当前位置:  首页 >> 科学传播 >> 科普文章

科普文章

肠道中的酶世界

发布时间:2020年11月02日

  在我们人体的胃肠道内寄生着10万亿个、1000多种不同的细菌,这些数量庞大、种类繁多的微生物叫做肠道菌群,被喻为人体的"第二大脑"【1】。它们不仅能够影响我们的体重、消化能力、抵御感染的能力和自体免疫疾病的患病风险,甚至还能控制人体对癌症治疗药物的反应【2】。现代科学研究发现,这些与人体共生的肠道菌群并非只是简单的细菌群落,而已经成为了人体重要的代谢"器官",与人体健康密不可分。

肠道菌群--人体重要的代谢"器官"

 

对食物的消化作用

  俗话说,人是铁、饭是钢,一顿不吃饿得慌,如果按照每个人每天吃1kg食物计算的话,我们一个人一生要消耗25.55吨食物。那么肠道是如何对食物进行消化吸收,从而影响人体健康的呢?当食物进入口腔后,我们的身体便开始了对其的消化过程,一方面是通过咀嚼及胃肠道蠕动等作用进行的物理性消化,同时我们的消化腺还能够分泌消化液对其进行化学性消化。这两点是我们所熟知的、已经写进教科书多年的知识。此外,还有一点非常关键的,便是以前被我们所忽略的,肠道微生物对食物的转化作用,那么,肠道微生物是如何转化食物的呢?有句古话说的好,工欲善其事,必先利其器,肠道菌群欲发挥其消化食物的功能,也必须先磨练好自己的武器,将自己武装到牙齿。而酶就像微生物的牙齿。当菌群遇到自己喜欢的食物时,便迅速调整、调动相应的酶,针对性的组装成一副锋利的牙齿,高效、且精准的将食物咬住、分解及转化,在获取满足自身生长需求的美食同时,也为他们最忠实的朋友--人体,提供了更多易吸收、功能强的营养组分。肠道中的酶主要由两部分构成,一部分是我们人体自身的基因组所编码的酶;另一部分则是肠道菌群所编码的酶,这一部分酶可能占有更大的比例。

肠道菌群的"牙齿"--酶

 

对复杂多糖的转化利用

  我们每天从饮食中摄入大量的蔬菜、水果及谷薯类,这些植物源食品中都含有大量且复杂的多糖成分,如抗性淀粉、果胶、木聚糖等,但人体只能直接消化日常饮食所摄入碳水化合物中的某些淀粉及单糖,剩余的复杂多糖可转运到大肠中被肠道菌群利用。因此,人体肠道菌群对于代谢不可直接被人体消化吸收的碳水化合物至关重要。碳水化合物活性酶(carbohydrate-active enzymes, CAZymes)是在人体肠道中存在的一类降解复杂多糖的酶类,包含糖苷水解酶(glycoside hydrolases, GHs)、糖苷转移酶(glycosyltransferases, GTs)、多糖裂解酶(polysaccharide lyases, PLs)、碳水化合物酯酶(carbohydrate esterases, CEs)和辅助氧化还原酶类(auxiliary activities, AAs)。肠道菌群通过其编码的各种CAZymes,对主、侧链上一系列糖苷键进行水解和修饰,并利用多酶之间的协同作用降解难以被人体直接消化吸收的复杂碳水化合物,同时可生成信号分子,以进一步在人体细胞中利用,进而还能起到调节人体生理及病理过程的作用【3】

日常饮食中复杂多糖的主要来源

 

结构生物学助力解密酶世界

  酶作用强大,但却看不见、摸不着。结构生物学就像一个超级放大镜,将肉眼看不到的酶放大到原子水平,并以各种美丽的姿态呈现在我们眼前。因此,在它的帮助下,我们可以从本质上解密肠道中酶与食物的"锁钥关系"。随着分子生物学、结构生物学和酶学技术的不断发展,具有独特催化特性和结构特性的新型CAZYmes也从人体肠道菌群中被相继发现【4】,为解密肠道菌群转化食品组分的酶学机制提供了帮助。本文以生活中常见、但组成和结构极为复杂的果胶为例,阐述其在肠道内的酶学转化机制。

