不同生物活性的藻蛋白和多肽的作用机制及应用的研究进展

冯舒婷,高文艺,胡丽莉

(广东药科大学生命科学与生物制药学院,广州 511400)

0 引言

植物蛋白不含胆固醇和饱和脂肪酸,所含有的必需氨基酸能有效降低慢性疾病的风险。随着人们对蛋白质需求的增多,植物蛋白逐渐成为人们研究的热点。藻类蛋白质含量丰富,具有抗氧化、抗肿瘤、降血糖、血脂和提高机体免疫力等生物活性。藻蛋白经过酶解后的多肽,分子量更小,更易被胃肠道吸收,活性更高。其活性大小受很多因素影响,如分子量大小、氨基酸种类和分子之间的相互作用等。研究藻蛋白和多肽在人体内的机制,有助于相关产品的研发。本研究综述了近几年活性藻蛋白、多肽的活性和作用机制,以期为藻蛋白和多肽的开发利用提供科学参考。

1 藻蛋白和多肽的生物活性

1.1 抗氧化

过多的氧自由基会引起人体老化等相关疾病,因此延缓机体氧化的研究一直倍受关注。藻蛋白和多肽具有抗氧化活性。有研究发现,野生蓝藻蛋白具有较强的ABTS·+自由基清除能力。还有人发现,小球藻蛋白酶解产物能降低紫外线诱导下线虫体内的ROS水平。氨基酸的数量和种类影响抗氧化的活性大小,活性肽长度为2～6个氨基酸效果较好,>10个氨基酸活性相对偏低。含有Try的多肽自由基清除能力较强,如Asp-Tyr-Tyr-Lys-Arg等[1]。抗氧化应激时会激活多个信号通路,如Nrf 2/抗氧化反应元件通路,可提高抗氧化酶水平。紫菜多肽不仅显著降低HepG 2细胞中ROS的产生,还能调控p-Nrf 2/SOD表达控制H2O2诱导的氧化应激。

1.2 降血糖、血压和调节脂质代谢

藻多肽能调节体内脂质代谢和糖代谢酶活性,多个小分子肽同时存在有“1+1>2”的效果,如ARY、YLR、LRM有协同的ACE抑制作用,而且ACE抑制肽c末端大部分由难溶性的脯氨酸或酪氨酸组成[2]。学者们利用分子对接技术等生物信息学来探索药物在人体的作用位点,如藻多肽与α-葡萄糖苷酶和DPP 4的催化位点结合,从而抑制α-葡萄糖苷酶和DPP 4的活性,达到降血糖的效果,还通过体内多条信号通路调控来维持脂质稳态,如PPAR、胰岛素信号通路等。螺旋藻多肽可调节与PPAR、AMPK、MAPK、胰岛素、脂肪酸等与信号通路有关的Acadm、Retn、Fabp 4等关键基因表达来抗肥胖、降血糖、降胆固醇。目前,机制研究还在初级阶段,未来的研究还可以更多地向分子机制层面靠拢。

1.3 抗肿瘤

很多抗肿瘤的药物副作用大、效果不佳,而安全无毒的藻蛋白和多肽具有抗肿瘤活性,是潜在的抗肿瘤药物。目前,已经从多种生物中提取到抗肿瘤活性肽。近年来,海洋来源的天然生物抗肿瘤肽也取得了一定的进展。WANG C J等人发现,肽链的色基经过活性炭脱色后,对肿瘤细胞抑制效果下降[3]。对抗癌细胞常见的是癌细胞凋亡,藻蛋白影响癌细胞的生长周期来促进凋亡。藻红蛋白使HepG 2细胞S期、G0/G1期细胞增多,在G2/M期出现增殖阻滞,因此可能通过细胞G0/G1期和S期诱导癌细胞凋亡。藻蛋白和多肽能减少药物的副作用,增强传统抗癌药的活性,如果进一步挖掘探究,未来可能会成为安全有效的新型抗肿瘤药物。

