Biological activities of milk peptides

ARTICLE

Deux grandes catégories de protéines de lait peuvent être distinguées, les caséines et les protéines de lactosérum (tableau 1) [1]. Dans le lait de vache, les caséines (75 % des protéines) sont retrouvées sous forme d'un ensemble supramoléculaire, les micelles de caséine, dont la taille peut aller de 500 000 à plusieurs millions de Da, tandis que les protéines sériques (20 %) possèdent une structure globulaire particulièrement rigide et compacte. Différentes séquences d'acides aminés ont été identifiées comme présentant des activités biologiques. La qualité nutritionnelle du lait devra dès lors être évaluée en tenant compte non seulement de la composition en acides aminés, mais également de la présence potentielle de ces peptides dits « actifs » ou « fonctionnels ». Les peptides actifs pourraient agir sur le système digestif, les réactions de défense, le système cardio-vasculaire et le système nerveux central (tableau 2) [2]. De nombreuses questions restent cependant ouvertes concernant le devenir digestif et métabolique de ces composés après leur ingestion ainsi que les différents types d'activités associés aux structures identifiées.

Devenir des protéines du lait dans l'organisme

Au cours de la digestion, les protéines de lait doivent franchir un certain nombre de barrières physiques et métaboliques, avant d'atteindre la circulation sanguine pour se distribuer dans l'organisme consommateur. L'estomac représente la première barrière métabolique rencontrée pour le lait ingéré, du fait du contenu gastrique riche en pepsine protéolytique et en acide chlorhydrique causant l'hydrolyse partielle de nombreuses protéines. Cependant les petits peptides sont plus stables dans un tel environnement. Au stade suivant, les produits de digestion gastrique sont soumis à l'action des enzymes pancréatiques, sécrétées et déversées dans le duodénum. Certains di- et tripeptides sont particulièrement résistants à ce type de dégradation [3], mais le principal facteur limitant leur absorption est représenté par les peptidases, présentes au niveau de la bordure en brosse intestinale et responsables de la majeure partie des dégradations des peptides actifs. Les composés ayant subit cette hydrolyse enzymatique doivent ensuite franchir la barrière intestinale avant d'atteindre la circulation sanguine. Les polypeptides ne sont généralement pas bien absorbés par le tractus gastro-intestinal. Les peptides actifs sont généralement formés de 3 à 10 acides aminés (exception faite du caséinomacropeptide - CMP -, comprenant 64 acides aminés et capable d'exercer de nombreuses propriétés biologiques). La capacité d'une molécule à traverser la membrane intestinale est liée à sa lipophilie.

Après digestion et absorption des protéines du lait, 65 % de l'azote protéique était absorbé, dont 95 % avant l'iléon terminal [4]. Les protéines du lactosérum, hydrosolubles, sont rapidement évacuées de l'estomac vers l'intestin grêle, alors que les caséines, précipitant dans l'estomac, sont évacuées plus lentement, sous forme peptidique [5]. Les protéines du lactosérum, l'alpha-lactalbumine, la beta-lactoglobuline, la lactoferrine, et les immunoglobulines ont été retrouvées sous forme native au niveau de la lumière intestinale [6-8]. Un processus de transcytose a été mis en évidence lors du passage intestinal, de la beta-lactoglobuline, de l'alpha-lactalbumine et de la lactoferrine [9-12]. Les caséines sont en revanche peu retrouvées sous forme native. Le CMP, fragment 106-169 de la caséine kappa, a été retrouvé dans la lumière intestinale après ingestion de lait [13, 14], de même que les fragments tels que les beta-casomorphines, issus de la caséine beta [15]. Ces étapes d'hydrolyse enzymatique et de transport au travers de l'intestin, sont importantes dans la compréhension des mécanismes d'action des peptides fonctionnels dans l'organisme (figure 1) [16].

