Mleko matki: Zrozumieć naturę Peptydy w mleku matki. Peptydy w lmleku matki. Ewolucja oligosacharydów mleka kobiecego. Proteazy w mleku matki

(1)

Mleko matki: Zrozumieć naturę Peptydy w mleku matki

Peptydy w lmleku matki

J. Bruce German, Davis, Kalifornia, USA Ewolucja oligosacharydów mleka kobiecego Sean Austin i Norbert Sprenger,

Lozanna, Szwajcaria

Proteazy w mleku matki

J. Bruce German, Davis, Kalifornia, USA

Nr. 42 / Kwiecień 2018

(2)

www.nestlenutrition-institute.org Główna informacja

Białka mleka są trawione w żołądku i jelicie do peptydów i aminokwasów w wyniku szeregu złożonych reakcji. Wiele peptydów zawartych w mleku powstaje na skutek działania endogennych enzymów gruczołu mlecznego zanim nas- tąpi proces wydzielania.

W rezultacie peptydy z białek mleka są wytwarzane przez endogenne enzymy na całej długości przewodu pokarmowego niemowląt.

Obecność peptydów w kobiecym mleku jest do- brze znana, a badania dotyczące tych skład- ników są prowadzone od ponad pół wieku. His- torię badań oraz innowacji dotyczących peptydów można podzielić na trzy etapy. Pod- czas pierwszego okresu odkryć naukowych bi- ałka mleka jeszcze przed spożyciem były trawione do peptydów przez proteazy mikrobiologiczne.

Miało to na celu ułatwienie trawienia i zminimal- izowanie reakcji immunologicznych na białka niezhydrolizowane. Druga faza badań skupiona była na peptydach uwalnianych za pomocą specyfi cznych proteaz o znanej sekwencji biolog- icznej oraz działaniu pod kątem korzyści tera- peutycznych. Faza trzecia (dopiero rozpoczęta) koncentruje się na peptydach wytwarzanych w jelitach niemowląt karmionych piersią oraz określeniu celów ich działania.

Białka mleka są trawione w żołądku i jelicie do peptydów i aminokwasów w wyniku serii złożonych reakcji. Procesy te zachodzą przy ud- ziale enzymów proteolitycznych, czynników fi zy- cznych (mieszanie), zmian pH oraz biologicznych surfaktantów. Nie powinno być zaskoczeniem, że ze względu na złożoność procesów trawienie może nie zostać ukończone. Przyczyną może być zarówno niewystarczająca wydajności organizmu wynikająca z niedojrzałości układu pokarmowego lub stanu zdrowia, jak i obecność

wyjątkowo odpornych struktur białkowych w diecie. Niestrawione białka i duże peptydy prz- esuwane są wzdłuż jelita nie dostarczając skład- ników odżywczych w postaci aminokwasów.

Mogą wywołać reakcje autoimmunologiczne, a zwłaszcza alergie. Ponadto, poprzez dostarcze- nie składników odżywczych specyfi cznym ga- tunkom jelitowego mikrobiomu wpływają na wytwarzanie niepożądanych produktów i metab- olitów. W odpowiedzi na udokumentowane konsekwencje zaburzonego trawienia białek nau- kowcy stworzyli strategię wstępnego trawienia białek zapewniając częściowo zhydrolizowane pro- dukty [1].

Niektóre peptydy uwalniane z mleka posi- adają właściwości bioaktywne. Jako pierwsze poznano właściwości przeciwbakteryjne i przeciwnadciśnieniowe [2].

Pojawienie się genomiki oraz nowoczesnych metod analizy umożliwiło identyfikację, sekwencjonowanie i opisanie białkowego po- chodzenia peptydów mleka kobiecego, które są wytwarzane in vivo w gruczołach mlecznych i u niemowląt [3]. To nowe podejście może zmienić postrzeganie skuteczności oddziaływa- nia peptydów. Wiele peptydów pochodzących z mleka powstaje w gruczołach mlecznych pod wpływem endogennych enzymów zanim nastąpi proces wydzielania [4]. W rezultacie peptydy

z białka mleka są wytwarzane przez endogenne enzymy na całej długości przewodu pokarmowego niemowląt.

