鄭召君 武如娟 張日俊
(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,動(dòng)物營養(yǎng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)
隨著自由基研究的不斷深入,氧化應(yīng)激和抗氧化保護(hù)作用的理論引起廣泛關(guān)注。當(dāng)內(nèi)源性防御系統(tǒng)不能有效保護(hù)機(jī)體抵抗自由基的攻擊時(shí),大量的活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)、活性氮簇(reactive nitrogen species,NOS)等高活性分子易造成蛋白質(zhì)損傷、DNA突變、細(xì)胞膜磷脂氧化以及低密度脂蛋白改性,進(jìn)而刺激機(jī)體產(chǎn)生危害健康的疾病,如動(dòng)脈硬化、糖尿病、白內(nèi)障、肉雞腹水綜合征等[1-3]。而抗氧化肽具有抑制、延緩脂質(zhì)過氧化并清除體內(nèi)過剩自由基的作用,可有效保護(hù)機(jī)體免受自由基侵害,因此當(dāng)機(jī)體內(nèi)自由基過剩且自身無法及時(shí)清除時(shí),攝入適量抗氧化肽可預(yù)防氧化應(yīng)激的發(fā)生并降低疾病的發(fā)病率。這些抗氧化肽來源于動(dòng)物、植物與微生物,以動(dòng)物源性抗氧化肽占主要地位。這類物質(zhì)被機(jī)體吸收后通過內(nèi)分泌、旁分泌等作用方式傳遞各種信息,從而能夠進(jìn)一步的調(diào)節(jié)動(dòng)物生長、發(fā)育、繁殖和代謝等生命活動(dòng)過程[4]。因此就動(dòng)物源性抗氧化肽的種類、生物學(xué)功能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。
動(dòng)物源性抗氧化肽是指來源于動(dòng)物蛋白質(zhì),由動(dòng)物自身的組織或器官產(chǎn)生內(nèi)源的(肌肽、鵝肌肽、高肌肽等)或是從動(dòng)物體蛋白質(zhì)水解物中獲取的具有抑制生物大分子過氧化或清除體內(nèi)自由基作用的肽類物質(zhì)。與因具毒副作用而限量添加的化學(xué)合成抗氧化劑[丁基羥基茴香醚(BHA)、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)等]相比,該類活性物質(zhì)具有穩(wěn)定性高、活性強(qiáng)、高營養(yǎng)、易吸收、安全低毒等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)存在方式的差異,動(dòng)物源性抗氧化肽又可分為內(nèi)生肽和蛋白水解肽。
目前,動(dòng)物體內(nèi)具有抗氧化活性的內(nèi)生肽研究最成熟的是肌肽和谷胱甘肽。肌肽化學(xué)結(jié)構(gòu)為β-丙氨酰-L-組氨酸,是一種具有極強(qiáng)抗氧化活性的天然二肽,主要存在于動(dòng)物的肌肉和腦等有氧代謝活躍的組織內(nèi),濃度為5~70 mmol/L。肌肽在肌肽合成酶的作用下生成,而由肌肽酶降解,主要抗氧化作用是螯合金屬離子、清除自由基并抑制脂質(zhì)過氧化[5]。
谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸組成的三肽,包括還原型谷胱甘肽和氧化型谷胱甘肽2種形式(比例約為100∶1),主要存在于動(dòng)物肝胰腺、肌肉及血液中。它與機(jī)體內(nèi)抗氧化酶[如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)等]處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),對(duì)抗壞血酸、α-生育酚、β-胡蘿卜素等動(dòng)物體內(nèi)抗氧化劑有再生作用,進(jìn)而發(fā)揮抗氧化、解毒等生物學(xué)功能[6]。
