食源性多肽的降血壓作用及其機制研究進展

王寶貝

張 慧1,3

劉宇松1

陳洪彬1,2

郭鳳仙1,2

鄭宗平1,2

(1. 泉州師范學院海洋與食品學院福建省海洋藻類活性物質(zhì)制備與功能開發(fā)重點實驗室,福建 泉州 362000;2. 近海資源生物技術(shù)福建省高校重點實驗室,福建 泉州 362000;3. 福建農(nóng)林大學食品科學學院,福建 福州 350002)

高血壓是一種全球性的高發(fā)性心血管疾病,是引起中風、心肌梗死、心臟病等并發(fā)癥的主要危險因素。當前,全球高血壓人數(shù)已超過10億人,其中中國高血壓患者占比高達23.2%。并且,這個數(shù)字還在持續(xù)增加,預計2025年全球高血壓人數(shù)將達到16億人[1-2]。人體主要通過腎素—血管緊張素—醛固酮系統(tǒng)(the renin angiotensin aldosterone systemm,RAAS)和激肽—一氧化氮系統(tǒng)(kinin-nitric oxide system,KNOS)共同調(diào)節(jié)血液循環(huán)維持血管系統(tǒng)的血壓[3]。其中,RAAS控制血管收縮程度,KNOS控制血管舒張程度。當前臨床上治療高血壓的藥物多為針對RAAS靶點開發(fā),比如:卡托普利、依那普利和賴諾普利等治療高血壓的藥物正是血管緊張素-Ⅰ-轉(zhuǎn)換酶(angiotensin-I-converting enzyme,ACE)抑制劑[4],阿利吉侖則是通過抑制腎素活性來降低血壓[5]。這些化學合成的藥物多有一定的不良反應,長期使用會引起干咳、皮疹、味覺障礙、腎功能損傷等癥狀[6]。

生物活性肽由短的氨基酸序列組成,結(jié)構(gòu)簡單、生物穿透性好、易于被細胞吸收,且不容易與其他藥物分子結(jié)合而產(chǎn)生不良反應。研究[6]表明,許多食源性蛋白來源的多肽具有抗氧化、抗菌、降血壓、降血脂等生物活性。自20世紀80年代報道牛酪蛋白酶解物中具有ACE抑制活性可以用于預防或者治療高血壓后,降血壓肽開始受到關注,關于降血壓肽的篩選鑒定、制備、作用機制和產(chǎn)品開發(fā)等的研究越來越多。中國對降血壓肽的研究起步較晚,繼國家“九五”規(guī)劃將降血壓肽列入攻關課題之后,科研工作者對降血壓肽開展了廣泛的研究[7]。分別在中國知網(wǎng)及Web of Science上檢索2000年以來文中出現(xiàn)“降血壓肽”和“antihypetension peptide”的文章,匯總?cè)鐖D1所示。可見,2006年以后國內(nèi)外有關降血壓肽的研究報道快速增加,2011年以后每5年發(fā)表的文章數(shù)量保持在700篇左右。說明自2006年以來,國內(nèi)外學者對降血壓肽的研究一直保持較高的熱度。

圖1 2000年以來國內(nèi)外發(fā)表降血壓肽相關論文情況

降血壓肽的來源廣泛,陸生動植物、水生動植物等均有發(fā)現(xiàn)具有降血壓功效的多肽(表1)。

表1 多肽的降血壓作用效果

當前,已有大量具有降血壓活性的生物肽被分離鑒定,部分已被證實能夠有效降低自發(fā)性高血壓大鼠(spontaneous hypertensive rats,SHR)的血壓,比如Pan等[22]從螺旋藻蛋白水解物中分離純化得到兩條三肽(IQP和VEP)對自發(fā)性高血壓大鼠具有明顯的降血壓作用。來源于牛奶酪蛋白的IPP、VPP和LPP(俗稱乳源三肽)已通過臨床試驗,被證實能夠有效降低高血壓患者的血壓,并且對正常血壓者的血壓無影響[25]。天然來源的降血壓肽因為來源豐富、毒副作用小而引起了廣泛關注。雖然近年來關于降血壓肽的制備、分離鑒定等的研究報道已有不少[26-28],但對這些多肽降血壓機制的歸納總結(jié)卻較少。文章對近年來天然來源的降血壓肽的作用機制進行歸納總結(jié),以期為今后開發(fā)降血壓肽的相關產(chǎn)品提供參考。

