沈荷玉,李夢陽,敖婧芳,王 軍,徐懷德,羅安偉
(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)
2型糖尿病(diabetes mellitus type 2,T2DM)是由機體細(xì)胞對胰島素正常作用抵抗引起,被公認(rèn)為世界上最嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題之一[1]。T2DM有多種癥狀,如高血糖、尿頻、口渴和體質(zhì)量減輕,影響人體健康和生活質(zhì)量,導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)病和過早死亡。近年來,特別是發(fā)達國家,患有T2DM的年輕人越來越多。2019年,根據(jù)全球疾病負(fù)擔(dān)研究,有4.51億18 歲以上的成年人患有糖尿病[2]。有報告預(yù)測,到2030年,T2DM的全球患病率將達到每10萬 人有7 079 人患病[3]。目前,有研究表明α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶是T2DM的治療靶點[4]。α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制劑可以通過阻礙膳食碳水化合物的消化,將餐后血糖水平維持在正常水平。近年來,基于α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抗高血糖藥物已被開發(fā)出來,如阿卡波糖、伏格列糖和米格列醇[5]。然而,這些抑制劑有各種副作用,如腹瀉、脹氣、肝病和腹部痙攣[6]。因此,從自然資源中尋找新的α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制劑是當(dāng)前食品和藥品領(lǐng)域的一個重要新方向。
沒食子酸是自然界中廣泛分布于植物性食物和藥食同源中草藥中的一種多酚類有機化合物,例如柑橘[7]、葡萄[8]、茶葉[9]和百合[10]中。沒食子酸有良好的抗氧化、抗癌、降糖、降脂、抗菌、抗病毒和抗炎等作用[11]。目前有研究發(fā)現(xiàn)沒食子酸對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶有良好的抑制效果,但沒有深入研究其具體的抑制機制[12]。因此本實驗將從酶動力學(xué)、紫外光譜、熒光猝滅、圓二色譜(circular dichroism,CD)以及分子模擬這些方面研究沒食子酸對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制機理,以期為提高富含沒食子酸的植物性食物和藥食同源的中草藥資源利用提供新思路,為開發(fā)含有沒食子酸的降血糖藥物或保健食品提供有益參考。
沒食子酸(純度≥98%)、阿卡波糖(純度≥98%)、來源于芽孢桿菌的α-淀粉酶(50 U/mg,生物技術(shù)級)、來源于釀酒酵母的α-葡萄糖苷酶(50 U/mg,生物技術(shù)級)上海源葉生物科技有限公司;其他試劑均為國產(chǎn)分析純。
DK-98-II A電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯科儀器有限公司;Spark酶標(biāo)儀 帝肯奧地利有限責(zé)任公司;UV-722紫外-可見分光光度計 上海佑科儀器儀表有限公司;F-7000熒光分光光度計 日立科學(xué)儀器(北京)有限公司;Chirascan V100圓二色光譜儀 英國應(yīng)用光物理公司。
1.3.1α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制活性測定
α-淀粉酶抑制活性測定參考Shen Heyu等[13]方法,在0.1 mol/L pH值為7.0磷酸鉀緩沖液的酶活力測定系統(tǒng)中進行。向試管中分別加入50 μL質(zhì)量濃度為25、50、100、300、600、900 μg/mL的沒食子酸溶液,再分別加入1 mL 0.4 g/L的淀粉溶液,37 ℃溫育5 min后加入50 μL 0.01 mg/mL的α-淀粉酶溶液。37 ℃反應(yīng)7.5 min后,加入1 mL的0.01 mol/L碘液進行檢測,用紫外-可見分光光度計在波長660 nm處測定吸光度。
α-葡萄糖苷酶抑制活性測定參考Shen Heyu等[13]方法,在0.1 mol/L pH 6.8的磷酸鉀緩沖液的酶活力測定系統(tǒng)中進行。在96 孔板中加入100 μL的0.2 U/mLα-葡萄糖苷酶溶液以及100 μL不同質(zhì)量濃度(25、50、100、300、600、900 μg/mL)的待測樣品,37 ℃孵育10 min后,加入50 μL 2.5 mmol/L的4-硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷(4-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside,PNPG)溶液,37 ℃孵育10 min后于波長405 nm處測定吸光度。
