番石榴葉抑制酪氨酸酶作用機制研究

孫曉夢，林東明，楊弘，王禕，王凱晗，王春麗，*

（1.華東理工大學(xué)藥學(xué)院，上海200237；2.制藥工程與過程化學(xué)教育部工程研究中心，上海200237；3.上海市新藥設(shè)計重點實驗室，上海200237）

從酪氨酸和L-多巴代謝為真黑素和褐黑素，作為唯一明確的黑色素代謝酶，酪氨酸酶在黑色素形成過程的多個環(huán)節(jié)中，發(fā)揮著至關(guān)重要的限速作用[1]。應(yīng)用酪氨酸酶抑制劑，通過抑制酪氨酸酶的活性，阻斷黑色素的合成反應(yīng)鏈，減少其在皮膚內(nèi)的生成從而達到祛斑增白的效果。因此，美白是酪氨酸酶抑制劑主要應(yīng)用方向之一。美白化妝品市場近年來日趨活躍，銷量快速增長。美白劑按來源分合成、生物發(fā)酵和動植物提取，其中由合成品及生物發(fā)酵所制得的美白劑，由于純度高、顏色淺和性能穩(wěn)定而占據(jù)美白劑主要市場。而植物來源的美白劑用于迎合人們的安全需求而成為近年來研究的焦點。在化妝品活性成分篩選時，獲得兼具美白與抗氧化作用的活性物質(zhì)是理想目標，即酪氨酸酶抑制劑同時表現(xiàn)出良好的清除體內(nèi)自由基的作用，如熊果苷、VC等[2]。目前，已有研究表明番石榴葉中黃酮類化合物具有顯著抗氧化活性[3]，因此，經(jīng)初篩研究，在證實番石榴葉水提液兼具良好的酪氨酸酶抑制作用以及自由基清除作用后，本文旨在探究番石榴葉水提液抑制酪氨酸酶的作用機制。一般來說，藥物對酪氨酸酶抑制機制可以分為競爭型、非競爭型、混合型或者可逆型、不可逆型[4]，本文將通過試驗探究其抑制機制的具體類型。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料與儀器見表1。

表1 試驗材料與儀器Table 1 The main raw material and equipment

1.2 試驗方案

1.2.1 提取液制備

番石榴葉粉碎過30目篩，準確稱取5.0 g，以水為溶劑，取料液比 1 ∶10（g/mL），加熱回流 1.0 h，收集上層清液。濾渣加入同體積水，繼續(xù)加熱回流1.0 h。合并兩次提取液，沉清，抽濾，所得濾液定容至100 mL的容量瓶中[5]。制得中藥（生藥）提取液的濃度約為50 mg/mL。

1.2.2 初速度值計算

試驗中分別用 0.25、0.5、1.0、1.5、2.0 mmol/L 的不同濃度的L-多巴溶液，同時改變番石榴葉水提物的濃度 0、2、4、6、8、10 mg/mL，按體積比 1 ∶1 ∶1 要求加入磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffered saline，PBS）、L-多巴溶液、番石榴葉提取液，28℃下水浴10 min后，加入酪氨酸酶，用紫外-可見分光光度計測定其吸光度值進行動力學(xué)分析，繪制出酶反應(yīng)體系隨時間的線性增長曲線，其斜率為初始速度值。取平行試驗3次的平均值。

1.2.3 抑制類型判定

動力學(xué)研究表明，酶抑制機制類型不同，其動力學(xué)參數(shù)的變化也是有規(guī)律的，表現(xiàn)在米氏常數(shù)Km值以及最大反應(yīng)速率Vm值[6]。由動力模型Lineweaver-Burk雙倒數(shù)方程[7]繪制圖，競爭抑制類型表現(xiàn)為直線與橫坐標軸相交。抑制劑濃度越大，直線的斜率越大，而縱軸的截距保持不變。即動力學(xué)參數(shù)表現(xiàn)為Km值增加并且Vm值保持不變。非競爭型抑制類型也表現(xiàn)為一組交點在橫坐標軸上的直線[8]，但抑制劑濃度越大，Km值不變，Vm值變小。混合型抑制類型表現(xiàn)為一組交點在第二象限的直線抑制劑濃度增大時，Km值增大，Vm值減小。

1.2.4 抑制常數(shù)測定

酶活力未改變，L-多巴濃度發(fā)生變化，測定不同濃度番石榴葉水提物對酶活力的影響。以L-多巴濃度為橫坐標、酪氨酸酶初速度為縱坐標繪制關(guān)系圖[9]，縱坐標繪制一組Lineweaver-Burk雙倒數(shù)直線圖，其中橫坐標為L-多巴濃度的倒數(shù)、縱坐標為酪氨酸酶初速度的倒數(shù)，比較Km值和Vm值的變化規(guī)律，由此判斷抑制機制類型。以番石榴葉水提物濃度為橫坐標、米氏方程斜率為縱坐標作圖，抑制常數(shù)KI為擬合的直線斜率；以番石榴葉水提物濃度為橫坐標、米氏方程截距為縱坐標作圖，抑制常數(shù)KIS為擬合直線的截距[10]。

