王子懷,胡 曉,李來好,楊賢慶,郝淑賢,吳燕燕,陳勝軍,岑建偉
(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心,廣東廣州510300;2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海201306;3.中國科學(xué)院南海海洋研究所,廣東廣州510301)
肽-金屬離子螯合物的研究進(jìn)展
王子懷1,2,胡 曉1,3,李來好1,*,楊賢慶1,郝淑賢1,吳燕燕1,陳勝軍1,岑建偉1
(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心,廣東廣州510300;2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海201306;3.中國科學(xué)院南海海洋研究所,廣東廣州510301)
肽-金屬離子螯合物是一種由肽類物質(zhì)與金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng)后生成的具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物,其具有多種特殊的生物活性。本文綜述了目前國內(nèi)外對(duì)肽-金屬離子螯合物的制備工藝、螯合反應(yīng)機(jī)理、螯合物的生物活性及其構(gòu)效關(guān)系的研究現(xiàn)狀,并對(duì)肽-金屬離子螯合物的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
肽,金屬離子,螯合物,生物活性
肽-金屬離子螯合物是一種金屬有機(jī)化合物,它是由金屬離子與肽通過螯合反應(yīng)制備而得的,其能夠借助肽類在機(jī)體內(nèi)的吸收機(jī)制提高金屬離子的生物利用率,具備無機(jī)態(tài)金屬離子所沒有的生理生化特性。目前,以人體必需的微量元素(如Fe3+、Ca2+、Zn2+等)與肽螯合后制得的螯合物已成為一種新型金屬離子補(bǔ)充劑,越來越受到人們的重視。此外,研究發(fā)現(xiàn)將具有抗氧化活性或抗菌活性的不同來源的蛋白質(zhì)水解物與一些金屬離子螯合(如Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ca2+等)后可以增強(qiáng)其抗氧化性、抗菌性等生物活性[1-3]。因此,肽-金屬離子螯合物不僅具有促進(jìn)金屬離子吸收的活性,還可能具備較高的抗氧化、抗菌等生物活性,具有很大的研發(fā)價(jià)值。本文主要對(duì)肽-金屬離子螯合物的研究現(xiàn)狀予以概述,以期為肽-金屬離子螯合物的未來應(yīng)用和進(jìn)一步深入研究提供參考。
肽-金屬離子螯合物一種具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物,它是由金屬離子按一定的摩爾比以共價(jià)鍵同肽類結(jié)合而成的。影響金屬離子與肽進(jìn)行螯合反應(yīng)的因素有物料的質(zhì)量比、pH、溫度和反應(yīng)時(shí)間等,不同的螯合工藝所得的螯合產(chǎn)物的螯合率和理化性質(zhì)有所差異[4]。金屬離子螯合肽的制備工藝目前已相對(duì)成熟,一般制備流程是以一些天然動(dòng)植物蛋白為原料,用酶解法獲取蛋白肽,然后選取人體必需的微量元素如Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ca2+等以一定的質(zhì)量比與蛋白肽在一定的溫度和pH條件下水浴進(jìn)行螯合反應(yīng)制備螯合物,肽對(duì)金屬離子的螯合率可高達(dá)90%以上[5-9]。例如,張強(qiáng)等[10]用胃蛋白酶結(jié)合中性蛋白酶酶解米糠蛋白得到米糠蛋白酶解物,取該酶解物與鋅以質(zhì)量比2∶1,pH為8.0的條件下50℃水浴1h制備米糠蛋白酶解物鋅螯合物,得到螯合率94.85%的螯合物。此外,在獲得螯合物后一般采用萃取、透析或色譜分離等方法對(duì)其進(jìn)行純化。
