2 種天然抗氧化劑與鰱魚肌球蛋白的相互作用

黃 淵，岳世陽，熊善柏,2，杜紅英,2,*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.國家大宗淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心（武漢），湖北 武漢 430070）

我國是淡水魚類產(chǎn)品生產(chǎn)大國，2016年全國淡水產(chǎn)品總產(chǎn)量3 411.11萬 t，其中魚類產(chǎn)量2 986.65萬 t，占全年淡水產(chǎn)品總量的87.56%[1]。但是由于魚類產(chǎn)品水分和蛋白質(zhì)含量高，且自身攜帶較多的細菌，在貯藏、運輸和銷售過程中，容易失去其原有鮮味，造成腐敗變質(zhì)。目前魚類的保鮮主要是冷藏為主，輔以添加防腐劑或抗氧化劑，但一些合成的防腐劑或抗氧化劑存在一定的致癌風(fēng)險[2]，不符合現(xiàn)在的生產(chǎn)消費要求，所以加大開發(fā)健康天然的防腐劑或抗氧化劑成為魚類保鮮的研究重點。

表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）（圖1A）是從中國綠茶中提取的一種成分，是綠茶兒茶素中含量最高的組分，約占綠茶兒茶素的50%～80%，綠茶所表現(xiàn)的很多生物活性主要來源于EGCG[3]。李鵬等[4]通過測定不同濃度EGCG處理的羅非魚片新鮮度的變化，證明EGCG可有效提高冷藏期間羅非魚片的品質(zhì)，延長其貨架期，且0.2%的EGCG對羅非魚片的保鮮效果更佳。由于EGCG易氧化，影響其保鮮效果，所以駱曉波[5]以納米脂質(zhì)體為載體，制成EGCG納米脂質(zhì)體并研究其穩(wěn)定性以及對鱈魚的保鮮效果，證明EGCG納米脂質(zhì)體在維持pH值的穩(wěn)定，防止魚肉氧化、腐敗變質(zhì)，維持感官性狀，抑制細菌的生長等方面都表現(xiàn)出優(yōu)勢，且無毒副作用，適合于魚肉的保鮮。

白藜蘆醇（resveratrol，RE）（圖1B），化學(xué)名稱為3,4,5-三羥基二苯乙烯，是含有芪類結(jié)構(gòu)的酚化合物，主要存在于葡萄、虎杖、花生、桑椹等植物中，尤其在種皮中含量較高[6]。有研究表明，RE對月季切花有一定的保鮮作用[7]，有效調(diào)節(jié)切花水分平衡，減輕細胞質(zhì)膜透性，降低膜脂過氧化水平，從而延緩切花衰老進程，延長瓶插壽命；RE處理對碭山酥梨有較好的保鮮效果[8]，可抑制共軛三烯的含量、增加細胞的膜透性、降低α-法尼烯的峰值，顯著抑制和延緩梨果實在貯藏期和貨架期黑皮病的發(fā)生。將RE應(yīng)用于植物以及植物制品保鮮中的研究國內(nèi)外均有報導(dǎo)[8-9]，但關(guān)于RE對魚類保鮮效果及其與肌球蛋白作用的研究鮮見報道。因此，本實驗擬就其與肌球蛋白相互作用方面進行研究。

圖1 EGCG（A）、RE（B）結(jié)構(gòu)式Fig. 1 Chemical structures of EGCG (A) and RE (B)

蛋白質(zhì)為肌肉組織的主要組成部分，其降解、聚合和變性都會導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能的喪失，從而直接決定魚類肌肉質(zhì)量的好壞以及魚類腐敗變質(zhì)[10]。其中肌球蛋白是各類肌細胞中含量最多的結(jié)構(gòu)蛋白和收縮蛋白，是構(gòu)成肌肉肌原纖維粗絲的基本組成蛋白，是橫紋肌細胞表達最豐富的蛋白，約占其總蛋白庫的25%[11]。本實驗以EGCG、RE和肌球蛋白為原料，運用熒光光譜、圓二色譜研究EGCG、RE與肌球蛋白的相互作用，由熒光猝滅現(xiàn)象和Forster非輻射能量轉(zhuǎn)移理論求得EGCG、RE與肌球蛋白的結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點數(shù)，從熱力學(xué)參數(shù)推出二者之間的作用力類型，并探討EGCG、RE對肌球蛋白構(gòu)象的影響，以期為EGCG、RE在魚類保鮮應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鰱魚（體質(zhì)量2～3 kg） 市購；EGCG、RE（均為色譜純，純度≥98%） 上海源葉生物科技有限公司；其他試劑均為分析純，實驗用水均為二次去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