實驗均重復(fù)3 次,以阿卡波糖為陽性對照。用SPSS軟件擬合計算樣品對酶的半數(shù)抑制濃度(half maximal inhibitory concentration,IC50)。按式(1)計算沒食子酸對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制率:
式中:A樣品為加入待測樣品和酶反應(yīng)后的吸光度;A背景為只加樣品不加酶反應(yīng)后的吸光度;A空白為不加樣品只加酶反應(yīng)后的吸光度;A緩沖液為只加磷酸鉀緩沖液的吸光度。
1.3.2 酶促反應(yīng)動力學(xué)分析
酶促反應(yīng)動力學(xué)的測定參考Zhao Xiaohui等[14]方法。取100 μL不同質(zhì)量濃度的沒食子酸溶液(0、0.3、0.9 mg/mL)于試管中,固定α-淀粉酶溶液質(zhì)量濃度(0.01 mg/mL)和α-葡萄糖苷酶溶液(0.2 U/mL),改變底物質(zhì)量濃度,即淀粉溶液質(zhì)量濃度(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g/L)和PNPG溶液濃度(1、1.5、2、2.5、3、3.5 mmol/L),充分反應(yīng)后測定混合溶液的吸光度以得到不同底物質(zhì)量濃度的酶促反應(yīng)速率。以酶的反應(yīng)速率和底物質(zhì)量濃度的倒數(shù)作Lineweaver-Burk雙倒數(shù)曲線圖,分析抑制劑對酶的抑制類型。
1.3.3 紫外光譜測定
分別移取3.0 mL 0.06 mg/mL的α-淀粉酶溶液和0.5 U/mLα-葡萄糖苷酶溶液于石英比色皿中,掃描240~310 mm的吸收光譜[15]。掃描完畢后,用微量進樣器分別加入300 μL不同質(zhì)量濃度(0、0.2、0.4、0.6、0.8 mg/mL)樣品溶液到含有酶液的比色皿中,混勻,放置3~5 min后掃描吸收光譜。以不加酶液組作為對照觀察樣品是否存在干擾。
1.3.4 熒光光譜測定
0.1mL不同質(zhì)量濃度的樣品(0、10、50、100、150、200 μg/mL)分別和0.05 mL 0.01 mg/mLα-淀粉酶溶液、0.1 mL 0.2 U/mLα-葡萄糖苷酶溶液迅速混勻后,測定其熒光強度。激發(fā)波長為280 nm,發(fā)射波長為300~400 nm,狹縫寬度為5 nm熒光猝滅類型由Stern-Volmer方程確定[16]。
式中:F0和F分別為未加入樣品和加入樣品的熒光強度;Kq和Ksv分別為生物分子猝滅常數(shù)和Stern-Volmer猝滅常數(shù);τ0為熒光團的生命周期(無猝滅劑);[Q]為樣品的質(zhì)量濃度。
1.3.5 三維熒光光譜
在發(fā)射波長為200~600 nm,激發(fā)波長為200~540 nm,測定在沒食子酸存在下α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的三維熒光光譜,其他參數(shù)與1.3.4節(jié)所述相同。
1.3.6 CD光譜測定
CD光譜條件:掃描范圍200~250 nm,樣品溶液(0.1 mg/mL)與α-淀粉酶溶液(2 mg/mL)和α-葡萄糖苷酶溶液(2 mg/mL)分別按不同體積比(1∶0、4∶1、2∶1、1∶1)添加于1.0 mm石英比色皿中[17]。以磷酸緩沖液和抑制劑作為空白,扣除反應(yīng)體系中的空白圓二信號。根據(jù)CD光譜數(shù)據(jù),通過CDNN軟件計算二級結(jié)構(gòu)含量,分析樣品與消化酶反應(yīng)前后二級結(jié)構(gòu)變化。
1.3.7 分子對接分析
采用分子對接技術(shù)評價沒食子酸與α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶之間潛在的結(jié)合構(gòu)象。α-淀粉酶(PDB ID:1UA7)和α-葡萄糖苷酶(PDB ID:3A4A)的晶體結(jié)構(gòu)從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(http://www.rcsb.org/pdb)中獲得。采用AutoDock 4.2軟件對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶進行結(jié)構(gòu)預(yù)處理,包括去除所有水分子和配體,并加入氫原子和氣相電荷。使用ChemBioDraw程序構(gòu)建沒食子酸的3D結(jié)構(gòu)。采用MM2方法將分子能量最小化,并將參數(shù)Minimum RMS Gradient設(shè)置為0.01。配體結(jié)構(gòu)的處理采用ADT,生成pdbqt文件進行對接。最后通過Vina程序進行分子對接,選擇沒食子酸與α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶結(jié)合能最低的結(jié)合模式進行分析。