目前,利用紅外光譜及核磁共振等方法對(duì)螯合反應(yīng)的過程進(jìn)行初步探討已見諸報(bào)道。一些研究發(fā)現(xiàn)金屬離子與肽類的配位發(fā)生在氨基、亞氨基或羧基上[11-12],以單齒共價(jià)鍵的形式鍵合[13-14],也有報(bào)道認(rèn)為螯合反應(yīng)較復(fù)雜,涉及到金屬離子與肽類氨基及羧基的配位結(jié)合,金屬離子與肽類羧基的離子鍵結(jié)合,還包括肽對(duì)金屬離子的吸附作用[15-16]。另外,有研究表明某些特定氨基酸序列或某些特定氨基酸對(duì)肽類與金屬離子的螯合起到重要作用,一些氨基酸如天冬氨酸和谷氨酸上的羧基等可能是金屬離子與肽的結(jié)合位點(diǎn)而顯著影響螯合反應(yīng)[17-18],組氨酸也被認(rèn)為是與螯合活性有關(guān)的氨基酸[19-20]。一些小肽或特殊的氨基酸序列如“天冬酰胺-半胱氨酸-絲氨酸”被認(rèn)為具有較高的螯合活性[21],此外還發(fā)現(xiàn)蛋白的磷酸化位點(diǎn)與螯合反應(yīng)有關(guān),酪蛋白的去磷酸化使酪蛋白磷酸肽對(duì)鋅離子螯合物的螯合作用降低[22]。氨基酸-金屬離子螯合物作為一種高效的金屬離子補(bǔ)充劑已被廣泛研究,而肽與金屬離子的螯合機(jī)制類似氨基酸與金屬離子的螯合機(jī)理,但因肽鏈中的羰基和亞氨基也可能參與金屬離子的配位,故肽-金屬離子螯合物在螯合率和穩(wěn)定性上可能會(huì)比氨基酸-金屬離子螯合物更高。總之,探索一些具有特定氨基酸序列的高螯合活性的肽,制備其與金屬離子的螯合物并探明螯合物結(jié)構(gòu)等研究還有待今后開展,同時(shí)肽類同金屬離子的螯合機(jī)制也需要深入研究。
3.1 螯合物的促進(jìn)金屬離子吸收活性
促進(jìn)金屬離子吸收是金屬離子螯合物(氨基酸-金屬離子螯合物、肽-金屬離子螯合物)最重要的功能性之一,相關(guān)研究十分豐富。肽-金屬離子螯合物被許多研究證實(shí)具有顯著促進(jìn)金屬離子吸收的作用。
鐵是血紅蛋白的重要組成部分,而且是許多酶和免疫系統(tǒng)化合物的成分,缺鐵易導(dǎo)致貧血和免疫力下降等疾病。在有機(jī)體內(nèi),螯合態(tài)鐵(氨基酸-鐵離子螯合物、肽-鐵離子螯合物)的生物利用率較無機(jī)態(tài)高得多[23-24],其原因是螯合物以載體形式使位于環(huán)狀結(jié)構(gòu)中心的鐵離子得以順利通過腸粘膜刷狀緣,從而促進(jìn)鐵的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及利用[25]。相關(guān)研究證實(shí)鐵離子螯合物確實(shí)促進(jìn)了機(jī)體對(duì)鐵的吸收,如Maria等[26]報(bào)道了肉類水解物中的肽類能使亞鐵離子可溶性、吸收率提高;牟光慶等[27]發(fā)現(xiàn)酪蛋白磷酸肽對(duì)大鼠的鐵吸收有顯著影響;鄭炯等[28]以新鮮豬血為原料制備血紅蛋白肽-亞鐵離子螯合物并建立了螯合物對(duì)改善大鼠缺鐵性貧血的效果的模型,結(jié)果表明其抗貧血效果要明顯好于葡萄糖酸亞鐵和氯化亞鐵。
鈣是骨骼發(fā)育的基本原料且在體內(nèi)具有重要的生理功能,缺鈣易影響發(fā)育,造成骨質(zhì)疏松等多種疾病。鈣的吸收過程及生物利用率受到多方面因素的影響,研究表明一些肽類如酪蛋白磷酸肽對(duì)人和動(dòng)物鈣的吸收和利用都具有促進(jìn)作用[29-30]。陳成等[31]發(fā)現(xiàn)大豆蛋白活性肽具有促進(jìn)鈣、磷及其他金屬離子吸收的作用;Adamson[32],Kato等[33]發(fā)現(xiàn)多肽可以促進(jìn)牙齒對(duì)鈣的利用,有助于治療齲齒;彭巧云等[34]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明了膠原肽-鈣離子螯合物具有增加骨密度的功能。
