黃 淵,岳世陽(yáng),熊善柏,2,杜紅英,2,*
(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.國(guó)家大宗淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心(武漢),湖北 武漢 430070)
我國(guó)是淡水魚類產(chǎn)品生產(chǎn)大國(guó),2016年全國(guó)淡水產(chǎn)品總產(chǎn)量3 411.11萬(wàn) t,其中魚類產(chǎn)量2 986.65萬(wàn) t,占全年淡水產(chǎn)品總量的87.56%[1]。但是由于魚類產(chǎn)品水分和蛋白質(zhì)含量高,且自身攜帶較多的細(xì)菌,在貯藏、運(yùn)輸和銷售過(guò)程中,容易失去其原有鮮味,造成腐敗變質(zhì)。目前魚類的保鮮主要是冷藏為主,輔以添加防腐劑或抗氧化劑,但一些合成的防腐劑或抗氧化劑存在一定的致癌風(fēng)險(xiǎn)[2],不符合現(xiàn)在的生產(chǎn)消費(fèi)要求,所以加大開(kāi)發(fā)健康天然的防腐劑或抗氧化劑成為魚類保鮮的研究重點(diǎn)。
表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)(圖1A)是從中國(guó)綠茶中提取的一種成分,是綠茶兒茶素中含量最高的組分,約占綠茶兒茶素的50%~80%,綠茶所表現(xiàn)的很多生物活性主要來(lái)源于EGCG[3]。李鵬等[4]通過(guò)測(cè)定不同濃度EGCG處理的羅非魚片新鮮度的變化,證明EGCG可有效提高冷藏期間羅非魚片的品質(zhì),延長(zhǎng)其貨架期,且0.2%的EGCG對(duì)羅非魚片的保鮮效果更佳。由于EGCG易氧化,影響其保鮮效果,所以駱曉波[5]以納米脂質(zhì)體為載體,制成EGCG納米脂質(zhì)體并研究其穩(wěn)定性以及對(duì)鱈魚的保鮮效果,證明EGCG納米脂質(zhì)體在維持pH值的穩(wěn)定,防止魚肉氧化、腐敗變質(zhì),維持感官性狀,抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)等方面都表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì),且無(wú)毒副作用,適合于魚肉的保鮮。
白藜蘆醇(resveratrol,RE)(圖1B),化學(xué)名稱為3,4,5-三羥基二苯乙烯,是含有芪類結(jié)構(gòu)的酚化合物,主要存在于葡萄、虎杖、花生、桑椹等植物中,尤其在種皮中含量較高[6]。有研究表明,RE對(duì)月季切花有一定的保鮮作用[7],有效調(diào)節(jié)切花水分平衡,減輕細(xì)胞質(zhì)膜透性,降低膜脂過(guò)氧化水平,從而延緩切花衰老進(jìn)程,延長(zhǎng)瓶插壽命;RE處理對(duì)碭山酥梨有較好的保鮮效果[8],可抑制共軛三烯的含量、增加細(xì)胞的膜透性、降低α-法尼烯的峰值,顯著抑制和延緩梨果實(shí)在貯藏期和貨架期黑皮病的發(fā)生。將RE應(yīng)用于植物以及植物制品保鮮中的研究國(guó)內(nèi)外均有報(bào)導(dǎo)[8-9],但關(guān)于RE對(duì)魚類保鮮效果及其與肌球蛋白作用的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此,本實(shí)驗(yàn)擬就其與肌球蛋白相互作用方面進(jìn)行研究。
圖1 EGCG(A)、RE(B)結(jié)構(gòu)式Fig. 1 Chemical structures of EGCG (A) and RE (B)
