基于生物信息學與分子對接技術對壇紫菜降血壓肽的篩選及活性分析

葉賢江，蘇志琛，林曉娟，陳繼承

（福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002）

全球每年估計有1 750萬 人死于心血管疾病，約占全世界死亡人數的31%。高血壓是導致心血管疾病的重要原因，其并發癥包括但不限于冠心病、中風、充血性心力衰竭、心律失常和腎功能衰竭[1]。血管緊張素轉化酶（angiotensin converting enzyme，ACE）可通過破壞腎素血管緊張素系統和激肽系統的平衡而引起高血壓[2]。ACE抑制劑藥物如卡普托利、賴諾普利、依那普利在臨床治療中具有較強的降壓作用，但具有咳嗽、味覺障礙和皮疹等諸多副作用[3]。食源性降血壓肽由于其無毒、無副作用、安全性高，且對血壓正常者無降壓作用，適合長期食用，已成為當前研究的熱點[4-5]。

壇紫菜是一類高蛋白、低脂肪、具有豐富多糖和礦物質的多功能營養食品，主要生長在中國、日本和韓國[6]。干紫菜中粗蛋白含量達30%～50%，富含膳食纖維、多種維生素及鈣、鉀、鎂等微量元素，還含藻類特有的藻膽蛋白，具有抗腫瘤、降血糖、抗衰老等功效[7-9]。但目前主要的加工方式為即食海苔、紫菜湯等，經濟效益低。壇紫菜高蛋白含量使其成為抗高血壓肽的潛在來源，作為合成ACE抑制劑藥物的替代品[10-11]。然而，傳統的蛋白質水解、分離、反復純化以獲取和鑒定生物活性肽的方法，有耗資較大、周期較長等缺點。為了應對這一挑戰，基于生物學查找、篩選活性多肽被引入食源性生物活性肽開發領域。此外，為了深入探索活性肽與ACE相互作用分子機制，將分子對接技術應用于模擬活性肽與ACE分子之間的相互結合過程。

本研究以壇紫菜為原料，采用木瓜蛋白酶和糜蛋白酶雙酶聯合水解壇紫菜蛋白（Porphyra haitanensisprotein，PHP）制備降血壓活性肽，測定了經超濾后各個分子段清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基和2,2’-聯氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)，ABTS）陽離子自由基能力、鐵離子還原抗氧化能力（ferric ion reducing antioxidant power，FRAP）以及ACE抑制活性。經質譜鑒定和活性肽數據庫BIOPEP以及AHTPDB網站查找篩選活性肽，采用分子對接解釋多肽抑制ACE機理，并推導出描述PHP酶解過程規律的動力學關系式。本研究有望為壇紫菜深加工與高效利用以及活性肽的鑒定與制備提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

壇紫菜購于福建福州永輝超市。

馬尿酰組氨酰亮氨酸（Hip-His-Leu，HHL）、ACE美國Sigma公司；木瓜蛋白酶（酶活力8.0×105U/g）、糜蛋白酶（1.2×105U/g） 生工生物工程（上海）股份有限公司；DPPH、ABTS及FRAP試劑盒 南京建成生物工程研究所。

1.2 儀器與設備

KH-500DE數控超聲波清洗儀 昆山禾創超聲儀器有限公司；A11分析研磨機 德國IKA集團；PHB-4 pH計上海儀電科學儀器股份有限公司；Avanti J-26XP臺式高速冷凍離心機 美國貝克曼庫爾特有限公司；LGJ-125冷凍干燥機 北京松源華興科技發展有限公司；RNM-18G超濾設備 杭州瑞納膜工程有限公司；2695-2698高效液相色譜 美國Waters公司；Q Exactive Plus組合型四極桿-Orbitrap質譜儀 美國賽默飛世爾科學公司。