1 以RAAS系統(tǒng)通路為靶點調(diào)節(jié)血壓

1.1 ACE/Ang Ⅱ/AT1R信號通路

RAAS系統(tǒng)首先將腎臟中的腎素原轉(zhuǎn)化為腎素,并將其釋放到血液中。然后,血液中的腎素刺激血管緊張素原使其釋放血管緊張素Ⅰ (angiotensin Ⅰ,Ang Ⅰ),Ang Ⅰ經(jīng)ACE催化裂解為具有活性的Ang Ⅱ,Ang Ⅱ與其Ⅰ型受體(angiotensin Ⅱ type 1 receptor,AT1R)結(jié)合引起血管收縮[29](圖2)。Ang Ⅱ還能刺激腎上腺皮質(zhì)球狀帶分泌醛固酮,增加腎臟循環(huán)血量,進而導致血壓升高[30]。過度活躍的RAAS系統(tǒng)是引起原發(fā)性高血壓的主要原因。減少血管收縮因子Ang Ⅱ的生成是治療原發(fā)性高血壓的常用方法。因此,Ang Ⅱ生成的兩個關鍵酶,腎素和ACE,常被作為食源性降高血壓多肽的靶點。此外,由于Ang Ⅱ需要與其受體AT1R結(jié)合才能發(fā)揮收縮血管的作用,因此AT1R抗結(jié)劑可以通過阻礙Ang Ⅱ與其受體結(jié)合,起到降血壓的功效。

圖2 RAS和KNOS對血壓的調(diào)節(jié)機制

1.1.1 抑制ACE活性 ACE是一種鋅金屬蛋白酶,不僅可以刺激Ang Ⅰ生成Ang Ⅱ引起血壓收縮,還能使緩激肽失活減少NO的生成,減弱血管擴張能力。抑制ACE不僅可以減少Ang Ⅱ的生成緩解血管收縮,還有利于NO的生成促進血管舒張,起到降血壓的雙重效果。因此,ACE常被作為臨床上治療高血壓的靶點。目前報道的食源性抗高血壓肽多是以ACE作為靶點,其來源廣泛。馬尾藻[21]、南極磷蝦[17]、鮑魚副產(chǎn)物[18]等來源的ACE抑制肽均被證實能不同程度地降低SHR大鼠的血壓。比如,來源于新西蘭白兔肉的一種ACE抑制四肽WGAP,其對ACE的半抑制濃度(half maximal inhibitory concentration,IC50)為140.70 μmol/L。將其給高血壓大鼠灌胃,劑量100 mg/kg,4 h后高血壓大鼠的收縮壓和舒張壓分別降低了5.69,3.81 kPa[31]。Krichen等[32]從蝦蛋白中分離鑒定出4種ACE抑制肽,分別為SSSKAKKMP、HGEGGRSTHE、WLGHGGRPDHE和WRMDIDGDIMISEQEAHQR。

多肽的一級結(jié)構(gòu)即氨基酸序列是決定其ACE抑制活性的重要因素。C末端含Val、Trp、Ile、Phe、Met、Tyr和Ala等疏水氨基酸或芳香族氨基酸的多肽往往表現(xiàn)出更好的ACE抑制活性[36]。Chen等[37]從核桃蛋白中篩選到3種新的ACE抑制肽(GVVPHN、EHSLDPLK和KTLLNFGPN),其中ACE抑制活性最高的多肽GVVPHN,疏水氨基酸物質(zhì)的量分數(shù)高達50%。這也表明疏水性作用力在抑制肽和ACE分子的相互作用中起著重要作用。Xie等[23]從小球藻中篩選了兩條具有高ACE抑制活性的多肽TTW和VHW,其IC50值分別為(0.61±0.12),(0.91±0.31) μmol/L,這兩條多肽的C末端均為色氨酸。此外,分子量大小是影響多肽生物活性的另一因素。與大分子肽相比,小分子肽更容易與ACE活性位點結(jié)合形成復合物,更有效地抑制ACE活性[38]。