F-4500型熒光分光光度計 日本日立公司；AE-240雙量程電子分析天平 瑞士Metter-Toledo公司；J-1500型圓二色譜儀 日本分光株式會社；TB-85恒溫水浴裝置 日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 提取肌球蛋白

參考Park等[12]的方法，并略作修改。尸僵前的鰱魚背脊肉用食品調(diào)理機破碎，向破碎后的肌肉中加入10 倍體積的溶液A（0.1 mol/L KCl、0.02% NaN3、20 mmol/L Tris-HCl，pH 7.5）。并用高速分散均質(zhì)機于9 000 r/min條件下均質(zhì)1 min，均質(zhì)液于4 ℃條件下放置15 min，5 000 r/min離心5 min，沉淀于5 倍體積溶液B（0.45 mol/L KCl、5 mmol/L β-巰基乙醇、0.2 mol/L醋酸鎂、1 mmol/L乙二醇-雙-（2-氨基乙基）四乙酸、20 mmol/L Tris-HCl，pH 6.8）中溶解，同時加入ATP-Na2使肌球蛋白與肌動蛋白解離，魚肉肌球蛋白的提取需加ATP-Na2至終濃度為5 mmol/L，于4 ℃條件下放置1 h后4 ℃、10 000 r/min離心10 min，上清液用10 倍體積1 mmol/L KHCO3溶液稀釋，于4 ℃條件下放置1 h，然后4 ℃、12 000 r/min離心10 min；沉淀重新用2.5 倍體積溶液C（0.5 mol/L KCl、5 mmol/L β-巰基乙醇、20 mmol/L Tris-HCl緩沖液，pH 7.5）溶解，于4 ℃條件下放置10 min，再用2.5 倍體積的1 mmol/L KHCO3溶液稀釋并加MgCl2至終濃度為10 mmol/L，于4 ℃條件下放置過夜，然后10 000 r/min離心10 min；沉淀物用0.5 倍體積溶液D溶解（0.6 mol/L NaCl、20 mmol/L Tris-HCl緩沖液，pH 7.5），即為肌球蛋白溶液。采用福林-酚法[13]測定蛋白濃度。

1.3.2 熒光光譜測定

分別移取一定量的EGCG和RE乙醇溶液于10 mL具塞比色管中，再加入1 mg/mL肌球蛋白溶液1.0 mL，用0.6 mol/L NaCl（20 mmol/L Tris-HCl，pH 7.5）緩沖溶液稀釋，多酚濃度[14]分別為0、1×10－5、2×10－5、3×10－5、4×10－5mol/L，在實驗溫度條件下恒溫1 h。以280 nm為激發(fā)波長，狹縫寬5 nm，掃描300～450 nm波長范圍內(nèi)的熒光光譜。設(shè)置波長差（Δλ）分別為15、60 nm，狹縫寬均為5 nm，掃描速率240 nm/min，掃描260～380 nm范圍內(nèi)的同步熒光光譜[15]。

1.3.3 圓二色譜測定

試劑處理方式同1.3.2節(jié)，設(shè)置波長掃描范圍190～250 nm，掃描速率50 nm/min，分辨0.1 nm，響應(yīng)時間1 s，石英品池光徑1 mm，N2流量4 L/min[16]。

1.3.4 表面疏水性測定

采用8-苯氨基-1-萘磺酸（1-anilino naphthalene-8-sulfonic acid，ANS）熒光探針法測量蛋白質(zhì)表面疏水性[17]。將已知蛋白分別稀釋為0、0.05、0.1、0.15、0.2 mg/mL，同時加入多酚，使EGCG和RE濃度均分別為0、1×10－5、2×10－5、3×10－5、4×10－5mol/L。每4 mL溶液加入20 μL 8×10－3mol/L ANS-0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液（pH 7.4）。反應(yīng)10 min后測其熒光強度。設(shè)置狹縫寬度5 nm，激發(fā)波長390 nm，發(fā)射波長479 nm。表面疏水性以熒光值-蛋白濃度曲線的斜率來表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SAS 9.2軟件進行數(shù)據(jù)分析，運用Origin 9.0軟件進行圖形繪制及線性擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 熒光猝滅光譜

