生物活性肽研究现况和进展李 勇(北京大学公共卫生学院营养与食品卫生学系,北京,100083)摘 要 生物活性肽指对生物机体的生命活动有益或具有生理作用的肽类化合物,包括内源性和外源性生物活性肽;其吸收机制优于游离氨基酸,且具有氨基酸不可比拟的生理功能和改善食品感官效应。
海洋生物活性肽资源丰富,有增强免疫、抗氧化、抗高血压、抗肿瘤、抗菌和抗病毒等活性,开发利用前景广阔。
关键词 肽,生物活性肽,海洋生物活性肽,生理功能收稿日期:2006-01-031 肽和生物活性肽基本概念肽(peptides )是分子结构介于氨基酸和蛋白质之间的一类化合物,是蛋白质的结构与功能片段,并使蛋白质具有数以千万计的生理功能。
肽本身也具有很强的生物活性。
氨基酸是其基本构成单位,由2个或3个氨基酸脱水缩合而成的肽分别叫二肽和三肽,以此类推为四肽、五肽。
一般说来,肽链上氨基酸数目在10个以内的叫寡肽,10～50个的叫多肽,50个以上的叫蛋白质。
人们习惯上也把寡肽中的二、三肽称为小肽。
由于构成肽的氨基酸种类、数目与排列顺序的不同,决定了肽纷繁复杂的结构与功能。
生物活性肽(biologically active peptide /bioactive peptide /biopeptide )是指对生物机体的生命活动有益或具有生理作用的肽类化合物,又称功能肽(func -tional peptide )。
肽由氨基酸组成,人体存在20种氨基酸,由不同的氨基酸的种类排列,加上数量排列形成,再加上还可能有的二级、三级结构,其种类是十分庞大的。
每一种活性肽都具有独特的组成结构,不同活性肽的组成结构决定了其功能。
此外活性肽在生物体内的含量是很微量的,但却具有显著的生理活性。
据研究,有些多肽在10-7mol /L 的浓度时仍具有生理活性,就是说1m L 的多肽用60倍水稀释后,仍然具有生理功能。
而且生物体可依据生理状态来合成和降解活性肽,因此,具有调节功能的活性肽的半衰期均很短。
1975年Hughes 等首先报道从动物组织中发现了具有类吗啡活性的小肽;1979年Brantl 等从酶解的酪蛋白水解产物中分离到1个七肽物质(Tyr -Pro -Phe -Pro -Gly -Pro -Ile ),为β-酪蛋白的第60～66氨基酸残基片段,具有阿片活性。
阿片样肽(opioidpeptide )具有类阿片受体配体活性,能够作为激素和神经递质与体内的受体相互作用,具有镇痛和调节人体情绪、呼吸、脉搏、体温的功能。
内源性阿片肽包括脑啡肽、内啡肽、强啡肽、孤啡肽。
目前已经从小麦谷蛋白和大米蛋白中提取出了外源性阿片样肽。
它们与普通镇痛剂的不同点是经过消化道进入人体后无任何副作用,不会有成瘾性,这方面已成为药理学、功能食品学研究的热点。
目前已经从动、植物和微生物中分离出多种多样的生物活性肽。
生物活性肽的结构可以从简单的二肽到较大分子的多肽(数百个氨基酸)。
生物活性肽的生物学意义主要体现在其吸收机制优于氨基酸和具有氨基酸不可比拟的生理功能两个方面,其生理功能主要有类吗啡样活性、激素和调节激素的作用,对生物体内的酶具有调节和抑制功能,免疫调节,抗血栓,抗高血压,降胆固醇,抑制细菌、病毒,抗癌作用,抗氧化和清除自由基作用,改善元素吸收和矿物质运输,促进生长,调节食品风味、口味和硬度等。
因此,生物活性肽是筛选药物、制备疫苗和食品添加剂的天然资源宝库。
2 生物活性肽分类2.1 按来源分———内源性生物活性肽和外源性生物活性肽目前,生物活性肽尚无较为一致的分类方法。
