陳飛龍,寧德山,王宇暉,杜潔,劉飛,趙力超,曹庸
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣州510642;2.無限極(中國)有限公司,廣州510623;3.廣州綠萃生物科技有限公司,廣州 510663)
高血壓是一種世界性常見疾病,會引起中風(fēng)、心率失常、猝死等,是破壞心、腦、腎器官的“無形殺手”[1]。目前降壓藥物分為6類:利尿藥、β-受體阻滯劑、鈣離子拮抗劑、血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑、血管緊張素Ⅱ受體拮抗劑和直接擴張血管的藥物[2],這些傳統(tǒng)的降壓藥物具有一定的毒副作用[3]。而食源性血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(Angiotensin converting Enzyme,ACE)抑制肽是來源于食物中具有ACE抑制活性的多肽片段[4],它通過抑制血漿和血管內(nèi)皮細胞ACE活性,達到降壓的作用,其性質(zhì)溫和,還具有免疫活性、促進消化吸收、減肥等多種功效。因此,食源性ACE抑制肽具有合成降壓藥物所無法比擬的獨特優(yōu)越性,是目前降壓研究領(lǐng)域的熱點。而乳源降壓肽還具有來源更廣泛、服用更方便、活性更強、消費者易接受等優(yōu)點,具有更為廣闊的應(yīng)用前景,目前關(guān)于乳源降壓肽的研究報道也是最多的[5]。
高血壓的病因復(fù)雜,人體內(nèi)許多系統(tǒng)與血壓的調(diào)節(jié)都有密切關(guān)系,其中腎素-血管緊張素系統(tǒng)(Rein-AngiotensinSystem,RAS)和激肽釋放酶-激肽系統(tǒng)(Kallikrein-Kinin System,KKS)在控制血壓方面起著關(guān)鍵性作用,RAS和KKS功能失調(diào)可引起高血壓。
圖1 ACE抑制肽的降壓機制
ACE抑制肽的降壓機制如圖1所示,RAS和KKS在血壓調(diào)節(jié)方面是一對相互拮抗的體系,其平衡對維持正常血壓有重要作用,平衡失調(diào)是高血壓發(fā)病的重要因素之一[6]。RAS開始于無活性的先導(dǎo)物血管緊張素原,腎素可使血管緊張素原釋放出血管緊張素Ⅰ(AngiotensinⅠ,AngⅠ),在ACE作用下,AngⅠ失去C-端二肽形成AngⅡ。AngⅡ是一種血管收縮劑,增加周圍血管阻力,且刺激醛固酮的合成和釋放,醛固酮促進遠曲小管和集合管對Na、水的重吸收使血壓增加,兩者共同作用導(dǎo)致血壓上升。同時,ACE是一個多功能的酶,也會作用于KKS體系,該體系通過引發(fā)一系列的反應(yīng)來達到降壓的作用[7]。緩激肽提高細胞內(nèi)Ca2+濃度導(dǎo)致一氧化氮合酶被激活,其產(chǎn)生的NO具有很強的血管擴張作用,導(dǎo)致血壓降低。ACE能夠降解緩激肽,去除具有擴血管作用的緩激肽C-末端的二肽,使其形成無效片段,導(dǎo)致血壓升高,對ACE的抑制可以使KKS體系恢復(fù)正常。
因此,ACE抑制肽通過抑制ACE的活性降低血壓,即通過抑制其阻止血管舒張和激活血管收縮的活性來實現(xiàn)降血壓作用。
隨著ACE抑制肽研究的日趨深入,很多乳源降壓肽的氨基酸序列被鑒定出來[8],人們發(fā)現(xiàn)ACE的活性與它們的一級結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。雖然具體的ACE抑制肽的結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系還不是很明確,但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些普遍存在的特點。乳源降壓肽的降壓活性與其相對分子質(zhì)量大小、C端氨基酸、N端氨基酸等有著密切的關(guān)系。