肌球蛋白分子中因含有在激發(fā)波長為280 nm條件下能發(fā)射熒光的色氨酸、酪氨酸等氨基酸殘基而具有內(nèi)源性熒光，其中色氨酸殘基是主要的熒光貢獻基團[18]。當(dāng)激發(fā)波長為280 nm時，由圖2A可知，肌球蛋白在波長341 nm處具有強熒光發(fā)射峰，且隨著EGCG濃度的增加，肌球蛋白的內(nèi)源性熒光強度有規(guī)律地降低，表明EGCG可以大幅度猝滅肌球蛋白內(nèi)源性熒光，這說明EGCG、肌球蛋白發(fā)生了相互作用；由圖2B可知，隨著RE濃度的增加，肌球蛋白內(nèi)源性熒光也呈現(xiàn)出大幅度有規(guī)律的降低，且伴隨著明顯的熒光發(fā)射峰紅移現(xiàn)象（從341 nm到365 nm），說明RE與肌球蛋白發(fā)生了相互作用，使其發(fā)色團微環(huán)境空間構(gòu)象發(fā)生變化，即色氨酸殘基所處環(huán)境極性增強，疏水性減弱。

圖2 EGCG（A）和RE（B）對肌球蛋白的猝滅作用Fig. 2 Fluorescence quenching spectra of myosin with EGCG (A) and RE (B)

2.2 熒光猝滅機理

溶液中熒光的猝滅，指的是具備內(nèi)源性熒光物質(zhì)分子與溶劑分子之間所發(fā)生的導(dǎo)致熒光強度下降的物理或化學(xué)的作用過程。熒光物質(zhì)分子同猝滅劑相互作用方式的差異產(chǎn)生了不同的猝滅方式，例如動態(tài)猝滅、靜態(tài)猝滅等形式。動態(tài)猝滅，是指猝滅劑與處于激發(fā)態(tài)的熒光物質(zhì)分子之間發(fā)生相互作用而引起的一種猝滅過程；靜態(tài)猝滅，是指猝滅劑與處于基態(tài)的熒光物質(zhì)分子發(fā)生相互作用所引起的一種猝滅過程[19]。其中，動態(tài)猝滅過程符合Stern-Volmer方程[20]，如方程（1）所示：

式中：F0為未加入猝滅劑時的熒光強度；F為加入猝滅劑后的熒光強度；Kq為雙分子猝滅過程速率常數(shù)/（L/（mol·s））；Ksv為Stern-Volmer動態(tài)猝滅常數(shù)/（L/mol）；[Q]為猝滅劑的濃度/（mol/L）；τ0為猝滅劑不存在條件下生物大分子的平均熒光壽命（約為10－8s）。

為確定EGCG、RE與肌球蛋白相互作用的猝滅機理，先用Stern-Volmer方程處理數(shù)據(jù)[21]，分別得到不同溫度條件下EGCG、RE與肌球蛋白熒光猝滅的Stern-Volmer方程，如圖3所示。

圖3 不同溫度條件下EGCG（A）和RE（B）對肌球蛋白熒光猝滅的Stern-Volmer曲線Fig. 3 Stern-Volmer plots for fl uorescence quenching of EGCG (A)-myosin and RE (B)-myosin systems at different temperatures

表1 不同溫度條件下EGCG和RE與肌球蛋白分別相互作用的Stern-Volmer猝滅常數(shù)KsvTable 1 Stern-Volmer quenching constants for EGCG-myosin and RE-myosin systems at different temperatures

對圖3進行數(shù)學(xué)計算可求得EGCG和RE與肌球蛋白相互作用的Ksv和Kq，如表1所示。由圖3A可知，EGCG與肌球蛋白的Stern-Volmer猝滅曲線中的F0/F和[Q]之間存在線性相關(guān)性，且斜率隨著溫度的升高而增加，說明EGCG與肌球蛋白之間發(fā)生了動態(tài)猝滅現(xiàn)象，同時不同溫度曲線條件下的Kq值均大于最大動態(tài)猝滅速率2.0×1010L/（mol·s），說明EGCG與肌球蛋白的相互作用過程中也存在靜態(tài)猝滅的發(fā)生，所以EGCG與肌球蛋白的相互作用過程既有動態(tài)猝滅也有靜態(tài)猝滅[22]。由圖3B可以看出，RE與肌球蛋白的Stern-Volmer猝滅曲線中的F0/F和[Q]之間也存在線性相關(guān)性，但是斜率是隨著溫度的升高而降低，且不同溫度條件下Kq值也都大于最大動態(tài)猝滅速率2.0×1010L/（mol·s），結(jié)合其熒光光譜圖出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，說明RE與肌球蛋白的相互作用過程不存在動態(tài)猝滅而是形成復(fù)合物的靜態(tài)猝滅[23]。

