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乳源降压肽构效关系研究进展及应用现状

2015-12-16陈飞龙宁德山王宇晖杜洁刘飞赵力超曹庸

中国乳品工业 2015年3期
关键词:乳源氨基酸分子

陈飞龙,宁德山,王宇晖,杜洁,刘飞,赵力超,曹庸

(1.华南农业大学食品学院,广州510642;2.无限极(中国)有限公司,广州510623;3.广州绿萃生物科技有限公司,广州 510663)

0 引言

高血压是一种世界性常见疾病,会引起中风、心率失常、猝死等,是破坏心、脑、肾器官的“无形杀手”[1]。目前降压药物分为6类:利尿药、β-受体阻滞剂、钙离子拮抗剂、血管紧张素转化酶抑制剂、血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂和直接扩张血管的药物[2],这些传统的降压药物具有一定的毒副作用[3]。而食源性血管紧张素转化酶(Angiotensin converting Enzyme,ACE)抑制肽是来源于食物中具有ACE抑制活性的多肽片段[4],它通过抑制血浆和血管内皮细胞ACE活性,达到降压的作用,其性质温和,还具有免疫活性、促进消化吸收、减肥等多种功效。因此,食源性ACE抑制肽具有合成降压药物所无法比拟的独特优越性,是目前降压研究领域的热点。而乳源降压肽还具有来源更广泛、服用更方便、活性更强、消费者易接受等优点,具有更为广阔的应用前景,目前关于乳源降压肽的研究报道也是最多的[5]。

1 ACE抑制肽的降压机理

高血压的病因复杂,人体内许多系统与血压的调节都有密切关系,其中肾素-血管紧张素系统(Rein-AngiotensinSystem,RAS)和激肽释放酶-激肽系统(Kallikrein-Kinin System,KKS)在控制血压方面起着关键性作用,RAS和KKS功能失调可引起高血压。

图1 ACE抑制肽的降压机制

ACE抑制肽的降压机制如图1所示,RAS和KKS在血压调节方面是一对相互拮抗的体系,其平衡对维持正常血压有重要作用,平衡失调是高血压发病的重要因素之一[6]。RAS开始于无活性的先导物血管紧张素原,肾素可使血管紧张素原释放出血管紧张素Ⅰ(AngiotensinⅠ,AngⅠ),在ACE作用下,AngⅠ失去C-端二肽形成AngⅡ。AngⅡ是一种血管收缩剂,增加周围血管阻力,且刺激醛固酮的合成和释放,醛固酮促进远曲小管和集合管对Na、水的重吸收使血压增加,两者共同作用导致血压上升。同时,ACE是一个多功能的酶,也会作用于KKS体系,该体系通过引发一系列的反应来达到降压的作用[7]。缓激肽提高细胞内Ca2+浓度导致一氧化氮合酶被激活,其产生的NO具有很强的血管扩张作用,导致血压降低。ACE能够降解缓激肽,去除具有扩血管作用的缓激肽C-末端的二肽,使其形成无效片段,导致血压升高,对ACE的抑制可以使KKS体系恢复正常。

因此,ACE抑制肽通过抑制ACE的活性降低血压,即通过抑制其阻止血管舒张和激活血管收缩的活性来实现降血压作用。

2 乳源降压肽的构效关系

随着ACE抑制肽研究的日趋深入,很多乳源降压肽的氨基酸序列被鉴定出来[8],人们发现ACE的活性与它们的一级结构密切相关。虽然具体的ACE抑制肽的结构与活性的关系还不是很明确,但已经发现了一些普遍存在的特点。乳源降压肽的降压活性与其相对分子质量大小、C端氨基酸、N端氨基酸等有着密切的关系。