Choć nie można zagwarantować, że wszystkie peptydy wytwarzane w mleku będą z cza- sem spełniać określone funkcje biologiczne, jest to istotny początek do dalszych badań. U niemowląt peptydy działają jak pokarm, to znaczy spożywane bioskładniki skutecznie, i co ważne – bezpiecznie, przenikają do organizmu niemowląt w odpowiednich ilościach osiągając swój cel. Poznanie celów działania peptydów umożliwi rozwój metod diagnostycznych w celu monitorowania tych procesów, nowych strategii oraz nowych produktów.

J . B r u c e G e r m a n

Food for Health Institute, Uniwersytet Kalifornijski, Davis, Kalifornia, USA

jbgerman@ucdavis.edu

Peptydy w mleku matki

Bibliografi a

1. Greer FR, Sicherer SH, Burks AW; American Academy of Pediatrics Committee on

Nutrition; American Academy of Pediatrics Section on Al- lergy and Immunology:

Effects of early nutritional interventions on the development of atopic disease in infants and children: the role of maternal dietary restriction, breastfeeding,

timing of introduction of complementary foods, and hy- drolyzed formulas.

Pediatrics 2008;121:183–191.

doi: 10.1542/peds.2007-3022. Review.

2. Clare DA, Swaisgood HE: Bioactive milk peptides: a prospectus. J Dairy Sci 2000;83:1187–1195. doi:

10.3168/jds.S0022-0302(00)74983-6.

3. Dallas DC, Guerrero A, Khaldi N,

Borghese R, Bhandari A, Underwood MA, Lebrilla CB, German JB, Barile D:

A peptidomic analysis of human milk digestion in the infant stomach reveals protein-specifi c degradation patterns.

J Nutr 2014;144:815–820.

4. Guerrero A, Dallas DC, Contreras S,

Chee S, Parker EA, Sun X, Dimapasoc LM, Barile D, German JB, Lebrilla CB:

Mechanistic peptidomics: factors that dictate the specifi city on the formation of endogenous peptides in human milk.

Mol Cell Proteomics 214;13:3343–3351.

2 3

(3)

Ewolucja oligosacharydów mleka kobiecego

Główna informacja

Oligosacharydy mleka kobiecego są ważnym składnikiemmleka kobiecego.

Przewiduje się, że w kobiecym mleku znajduje się ponad dwieście oligosacharydów kobiecego mleka (HMO) [1], a kompozycja HMO różni się w przypadku poszczególnych matek oraz zmie- nia w trakcie trwania laktacji.

Choć podczas laktacji całkowity poziom HMO spada to poszczególne HMO mają różne tempo zmian, a w przypadku niektórych HMO ich stężenie wzrasta w miarę upływu czasu.

HMO to trzeci pod względem ilości, tuż po laktozie i tłuszczach, stały składnik mleka matki, który w zasadzie nie jest trawiony przez noworodki. HMO mają za zadanie chronić niemowlęta przed infekcjami poprzez (i) zapo- bieganie przyłączaniu się patogennych bakterii do komórek gospodarza, (ii) wspomaganie tworzenia mikrobioty przewodu pokarmowego oraz (iii) modulowanie rozwijającego się układu odpornościowego [1]. Niektóre HMO mogą pełnić rolę warunkowego źródła kwasu sjalowego w diecie [1].

Poziom i typy poszczególnych HMO w mleku kobiecym różnią się przede wszystkim indywid- ualnie miedzy kobietami w zależności od ek-

spresji enzymów nazywanych glikozylotransfer- azami. Glikozylotransferazy odpowiadają za wytwarzanie różnych HMO poprzez wydłużanie laktozy za pomocą reszt N-acetyloglukozaminy, galaktozy, fukozy i/lub kwasu sjalowego.