ACE抑制肽的通常含有2~12個氨基酸,但是也有一些降壓肽含27個氨基酸以上的肽段[9]。2010年,Jiang等[10]采用超濾分離AS1.398中性蛋白酶水解牛乳酪蛋白的水解產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)截留相對分子質(zhì)量小于10 ku的透過液的IC50值為(0.610±0.007)mg/mL,相對分子質(zhì)量為3 ku到10 ku的透過液的IC50值為(0.568±0.016)mg/mL,而相對分子質(zhì)量小于3ku的透過液的IC50值為(0.461±0.009)mg/mL,這說明透過液的相對分子質(zhì)量越低其降壓活性越高,即大部分具有降壓活性的乳源降壓肽片段的相對分子質(zhì)量小于3 ku;同年,Chen等[11]也采用超濾技術(shù)從發(fā)酵馬奶中分離出相對分子質(zhì)量小于3 ku、3 ku至10 ku、大于10 ku的三種肽片段,其中相對分子質(zhì)量為3 ku至10 ku、大于10 ku的兩種肽片段的IC50值大于100 mg/mL,而相對分子質(zhì)量小于3 ku的肽片段的IC50值為(80.11±2.13)mg/mL,ACE 抑制率為 55.29%;Tavares等[12]、Ruiz-Giménez等[13]也發(fā)現(xiàn)相對分子質(zhì)量小于3 ku的乳蛋白透過液具有較強的ACE抑制活性,具有ACE抑制活性的多肽大部分存在于相對分子質(zhì)量小于3 ku的透過液中;潘道東等[14]也采用超濾技術(shù)對乳清蛋白的胰蛋白酶水解產(chǎn)物進行分離,并且測定相對分子質(zhì)量小于6 ku,6~10 ku,大于10 ku的透過液的ACE抑制率,發(fā)現(xiàn)相對分子質(zhì)量小于6 ku的透過液的ACE抑制率最大,為64.26%。
從以上報道可以推測,乳源降壓肽的降壓活性與其相對分子質(zhì)量大小有關(guān),主要是小肽發(fā)揮活性作用,乳源降壓肽降壓相對分子質(zhì)量越小其活性相對比較強。但相對分子質(zhì)量并不是影響乳源降壓肽活性的唯一因素,很多人認為多肽的序列是更重要的影響因素。例如,二肽Try-Lys的分子量為300 u,其IC50為1.63 μmol/L,而11 肽MIPPGGAGGPGL分子量為1.3 ku,其 IC50 為 28.7 μg/mL,兩者均具有較強的ACE抑制活性[15],所以,乳源降壓肽的活性也受到其序列的影響。
乳源降壓肽的活性除了受其相對分子質(zhì)量大小的影響,還受其氨基酸序列結(jié)構(gòu)的影響。有研究表明,乳蛋白抑制肽的結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系主要是由一級結(jié)構(gòu)中疏水性氨基酸、Pro、C端帶正電荷的氨基酸以及N-端氨基酸的存在狀況綜合作用的結(jié)果[16]。
2.2.1 乳源降壓肽的活性與其C端氨基酸的關(guān)系
ACE抑制肽與ACE酶的位點結(jié)合是ACE抑制肽發(fā)揮活性的主要因素,ACE抑制肽的C末端三肽序列對肽段與ACE酶的結(jié)合程度有著強烈的影響,即C端氨基酸影響ACE抑制肽的活性[17]。通過對于不同結(jié)構(gòu)ACE抑制肽的研究顯示,ACE的抑制肽活性與其C端疏水性氨基酸密切相關(guān)[18,19]。如表1所示,我們可以知道乳源降壓肽的一級結(jié)構(gòu)中存在大量的疏水性氨基酸,尤其是C端三肽的位置,即除了少數(shù)肽段外,絕大部分的乳源降壓肽的活性與其C端疏水性氨基酸的含量正相關(guān)。
表1 乳源降壓肽活性與其C端疏水性氨基酸的關(guān)系