1.4 抗炎

炎症因子的过度释放会引起多种疾病,除了抗生素外,尚未发现其他有效的抗炎药物。现已发现,藻蛋白和多肽有较好的抗炎活性,但抗炎活性的研究鲜有报道。以炎症小鼠为模型,实验证明,藻胆蛋白能抑制NO、TNF-α、IL-6的产生,口服藻胆蛋白能减轻急性炎症小鼠水肿[4]。藻多肽通过调节多种细胞因子水平来预防急性炎症或缓解炎症,裂壶藻多肽通过下调TNF-α、IL-1β、IL-6等表达,减少肠黏膜屏障的损伤,缓解结肠炎症,促进肠黏膜修复。国外学者对藻蛋白和多肽抗炎的作用机制研究较多,主要集中在细胞因子水平方面。

1.5 增强免疫

免疫活性肽可增强巨噬细胞的吞噬能力,提高机体对外界病原体的抵御能力。实验证明,葛仙米藻胆蛋白可增强巨噬细胞的吞噬能力和NK细胞的杀伤活性,促进T细胞和IL-2、IL-4的产生,增强小鼠体液和细胞免疫[5],当TLR4和NF-κB结合的聚合物被激活后,IκB中丝氨酸残基被磷酸化从NF-κB分离,促进促炎细胞因子释放。有研究表明,紫菜藻红素能上调TLR4受体水平,提高P-IκB-α和P-NF-κB蛋白表达水平,即藻红素通过NF-κB信号通路恢复氢化可的松诱导的免疫抑制[6]。

1.6 抗菌

传统的抗生素使用过度会使细菌产生耐药性。藻多肽有杀菌活性,抑菌谱广且不易产生耐药性,如螺旋藻多肽能抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长[7]。藻蛋白或多肽的相关抗菌机制研究大多尚未验证,体内分析和安全性研究也鲜有报道。闫建国等发现,小球藻低分子量多肽能有效诱导大肠杆菌细胞壁的破坏,且革兰氏阳性菌抑菌优于革兰氏阴性菌,可能与细菌细胞壁阻碍多肽深度渗透有关。有研究显示,替换氨基酸种类能提高藻多肽的抗菌活性。四鞭藻抗菌肽LWFYTMWH进行第1、4、5、6位赖氨酸取代,可增强其抗菌活性,因为赖氨酸增加肽的净正电荷可与带负电荷细菌膜的相互作用,提高抗菌活性[8]。

1.7 其他作用

藻蛋白和活性多肽具有丰富的药理作用,除发挥常见药理作用外,一些鲜为人知的活性也值得进一步挖掘,如改善胃肠道疾病。螺旋藻粗蛋白激活EGFR、MAPK信号通路,上调细胞周期蛋白cyclin D1和周期蛋白依赖性激酶cdk 2、4、6,促进大鼠肠上皮细胞迁移和增殖,维持肠道稳态。顺铂的副作用为耳毒性,藻蓝蛋白能保护听觉细胞免受顺铂的细胞毒性,降低听觉细胞ROS水平,增加Bcl-2蛋白表达,抑制促凋亡Bax蛋白活性,抑制听觉细胞凋亡。藻胆蛋白可通过抗氧化应激作用来改善子痫前期症状。以怀孕大鼠为模型,证明藻胆蛋白通过增加脂联素基因mRAN或C/EBPα蛋白的转录因子来降低血压,减少大鼠胸、腹主动脉收缩反应,增加抗氧化酶活性,保护主动脉血管内皮,说明螺旋藻蛋白是一种很好的预防子痫的化合物。骨骼肌萎缩主要是由于蛋白质含量减少引起的,藻蛋白通过抑制TNF-R1的表达、IκBα的磷酸化、NF-κB的转位,来调控NF-κB信号通路,恢复TNF-α破坏的肌生成素的稳态来对抗肌肉萎缩。

