为什么胃肠消化食物肉类却不消化自身——美妙的人体生理学

徐国恒 吴碧菡

（北京大学基础医学院生理与病理生理学系 北京 100191）

1 蛋白质是生命的物质基础

蛋白质是人类和任何其他生命存在的物质基础。首先，蛋白质的多肽链是遗传基因的翻译产物，因而也是构建细胞与生命个体的初始物质。换言之，没有蛋白质，就不会有细胞与生命个体的诞生和生长。继而，生命的维持离不开蛋白质。各种生命现象如生长发育、新陈代谢、生理活动、病理修复等，无不由蛋白质直接和间接控制。

2 蛋白质类食物的重要性

人体蛋白质由20种氨基酸构成；其中有8种氨基酸是人体不能合成的，称为必需氨基酸，必须通过外源食物获取，其余12种可以由人体自行合成或由这8种必需氨基酸转化而来。人类合成自身蛋白质所需的氨基酸的来源，一是植物性食物蛋白质，主要有植物种子类如豆、麦、米、粟等，二是肉、鱼、蛋、奶等动物性食物蛋白质。人类要利用食物蛋白，必须在胃肠道使用几种“酶”，将摄取的食物蛋白质消化分解成单一的氨基酸，被吸收入血后，这些氨基酸便可用于合成人体所需的自身蛋白质。

3 消化蛋白质的胃蛋白酶

人体内消化分解外源性蛋白质的“酶”，其本质也是蛋白质，称为蛋白水解酶或简称为蛋白酶，它们担负着人类胃肠道消化食物蛋白的重任。胃壁细胞能产生胃蛋白酶原（pepsinogen），是一种结构复杂的蛋白质大分子。因自身的特殊折叠结构会掩盖酶的分子活性中心，所以胃蛋白酶原并不具备消化蛋白质的活性；在进入胃腔后，胃蛋白酶原在胃酸（盐酸）的作用下被快速激活。胃酸能切割胃蛋白酶原分子的一小部分，使之暴露出酶的活性中心部位，成为有活性的胃蛋白酶（pepsin）。胃蛋白酶必须在pH值低于5的酸性环境条件下才具有消化活性，才能将摄取的食物蛋白质大分子水解消化为小片段的。当pH值大于5时，胃蛋白酶将发生不可逆的变性而失活。

4 胃的黏液-碳酸氢盐屏障抵御胃酸与胃蛋白酶侵袭消化

人的胃组织与动物肉类组织一样，广义而言都是含有大量蛋白质的“肉类”。有趣的是，胃蛋白酶只消化摄取的外源食物蛋白质，却不会消化人胃组织自身的蛋白质。人体是靠什么生理机制避免胃肠蛋白的自身消化?这其中的奥秘归功于胃腔表面的胃黏液-碳酸氢盐屏障，它既是一层物理性屏障，又具有独特的化学性质，可以湮灭胃酸和胃蛋白酶。

胃的黏液细胞能产生大量黏液，覆盖在胃腔细胞的表面，形成约0.5 mm厚的黏液膜。这层黏液十分粘稠、致密，能牢牢粘附在胃腔表面，并且不断更新（图1）。“肚”是常见的食用肉类，其实它就是动物的胃。新鲜的“肚”，先要“翻肚”，将动物胃的内腔表面“翻”到外面；再用粗糙的细碎玉米颗粒反复揉搓，才能去除胃的黏液层。“鲜肚”处理程序繁杂，足见胃黏液层非常致密与粘稠。因此，胃黏液层以其厚度、致密、高黏性等物理特性，缓冲食物对胃的摩擦损伤，更是抵御胃酸和胃蛋白酶对胃侵蚀和消化的物理性屏障。

