ACE抑制肽構(gòu)效關(guān)系研究進展

王曉丹，薛 璐,2,*，胡志和,2，張 琦，李艷軍，夏 磊

（1.天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津 300134；2.天津市食品生物技術(shù)重點實驗室，天津 300134；3.博福-益普生（天津）制藥有限公司，天津 300384）

ACE抑制肽構(gòu)效關(guān)系研究進展

王曉丹1，薛 璐1,2,*，胡志和1,2，張 琦3，李艷軍1，夏 磊1

（1.天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津 300134；2.天津市食品生物技術(shù)重點實驗室，天津 300134；3.博福-益普生（天津）制藥有限公司，天津 300384）

血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（angiotensin-converting enzyme，ACE）抑制肽是一類從食源性蛋白質(zhì)中分離得到的具有降高血壓活性的多肽。由于其降血壓效果好，而且沒有降壓藥物的毒副作用從而引起了廣泛關(guān)注。近年來，ACE抑制肽的構(gòu)效關(guān)系研究成為研究重點。結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)研究表明，ACE抑制肽的ACE抑制能力不僅與其分子質(zhì)量有關(guān)，而且與其氨基酸序列以及其立體空間構(gòu)象之間存在高度相關(guān)性。ACE抑制肽的抑制類型與ACE抑制活性、構(gòu)效關(guān)系也存在一定相關(guān)性。對ACE抑制肽構(gòu)效關(guān)系進行深入研究將有助于指導(dǎo)開發(fā)高活性的功能性食品及降血壓藥物。

ACE抑制肽；構(gòu)效關(guān)系；氨基酸序列

1 ACE與ACE抑制肽概述

血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（angiotensin-converting enzyme，ACE）是一種含鋅二肽羧肽酶，在血壓調(diào)節(jié)中扮演著重要角色，廣泛存在于哺乳動物體內(nèi)，尤其存在于血管內(nèi)皮細胞、上皮吸收細胞、神經(jīng)上皮細胞以及雄性生殖細胞中[1]。ACE分為sACE和tACE兩種：sACE即體細胞ACE，存在于內(nèi)皮和上皮細胞中，是由1 306 個氨基酸組成的多聯(lián)糖蛋白，包含26 個外顯子，由兩個同源的結(jié)構(gòu)域組成（N端結(jié)構(gòu)域、C端結(jié)構(gòu)域）；tACE存在于雄性哺乳動物睪丸組織和精子細胞中，含701 個氨基酸殘基，除了前36 個氨基酸殘基不同，它與sACE的C端結(jié)構(gòu)域具有相同的結(jié)構(gòu)[2]。ACE通過腎素-血管緊張素系統(tǒng)（renin-angiotensin system，RAS）和激肽釋放酶-激肽系統(tǒng)（kallikrein-kinin system，KKS）發(fā)揮作用導(dǎo)致血壓升高[3]。在RAS中，ACE切掉十肽的血管緊張素Ⅰ的C-末端的組氨酸（His）和亮氨酸（Leu）殘基使之成為最有效的血管收縮劑血管緊張素Ⅱ，從而引起血壓升高。在KKS中，ACE能使血管舒張劑九肽——舒緩激肽（bradykinin）失活，從而引起血壓的升高。Ondetti等[4]根據(jù)ACE與胰羧肽酶A同是含鋅酶及它們的一些相似性質(zhì)，建立了ACE與底物作用的模型，并依此設(shè)計出了第一個有效的非肽類抑制劑卡托普利。1982年，Cushman等[5]對該模型進行了修正，并設(shè)計出了其他高效抑制劑。如圖1所示，ACE的活性位點為S1、S1’、S2’。根據(jù)競爭性抑制劑的抑制機理，競爭性ACE抑制肽在ACE的活性位點上產(chǎn)生競爭性結(jié)合，從而抑制ACE催化血管緊張素Ⅰ。

圖 1 ACE與卡托普利的作用模型[6]Fig. 1 Reaction mode between ACE and captopril[6]