如圖1所示,隨著沒食子酸質(zhì)量濃度的增加,對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制作用顯著增強,這表明沒食子酸對酶活性的抑制作用具有顯著的劑量依賴性。IC50為酶活力損失50%時所加入的抑制劑濃度[18],可以比較沒食子酸和阿卡波糖(陽性對照物)對酶的抑制效果。沒食子酸和阿卡波糖(陽性對照物)對α-淀粉酶的IC50分別為(0.72±0.01)mmol/L和(0.31±0.02)mmol/L,對α-葡萄糖苷酶的IC50分別為(0.59±0.02)mmol/L和(0.08±0.01)mmol/L。雖然與阿卡波糖相比,沒食子酸對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制效果略低,但依舊有良好的抑制效果。因此,沒食子酸是潛在的α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制劑。
圖1 沒食子酸對α-淀粉酶(A)和α-葡萄糖苷酶(B)的抑制活性Fig.1 Inhibitory effect of gallic acid on α-amylase (A) and α-glucosidase (B) activities
如圖2A所示,不同底物質(zhì)量濃度所對應(yīng)直線相交且交點在橫坐標(biāo)軸上,與縱坐標(biāo)截距變大,可知Km值不變,而Vmax呈下降趨勢,表明沒食子酸以非競爭方式抑制α-淀粉酶[19]。因此推斷沒食子酸與α-淀粉酶活性中心以外的氨基酸殘基進行結(jié)合,底物質(zhì)量濃度不影響沒食子酸對α-淀粉酶的抑制作用[20]。如圖2B所示,不同底物質(zhì)量濃度所對應(yīng)直線相交在第2象限,與縱坐標(biāo)截距變大,與橫坐標(biāo)截距變小,可知Km值增大,而Vmax呈下降趨勢,表明沒食子酸以混合競爭方式抑制α-葡萄糖苷酶,能與底物競爭α-葡萄糖苷酶的活性中心結(jié)合位點[21]。這與阿卡波糖對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制作用類型分別為混合競爭性抑制和競爭性抑制[22-23]不同,可能是抑制劑在化學(xué)結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致抑制效果和類型不同,具體原因仍需進一步研究。
圖2 沒食子酸對α-淀粉酶(A)和α-葡萄糖苷酶(B)的雙倒數(shù)曲線Fig.2 Lineweaver-Burk plots for the inhibition of gallic acid against α-amylase (A) and α-glucosidase (B)
紫外光譜可以觀察蛋白質(zhì)與配體相互作用過程中蛋白質(zhì)構(gòu)象變化[18]。如圖3所示,α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶在270 nm附近有一個特征峰,主要是由于色氨酸(tryptophan,Trp)、酪氨酸(tyrosine,Tyr)和苯丙氨酸(phenylalanine,Phe)等芳香族氨基酸殘基的存在引起[24]。如圖3所示,隨著沒食子酸質(zhì)量濃度的增加,特征峰的位置沒有明顯移動,但α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的吸收峰強度大大增加。吸收峰強度變化具有濃度依賴性,與Avwioroko等[25]研究的紫草種子提取物與α-淀粉酶結(jié)合的紫外光譜圖結(jié)果相似。該現(xiàn)象表明α-淀粉酶/α-葡萄糖苷酶-沒食子酸復(fù)合物的形成可能有利于分子間和分子內(nèi)聚集,破壞了芳香族氨基酸殘基的微環(huán)境空間結(jié)構(gòu),導(dǎo)致酶的構(gòu)象變化和疏水基團的暴露。
圖3 沒食子酸質(zhì)量濃度對α-淀粉酶(A)和α-葡萄糖苷酶(B)紫外光譜的影響Fig.3 Effects of different concentrations of gallic acid on UV spectra of α-amylase (A) and α-glucosidase (B)
熒光猝滅效應(yīng)分析可用于觀察沒食子酸與α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶分子間結(jié)合的相互作用[26]。由于Trp、Tyr和Phe等芳香族氨基酸存在,α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶具有內(nèi)源性熒光,熒光的強度和位置與這些芳香族氨基酸殘基所處的微環(huán)境密切相關(guān)[27]。如圖4所示,α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶分別在343 nm和336 nm波長處出現(xiàn)最大熒光峰。隨著沒食子酸質(zhì)量濃度的增加,酶的熒光強度逐漸下降。此外,α-淀粉酶的最大熒光發(fā)射波長位置發(fā)生輕微藍移,而α-葡萄糖苷酶的最大熒光發(fā)射波長發(fā)生紅移。結(jié)果表明沒食子酸能夠通過與酶的相互作用強烈地猝滅α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的固有熒光,氨基酸殘基的微環(huán)境發(fā)生了變化。這與Haguet等[28]研究的5 種提取物配方對α-葡萄糖苷酶的熒光光譜影響結(jié)果相似,阿卡波糖對酶熒光強度的影響也有相似趨勢,但效果并不明顯。Stern-Volmer圖可用于計算生物分子猝滅常數(shù)(Kq),該參數(shù)與猝滅機制密切相關(guān)。沒食子酸與α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶的猝滅反應(yīng)的Kq值分別為1.08×1011L/(mol·s)和1.21×1011L/(mol·s),均大于最大散射碰撞猝滅常數(shù)2×1010L/(mol·s)[21]。因此,沒食子酸對α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶的熒光猝滅過程為靜態(tài)熒光猝滅,而不是由分子碰撞引起的動態(tài)熒光猝滅[29]。