其他一些人體必需的金屬離子如鋅離子、鉻離子,在維持人體健康方面也起到至關(guān)重要的作用。Gelinsky等[35]報(bào)道了谷胱甘肽和谷胱甘肽的衍生肽與鋅的螯合物既能滿足人體對(duì)谷胱甘肽的需求也補(bǔ)充了鋅;施用暉等[36]在蛋雞日糧中添加小肽制品后,其血漿中的鋅離子的含量顯著提高,蛋殼強(qiáng)度增大,推測有些小肽與金屬離子結(jié)合后促進(jìn)了其被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)及在體內(nèi)的儲(chǔ)存;張亞麗[37]證實(shí)脫脂豆粕蛋白肽-鋅離子螯合物能一定程度上提高鋅的生物利用率;彭忠利[38]、喬偉等[39]比較肉雞對(duì)不同鉻源的鉻的吸收效果并討論其吸收機(jī)制,證實(shí)有機(jī)態(tài)鉻的吸收效果優(yōu)于無機(jī)態(tài)鉻,且小肽鉻優(yōu)于其他形式的鉻,說明小肽與鉻螯合后確實(shí)促進(jìn)了鉻的吸收。
促進(jìn)金屬離子吸收作為肽-金屬離子螯合物的一個(gè)最重要的功能性成為最受關(guān)注的研究熱點(diǎn),對(duì)其促吸收的機(jī)制已經(jīng)有較為深入的探索,研究發(fā)現(xiàn)金屬離子在被人體攝入后,必須借助輔酶的作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài),即與氨基酸或肽類等物質(zhì)形成螯(絡(luò))合物來進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存和利用[40]。由于機(jī)體對(duì)蛋白質(zhì)的需求不是單一的吸收游離氨基酸,小肽也是一種吸收形式并且和游離氨基酸在體內(nèi)具有相互獨(dú)立的吸收機(jī)制[41],使得金屬離子在和肽類形成有機(jī)態(tài)后具備一些無機(jī)態(tài)沒有的優(yōu)勢,如:螯合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,避免金屬離子在腸道吸收時(shí)受到其他養(yǎng)分(如植酸)對(duì)礦物元素的沉淀或吸附;金屬離子在螯合狀態(tài)下是通過氨基酸和肽的吸收通道被吸收而不是金屬離子的吸收通道,從而避免與利用同一通道吸收的其他金屬離子拮抗競爭,提高吸收效率;肽-金屬離子螯合物是機(jī)體吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)金屬離子的主要形式,又是機(jī)體合成蛋白過程的中間物質(zhì),吸收速度快且可以減少很多生化過程,節(jié)約機(jī)體能量消耗;另外,與氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)相比,肽吸收具有吸收快,能耗低,效率高,載體不易飽和等優(yōu)點(diǎn)[42]。綜上所述,肽-金屬離子螯合物可以利用機(jī)體對(duì)肽的吸收而使金屬離子在消化道中更容易被吸收,因此具有更高的生物學(xué)效價(jià),可作為一種優(yōu)良的新型金屬離子補(bǔ)充劑,研發(fā)價(jià)值巨大。
3.2 螯合物的抗氧化與抗菌活性
將不同來源的肽與金屬離子螯合后,得到的螯合物較未螯合肽的抗氧化、抗菌或其他一些特殊生物活性有所提高,或者螯合物獲得了一些未螯合肽本不具備的生物活性,這已被許多實(shí)驗(yàn)證實(shí),如丁利君等[43]發(fā)現(xiàn)羅非魚蛋白肽-鈣離子螯合物對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑為20.2mm,對(duì)枯草芽孢桿菌和大腸桿菌的抑菌圈直徑分別為16.2mm和15.1mm,較未螯合肽對(duì)三種菌的抑菌效果都有較顯著提高;楊燊,鄧尚貴等[44-45]發(fā)現(xiàn)低值魚蛋白肽-鈣離子螯合物和低值魚蛋白-亞鐵離子螯合物都具有明顯的抗氧化活性,其抗氧化作用都達(dá)到維生素E的90%以上。
一些肽類和金屬離子自身都具有抗氧化或抗菌活性,肽類在與金屬離子螯合之后抗氧化性或抗菌性一般較原肽都有所提高,某些金屬離子螯合肽的抗氧化或抗菌活性接近甚至優(yōu)于一些目前已經(jīng)廣泛使用的常見抗氧化劑或抗菌劑[46-51],而作為螯合物原料之一的肽類由于來源于天然的動(dòng)植物蛋白,故幾乎不存在安全性問題,因此螯合物作為抗氧化劑或抑菌劑應(yīng)用于食品、化妝品等行業(yè)有巨大的優(yōu)勢和前景。
3.3 其他生物活性