目前，競爭型、非競爭型以及混合型抑制類型的動力學(xué)模型研究較為完善[11]，各動力學(xué)模型Lineweaver-Burk方程分別為：

式中：CI為酪氨酸酶抑制劑濃度，mg/mL；CS為底物（L-多巴）濃度，mmol/L；Km為表觀米氏常數(shù)，mmol/L；KI為酪氨酸酶抑制劑對酶的抑制常數(shù)，mg/mL；KIS為酪氨酸酶抑制劑對酶與底物的絡(luò)合物的抑制常數(shù)，mg/mL；Vm為酪氨酸酶催化氧化的最大反應(yīng)速率，△A/min；V為酪氨酸酶催化氧化的反應(yīng)速率，△A/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 酶活力測定

番石榴葉水提液濃度對酪氨酸酶的影響見圖1。

圖1 番石榴葉水提液濃度對酪氨酸酶的影響Fig.1 The effect of guava leaf water extract on activity of tyrosinase

固定L-多巴濃度和酶活力，用1.2.3方法測定不同濃度番石榴葉水提物對酪氨酸酶活力的影響，以時間為橫坐標、吸光度為縱坐標，繪制酪氨酸酶動力學(xué)曲線[12]。由圖1可知，隨著番石榴葉水提物的濃度逐漸增大，直線斜率逐漸減小，表明L-多巴被酪氨酸酶催化氧化的速率逐漸減小，從而證明了番石榴葉水提物對酪氨酸酶具有一定的抑制作用。

2.2 初速度值

改變底物L(fēng)-多巴的濃度以及番石榴葉水提物的濃度，獲得酪氨酸酶催化氧化進程動力學(xué)曲線，通過其斜率來計算初速度值[13]，結(jié)果見表2。

表2 不同的底物濃度和提取物濃度下的酶反應(yīng)初速度Table 2 Initial reaction velocity of tyrosinase-catalyzed reaction at different substrate concentrations and different extracts concentrations

2.3 抑制類型判定

基于表2中的試驗數(shù)據(jù)，繪制了以提取物濃度為橫坐標，初始速度為縱坐標的關(guān)系曲線如圖2。

圖2 不同濃度的番石榴葉提取液對酪氨酸酶初速度的關(guān)系圖Fig.2 The effect on different concentrations of guava leaf water extract on tyrosinase initial reaction velocity

從圖2中可以看出，初速度值隨著L-多巴濃度的增大而增大，隨著番石榴葉水提物濃度的增大而減小。結(jié)果表明，隨著L-多巴濃度的增加，番石榴葉提取物對酪氨酸酶的抑制作用減弱，因而可以推斷該抑制類型為競爭型[14]，即酪氨酸酶抑制劑和底物相互競爭以減弱酶催化氧化多巴的反應(yīng)進程。

基于表2的試驗數(shù)據(jù)，繪制以L-多巴濃度為橫坐標、初速度為縱坐標的關(guān)系曲線，如圖3。

圖3 不同濃度的底物L(fēng)-多巴對酪氨酸酶初速度的關(guān)系圖Fig.3 The effect on different concentrations of substrate on tyrosinase initial reaction velocity

從圖3中可以看出，底物濃度越大，酶活力越大，而不同濃度的番石榴葉水提物對不同濃度底物的酪氨酸酶均有不同程度的抑制作用。當番石榴葉水提物濃度超過4 mg/mL時，酶起止活力變化幅度逐漸減小，酶與番石榴葉水提物之間的相互作用趨于平穩(wěn)。結(jié)果表明，番石榴葉水提取物是通過抑制酪氨酸酶的活性而不是直接使酶失活來降低其催化氧化效率。因此，可以推斷番石榴葉水提取物對酪氨酸酶的抑制作用是可逆的[15]。

2.4 動力學(xué)分析

將表2中數(shù)據(jù)取倒數(shù)進行轉(zhuǎn)換，得表3。

表3 番石榴葉水提物抑制酪氨酸酶的動力學(xué)分析Table 3 Dynamic analysis of diphenolase inhibited by guava leaf water extract

以L-多巴濃度的倒數(shù)為橫坐標、初速度值的倒數(shù)為縱坐標，繪制出番石榴葉水提物抑制酪氨酸酶的Lineweaver-Burk雙倒數(shù)直線，見圖4。