圖4 沒食子酸質(zhì)量濃度對α-淀粉酶(A)和α-葡萄糖苷酶(B)熒光光譜的影響Fig.4 Effects of different concentrations of gallic acid on fluorescence spectra of α-amylase (A) and α-glucosidase (B)
三維熒光光譜用于觀察沒食子酸對α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶的熒光猝滅效應(yīng),如圖5A、C所示,α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶的熒光光譜圖有3 個特征峰,分別為Rayleigh散射峰(峰a)和光譜特征峰(峰1和峰2)。峰1表示酶中Tyr和Trp殘基涉及π→π*轉(zhuǎn)變的光譜特征[30],峰2表示多肽主鏈C=O涉及n-π*轉(zhuǎn)變的熒光光譜特征[31]。如圖5B、D所示,加入沒食子酸后,峰1和峰2峰強度明顯降低。圖5D中α-葡萄糖苷酶的三維熒光光譜中峰2甚至消失。峰的變化表明沒食子酸通過形成沒食子酸-酶復(fù)合物影響α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶多肽鏈的微環(huán)境,也就是說,沒食子酸傾向于通過誘導(dǎo)疏水基團和側(cè)鏈的折疊提供疏水區(qū)域,從而導(dǎo)致酶的構(gòu)象轉(zhuǎn)化。
圖5 α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶(A、C)和沒食子酸存在下α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶(B、D)的三維熒光光譜圖Fig.5 3D fluorescence spectra of α-amylase,α-glucosidase in the absence (A,C) and presence (B,D) of gallic acid
如圖6所示,在208 nm和226 nm波長處的負(fù)峰分布在π-π*躍遷和n-π*躍遷中,分別表征α-螺旋和β-折疊[32]。與游離的α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶CD光譜相比,沒食子酸的加入降低了酶在208 nm和226 nm波長處的負(fù)峰強度。結(jié)果表明,沒食子酸可以顯著影響α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的二級結(jié)構(gòu)。由表1可知,隨著沒食子酸含量的增加,α-淀粉酶中α-螺旋結(jié)構(gòu)含量(25.10%~19.70%)減少,而β-折疊結(jié)構(gòu)含量(22.60%~28.00%)、β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)含量(18.20%~19.80%)和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)含量(40.20%~44.80%)增加;α-葡萄糖苷酶中α-螺旋結(jié)構(gòu)含量(43.40%~27.00%)減少,β-折疊結(jié)構(gòu)(12.70%~21.30%)、β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)(15.20%~18.10%)和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)含量(25.80%~36.90%)增加。因此,加入沒食子酸可以破壞α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的二級結(jié)構(gòu),從而降低酶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性。
表1 沒食子酸對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶二級結(jié)構(gòu)的影響Table 1 Effect of gallic acid on the secondary structure contents of α-amylase and α-glucosidase
圖6 沒食子酸對α-淀粉酶(A)和α-葡萄糖苷酶(B)CD光譜的影響Fig.6 Effect of gallic acid on CD spectra of α-amylase (A) and α-glucosidase (B)