ACE抑制肽是一類從食物中提取的具有降高血壓活性的多肽。由于其對高血壓有抑制作用而對正常血壓無影響，并且相對于降壓藥物來講，對人體無毒無副作用，因此具有代替降血壓藥物的潛在可能性。自1979年Oshima等[7]首次報道成功提取食源性ACE抑制肽以來，隨后大量來源于植物性和動物性食品的食源性ACE抑制肽，如酪蛋白源[8]、大豆蛋白源[9]、蠶蛹蛋白源[10]、大米蛋白源[11]、小麥胚芽蛋白源[12]、遠東擬沙丁魚蛋白源[13]等也相繼被發(fā)現(xiàn)，目前對于ACE抑制肽的提取和制備方面的研究已較為成熟。

2 ACE抑制肽的構(gòu)效關(guān)系

ACE抑制肽是酶抑制劑，其結(jié)構(gòu)影響著其對ACE的抑制能力。綜合文獻分析，ACE抑制肽活性的影響因素包括分子質(zhì)量、氨基酸序列及由此形成的空間構(gòu)象等因素。

2.1 分子質(zhì)量對ACE抑制肽抑制能力的影響

目前發(fā)現(xiàn)的大部分ACE抑制肽均為分子質(zhì)量較小的短肽，這可能是因為短肽更容易與ACE活性位點結(jié)合。由于ACE活性位點不能容納大分子肽，因此ACE抑制肽的氨基酸殘基數(shù)量通常為2～12 個[14]。王晶晶等[13]通過采用動物蛋白水解酶和風味蛋白酶聯(lián)合水解制備遠東擬沙丁魚肌肉蛋白酶解產(chǎn)物，分離得到＞10 kD、3～10 kD和＜3 kD 3 種不同分子質(zhì)量的組分，經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)分子質(zhì)量＜3 kD的組分抑制率最高，高達71.4%；分子質(zhì)量＞10 kD的組分抑制率與原酶解液相比有所下降；徐克寒等[15]利用葡聚糖凝膠層析分離三斑海馬源ACE抑制肽并對其抑制率進行測定，發(fā)現(xiàn)分子質(zhì)量＜1 kD的組分抑制率最高，其半抑制濃度（half maximal inhibitory concentration，IC50）值為0.91 mg/mL。劉文穎等[16]以三文魚皮、烏雞、玉米黃粉、谷朊粉、大豆分離蛋白為原料制備的食源性低聚肽并對其進行ACE抑制活性的分析，并測得其IC50值分別為1.25、2.76、0.53、0.62、0.88 mg/mL，并發(fā)現(xiàn)5 種食源性ACE抑制肽的分子質(zhì)量在1 kD以下的分別占90.59%、95.95%、93.09%、93.03%和86.13%，其中以二肽、三肽為主。說明具有高活性的ACE抑制肽主要為分子質(zhì)量較小的短肽。

已被報道的ACE抑制肽大部分都為分子質(zhì)量較小的短肽，Kleekayai等[17]從泰國傳統(tǒng)發(fā)酵蝦膏中發(fā)現(xiàn)了二肽SV。Ngo等[18]分離出了具有高活性的九肽MVGSAPGVL和七肽LGPLGHQ，IC50值分別為3.09 μmol/L和4.22 μmol/L。Jiang Zhanmei等[8]從酪蛋白中分離出六肽RYPSYG和四肽DERF，經(jīng)測定IC50值分別為（54.0±1.2） μg/mL和（21.0±0.8） μg/mL。然而，ACE抑制肽活性之間的差異并不完全與其分子質(zhì)量相關(guān)，Aluko等[19]測得0.5 mg/mL質(zhì)量濃度下的九肽FEGTVFENG比六肽IIPLEN的抑制率要高的多；Girgih等[20]的研究結(jié)果中也顯示很多五肽和六肽的ACE抑制率高于三肽和四肽。這說明短鏈ACE抑制肽中，并非其分子質(zhì)量越小，其抑制能力越強。

