牦牛乳干酪苦味肽ACE抑制活性表征的分子机制

杨保军，梁 琪，宋雪梅

（甘肃农业大学食品科学与工程学院 甘肃省功能乳品工程实验室 兰州 730070）

干酪成熟过程中酪蛋白降解程度的增加或降解过程中形成的中间产物没有被充分降解时，将会产生苦味肽[1]，从干酪中鉴定出的苦味肽主要源自αs1-酪蛋白（αs1-Casein，αs1-CN）和β-酪蛋白（β-Casein，β-CN）的降解[2]。肽序列中含有的疏水性氨基酸如精氨酸、亮氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸和脯氨酸等是肽的苦味来源，也是苦味受体的结合位点[3]。干酪中苦味肽分子质量在100～6 000 u。Topcu 等[4]分离出分子质量500～4 000 u 和200～700 u 的苦味肽 （分别来源于Turkish White 干酪和Kasar 干酪），Turkish White 干酪中的疏水性片段是苦味最强的部分，色氨酸和苯丙氨酸是Kasar干酪苦味肽的共有氨基酸。Toelstede 等[5-6]从Gouda 干酪水溶性提取物中鉴定出16 种苦味肽，其中12 个肽具有较强的苦味。

肽是一类由氨基酸通过肽键连接而成的化合物，具有溶解性高、黏度低、易消化、易吸收等优点[7]。蛋白质降解肽具有一定的生理功能活性，如ACE 抑制活性和抗氧化、抗菌及降胆固醇活性等[8-9]。本课题组前期研究不同成熟温度（5，10 ℃和15 ℃）、成熟时间（0～6 个月）牦牛乳硬质干酪中醇溶性粗提苦味肽的ACE 抑制活性，结果发现5℃成熟6 个月牦牛乳硬质干酪中醇溶性粗提苦味肽的ACE 最大抑制活性达（72.33±2.32）%。本实验室宋雪梅等[1]使用葡聚糖凝胶（Sephadex G-25）色谱和液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）从牦牛乳硬质干酪中鉴定出14 种苦味肽，主要为氨基酸残基数目7～17、分子质量小于2 000 u 的肽，苦味肽序列中存在的疏水性氨基酸主要有脯氨酸、缬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和异亮氨酸。Pripp 等[10]和Upadhyaya 等[11]的研究表明食源性二肽或三肽可以竞争性抑制ACE，从而具有降血压的作用。肽的结构特征，如肽链长度、氨基酸组成、肽的物化特征（如氨基酸残基的疏水性、分子电荷和侧链）等都会影响其生物活性[12]。BIOPEP 数据库是目前最全面的生物活性肽数据库[13]，分子对接是基于受体结构，受体和配体分子之间的静电匹配，化学环境互补和空间互补等原则模拟并寻找两者的最佳结合模式，评价其结合构象稳定程度的技术，被用于寻找能与靶蛋白相互作用的多肽并说明其生物学机制[14-15]。管骁等[16]研究二肽（GF、GY、VF 和IY）与ACE 的相互作用模式与分子机制，结果表明氢键、疏水、静电等作用力对二肽与ACE 的结合有影响，且氢键作用为主要影响因素，ACE 分子中Arg522、Glu384 和Ala354 为二肽与ACE 结合的重要活性位点，ACE 抑制二肽中N 端氨基的作用对其抑制活性影响显著[17]。

PDB 数据库、BIOPEP 数据库等有效缩短了肽结构和功能表征的研究周期，分子对接等生物信息学技术为分子水平解释ACE 抑制肽和ACE 相互作用提供了理论依据。此外，本试验用3 种苦味肽都不在BIOPEP 的ACE 抑制肽数据库中。本试验对牦牛乳硬质干酪中鉴定出的3 种苦味肽进行理化分析，借助分子对接工具和BIOPEP 数据库评估和表征苦味肽的ACE 抑制活性及其与ACE相互作用的分子机制。为从理论水平分析和分子水平解释干酪苦味肽的ACE 抑制活性提供了数据支撑，对进一步完善肽数据库奠定了理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验工具和材料

