何海艷,劉夢(mèng)婷,楊愛(ài)萍,蔣彩云,崔 逸,汪洪濤
(1.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院健康學(xué)院,江蘇 南京 211168;2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210023)
高血壓是最常見(jiàn)的慢性心血管疾病,與人類多種臟器并發(fā)癥緊密聯(lián)系,嚴(yán)重危害人類的健康。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球成人高血壓患病率約為30%,中國(guó)高血壓病患高達(dá)2.45億 人[1],有鑒于此,《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)施健康中國(guó)行動(dòng)的意見(jiàn)》(國(guó)發(fā)〔2019〕13號(hào))已經(jīng)對(duì)包括高血壓在內(nèi)的重大慢性病發(fā)起了“攻堅(jiān)戰(zhàn)”。腎素血管緊張素系統(tǒng)和激肽釋放酶-激肽系統(tǒng)是機(jī)體調(diào)節(jié)血壓的重要系統(tǒng),其中血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(angiotensin converting enzyme,ACE)I會(huì)促進(jìn)腎素血管緊張素系統(tǒng)的升血壓和減弱激肽釋放酶-激肽系統(tǒng)的降血壓作用,因此,抑制ACE活性是控制血壓的一種有效措施[2]。
目前,臨床降血壓藥物ACE抑制劑如卡托普利、阿拉普利、依那普利和賴諾普利等雖然藥效明顯,但會(huì)引起嘔吐、心悸等副作用[3]。近年來(lái),食物源生物活性肽因其營(yíng)養(yǎng)、安全性引起了極大的關(guān)注,研究人員已經(jīng)從雞蛋、魚肉等動(dòng)物蛋白源以及青豆、海藻、花生等植物蛋白資源中獲得多種食源性ACE抑制肽[4],并且闡明了相關(guān)活性機(jī)制和降血壓活性效果[5]。最新的研究認(rèn)為,血壓輕度升高會(huì)使患者產(chǎn)生記憶力下降和患阿爾茨海默病的風(fēng)險(xiǎn)[6],不僅高血壓患者需要降血壓,正常人收縮壓降低5 mm Hg也會(huì)大大降低心血管事件風(fēng)險(xiǎn)[7];因此,活性肽等類似的降血壓產(chǎn)品將具有廣闊的應(yīng)用空間。
南瓜籽中含有30%~40%的蛋白質(zhì),氨基酸組成豐富,是一種較好的植物蛋白資源。目前,關(guān)于南瓜籽蛋白源ACE抑制肽的研究相對(duì)較少,南瓜籽肽可能存在的ACE抑制分子機(jī)制也不夠清楚。因此,本實(shí)驗(yàn)采用堿性蛋白酶水解南瓜籽蛋白釋放ACE抑制肽,通過(guò)膜分離技術(shù)獲得ACE抑制肽并通過(guò)質(zhì)譜技術(shù)鑒定其結(jié)構(gòu),同時(shí)利用ACE抑制活性實(shí)驗(yàn)、自發(fā)性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rats,SHRs)模型、抑制動(dòng)力學(xué)和分子對(duì)接方法研究ACE抑制肽的降血壓活性和酶抑制機(jī)制,以期為南瓜籽降血壓肽的開發(fā)提供理論依據(jù)。
SHRs(SPF級(jí)無(wú)特定病原體(生產(chǎn)許可證號(hào)SCXK(蘇)2019-0001) 北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司。
南瓜籽為烏魯木齊市售;堿性蛋白酶(Alcalase)、ACE、N-[3-(2-呋喃基)丙烯酰]-L-苯丙氨酰-甘氨酰-甘氨酸(N-[3-(2-furylacryloyl)]-L-phenyalanyl-glycyl-glycine,F(xiàn)APGG) 北京索萊寶科技有限公司;兔肺ACE(酶活力100 U/L) 美國(guó)Sigma公司;透析袋 美國(guó)Thermo Fisher公司;其他試劑均為分析純。