也有研究表明，某些長鏈肽段的抑制能力也很強。Quirós[21]等測得十九肽LVYPFPGPIPNSLPQNI-PP的IC50值為5 μmol/L，遠低于Fuglsang等[22]測得二肽LY的IC50值44 μmol/L，本課題組從酪蛋白水解產(chǎn)物中純化提取的十肽YQKFPQYLQY和二肽YS的IC50值分別為11.75 μg/mL和11.89 μg/mL[23]，可以看出十肽與二肽的抑制能力基本相同，這說明ACE抑制肽的抑制能力與肽鏈的長度及分子質(zhì)量之間并不完全相關(guān)，有可能存在對ACE抑制肽抑制能力有更大影響的因素。

2.2 氨基酸序列對ACE抑制肽抑制能力的影響

ACE抑制肽的抑制能力不但與其肽鏈的長度及分子質(zhì)量相關(guān)，與其自身的氨基酸序列也有緊密聯(lián)系。最早有關(guān)ACE抑制肽氨基酸序列與活性之間的關(guān)系是由Ondetti等[4]于1977年提出的，活性肽C端3 個氨基酸的序列對ACE抑制能力的影響最大，當活性肽C端序列為-Phe-Glu-Pro時，其與ACE活性中心親和能力最強。

根據(jù)近幾年文獻報道，ACE抑制肽氨基酸序列的特點主要有：一級氨基酸序列中含有大量疏水性氨基酸，C端存在Pro、Leu等帶正電荷的氨基酸殘基具有較高的ACE抑制能力；N端存在芳香族氨基酸或堿性氨基酸時活性較高。

由于ACE抑制肽來源廣泛，其氨基酸序列差別較大，ACE抑制能力也參差不齊，因此研究人員引入了結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)的方法對其構(gòu)效關(guān)系進行較為全面的分析。其中，定量構(gòu)效關(guān)系（quantitative structure activity relationship，QSAR）是研究ACE抑制肽構(gòu)效關(guān)系的主要方法之一，即運用QSAR模型預(yù)測和分析ACE抑制肽的活性。其執(zhí)行的主要步驟有：1）收集化合物的結(jié)構(gòu)和活性數(shù)據(jù)；2）得到結(jié)構(gòu)描述符并對化合物結(jié)構(gòu)進行定量描述；3）采用適當算法對結(jié)構(gòu)和活性建立數(shù)學(xué)模型；4）檢驗?zāi)Ｐ停Ｐ蛿M合能力、穩(wěn)健性和預(yù)測能力）；5）解釋模型（提取對活性影響大的結(jié)構(gòu)信息）[24]。

QSAR模型可以應(yīng)用于預(yù)測水解不同來源蛋白水解物中可能存在的高活性ACE抑制肽，Majumder等[25]用QSAR模型預(yù)測到雞蛋蛋白源ACE抑制肽IRY、LKP和IQY，經(jīng)檢測IC50值分別為0.6、1.6、2.9 μmol/L。Gu Yuchen等[26]運用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（liquid chromatograph-tandem mass spectrometer，LC-MS/MS）結(jié)合定量構(gòu)效分析，發(fā)現(xiàn)5 種三肽IVF、LLF、LNF、LSW、LEF，經(jīng)檢測均有較高ACE抑制活性。

運用QSAR模型進行分析的主要以二肽和三肽等短肽為主，而對于多肽的模型則較為少見。2006年，Wu Jianping等[27]運用Z-scale描述子、偏最小二乘法對168 條二肽和140 條三肽構(gòu)建了定量構(gòu)效分析模型。研究發(fā)現(xiàn)，二肽中具有大側(cè)鏈基團和疏水氨基酸，則其抑制能力更強；三肽中C端為疏水性氨基酸，N端為芳香族氨基酸，中間為帶正電荷的氨基酸的抑制能力最強。Udenigwe等[28]對二肽進行偏最小二乘法QSAR分析，結(jié)果顯示小分子氨基酸的疏水側(cè)鏈在N端，而含大側(cè)鏈的氨基酸在C-末端則存在較高ACE抑制活性。

