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动物消化道脂肪酶研究概述

动物消化道脂肪酶研究概述

杨汉博  王  峰

    

    动物体内存在着多种脂肪酶,它们参与了脂肪消化、吸收、利用的全过程。由于食物中的酯类(以甘油三酯为例)必须先被脂肪酶水解为甘油二酯、甘油一酯和脂肪酸才能被机体吸收,如何提高食物中酯类的消化吸收率成为现在营养学中的新热点,脂肪酶是其中的研究重点,本文综述了动物消化道十二指肠前脂肪酶(舌部脂肪酶、胃脂肪酶)和胰脂肪酶的特点、特性及研究进展。

    1 消化道脂肪酶来源和特点
    在相当长的一段时间里人们一直认为消化道中脂类的消化起始于肠道,胃被认为是一个临时性的贮存器官,只起到将脂类与其他营养物质混合和搅拌作用,脂类在肠道内由胰脂肪酶水解,而甘油三酯在胃的酶解过程是可以忽略的。但最近的研究却推翻了这种认识,研究发现十二指肠前脂肪酶(来源和作用于口腔至胃的脂肪酶称作十二指肠前脂肪酶)在胃中对脂肪的消化起着不可或缺的作用,因此,动物消化道内脂肪酶主要包括十二指肠前脂肪酶和十二指肠内的胰脂肪酶,它们共同发挥脂肪消化、吸收的作用。
    根据分泌的部位不同,十二指肠前脂肪酶分为舌部脂肪酶和胃脂肪酶,大鼠、小鼠、牛和羊含舌部脂肪酶,兔、猪、狒狒和人含胃脂肪酶。犊牛的舌部脂肪酶的催化能力比羔羊舌部脂肪酶的催化能力强。犊牛舌部脂肪酶对三丁酸酯和4-硝基苯基乙酸酯水解的最适pH值分别是6.9和8.0,而羔羊舌部脂肪酶的分别是6.6和6.8。牛、羊舌部脂肪酶对硝基苯基乙酸酯的最适温度为37.5℃和30℃。舌部脂肪酶仅能水解短链或中链甘油三酯,但也有报道可以水解链长达C18的甘油三酯,但其水解速度却有很大区别,水解三丁酸甘油酯的速度是水解三油酸甘油酯的3~8倍,此酶的最适pH范围为2.2~8.5,最适作用温度为28~45℃。
    Takayuki Kawai和Tohru Fushiki(2003)认为人胃脂肪酶是一个酸稳定性酯解酶,它在胃、十二指肠和空肠中对日粮中的甘油三酯起到消化和吸收作用。这个酶主要由基底膜上的主细胞合成,然后分泌到胃中,消化胃内容物中10%~30%的甘油三酯,甘油二酯和脂肪酸是主要的产物。但人胃脂肪酶不能水解胆固醇酯中的酯键,其在胃中对脂肪有限的消化对随后辅酶依赖胰脂肪酶和胆盐激活脂肪酶的水解起到关键作用。当由于胰腺炎或胆囊纤维化或酒精滥用导致胰脏分泌功能下降时,人胃脂肪酶在代谢中的作用就显得越发突出了。胃脂肪酶在缺乏白蛋白(可以与脂肪酸结合)时,对脂肪的水解产物主要是甘油二酯和游离脂肪酸。加入过量的白蛋白后(0.7~1.4mM)可以使酯解完全,并且使甘油三酯完全降解为甘油和游离脂肪酸,当pH高于6.0后,酶解活性飞速下降。在pH3.0~8.0的范围内37℃温浴10或30min不影响酶活。在60℃水浴时,酶活下降很快,而在50℃温浴15min,损失20%的酶活,温浴30min则损失75%的酶活。
    试验发现,大鼠舌部脂肪酶在出生前2d就产生了,在出生后飞速增加。人胃脂肪酶在未出生的婴儿时就存在,最早出现在妊娠26周时。这些婴儿具有较强的水解食物脂肪的能力。在先天缺乏胰脂肪酶的婴儿中,日粮(食物)中50%~60%的甘油三酯能被吸收,而在缺乏胰脂肪酶的犊牛中,超过70%的长链甘油三酯能被吸收。在新生儿和早熟婴儿,酯解的产物(脂肪酸和甘油二酯)可以乳化脂类混合物而弥补胆盐的不足。
    胰脂肪酶是由胰腺合成、分泌的一种中性脂肪酶,它经胰管流入十二指肠中发挥降解脂肪的作用。它是目前研究的最多、最为深入的消化道脂肪酶。各国研究人员根据所发现胰脂肪酶的不同功能对其进行了不同的命名,如胰甘油三酯酯酶、胰胆固醇酯酶、胆盐激活脂肪酶、胆盐依赖脂肪酶、胆盐活化脂肪酶等等。含8个碳原子以下脂肪酸的脂肪不需经过水解就可被吸收,而对于含8个碳原子以上脂肪酸的脂肪则必须经过酶水解后吸收。