目前的研究發(fā)現(xiàn),一些螯合物除了具有抗氧化或抗菌活性外,還有一些特殊的對(duì)人體非常有益的生物活性,例如調(diào)節(jié)脂肪代謝[52]、促進(jìn)糖類或蛋白質(zhì)吸收[53]、降低機(jī)體內(nèi)丙二醛含量或提高SOD表達(dá)以保護(hù)肝臟[54-58]、提高巨噬細(xì)胞的吞噬能力[59]、調(diào)節(jié)血糖代謝及脂代謝[60-62],以及增強(qiáng)脾細(xì)胞的增殖能力、提高自然殺傷細(xì)胞的活性、一定程度恢復(fù)脾和胸腺指數(shù)、增加抗體形成細(xì)胞數(shù)以提高機(jī)體免疫力等[63-65]。
螯合物的結(jié)構(gòu)對(duì)其生物活性起著至關(guān)重要的影響,例如螯合物的氨基酸組成及序列與其抗氧化和抗菌活性緊密相關(guān),其親疏水性對(duì)其抗菌活性有很大影響。夏松養(yǎng)等[66]發(fā)現(xiàn)低值魚蛋白肽-鈣離子螯合物的抗菌活性大小與組分的水溶性和分子中電子中繼系統(tǒng)的電子緩沖能力有關(guān);Dinakarpandian等[67]對(duì)牛肝中提取出的低分子量的肽與鉻離子的螯合物在胰島素信號(hào)通道中的行為進(jìn)行研究,對(duì)其氨基酸序列進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)該肽可能不是連續(xù)序列,其與胰島素受體的α-亞基相匹配;Miura等[68]探討了三價(jià)鐵離子與β-抗原淀粉肽的螯合模式,發(fā)現(xiàn)酪氨酸、谷氨酸和天冬氨酸都可以結(jié)合三價(jià)鐵離子,該螯合物的氧化還原活性被認(rèn)為在阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制中起了重要作用。目前,螯合物的構(gòu)效關(guān)系鮮見報(bào)道,但其重要性不言而喻,一些關(guān)鍵問題亟待解決:首先肽鏈中一些表現(xiàn)出特殊生物活性的氨基酸或氨基酸序列雖已有報(bào)道但仍有待深入探討,螯合物的某些活性為一部分序列或某一個(gè)氨基酸所特有,故螯合物的這些活性就與這部分序列或氨基酸的含量有關(guān);其次,螯合物上的一些取代基決定了其親疏水性、溶解性、電負(fù)性和其他一些性質(zhì),這些性質(zhì)又對(duì)螯合物的生物活性產(chǎn)生影響,因而這些取代基的作用也需要探明;再有,金屬離子與肽類的螯合位點(diǎn)、螯合物的空間構(gòu)型以及肽鏈上一些特殊位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變化(如磷酸化)對(duì)螯合物活性的影響也有待進(jìn)一步研究。
從天然蛋白源制得的肽-金屬離子螯合物可以作為抑菌劑、抗氧化劑、食品添加劑、化妝品添加劑、動(dòng)物飼料、有機(jī)肥料和人體必需的金屬離子補(bǔ)充劑等產(chǎn)品應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中,且較一些無機(jī)抗氧化劑,抑菌劑或金屬離子補(bǔ)充劑幾乎無毒副作用,具有更優(yōu)良的生物學(xué)效價(jià),有很大的商業(yè)價(jià)值。但在目前的研究中也存在一些問題,如螯合物的螯合率測定方法目前可見的報(bào)道很少,較難準(zhǔn)確測定的原因在于分離方法不成熟不統(tǒng)一:一方面游離態(tài)的金屬離子與螯合態(tài)的金屬離子很難準(zhǔn)確分離;另一方面,由于不同螯合物螯合金屬離子不同、螯合工藝不同、螯合物的穩(wěn)定性不同而導(dǎo)致分離方法很難統(tǒng)一。當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道的分離方法一般有有機(jī)溶劑萃取法、透析法、凝膠過濾色譜法,這些方法都存在不同程度的缺陷,如分離不完全、準(zhǔn)確度低、局限性大、重復(fù)性差等。因此,在今后的研究中,對(duì)螯合物螯合率的測定需要確立一個(gè)統(tǒng)一可靠的方法,對(duì)于螯合反應(yīng)的機(jī)理以及螯合物的結(jié)構(gòu)和其活性的作用機(jī)制需要探明,另外對(duì)于螯合物的構(gòu)效關(guān)系也有必要開展更為深入的研究。總之,肽-金屬離子螯合物作為一種新型金屬有機(jī)化合物,因其具備的特殊生物活性及在食用藥用等方面的優(yōu)勢,必將有十分廣闊的研究和應(yīng)用前景。