1.1.1 试验工具 Discovery Studio Client v16.1.0（DS），蛋白结构分析软件，用于蛋白质结构功能研究和药物设计[18]。

1.1.2 试验材料 以苦味肽RPKHPIK（RK7）、VYPFPGPIPN（VN10）和SLVYPFPGPIPN（SN12）为研究对象，这3 种肽均来源于牦牛乳硬质干酪，由项目组前期工作所得，基本信息见表1。

表1 3 种牦牛乳硬质干酪苦味肽的基本信息Table 1 Basic information on three yak milk hard cheese bitter peptides

1.2 试验方法

1.2.1 苦味肽理化特性计算和预测 参考Soleymanzadeh 等[19]的方法使用生物信息学网址和数据库提供的软件计算和预测3 种苦味肽的理化特性。肽特性计算器（https：// pepcalc.com /）用于确定肽的分子质量、等电点（pI）和净电荷；ExPASy ProtParam 工具（https：//web.expasy.org/cgi-bin/protparam /protparam） 用于预测肽的不稳定性指数；使用https：//www.peptide2.com 确定肽的疏水性氨基酸比例[12]。

1.2.2 肽结构优化 RK7、VN10 和SN12 的分子结构式如图1所示，具体结构优化过程参考文献[20]1.2.2 节所述。

图1 具有ACE 抑制活性的苦味肽的分子结构Fig.1 Molecular structure of bitter peptide with ACE inhibitory activity

1.2.3 准备受体蛋白 参考Natesh 等[21]的方法，从Protein Data Bank 数据库（www.rcsb.org）中下载ACE（PDB ID：1O86）蛋白晶体的X 射线衍射三维结构，并用DS 软件处理该蛋白质，具体处理方法参考文献[16]1.2.3 节所述。

1.2.4 分子对接 基于结构的药物设计工具Lib-Dock 能快速、精确、虚拟筛选大规模数据库[18]，本试验使用DS 软件中的LibDock 程序确定苦味肽在ACE 活性部位的最佳对接位姿和相互作用关系，详细步骤参考文献[20]1.2.4 节所述。

1.2.5 肽数据库比对 BIOPEP 数据库包含多种功能活性已知的肽序列[22]，将理化分析和虚拟筛选（分子对接）后能与ACE 形成稳定肽-ACE 复合物构象的苦味肽与BIOPEP 数据库中已知的ACE抑制肽作序列相似性比对，根据比对结果表征苦味肽的ACE 抑制活性。

2 结果与分析

2.1 苦味肽理化性质分析

通过生物信息学网址和数据库提供的软件计算和预测3 种苦味肽的理化特性，结果见表2。不稳定性指数用于预测肽的不稳定性，RK7 所带净电荷为3.1，不稳定性指数为19.84，不稳定性指数小于40，说明RK7 是稳定的且较高净电荷不影响其稳定性，VN10 和SN12 的不稳定性指数分别为49.44 和42.87，不稳定性指数大于40，说明VN10和SN12 可能是不稳定的。RK7、VN10 和SN12 分别含有3，7 和8 个疏水性氨基酸，疏水性分别为42.86%，70.00%和66.67%，显示出适度的疏水性，由于肽与ACE 活性位点的结合与疏水性氨基酸有着本质关系[23]，所以初步推测RK7、VN10 和SN12具有ACE 抑制活性。

表2 苦味肽理化参数表Table 2 Physical and chemical parameters of bitter peptides

2.2 分子对接

2.2.1 寻找受体结合区 借助DS 软件中的Define and Edit Binding Site 工具寻找受体（ACE）中的空腔，以此来寻找受体中可能的结合部位，结果如图2所示，经过处理后系统视图中自动添加10 个结合位点（Site 1～10），即找到了10 个可能的结合区域。

