青錢柳粗多糖CP50制備工藝優化及對黃嘌呤氧化酶抑制作用研究

蘇虹霞,高靜,姜敏,賈堯

(陜西理工大學 化學與環境科學學院,陜西省催化基礎與應用重點實驗室,陜西 漢中,723000)

“藥食同源”植物因含有豐富的藥食兩用作用和營養保健功能,逐漸成為近年來營養保健產品開發的新熱點[1-2]。研究發現,“藥食同源”植物活性物質具有多環節、多層次、多靶點等中藥藥理特點,其研發亦為降尿酸藥物減毒增效及輔助治療高尿酸食品開發提供新思路[3]。痛風是一種以高尿酸為特征的代謝性疾病,黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase,XO)是參與痛風發生與發展過程中的關鍵酶。通過抑制XO,能夠有效降低血漿尿酸水平,可以此預防和治療痛風及高尿酸血癥[4-5]。痛風目前尚無完全治愈的方法,從天然植物中獲取有效成分用于緩解痛風癥狀是當前的研究熱點[6-7]。

青錢柳是珍貴的藥食同源植物,研究表明果膠類酸性多糖CP50是青錢柳多糖的主要活性成分之一[8-9]。分子中主要含有→4) GalA (1→、→4) Glc (1→、→4) Gal (1→糖苷鍵,在半乳糖的C6位存在分支結構[10]。目前多糖在其降尿酸作用方面逐漸被發現,已有文獻報道黃芪多糖[11]、茯苓多糖[12]等,均可通過抑制XO活性阻礙尿酸合成,從而減少體內尿酸濃度。已有文獻報道青錢柳提取物對XO存在抑制作用[13-14],但青錢柳多糖抗高尿酸血癥的機理研究卻鮮有報道。本研究結合青錢柳多糖功效范圍廣、副作用低等特點,通過探究青錢柳中多糖化合物對XO的抑制效果,探析其降尿酸作用的酶反應機制,旨在為尋找調節體內嘌呤代謝的天然降尿酸產品的研究和開發提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青錢柳干葉購于湖南省張家界,粉碎后過40目篩,備用。

蒽酮、葡萄糖、黃嘌呤、XO、別嘌呤醇,麥克林公司;無水乙醇,天津鑫宇精細化工;乙酸乙酯,成都市科龍化工試劑廠;以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

UV-2600紫外-可見分光光度計,日本島津有限公司;DHG-9070A烘箱,上海齊欣科學有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 葡萄糖標準曲線的繪制

采用蒽酮-硫酸法,以葡萄糖為對照品,參照易劍平等[15]的測定方法制作標準曲線,得回歸方程為A=0.006 3C+0.334 4(其中A為吸光度,C為葡萄糖樣品質量濃度,μg/mL),R2=0.992 0,其線性范圍為10～100 μg。

1.3.2 青錢柳多糖水提工藝優化及含量測定

WHO調查了近年來29個發展中國家的普通孕婦中子癇前期發病率0.02%～7.67%，平均發病率為2.16%。針對正常孕婦的子癇前期試驗，發病率不高。Valio等[15]研究了妊娠35～37周的3 953例單胎普通孕婦，最終只有65例發展為子癇前期。一些針對高危孕婦進行的研究中，子癇前期的發病率明顯上升[11]。本研究中的研究對象為子癇前期高危孕婦，271例病人中有11例發病，明顯提高了sFlt-1、PLGF對于子癇前期的預測價值。早期診斷子癇前期，盡早對于高危孕婦進行干預及監管，減少不良圍產期母嬰結局的發生具有重要意義。

現有研究表明,青錢柳多糖是青錢柳水提液中的主要活性成分之一[16]。青錢柳多糖的提取及含量測定參照王小江等[10]的方法略作調整。為除去青錢柳中的甙類、生物堿、有機酸等醇溶性物質,將15 g青錢柳粉末,以300 mL 80%(體積分數)的乙醇回流提取2 h,過濾,濾渣干燥用于后續多糖提取。

1.3.2.1 青錢柳多糖水提工藝優化

單因素試驗:稱取0.5 g上述處理過的青錢柳粉末,分別以不同料液比(1∶20、1∶40、1∶60、1∶80、1∶100, g∶mL)、浸提時間(1、1.5、2、2.5、3 h)、浸提溫度(60、70、80、90、100 ℃)為單一自變量,固定其他提取條件不變,提取次數2次,考察不同單因素條件對青錢柳多糖得率的影響。

正交試驗:根據正交試驗設計原理,選取料液比、時間和溫度3個因素,以青錢柳多糖得率為響應值,設計三因素三水平正交試驗,對青錢柳多糖提取工藝進行優化。試驗因素水平如表1所示。

表1 正交試驗設計因素及水平表Table 1 The factors and levels of orthogonal experiment

1.3.2.2 青錢柳多糖得率計算

將青錢柳水提液濃縮、50%(體積分數)乙醇醇析、洗滌、干燥后,采用上述1.3.1中蒽酮-硫酸顯色法測定青錢柳水提物中粗多糖CP50含量,按公式(1)計算樣品中多糖得率。