RET磁力攪拌器 德國(guó)IKA公司;FE20K pH酸度計(jì)美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特公司;Allegra64R高速冷凍離心機(jī)瑞士梅特勒-托利多公司;熒光酶標(biāo)儀 美國(guó)Spectra MAX Gemini公司;Stirred Cell 8010超濾裝置 美國(guó)Millipore公司;真空冷凍干燥機(jī) 德國(guó)Christ公司;高效液相色譜-四極桿飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜儀(high performance liquid chromatography quadrupole-time-of-flight tandem mass spectrometry,HPLC/Q-TOF-MS/MS)(配有光電二極管矩陣檢測(cè)器和TOF檢測(cè)器) 美國(guó)SCIEX公司。
1.3.1 南瓜籽蛋白的水解及水解物的膜分離
參考Chen Wenye等的方法,采用堿溶酸沉法提取南瓜籽分離蛋白(pumpkin seed protein isolate,PPI)[8]。將PPI溶于蒸餾水至終質(zhì)量濃度5 g/100 mL,以1 mol/L NaOH溶液調(diào)pH值至8.0,水浴攪拌加熱至50 ℃并保溫,添加堿性蛋白酶(添加量為4%,以PPI質(zhì)量計(jì))消化4 h,酶解過(guò)程以1 mol/L NaOH溶液維持pH值不變,每10 min記錄消耗NaOH的體積,用以計(jì)算水解度;水解反應(yīng)結(jié)束后,以2 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH值至4.5,并將反應(yīng)容器沸水浴加熱10 min,冷卻至室溫,8 000×g離心20 min,上清液即為南瓜籽蛋白水解物(pumpkin seed protein hydrolysate,PPH),部分PPH以截留分子質(zhì)量100 Da透析膜透析后凍干,部分PPH依次通過(guò)截留分子質(zhì)量1、3、5、10 kDa的超濾膜,透過(guò)液透析后凍干,于-20 ℃下貯存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.2 水解度的測(cè)定
采用pH-stat法[9]測(cè)定南瓜籽蛋白水解過(guò)程中的水解度,并根據(jù)公式(1)計(jì)算。
式中:c為NaOH溶液的濃度/(mol/L);V為NaOH溶液的體積/mL;m為蛋白質(zhì)的質(zhì)量/g;α為水解時(shí)α-NH2的平均離解度(對(duì)南瓜籽蛋白,1/α取值為1);htot為水解度常數(shù)(對(duì)南瓜籽蛋白,htot取值為8 mmol/g)。
1.3.3 ACE抑制活性的測(cè)定
根據(jù)Yang Yijie等的方法測(cè)定樣品的ACE抑制活性[10]。配制80 mmol/L的磷酸鹽緩沖液(pH 8.2,含有300 mmol/L的NaCl),用于溶解樣品、FAPGG(1 mmol/L)、ACE(100 U/L),96 孔板依次加入40 μL樣品、50 μL底物FAPGG、10 μL ACE,以磷酸鹽緩沖液為空白對(duì)照,置于37 ℃恒溫振蕩5 min后,30 min內(nèi)每隔2 min測(cè)定340 nm波長(zhǎng)處的吸光度,根據(jù)公式(2)計(jì)算ACE抑制率。
式中:v樣品為樣品的ACE酶促反應(yīng)速率/min-1;v空白對(duì)照為空白對(duì)照的ACE酶促反應(yīng)速率/min-1。
1.3.4 體內(nèi)降血壓活性評(píng)價(jià)
參照羅鵬等的方法[11],將體質(zhì)量270~320 g雄性SHRs隨機(jī)分組(每組5 只),分別灌胃1 mL生理鹽水(空白對(duì)照組)、卡托普利(10 mg/kgmb)、PPH(大于100 Da的PPH樣品,后同)及低于1 kDa PPH組分(100 mg/kgmb)、合成南瓜籽肽(30 mg/kgmb),卡托普利和實(shí)驗(yàn)樣品均溶于生理鹽水。采用夾尾法測(cè)量SHRs的收縮壓和舒張壓,結(jié)果以灌胃前后2、4、6、8、24 h SHRs血壓差表示。