2.2.2 RK7 与ACE 的相互作用分析 RK7 与ACE 对接后得到52 个对接构象，其中Site 1 区域包含50 个对接构象，Site 3 区域包含2 个对接构象，最佳对接构象位于Site 1 区域（X：35.46，Y：43.15，Z：55.47，R：9 Å），对接得分为240.04，结合能为28 413.71 kJ/mol，最佳对接构象如图2所示。

图2 受体中可能的结合部位Fig.2 Possible binding sites in the receptor

由图3可知，RK7 中Arg 的胍基与ACE 的Ala356 残基形成两个氢键，键长分别为4.44 Å 和3.50 Å；Pro 的羧基与ACE 的Tyr360 和Ala356 残基各形成一个氢键，键长分别为6.03 Å 和5.00 Å；Lys 的ε 位氨基与ACE 的Arg402 残基形成一个氢键，键长为3.12 Å；RK7 尾部Lys 的α 位和ε 位氨基与ACE 的Met223 残基各形成一个氢键，键长分别为5.07 Å 和4.68 Å。RK7 与ACE 的Arg402（5.10 Å）、Gly404（3.64 Å）、Glu411（5.39 Å）残基形成范德华力或碳氢键，与ACE 的Lys118（5.42 Å）、Trp357 （4.44 Å）、Asp358 （4.25 Å）、Glu403（5.98 Å）和Lpr702（7.65 Å）残基形成盐桥、静电或Pi-Cation 相互作用，与ACE 的His387（5.78 Å） 残基形成Pi-Pi T-shaped 相互作用，与ACE 的Ala63 （3.36 Å）、Met223 （6.43 Å）、Ala356（5.66 Å）、Trp357（4.86 Å）、Tyr360（5.36 Å）、Pro407（3.61 Å）、His410（4.52 Å）、Pro519（4.8 Å/5.40 Å）残基形成Alkyl 或Pi-Alkyl 相互作用。从以上信息可知，RK7 与Ala356 和Arg402 形成2 个相对较强的氢键，与Tyr360 和Met223 形成2 个相对较弱的氢键。Ala356 与ACE 形成了3 个氢键，因此RK7 和ACE 的相互作用受Ala356 的影响较大。其它相互作用力包括盐桥、碳氢键和静电相互作用等也参与了肽与ACE 的相互作用，详细信息如图3c所示，氢键属于分子间较强相互作用力，使得肽与ACE 以较高亲和力结合，从而使构象得以稳定。

图3 RK7 与ACE 的对接构象图Fig.3 Docking conformation between RK7 and ACE

2.2.3 VN10 与ACE 的相互作用分析 VN10 与ACE 对接后得到1 个较好的对接构象，该构象位于Site 1 区域（X：35.46，Y：43.15，Z：55.47，R：9 Å），对接得分为222.34，结合能为604.71 kJ/mol，最佳对接构象如图4所示。

图4 VN10 与ACE 的对接构象图Fig.4 Docking conformation between VN10 and ACE

由图4可知，VN10 中Val 的氨基与ACE 的Asp358 残基形成一个强氢键，键长为2.80 Å，Tyr的羟基与ACE 的Glu411 残基形成一个氢键，键长为4.88 Å，Phe 和Pro 的羧基各与ACE 的Asn66残基形成一个氢键，键长分别为5.32 Å 和5.21 Å，Asn 的氨基和胍基分别与ACE 的Glu123 和Ser517 残基形成一个氢键，键长为5.20 Å 和4.32 Å；VN10 与ACE 的Tyr62 （6.07 Å）、Asn66（6.24 Å）、Asn85（4.00 Å）、Glu123（5.41 Å）残基形成范德华力或碳氢键，与ACE 的Trp220 （5.26 Å）、Asp358（2.97 Å）、Tyr360（3.39 Å）残基形成静电相互作用，与ACE 的Tyr360（6.88 Å）、His387（5.47 Å）、Lpr702（9.41 Å）残基形成Pi-Pi Stacked 或Pi-Pi T-shaped 相互作用，与ACE 的Trp59（5.00 Å）、Tyr62（5.48 Å）、Ala63（5.71 Å）、Ile88（5.09 Å/5.46 Å）、Tyr360（4.46 Å）、Phe391（5.11 Å）、Tyr394（6.55 Å）、Arg402（5.13 Å）、His410（6.81 Å）、Val518（6.57 Å）、Lpr702 （11.99 Å） 残基形成Alkyl 或Pi-Alkyl相互作用。VN10 与ACE 间相互作用的详细信息如图4c所示，这些相互作用使VN10 和ACE 形成稳定的复合物构象。