但是疏水性氨基酸的含量不是影響ACE抑制肽活性的唯一因素,C端Lys、Pro、帶正電荷氨基酸的存在也會影響其活性的發(fā)揮。Tavares等[12]從乳清蛋白水解液發(fā)現(xiàn)的肽段RELEEL、RELKDL擁有較強的ACE抑制活性,即C未端存在Lys能夠提高ACE抑制活性;大量對不同結(jié)構(gòu)ACE抑制肽的研究顯示,ACE抑制肽C端氨基酸中Pro的存在位置及分布對其活性強弱有很大的影響,一般情況下ACE抑制肽的C末端以及C端三肽位置上存在Pro時,其具有很高的ACE抑制活性[26]。如表2所示,乳源降壓肽C末端及三肽位置上存在Pro時,其IC50較低,ACE抑制活性較高,符合上述規(guī)律;由表3我們可以看出,對LHLPLP肽段修飾后合成肽段中LHLPLR的IC50值最小[26],即ACE抑制活性最高,也就是說C末端有Arg的存在,其ACE抑制活性較高。也有研究ACE抑制肽抑制活性與其結(jié)構(gòu)關(guān)系的資料表明:ACE抑制肽C末端存在Arg(胍基正電荷)和Lys(ε-氨基正電荷)可以提高其ACE抑制活性[24]。
表2 乳源降壓肽C端Pro的存在位置與其活性的關(guān)系
表3 LHLPLP肽段進行修飾后合成肽段的ACE抑制活性[26]
2.2.2 乳源降壓肽的活性與其N端氨基酸的關(guān)系
由表1和表2可以看出,絕大部分N端存在芳香環(huán)氨基酸或者堿性氨基酸的乳源降壓肽的活性比較高,即肽的N端具有芳香環(huán)氨基酸或堿性氨基酸時,能提高其活性。有些研究表明[27-28],ACE抑制肽的N端為Leu、Ile、Val等氨基酸殘基的肽段時,其降血壓效果較顯著,但N端為Pro時其活性反而降低??墒请S著發(fā)現(xiàn)的乳源降壓肽越來越多,結(jié)構(gòu)更多種多樣,有些文獻顯示乳源降壓肽N端結(jié)構(gòu)與其活性沒有相關(guān)性[26,29],所以乳源降壓肽結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系還有待進一步研究。
隨著不同結(jié)構(gòu)的ACE抑制肽不斷從食物蛋白水解液中分離出來,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)有許多活性極強的肽并不滿足上述規(guī)律。因此,如何準確表征ACE抑制肽的結(jié)構(gòu),預(yù)測肽的活性,闡明其作用機理,并在此基礎(chǔ)上進一步開發(fā)ACE抑制肽類藥物已成為目前亟待解決的問題[30]。定量構(gòu)效關(guān)系(Quantitative structure activity relationship,QSAR)作為一種定量描述活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系的有效手段,具有量效關(guān)系明確、信息豐富、對未知化合物活性預(yù)測能力強等優(yōu)點。計算機輔助分子設(shè)計的方法為功能食品的開發(fā)和創(chuàng)新提供了一種新的手段[31]。由于ACE抑制肽是一類相對分子質(zhì)量較小的短肽(一般低于1 500 u),對其結(jié)構(gòu)的定量描述不會過于復(fù)雜,因此具有可行性。對ACE抑制肽進行QSAR研究將有助于深入理解肽的結(jié)構(gòu)特征以及活性機理,并有利于新的具有更強活性的抑制肽的設(shè)計。
目前這部分的研究報道并不多,他們的研究結(jié)果也有待于進一步驗證。如:劉靜[32]等收集20種天然氨基酸的457種理化性質(zhì),按照疏水、電性特征、氫鍵貢獻和立體特征分類后,對它們分別進行主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),得到一個新的氨基酸殘基結(jié)構(gòu)描述符SVHEHS(Scores vector of hydrophobic,electronic,hydrogen bonds and steric properties),此描述符能用于ACE抑制肽的活性預(yù)測和分子設(shè)計,有利于ACE抑制肽的深入研究。蘇淅娜[30]等則比較了多元線性回歸(Multiple linearregression,MLR)、偏最小二乘(Partial least square regression,PLS)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial neural networks,ANN)3種建模方法優(yōu)劣,發(fā)現(xiàn)ANN和PLS模型的擬合能力、模型穩(wěn)健性以及預(yù)測效果均優(yōu)于MLR模型,更適合于ACE抑制肽的QSAR研究。