1.1.2 抑制腎素活性 雖然抑制ACE可以較好地降低高血壓,但會引起Ang Ⅰ的積累導致激肽代謝紊亂,進而使患者產(chǎn)生口干、血管神經(jīng)性水腫等副作用。分泌腎素是RAAS調(diào)控血壓的第一步,是誘導血管緊張素原釋放Ang Ⅰ的關鍵步驟。抑制腎素活性可以從源頭上減少Ang Ⅱ的生成,避免抑制ACE引起的副作用。已有研究發(fā)現(xiàn),菜籽粕[39]、火麻籽[40]、亞麻籽[41]、豌豆[42]等植物種子來源的生物活性肽具有抑制腎素活性的功效。何榮[43]從菜籽粕蛋白中分離得到一條抑制腎素催化活性的四肽(RALP),體外IC50為(0.97±0.04) mmol/L。用其給SHRs灌胃24 h,劑量30 mg/kg BW,可以使大鼠收縮壓降低2.13 kPa。此外,動物肌肉、血清蛋白、藻類[44]等來源的多肽也被發(fā)現(xiàn)具有抑制腎素活性的功效。Lafarga等[45]用木瓜蛋白酶水解牛血清蛋白,其中相對分子質(zhì)量<1 000的蛋白水解物可以使SHRs的收縮壓在8 h內(nèi)降低(4.30±0.48) kPa。進一步對該水解物進行質(zhì)譜分析,從中篩選得到一條對腎素活性有很好抑制功效的三肽,其對腎素的半抑制濃度為(7.29±0.16) mmol/L,該多肽同時對ACE-I也有抑制作用。Fitzgerald等[44]用木瓜蛋白酶水解紅藻(Palmariapalmata)蛋白,并從中分離出具有抑制腎素活性和ACE活性的多肽IRLIIVLMPILHA。該多肽可以使SHRs大鼠的收縮壓降低4.40 kPa,其降血壓效果比卡托普利更佳[45]。

腎素是由335個氨基酸組成的糖基化天冬氨酸蛋白酶,具有高度的專一性,僅以腎素原作為底物[46]。腎素抑制肽一般是通過與腎素的天冬氨酸殘基(Asp32、ASP35)或活性位點S3的亞基結(jié)合,起到抑制其活性的作用。研究[41]表明,多肽的N末端為亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸等脂肪族氨基酸殘基或者是C末端為苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸Tyr等芳香族氨基酸殘基的小分子肽腎素抑制活性更佳。這可能與腎素的獨特空間結(jié)構(gòu)有關,其C端和N端結(jié)構(gòu)域形成一個深邃的裂縫,與該位點結(jié)合的多肽相對分子質(zhì)量足夠小才能進入裂縫。He等[39]從油菜籽中分離得到了3條活性較佳的腎素抑制肽均為小分子的二肽,Leu-Tyr,Ile-Trp和Thr-Phe,其半抑制濃度分別為1.8,2.3,3.7 mmol/L。目前被報道物質(zhì)中活性最佳的腎素抑制肽的體外半抑制濃度為0.054 mmol/L,也是小分子的三肽(Trp-Tyr-Thr),來自于火麻仁籽[47]。此外,研究[48]表明,疏水性較強的多肽也具有很好的抑制腎素活性,疏水性作用力也是抑制肽與腎素結(jié)合的重要相互作用力之一,一些疏水性較強的多肽也表現(xiàn)出很好的腎素抑制活性,比如Gly-His-Ser,其IC50為1.09 mmol/L。疏水性較強的抑制肽可能更傾向于通過ACE/Ang Ⅱ/AT1R信號通路調(diào)節(jié)血壓。