抗氧化肽是以休眠形式存在于母蛋白質(zhì)序列中的特異性蛋白質(zhì)片段,當(dāng)水解釋放后才能表現(xiàn)抗氧化活性[7]。近年來,國內(nèi)外研究工作者已從多種動(dòng)物蛋白質(zhì)水解液中分離出具有抗氧化活性的肽段,水解底物主要包括肉、蛋、乳3個(gè)方面。
富含蛋白質(zhì)的肉類及其副產(chǎn)物是制備抗氧化肽的優(yōu)質(zhì)原料,包括畜禽肉、魚肉、內(nèi)臟、血液等[8]。目前多數(shù)研究報(bào)道是從水產(chǎn)動(dòng)物的肌肉蛋白質(zhì)、內(nèi)臟、皮等蛋白質(zhì)水解液中分離純化得到抗氧化活性高的小分子肽,而關(guān)于畜禽等動(dòng)物肉源抗氧化肽的研究較少。第1篇關(guān)于豬肌原纖維蛋白制備抗氧化肽的報(bào)道發(fā)現(xiàn)5種來源于木瓜蛋白酶水解液的抗氧化肽,分別為絲氨酰-甘氨酰-纈氨酰-蘇氨酸(SGVT)、異亮氨酰-谷氨酰-丙氨酰-谷氨酰-甘氨酰-谷氨酰(IEAEGE)、天冬氨酰-丙氨酰-谷氨酰胺-谷氨酰-賴氨酰-亮氨酰-谷氨酰(DAQEKLE)、谷氨酰-谷氨酰-亮氨酰-天冬氨酰-天冬酰胺-丙氨酰-亮氨酰-天冬酰胺(EELDNALN)和纈氨酰-脯氨酰-絲氨酰-異亮氨酰-天冬氨酰-天冬氨酰-谷氨酰胺-谷氨酰-谷氨酰-亮氨酰-甲硫酸(VPSIDDQEELM)[9]。隨著蛋白質(zhì)資源的日益匱乏,深度挖掘現(xiàn)有資源的利用價(jià)值,如利用內(nèi)臟、血液、皮等肉類加工下腳料獲取具有抗氧化活性的肽段,已成為食品、醫(yī)藥等相關(guān)領(lǐng)域矚目的焦點(diǎn)。
禽蛋主要由蛋殼、蛋殼膜、蛋白、蛋黃等4部分組成,其蛋白質(zhì)含量豐富,是制備生物活性肽的理想原料。Tanzadehpanah等[10]利用胰蛋白酶水解鴕鳥蛋清得到自由基清除率高、金屬離子螯合能力強(qiáng)的分子質(zhì)量為1 317.65 u的抗氧化肽[亮氨酰-蘇氨酰-谷氨酰-谷氨酰胺-谷氨酰-絲氨酰-甘氨酰-纈氨酰-脯氨酰-纈氨酰-甲硫氨酰-賴氨酸(LTEQESGVPVMK)]。蛋黃中蛋白質(zhì)含量約占干物質(zhì)的30%,其蛋白酶解液對(duì)脂質(zhì)自氧化有較好的抑制作用,對(duì)食物貯存防腐有重要意義[11]。
乳源抗氧化肽是以新鮮的母乳、奶粉、酪蛋白等原料,通過蛋白酶水解或微生物發(fā)酵法將乳源蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為具有抗氧化活性的小分子肽類。這些小分子肽類表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化活性,如清除自由基和過氧化物、螯合金屬離子、促進(jìn)DNA合成、加速組織細(xì)胞再生減緩衰老、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能等。Gómez-Ruiz等[12]的研究發(fā)現(xiàn),綿羊的 κ-酪蛋白經(jīng)消化酶水解并分離純化得到的肽[組氨酰-脯氨酰-組氨酰-脯氨酰-組氨酰-亮氨酰-絲氨酰-苯丙氨酸(HPHPHLSF)]抑制脂肪氧化的能力與抗氧劑BHT的效果類似,并推論綿羊酪蛋白是一種預(yù)防氧化應(yīng)激的天然抗氧化劑。
在病理?xiàng)l件下,機(jī)體內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng)不能有效清除環(huán)境因素(高溫、氧化劑、輻射等)誘發(fā)的ROS,自由基蓄積,通過磷脂酰肌醇3-激酶[PI(3)K/Akt]、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)等信號(hào)傳導(dǎo)通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或增殖等(圖1)。而動(dòng)物源性抗氧化肽可再生體內(nèi)抗氧化物質(zhì),有效清除活性氧和自由基,維持機(jī)體細(xì)胞內(nèi)氧化還原動(dòng)態(tài)平衡,延緩或抑制脂質(zhì)過氧化,螯合過渡區(qū)金屬離子,預(yù)防癌癥、哮喘、肉雞腹水綜合征等氧化應(yīng)激相關(guān)疾病的發(fā)生[13]。