由圖4可看出直線在第二象限一個交點，并且番石榴葉水提物濃度越大，直線斜率Km越大，直線截距Vm越小，由酶抑制類型定律可知番石榴葉水提物抑制酪氨酸酶的類型為混合型[16]，即抑制劑既與底物和酪氨酸酶的絡(luò)合物結(jié)合，也與底物競爭。

2.5 抑制常數(shù)測定

由圖4得到各組直線的斜率與截距，經(jīng)過擬合得到不同濃度番石榴葉水提物的米氏方程，其動力學(xué)參數(shù)見表4。番石榴葉水提物的酶抑制常數(shù)Kl的測定見圖5，番石榴葉水提物的酶抑制常數(shù)Kls的測定見圖6。

圖4 番石榴葉抑制酪氨酸酶的動力學(xué)分析圖Fig.4 Dynamic analysis of diphenolase inhibited by guava leaf water extract diphenolase

表4 番石榴葉水提物抑制酪氨酸酶的動力學(xué)參數(shù)Table 4 Kinetic parameters of diphenolase inhibited by guava leaf water extract

圖5 番石榴葉水提物的酶抑制常數(shù)K1的測定Fig.5 Determination of inhibitory constant K1by guava leaf water extract on diphenolase

圖6 番石榴葉水提物的酶抑制常數(shù)KIS的測定Fig.6 Determination of inhibitory constant KISby guava leaf water extract on diphenolase

表4可知，抑制常數(shù)KI=13.02 mg/mL、KIS=3.98 mg/mL，KI與KIS可以通過圖5的直線斜率與圖6的直線截距分別得出。KI值大于KIS，說明番石榴葉水提物對酪氨酸酶和底物多巴的絡(luò)合物的抑制作用強于對游離態(tài)的酪氨酸酶的抑制作用[17]。各米氏方程的Km與Vm值由混合型抑制模型方程式（3）得出。由現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合已知的藥物對酪氨酸酶抑制的機制，隨著番石榴葉水提物濃度增大，Km增大，Vm一定程度減小，說明番石榴葉水提物抑制酪氨酸酶的類型較符合混合型[18]。

3 結(jié)論

本文考察了在番石榴葉水提物的影響下酪氨酸酶催化氧化的反應(yīng)進程，并且探討了番石榴葉水提物和底物L(fēng)-多巴在不同濃度下分別對酪氨酸酶的初速度的影響，判斷了番石榴葉水提物對酪氨酸酶的抑制類型。

3.1 番石榴葉水提物對酪氨酸酶的抑制作用顯著

由番石榴葉水提物對酪氨酸酶活力影響的曲線圖可知，反應(yīng)進程直線的斜率隨著番石榴葉水提物濃度的增大而明顯減小，即酪氨酸酶的催化活性隨著酶抑制劑濃度的增大而明顯降低，表明番石榴葉水提物對酪氨酸酶的抑制作用較為顯著。

3.2 番石榴葉水提物對酪氨酸酶的抑制作用可逆

由不同濃度的番石榴葉水提物、不同濃度的底物L(fēng)-多巴分別與酪氨酸酶初速度的關(guān)系圖可知，酪氨酸酶初速度值在底物濃度一定的情況下隨著番石榴葉水提物濃度的增大而減小，在抑制劑濃度一定的情況下隨著底物L(fēng)-多巴濃度的增大而增大，酪氨酸酶并沒有因為抑制劑的存在而失活，表明番石榴葉水提物通過降低酪氨酸酶的催化氧化反應(yīng)活性來限制黑色素生成過程中的反應(yīng)速率，并且抑制作用是可逆性的[19]。一般中藥類型的酪氨酸酶抑制劑主要以可逆型為主，因其表征為解離平衡時酪氨酸酶抑制劑與酶或者酶和底物的絡(luò)合物之間相互結(jié)合的可逆反應(yīng)[20]。

3.3 番石榴葉水提物對酪氨酸酶的抑制作用類型為混合型

由番石榴葉水提物抑制酪氨酸酶的Lineweaver-Burk雙倒數(shù)直線圖可知，米氏方程直線的斜率隨著番石榴葉水提物濃度的增大而增大，米氏方程直線的截距隨著番石榴葉水提物濃度的增大而減小，即抑制劑濃度增大時，Km值增大，Vm值減小，且該組直線在第二象限相交于一點，完全符合混合型酪氨酸酶抑制特征，即番石榴葉水提物既可以與酪氨酸酶結(jié)合，也可以與酶和底物的絡(luò)合物結(jié)合，從而抑制催化氧化反應(yīng)進程而發(fā)揮美白作用。此外由抑制常數(shù)KI＞KIS可知，番石榴葉水提物對酪氨酸酶和底物多巴的絡(luò)合物的抑制作用強于對游離態(tài)的酪氨酸酶的抑制作用。