1.1.3 抑制AT1R或激活AT2R 由于腎素原在與細胞表面受體結(jié)合時也能表現(xiàn)出與腎素類似的活性,因此抑制腎素活性并無法完全抑制Ang Ⅱ的形成。在RAAS的下游,Ang Ⅱ的Ⅰ型受體(AT1R)和Ⅱ型受體(angiotensin Ⅱ type 2 receptor,AT2R)負責調(diào)節(jié)生理效應,Ang Ⅱ通過AT1R在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮收縮血管的作用,通過AT2R調(diào)節(jié)血管擴張的同時抑制腎小球旁細胞腎素的合成[49]。選擇性阻斷AT1R可以從Ang Ⅱ的終端抑制其誘導血管收縮,并且不會引起與緩激肽降解相關的副作用。這種能選擇性阻斷AT1R的物質(zhì)被稱作Ang Ⅱ受體拮抗劑(Ang Ⅱ receptor blockers,ARB),臨床上使用的氯沙坦正是利用這一原理來治療高血壓。食源性多肽除了通過抑制ACE、腎素活性降低高血壓外,還可以通過直接阻斷AT1R起到降血壓的作用。Chen等[50]發(fā)現(xiàn),蛋清水解物可有效降低SHRs的血壓,并從該蛋清水解物中分離鑒定得到其抗高血壓的主要成分為多肽ITKPNDVYS,該多肽通過降低血管平滑肌細胞AT1R水平達到降低血壓的功效。另外,Cao等[51]發(fā)現(xiàn),牛骨明膠的堿性蛋白酶水解物不僅能直接抑制ACE活性,還能使心肌組織中的AT1R下調(diào)、AT2R上調(diào),通過抑制ACE/Ang Ⅱ/AT1R通路和激活Ang Ⅱ/AT2R通路的共同作用,使成年雄性SHRs大鼠的血壓降低。

1.2 激活ACE2/Ang (1-7)/MasR信號通路

ACE2是ACE的一種同源酶,該酶不僅能夠催化Ang Ⅱ降解為Ang (1-7),Ang (1-7)通過Mas受體(mas receptor,MasR)起血管舒張作用[4],還能催化Ang Ⅰ生成Ang (1-7)的前體Ang(1-9),進而形成更多的MasR[52],該通路被稱為ACE2/Ang (1-7)/MasR信號通路?？梢?提高ACE2的表達可以減少Ang Ⅱ的積累降低血管收縮程度,還能通過MasR的過表達促進血管舒張,達到雙重的降血壓效果。ACE2自2000年被發(fā)現(xiàn)以來,即引起廣泛關注,被認為是治療高血壓的有效靶點之一。已有研究[52-53]發(fā)現(xiàn),食源性多肽可以通過刺激ACE2和MasR的轉(zhuǎn)錄表達水平降低SHRs血壓。鈍頂螺旋藻中分離得到的多肽Ile-Gln-Pro和Val-Glu-Pro可以通過上調(diào)ACE2和MasR的mRNA水平而降低SHRs的血壓[22]。Liao等[53]從血清蛋白中分離得到一種三肽(IRW)可以有效降低SHRs的血壓。進一步研究發(fā)現(xiàn),該多肽可以促進ACE2和MarS的表達,同時排除了該多肽對ACE, AT1R和AT2R的作用,從而確定IRW確實是通過激活ACE2/Ang (1-7)/MasR信號通路降低SHRs的血壓。IRW在體內(nèi)作為ACE2激活劑的機制包括增強內(nèi)皮依賴性血管松弛和減少血管炎癥。