    2 消化道脂肪酶的结构和功能
    研究表明,十二指肠前脂肪酶和胰脂肪酶虽然同属丝氨酸水解酶,但是它们的初级结构和高级结构的差异决定了脂肪酶的水解底物的特异性、速率以及发挥作用的方式不同。
    2.1 “盖子域”结构对脂肪酶酯解作用的影响
    通过对非消化道脂肪酶的研究发现,盖子域是所有脂肪酶的固有结构。Mark E. Lowe(1997,2002)报道人和鼠的胰甘油三酯脂酯酶含有465个氨基酸残基,其中含有一个16个氨基酸残基的信号肽,而成熟的蛋白含有449个氨基酸残基。结构分析表明可以把胰脂肪酶分成两个域,一个是从1~335氨基酸残基的以β折叠为核心的球状的N端域,而C端则是以β折叠构成的三明治结构。胰脂肪酶中由cys238和cys262形成的二硫键结构是最大的环状结构,该结构覆盖住了催化基团,即所谓的LID盖子域。两个较小的环由76~80氨基酸残基构成以及由213~217氨基酸残基形成的β5折叠也在空间上盖住了催化部位。这些环状结构只有在辅酶和(或)辅基的作用下,使盖子域结构发生变形,将活化部位暴露给底物,胰脂肪酶才能发挥酯解作用。人们一般认为胰脂肪酶的辅酶是辅脂酶,其辅基是胆汁酸(Tsujita等,1987),在胰脂肪酶的C端有两个胆汁酸的位点和一个辅脂酶的位点,当胆汁酸和辅脂酶都与胰脂肪酶结合后,它们形成了胆汁酸-辅脂酶-胰脂肪酶三联体,共同发挥水解脂类的作用。十二指肠前脂肪酶则不需要辅酶或辅基参与打开盖子域,而是直接发挥脂肪水解作用。
    2.2 消化道脂肪酶底物特异性
    Ewa RogalskaS等(1990)研究了猪胰脂肪脂肪酶、兔胃脂肪酶和人胃脂肪酶对化学结构类似、但在同一甘油三酯分子中立体结构不同的酯键的立体选择性,结果表明两种胃脂肪酶对sn-3位具有立体选择性。如果由对映体过量百分率表示的话,人和兔胃脂肪酶对三辛酸甘油酯和三油精分别是54%、70%和74%、47%,而猪胰脂肪酶的则分别是3%和8%。值得注意的是,兔胃脂肪酶与人胃脂肪酶不同,对含有短酰基链的三酰甘油(三辛酸甘油酯)更具有立体选择性。
    Stiiphane Ransac(1990)用单分子膜技术研究了猪胰脂肪酶,兔胃脂肪酶和人胃脂肪酶对甘油酯异构体类似物的立体选择性。人工合成伪甘油酯如异构体1(3)-烷基-2,3(1,2)-二酰基-sn-甘油,1(3)-烷基-2-酰基-甘油,1(3)-酰基-2-酰氨基-2-脱氧-sn-甘油,以研究水解这些甘油类似物中初级或次级酯键时脂肪酶的立体选择性。研究发现猪胰脂肪酶对(3)-酰基-2-酰氨基-2-脱氧-sn-甘油(二基油酯类似物)的sn-3具有立体选择性,而当底物是1(3)-烷基-2,3(1,2)-二酰基-sn-甘油(三酰甘油类似物)时则无选择性。与胰脂肪酶不同的是胃脂肪酶对初级键为sn-3的酯键水解的亲合力更强。
    从这些动力学数据可以看出,兔胃脂肪酶具有很高的水解效率而且无手性的区别,而人胃脂肪酶在从1(3)-烷基-2-酰基-甘油的次级酯键中水解酰基链时的效率很低从而表现明显的手性选择性。
    2.3 消化道脂肪酶脂肪水解产物的差异
    舌部脂肪酶能水解短链、中链甘油三酯,甚至长达C18的甘油三酯。Ruth 和 Robert(1983)从大鼠舌头上分离到的舌部脂肪酶的活性是230单位/mg蛋白,在pH5.4时,当溶液中含17mM牛磺脱氧胆酸钠和3.3mM氯化钙时,纯化的舌部脂肪酶能够很快的将长链三酰甘油水解成二酰甘油和脂肪酸。水解形成的甘油二酯、甘油一酯与三酰甘油的比率分别是1:6 和1:20。
    动物进食1~20min之内食物中10%~30%脂肪降解成部分甘油和游离脂肪酸,反应的主要产物是甘油二酯(甘油类产物中占60%~80%),其次是甘油一酯(10%~15%),剩余的则是甘油(不到5%)。主要产物为甘油二酯的原因可以解释为酶的立体构型选择性:舌部脂肪酶水解甘油三酯sn-3位的速度是sn-1位的速度的两倍,而产物的抑制作用,由于游离脂肪酸的积累也会影响反应产物的形成。因此,胃脂肪酶先是将甘油三酯水解为甘油二酯,然后再水解为甘油一酯和脂肪酸,其主要的水解产物是甘油二酯和脂肪酸。而胰脂肪酶则是直接将甘油三酯水解为甘油一酯和脂肪酸。
    通过十二指肠前脂肪酶和胰脂肪酶的共同作用,饲料中的脂肪在消化道被水解成甘油二酯、甘油一酯和脂肪酸,甘油一酯和脂肪酸继而与胆汁酸等两性物质形成混合微团,再被吸收,甘油二酯在十二指肠中进一步被水解为甘油一酯被吸收。其中,十二指肠前脂肪酶在胃中将食物中10%~30%的脂肪水解为部分甘油酯(主要是甘油二酯)和游离脂肪酸。这个过程促进了小肠中各种脂类的乳化,可以引发十二指肠中胰脂肪酶的快速水解作用以提高胰脂肪酶的功效,因此能够保证几乎所有的日粮脂肪均被消化。另外,十二指肠前脂肪酶在胃中的酸性环境对日粮甘油三酯的水解,在新生儿中以及胰脂肪酶分泌不足时起重要作用,它可以在胰脂肪酶活性不足时起到代偿作用。