2.3 結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點數(shù)

在靜態(tài)猝滅過程中，熒光物質(zhì)與猝滅劑分子之間的結(jié)合常數(shù)可以通過靜態(tài)猝滅公式（2）[24]計算：

式中：F0為未加入猝滅劑時的熒光強度；F為加入猝滅劑后的熒光強度；Ka為結(jié)合常數(shù)/（L/mol）；[Q]為配合物的濃度/（mol/L）；n為結(jié)合位點數(shù)。

得到lg[（F0－F）/F]與lg[Q]的關(guān)系和相關(guān)方程，如圖4所示。圖4中擬合曲線的斜率代表多酚與肌球蛋白的結(jié)合位點數(shù)n值；擬合曲線的截距代表化合物與肌球蛋白的結(jié)合常數(shù)Ka值。

圖4 不同溫度條件下EGCG（A）和RE（B）與肌球蛋白的lg[（F0－F）/F]與lg[Q]的關(guān)系圖Fig. 4 Plot of lg[(F0-F)/F] versus lg[Q] for EGCG (A)-myosin and RE (B)-myosin systems at different temperatures

對圖4進行觀察可得EGCG、RE與肌球蛋白反應(yīng)的結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點數(shù)，如表2所示。EGCG和RE與肌球蛋白相互作用的結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點數(shù)都隨著溫度上升而降低，表現(xiàn)出明顯的靜態(tài)猝滅，并且多酚與肌球蛋白的結(jié)合位點數(shù)均接近1，表明多酚與肌球蛋白的之間結(jié)合力很好。

表2 不同溫度條件下EGCG和RE分別與肌球蛋白結(jié)合的相關(guān)常數(shù)和方程Table 2 Linear regression equations and correlation coef ficients for EGCG-myosin and RE-myosin interactions at different temperatures

2.4 多酚與肌球蛋白之間作用力類型

有機小分子和蛋白質(zhì)之間的作用力主要有疏水作用力、氫鍵、范德華力和靜電引力等。不同小分子與蛋白質(zhì)結(jié)合力類型不同。Ross等[25]根據(jù)大量的實驗結(jié)果，總結(jié)出根據(jù)反應(yīng)前后熱力學(xué)焓變ΔH和熵變ΔS的相對大小，判斷藥物與蛋白質(zhì)之間的主要作用力類型的規(guī)律。ΔH大于0、ΔS大于0為疏水作用力；ΔS小于0、ΔH小于0為氫鍵和范德華力；ΔH小于0、ΔS大于0為靜電引力。在溫度變化不大時，反應(yīng)的焓變ΔH可以看作一個常數(shù)，由結(jié)合常數(shù)Ka，按公式（3）求出反應(yīng)的自由能變（ΔG），然后根據(jù)公式（4）、（5）分別求出ΔH、ΔS，如表3所示。

表3 EGCG、RE與肌球蛋白結(jié)合的熱力學(xué)參數(shù)Table 3 Thermodynamic parameters of EGCG-myosin and RE-myosin interactions

由表3可知，EGCG與肌球蛋白作用過程中的ΔH小于0、ΔS小于0，說明EGCG與肌球蛋白之間的主要作用為氧鍵和范德華力。而ΔG小于0，表明EGCG與肌球蛋白的結(jié)合為自發(fā)過程。同樣，RE與肌球蛋白作用過程中的ΔH小于0、ΔS小于0，表明了RE與肌球蛋白之間的主要作用力也為氫鍵和范德華力。而ΔG小于0，表明RE與肌球蛋白的結(jié)合也為自發(fā)過程。

2.5 同步熒光光譜

同步熒光光譜因其圖譜簡單、譜帶窄、能夠減少光譜重疊等優(yōu)點，是用來研究小分子與蛋白質(zhì)相互作用對蛋白質(zhì)發(fā)色團分子微環(huán)境構(gòu)象改變的好方法[26]。當(dāng)設(shè)置Δλ為15 nm時，只顯示酪氨酸殘基的熒光特征光譜，當(dāng)設(shè)置Δλ為60 nm時，只顯示色氨酸殘基的熒光特征光譜[27]。因此由最大發(fā)射波長的改變可判斷蛋白質(zhì)酪氨酸殘基和色氨酸殘基微環(huán)境的極性變化，當(dāng)最大吸收波長藍移時，說明多酚的加入使環(huán)境疏水性增加，當(dāng)最大吸收波長紅移時，說明環(huán)境疏水性減小，蛋白分子趨向于伸展[28]。