Suetsuna等[14]從酪蛋白酶解液中分離純化獲得活性位點(diǎn)為谷氨酰-亮氨酸(Glu-Leu)、序列為酪氨酰-苯丙氨酰-酪氨酰-谷氨酰-亮氨酸(Tyr-Phe-Tyr-Pro-Glu-Leu,YFYPEL)的小分子肽,該肽段對(duì)超氧陰離子(superoxide anion,·O-2)、羥自由基(hydroxyl radical,·OH)、1,1- 二苯基 -2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical,DPPH)等自由基的清除能力強(qiáng),并有助于抑制食品加工或貯藏過程中的不飽和脂肪酸自氧化。Jia等[15]從復(fù)合蛋白酶水解鱈魚的產(chǎn)物中分離得到DPPH清除率較高的寡肽,而Kim等[16]制備的分子質(zhì)量為1 801 u的抗氧化肽[谷氨酰-絲氨酰-蘇氨酰-纈氨酰-脯氨酰-谷氨酰-精氨酰-蘇氨酰-組氨酰-脯氨酰-丙氨酰-半胱氨酰-脯氨酰-天冬氨酰/天冬酰胺-苯丙氨酰-天冬氨酸/天冬酰胺(ESTVPERTHPACPBFB)]抑制脂質(zhì)過氧化能力高于α-生育酚,且對(duì)·O-2、·OH、DPPH、過氧化氫(H2O2)等自由基清除率高。
圖1 自由基生成及作用途徑Fig.1 The generation and pathway of free radicals[17]
動(dòng)物源性抗氧化肽不僅能夠維持機(jī)體的氧化還原平衡,還參與調(diào)節(jié)淋巴細(xì)胞與單核細(xì)胞的分裂增殖,維持細(xì)胞免疫,對(duì)動(dòng)物機(jī)體免疫調(diào)節(jié)有重要的生理作用。研究表明,用肌肽等動(dòng)物源性抗氧化肽飼喂雞、豬、水產(chǎn)等動(dòng)物,可有效增強(qiáng)動(dòng)物體的免疫力,提高抗病力,進(jìn)而減少死亡率。呂錦芳等[18]等采用不同劑量的肌肽飼喂肉雞,中、大劑量組(40、60 mg/L)的肌肽可顯著促進(jìn)肉雞胸腺、脾臟、法氏囊等免疫器官的生長發(fā)育和提高新城疫抗體滴度水平。周婷婷[19]研究指出,飼糧中添加適量的谷胱甘肽可顯著提高吉富羅非魚血清與肝臟中溶菌酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、一氧化氮合成酶等非特性免疫酶的活性,增加機(jī)體的非特異性免疫能力。研究表明,具有較強(qiáng)抗氧化活性的蠶蛹多肽可有效提高D-半乳糖致衰老小鼠的胸腺指數(shù)、脾臟指數(shù)與血清中白細(xì)胞數(shù),緩解小鼠衰老導(dǎo)致的免疫低下癥狀,加強(qiáng)小鼠的免疫功能[20]。
目前,動(dòng)物源性抗氧化肽在動(dòng)物養(yǎng)殖方面的研究較少,且抗氧化肽的生產(chǎn)成本也限制其在養(yǎng)殖領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。僅有少量研究報(bào)道稱,飼糧中添加肌肽、谷胱甘肽等動(dòng)物源性抗氧化肽可促進(jìn)蛋白質(zhì)合成與細(xì)胞增殖,提高機(jī)體抗氧化酶SOD、過氧化氫酶(CAT)與GPx的沉積,減少組織中脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物(丙二醛、活性氧)含量,降低細(xì)胞的氧化損傷程度,進(jìn)而影響動(dòng)物的生長性能與抗氧化能力。
趙 紅 霞 等[21]研 究 顯 示,飼 糧 中 添 加100 mg/kg谷胱甘肽,可顯著提高草魚初期的日增重和生長速度,提高血液IGF-1水平,介導(dǎo)生長激素促生長效應(yīng),進(jìn)而提高動(dòng)物生長性能,并促進(jìn)魚體營養(yǎng)代謝,提高全魚蛋白質(zhì)含量。Ma等[22]用添加100 mg/kg肌肽的飼糧飼喂育肥豬8周后發(fā)現(xiàn),肌肽能夠提高豬肉的pH,降低滴水損失,提高紅度值,改善肉品質(zhì)。徐浩翔[23]研究表明,飼糧中添加肌肽和維生素E可顯著提高豬肉紅度值,改善肉品質(zhì)。此外,有相關(guān)研究表明,肌肽對(duì)肉雞的生長性能無顯著影響,但能提高胸肌重和腿肌重,降低肌肉剪切力,改善肉品質(zhì)的嫩度和貯存時(shí)間[24]。