1.3.5 肽的結(jié)構(gòu)鑒定
采用LC-MS/MS鑒定低于1 kDa PPH組分中多肽組成。LC條件:色譜柱C18(4.6 mm×250 mm);流動(dòng)相A為水,流動(dòng)相B為乙腈(含有體積分?jǐn)?shù)0.1%甲酸),進(jìn)樣體積10 μL,流速0.5 mL/min,流動(dòng)相B 5%~95%梯度洗脫,洗脫時(shí)間20 min。MS條件:電噴霧離子源、碰撞能量35 V、錐孔電壓40 V。利用PEAKS Studio軟件分析活性肽序列并對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)(UniProt)予以確認(rèn)。經(jīng)MS鑒定的南瓜籽肽于南京杰肽生物科技有限公司合成,純度達(dá)到98%。
1.3.6 酶的抑制動(dòng)力學(xué)分析
參考He Rong等的方法分析南瓜籽肽的ACE抑制動(dòng)力學(xué)[12]。抑制ACE的底物(FAPGG)濃度分別配制為0.0625、0.125、0.25、0.5、1 mmol/L。按照1.3.3節(jié)方法進(jìn)行反應(yīng)。根據(jù)酶促反應(yīng)速率(1/v)與底物濃度(1/[S])的倒數(shù)作Lineweaver-Burk雙倒數(shù)圖,確定南瓜籽肽的ACE抑制模式,根據(jù)圖形y軸和x軸的截距分別計(jì)算抑制參數(shù)(最大酶促反應(yīng)速率vmax和米氏常數(shù)Km)。
1.3.7 分子對(duì)接
參考管驍?shù)鹊姆椒╗13]以Protein Data Bank數(shù)據(jù)庫(kù)1O8A晶體結(jié)構(gòu)為本研究的ACE受體,采用Chemdraw軟件繪制南瓜籽肽MLPL、RFPLL、LLPGF和LVF的分子結(jié)構(gòu),利用分子模擬軟件Discovery Studio(DS)中的CHARMm程序?qū)㈦姆肿幽芰孔钚』肅DDOCK程序?qū)幽瞎献央暮虯CE。分子對(duì)接去除1O8A的配體、保留Cl原子和Zn原子,對(duì)接活性位點(diǎn)x為41.311、y為33.976、z為46.128,半徑10 ?。選擇DS軟件對(duì)接評(píng)分最高結(jié)果分析結(jié)合自由能、氫鍵、疏水基團(tuán)和帶電基團(tuán)等指標(biāo)。
采用GraphPad Prism軟件繪制圖形,采用SAS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、Duncan多重比較,以P<0.05表示差異顯著,每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次以上。
如圖1A所示,南瓜籽蛋白的水解度與水解時(shí)間呈正相關(guān),水解開始1 h內(nèi)水解度增加較快,水解度達(dá)到7.99%;60~200 min內(nèi)水解度增加了2.99%,水解反應(yīng)速率明顯變慢,4 h后水解度達(dá)到11.23%,南瓜籽蛋白在堿性蛋白酶的作用下充分釋放了其中的活性肽。不同蛋白質(zhì)的水解度與蛋白的種類及結(jié)構(gòu)有關(guān),例如,張齊等采用堿性蛋白酶制備文冠果蛋白酶解肽,水解度高達(dá)18.21%[14],顯著高于本實(shí)驗(yàn)中南瓜籽蛋白的水解度;而原洪等采用堿性蛋白酶制備花椒籽蛋白酶解肽,水解度則僅為7.23%[15]。
由圖1B可知,1 mg/mL質(zhì)量濃度下,PPH ACE抑制活性也因水解物分子質(zhì)量的不同而有所差別。PPH和低于1 kDa肽組分的ACE抑制活性較高,二者ACE抑制活性沒(méi)有顯著性差異(P>0.05),分別為46.81%和46.22%;除3~5 kDa組分外,ACE抑制活性隨著PPH分子質(zhì)量的增大而逐漸降低,5~10 kDa組分ACE抑制活性最低,抑制率為33.74%。綜上可知,低分子質(zhì)量的南瓜籽多肽具有較高的ACE抑制活性,Zou Zhipeng等研究麥麩蛋白水解物時(shí)也發(fā)現(xiàn)低于1 kDa麥麩蛋白水解物組分的ACE抑制活性顯著高于麥麩蛋白水解物[16]。