圖5 EGCG（A）和RE（B）與肌球蛋白相互作用的同步熒光光譜Fig. 5 Synchronous fl uorescence spectra of EGCG (A)-myosin and RE (B)-myosin systems

從圖5A可以看出，當(dāng)Δλ為15 nm時，隨著EGCG濃度的增加，酪氨酸殘基的熒光強度明顯下降，但最大吸收波長沒有變化，當(dāng)Δλ為60 nm時，隨著EGCG濃度的增加，色氨酸殘基的熒光強度也明顯下降，且伴有輕微紅移，說明EGCG與肌球蛋白相互作用均會導(dǎo)致酪氨酸殘基和色氨酸殘基的熒光猝滅，并且色氨酸殘基的熒光貢獻比酪氨酸多，這與激發(fā)波長的設(shè)置以及色氨酸和酪氨酸的相對含量有關(guān)[29]，而且EGCG影響了色氨酸殘基的微環(huán)境，使該區(qū)域極性增加，疏水性降低[28]。

從圖5B可以看出，當(dāng)Δλ為15 nm時，隨著RE的加入，酪氨酸殘基的熒光強度明顯下降，且伴有明顯藍移，說明RE改變了酪氨酸殘基的微環(huán)境，使該區(qū)域極性減小，疏水性增大；當(dāng)Δλ為60 nm時，隨著RE的加入，色氨酸殘基的熒光強度也明顯下降，且伴有輕微紅移，說明RE也改變了肌球蛋白色氨酸殘基的微環(huán)境，使該區(qū)域極性增大，疏水性降低。

2.6 圓二色譜測定結(jié)果

圖6 EGCG（A）、RE（B）與肌球蛋白相互作用的圓二色譜圖Fig. 6 CD spectra of EGCG (A)-myosin and RE (B)-myosin systems

從圖6可以看出，隨著EGCG濃度上升，肌球蛋白α-螺旋相對含量整體呈上升趨勢，β-折疊、β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲都呈現(xiàn)下降趨勢，說明EGCG與肌球蛋白作用使肌球蛋白二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，肽鏈收縮；而隨著RE濃度上升，肌球蛋白α-螺旋、無規(guī)卷曲含量基本不變，僅β-轉(zhuǎn)角、β-折疊含量產(chǎn)生少許變化，說明RE對肌球蛋白二級結(jié)構(gòu)沒明顯影響。

2.7 表面疏水性測定結(jié)果

圖7 EGCG、RE對肌球蛋白表面疏水性影響Fig. 7 Effects of EGCG and RE on surface hydrophobicity of myosin

蛋白質(zhì)作為具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的生物大分子，其構(gòu)象的變化必然會影響其表面氨基酸的分布、密度以及疏水空穴的數(shù)量，而使表面疏水性發(fā)生變化[30]。為進一步說明EGCG、RE對肌球蛋白理化性質(zhì)的影響，考察EGCG、RE對肌球蛋表面疏水性的影響情況。從圖7可看出，隨著EGCG濃度上升，肌球蛋白表面疏水性呈下降趨勢，這與同步熒光數(shù)據(jù)得出的EGCG使色氨酸殘基微環(huán)境疏水性減少和圓二色譜數(shù)據(jù)得出的EGCG使α-螺旋增加的結(jié)果相匹配；隨著RE濃度上升，肌球蛋白表面疏水性呈上升趨勢，也與同步熒光數(shù)據(jù)有一定的相關(guān)性[31]。

3 結(jié) 論

EGCG、RE對肌球蛋白的內(nèi)源熒光都具有較強猝滅作用，這種猝滅主要為靜態(tài)猝滅。求得EGCG、RE與肌球蛋白的結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點和熱力學(xué)參數(shù)，且熱力學(xué)數(shù)據(jù)（ΔH＜0、ΔS＜0、ΔG＜0）表明它們主要靠氫鍵和范德華力結(jié)合并且是自發(fā)過程；同時用同步熒光光譜、圓二色譜和表面疏水性測定探討EGCG、RE對肌球蛋白構(gòu)象的影響，結(jié)果表明EGCG會引起肌球蛋白二級結(jié)構(gòu)變化，α-螺旋相對含量增加，降低肌球蛋白表面疏水性，RE對肌球蛋白二級結(jié)構(gòu)無明顯影響，使其表面疏水性增加。