按其来源可分为内源性的生物活性肽和外源性的生物活性肽两类。
内源性生物活性肽即机体内存在的天然的生物活性肽,主要包括体内一些重要内分泌腺分泌的肽类激素,如促生长激素释放激素、促甲状腺素、肝脏合成的类胰岛素生长因子、胸腺分泌的胸腺肽、脾脏中的脾脏活性肽、胰腺分泌的胰岛素等;由血液或组织中的蛋白质经专一的蛋白水解酶作用而产生的组织激肽,如缓激肽、胰激肽;作为神经递质或神经活动调节因子的神经多肽;以及由昆虫、微生物、植物等生物体产生的抗菌肽。
其它如阿片肽、成纤维细胞生长因子(FGF)、表皮细胞生长因子(EGF)、转化生长因子-β(TGF-β)、血小板衍化生长因子(PDGF)、角化细胞生长因子(KGF)等。
外源性生物活性肽包括存在于动植物和微生物体内的天然生物活性肽和蛋白质降解后产生的生物活性肽成分,直接或间接来源于动物食物蛋白质,如动物乳汁,尤其初乳,就可直接提供多种生物活性肽,包括乳源性表皮生长因子、神经生长因子、转化生长因子和胰岛素等;动物饲料蛋白质原料,包括筋肉、牛乳酪蛋白、小麦谷蛋白、小麦醇溶蛋白、玉米醇溶蛋白、大豆蛋白等在动物胃肠道消化后可间接提供多种生物活性肽;也可以进行人工合成,如风味肽、苦味肽等。
外源性生物活性肽进入机体后可经磷酸化作用、糖基化作用或酰基化作用变换为多种其它形式的肽。
外源性活性肽与内源性活性肽的活性中心序列相同或相似,外源性活性肽在蛋白质消化过程中被释放出来,通过直接与肠道受体结合参与机体的生理调节作用或被吸收进入血液循环,从而发挥与内源性活性肽相同的功能。
生物活性肽的来源主要有3种:(1)存在于生物体中的各类天然活性肽。
(2)消化过程中产生的或体外水解蛋白质产生的。
(3)通过化学方法(液相或固相)、酶法、重组DNA技术合成。
活性肽合成的方法各有优缺点,方法的选择主要取决于所需肽的长短和数量。
化学法广泛用于生产具有高价值的短的到中长的药理级肽,如酪啡肽和酪激肽等,但缺点是成本高,而且在反应过程中对健康和环境可能有害。
重组DNA法也被广泛应用,但现在的趋势是这种方法仅限用于大肽和蛋白质的生产;许多具有营养特性的活性肽都是短肽,所以在这方面用重组DNA法是很有限的。
酶法合成肽则有若干优点,其安全性极高,价廉,易于推广。
因此,作为食物和饲料添加剂生产,酶法合成肽成为最佳选择。
国外对生物活性肽进行了大量的基础研究,并通过应用研究将多种生物活性肽推向市场,获得了巨大的经济效益,基因工程和蛋白质工程大大推动了生物活性肽的生产和应用。
我国对生物活性肽的研究主要集中在天然肽的分离、纯化上,对基因组合肽库和化学组合肽库的构建、筛选及应用才刚刚起步。
2.2 按功能分———生理活性肽和食品感官肽从功能上来分,生物活性肽可分为生理活性肽(phy siologically active peptides)和食品感官肽(pep-tides with sensory properties)。
前者包括抗菌活性肽、免疫活性肽、抗高血压活性肽、抗氧化活性肽等。
另有一些生物活性肽可能不发挥重要的生理功能,但可改善食品的感官性状,称之为食品感官肽,包括味觉肽(甜味肽、酸味肽、苦味肽、咸味肽)、增强风味肽、表面活性肽、硬度调节肽等。
甜味肽如阿斯巴甜二肽和阿粒甜素被证明是有效的阿斯巴甜替代品,且其性质稳定,在食品工业中应用广泛。
酸性肽的共同特点是由谷氨酸或天门冬氨酸这2种酸性氨基酸与其他氨基酸形成寡肽或多肽,酸性肽不仅存在于食物蛋白的降解产物中,而且也已经从牛脑和猪脑中分离得到了天然的牛酸性神经肽和猪酸性神经肽。