Całkowita zawartość HMO w mleku kobiecym zmniejsza się podczas laktacji, prawdo- podobnie odzwierciedlając zmieniające się potrzeby rozwijającego się niemowlęcia. Zawartość HMO w siarze może przekraczać 20 g/L malejąc do około 13 g/L pomiędzy czwartym, a szóstym miesiącem laktacji [2]. Ostatnie badania sugerują, że zawartość HMO może lekko wzros- nąć ponownie podczas drugiego roku laktacji [3].

Poszczególne HMO różnią się pod względem oddziaływania na organizm noworodków (Fig.1).

Przykładowo przez pierwsze miesiące laktacji stężenie 2’fukozylolaktozy (2’FL) zmniejsza się, podczas gdy stężenie 3FL wzrasta. Ponadto stężenia nie maleją w takim samym tempie. 6’

sjalolaktoza (6’SL) jest uważana za dominującą sjalolaktozę w mleku kobiecym. Podczas gdy to stwierdzenie jest prawdą w pierwszej fazie laktacji, to w późniejszych fazach stężenie 6’SL maleje o wiele szybciej niż stężenie 3’SL. Prow- adzi to do zwiększenia proporcji 3’SL.

Różnica w tempie syntez poszczególnych HMO sugeruje, że najprawdopodobniej odgry- wają one różne biologiczne role dostosowując się do potrzeb rosnących niemowląt [4]. Wzrost wiedzy o dynamice i funkcjach poszczególnych HMO podczas rozwoju noworodków pozwoli lep- iej zrozumieć zmieniające się potrzeby rozwija- jących się niemowląt.

Bibliografi a

1. Oliveira DL, Wilbey RA, Grandison AS,

Roseiro LB: Milk oligosaccharides: a review. Int J Dairy Technol 2015;68:305–321.

http://dx.doi.org/10.1111/1471-0307.12209.

2. Coppa GV, Gabrielli O, Pierani P, Catassi C, Carlucci A, Giorgi PI:

Changes in carbohydrate composition in human milk over 4 months of lactation.

Pediatrics 1993;91:637–641.

3. Perrin MT, Fogleman AD, Newburg DS,

Allen JC: A longitudinal study of human milk composition in the second year postpartum: implications for human milk banking.

Matern Child Nutr 2017;13. http://dx.doi.org/10.1111/

mcn.12239.

4. German JB, Freeman SL, Lebrilla CB, Mills DA: Human milk oligosaccharides:

evolution, structures and bioselectivity as substrates for intestinal bacteria.

Nestle Nutr Workshop Ser Pediatr Program 2008;62:205–218; discussion 218–222. http://dx.doi.

org/10.1159/000146322.

5. Austin S, De Castro CA, Benet T, Hou Y, Sun H, Thakkar SK, Vinyes-Pares G, Zhang Y, Wang P: Temporal Change of the Content of 10 Oligosaccharides in the Milk of Chinese Urban Mothers.

Nutrients 2016; 8: 346.

http://dx.doi.org/10.3390/nu8060346.

S e a n A u s t i n

¹

N o r b e r t S p r e n g e r

²

1 Institute of Food Safety & Analytical Science, Nestlé Research Center, Nestec. Ltd., Lozanna, Szwajcaria

sean.austin@rdls.nestle.com

2 Institute of Nutritional Science, Nestlé Research Center, Nestec. Ltd., Lozanna, Szwajcaria

norbert.sprenger@rdls.nestle.com

Rys. 1. Poziom najważniejszych HMO (mediana z przedziałami międzykwartylowymi) w czasie laktacji:

fukozylowane (2’FL, 3’FL), obojętne niefukozylowane (LNT, LNnT) i sjalowane (3’SL, 6’SL) [5]. 2’FL, 2’fukozylolaktoza; 3’FL, 3-fukozylolaktoza; LNT, lakto-N-tetraoza; LNnT, lakto-N-neotetraoza; 3’SL, 3’sjalylolaktoza; 6’SL, 6’

-sjalylolaktoza 3,000

2,000 1,000

0

900 600 300 4000

300 200

3‘SL 6‘SL

LNT LNnT

2‘FL 3FL

100

0 8 21 45 90

Czas trwania laktacji (dni)

180

Stężenie HMO, mg/kg

(4)

www.nestlenutrition-institute.org Główna informacja

W następstwie ewolucji składnikami mleka kobiecego nie są proste białka, ale raczej kombinacje białek enzymów proteolitycznych.

