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(guò)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(duì)腸道黏膜起到潤(rùn)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(yíng)養(yǎng)越來(lái)越得到重視。人體的生長(zhǎng)發(fā)育需要消化、吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。因個(gè)體的差異而對(duì)于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的種類和需求量各不相同。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)攝入不足會(huì)導(dǎo)致多種機(jī)體疾病的發(fā)生，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)攝入過(guò)量會(huì)導(dǎo)致無(wú)效營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累，對(duì)人體造成危害[6]。腸黏液和黏蛋白為腸道的重要成分，對(duì)研究營(yíng)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(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)中的意義。

1 黏蛋白簡(jiǎn)介

1.1 來(lái)源

黏蛋白是一類分子質(zhì)量在40 萬(wàn)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(lái)，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(guò)細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng)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(guò)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(huì)影響杯狀細(xì)胞長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(hào)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(guò)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(duì)體外黏液流變特性的影響并與純化的黏蛋白進(jìn)行對(duì)比，研究表明胃黏液的黏彈性特性對(duì)pH 值的變化是相當(dāng)穩(wěn)定的，而純化的黏蛋白溶液對(duì)pH 值比較敏感。同時(shí)，當(dāng)對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)極大地影響其作為潤(rùn)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(duì)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(guò)程會(huì)被腸黏液屏障阻礙。探究腸黏液的流變性對(duì)于藥物跨過(guò)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(guò)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(huì)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(duì)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(duì)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(yíng)等[61]利用黏液黏附模型證明乳桿菌對(duì)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(dòng)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(huì)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(huì)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(huì)引發(fā)腸道炎癥。黏蛋白對(duì)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(yíng)養(yǎng)中的應(yīng)用

3.1 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸與吸收

黏蛋白構(gòu)成腸道的潤(rùn)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(cè)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(yáng)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(yíng)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(guò)鄰近腸上皮細(xì)胞的微絨毛移動(dòng)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(lái)的膜相關(guān)黏蛋白的長(zhǎng)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(yíng)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(yáng)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(yáng)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(guò)程中在黏液層中滯留時(shí)間延長(zhǎng)。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(huì)延長(zhǎng)粒子在黏液層中的時(shí)間。經(jīng)過(guò)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(shuō)明在物質(zhì)的傳遞運(yùn)輸過(guò)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(huì)因?yàn)槭杷远y以進(jìn)入黏液層。在研究過(guò)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(duì)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(chǎng)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(guò)調(diào)節(jié)黏液蛋白的表達(dá)來(lái)修飾黏液層。這種調(diào)節(jié)已被證明通過(guò)細(xì)菌直接接觸黏膜表面或通過(guò)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(kāi)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(zhǎng)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(guò)程基本相似，先是通過(guò)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(huì)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(guò)程包括多種作用力，如：被動(dòng)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(duì)人體腸道健康有重要作用。檢測(cè)人不同益生菌的黏附能力，針對(duì)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(wèn)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(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)上的改變，給深入探究黏蛋白帶來(lái)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(duì)于黏蛋白的表達(dá)過(guò)程缺少深入的探究，明確黏蛋白在疾病發(fā)生過(guò)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(zhǎng)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(wèn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行運(yùn)輸吸收的過(guò)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(lái)食品營(yíng)養(yǎng)學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。針對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)性的開(kāi)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。