已经证明,牛酸性神经肽具有对抗吗啡的成瘾作用,对痴呆大鼠具有治疗作用。
这说明酸性肽不仅对味觉神经末梢直接发挥作用,而且也对中枢神经的学习记忆功能发挥作用。
苦味肽可从很多食物中分离出来,如干酪、啤酒、可可等,并是这些食物的基本成味物质。
咸味肽主要是碱性肽,可作为无钠调味剂,用于高血压等心脑血管病患者。
寡聚谷氨酸在加入蔬菜和果汁时能掩盖其苦味,因此这些肽可作为加工食品风味和香味化合物的前体。
另外一些C2肽可通过自身的缓冲作用增强食物的风味。
2.3 按取材分———海洋生物活性肽和陆地生物活性肽海洋生物活性肽包括鱼类多肽、扇贝多肽、海绵多肽、海鞘多肽、海葵多肽、海藻多肽等;陆地生物活性肽包括大豆多肽、乳蛋白活性肽、麦胚活性肽、玉米蛋白肽等。
国外如德国、日本较早开始了乳蛋白活性肽等的研究开发工作;我国在大豆多肽方面研究的较多,而海洋生物活性肽的研究在总体上滞后于陆地活性肽的研究。
3 生物活性肽的吸收传统观点认为,蛋白质是一类种族特异性很强的大分子,在体内需经完全消化吸收为氨基酸才可以被吸收。
完整肽进入上皮细胞,而在细胞内水解的吸收通路的存在被忽视了相当长的时间。
早在一百多年前,就有人提到了肽转运的可能性。
1959年Ag ar等首先观察到肠道能完整地吸收转运双甘肽,此后Neway和Smith证实了肽可以被完整转运吸收的观点。
研究认为,蛋白质在肠道中并非全部被水解为氨基酸,有很大一部分为小肽(一般认为是二肽、三肽),几乎所有三肽以上的寡肽经小肠黏膜刷状缘肽酶水解后,以自由氨基的形式吸收和转运。
目前的研究认为,小肽比多肽、L型比D型、中性比酸碱性肽更易吸收。
二肽和三肽能被完整的吸收,但三肽以上的寡肽是否能被完整吸收还存在着争议。
肠细胞对游离氨基酸的主动转运存在中性、碱性、酸性氨基酸和亚氨基酸4类系统。
游离氨基酸的逆梯度转运,依靠不同的钠离子泵转运系统而进行。
而小肽的吸收与其完全不同,小肽的吸收是逆梯度的,其转运系统可能有以下3种:(1)依赖氢离子浓度或钙离子浓度的主动转运过程,需要消耗ATP(三磷酸腺苷)。
这种转运方式在缺氧或添加代谢抑制剂的情况下被抑制。
(2)具有pH依赖性的非耗能性钠、氢离子交换系统。
(3)谷胱甘肽(GSH)转运系统。
由于谷胱甘肽在生物膜内具有抗氧化作用,因而GSH转运系统可能具有特殊的生理意义。
总之,小肽与游离氨基酸相比,其吸收机制不同,小肽的吸收主要依赖于H+或Ca2+转运体系,转运具有耗能低、转运速度快、载体不易饱和等优点;游离氨基酸主要依赖Na+转运体系,吸收慢,载体易饱和,吸收时耗能大。
因此小肽的吸收速度大于相应游离氨基酸。
而且肽的吸收避免了氨基酸之间的吸收竞争;吸收进入血液的小肽,以比氨基酸更快的速度被机体组织利用;肽比游离氨基酸更少高渗性,故可提高吸收率,减少渗透压问题;寡肽的抗原性比多肽或其原型蛋白质的抗原性低;寡肽具有良好的感官效应。
总之,肽的吸收机制优于氨基酸,而且营养作用强于游离氨基酸。
4 生物活性肽的生理功能4.1 抗菌活性抗菌活性肽常见于从动物、植物、微生物体内分离或免疫昆虫获得,多数是50个氨基酸以下的碱性或正离子肽,富含赖氨酸和精氨酸。
具有亲水性和亲脂性,亲水性使其溶于体液,亲脂性使其与细菌细胞膜结合,使敏感细菌的细胞膜下形成小孔,致使细胞泄漏,导致生长受抑直至死亡。
从乳链球菌中提取出来的乳链球菌素是目前唯一被允许使用于食品防腐且对人体安全的天然防腐剂。
从乳铁蛋白中分离出来的抗菌肽具有拮抗产肠毒素大肠杆菌和李斯特杆菌的作用。
抗菌肽在体内还不容易产生耐药性,因此有着广泛的应用前景。