1.3 方法

1.3.1 壇紫菜多肽的制備

將壇紫菜在80 ℃烘干，用超微粉碎機粉碎過120 目得到壇紫菜粉，用50 倍體積的水浸提4 h得到蛋白粗提物。經800 W功率超聲波作用800 s，5 000 r/min離心15 min得到上清液，量取體積，在磁力攪拌下緩慢加入飽和度為40%磨細的硫酸銨，攪拌過夜，5 000 r/min離心15 min收集沉淀即得較純的PHP。使用木瓜蛋白酶和糜蛋白酶混合酶（溫度45 ℃，底物質量分數5%，木瓜蛋白酶0.6 g/L，糜蛋白酶0.4 g/L，pH 8）在自動搖床上酶解PHP反應12 h，在4 ℃、4 000 r/min條件下離心10 min收集上清液。80%乙醇溶液醇沉除去多糖和未降解的大分子質量蛋白質，上清液旋轉蒸發除去乙醇[12]。并使用超濾裝置分為＜0.5、0.5～1、＜1、1～3、＜3、3～5、＜5、5～100 kDa 8 個不同分子質量的組分。凍干成粉末，置于－80 ℃冰箱保存。

1.3.2 抗氧化指標的檢測

1.3.2.1 DPPH自由基清除能力測定

在96 孔微量培養板中進行測定。每孔加入2 mL的0.015 mmol/L現配DPPH溶液，再加入2 mL的1 mg/mL樣品溶液或者2 mL Trolox標準溶液。微板避光室溫下放置30 min，并使用酶標儀在517 nm波長處測定吸光度。對照以相同體積的提取溶劑代替樣品溶液，空白組以相同體積的甲醇溶液代替DPPH溶液。Trolox標準溶液配制20、40、60、80、100 μmol/L和120 μmol/L。最終結果以每1 g樣品凍干粉干質量的Trolox當量抗氧化能力（μmol/g）表示。

1.3.2.2 ABTS陽離子自由基清除能力測定

使用ABTS試劑盒測定，在96 孔微量培養板中進行。每孔加入170 μL ABTS工作液和20 μL試劑4應用液，再加入10 μL 1 mg/mL樣品溶液或者10 μL Trolox標準溶液。對照以相同體積緩沖液代替樣品溶液，空白組以緩沖液代替ABTS工作液。Trolox標準溶液（10 mmol/L）稀釋為100、200、400、800、1 000 μmol/L。最終結果以每1 g樣品凍干粉干質量的Trolox當量抗氧化能力（μmol/g）表示。

1.3.2.3 FRAP值測定

測量在96 孔微量培養板中進行。每孔加入180 μL FRAP工作液和20 μL 1 mg/mL樣品溶液或20 μL Trolox標準溶液。對照以相同體積緩沖液代替樣品溶液，空白組以緩沖液代替FRAP工作液。Trolox標準溶液（10 mmol/L）稀釋為100、200、400、800、1 000 μmol/L。最終結果以每1 g樣品凍干粉干質量的Trolox當量抗氧化能力（μmol/g）表示。

1.3.3 ACE抑制活性的測定

參考本實驗室已建立的方法[13]。反應體系總體積為130 μL。測定管：稱取適量冷凍干燥后的樣品粉末，將其溶于一定量的0.1 mol/L硼酸緩沖溶液（pH 8.3，含0.3 mol/L NaCl）中，制成1 mg/mL樣品溶液。取樣品溶液60 μL與ACE溶液20 μL混合，37 ℃水浴10 min后加入HHL溶液50 μL；整個反應體系37 ℃水浴60 min后加入1 mol/L HCl溶液100 μL終止反應；過0.45 μm濾膜，進行液相色譜分析。對照管：用60 μL硼酸緩沖液（pH 8.3，0.3 mol/L NaCl）替代測定組樣品溶液。空白對照管：用20 μL硼酸緩沖液（pH 8.3，0.3 mol/L NaCl）替代對照組ACE溶液。色譜柱：Waters-C18（4.6 mm×250 mm，5 μm）；檢測波長：228 nm，流動相：80% A（1%甲酸＋1%三氟乙酸＋98%去離子水），20% B（100%乙腈）；流速：0.8 mL/min；柱溫：25 ℃；進樣量：10 μL。ACE抑制率計算如式（1）所示：