蛋白質(zhì)為肌肉組織的主要組成部分,其降解、聚合和變性都會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能的喪失,從而直接決定魚類肌肉質(zhì)量的好壞以及魚類腐敗變質(zhì)[10]。其中肌球蛋白是各類肌細(xì)胞中含量最多的結(jié)構(gòu)蛋白和收縮蛋白,是構(gòu)成肌肉肌原纖維粗絲的基本組成蛋白,是橫紋肌細(xì)胞表達(dá)最豐富的蛋白,約占其總蛋白庫(kù)的25%[11]。本實(shí)驗(yàn)以EGCG、RE和肌球蛋白為原料,運(yùn)用熒光光譜、圓二色譜研究EGCG、RE與肌球蛋白的相互作用,由熒光猝滅現(xiàn)象和Forster非輻射能量轉(zhuǎn)移理論求得EGCG、RE與肌球蛋白的結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點(diǎn)數(shù),從熱力學(xué)參數(shù)推出二者之間的作用力類型,并探討EGCG、RE對(duì)肌球蛋白構(gòu)象的影響,以期為EGCG、RE在魚類保鮮應(yīng)用提供理論依據(jù)。
鰱魚(體質(zhì)量2~3 kg) 市購(gòu);EGCG、RE(均為色譜純,純度≥98%) 上海源葉生物科技有限公司;其他試劑均為分析純,實(shí)驗(yàn)用水均為二次去離子水。
F-4500型熒光分光光度計(jì) 日本日立公司;AE-240雙量程電子分析天平 瑞士Metter-Toledo公司;J-1500型圓二色譜儀 日本分光株式會(huì)社;TB-85恒溫水浴裝置 日本島津公司。
1.3.1 提取肌球蛋白
參考Park等[12]的方法,并略作修改。尸僵前的鰱魚背脊肉用食品調(diào)理機(jī)破碎,向破碎后的肌肉中加入10 倍體積的溶液A(0.1 mol/L KCl、0.02% NaN3、20 mmol/L Tris-HCl,pH 7.5)。并用高速分散均質(zhì)機(jī)于9 000 r/min條件下均質(zhì)1 min,均質(zhì)液于4 ℃條件下放置15 min,5 000 r/min離心5 min,沉淀于5 倍體積溶液B(0.45 mol/L KCl、5 mmol/L β-巰基乙醇、0.2 mol/L醋酸鎂、1 mmol/L乙二醇-雙-(2-氨基乙基)四乙酸、20 mmol/L Tris-HCl,pH 6.8)中溶解,同時(shí)加入ATP-Na2使肌球蛋白與肌動(dòng)蛋白解離,魚肉肌球蛋白的提取需加ATP-Na2至終濃度為5 mmol/L,于4 ℃條件下放置1 h后4 ℃、10 000 r/min離心10 min,上清液用10 倍體積1 mmol/L KHCO3溶液稀釋,于4 ℃條件下放置1 h,然后4 ℃、12 000 r/min離心10 min;沉淀重新用2.5 倍體積溶液C(0.5 mol/L KCl、5 mmol/L β-巰基乙醇、20 mmol/L Tris-HCl緩沖液,pH 7.5)溶解,于4 ℃條件下放置10 min,再用2.5 倍體積的1 mmol/L KHCO3溶液稀釋并加MgCl2至終濃度為10 mmol/L,于4 ℃條件下放置過(guò)夜,然后10 000 r/min離心10 min;沉淀物用0.5 倍體積溶液D溶解(0.6 mol/L NaCl、20 mmol/L Tris-HCl緩沖液,pH 7.5),即為肌球蛋白溶液。采用福林-酚法[13]測(cè)定蛋白濃度。
1.3.2 熒光光譜測(cè)定
分別移取一定量的EGCG和RE乙醇溶液于10 mL具塞比色管中,再加入1 mg/mL肌球蛋白溶液1.0 mL,用0.6 mol/L NaCl(20 mmol/L Tris-HCl,pH 7.5)緩沖溶液稀釋,多酚濃度[14]分別為0、1×10-5、2×10-5、3×10-5、4×10-5mol/L,在實(shí)驗(yàn)溫度條件下恒溫1 h。以280 nm為激發(fā)波長(zhǎng),狹縫寬5 nm,掃描300~450 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的熒光光譜。設(shè)置波長(zhǎng)差(Δλ)分別為15、60 nm,狹縫寬均為5 nm,掃描速率240 nm/min,掃描260~380 nm范圍內(nèi)的同步熒光光譜[15]。
1.3.3 圓二色譜測(cè)定