    3 消化道脂肪酶及相关物质在畜牧业中的应用前景
    综上所述,在十二指肠前脂肪酶和胃脂肪酶的共同作用下,饲料中的脂肪被水解成甘油二酯、甘油一酯和脂肪酸。甘油一酯和脂肪酸与胆汁酸等两性物质形成混合微团,再被吸收;甘油二酯在十二指肠中进一步被水解为甘油一酯被吸收。因此,如何充分利用各种脂肪酶的特性,充分利用体内脂肪酶,使饲料或乳汁中的脂肪能够更快、更好的消化吸收是养殖业面临的一个问题。在现代畜牧业中,为提高生产效率,过早地将幼畜断奶,让其采食固体饲料,这时幼畜会面临很多的问题,如胰脏和肝脏功能的不成熟导致胰脂肪酶和胆盐的水平较低,而十二指肠前脂肪酶也不能有效水解饲料中的脂类物质,导致幼畜不能有效地利用食物中的脂肪,致使幼畜脂肪酸、能量摄入不足或引起脂肪泻。为避免以上问题的发生,在养殖过程中通常采取以下措施:
    3.1 添加外源性的胰脂肪酶样物质
    为弥补幼龄动物脂肪酶的不足,有效提高饲料中脂肪的消化吸收率,可以外源添加脂肪酶。由于十二指肠前脂肪酶的活力远远低于胰脂肪酶,因此,在饲料中添加胰脂肪酶样物质是较好的选择。但由于生产胰脂肪酶产率低、活性低,尚未形成工业化生产,目前没有在饲料工业中使用。当前已经实施工厂化生产的脂肪酶,由于其特性与胰脂肪酶差异较大,也只是在化妆品和食品业中应用,要在饲料中添加尚需时日。
    3.2 添加胆汁酸,以使内源性的胰脂肪酶发挥更大的作用
    胆汁酸作为胰脂肪酶的辅基成分,能够激活并稳定化胰脂肪酶,从而使体内有限的胰脂肪酶发挥最大功效,有效提高饲料脂肪的消化吸收率,提高能量和营养物质的消化吸收率,并有效减少腹泻的发生。
    (参考文献略)