式中：[HA]c為對照樣品馬尿酸濃度；[HA]s為測定樣品馬尿酸濃度；[HA]H為空白對照中馬尿酸濃度。

1.3.4 ACE抑制肽序列鑒定

取適量樣本采用C18除鹽柱除鹽后凍干并復溶于水后，經由配備在線納噴離子源的液相色譜-串聯質譜分析。整套系統為串聯EASY-nanoLC 1000的Q Exactive? Plus質譜儀。共上樣5 μL樣品（分析柱：Acclaim PepMap C18（75 μm×25 cm）），柱流量控制在300 nL/min，柱溫40 ℃，電噴霧電壓2 kV，流動相A相為0.1%甲酸溶液；B相為含0.1%甲酸的乙腈溶液。梯度洗脫：0～3 min，94% A、6% B；3～42 min，94%～80% A、6%～20% B；42～47 min，80%～65% A、20%～35% B；47～60 min，65%～0% A、35%～100% B。質譜儀在數據依賴采集模式下運行，自動在質譜和二級質譜集間切換。質譜參數設置如下：1）質譜掃描范圍：m/z100～500；分辨率：70 000；自動增益控制目標：3×106；最大進樣時間：50 ms；包括電荷狀態：2～6。2）HCD-MS/MS分辨率：17 500；隔離窗口：2.0；自動增益控制目標：1×105；最大進樣時間：45 ms；碰撞能量：28。

1.3.5 分子對接

參考張婷[14]的方法，通過分子對接軟件AutoDock 4.2進行ACE與活性肽的半柔性分子對接計算。配體和受體分子均加上極性氫和kollman電場，之后忽略所有非極性氫，ACE中的Zn2＋需額外加上0.95 e的正電荷。為了提高活性肽與ACE對接的準確度，以Zn2＋的空間坐標為中心（中心坐標為x：43.821，y：38.240，z：46.712）建立了一個間距0.375 ?、大小100 ?×100 ?×100 ?的反應約束盒子。采用拉馬克遺傳算法對分子對接能量進行優化。構象能量聚類分析中均方根偏差容忍度為2.0 ?。通過Discovry Studio 4.5對ACE抑制肽與ACE蛋白分子間相互作用進行分析。

1.3.6 活性肽的查找與篩選

降血壓活性肽信息來自生物活性肽數據庫BIOPEP（http://www.uwm.edu.pl/biochemia/index.php/pl/biopep）和AHTPDB網站（http://crdd.osdd.net/raghava/ahtpdb/pepsearch.php）。

1.3.7 水解動力學公式的推導及模型的建立

參考Wu Qiongying等[15]的方法。在底物PHP質量濃度分別為10、15、20、25 g/L和30 g/L時，用木瓜蛋白酶和糜蛋白酶雙酶（木瓜蛋白酶0.6 g/L，糜蛋白酶0.4 g/L）水解PHP。考察酶促反應過程中水解度（degree of hydrolysis，DH）。為研究酶用量對DH的影響，采用混合酶在0.4、0.6、0.8 g/L和1.0 g/L酶解質量濃度為25 g/L的PHP。其他水解條件為：溫度50 ℃，pH 8.0，水解時間20～100 min。

推導出的DH與水解時間關系方程式如式（2）所示：

式中：a、b為動力學參數；t為水解時間/min。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 PHP酶解液不同分子質量組分的抗氧化和ACE抑制活性