借助QSAR對ACE抑制肽的結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系研究都是基于對氨基酸序列分析得到的，但是還有許多ACE抑制肽構(gòu)效關(guān)系并不符合這些研究結(jié)論。賈俊強等[29]通過統(tǒng)計分析270 種已被報道過的ACE抑制肽的組成后發(fā)現(xiàn)，ACE抑制肽的主要特點有：N端氨基酸主要為Arg、Tyr、Glu、Val、Ala、Ile、和Leu，C端氨基酸主要為Tyr、Pro、Trp、Phe和Leu，其中N端疏水氨基酸與非疏水氨基酸的比例基本相等，C端含疏水氨基酸的比例為60%，肽鏈兩端至少含有一個疏水氨基酸的比例為83%。這說明ACE抑制肽的抑制能力與是否存在疏水氨基酸有強關(guān)聯(lián)性，而疏水氨基酸的數(shù)量及其在肽鏈上的位置則直接影響了多肽的空間結(jié)構(gòu)的形成。

綜上所述，ACE抑制肽的氨基酸序列對其ACE抑制能力十分重要。目前對于ACE抑制肽的QSAR研究還處于起步階段，鮮見能夠準確描述所有ACE抑制肽的結(jié)構(gòu)與其抑制能力的模型。因此，建立適用性較強的ACE抑制肽構(gòu)效關(guān)系的QSAR模型為將成為ACE構(gòu)效關(guān)系研究的重點之一。

2.3 ACE抑制肽立體構(gòu)象與其抑制能力的關(guān)系

根據(jù)前文分析可知，ACE抑制肽的抑制能力顯然不能單純用其一級結(jié)構(gòu)氨基酸殘基的種類、數(shù)量及序列來解釋。ACE抑制肽的一級結(jié)構(gòu)不同，其形成的空間構(gòu)象也千差萬別，影響了其與ACE的結(jié)合，進而影響其ACE抑制能力。因此借助QSAR從一級結(jié)構(gòu)出發(fā)研究ACE抑制肽的構(gòu)效關(guān)系有一定的局限性。

分子對接作為結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)的重要方法之一，成為研究ACE抑制肽構(gòu)象及其與ACE結(jié)合作用方式的主要方法。分子對接也是一種理論模擬方法，該方法運用分子模擬軟件，研究ACE與ACE抑制肽的分子間相互作用，并預(yù)測其結(jié)合模式和親合力。它也可以通過分子動力學(xué)對ACE抑制肽進行模擬構(gòu)象優(yōu)化，選擇最穩(wěn)定的分子構(gòu)象與ACE進行模擬對接并分析。

Pan Daodong等[30]采用模擬分子對接的方法進行研究，結(jié)果表明ACE活性位點的6 個氨基酸殘基His353、Ala354、Ser355、Glu384、Arg522和Tyr523為與二肽LL的主要結(jié)合位點。管驍?shù)萚31-32]同樣采用分子對接研究二肽和三肽與ACE的相互作用模式與分子機制，結(jié)果表明氫鍵、親水、疏水、靜電等作用力共同對二肽和三肽與ACE的結(jié)合存在貢獻，但均以氫鍵作用為主；ACE分子中Ala354、Glu384、Arg522等氨基酸殘基為二肽與其結(jié)合的重要活性位點；ACE分子中Lys511、His513、Tyr520、Tyr523等氨基酸殘基為其與三肽結(jié)合的重要結(jié)合位點；ACE抑制二肽中N端氨基對其抑制活性影響顯著；ACE抑制三肽中N端氨基和C端羧基對其抑制活性影響顯著，其中N端氨基的作用更為重要。Li Peng等[33]發(fā)現(xiàn)ACE分子中的7 個氨基酸殘基（His383、His387、Glu384、Arg522、Asp358、Ala356、Asn70）與ACE抑制肽ACKEP的結(jié)合影響較大，其中Arg522和Asp358分別與ACE抑制肽ACKEP的O5和H60兩個原子之間形成了最為穩(wěn)定的氫鍵。