試劑處理方式同1.3.2節(jié),設(shè)置波長(zhǎng)掃描范圍190~250 nm,掃描速率50 nm/min,分辨0.1 nm,響應(yīng)時(shí)間1 s,石英品池光徑1 mm,N2流量4 L/min[16]。
1.3.4 表面疏水性測(cè)定
采用8-苯氨基-1-萘磺酸(1-anilino naphthalene-8-sulfonic acid,ANS)熒光探針?lè)y(cè)量蛋白質(zhì)表面疏水性[17]。將已知蛋白分別稀釋為0、0.05、0.1、0.15、0.2 mg/mL,同時(shí)加入多酚,使EGCG和RE濃度均分別為0、1×10-5、2×10-5、3×10-5、4×10-5mol/L。每4 mL溶液加入20 μL 8×10-3mol/L ANS-0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.4)。反應(yīng)10 min后測(cè)其熒光強(qiáng)度。設(shè)置狹縫寬度5 nm,激發(fā)波長(zhǎng)390 nm,發(fā)射波長(zhǎng)479 nm。表面疏水性以熒光值-蛋白濃度曲線的斜率來(lái)表示。
采用SAS 9.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,運(yùn)用Origin 9.0軟件進(jìn)行圖形繪制及線性擬合。
肌球蛋白分子中因含有在激發(fā)波長(zhǎng)為280 nm條件下能發(fā)射熒光的色氨酸、酪氨酸等氨基酸殘基而具有內(nèi)源性熒光,其中色氨酸殘基是主要的熒光貢獻(xiàn)基團(tuán)[18]。當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為280 nm時(shí),由圖2A可知,肌球蛋白在波長(zhǎng)341 nm處具有強(qiáng)熒光發(fā)射峰,且隨著EGCG濃度的增加,肌球蛋白的內(nèi)源性熒光強(qiáng)度有規(guī)律地降低,表明EGCG可以大幅度猝滅肌球蛋白內(nèi)源性熒光,這說(shuō)明EGCG、肌球蛋白發(fā)生了相互作用;由圖2B可知,隨著RE濃度的增加,肌球蛋白內(nèi)源性熒光也呈現(xiàn)出大幅度有規(guī)律的降低,且伴隨著明顯的熒光發(fā)射峰紅移現(xiàn)象(從341 nm到365 nm),說(shuō)明RE與肌球蛋白發(fā)生了相互作用,使其發(fā)色團(tuán)微環(huán)境空間構(gòu)象發(fā)生變化,即色氨酸殘基所處環(huán)境極性增強(qiáng),疏水性減弱。
圖2 EGCG(A)和RE(B)對(duì)肌球蛋白的猝滅作用Fig. 2 Fluorescence quenching spectra of myosin with EGCG (A) and RE (B)
溶液中熒光的猝滅,指的是具備內(nèi)源性熒光物質(zhì)分子與溶劑分子之間所發(fā)生的導(dǎo)致熒光強(qiáng)度下降的物理或化學(xué)的作用過(guò)程。熒光物質(zhì)分子同猝滅劑相互作用方式的差異產(chǎn)生了不同的猝滅方式,例如動(dòng)態(tài)猝滅、靜態(tài)猝滅等形式。動(dòng)態(tài)猝滅,是指猝滅劑與處于激發(fā)態(tài)的熒光物質(zhì)分子之間發(fā)生相互作用而引起的一種猝滅過(guò)程;靜態(tài)猝滅,是指猝滅劑與處于基態(tài)的熒光物質(zhì)分子發(fā)生相互作用所引起的一種猝滅過(guò)程[19]。其中,動(dòng)態(tài)猝滅過(guò)程符合Stern-Volmer方程[20],如方程(1)所示:
式中:F0為未加入猝滅劑時(shí)的熒光強(qiáng)度;F為加入猝滅劑后的熒光強(qiáng)度;Kq為雙分子猝滅過(guò)程速率常數(shù)/(L/(mol·s));Ksv為Stern-Volmer動(dòng)態(tài)猝滅常數(shù)/(L/mol);[Q]為猝滅劑的濃度/(mol/L);τ0為猝滅劑不存在條件下生物大分子的平均熒光壽命(約為10-8s)。