  我们的日常膳食中含有一类非常复杂的多糖成分--果胶。根据其主链和支链的不同,可被分为同型半乳糖醛酸聚糖、鼠李半乳糖醛酸聚糖 I 和 II、以及木糖半乳糖醛酸聚糖四类。其中II型鼠李半乳糖醛酸聚糖(rhamnogalacturonan-II,RGII)的组成和结构最为复杂,结构包含13种多糖、21种糖苷键和5种侧链,需要依赖多种酶的协同作用才能实现对其的有效降解。研究发现,人体肠道多形拟杆菌(Bacteroid thetaiotaomicron)可通过多糖利用位点基因座(polysaccharide utilization loci, PULs)编码的不同碳水化合物活性酶协同降解饮食中的复杂多糖,当其靶向不同的多糖时,相应的PULs迅速上调,并表现出不同的多糖降解机制【5】。大部分酶仍然是按照一把钥匙开一把锁的原则作用、并催化单一位点。此外,也有一些酶同时具有两种催化模块,可以协同催化两种不同的反应。如BT1020【6】,可以协同催化同一条侧链中临近两个位点、两种不同糖苷键的水解。从结构上来看,BT1020含有两个空间上相对独立的不同的催化结构域,就像周伯通的双手左右互搏术一样,左手画圆、右手画方,双手使用不同的武功招数,临敌之时,分进合击,发挥以一敌二的效果。虽然同一条多肽链折叠出两种不同的催化结构域,但每个结构域与其相应底物的识别仍然遵循专一性原则。(详情请点击阅读原文

  不难看出,肠道菌群在对食物多糖组分转化过程中起到了不可或缺的作用,而菌群的牙齿--酶则更是功不可没。食物、肠道菌群和酶就像一个铁三角一样,稳定地相互作用、相互扶持、相互影响,共同为我们的营养与健康保驾护航!对肠道菌群编码的酶的深入理解,可帮助我们更好的理解菌群与人体之间的耦合关系,然而已解析的人体肠道菌群来源的酶与已解析的人体肠道菌群基因组数据间仍存在巨大的数量差异,具有巨大的研究价值和挖掘潜力。此外,CAZymes的结构解析及其对多糖的降解机理的深入研究也促进了相关产业的发展,不仅为以肠道菌(肠道酶)为靶点的精准营养乃至精准医疗提供重要的理论依据,同时为新型多糖或低聚糖的设计提供了结构基础。

菌群、酶和食物相互作用关系

  参考文献

  【1】赵玉爽, 郑松柏. 肠道菌群演替及其影响因素研究进展. 实用老年医学,2018, 32(5): 403-407

  【2】翟齐啸, 田丰伟, 王刚, 等. 肠道微生物与人体健康的研究进展. 食品科学,2013, 34(15): 337-341

  【3】周祉延,徐欣,周媛.人体微生物碳水化合物活性酶的研究进展.华西口腔医学杂志, 2019,37(06): 666-670

  【4】Luis A S, MartensE C. Interrogating gut bacterial genomes for discovery of novel carbohydratedegrading enzymes. Current Opinion in Chemical Biology, 2018, 47: 126-133

  【5】Ye M, Yu J, ShiX, et al. Polysaccharides catabolism by the human gut bacterium -Bacteroidesthetaiotaomicron: advances and perspectives. Critical Reviews in Food Scienceand Nutrition, 2020: 1-20

  【6】Ndeh D, RogowskiA, Cartmell A, et al. Complex pectin metabolism by gut bacteria reveals novelcatalytic functions. Nature, 2017, 544(7648): 65-70

  作者简介:辛凤姣,博士,研究员,博士生导师,中国农业科学院农产品加工研究所食品酶工程创新团队首席科学家,院级"青年英才"。主要通过X-ray、Cryo-EM等结构生物学及生化与分子生物学方法进行生物质定向酶解与转化、肠道菌群对食品组分的酶学转化机制、食品酶及功能强化食品开发等研究工作。

 

(作者:辛凤姣)

(本文来源于公众号:生物化学与生物物理进展)

 

  附件下载: