果糖賴氨酸出現(xiàn)在試驗(yàn)組豬的門靜脈血液中，表明其不具有生物可利用性。試驗(yàn)組豬的糞便含有較高水平的氨基酸，再次證實(shí)通過(guò)熱加工產(chǎn)生美拉德反應(yīng)將損害蛋白質(zhì)的消化率。熱加工牛奶造成酪蛋白受損，導(dǎo)致賴氨酸的生物利用率降低，這種賴氨酸封阻現(xiàn)象體現(xiàn)在飼喂經(jīng)過(guò)熱處理的酪蛋白的小貓生長(zhǎng)速度減慢上。含高水平MRPs的日糧會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物對(duì)蛋白質(zhì)的消化率降低，雄性動(dòng)物生長(zhǎng)期攝入后，所排糞便的氮排放量會(huì)增加47%，氮的吸收率降低12%且可消化率下降6%。富含MRP的日糧同樣會(huì)影響動(dòng)物對(duì)磷的吸收，導(dǎo)致機(jī)體的磷平衡下降。體內(nèi)和體外試驗(yàn)表明，一些MRPs能夠直接抑制大鼠的刷狀緣酶活性，例如葡萄糖-賴氨酸反應(yīng)復(fù)合物[2-甲基-5(羥甲基)吡咯-1-正亮氨酸]。

此外，豬采食脫脂奶粉后，其門靜脈血液和尿液中的果糖賴氨酸——一種葡萄糖和賴氨酸的糖胺化合物——含量為攝入總量的18.6%。這表明乳糖賴氨酸的半乳糖殘基通過(guò)酶的作用釋放進(jìn)入腸腔或者腸上皮刷狀緣中，隨后通過(guò)腸道屏障被轉(zhuǎn)運(yùn)。大鼠攝入富含MRPs的日糧后，可以在其血液中檢測(cè)到早期和晚期糖基化終產(chǎn)物。日糧中的戊糖素和N-羧甲基賴氨酸[N-(carboxymethyl) lysine，CML]被攝入動(dòng)物體內(nèi)后，約26%～29%的CML會(huì)通過(guò)尿液排出，15%～22%的通過(guò)糞便排出。在人類的身體中，結(jié)合蛋白質(zhì)的果糖賴氨酸從尿液中排出體外的數(shù)量占總攝入量的1.4%～3.5%。與之相比，大約有10%的日糧AGEs被健康人吸收，其中三分之二滯留在體內(nèi)，三分之一在3 d內(nèi)通過(guò)尿液排出。小分子量AGEs是水溶性的，并不屬于肝臟脫毒酶底物，因此排泄迅速。攝入大分子量的戊糖素會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物只能排出2%的AGEs，造成AGEs積累、內(nèi)皮細(xì)胞紊亂和血管疾病。

3 蛋白質(zhì)交互聯(lián)結(jié)免疫原性的影響

在食品的熱加工過(guò)程中，美拉德反應(yīng)以及單獨(dú)的熱處理都會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生交互聯(lián)結(jié)。丙酮醛是動(dòng)物體內(nèi)和體外MR的一種常見(jiàn)中間產(chǎn)物，已經(jīng)被證實(shí)參與了賴氨酸、精氨酸或半胱氨酸形成的交互聯(lián)結(jié)聚集體。正常生理濃度的丙酮醛足以誘發(fā)這些反應(yīng)，產(chǎn)生不同的熒光產(chǎn)物——類似于衰老和糖尿病發(fā)展的蛋白質(zhì)特征。此外，脫氫丙氨酸可能會(huì)與賴氨酸和半胱氨酸殘基反應(yīng)，形成交互聯(lián)結(jié)產(chǎn)物，例如賴丙氨酸(lysinoalanine，LAL)和硫化雙丙氨酸。給大鼠飼喂經(jīng)過(guò)熱處理的酪蛋白后，可在其尿液、血清、肝臟和腎臟中檢測(cè)到。然而，Hellwig等證明，LAL在消化過(guò)程中會(huì)被分解為大分子肽。在熱處理過(guò)程中，除了形成LAL之外，MR或者熱處理引發(fā)的蛋白質(zhì)變性可能會(huì)啟動(dòng)蛋白質(zhì)之間的疏水作用，并形成新的二硫鍵聚集體。蛋白質(zhì)的這種交互聯(lián)結(jié)不僅會(huì)降低它們的消化率，而且會(huì)影響自身的免疫原性和過(guò)敏原性。Roth-Walter等證實(shí)動(dòng)物的腸上皮細(xì)胞影響凝聚的β-乳球蛋白和α-乳球蛋白吸收。在小鼠模型中，蛋白質(zhì)的凝聚被證實(shí)可以增加腸黏膜下淋巴集結(jié)(Peyer’s patches)對(duì)其的攝入量。與非凝聚蛋白質(zhì)相比，這種吸收會(huì)顯著增強(qiáng)與黏膜T輔助細(xì)胞2(T helper 2，Th2)相關(guān)的抗體應(yīng)答，明顯提高細(xì)胞因子的產(chǎn)生量。同樣，小鼠攝入交互聯(lián)結(jié)的β-乳球蛋白后會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)烈的過(guò)敏反應(yīng)，這可能是由于小鼠對(duì)胃腸道蛋白質(zhì)水解的抵抗力增強(qiáng),逆行蛋白運(yùn)輸?shù)交啬c淋巴集結(jié)，以及抗原遞呈細(xì)胞的攝入和處理發(fā)生了改變。Liu等發(fā)現(xiàn)乳清蛋白在熱處理過(guò)程中發(fā)生凝聚反應(yīng)與水活度降低和MR進(jìn)度呈正相關(guān)。此外，凝聚物的形成不僅與細(xì)胞結(jié)合的配體有關(guān),而且也與可溶性晚期糖基化終產(chǎn)物受體(soluble receptor for advanced glycation end products,sRAGEs)的形成有關(guān)，這說(shuō)明增強(qiáng)了MR修飾的凝聚物的免疫原性。

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