2 以KNOS通路為靶點調(diào)節(jié)血壓

KNOS是控制血管舒張程度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如圖2所示,在血管內(nèi)皮中,緩激肽激活一氧化氮合成酶(endothelial nitric oxide synthasee,eNOS)催化精氨酸生成NO,NO激活鳥苷酸環(huán)化酶催化三磷酸鳥苷(guanosine triphosphate,GTP)生成5′-環(huán)鳥苷酸(5′-cyclic-guanosine monophosphate,cGMP)并激活cGMP依賴性激酶,進而誘導血管舒張[54]?？梢?提高eNOS活性可以直接提高NO的生成量,進而促進血管舒張,達到降低血壓的目的。eNOS的活性受到其序列中某些氨基酸殘基的磷酸化和去磷酸化的影響。研究[55]發(fā)現(xiàn),心血管疾病患者體內(nèi)的eNOS起催化作用的絲氨酸殘基的磷酸化水平較低,且其MAPK、蛋白激酶B、細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶和鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶II(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II,CaMK-II)等eNOS相關的磷酸化激酶水平也很低。因此,理論上通過修飾eNOS這些位點可以提高其活性。

2.1 PI3K /Akt/eNOS 信號通路

研究[4]表明,磷脂酰肌醇-3-磷酸激酶(phosphatidylinositiol-3-phosphate kinase,PI3K)可以激活Akt,磷酸化eNOS的催化殘基(Ser1 177或Ser1 179)提高eNOS的活性,從而誘導血管內(nèi)皮平滑肌松弛,降低血壓,此即“PI3K /Akt/eNOS 信號通路”(圖3)。來源于牙鲆魚糜的3種肽IVDR、WYK和VASVI能促進Akt和eNOS的磷酸化,顯著促進人臍靜脈內(nèi)皮細胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)中NO的生成。將上述多肽給SHRs口服,可以有效降低SHRs的血壓,發(fā)揮抗高血壓活性[56]。Lin等[57]從牦牛乳酪蛋白中分離出的肽KYIPIQ也能通過提高eNOS活性促進HUVECs中NO的釋放,起到血管舒張的作用。Carrizzo等[58]發(fā)現(xiàn),來源于螺旋藻的肽GIVAGDVTPI能引起離體SHRs腸系膜動脈的血管舒張。使用藥理抑制劑在功能和分子水平上對細胞內(nèi)通路進行表征,結(jié)果表明,GIVAGDVTPI作用于PI3K/Akt細胞內(nèi)信號通路促進eNOS磷酸化,增加NO釋放。另外,抑制eNOS可消除GIVAGDVTPI誘發(fā)的SHRs和Wistar-Kyoto正常大鼠的血管舒張,表明NO是GIVAGDVTPI誘發(fā)血管舒張的決定因素。

圖3 PI3K/Akt/eNOS信號通路和L型Ca2+通道的阻斷機制

2.2 PPAR-γ/caspase3/MAPK/eNOS信號通路

研究[59]發(fā)現(xiàn),過氧化物酶體增殖劑激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor-γ,PPAR-γ)的活化,能夠減輕氧化應激和炎癥,抑制血管收縮以及α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)、RhoA、活性半胱天冬酶-3的表達,同時提高eNOS水平,促進血管舒張,該機制稱作“PPAR-γ/caspase3/MAPK/eNOS信號通路”(圖4)。因此,PPAR-γ被視為血壓調(diào)節(jié)的新靶點。Ngo等[60]用鰩魚皮明膠堿性蛋白酶水解物給SHRs灌胃20 d后,發(fā)現(xiàn)大鼠的收縮壓(systolic blood pressure,SBP)顯著降低。進一步研究發(fā)現(xiàn)該水解物通過激活PPAR-γ抑制內(nèi)皮素-1(endothelin-1,ET-1)、α-SMA、RhoA、活性半胱天冬酶-3和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)的表達,進而使肺中eNOS活性增強。此外,從水解物中分離的兩種肽LGPLGHQ和MVGSAPGVL還具有明顯的ACE抑制作用。可見,鰩魚皮明膠水解物是通過PPAR-γ/caspase3/MAPK/eNOS信號通路和ACE抑制途徑共同發(fā)揮抗高血壓作用。