根據Trolox標準曲線方程Y=－0.000 6X＋0.105 8（R2=0.985 1）計算，不同分子質量PHP酶解液的DPPH自由基清除能力見圖1A。可以看出，＜0.5 kDa組分的DPPH自由基清除能力顯著高于其他組分（P＜0.05）。Chang Chiyue等[16]發現豬血紅蛋白酶解液低分子質量組分相較于高分子質量具有更強的DPPH自由基清除能力。劉冬冬等[17]在使用0.5 kDa的納濾膜截留條斑紫菜的酶解液后發現DPPH自由基清除能力顯著提高。在PHP提取中可能會有多酚類物質殘留在PHP酶解液。楊小青等[18]在研究羊棲菜不同分子質量褐藻多酚的抗氧化能力時發現，＞30 kDa的乙酸乙酯提取物具有最強的DPPH自由基清除能力；Wang Tao等[19]在使用酶促法從紅藻中提取抗氧化成分時也發現，＜5 kDa的水提物中含有最高總酚含量從而造成其DPPH自由基清除能力最強。這可能是5～100 kDa組分酶解液的DPPH自由基清除能力較高，和＜5 kDa組分差異較小的原因。

圖1 不同分子質量PHP酶解液DPPH自由基清除能力（A）、ABTS陽離子自由基清除能力（B）、FRAP值（C）和ACE抑制活性（D）Fig.1 DPPH radical scavenging capacity (A), ABTS cation radical scavenging capacity (B), FRAP value (C) and ACE inhibitory activity (D) of PHP hydrolysate fractions with different molecular masses

Trolox標準曲線方程為Y=－0.000 9X＋1.002 7（R2=0.995 7），不同分子質量PHP酶解液對ABTS陽離子自由基清除能力的影響見圖1B。和DPPH自由基一樣，＜0.5 kDa組分的ABTS陽離子自由基清除能力最高為544.48 μmol/g，其次是＜1 kDa的組分，二者差異無統計學意義（P＞0.05），但顯著高于其他分子質量的組分（P＜0.05）。這一結果與Je等[20]的研究一致，抗氧化肽的ABTS陽離子自由基清除活性隨分子質量降低而增強。ABTS陽離子自由基是一種人工合成的親水性自由基，隨著分子質量的降低，抗氧化肽的親水性不斷增強，所以小分子抗氧化肽更易進入反應體系，進而與ABTS陽離子自由基發生反應。

FRAP方法下Trolox標準曲線方程為Y=0.002 5X＋0.172（R2=0.991 4），不同分子質量PHP酶解液的FRAP值見圖1C。不同于DPPH自由基和ABTS陽離子自由基，＜1 kDa組分的FRAP值最高，而不是＜0.5 kDa組分。這說明FRAP值可能和分子質量不呈絕對的負相關。Alemán等[21]在研究魷魚明膠水解物中多肽的抗氧化活性發現，將10 kDa的組分再細分成4 個組分，并不是分子質量最小的組分Fe3＋還原能力最高。Wiriyaphan等[22]也發現魚糜副產物的酶解物中1～5 kDa的短肽相較于＜1 kDa、5～30 kDa和＞30 kDa的組分具有最高的抗氧化活性。因此，推斷PHP酶解液中抗氧化肽的Fe3＋還原力與其分子質量關系為：分子質量太大或太小，抗氧化肽的還原活性都不高，適中分子質量范圍（1～5 kDa）的活性肽的還原能力較高。

PHP分段酶解液對ACE的抑制效果如圖1D所示。可以看出，隨著酶解液分子質量的不斷增大，IC50值也越來越大，即ACE抑制活性越來越低。＜0.5 kDa和0.5～1 kDa酶解液的IC50值顯著低于其他分子質量組分（P＜0.05），說明在PHP酶解液中具有較強的ACE抑制活性的多肽集中在1 kDa分子質量以下。曹文紅[23]在研究中國毛蝦酶解產物的分子質量與ACE抑制活性的關系時發現，抑制活性最強的組分在311～1 320 Da之間。鄧真真[24]使用5種酶酶解PHP發現，不管使用哪一種酶酶解，＜1 kDa的組分IC50值均低于1～3 kDa和＞3 kDa。分析其原因是ACE活性中心通常具有一定的空間結構，分子質量較大的多肽不能進入活性中心的狹小空間與ACE活性部位氨基酸有效結合，進而不能干擾ACE與底物血管緊張素I的結合，發揮降血壓的活性；而分子質量較小的多肽能夠插入活性部位的裂隙中，并與催化相關的氨基酸結合，從而干擾ACE催化底物[25-26]。＜1 kDa組分的IC50值為（2.21±0.28）mg/mL，質譜鑒定選擇這一組分。