Action sur la motricité intestinale et la régulation du métabolisme hormonal

Certains peptides issus de la caséine beta (les beta-casomorphines) sont capables de se fixer sur les récepteurs opiacés, présents sur le versant séreux intestinal. Suite à leur libération au niveau du tractus digestif, les beta-casomorphines doivent traverser la membrane intestinale pour exercer un effet physiologique. En raison de la présence d'une enzyme particulière au niveau de la bordure en brosse intestinale (la dipeptidylpeptidase IV), ces peptides sont partiellement dégradés, ce qui supprime leur activité biologique. Cependant, lorsque l'action de cette enzyme est inhibée, les peptides traversent la muqueuse intestinale sous forme intacte et exercent un effet de type opiacé, en stimulant l'absorption des électrolytes [17, 18]. En plus de cet effet, elles agissent également sur le métabolisme hormonal, notamment sur l'insulinémie postprandiale [19] et sur la libération de somatostatine et du polypeptide pancréatique [20, 21].

Le caséinomacropeptide issu de la kappa-caséine agit sur la motricité gastro-intestinale [22] et sur la libération d'hormones gastro-intestinales. Il stimule la sécrétion de cholécystokinine [23, 24], et chez le rat anesthésié, il est capable de stimuler la sécrétion pancréatique de manière dose-dépendante [25].

Le lait représente une source importante de calcium pour l'organisme consommateur. Certains peptides possédant des résidus phosphorylés (nommés caséinophosphopeptides), fixent le calcium dans le lait [26]. En évitant la précipitation des ions calcium sous forme de phosphates de calcium insolubles et en les maintenant sous forme soluble, ces phosphopeptides favorisent leur absorption [27]. Ils agissent également sur la fixation d'autres ions comme le fer ou le zinc [28]. Ainsi le fragment 1-25 de la beta-caséine, en fixant le fer, favorise son absorption digestive en le protégeant contre l'interaction vis-à-vis d'autres nutriments et notamment le calcium [29].

Action sur les défenses de l'organisme

Certains peptides du lait pourraient agir sur les défenses de l'organisme consommateur, en jouant à la fois sur la réponse immunitaire et sur la protection de l'organisme vis-à-vis d'infections microbiennes.

Les aliments représentent pour l'organisme une source massive d'antigènes. La réponse immunitaire a lieu à deux niveaux : au niveau muqueux (sécrétions salivaires, défenses intestinales) et au niveau périphérique (sang, lymphe). L'étude des interactions entre réponses immunitaires et peptides du lait constitue une voie de recherche particulièrement intéressante, la principale illustration étant l'acquisition d'une protection passive du nouveau-né au cours de l'allaitement. Les peptides issus de caséines bovines ou humaines sont capables de participer à la maturation des cellules immunocompétentes. Ces peptides, principalement issus de l'alpha-lactalbumine et de la caséine beta bovine, sont capables de stimuler la phagocytose des macrophages et de moduler la synthèse et la prolifération lymphocytaire. D'autres peptides, issus de la caséine beta humaine, ont été étudiés au cours de la digestion en tant qu'agent de maturation du système immunitaire du nouveau-né [30], sans toutefois être retrouvés dans le tube digestif de celui-ci.

La lactoferrine est peu dégradée par le tractus digestif et elle a été retrouvée dans le contenu intestinal de souris, en conservant sa séquence active antibactérienne [31]. Le fer est un élément indispensable à la croissance bactérienne et la lactoferrine, une glycoprotéine, est capable de chélater le fer [32]. Suite à son administration chez la souris, une stimulation de la réponse immunitaire intestinale et humorale a été mise en évidence [8]. Le CMP agit également sur la réponse immunitaire. Il inhibe in vitro la réponse cellulaire suite à l'activation du système immunitaire par les lipopolysaccharides (LPS) ou la phytohémagglutinine (PHA). Les effets immunomodulateurs peuvent donc être très différents [33].