2.1 乳源降压肽的活性与分子大小的关系

ACE抑制肽的通常含有2~12个氨基酸,但是也有一些降压肽含27个氨基酸以上的肽段[9]。2010年,Jiang等[10]采用超滤分离AS1.398中性蛋白酶水解牛乳酪蛋白的水解产物,发现截留相对分子质量小于10 ku的透过液的IC50值为(0.610±0.007)mg/mL,相对分子质量为3 ku到10 ku的透过液的IC50值为(0.568±0.016)mg/mL,而相对分子质量小于3ku的透过液的IC50值为(0.461±0.009)mg/mL,这说明透过液的相对分子质量越低其降压活性越高,即大部分具有降压活性的乳源降压肽片段的相对分子质量小于3 ku;同年,Chen等[11]也采用超滤技术从发酵马奶中分离出相对分子质量小于3 ku、3 ku至10 ku、大于10 ku的三种肽片段,其中相对分子质量为3 ku至10 ku、大于10 ku的两种肽片段的IC50值大于100 mg/mL,而相对分子质量小于3 ku的肽片段的IC50值为(80.11±2.13)mg/mL,ACE 抑制率为 55.29%;Tavares等[12]、Ruiz-Giménez等[13]也发现相对分子质量小于3 ku的乳蛋白透过液具有较强的ACE抑制活性,具有ACE抑制活性的多肽大部分存在于相对分子质量小于3 ku的透过液中;潘道东等[14]也采用超滤技术对乳清蛋白的胰蛋白酶水解产物进行分离,并且测定相对分子质量小于6 ku,6~10 ku,大于10 ku的透过液的ACE抑制率,发现相对分子质量小于6 ku的透过液的ACE抑制率最大,为64.26%。

从以上报道可以推测,乳源降压肽的降压活性与其相对分子质量大小有关,主要是小肽发挥活性作用,乳源降压肽降压相对分子质量越小其活性相对比较强。但相对分子质量并不是影响乳源降压肽活性的唯一因素,很多人认为多肽的序列是更重要的影响因素。例如,二肽Try-Lys的分子量为300 u,其IC50为1.63 μmol/L,而11 肽MIPPGGAGGPGL分子量为1.3 ku,其 IC50 为 28.7 μg/mL,两者均具有较强的ACE抑制活性[15],所以,乳源降压肽的活性也受到其序列的影响。

2.2 乳源降压肽的活性与其氨基酸序列结构有关

乳源降压肽的活性除了受其相对分子质量大小的影响,还受其氨基酸序列结构的影响。有研究表明,乳蛋白抑制肽的结构与活性的关系主要是由一级结构中疏水性氨基酸、Pro、C端带正电荷的氨基酸以及N-端氨基酸的存在状况综合作用的结果[16]。

2.2.1 乳源降压肽的活性与其C端氨基酸的关系

ACE抑制肽与ACE酶的位点结合是ACE抑制肽发挥活性的主要因素,ACE抑制肽的C末端三肽序列对肽段与ACE酶的结合程度有着强烈的影响,即C端氨基酸影响ACE抑制肽的活性[17]。通过对于不同结构ACE抑制肽的研究显示,ACE的抑制肽活性与其C端疏水性氨基酸密切相关[18,19]。如表1所示,我们可以知道乳源降压肽的一级结构中存在大量的疏水性氨基酸,尤其是C端三肽的位置,即除了少数肽段外,绝大部分的乳源降压肽的活性与其C端疏水性氨基酸的含量正相关。

表1 乳源降压肽活性与其C端疏水性氨基酸的关系

但是疏水性氨基酸的含量不是影响ACE抑制肽活性的唯一因素,C端Lys、Pro、带正电荷氨基酸的存在也会影响其活性的发挥。Tavares等[12]从乳清蛋白水解液发现的肽段RELEEL、RELKDL拥有较强的ACE抑制活性,即C未端存在Lys能够提高ACE抑制活性;大量对不同结构ACE抑制肽的研究显示,ACE抑制肽C端氨基酸中Pro的存在位置及分布对其活性强弱有很大的影响,一般情况下ACE抑制肽的C末端以及C端三肽位置上存在Pro时,其具有很高的ACE抑制活性[26]。如表2所示,乳源降压肽C末端及三肽位置上存在Pro时,其IC50较低,ACE抑制活性较高,符合上述规律;由表3我们可以看出,对LHLPLP肽段修饰后合成肽段中LHLPLR的IC50值最小[26],即ACE抑制活性最高,也就是说C末端有Arg的存在,其ACE抑制活性较高。也有研究ACE抑制肽抑制活性与其结构关系的资料表明:ACE抑制肽C末端存在Arg(胍基正电荷)和Lys(ε-氨基正电荷)可以提高其ACE抑制活性[24]。

表2 乳源降压肽C端Pro的存在位置与其活性的关系

表3 LHLPLP肽段进行修饰后合成肽段的ACE抑制活性[26]