图1 胃黏液-碳酸氢盐屏障示意图（改自姚泰［1］）

但生理的美妙不止物理学，还有化学。胃黏液-碳酸氢盐屏障的奇妙之处就在于以物理性屏障为载体，兼有化学性屏障之湮灭胃酸和胃蛋白酶的功能（图1）。

胃腔细胞所产生的大量碳酸氢根离子会沿着胃黏液屏障向胃腔弥散。在弥散过程中，碱性的碳酸氢根离子逐步与从胃腔渗透而来的胃酸氢离子相遇，发生中和反应，生成二氧化碳和水。随着胃酸被逐渐中和，这层0.5 mm厚的胃黏液屏障两侧出现了“酸碱差”：接触食物的一侧呈酸性，利于胃蛋白酶消化食物中的蛋白质；而靠近胃组织细胞的一侧pH值则逐渐升高呈碱性，不利于胃蛋白酶消化胃本身的组织蛋白质。最终，胃细胞表面一侧的黏液层完全湮灭了胃酸的氢离子，pH值接近7，此时的胃蛋白酶因处于pH大于5的环境中而发生不可逆的变性彻底失去活性，不再具备消化蛋白质的活性和能力（图1）。因此，有了胃黏液-碳酸氢盐屏障，人的胃能消化食物蛋白，却不会消化掉自身。

胃酸过多、幽门螺杆菌感染等病理性因素皆会导致胃黏液-碳酸氢盐屏障损伤，进而会导致胃溃疡的发生。治疗胃溃疡的药物如米索前列酮，正是靠促进、加固胃黏液-碳酸氢盐屏障而发挥疗效的。

5 肠组织不被消化的生理机制

食物蛋白从胃向下进入到小肠中开始进一步消化。与胃内酸性环境相反，小肠内因为有大量的胆汁、胰腺液、小肠液等碱性体液，所以小肠内的整体环境偏碱性。这些体液在小肠内能有效中和从胃排到小肠的食糜带来的胃酸，并维持小肠内pH值接近7的碱性环境。胃蛋白酶在进入小肠后因所处环境pH值大于5而变性失去活性，因此不参与肠道内蛋白质的消化。

但胃蛋白酶对食物蛋白的消化是不全面的，其功能是将食物蛋白大分子初步消化、剪切为较小的短肽，主要产物是蛋白胨。直观地说，日常生活中煮蹄筋所得的“肉胨”，是蛋白质在高温下自然水解的产物，就是蛋白胨，与胃蛋白酶消化得到的蛋白胨类似。蛋白胨需在小肠内进一步消化水解为氨基酸，才能被人体吸收利用。这一过程主要靠胰腺产生分泌至小肠的胰蛋白酶和糜蛋白酶执行完成。胰腺产生的胰蛋白酶原、糜蛋白酶原均没有活性，进入小肠后才被激活。此处仅以胰蛋白酶为例，说明为何蛋白酶不消化人自身的肠道组织蛋白。

胰蛋白酶是肽链内切酶，其最佳底物恰是胃蛋白酶消化产物——蛋白胨。胰蛋白酶对蛋白质的消化有几个特点，再次体现了生理学的美妙：1）只水解变性多肽，不水解未变性蛋白。在胃部，胃酸使绝大部分食物蛋白质远离等电点，不能维持基本结构而变性；继而，胃蛋白酶将食物蛋白消化剪切为短小的蛋白胨，使得食物蛋白质彻底失去其原有结构而变性。胰蛋白酶主要消化从胃排入小肠的变性食物蛋白，特别是胃蛋白酶的水解产物蛋白胨，而不消化完整的末变性蛋白质——例如人肠道组织蛋白。2）胰蛋白酶主要消化位于细胞外的基质蛋白质。一般浓度不会消化细胞（膜）蛋白，因其未变性、肽键未暴露，故而不消化人肠道细胞蛋白。所以在医学研究中，用胰蛋白酶消化培养细胞之间的基质蛋白，使细胞离散，达到收获细胞目的。3）肠腔表面黏膜覆盖黏液，阻碍胰蛋白酶的消化。4）每个肠道上皮细胞的表面均有极小、大量的绒毛和微绒毛，组织结构与蛋白质结构十分特殊，又有脂质的疏水保护，相当于一层特别的膜，能在微观尺度上有效隔离胰蛋白酶。5）胃和肠上皮细胞更新速度快，每3天更新一次；这意味着，即便胰蛋白酶突破上述机制而稍微消化了人的肠道细胞蛋白，受损肠道细胞随即被淘汰更新。因此，人的肠道组织不会被胰蛋白酶消化水解。

人类的胃肠，消化各种外源食物蛋白而自身无虞，彰显生理学之美。人体生理机制的平衡巧妙令人叹服，偏离生理平衡则趋向病态。医学的奥秘、病理的奥秘、药理的奥秘，无不以生理的奥秘为基础。