為確定EGCG、RE與肌球蛋白相互作用的猝滅機(jī)理,先用Stern-Volmer方程處理數(shù)據(jù)[21],分別得到不同溫度條件下EGCG、RE與肌球蛋白熒光猝滅的Stern-Volmer方程,如圖3所示。
圖3 不同溫度條件下EGCG(A)和RE(B)對(duì)肌球蛋白熒光猝滅的Stern-Volmer曲線Fig. 3 Stern-Volmer plots for fl uorescence quenching of EGCG (A)-myosin and RE (B)-myosin systems at different temperatures
表1 不同溫度條件下EGCG和RE與肌球蛋白分別相互作用的Stern-Volmer猝滅常數(shù)KsvTable 1 Stern-Volmer quenching constants for EGCG-myosin and RE-myosin systems at different temperatures
對(duì)圖3進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算可求得EGCG和RE與肌球蛋白相互作用的Ksv和Kq,如表1所示。由圖3A可知,EGCG與肌球蛋白的Stern-Volmer猝滅曲線中的F0/F和[Q]之間存在線性相關(guān)性,且斜率隨著溫度的升高而增加,說(shuō)明EGCG與肌球蛋白之間發(fā)生了動(dòng)態(tài)猝滅現(xiàn)象,同時(shí)不同溫度曲線條件下的Kq值均大于最大動(dòng)態(tài)猝滅速率2.0×1010L/(mol·s),說(shuō)明EGCG與肌球蛋白的相互作用過(guò)程中也存在靜態(tài)猝滅的發(fā)生,所以EGCG與肌球蛋白的相互作用過(guò)程既有動(dòng)態(tài)猝滅也有靜態(tài)猝滅[22]。由圖3B可以看出,RE與肌球蛋白的Stern-Volmer猝滅曲線中的F0/F和[Q]之間也存在線性相關(guān)性,但是斜率是隨著溫度的升高而降低,且不同溫度條件下Kq值也都大于最大動(dòng)態(tài)猝滅速率2.0×1010L/(mol·s),結(jié)合其熒光光譜圖出現(xiàn)紅移現(xiàn)象,說(shuō)明RE與肌球蛋白的相互作用過(guò)程不存在動(dòng)態(tài)猝滅而是形成復(fù)合物的靜態(tài)猝滅[23]。
在靜態(tài)猝滅過(guò)程中,熒光物質(zhì)與猝滅劑分子之間的結(jié)合常數(shù)可以通過(guò)靜態(tài)猝滅公式(2)[24]計(jì)算:
式中:F0為未加入猝滅劑時(shí)的熒光強(qiáng)度;F為加入猝滅劑后的熒光強(qiáng)度;Ka為結(jié)合常數(shù)/(L/mol);[Q]為配合物的濃度/(mol/L);n為結(jié)合位點(diǎn)數(shù)。
得到lg[(F0-F)/F]與lg[Q]的關(guān)系和相關(guān)方程,如圖4所示。圖4中擬合曲線的斜率代表多酚與肌球蛋白的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)n值;擬合曲線的截距代表化合物與肌球蛋白的結(jié)合常數(shù)Ka值。
圖4 不同溫度條件下EGCG(A)和RE(B)與肌球蛋白的lg[(F0-F)/F]與lg[Q]的關(guān)系圖Fig. 4 Plot of lg[(F0-F)/F] versus lg[Q] for EGCG (A)-myosin and RE (B)-myosin systems at different temperatures
對(duì)圖4進(jìn)行觀察可得EGCG、RE與肌球蛋白反應(yīng)的結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點(diǎn)數(shù),如表2所示。EGCG和RE與肌球蛋白相互作用的結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點(diǎn)數(shù)都隨著溫度上升而降低,表現(xiàn)出明顯的靜態(tài)猝滅,并且多酚與肌球蛋白的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)均接近1,表明多酚與肌球蛋白的之間結(jié)合力很好。