2.2 ACE抑制肽序列鑒定結果

LDY（Leu-Asp-Tyr）的二級質譜圖如圖2A所示，其中y1（m/z182.081 1）表明該條肽段的C端氨基酸殘基為Tyr，氨基酸殘基Aspm/z為y2－y1=115.026 6，而N端殘基為Leu（m/zb2－115.026 6=114.091 6）。類似的，二級質譜圖4B為AVP（Ala-Val-Pro），圖4C為GPL（Gly-Pro-Leu），圖4D為LGYL（Leu-Gly-Tyr-Leu），有誤差的為部分減水、減氫、減氨基導致。

圖2 4 條多肽的二級質譜圖和氨基酸序列Fig.2 Secondary mass spectra and amino acid sequences of four peptides

圖4 不同底物質量濃度（A）和酶質量濃度（B）PHP的水解曲線以及a值與E0/S0值的線性關系圖（C）Fig.4 Hydrolysis curves of PHP with different substrate concentrations (A) and enzyme concentrations (B), and linear relationship between a and E0/S0 (C)

2.3 分子對接與壇紫菜ACE抑制肽的抑制機理解析

活性肽和ACE相互作用關系的探討有助于對ACE抑制活性機理做進一步解析。使用Autodock 4.2對接軟件將質譜鑒定和降血壓肽庫對比選出的14 條短肽與ACE進行對接。圖3為文獻報道中具有顯著ACE抑制活性的4 條短肽與ACE的對接結果。已有研究表明，氫鍵相互作用在穩定對接復合體和酶催化反應中起最重要的作用[27]。如圖3A所示，LDY與ACE的Asp377、Ala354、Glu384、Asp415和Gln281形成了5 個傳統氫鍵，與Tyr523形成了1 個Pi-供體氫鍵，其對接能量值為－7.65 kJ/mol。同樣的，根據圖3B，AVP與ACE的2 個殘基Asp415和Gln281形成了3 個傳統氫鍵，與His513和Tyr520形成了2 個碳氫鍵，其對接能量值為－5.87 kJ/mol。根據圖3C，GPL與ACE的Lys511、Gln281、Tyr520和Asp415殘基形成了5 個傳統氫鍵，與His353形成了1 個碳氫鍵，其對接能量值為－6.13 kJ/mol。如圖3D所示，LGYL與ACE的Cys352、Glu162、Gln281以及Asn277形成了4 個傳統氫鍵，與Thr282和Glu376形成了3 個碳氫鍵，其對接能量為－7.78 kJ/mol。

圖3 多肽與ACE的對接結果Fig.3 Molecular docking between ACE and peptides

降血壓活性肽主要通過氫鍵相互作用、范德華力以及靜電相互作用與ACE結合，進而抑制ACE活性，其中以氫鍵相互作用尤為重要，可起到穩定對接復合物的作用，且氫鍵數目直接影響了降血壓活性肽對ACE的親和力，而氫鍵數目又與活性肽的氨基酸構成緊密聯系[28]。LDY、AVP、GPL和LGYL都具有較多氫鍵和較低對接能量值，C端氨基酸分別為Pro（P）、Leu（L）、Tyr（Y）和Leu（L），這些氨基酸都是疏水或芳香族氨基酸。這與先前的研究結果[11]一致。在純化鑒定海帶中的降血壓肽發現，KKFY和SKTY分別與ACE活性口袋的不同殘基部位形成了13 個和9 個氫鍵，具有很強的ACE抑制活性。這些結果一致表明，C端氨基酸的種類及位置對多肽的ACE抑制活性影響至關重要，C末端的疏水或芳香氨基酸殘基或Pro（P）對ACE抑制活性的提高有積極作用。