2.2.4 SN12 与ACE 的相互作用分析 SN12 与ACE 对接后得到9 个对接构象，这些构象均位于Site 1 区域 （X：35.46，Y：43.15，Z：55.47，R：9 Å），其中最佳对接构象的对接得分为-6.32，结合能为2 554.88 kJ/mol，最佳对接构象如图5所示。

由图5可知，SN12 中Ser 的羧基与Tyr360 形成一个氢键，键长为5.78 Å，Tyr 的羟基与Asn66形成一个氢键，键长为3.74 Å，Pro 的羧基与Arg124 形成一个氢键，键长为5.12 Å，Asn 的胍基与Lys118 和Glu123 各形成一个氢键，键长为4.50 Å 和5.45 Å；SN12 与ACE 的Asn66（5.89 Å）、Tyr394（5.76 Å）、Arg402（5.10 Å）残基形成范德华力、碳氢键或Pi-Donor hydrogen Bond 相互作用，与ACE 的Lys118 （6.08 Å） 残基形成静电相互作用，与ACE 的Tyr62（5.87 Å）、Trp357（3.24 Å/4.16 Å）、Lpr702（9.53 Å）残基形成Pi-Alkyl 相互作用。SN12 与ACE 间相互作用的详细信息如图5c所示，造成SN12 和ACE 对接得分低的主要原因是对接过程中存在不支持两者结合的氨基酸残基。

图5 SN12 与ACE 的对接构象图Fig.5 Docking conformation between SN12 and ACE

2.3 苦味肽功能活性表征

截止2020年12月，BIOPEP 数据库的4 132种功能活性已知肽段当中包含1 012 种ACE 抑制肽，将RK7、VN10 和SN12 与BIOPEP 数据库中的ACE 抑制肽比对后发现RK7、VN10 和SN12 的最高相似度分别为57.14%，90.00%和75.00%，当然RK7、VN10 和SN12 当中也含有其它一些具有ACE 抑制活性的小肽片段，它们均处于RK7、VN10 和SN12 的不同位置，这为后续研究RK7、VN10 和SN12 经消化酶酶切后继续发挥ACE 抑制活性提供了可能，但前提是要充分考虑消化酶的酶切位点。

表3 RK7、VN10 和SN12 与BIOPEP 数据库中ACE 抑制肽的相似性比对Table 3 Similarity comparison of RK7，VN10 and SN12 with ACE inhibitor peptides in the BIOPEP database

3 讨论

由于亲水性氨基酸残基会干扰肽进入ACE的活性位点，因此肽序列中亲水性和疏水性氨基酸比例会影响肽的ACE 抑制活性[24-25]。当ACE 抑制肽C 端含有3 个疏水性氨基酸时，该肽具有较高的ACE 抑制活性[26-27]。另外，当ACE 抑制肽C 端为疏水性氨基酸（如Trp、Tyr、Pro 和Phe）或芳香族氨基酸、中间为带正电荷的氨基酸、N 端为疏水性氨基酸（Val 和Leu）时，其ACE 抑制能力较强[28-29]。此外，还有研究表明只要ACE 抑制肽的C端含有一个疏水性氨基酸，或者C 端含Arg 其侧链胍基和Lys 的ε-氨基上带有正电荷，均可提高肽的ACE 抑制活性[24，30]。本试验选取的3 个肽段RK7、VN10 和SN12，其C 端均含有Pro 和Ile，N端则含有不同的疏水性氨基酸 （如Pro、Val 和Leu），将其与BIOPEP 数据库比对后发现3 个肽段均含有不同数量具有ACE 抑制活性的小肽片段，这是RK7、VN10 和SN12 具有ACE 抑制活性的基础。