圖4 PPAR-γ對血壓的調(diào)節(jié)機制

2.3 阻斷L型Ca2+通道

鈣通道功能是血管肌膜興奮的基礎,并賦予血管顯著的電壓敏感性。細胞內(nèi)Ca2+與鈣調(diào)蛋白(calmodulin,Cd)形成Ca2+-Cd復合物,該復合物通過抑制eNOS刺激血管收縮。因此,阻斷L型Ca2+通道抑制鈣流入細胞內(nèi),可以減少Ca2+-Cd復合物的生成,從而抑制血管收縮,達到降低血壓的目的[61],如圖3所示。伍強[62]發(fā)現(xiàn)靈芝菌絲ACE抑制肽通過促進eNOS磷酸化生成NO,NO自由擴散至鄰近的血管平滑肌細胞中,結(jié)合并激活NO受體——可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(soluble guanylyl cyclase,sGC),進而催化GTP生成第二信使cGMP,cGMP進一步激活PK-G,從而激活細胞膜上鈣泵,導致胞內(nèi)游離Ca2+排除胞外,發(fā)揮降血壓功效。因此,抗高血壓肽作為鈣通道阻滯劑與血管壁和心肌中的電壓門控鈣通道相互作用,導致血管擴張[63]。

3 抑制內(nèi)皮素轉(zhuǎn)換酶活性

ET-1的過度表達是動脈粥樣硬化和高血壓等心血管疾病的內(nèi)源性因素之一。ET-1可以促使血管收縮,尤其是引起冠狀動脈的強烈收縮,進而引起血壓升高。腎上腺素、ACE、胰島素及血管內(nèi)皮細胞的氧化損傷或物理損傷都能促進ET-1的產(chǎn)生[64]。內(nèi)皮素轉(zhuǎn)換酶(endothelin converting enzyme,ECE)在血壓調(diào)節(jié)中起著至關重要的作用,其催化大分子內(nèi)皮素生成ET-1,ET-1與ET受體結(jié)合后誘導包括血管收縮在內(nèi)的一系列生理效應。因此,ECE抑制劑和ET受體競爭劑可以作為治療高血壓治療的靶點。已有研究[65-66]從鰹魚肉、牛肉及乳鐵蛋白等的多肽水解物中發(fā)現(xiàn)具有ECE抑制活性的多肽,可以通過抑制ECE來減少ET-1的釋放。Zheng等[21]從馬尾藻中分離得到一種多肽(RWDISQPY),發(fā)現(xiàn)其可以通過抑制ACE活性或保護血管內(nèi)皮細胞免受氧化應激來減少ET-1的分泌,從而發(fā)揮抗高血壓作用。Zhao等[64]分別用50,100,200 μmol/L的南極磷蝦多肽(AKP1、AKP3、AKP6和AKP7)處理HUVECs 24 h,HUVECs中ET-1的生成顯著降低,NO的生成以濃度依賴性方式顯著增加。以上均表明多肽可能通過影響ET-1和NO系統(tǒng)來發(fā)揮抗高血壓作用。

4 結(jié)論和展望

食源性降血壓肽在治療和預防高血壓方面的作用在人體內(nèi)、體外已得到了不同程度的驗證。食源性降血壓肽主要通過基于腎素—血管緊張素—醛固酮系統(tǒng)的ACE/Ang Ⅱ/AT1R信號通路和ACE2/Ang (1-7)/MasR信號通路,以及以激肽—一氧化氮系統(tǒng)通路為靶點的PI3K/Akt/eNOS信號通路、PPAR-γ/caspase3/MAPK/eNOS信號通路和L型Ca2+通道調(diào)節(jié)血壓。此外,也有部分多肽通過抑制內(nèi)皮素轉(zhuǎn)換酶活性降低血壓。降血壓肽的效果和作用機制主要取決于其氨基酸序列,而氨基酸序列主要決定于原料的種類和多肽的制備方法等。當前關于多肽作用機制的研究多是以單一多肽為研究對象,對混合多肽的作用機制的研究較少。鑒于多肽通過不同信號通路調(diào)節(jié)血壓,今后可以理性設計復配多肽使之同時作用于2條或者2條以上的信號通路,研究其降血壓功效是否得到增強。