Organizm niemowląt nie jest w pełni rozwinięty, wytwarza niewielkie ilości kwasu żołądkowego oraz wykazuje niską aktywność proteaz.

Selektywna proteoliza białek mleka rozpoczyna się w gruczołach mlekowych.

Wprowadzenie

Pojawienie się laktacji jako możliwości karmienia niemowląt jest najważniejszym osiągnięciem rozwojowym ssaków. Laktacja, jako jeden z czynników budowania więzi matki z dzieckiem, jest uważana za darwinowską lokomotywę w rozwoju odżywiania od ponad 200 milionów lat [1]. Białka mleka okazują się tworzyć jeszcze bardziej skomplikowany system odżywiania i ochrony niż wcześniej sądzono. Obecnie nau- kowcy wykorzystują nowoczesne narzędzia dostępne w dziedzinie biologii by zrozumieć rolę białek mleka i procesy ich trawienia do pepty- dów w organizmie noworodków [2,3]. Mapowanie peptydów do białek, z których pochodzą oraz miejsc przecięcia ujawniło zaskakujące wyniki:

proteazy, zdefiniowane przez specyficzne mie- jsce rozkładu białka, wiążą się z enzymami nie w organizmie niemowląt, a w mleku [4]. Łącznie zidentyfikowano pięć enzymów proteolitycznych (plazmina, katepsyna, elastaza, kalikreina, ami- nopeptydaza i karboksypeptydaza), które są

Proteazy w mleku matki

przenoszone do lub syntetyzowane w gruczołach mlekowych, występują w mleku i są aktywne w żołądku niemowląt. Te wyniki sugerują, że składnikami mleka kobiecego nie są proste bi- ałka, ale raczej kombinacje białek i enzymów proteolitycznych.

Następstwa

Po pierwsze: dziecko

Obecny model trawienia i wykorzystania białek w organizmie zakłada, że najpierw w żołądku nierozłożone białka są denaturowane przez kwas żołądkowy i atakowane przez endogenne proteazy, co rozpoczyna proces trawienia. Nas- tępnie białka hydrolizowane są przez neutralne proteazy w jelicie cienkim, co w rezultacie prow- adzi do uwalniania i całkowitego wchłaniania się aminokwasów przez nabłonek jelita. Organizm niemowląt nie jest w pełni rozwinięty, wytwarza niewielkie ilości kwasu żołądkowego oraz wykazuje niską aktywność proteaz. Niemniej jednak, niemowlęta trawią i wchłaniają białka mleka za pomocą szeregu proteaz aktywowanych w ich organizmie, które przyczyniają się do aktywn- ości katalitycznej. Szczególny charakter pro- cesu trawienia białek w organizmie niemowląt ma ważne konsekwencje dla ich żywienia

Po drugie: mleko

Nie istnieje sposób by zmierzyć wszystkie korzyści wynikające z karmienia dzieci piersią, ani by zapewnić taki sposób odżywiania wszystkim niemowlętom. Dzielenie się mlekiem ko-

biecym, przechowywanie oraz przetwarzanie ma wpływ na zdolność enzymów zawartych w mleku do selektywnego trawienia białek.

Obecnie mleko modyfikowane nie uwzględnia tych działań. Odkrycia naukowe muszą ziden- tyfikować wszystkie uwalniane peptydy, zbadać gdzie i kiedy są uwalniane oraz opisać ich funkcje i pozwolić zrozumieć jakie maja znaczenie dla niemowląt.