表2 不同溫度條件下EGCG和RE分別與肌球蛋白結(jié)合的相關(guān)常數(shù)和方程Table 2 Linear regression equations and correlation coef ficients for EGCG-myosin and RE-myosin interactions at different temperatures
有機(jī)小分子和蛋白質(zhì)之間的作用力主要有疏水作用力、氫鍵、范德華力和靜電引力等。不同小分子與蛋白質(zhì)結(jié)合力類型不同。Ross等[25]根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)出根據(jù)反應(yīng)前后熱力學(xué)焓變?chǔ)和熵變?chǔ)的相對(duì)大小,判斷藥物與蛋白質(zhì)之間的主要作用力類型的規(guī)律。ΔH大于0、ΔS大于0為疏水作用力;ΔS小于0、ΔH小于0為氫鍵和范德華力;ΔH小于0、ΔS大于0為靜電引力。在溫度變化不大時(shí),反應(yīng)的焓變?chǔ)可以看作一個(gè)常數(shù),由結(jié)合常數(shù)Ka,按公式(3)求出反應(yīng)的自由能變(ΔG),然后根據(jù)公式(4)、(5)分別求出ΔH、ΔS,如表3所示。
表3 EGCG、RE與肌球蛋白結(jié)合的熱力學(xué)參數(shù)Table 3 Thermodynamic parameters of EGCG-myosin and RE-myosin interactions
由表3可知,EGCG與肌球蛋白作用過(guò)程中的ΔH小于0、ΔS小于0,說(shuō)明EGCG與肌球蛋白之間的主要作用為氧鍵和范德華力。而ΔG小于0,表明EGCG與肌球蛋白的結(jié)合為自發(fā)過(guò)程。同樣,RE與肌球蛋白作用過(guò)程中的ΔH小于0、ΔS小于0,表明了RE與肌球蛋白之間的主要作用力也為氫鍵和范德華力。而ΔG小于0,表明RE與肌球蛋白的結(jié)合也為自發(fā)過(guò)程。
同步熒光光譜因其圖譜簡(jiǎn)單、譜帶窄、能夠減少光譜重疊等優(yōu)點(diǎn),是用來(lái)研究小分子與蛋白質(zhì)相互作用對(duì)蛋白質(zhì)發(fā)色團(tuán)分子微環(huán)境構(gòu)象改變的好方法[26]。當(dāng)設(shè)置Δλ為15 nm時(shí),只顯示酪氨酸殘基的熒光特征光譜,當(dāng)設(shè)置Δλ為60 nm時(shí),只顯示色氨酸殘基的熒光特征光譜[27]。因此由最大發(fā)射波長(zhǎng)的改變可判斷蛋白質(zhì)酪氨酸殘基和色氨酸殘基微環(huán)境的極性變化,當(dāng)最大吸收波長(zhǎng)藍(lán)移時(shí),說(shuō)明多酚的加入使環(huán)境疏水性增加,當(dāng)最大吸收波長(zhǎng)紅移時(shí),說(shuō)明環(huán)境疏水性減小,蛋白分子趨向于伸展[28]。
圖5 EGCG(A)和RE(B)與肌球蛋白相互作用的同步熒光光譜Fig. 5 Synchronous fl uorescence spectra of EGCG (A)-myosin and RE (B)-myosin systems
從圖5A可以看出,當(dāng)Δλ為15 nm時(shí),隨著EGCG濃度的增加,酪氨酸殘基的熒光強(qiáng)度明顯下降,但最大吸收波長(zhǎng)沒(méi)有變化,當(dāng)Δλ為60 nm時(shí),隨著EGCG濃度的增加,色氨酸殘基的熒光強(qiáng)度也明顯下降,且伴有輕微紅移,說(shuō)明EGCG與肌球蛋白相互作用均會(huì)導(dǎo)致酪氨酸殘基和色氨酸殘基的熒光猝滅,并且色氨酸殘基的熒光貢獻(xiàn)比酪氨酸多,這與激發(fā)波長(zhǎng)的設(shè)置以及色氨酸和酪氨酸的相對(duì)含量有關(guān)[29],而且EGCG影響了色氨酸殘基的微環(huán)境,使該區(qū)域極性增加,疏水性降低[28]。