(1)

式中:ρ,由回歸方程得出的多糖質量濃度,mg/mL;V,稀釋體積,mL;m,青錢柳多糖提取物的質量,mg。

1.3.3 青錢柳粗多糖對XO抑制率研究

(2)

式中:A1,測活體系中含抑制劑的酶活力值;A2,測活體系中不含抑制劑的空白酶活力值。

1.4 XO與青錢柳多糖CP50分子對接機制研究

Auto Dock Tools 軟件可以預測青錢柳多糖與XO的相互作用信息,分子對接在Auto Dock Tools-1.5.7程序上執行。依據文獻[10]得出青錢柳多糖分離純化后的主要成分CP50的結構排列情況,將CP50的3D結構在Chem3D Pro 14.0中生成,能量處理最小化。從RCSB蛋白質數據庫中獲得了XO(PDB∶1FIQ)的X射線晶體結構(http://www.rcsb.org/)。用AutoDock工具檢測并分配配體的旋轉鍵,去除所有水分子和配體、添加氫原子、加電荷、分配原子類型和修復多肽鏈的缺失和末端殘基。該蛋白質是通過定義了一個網格框,將XO的整個結合位點包圍起來,尺寸為40 ?×40 ?×40 ?和0.375 ?的網格間距,設置C鏈的活性中心坐標為(X,Y,Z)=(37.733,20.262,18.48)。對接計算采用拉馬克遺傳算法,局部搜索,運行次數為50次,所有其他雜項參數均設置為默認值。經前處理和指令運行后,根據結合能最低原則,選擇具有最低結合能和最高百分比頻率的對接模型作為最優的結合模式。將AutoDock的輸出CP50-XO配合物的主導構象用Pymol進一步渲染,以提供可見的綁定情況。

2 結果與分析

2.1 青錢柳多糖水提法最佳工藝的確定

2.1.1 單因素試驗

圖1～圖3分別為料液比、時間及溫度對青錢柳多糖得率的影響曲線。由圖1可知,青錢柳多糖得率從1∶20(g∶mL)到1∶40(g∶mL)遞增趨勢明顯,1∶40(g∶mL)到1∶100(g∶mL)遞增趨勢趨于平緩,從經濟角度考慮,選用1∶40(g∶mL)為青錢柳多糖提取最佳料液比;由圖2可知,提取時間在1～2 h青錢柳多糖得率隨提取時間呈遞增趨勢,在2～3 h青錢柳多糖得率隨提取時間逐漸遞減,這是因為隨著水提時間延長,多糖在高溫下發生氧化分解,導致多糖得率下降。所以青錢柳多糖提取時間不宜過長。綜上,本實驗選取最佳提取時間為2 h;由圖3可知,提取溫度在60～90 ℃,青錢柳多糖得率呈遞增趨勢,在90～100 ℃,多糖得率仍有增加,但增加速率減小,從經濟角度考慮,本實驗選取90 ℃為最適提取溫度。

圖1 不同料液比對青錢柳粗多糖提取的影響Fig.1 Effects of different material-liquid ratio on extraction of crude polysaccharides from Cyclocarya Paliurus

圖2 不同提取時間對青錢柳粗多糖提取的影響Fig.2 Effects of different extraction times on extraction of crude polysaccharides from Cyclocarya Paliurus

圖3 不同溫度對青錢柳粗多糖提取的影響Fig.3 Effects of different temperature on extraction of crude polysaccharides from Cyclocarya Paliurus

2.1.2 正交試驗

青錢柳多糖的提取正交試驗結果見表2。料液比、提取時間、提取溫度對青錢柳多糖得率影響的順序為A>B>C。熱水浸提法提取青錢柳多糖的最佳工藝條件組合為A2B2C3,即料液比為1∶40(g∶mL),提取時間為2 h,提取溫度100 ℃。在此較優提取工藝條件下,熱水浸提青錢柳干葉多糖得率為1.67%。本實驗得到的多糖得率與文獻報道的存在差異,可能與青錢柳干葉的采集時間和測定反應條件等因素有關。

表2 正交試驗結果Table 2 The results of the orthogonal experiment

2.2 XO抑制率計算結果分析

體外測定不同質量濃度(1、5、10、15、20 μg/mL)的別嘌醇和不同質量濃度(200、400、600、800、1 000 μg/mL)的青錢柳粗多糖對XO的抑制結果如圖4所示,在不同質量濃度抑制劑條件下,隨著抑制劑濃度的增大,XO的相對酶活性不斷降低。由此推斷出青錢柳提取物多糖對XO有抑制作用。由圖4可知,當青錢柳粗多糖溶液質量濃度為0～1 000 μg/mL時,隨著質量濃度的增加,青錢柳多糖對XO的抑制性逐漸增強基本呈線性相關,表現出劑量依賴關系,在此范圍內青錢柳粗多糖對酶的活性抑制率分別可達70.4%。利用SPSS對試驗數據進行回歸分析,計算得別嘌醇和青錢柳粗多糖在本實驗條下對XO的IC50分別為11.01、825.11 μg/mL。對XO的抑制效果,青錢柳多糖雖不及陽性對照物別嘌醇,但值得關注的是,75倍率的青錢柳水提液天然產物抑制值即可等同于相應的陽性對照。實驗結果亦可為食源性青錢柳葉茶的沖泡條件提供應用數據支持。