分子对接是研究配体与靶向受体之间相互作用模式、亲和性及相互作用位点的技术[31]，涉及的主要作用力有范德华力、静电相互作用和氢键相互作用等。Pan 等[32]从乳清蛋白中纯化出具有ACE抑制活性的2 肽LL 并将其与ACE 进行分子对接，结果表明LL 与ACE 分子中的His353、Ala354、Ser355、Glu384、Arg522 和Tyr523 通过氢键形成稳定复合物。Tu 等[33]鉴定了来自酪蛋白的新型混合型高效ACE 抑制肽，该肽与ACE 的氨基酸残基形成15 个氢键，多个氢键的相互作用显著地增加了ACE 和肽复合物的稳定性。ACE 活性位点的氨基酸是ACE 与具有ACE 抑制活性的肽相互作用的关键氨基酸，通过已经解析的ACE 晶体结构（PDB ID：1O86）可知，ACE 活性位点的氨基酸残基包括：Tyr523、Arg522、Tyr520、Pro519、Val518、Ser517、Ser516、His513、Phe512、Lys511、Glu411、His410、Pro407、Phe391、His387、Glu384、His383、Val380、Ala356、Ser355、Ala354、His353、Gln281、Alu162[16，34-35]。分析RK7、VN10 和SN12 与ACE 的对接结果可知，Ala356、His387、Phe391、Pro407、His410、Glu411、Ser517、Val518、Pro519 是RK7 和VN10 与ACE 结合的重要活性位点，ACE与RK7 和VN10 的分子机制相似，均在ACE 的活性空腔内结合，多为N 端氨基和C 端羧基参与肽段中氢键的形成。本试验RK7 与ACE 形成7 个氢键（与ACE 活性位点形成3 个氢键），VN10 与ACE 形成6 个氢键（与ACE 活性位点形成2 个氢键），SN12 与ACE 形成5 个氢键（与ACE 活性位点不存在氢键），氢键是分子间的较强作用力，是肽与ACE 形成稳定复合物构象并产生高ACE 抑制活性的内在因素。

4 结论

本试验运用生物信息学方法对牦牛乳硬质干酪中3 种苦味肽RK7、VN10 和SN12 进行理化计算和分析，将这3 种肽分别与ACE 做分子对接，结果表明ACE 分 子 中Ala356、His387、Phe391、Pro407、His410、Glu411、Ser517、Val518、Pro519 残基是ACE 与RK7 和VN10 结合时起重要作用的残基，肽分子中参与氢键形成的多为N 端氨基和C 端羧基。RK7、VN10 和SN12 与ACE 的结合表现出相似的作用机制，均结合于ACE 的活性空腔内，结合区域为X：35.46，Y：43.15，Z：55.47，R：9 Å。RK7、VN10 和SN12 与BIOPEP 数据库中的ACE抑制肽比对后发现其最高相似度分别为57.14%，90.00%和75.00%。综合RK7、VN10 和SN12 与ACE 活性位点氨基酸残基相互作用的情况和BIOPEP 数据库比对结果预测出这3 种肽段的ACE 抑制活性：VN10>RK7>SN12。3 种肽段单体的ACE 抑制活性有待通过体外试验做进一步验证，并通过模拟酶切研究酶切片段的ACE 抑制活性。本研究有效揭示了牦牛乳硬质干酪中具有ACE 抑制活性的苦味肽与ACE 间相互作用的分子机制，目前RK7、VN10 和SN12 并不在具有ACE 抑制活性的BIOPEP 数据库中，有可能作为ACE 抑制肽数据库的扩充序列。