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Research progress in peptide-mineral ion complexes
WANG Zi-huai1,2,HU Xiao1,3,LI Lai-hao1,*,YANG Xian-qing1,HAO Shu-xian1,WU Yan-yan1,CHEN Sheng-jun1,CEN Jian-wei1
(1.South China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Key Laboratory of Aquatic Product Processing,Ministry of Agriculture;National R&D Center for Aquatic Product Processing,Guangzhou 510300,China;2.College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;3.South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China)
Peptide-mineral ion complex,which is a kind of cyclic compounds obtained from the chelating reaction between peptide and mineral ion,has some special biologic activities.The present paper gave a review about the preparation procedure of the compound and the related reaction mechanism of chelation which had been studied by researchers all over the world.Besides,some other crucial properties and biologic activities of peptide-mineral ion complex were also covered in this paper.In addition,structure-activity relationship and the prospect of application of peptide-mineral ion complex were reviewed,too.
peptide;ion;chelate;biological activity
TS201.2
A
1002-0306(2014)08-0359-05
10.13386/j.issn1002-0306.2014.08.074
2013-07-30 *通訊聯(lián)系人
王子懷(1988-),男,碩士研究生,研究方向:食品科學(xué)與工程。
國家自然科學(xué)基金(31301454);“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD28B06);國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2010GB23260577,2010GB2E000335);國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-49);廣東省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2011A020102005);廣東省海洋漁業(yè)科技推廣專項(xiàng)(A201101C01);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2011TS01)。