2 藻蛋白或多肽的名称及作用机制

藻蛋白或多肽的名称及作用机制见表1。

表1 藻蛋白或多肽的名称及作用机制Tab.1 Name and action mechanism of algal proteins or peptides

3 藻蛋白或多肽在各领域的应用

3.1 在化妆品中的应用

藻蛋白或多肽可保湿抗氧化,修复损伤皮肤,多用于护肤护发产品。藻蛋白常被加入护肤品中,制备具有抗皮肤衰老、养颜美白功效的保湿护肤水等。螺旋藻多肽可提高抗氧化酶的活性,对抗皮肤光老化[9]。藻蓝蛋白、藻红蛋白等具有热稳定性和pH耐受性,均可作为化妆品色彩的天然成分,如含藻蓝蛋白保湿爽肤水,使水溶液保持原来的亮蓝色。如今,人们追求天然、绿色的理念越来越强烈,安全无毒的藻蛋白或多肽是理想的化妆品成分。我国对一些提取纯化工艺技术壁垒尚未攻破,相信随着技术的改进完善,未来藻蛋白或多肽在化妆品领域的应用会更加广泛。

3.2 在保健品中的应用

藻蛋白可作为一种健康营养的保健食品,对人体营养进行补充摄入。目前,市面已有含小球藻多肽抗衰老饮料,营养均衡,绿色安全。把小球藻抗氧化肽粉末添加入苹果汁中,不仅保持果汁的亮黄色,又能对人体发挥抗氧化效果。藻蛋白含有丰富的人体必需氨基酸,可补充人体蛋白质,多被制备成粉末状,用于家用调味品、调料等行业,从柴米油盐逐渐深入到人们的日常生活中。藻多肽还可降“三高”,如坛紫菜多肽被制备成降血脂、降血糖饮料,该饮料可减少动脉硬化的发生,抑制体重增长速度,降低血糖。随着人们对健康理念的重视,藻蛋白和多肽的食用价值在保健品中的应用将会有巨大的发展潜力。

3.3 在医药中的应用

藻蛋白和多肽具有多种药理作用,对多种疾病有治疗效果,特别是在肿瘤的治疗中,小球藻多肽微胶囊、藻蓝蛋白抗胰腺癌药物和重组别藻蓝蛋白抗肝癌药物等均体现出藻蛋白和多肽有开发肿瘤药物的潜力。藻蛋白和多肽对于其他常见疾病,如帕金森病,藻蓝蛋白能抑制神经毒素MPP,可预防与治疗帕金森病,鞭金藻多肽制备成预防和治疗酒精性肝损伤药物,可清除自由基和保护肝脏。藻蓝蛋白的荧光性能还可应用于医疗诊断中。藻蓝蛋白荧光探针检测黄曲霉毒素B1,藻胆蛋白/链霉亲和素生物探针检测肝癌的早期标志物等,因此藻蛋白和多肽在医药领域中具有很高的理论研究和开发利用价值,不仅预防和治疗疾病,还能诊断疾病,相信藻蛋白或多肽在未来的药品开发中的力度会更大。

4 展望

藻类蛋白和多肽有多种有益于人体健康的功能,目前常被当作营养添加剂制成面条、饼干等食品,如推出的一系列添加“小球藻”“螺旋藻”的有机果蔬汁。对于藻蛋白和多肽的活性与作用机制的深入研究能够为体内活性研究提供理论依据,有助于推进相关产品的研发和应用,在化妆品、保健食品、医药行业中也有更广泛的应用前景。

制备藻蛋白和多肽的工艺多数为酶解法,此法提取率、纯化度不高。随着生物技术的飞速发展,藻蛋白和多肽的制备工艺将会更加成熟、简化、安全,加上多种新型生物技术的投入使用,如生物信息学的挖掘、虚拟分子对接技术等不断成熟,为未来的实验方向提供了更多的可能性,也促进了科研工作的发展。相信未来会有更多新型的功能性藻蛋白和多肽被发掘出来并加以利用。