熱應(yīng)激是畜禽對(duì)外界高溫環(huán)境所產(chǎn)生的非特異性防御應(yīng)答反應(yīng),嚴(yán)重制約豬、雞等動(dòng)物的生長發(fā)育與繁殖,給全球畜牧養(yǎng)殖業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[25]。研究表明,熱應(yīng)激激活動(dòng)物體內(nèi)的下丘腦-垂體-腎上腺軸,分泌大量兒茶酚胺類激素,致使ROS產(chǎn)量過高,破壞機(jī)體氧化-抗氧化平衡系統(tǒng),進(jìn)而危害畜禽健康[26-27]。目前關(guān)于抗氧化肽作用于熱應(yīng)激的研究甚少,但抗氧化肽具有清除過量ROS并增強(qiáng)機(jī)體抗氧化力的作用,因此可推論動(dòng)物源性抗氧化肽可預(yù)防或延緩熱應(yīng)激的危害。
如圖1所示,在病理?xiàng)l件下,ROS生成與消除失衡,致使ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激破壞DNA、膜脂、蛋白質(zhì)等生物大分子,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,導(dǎo)致機(jī)體健康紊亂,進(jìn)而誘發(fā)癌癥、神經(jīng)變性等疾病[28]。癌癥是當(dāng)前威脅人類生命的主要疾病之一,化療藥物、輻射、手術(shù)等方法并不能有效降低癌癥的死亡率,而抗氧化肽具有抑制惡性細(xì)胞增生的作用,是極具開發(fā)潛力的癌癥預(yù)防或治療藥物。Chen等[29]從毛蚶中分離得到的抗氧化肽H3對(duì)宮頸癌細(xì)胞(HeLa)、肝癌細(xì)胞(HepG2)、大腸癌細(xì)胞(HT-29)半抑制濃度分別為10.8、10.1 和 10.5 μg/mL,表現(xiàn)出顯著的抗腫瘤活性。但抗氧化肽抗癌方面的研究仍停留在體外試驗(yàn)研究階段,體內(nèi)試驗(yàn)或臨床研究甚少,究其原因可能是抗氧化肽的分離純化方法未普及推廣,且長期使用的安全性尚不明確,仍需建立大量的生理模型以研究抗氧化肽對(duì)癌細(xì)胞的生物學(xué)作用。
除以上顯著生物學(xué)功能外,動(dòng)物源性抗氧化肽還表現(xiàn)出抗疲勞、抗衰老、降壓、降血脂、抑制血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(angiotensin converting enzyme,ACE)、抗菌等活性。Davalos等[30]從胃蛋白酶水解蛋清的產(chǎn)物中分離純化得到具有抗氧化和ACE抑制特性的小分子肽[酪氨酰-丙氨酰-谷氨酰-精氨酰-酪氨酰-脯氨酰-異亮氨酰-亮氨酸(YAERYPIL)],Escudero 等[31]從西班牙干腌火腿中獲得的抗氧化肽段可有效調(diào)節(jié)大鼠的原發(fā)性高血壓。這些結(jié)果均證實(shí)了動(dòng)物源性抗氧化肽兼具多種功能特性的可行性,然而抗氧化肽同時(shí)發(fā)揮多種活性的體內(nèi)作用途徑及機(jī)制尚未見確切報(bào)道,仍待進(jìn)一步研究。
動(dòng)物源性抗氧化肽具有清除體內(nèi)自由基的功能,能減輕自由基對(duì)機(jī)體的損傷,并抑制脂質(zhì)過氧化,螯合過渡金屬離子,是一種理想的天然抗氧化劑[32-34]。然而,活性肽發(fā)揮抗氧化活性的作用機(jī)理至今未得到充分闡明,被普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)是活性肽的抗氧化功能與其本身組成、結(jié)構(gòu)及疏水性密切相關(guān)[35]。