2.2.2 乳源降压肽的活性与其N端氨基酸的关系

由表1和表2可以看出,绝大部分N端存在芳香环氨基酸或者碱性氨基酸的乳源降压肽的活性比较高,即肽的N端具有芳香环氨基酸或碱性氨基酸时,能提高其活性。有些研究表明[27-28],ACE抑制肽的N端为Leu、Ile、Val等氨基酸残基的肽段时,其降血压效果较显著,但N端为Pro时其活性反而降低。可是随着发现的乳源降压肽越来越多,结构更多种多样,有些文献显示乳源降压肽N端结构与其活性没有相关性[26,29],所以乳源降压肽结构与活性的关系还有待进一步研究。

2.3 ACE抑制肽的定量构效关系

随着不同结构的ACE抑制肽不断从食物蛋白水解液中分离出来,学者们发现有许多活性极强的肽并不满足上述规律。因此,如何准确表征ACE抑制肽的结构,预测肽的活性,阐明其作用机理,并在此基础上进一步开发ACE抑制肽类药物已成为目前亟待解决的问题[30]。定量构效关系(Quantitative structure activity relationship,QSAR)作为一种定量描述活性物质结构与活性关系的有效手段,具有量效关系明确、信息丰富、对未知化合物活性预测能力强等优点。计算机辅助分子设计的方法为功能食品的开发和创新提供了一种新的手段[31]。由于ACE抑制肽是一类相对分子质量较小的短肽(一般低于1 500 u),对其结构的定量描述不会过于复杂,因此具有可行性。对ACE抑制肽进行QSAR研究将有助于深入理解肽的结构特征以及活性机理,并有利于新的具有更强活性的抑制肽的设计。

目前这部分的研究报道并不多,他们的研究结果也有待于进一步验证。如:刘静[32]等收集20种天然氨基酸的457种理化性质,按照疏水、电性特征、氢键贡献和立体特征分类后,对它们分别进行主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),得到一个新的氨基酸残基结构描述符SVHEHS(Scores vector of hydrophobic,electronic,hydrogen bonds and steric properties),此描述符能用于ACE抑制肽的活性预测和分子设计,有利于ACE抑制肽的深入研究。苏淅娜[30]等则比较了多元线性回归(Multiple linearregression,MLR)、偏最小二乘(Partial least square regression,PLS)、人工神经网络(Artificial neural networks,ANN)3种建模方法优劣,发现ANN和PLS模型的拟合能力、模型稳健性以及预测效果均优于MLR模型,更适合于ACE抑制肽的QSAR研究。

综上所述,目前对乳源降压肽的抑制活性的研究主要集中于一级结构,虽然空间结构的研究偶见报道,但并没有形成理论。一级结构方面,抑制活性主要由两个因素决定:多肽的分子量以及多肽的氨基酸组成和结构,乳源降压肽的活性是它们综合作用的结果。乳源降压肽肽有如下特点:①相对分子质量比较低,小于3 ku,大约包含2~12个氨基酸残基。②一级结构含有大量疏水性氨基酸,C端存在Pro、Leu、带正电荷的氨基酸有较高的ACE抑制活性;③在N端具有芳香环氨基酸或碱性氨基酸时,活性比较高,相反,在N端为Pro则活性降低。

目前国内外构效关系的研究是该领域的一个热门问题,是探究降压机理的必需步骤,但对ACE抑制肽的结构分析还局限于对已知序列的肽进行定性的分析,因此对其作用的构效关系等方面还需要进一步加强研究。

3 食品中乳源降压肽的应用

在发达国家,具有营养保健功能的食品的销量不断上升。据报道,每天食用适量的降压肽可以降低血压,其效果与食用化学合成药物差不多[33]。乳源降血肽的降压功能显著,具有化学合成药物不可比拟的优势,近年来,人们将其作为一种配料添加到食品中,生产出可供正常人或轻度高血压患者食用的具有预防和治疗高血压功效的功能性食品。

表格4列举了市场上一些被登记的具有降血压活性的含有乳源降压肽的产品。Calpis和Evolus都是由乳酸菌发酵而成的具有降压功能发酵乳,它们是两种研究得比较多的保健食品。经检测,发现在这两种发酵乳中含有源于β-酪蛋白和κ-酪蛋白的乳源降压肽VPP和IPP,另外Jauhiainen[34]等发现这两种饮料还具有预防动脉粥样硬化的功能。除此之外,人们还生产出如Festivo奶酪、Ingredia糖果等具有降血压活性的保健食品。目前,国外有大量的含有生物活性肽的产品获得专利,相关的保健食品也逐步上市。但是,国内对生物活性肽的利用主要集中在护肤品和医药领域,如活性肽蚕丝面膜、胶原活性肽补水调理露、生物活性肽沁柔滋养晚霜、维亿阳光正品盒装成人型活性肽蛋白粉、红水保湿排毒疹皮炎bfgf冻干粉等,其功能主要是抗衰老。而在食品方面的应用比较少,主要是含活性肽功能饮料,其功能主要是抗疲劳。因此,在国内开发具有降血压功能的食品的前景十分广阔。