綜上所述,目前對乳源降壓肽的抑制活性的研究主要集中于一級結(jié)構(gòu),雖然空間結(jié)構(gòu)的研究偶見報道,但并沒有形成理論。一級結(jié)構(gòu)方面,抑制活性主要由兩個因素決定:多肽的分子量以及多肽的氨基酸組成和結(jié)構(gòu),乳源降壓肽的活性是它們綜合作用的結(jié)果。乳源降壓肽肽有如下特點:①相對分子質(zhì)量比較低,小于3 ku,大約包含2~12個氨基酸殘基。②一級結(jié)構(gòu)含有大量疏水性氨基酸,C端存在Pro、Leu、帶正電荷的氨基酸有較高的ACE抑制活性;③在N端具有芳香環(huán)氨基酸或堿性氨基酸時,活性比較高,相反,在N端為Pro則活性降低。
目前國內(nèi)外構(gòu)效關(guān)系的研究是該領(lǐng)域的一個熱門問題,是探究降壓機理的必需步驟,但對ACE抑制肽的結(jié)構(gòu)分析還局限于對已知序列的肽進行定性的分析,因此對其作用的構(gòu)效關(guān)系等方面還需要進一步加強研究。
在發(fā)達國家,具有營養(yǎng)保健功能的食品的銷量不斷上升。據(jù)報道,每天食用適量的降壓肽可以降低血壓,其效果與食用化學(xué)合成藥物差不多[33]。乳源降血肽的降壓功能顯著,具有化學(xué)合成藥物不可比擬的優(yōu)勢,近年來,人們將其作為一種配料添加到食品中,生產(chǎn)出可供正常人或輕度高血壓患者食用的具有預(yù)防和治療高血壓功效的功能性食品。
表格4列舉了市場上一些被登記的具有降血壓活性的含有乳源降壓肽的產(chǎn)品。Calpis和Evolus都是由乳酸菌發(fā)酵而成的具有降壓功能發(fā)酵乳,它們是兩種研究得比較多的保健食品。經(jīng)檢測,發(fā)現(xiàn)在這兩種發(fā)酵乳中含有源于β-酪蛋白和κ-酪蛋白的乳源降壓肽VPP和IPP,另外Jauhiainen[34]等發(fā)現(xiàn)這兩種飲料還具有預(yù)防動脈粥樣硬化的功能。除此之外,人們還生產(chǎn)出如Festivo奶酪、Ingredia糖果等具有降血壓活性的保健食品。目前,國外有大量的含有生物活性肽的產(chǎn)品獲得專利,相關(guān)的保健食品也逐步上市。但是,國內(nèi)對生物活性肽的利用主要集中在護膚品和醫(yī)藥領(lǐng)域,如活性肽蠶絲面膜、膠原活性肽補水調(diào)理露、生物活性肽沁柔滋養(yǎng)晚霜、維億陽光正品盒裝成人型活性肽蛋白粉、紅水保濕排毒疹皮炎bfgf凍干粉等,其功能主要是抗衰老。而在食品方面的應(yīng)用比較少,主要是含活性肽功能飲料,其功能主要是抗疲勞。因此,在國內(nèi)開發(fā)具有降血壓功能的食品的前景十分廣闊。
表4 具有降血壓活性的含有乳源降壓肽的產(chǎn)品
在食品工業(yè)生產(chǎn)作為食品配料使用過程中,我們需要考慮乳源降壓肽的感官特性和生產(chǎn)過程可能對它的活性的破壞作用。雖然酶法水解蛋白質(zhì)可得到多種具有高ACE抑制活性的降壓肽,但在水解的同時也會相應(yīng)的有苦味肽的形成,這就嚴重影響了水解產(chǎn)物的應(yīng)用。據(jù)文獻顯示,苦味肽的脫除是制約乳源降壓肽在食品中的應(yīng)用[42]的一大難題。食品的加工過程雖然可以改善食品的營養(yǎng)、風(fēng)味、貨架期和安全性等,但同時也可能破壞乳源降壓肽的活性,使其活性降低或消失。但是隨著膜分離技術(shù)的快速發(fā)展,這些問題得于改善:在加工過程中,通過工藝優(yōu)化,選擇合適的底物、酶和水解度并加以控制可以降低苦味,減少加工過程對乳源降壓肽活性的影響。