Des activités antimicrobiennes ont été mises en évidences au sein des protéines laitières bovines. La lactoferrine (fragment 17-41), certains fragments de la caséine kappa, ou encore des fragments issus de la caséine alpha possèdent ce type d'activité. Le caséinomacropeptide est capable d'inhiber l'adhésion cellulaire d'agents pathogènes. Il inhibe la fixation de la toxine cholérique aux gangliosides [34] et l'adhésion des actinomyces et des streptocoques aux entérocytes [35]. L'isracidine, issu de la caséine alphas1, exerce également un effet antibactérien chez l'animal, vis-à-vis de Staphylococcus aureus [36]. D'autres fragments issus de la caséine beta humaine exercent un effet protecteur chez la souris contre Klebsiella pneumoniae, suite à leur administration par voie intraveineuse [37].

Action sur le système nerveux central

Afin d'évaluer l'activité et le mécanisme d'action des peptides opiacés, on a étudié les liaisons visant à définir l'affinité de molécules marquées vis-à-vis de différents sous-types de récepteurs ; des études sur organes isolés et sur différents segments intestinaux servant à étudier l'absorption mais également le métabolisme intestinal des molécules, ainsi que des études sur animal entier visant à étudier la distribution des molécules dans l'organisme et notamment au sein du système nerveux central ont été réalisées. Plusieurs types de récepteurs opiacés (mu, delta, et kappa) peuvent être distingués, principalement au niveau du système nerveux central et du tractus digestif. Les récepteurs mu sont présents au niveau de l'hypothalamus et du thalamus, et interviennent lors de l'analgésie et lors du relargage de prolactine et d'acétylcholine au cours de la régulation de la motricité intestinale [38].

Les peptides connus sous le nom général de beta-casomorphine ont été isolés à partir d'un fragment de caséine beta bovine (fragment 60-70), capable de se fixer sur des récepteurs opiacés de type mu. En accord avec la localisation de ces récepteurs, différents effets ont été identifiés au niveau du tube digestif et du système nerveux central. Suite à leur administration intracérébrale, une activité analgésique a été constatée [39, 40]. Après leur administration par voie intraveineuse, leur passage au sein du système nerveux central induit également une activité analgésique réversible par la naloxone, mettant ainsi en évidence la participation des récepteurs opiacés [41]. De plus, les effets secondaires observés avec les opiacés ont été retrouvés. C'est le cas de la sédation, la dépression respiratoire, les effets de tolérance et de dépendance, la bradycardie et l'hypotension. D'autres peptides opiacés ont également été trouvés au niveau de la séquence 90-96 de la caséine alphas1 bovine, agissant au niveau des récepteurs delta opiacés [42]. Certains ont été isolés à partir de la séquence 41-44 de la caséine beta humaine. D'autres peptides opiacés ont été également isolés à partir des protéines sériques. Il s'agit de la séquence 50-53 de l'alpha-lactalbumine humaine et bovine ou alpha-lactorphine, de la séquence 102-105 de la beta-lactoglobuline bovine ou beta-lactorphine [38] et de la sérorphine, isolée de l'albumine sérique [43]. Une structure commune à tous ces peptides a pu être observée. Elle révèle l'importance des résidus tyrosine dans la région N-terminale (à l'exception des opiacés issus de la caséine alpha) et la présence d'acides aminés à groupements aromatiques phénylalanine ou tyrosine. L'absence de ce groupement tyrosine conduisait à une absence d'activité biologique [44]. Les séquences d'acides aminés correspondant aux beta-casomorphines sont décrites dans le tableau 3 [45].

Afin d'exercer des effets opiacés in vivo, les peptides doivent être libérés au cours de la digestion et passer dans la circulation sanguine. Les beta-casomorphines sont particulièrement riches en résidus prolines, ce qui les rend résistantes à l'hydrolyse par certaines enzymes telles que la pepsine, la trypsine, la chymotrypsine, les carboxypeptidases A et B ou encore la leucine aminopeptidase [41]. Après ingestion de lait, les beta-casomorphines sont transférées dans la lumière intestinale. Cependant, du fait de la présence de peptidases au niveau de la bordure en brosse de l'intestin, et de protéases dans le plasma sanguin, aucune trace de beta-casomorphine sous forme intacte n'a été détectée dans le sang de sujets adultes [46, 47]. Au contraire, en raison de l'absence de maturation des systèmes enzymatiques chez l'animal nouveau-né, les beta-casomorphines réussissent à atteindre la circulation sanguine (figure 2) [39, 43, 44].