Liu Rui等[34]的模擬分子對接結(jié)果表明，ACE分子中的His383、His387和Glu411氨基酸殘基為其與ACE抑制肽的主要結(jié)合位點，并且發(fā)現(xiàn)六肽VVCVPW的半胱氨酸巰基可能與ACE的活性部位結(jié)合發(fā)揮關(guān)鍵作用。Rawendra等[35]對其甲魚蛋白源ACE抑制肽IVR進行模擬分子對接發(fā)現(xiàn)IVR的C末端與tACE分子的Lys511和Tyr520氨基酸殘基之間的氫鍵作用與其抑制程度明顯相關(guān)。Zhou Min等[36]通過分子模擬對接發(fā)現(xiàn)同為三肽的LKP和IKP的ACE抑制率不同的原因是N端的Leu和Ile氨基酸殘基與cACE的結(jié)合位點不同，從而影響到肽與ACE的相互作用。

綜上所述，ACE抑制肽與ACE的模擬分子對接表明，ACE分子中活性中心的氨基酸殘基對ACE抑制肽與其結(jié)合起到重要作用，如Glu384、Tyr520、His387等；ACE與ACE抑制肽之間的作用力以氫鍵為主；不同的ACE抑制肽與ACE的活性結(jié)合位點不完全相同。

2.4 非競爭性ACE抑制肽的抑制機理

酶抑制劑的抑制機理分為可逆與不可逆兩種。研究表明ACE抑制肽的抑制類型主要為可逆抑制[37]?？赡嬉种朴址譃? 種類型：1）競爭性抑制，其特點是抑制劑是酶的底物類似物或反應(yīng)物，抑制劑和酶結(jié)合部位與底物和酶的結(jié)合部位相同，隨著抑制劑濃度的增大，抑制作用增大，但增加底物濃度可使抑制程度變小。2）非競爭性抑制，其特點是抑制劑與底物可同時與酶的不同部位結(jié)合，抑制劑的分子結(jié)構(gòu)不一定與底物的分子結(jié)構(gòu)類似。3）反競爭抑制，其特點是抑制劑只與酶-底物復(fù)合物結(jié)合而不與游離酶結(jié)合。4）混合型抑制，作用的機理基本上與非競爭性抑制作用相似，線性混合型抑制中不同的結(jié)合次有不同的反應(yīng)常數(shù)[38]。

ACE抑制肽的抑制類型以競爭性抑制為主[55]，也有很多文獻報道非競爭性ACE抑制肽。由于非競爭性ACE抑制肽與ACE結(jié)合的位點不同于競爭性ACE抑制肽的結(jié)合位點，因此非競爭性、競爭性ACE抑制肽的構(gòu)效關(guān)系是不同的。綜合文獻報道，將不同來源的ACE抑制肽氨基酸序列與抑制類型整理如表1所示。競爭性ACE抑制肽以短鏈肽為主，非競爭性ACE抑制肽主要為長鏈肽；對于非競爭性ACE抑制肽，長鏈肽與短鏈肽相比ACE抑制活性更高，抑制率更強，如金槍魚來源的二十一肽的IC50值為11.28 μmol/L[47]，菜籽源三肽的IC50值為1 710 μmol/L[50]，明顯看出二十一肽的活性遠高于三肽。這可能是因為大分子的非競爭ACE抑制肽與ACE的其他結(jié)合位點結(jié)合后，對于血管緊張素Ⅰ與ACE的結(jié)合能夠起到更好的空間阻礙作用。

利用模擬分子對接研究ACE抑制肽的構(gòu)效關(guān)系主要集中于對競爭性抑制的活性多肽的研究，而對于非競爭性抑制類型的ACE抑制肽的構(gòu)效關(guān)系研究鮮見報道。可以推斷，由于ACE抑制肽的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致了酶抑制類型不同以及抑制機理差異，進而影響到ACE抑制肽的活性。因此，在ACE抑制肽的構(gòu)效研究中應(yīng)考慮ACE抑制肽抑制類型的因素。

表 1 不同來源ACE抑制肽的抑制類型及其IC50值Table 1 Inhibition types and IC50values of ACE inhibitory peptides from different sources