從圖5B可以看出,當(dāng)Δλ為15 nm時(shí),隨著RE的加入,酪氨酸殘基的熒光強(qiáng)度明顯下降,且伴有明顯藍(lán)移,說(shuō)明RE改變了酪氨酸殘基的微環(huán)境,使該區(qū)域極性減小,疏水性增大;當(dāng)Δλ為60 nm時(shí),隨著RE的加入,色氨酸殘基的熒光強(qiáng)度也明顯下降,且伴有輕微紅移,說(shuō)明RE也改變了肌球蛋白色氨酸殘基的微環(huán)境,使該區(qū)域極性增大,疏水性降低。
圖6 EGCG(A)、RE(B)與肌球蛋白相互作用的圓二色譜圖Fig. 6 CD spectra of EGCG (A)-myosin and RE (B)-myosin systems
從圖6可以看出,隨著EGCG濃度上升,肌球蛋白α-螺旋相對(duì)含量整體呈上升趨勢(shì),β-折疊、β-轉(zhuǎn)角、無(wú)規(guī)卷曲都呈現(xiàn)下降趨勢(shì),說(shuō)明EGCG與肌球蛋白作用使肌球蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,肽鏈?zhǔn)湛s;而隨著RE濃度上升,肌球蛋白α-螺旋、無(wú)規(guī)卷曲含量基本不變,僅β-轉(zhuǎn)角、β-折疊含量產(chǎn)生少許變化,說(shuō)明RE對(duì)肌球蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)沒(méi)明顯影響。
圖7 EGCG、RE對(duì)肌球蛋白表面疏水性影響Fig. 7 Effects of EGCG and RE on surface hydrophobicity of myosin
蛋白質(zhì)作為具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的生物大分子,其構(gòu)象的變化必然會(huì)影響其表面氨基酸的分布、密度以及疏水空穴的數(shù)量,而使表面疏水性發(fā)生變化[30]。為進(jìn)一步說(shuō)明EGCG、RE對(duì)肌球蛋白理化性質(zhì)的影響,考察EGCG、RE對(duì)肌球蛋表面疏水性的影響情況。從圖7可看出,隨著EGCG濃度上升,肌球蛋白表面疏水性呈下降趨勢(shì),這與同步熒光數(shù)據(jù)得出的EGCG使色氨酸殘基微環(huán)境疏水性減少和圓二色譜數(shù)據(jù)得出的EGCG使α-螺旋增加的結(jié)果相匹配;隨著RE濃度上升,肌球蛋白表面疏水性呈上升趨勢(shì),也與同步熒光數(shù)據(jù)有一定的相關(guān)性[31]。
EGCG、RE對(duì)肌球蛋白的內(nèi)源熒光都具有較強(qiáng)猝滅作用,這種猝滅主要為靜態(tài)猝滅。求得EGCG、RE與肌球蛋白的結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點(diǎn)和熱力學(xué)參數(shù),且熱力學(xué)數(shù)據(jù)(ΔH<0、ΔS<0、ΔG<0)表明它們主要靠氫鍵和范德華力結(jié)合并且是自發(fā)過(guò)程;同時(shí)用同步熒光光譜、圓二色譜和表面疏水性測(cè)定探討EGCG、RE對(duì)肌球蛋白構(gòu)象的影響,結(jié)果表明EGCG會(huì)引起肌球蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)變化,α-螺旋相對(duì)含量增加,降低肌球蛋白表面疏水性,RE對(duì)肌球蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響,使其表面疏水性增加。