隨著乳源降壓肽的應(yīng)用,它的安全性問題也受到了大家的關(guān)注。從理論上講,乳源降壓肽在體內(nèi)會很自然的降解為游離氨基酸,很容易被人體吸收,沒有毒副作用,即乳源降壓肽是安全的。目前已經(jīng)很多學(xué)者通過一系列的體外基因毒性測試和體內(nèi)毒理學(xué)研究,對乳源降血壓肽的安全性進行了評估,認為該類肽是安全的。Phelan等[37]對乳源性生物活性肽的安全問題研究進行了總結(jié),沒有證據(jù)表明乳源性生物活性肽具有毒副作用。Alemán等[43]的研究表明,大鼠使用單劑量(2 000 mg/kg),或是每日重復(fù)劑量(1 000 mg/kg連續(xù)使用4周)含降血壓肽的酪蛋白水解產(chǎn)物,不會對血液生化指標、血項、主要器官重量比、組織結(jié)構(gòu)病理等參數(shù)和死亡率產(chǎn)生任何不良影響。美國實驗生物學(xué)聯(lián)合會的生命科學(xué)研究中心(FASEB)、國際食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)以及歐盟食品安全局(EFSA)等國際權(quán)威機構(gòu)也認為蛋白質(zhì)的水解產(chǎn)物不會損害人體健康[44]。因此,總體上乳源降血壓肽是安全的,但應(yīng)注意避免生產(chǎn)過程中的各種處理技術(shù)對乳源降壓肽的質(zhì)量、穩(wěn)定性和安全性帶來潛在的負面影響。
酪蛋白磷酸肽(Casein phosphopeptides,CPPs)是乳源生物活性肽中被研究和開發(fā)最早的一種,具有結(jié)合礦物質(zhì)的作用,也是酪蛋白生物活性肽中研究最多的一種[45]。CPPs生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)過程中,有近80%的蛋白質(zhì)副產(chǎn)物(Casein phosphopeptides by-product,CPPBP)未被合理利用,作為飼料或廢物棄去[46],造成資源浪費和環(huán)境污染。因此,最大程度地開發(fā)CPPBP中的活性肽,具有很大的經(jīng)濟效益和社會效益。本課題組前期已確認CPPBP的降壓效果,并對有活性的多肽組分進行了工業(yè)化程度的粗分離富集,為本文的研究提供了支持。本文在前期研究基礎(chǔ)上分離、純化CPPBP中的ACEI肽,對主要活性肽進行氨基酸序列測定,以及對pH、溫度和模擬胃腸消化系統(tǒng)的影響進行研究。該結(jié)果能為ACEI肽的理論研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為商業(yè)化開發(fā)利用CPPBP提供技術(shù)支持。
隨著社會的進步、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,人們對食品的要求越來越高,人們期望直接通過膳食起到預(yù)防疾病,或者促進身體健康的作用。所以,開發(fā)具有調(diào)節(jié)血壓作用的功能食品是具有重要理論意義和應(yīng)用價值的。而乳源降壓肽其性質(zhì)溫和,來源更廣泛、消費者排斥心理更小、服用更方便、活性更強,且對正常血壓的人無作用,同時還具有免疫活性、促進消化吸收、減肥等多種附加功效,使其在食品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前,市場上的乳源降壓肽產(chǎn)品在食品領(lǐng)域所占不多,而且主要集中在乳制品上。隨著人類對天然功能食品的迫切需求,對乳源降壓肽的研究必然會不斷深入,進一步探討乳源降壓肽的構(gòu)效關(guān)系,揭示乳源降壓肽的作用機制,將為人工合成、改造、開發(fā)乳源降壓肽食品或輔助藥物提供重要的理論依據(jù)。
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