PPH的降血壓活性如圖1C所示,SHRs灌胃PPH(100 mg/kgmb)后,PPH及低于1 kDa PPH組分在灌胃4 h時(shí)表現(xiàn)出了相似的降血壓效果,均降低SHRs收縮壓約14.80 mm Hg,而低于1 kDa PPH組分在灌胃6 h時(shí)表現(xiàn)出了最好的降血壓效果,降低SHRs的收縮壓約21.42 mm Hg,低于1 kDa PPH組分的降血壓活性優(yōu)于PPH;低于1 kDa PPH組分雖然表現(xiàn)出持續(xù)的降血壓效果,但是仍差于降血壓藥物卡托普利。與其他相關(guān)研究相比,PPH表現(xiàn)出適中的降血壓效果,Chay等研究發(fā)現(xiàn)蠶豆籽水解物在300 mg/kgmb的劑量下灌胃4 h后的降壓效果最好,約降低SHRs血壓19.3 mm Hg[17];鄒智鵬等研究發(fā)現(xiàn)小米蛋白水解物低于1 kDa組分(100 mg/kgmb)灌胃6 h后約降低SHRs的收縮壓37.8 mm Hg[18]。
圖1 南瓜籽蛋白的水解及水解物膜分離組分的活性Fig. 1 Hydrolysis of pumpkin seed protein and the activity of membrane ultrafiltration fractions from pumpkin seed protein hydrolysate
由上述研究結(jié)果可知,低于1 kDa PPH組分具有較好的生物活性,為了確定可能引起活性的肽段結(jié)構(gòu),采用HPLC/Q-TOF-MS/MS鑒定了低于1 kDa PPH組分中南瓜籽蛋白肽組成。在獲得低于1 kDa PPH組分的總離子流色譜圖和一級(jí)質(zhì)譜圖(圖2)的基礎(chǔ)上,利用PEAKS Studio軟件分析并比對(duì)UniProt數(shù)據(jù)庫(kù),從低于1 kDa PPH組分中鑒定出了9 種多肽,分別是Leu-Leu-Val(LLV)、Leu-Val-Phe(LVF)、Leu-Thr-Pro-Leu(LTPL)、Ser-Val-Leu-Phe(SVLF)、Leu-Leu-Pro-Gln(LLPQ)、Met-Leu-Pro-Leu(MLPL)、Leu-Leu-Pro-Gly-Phe(LLPGF)、Val-Leu-Leu-Pro-Glu(VLLPE)、Arg-Phe-Pro-Leu-Leu(RFPLL)。此外,通過(guò)嘗試檢索生物活性肽數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)現(xiàn)所鑒定的9 種南瓜籽肽均未出現(xiàn)在這些ACE抑制肽或者降血壓肽數(shù)據(jù)中,僅發(fā)現(xiàn)了類似的降血壓肽序列,如LLY、LVY、LVE、LLP、LLF等(檢索數(shù)據(jù)庫(kù):http://bis.zju.edu.cn/biopepdbr/index.php、http://pepbank.mgh.harvard.edu、http://www.nipgr.ac.in/PlantPepDB/),說(shuō)明本研究從PPH發(fā)現(xiàn)了新的ACE抑制肽。
圖2 南瓜籽蛋白低于1 kDa組分的總離子流色譜圖(A)和一級(jí)質(zhì)譜圖(B)Fig. 2 Total ion current chromatogram (A) and primary mass (B)spectrum of fractions with molecular mass less than 1 kDa from pumpkin seed protein hydrolysate