圖4 別嘌醇、青錢柳粗多糖對黃嘌呤氧化酶的作用Fig.4 Effects of the extracts of allopurinol and crude polysaccharides from Cyclocarya paliurus on xanthine oxidase

2.3 分子對接實驗結果解析

分子對接是預測配體-蛋白質復合物可見結合模式的一種重要的方法[18]。文獻[10]表明青錢柳多糖的主要活性物質為CP50,分子對接提高了我們對CP50和XO之間相互作用的理解,并直觀地說明了CP50和XO之間的相互作用。XO(PDB代碼:1FIQ)由獨立的亞單位組成,每個亞單位包含C鏈中的一個Mo中心、鏈中的2個不相同的鐵硫中心([2Fe-2S]簇)和B鏈中的一個黃素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide,FAD)輔因子[19]。通過使用2.0 ?的均方根偏差公差進行聚類分析,根據能量大小排列構象簇的結合能。結合能為負數表示蛋白質與小分子存在結合的可能,通常數值<-5 kcal/mol被認為結合可能性較大。結合能數據如表3所示,CP50與XO的最佳結合親和力<-5 kcal/mol,這意味著小分子CP50與XO具備較為理想的潛在活性效果,分子對接結果見圖5。

圖5 CP50-XO分子對接可視化圖Fig.5 Visualization of CP50-XO molecular docking

表3 分子對接獲得的小分子-蛋白結合親和力評估表Table 3 Small molecule-protein binding affinity evaluation table based on AutoDock Vina docking

圖6為CP50-XO分子對接Surface圖,綠色為XO的活性孔腔,粉色stick表示CP50分子,紅色是Mo-pt輔因子,圖像可以看出插入活性腔的CP50分子是通向XO活性位點的狹長通道。這表明一旦抑制劑堵塞了活性腔,通道和周圍空間大部分會被堵塞,這可能導致底物(黃嘌呤、次黃嘌呤)的著陸受阻,并最終降低XO的催化能力。

圖6 CP50-XO分子對接表面圖Fig.6 Surface map of CP50-XO molecular docking

圖7為CP50-XO分子對接二維圖,CP50分子在Leu648、Leu873、Phe914、Phe1009、Leu1014、Pro1076、Ala1078、Glu1261、Glu802、Ser876、Arg880、Ala1079、Thr1010、Val1011氨基酸圍繞而成的口袋當中,且與 Leu648、Leu873、Phe914、Phe1009、Leu1014、Pro1076、Ala1078和Glu1261疏水殘基相鄰,在結合圖6中CP50分子是插入活性孔腔,說明CP50可能與相關氨基酸殘基相互作用,表明CP50與XO的結合存在疏水相互作用。此外,Glu802和Arg880被證明在黃嘌呤的羥基化中起關鍵作用[20],表明CP50可能與基質具有相同的結合區域。

圖7 CP50-XO相互作用二維圖Fig.7 Two-dimensional diagram of interaction CP50-XO

圖8中CP50-XO的三維結構表明CP50分子和XO殘基Glu802、Ser876、Arg880、Ala1079、Thr1010、Val1011之間形成了氫鍵,表明氫鍵是CP50和XO之間結合的另一個主要作用。綜合來說,XO與青錢柳多糖CP50的主要作用為疏水和氫鍵作用,該作用可能是CP50對XO發生效果的主要作用類型。

圖8 CP50-XO相互作用三維圖Fig.8 3D map of interaction CP50-XO

3 結論

本研究得出青錢柳粗多糖CP50的較優水提工藝為提取時間2 h,提取溫度為100 ℃,料液比1∶40(g∶mL)。基于上述實驗條件,青錢柳粗多糖得率為1.67%。酶促實驗結果表明,青錢柳多糖對XO有抑制作用,對XO抑制作用的IC50為0.825 mg/mL,其抑制效果雖不及陽性對照別嘌呤醇,亦可為天然源青錢柳葉茶的沖泡條件提供食源性應用數據支持。分子對接進一步證實:疏水相互作用和氫鍵在形成穩定的復雜構象中的重要作用。CP50與酶的自發結合一般會導致XO二級結構的構象變化,從而進一步改變酶的三級結構,阻止底物與酶的結合,從而有效抑制XO的活性,減少尿酸的產生。

綜上,本研究表明青錢柳多糖CP50對XO有較好的抑制效果,可為CP50作為一種有效的膳食多糖應用于高尿酸血癥患者的飲食中提供實驗依據。