表4 具有降血压活性的含有乳源降压肽的产品

在食品工业生产作为食品配料使用过程中,我们需要考虑乳源降压肽的感官特性和生产过程可能对它的活性的破坏作用。虽然酶法水解蛋白质可得到多种具有高ACE抑制活性的降压肽,但在水解的同时也会相应的有苦味肽的形成,这就严重影响了水解产物的应用。据文献显示,苦味肽的脱除是制约乳源降压肽在食品中的应用[42]的一大难题。食品的加工过程虽然可以改善食品的营养、风味、货架期和安全性等,但同时也可能破坏乳源降压肽的活性,使其活性降低或消失。但是随着膜分离技术的快速发展,这些问题得于改善:在加工过程中,通过工艺优化,选择合适的底物、酶和水解度并加以控制可以降低苦味,减少加工过程对乳源降压肽活性的影响。

随着乳源降压肽的应用,它的安全性问题也受到了大家的关注。从理论上讲,乳源降压肽在体内会很自然的降解为游离氨基酸,很容易被人体吸收,没有毒副作用,即乳源降压肽是安全的。目前已经很多学者通过一系列的体外基因毒性测试和体内毒理学研究,对乳源降血压肽的安全性进行了评估,认为该类肽是安全的。Phelan等[37]对乳源性生物活性肽的安全问题研究进行了总结,没有证据表明乳源性生物活性肽具有毒副作用。Alemán等[43]的研究表明,大鼠使用单剂量(2 000 mg/kg),或是每日重复剂量(1 000 mg/kg连续使用4周)含降血压肽的酪蛋白水解产物,不会对血液生化指标、血项、主要器官重量比、组织结构病理等参数和死亡率产生任何不良影响。美国实验生物学联合会的生命科学研究中心(FASEB)、国际食品药品监督管理局(FDA)以及欧盟食品安全局(EFSA)等国际权威机构也认为蛋白质的水解产物不会损害人体健康[44]。因此,总体上乳源降血压肽是安全的,但应注意避免生产过程中的各种处理技术对乳源降压肽的质量、稳定性和安全性带来潜在的负面影响。

4 展望

酪蛋白磷酸肽(Casein phosphopeptides,CPPs)是乳源生物活性肽中被研究和开发最早的一种,具有结合矿物质的作用,也是酪蛋白生物活性肽中研究最多的一种[45]。CPPs生产企业生产过程中,有近80%的蛋白质副产物(Casein phosphopeptides by-product,CPPBP)未被合理利用,作为饲料或废物弃去[46],造成资源浪费和环境污染。因此,最大程度地开发CPPBP中的活性肽,具有很大的经济效益和社会效益。本课题组前期已确认CPPBP的降压效果,并对有活性的多肽组分进行了工业化程度的粗分离富集,为本文的研究提供了支持。本文在前期研究基础上分离、纯化CPPBP中的ACEI肽,对主要活性肽进行氨基酸序列测定,以及对pH、温度和模拟胃肠消化系统的影响进行研究。该结果能为ACEI肽的理论研究提供基础数据,并为商业化开发利用CPPBP提供技术支持。

随着社会的进步、经济的发展和人民生活水平的不断提高,人们对食品的要求越来越高,人们期望直接通过膳食起到预防疾病,或者促进身体健康的作用。所以,开发具有调节血压作用的功能食品是具有重要理论意义和应用价值的。而乳源降压肽其性质温和,来源更广泛、消费者排斥心理更小、服用更方便、活性更强,且对正常血压的人无作用,同时还具有免疫活性、促进消化吸收、减肥等多种附加功效,使其在食品等领域具有广泛的应用前景。目前,市场上的乳源降压肽产品在食品领域所占不多,而且主要集中在乳制品上。随着人类对天然功能食品的迫切需求,对乳源降压肽的研究必然会不断深入,进一步探讨乳源降压肽的构效关系,揭示乳源降压肽的作用机制,将为人工合成、改造、开发乳源降压肽食品或辅助药物提供重要的理论依据。

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