如圖3A所示,9 種多肽RFPLL、VLLPE、LLPGF、MLPL、LLPQ、SVLF、LTPL、LVF、LLV的ACE半抑制濃度(half maximal inhibitory concentration,IC50)分別為0.94、16.57、0.48、0.36、5.32、7.11、5.07、0.17、3.16 mmol/L,其中LLPGF、MLPL、LVF和RFPLL的IC50均低于1 mmol/L,具有較高的ACE抑制活性。多肽的生物活性與其序列和氨基酸組成有著顯著的相關(guān)性,N端和C端含有疏水性和芳香族氨基酸殘基以及含有Arg、Pro的活性肽具有較好的ACE抑制活性[19-20],南瓜籽蛋白肽N端和C端含有Phe、Leu和Val等疏水性氨基酸,因此具備了較好的ACE抑制活性。此外,肽鏈的長(zhǎng)短對(duì)ACE抑制活性也有一定的影響,例如,Zhang Peng等從小麥面筋蛋白水解物中分離得到高活性ACE抑制肽SAGGYIW和APATPSFW,其IC50分別為0.002 mg/mL和0.036 mg/mL[21];Bhaskar等從馬豆粉中分離出ACE抑制肽TVGMTAKF和QLLLQQ,其IC50分別為30.3 μmol/L和75.0 μmol/L[22],這些ACE抑制肽都具有較長(zhǎng)的肽鏈以及特殊的氨基酸組成。
此外,進(jìn)一步評(píng)價(jià)了ACE抑制活性較好的南瓜籽肽LLPGF、MLPL、LVF和RFPLL的降血壓活性(圖3B、C)。總體看來(lái),RFPLL具有較好的降血壓活性,灌胃SHRs 6 h后使其收縮壓降低37.0 mm Hg、舒張壓降低17.0 mm Hg;其次是LVF,灌胃SHRs 6 h后使其收縮壓降低22.2 mm Hg、舒張壓降低11.2 mm Hg;而LLPGF和MLPL的降血壓活性相對(duì)較差;RFPLL和LVF灌胃SHRs 24 h后仍然具有一定的降血壓活性,并且在測(cè)試的劑量下RFPLL與卡托普利降血壓效果較為接近,說(shuō)明從南瓜籽蛋白中獲得了效果較好的降血壓肽。另一方面,體外ACE抑制活性與降血壓活性存在一定的差異,ACE抑制活性相對(duì)較差的RFPLL卻表現(xiàn)出了較好的降血壓活性,類似的情況也有相關(guān)報(bào)道,如He Rong等從菜籽蛋白中分離得到ACE抑制活性相當(dāng)?shù)腡F、RALP,30 mg/kg劑量下RALP降低SHRs血壓效果(16 mm Hg)明顯優(yōu)于TF[23],Yang Yijie等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)RALP在代謝過(guò)程中發(fā)生降解,產(chǎn)生了活性更高的肽段ALP、LP和RA[10],本研究所獲得ACE抑制肽RFPLL也可能發(fā)生了類似的代謝降解。
圖3 南瓜籽肽的ACE抑制活性及降血壓活性Fig. 3 ACE inhibitory and antihypertensive activity of pumpkin seed peptides
采用Lineweaver-Burk雙倒數(shù)圖探討南瓜籽肽RFPLL、LLPGF、MLPL和LVF抑制ACE的動(dòng)力學(xué)模式。由圖4可知,RFPLL是ACE混合型抑制劑,低濃度下(0.5 mmol/L)RFPLL對(duì)ACE是競(jìng)爭(zhēng)性抑制,較高濃度(1 mmol/L)表現(xiàn)出了非競(jìng)爭(zhēng)抑制作用;MLPL的雙倒數(shù)直線近似相交于y軸,說(shuō)明其對(duì)ACE的抑制模式可能是競(jìng)爭(zhēng)性抑制,而LLPGF、LVF可能是非競(jìng)爭(zhēng)性抑制類型。綜上,RFPLL通過(guò)與FAPGG競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合ACE或者形成RFPLL-ACE-FAPGG復(fù)合物而降低ACE活性;MLPL可能主要通過(guò)與ACE的活性位點(diǎn)直接結(jié)合來(lái)抑制ACE活性;LLPGF和LVF通過(guò)與ACE-FAPGG復(fù)合物結(jié)合,改變ACE的空間構(gòu)像而降低ACE活性。Ma Feifei等從銀杏蛋白中分離得到1個(gè)ACE非競(jìng)爭(zhēng)性抑制肽TNLDWY和2個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性抑制肽RADFY、RVFDGAV[24]。