3 結(jié) 語

ACE抑制肽的構(gòu)效關(guān)系研究已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。綜合文獻報道，目前已被發(fā)現(xiàn)的ACE抑制肽大部分為分子質(zhì)量較小的短肽，但是并非ACE抑制肽的分子質(zhì)量越小，ACE抑制能力越強。盡管定量構(gòu)效分析是研究氨基酸序列對ACE抑制肽抑制能力影響的較為準確的方法，但也存在著一定的局限性：在建立模型時，可能會為保證擬合的準確性而忽略一些不符合大部分氨基酸序列規(guī)律但又具有較高ACE抑制能力的多肽，因此不利于進行更加深入的構(gòu)效分析。

基于模擬分子對接的研究表明，ACE分子活性中心的氨基酸殘基對ACE抑制肽與其結(jié)合起到重要作用，ACE與ACE抑制肽之間的作用力以氫鍵為主。由于ACE抑制肽的序列各不相同，因此主要氨基酸結(jié)合位點也不同，目前尚缺乏對ACE抑制肽進行歸納總結(jié)式模擬分子對接研究。

隨著新的ACE抑制肽不斷被發(fā)現(xiàn)和鑒定，模擬分子對接技術(shù)和定量構(gòu)效關(guān)系仍是研究ACE抑制肽構(gòu)效關(guān)系的主要方法。另外，ACE抑制肽的一級結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致其酶抑制類型也不同。因此可以將酶抑制類型與ACE抑制活性的關(guān)聯(lián)性做為切入點，進行ACE抑制肽的構(gòu)效關(guān)系研究。對ACE抑制肽構(gòu)效關(guān)系的深入研究，能夠為開發(fā)高效食源性ACE抑制肽提供理論指導(dǎo)。

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Progress in Research on Structure-Activity Relationship of ACE Inhibitory Peptides

WANG Xiaodan1, XUE Lu1,2,*, HU Zhihe1,2, ZHANG Qi3, LI Yanjun1, XIA Lei1
(1. College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Food and Biotechnology, Tianjin 300134, China; 3. Beaufour-Ipsen (Tianjin) Pharmaceutical Co. Ltd., Tianjin 300384, China)

Angiotensin converting enzyme (ACE) inhibitory peptides are a category of peptides derived from food proteins which can reduce blood pressure. ACE inhibitory peptides have gained extensive concerns because they can reduce blood pressure without side effects as antihypertensive drugs. In recent years, the structure-activity relationship of ACE inhibitory peptides has become one of the research focuses. Structural bioinformatics showed that the activity of ACE inhibitory peptides is related to not only their molecular masses, but also their amino acid sequences and spatial conformation. It is also found that the type of inhibit of ACE inhibitory peptides is related to their activity and structure-activity relationship. Intensive studies on ACE inhibitory peptide structure-activity relationship will be helpful to guide the development of new functional foods and antihypertensive drugs.

ACE inhibitory peptide; structure-activity relationship; amino acid sequences

10.7506/spkx1002-6630-201705049

TS207.3

A

1002-6630（2017）05-0305-06

王曉丹, 薛璐, 胡志和, 等. ACE抑制肽構(gòu)效關(guān)系研究進展[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(5): 305-310. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705049. http://www.spkx.net.cn

WANG Xiaodan, XUE Lu, HU Zhihe, et al. Progress in research on structure-activity relationship of ACE inhibitory peptides[J]. Food Science, 2017, 38(5): 305-310. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705049. http://www.spkx.net.cn

2016-06-30

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃重點項目（14JCZDJC34500）；天津市科技支撐計劃項目（14ZCZDNC00017）；天津市高等學(xué)校創(chuàng)新團隊項目（TD12-5049）；天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201510069050）

王曉丹（1992—），女，碩士研究生，研究方向為食品生物技術(shù)。E-mail：prettyshoot@126.com

*通信作者：薛璐（1976—），女，副教授，博士，研究方向為食品生物技術(shù)。E-mail：xuelu@tjcu.edu.cn