Des dérivés des beta-casomorphines (morphiceptine, valmuceptine, ou devalmuceptine) modifiés par amidation de l'acide aminé C-terminal ou par remplacement d'un analogue sous forme L par un analogue sous forme D, ont également été identifiés. La synthèse de ce type de dérivés permet non seulement de limiter les phénomènes de dégradation mais également d'augmenter leur activité opiacée [48, 49]. La morphiceptine, un tétrapeptide possédant une fonction amide, est l'agoniste opiacé le plus puissant [44]. Certains fragments possèdent une activité antagoniste opiacée ; issus de l'hydrolyse de la caséine kappa humaine et connus sous le nom de casoxine ou issus de la lactoferrine (lactoferroxines), ils exercent une activité comparable aux effets rencontrés lors de l'administration de la naloxone [50].

Activité sur le système cardio-vasculaire

Deux types d'activités cardio-vasculaires des peptides du lait ont été mises en évidence : une activité antithrombotique et une activité antihypertensive.

Au cours de la coagulation sanguine, une molécule joue un rôle particulièrement important : le fibrinogène. Cette molécule, après s'être fixée sur son récepteur plaquettaire, induit l'agrégation des plaquettes. Des homologies structurales entre certaines séquences peptidiques de la caséine kappa et la chaîne gamma du fibrinogène ont été mises en évidence. Ces ressemblances sont à l'origine d'une compétition vis-à-vis des récepteurs glycoprotéiques entre peptides du lait et fibrinogène, ce qui confère aux premiers une activité de type antithrombotique [51]. Les principaux peptides antithrombotiques sont les fragments 106-116, 106-112, 112-116 et 113-116 de la caséine kappa et le fragment 39-42 de la lactotransferrine humaine [52-54]. Ce type d'effet a été évalué in vitro, en étudiant l'agrégation plaquettaire humaine [51] mais également in vivo chez l'animal où l'inhibition de la formation du thrombus provoqué par lésion endothéliale des vaisseaux sanguins a été observée [54]. De tels essais ont également été réalisés chez l'homme. Ils ont révélé l'apparition dans le sang, suite à l'ingestion de lait ou de yaourt, de peptides et notamment d'un fragment de la caséine kappa, le caséinomacropeptide possédant la séquence antithrombotique [13].

Les peptides à effet antihypertenseur agissent en inhibant l'enzyme de conversion de l'angiotensine (ACE). L'hydrolyse de l'angiotensine par l'enzyme de conversion dans le plasma sanguin représente une étape clé dans le système rénine-angiotensine et dans la cascade d'événements biochimiques aboutissant à la vasoconstriction responsable de la montée rapide de la tension artérielle : angiotensine I => angiotensine II (octapeptide vasoconstricteur). Les premiers peptides possédant une action inhibitrice vis-à-vis de l'ACE (ACEI) ont été identifiés pour la première fois dans le venin d'un serpent brésilien [55]. Ayant la particularité de posséder un résidu proline en position C-terminale, et du fait de la richesse des caséines en résidus proline, des inhibiteurs de l'ACE ont été recherchés à partir d'hydrolysats de caséine bovine [56]. Les principaux peptides sont issus de l'hydrolyse enzymatique de la caséine alphas1 bovine, de la caséine beta bovine [57, 58] et de caséine beta humaine [59]. Ces peptides possèdent des activités antihypertensives dans un modèle de rats rendus hypertendus ou rats SHR (Spontaneously hypertensive rats) [60, 61]. Après ingestion de lait fermenté chez un lot de rats SHR, l'activité inhibitrice de l'enzyme de conversion ainsi que la pression systolique ont été mesurées à différents temps, et les peptides ont été retrouvés dans l'aorte [62]. Une étude menée chez l'homme, suite à l'ingestion répétée de lait fermenté, a montré une baisse significative de la pression artérielle par rapport à un groupe témoin [63]. Cette étude souligne l'importance des effets physiologiques observables chez l'homme.

CONCLUSION

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