圖4 南瓜籽肽抑制ACE動(dòng)力學(xué)雙倒數(shù)圖Fig. 4 Lineweaver-Burk plots for ACE inhibitory kinetics of pumpkin seed peptides
體細(xì)胞ACE分子C端活性中心含有3個(gè)活性位點(diǎn)S1(Y523、E384)、S1’(E162、D377)和S2’(Y520、K511、H513、H353、A354)和1個(gè)三聯(lián)體催化部位(His383、His387、Glu411與Zn2+配位結(jié)合)[25-26]。南瓜籽肽與ACE的分子對(duì)接結(jié)果如圖5所示,RFPLL、LLPGF、MLPL和LVF均能夠較好地對(duì)接于ACE的活性中心殘基,其中,RFPLL與ACE的殘基Tyr523、Glu162、Asp377之間形成3個(gè)氫鍵,并通過(guò)O31、O28螯合Zn2+,獲得了較低的靜電勢(shì)能-231.64 kJ/mol,說(shuō)明RFPLL能夠通過(guò)結(jié)合ACE活性位點(diǎn)S1、S1’及三聯(lián)體催化部位發(fā)揮抑制活性;小分子肽LVF與ACE的5個(gè)殘基His353、Ala354、Tyr520、Lys511、Gln281之間形成9個(gè)氫鍵,并且O2與Zn2+的距離僅有2.78 ?,也說(shuō)明了LVF能夠通過(guò)結(jié)合ACE活性位點(diǎn)S2’及三聯(lián)體催化部位發(fā)揮抑制活性;LLPGF和WLPL分別與ACE的氨基酸殘基之間形成5個(gè)和7個(gè)氫鍵,但是結(jié)合勢(shì)能相對(duì)較高,分別為-112.99 kJ/mol和-80.00 kJ/mol。分子對(duì)接模擬進(jìn)一步說(shuō)明4個(gè)南瓜籽肽具有ACE抑制活性。類似地,有研究表明乳清蛋白肽IIAE、LIVTQ、LVYPFP通過(guò)與ACE活性中心殘基Gln259、His331、Thr358之間形成了較強(qiáng)的氫鍵從而表現(xiàn)出ACE抑制活性[27];此外,3D藥效團(tuán)模擬分析結(jié)果表明活性肽與ACE活性中心殘基Trp279、Gln281、His353、Ala354、Ser355、Ala356、His383、Glu384、Glu411、Asp415、Lys454、Phe457、Lys511、His513、Tyr520、Tyr523形成氫鍵,氫鍵可以很好地抑制ACE活性[28]。
圖5 南瓜籽肽與ACE的分子對(duì)接Fig. 5 Molecular docking of pumpkin seed peptides to the ACE active sites
本實(shí)驗(yàn)采用堿性蛋白酶水解南瓜籽蛋白,經(jīng)膜分離和質(zhì)譜鑒定技術(shù)獲得高活性南瓜籽肽氨基酸序列,同時(shí)分析了南瓜籽肽的降血壓活性和ACE抑制機(jī)制,結(jié)果表明:1)低于1 kDa PPH組分具有較高降血壓活性,灌胃6 h后可以降低SHRs的收縮壓約21.42 mm Hg;2)南瓜籽肽RFPLL、LLPGF、MLPL和LVF具有較好的ACE抑制活性,IC50均低于1 mmol/L,其中RFPLL和LVF具有較好的降血壓活性,灌胃6 h后分別使SHRs的收縮壓降低37.0 mm Hg和22.2 mm Hg、使SHRs的舒張壓降低約17.0 mm Hg和11.2 mm Hg;3)RFPLL、LLPGF、MLPL和LVF可以很好地對(duì)接ACE的活性中心,RFPLL是ACE混合型抑制劑,MLPL對(duì)ACE是抑制模式可能是競(jìng)爭(zhēng)性抑制,LLPGF、LVF可能是ACE的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。綜上,低于1 kDa PPH是一種良好的降血壓功能食品原料,而RFPLL和LVF可用于降血壓功能食品或者藥品的開發(fā)原料。