Po trzecie: matka

Selektywna proteoliza białek mleka rozpoczyna się w gruczołach mlekowych. Czy te procesy przynoszą korzyści matce lub laktacji? Jak zróżnicowane są te procesy wśród matek i ich zmieniającego się stanu zdrowia i nawyków ży- wieniowych oraz laktacji? Odpowiedzi na te py- tania wyznaczą kierunek przyszłej strategii i praktyk dotyczących laktacji.

Dokładniejsze poznanie wszelkich aspek- tów żywienia niemowląt mlekiem matki pozwoli zdobyć informacje dotyczące żywienia człowieka w każdym wieku i w każdym stanie zdrowia.

Bibliografia

1. Oftedal OT: The mammary gland and its

origin during synapsid evolution. J Mammary Gland Biol

J . B r u c e G e r m a n

Food for Health Institute, Uniwersytet Kalifornijski, Davis, Kalifornia, USA

jbgerman@ucdavis.edu

Rys. 1. Schemat wytwarzania i przemieszczania się enzymów do mleka w gruczołach mlekowych. Enzymy mogą przedostawać się do mleka poprzez bezpośrednią syntezę białek w komórkach nabłonka, poprzez przenoszenie z krwi oraz być wydzielane przez komórki odpornościowe gruczołów mlekowych i mleka.

Neoplasia 2002;7:225–252.

2. Dallas DC, Guerrero A, Khaldi N, Castillo PA, Martin WF, Smilowitz JT, Bevins CL,

Barile D, German JB, Lebrilla CB:

Extensive in vivo human milk peptidomics reveals specific proteolysis yielding protective antimicrobial peptides.

J Proteome Res 2013;12:2295–2304.

3. Dallas DC, Guerrero A, Khaldi N,

Borghese R, Bhandari A, Underwood MA, Lebrilla CB, German JB, Barile D:

A peptidomic analysis of human milk digestion in the infant stomach reveals protein-specific degradation patterns.

J Nutr 2014;144:815–820.

4. Khaldi N, Vijayakumar V, Dallas DC,

Guerrero A, Wickramasinghe S, Smilowitz JT, Medrano JF, Lebrilla CB, Shields DC,

German JB: Predicting the important enzyme players in human breast milk digestion.

J Agric Food Chem 2014;62:7225–7232.

Mleko

Komórki odpornościowe

Komórki nabłonka gruczołu mlekowego

Krew

6 7

(5)

Aby dowiedzieć się więcej o Nestlé Nutrition Institute i Wyeth Nutrition Science Center, odwiedź:

www.nestlenutrition-institute.org www.wyethnutritionsc.org

Human Milk: Evolving of Nature‘s Understanding Peptides in Human Milk J. Bruce German, Davis, CA (USA)

Temporal Evolution of Human Milk Oligosaccharides Sean Austin and Norbert Sprenger, Lausanne (Switzerland)

Protease Enzymes in Human Milk J. Bruce German, Davis, CA (USA)

No. 42 / April 2018

Niniejsza broszura jest chroniona prawem autorskim.

Można ją jednak powielać bez uprzedniej pisemnej zgody Nestlé Nutrition Institute lub S. Karger AG, ale podlega to zatwierdzeniu oryginalnej publikacji.

Materiał zawarty w tej broszurze został przekazany jako materiał niepublikowany wcześniej, z wyjątkiem przypadków, w których uznano źródło, z którego uzyskano część materiału ilustracyjnego.

Źródło ilustracji: Nestlé Nutrition Collection

Dołożono wszelkich starań, aby zachować dokładność informacji zawartych w tej broszurze. Jednak ani Nestlé Nutrition Institute, ani S. Karger AG nie mogą być pociągnięte do odpowiedzialności za błędy lub jakiekolwiek konsekwencje wynikające z wykorzystania zawartych tu informacji.

Wydane przez S. Karger AG, Switzerland dla Nestlé Nutrition Institute.

Wyeth Nutrition Science Center iWyeth Nutrition Science Center jest częścią Nestle Nutrition Institute.

CH–1800 Vevey Szwajcaria

Nestlé Nutrition Institute, Switzerland ISSN 1270–9743