2.4 PHP的雙酶水解動力學

由PHP的水解曲線可以看出，DH隨著底物質量濃度的增加而降低（圖4A），隨著酶質量濃度的增加而升高（圖4B）。結果表明，酶底比對PHP的DH有很大的影響。從圖4可以看出，PHP的DH在40 min迅速升高，然后在40～100 min緩慢升高，這與脫脂小麥胚芽蛋白[29]和刺鰩明膠[30]的水解曲線相似。如表1所示，動力學參數a隨底物質量濃度的增加而降低，隨酶質量濃度的增加而增加。實驗數據表明，動力學參數a不是常數，它隨酶和底物質量濃度的變化而變化。然而，酶和底物質量濃度對動力學參數b的影響不遵循一個確定的趨勢（增加或減少），接近一個常數，在其平均值0.244附近上下波動。Wu Qiongying等[15]報道了甜高粱籽粒蛋白水解動力學參數b的變化范圍很小。因此在一個恒溫水解反應中，b可以看作是一個常數，取其平均值。Valencia等[31]也報道了相似的結果，發現三文魚肌肉蛋白水解動力學參數b的值比a更穩定。通過對a值與E0/S0值作圖，發現a與E0/S0呈線性關系如圖4C所示。當時，等式y＝63.23x－0.24就可以表示為a＝63.23E0/S0－0.24。將等式代入式（2），則DH和t的關系式就可以表示為：

表1 酶和底物質量濃度對PHP水解a、b值的影響Table 1 Effect of enzyme and substrate concentrations on a and b values of PHP hydrolysis

對于酶解過程，從反應機理出發，推導出描述蛋白可控酶解過程規律的動力學關系式，建立符合實驗數據的實驗模型，對于加深對影響蛋白質水解過程因素的理解及指導實踐有實際意義[32]。為了驗證所建立動力學模型的有效性，在不同酶質量濃度和底物質量濃度下進行3 個驗證實驗，如圖5A所示。預測值與實驗值的比較表明，所有的相對誤差均在10%以下。除水解曲線擬合良好（圖5A）外，預測DH值與實驗DH值之間的相關關系也表現出良好的線性回歸系數，其中當底物質量濃度6 g/L、酶質量濃度0.5 g/L時R2為0.998 72（圖5B），當底物質量濃度20 g/L、酶質量濃度1.2 g/L時R2為0.998 56（圖5C），當底物質量濃度12 g/L、酶質量濃度0.4 g/L時R2為0.999 38（圖5D）。這一驗證結果證實了動力學模型的統計意義，表明該模型可靠，可以從操作條件表征和描述PHP的酶解過程。

圖5 DH預測值和實驗值比較與相關性Fig.5 Comparison and correlation between predicted and experimental values for the degree of hydrolysis

3 結 論

目前，活性多肽的制備路線基本上遵循蛋白質提取→不同酶的水解及條件優化→反復分離純化→活性測定→結構鑒定這一路線，不僅耗時耗力，而且在反復分離純化過程中活性肽損失嚴重。所以，基于生物信息學同實驗相結合的方法正成為今后的研究熱點。本研究采用基于串聯質譜與分子對接技術，通過生物信息篩選和體外活性檢測從PHP酶解液中快速鑒定、篩選活性多肽。活性測定實驗表明PHP酶解液小于0.5 kDa組分具有最高的DPPH自由基和ABTS陽離子自由基清除能力，小于1 kDa組分具有最高的FRAP值，而分子質量0.5～1 kDa組分具有最高的抑制ACE活性。AVP、GPL、LDY和LGYL 4 條短肽與ACE的分子對接結果表明，多肽主要通過與ACE的活性口袋和氨基酸殘基形成氫鍵進而抑制ACE活性，且多肽C末端氨基酸為疏水、芳香氨基酸或Pro（P）時對ACE抑制活性的提高有積極作用。雙酶水解動力學模型預測DH與實驗DH的相對誤差均在10%以下。本實驗為深度開發活性肽的高價值利用和蛋白的可控酶解提供了參考與借鑒。