分子對接技術(shù)是一種可視化小分子配體與大分子受體相互作用,確定配體可能的結(jié)合位點和空間構(gòu)象的有效方法[33]。分子對接結(jié)果表明,沒食子酸與α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶相互作用,最低結(jié)合能分別為-5.9 kcal/mol和-6.5 kcal/mol。結(jié)合能為負(fù)值表明α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶可能與沒食子酸形成復(fù)合物。在分子對接中,沒食子酸定位在α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶活性位點附近。如圖7A和圖8A所示,沒食子酸與α-淀粉酶結(jié)合時,主要被Trp58、Tyr62、Gln63、His102、Leu141、Leu142、Leu144、Arg174、Ala177、Asp176、Glu208、His268、Asp269等氨基酸殘基所包圍。Trp58、Trp59和Tyr62為α-淀粉酶中催化活性中心的關(guān)鍵殘基,沒食子酸通過疏水相互作用與Trp58和Tyr62殘基周圍的疏水腔結(jié)合,進而影響其微環(huán)境的極性[34]。Meidinna等[35]報道了陽性對照物阿卡波糖與α-淀粉酶結(jié)合位點氨基酸殘基Trp59相互作用形成氫鍵,從而以混合競爭性的方式抑制α-淀粉酶活性。而沒食子酸與α-淀粉酶活性結(jié)合位點以外的氨基酸殘基Lys156、Asn317、Glu422、His423之間形成4 個氫鍵,與抑制動力學(xué)結(jié)果一致,說明沒食子酸以非競爭方式抑制α-淀粉酶活性。如圖7B和圖8B所示,沒食子酸與α-葡萄糖苷酶結(jié)合時,主要被Lys156、Asn235、Ser236、Thr237、Phe314、Asn317、Ile419、Glu422、His423、Glu429、Lys432、Phe433等氨基酸殘基所包圍,且與氨基酸殘基Lys156、Asn317、Glu422、His423、Glu429之間形成5 個氫鍵。Askarzadeh等[36]也利用分子對接技術(shù)將阿卡波糖放入α-葡萄糖苷酶的活性中心,結(jié)果顯示阿卡波糖與氨基酸殘基Asn241和Arg312形成氫鍵。沒食子酸的苯環(huán)上含有3 個羥基,苯環(huán)上的電子離域作用促使酚羥基發(fā)生離子化,易與酶的結(jié)合形成氫鍵,氫鍵的形成可以增強α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和配體分子結(jié)合的穩(wěn)定性[29]。以上結(jié)果表明,氫鍵和疏水作用是沒食子酸與α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶之間重要相互作用,可以改變酶的空間結(jié)構(gòu),對其抑制活性有重要影響。
圖7 沒食子酸與α-淀粉酶(A)和α-葡萄糖苷酶(B)的分子對接2D圖Fig.7 2D Molecular docking model of gallic acid with α-amylase (A) or α-glucosidase (B)
本研究探討了沒食子酸對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制作用,并采用抑制動力學(xué)、紫外光譜法、熒光光譜法、CD光譜法和分子對接分析研究了沒食子酸和2 種酶之間的相互作用機理。沒食子酸對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶有良好的抑制作用,且抑制作用都具有明顯的濃度依賴性。酶促反應(yīng)動力學(xué)結(jié)果顯示,沒食子酸分別以非競爭性抑制方式和混合競爭性抑制方式與α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性位點相互作用。紫外光譜分析結(jié)果表明,沒食子酸的加入導(dǎo)致酶的構(gòu)象變化和疏水基團的暴露。熒光譜圖結(jié)果顯示,沒食子酸以靜態(tài)猝滅的方式強烈猝滅酶的內(nèi)源性熒光,改變了氨基酸殘基Trp和Tyr所處的微環(huán)境。CD光譜分析表明,沒食子酸顯著改變酶的二級結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致酶構(gòu)象發(fā)生變化。同時,采用分子對接的方式模擬沒食子酸與α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的結(jié)合,沒食子酸通過與周圍氨基酸殘基相互作用,導(dǎo)致酶的構(gòu)象發(fā)生紊亂,從而降低α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的催化活性。綜上所述,沒食子酸可以良好抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性,有效減緩碳水化合物消化,降低血糖水平。該研究為沒食子酸在α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制劑領(lǐng)域的深層次研發(fā)利用提供一定參考。