氨基酸的種類和組成是活性肽發(fā)揮抗氧化功能的必要條件,這也是許多學(xué)者認(rèn)同的作用模式。因采用的原料、酶、制備條件不同,抗氧化肽的氨基酸組成、序列、結(jié)構(gòu)等有差異,目前研究得到的抗氧化肽分子質(zhì)量大多在500~3 000 u,而發(fā)揮抗氧能力的氨基酸主要有疏水性氨基酸、酸性氨基酸、芳香族氨基酸、含硫氨基酸等。
大部分抗氧化肽在N端包含疏水性氨基酸(纈氨酸、亮氨酸、脯氨酸、酪氨酸、色氨酸等),其非極性脂肪烴側(cè)鏈能夠加強(qiáng)抗氧化肽與疏水性多不飽和脂肪酸互作,促進(jìn)活性肽在脂溶體系中的溶解性,含疏水性氨基酸的肽類通過與氧結(jié)合或抑制脂質(zhì)中氫的釋放,延緩脂質(zhì)過氧化鏈反應(yīng),從而保護(hù)脂質(zhì)體系與膜質(zhì)完整性[36-37]。Liu 等[38]的研究也明確指出含有酪氨酸的二肽具有很強(qiáng)的自由基淬滅能力。除疏水性氨基酸外,酸性氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸等)側(cè)鏈羧基及氨基基團(tuán)與金屬離子螯合,鈍化金屬離子的氧化作用,減弱自由基鏈反應(yīng),達(dá)到抗氧化效果[9,39]。而芳香族氨基酸則是以提供電子的方式將自由基轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的分子形態(tài),并通過共振結(jié)構(gòu)維持其穩(wěn)定性,從而提高自由基清除能力。研究發(fā)現(xiàn),組氨酸咪唑基的降解,向缺電子自由基提供質(zhì)子,誘捕脂質(zhì)過氧化自由基并螯合金屬離子,從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化能力[40]。此外,含硫氨基酸半胱氨酸和蛋氨酸中的巰基將氫轉(zhuǎn)移到高度氧化性的自由基中并使之還原,而在反應(yīng)中生成的硫化物或二硫化物又可與氧氣結(jié)合,預(yù)防組織內(nèi)氧化應(yīng)激的發(fā)生。
研究報(bào)道,活性肽的空間結(jié)構(gòu)對(duì)其發(fā)揮抗氧化功能有重要作用。Chen等[29]和 Chen等[35]將組氨酰-組氨酰-脯氨酰-亮氨酸(HHPL)或亮氨酰-組氨酸(LH)序列轉(zhuǎn)為組氨酰-組氨酰-亮氨酰-脯氨酸(HHLP)或組氨酰-亮氨酸(HL)結(jié)構(gòu),兩者的活性都顯著下降,將脯氨酰-組氨酰-組氨酸(PHH)結(jié)構(gòu)中第2位的L-組氨酸用D-組氨酸替代發(fā)現(xiàn)肽段的抗氧化性顯著下降,并指出氨基酸序列、肽鍵本身以及肽的構(gòu)象可能對(duì)肽的抗氧化性有顯著影響。Chan等[41]利用電子自旋共振研究了肌肽及相關(guān)的含組氨酸的二肽的自由基淬滅能力,也得出相似的結(jié)論。
活性肽的疏水性與其抗氧化功能的發(fā)揮有密切關(guān)系。多數(shù)研究者認(rèn)為抗氧化肽的N端為疏水性氨基酸,C端為親水性氨基酸,但也有學(xué)者得出不同的結(jié)論,這可能與蛋白質(zhì)水解體系、測(cè)定方法等差異相關(guān)。有研究報(bào)道稱N端或C端氨基酸缺失(組氨酸、賴氨酸等)并不影響活性肽的抗氧化能力,但另有研究指出在抗氧化方面N端和C端的末端氨基酸具有協(xié)同或拮抗作用[29,42]。所以活性肽末端氨基酸的疏水性對(duì)抗氧化機(jī)制的作用研究應(yīng)立足于活性肽末端氨基酸缺失,針對(duì)不同底物來源的抗氧化肽,充分考慮末端氨基酸特性對(duì)抗氧化效果的影響。
此外,另有研究報(bào)道指出抗氧化肽的作用機(jī)制可能與肽段的空間構(gòu)象、螺旋程度等相關(guān)??傮w而言,對(duì)抗氧化肽功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系及作用機(jī)制仍需深入研究,但活性肽的總體抗氧化能力并非某個(gè)因素的單獨(dú)作用,應(yīng)歸因于氨基酸序列、種類、構(gòu)象、水解條件等多因子的協(xié)同作用,這也是后續(xù)抗氧化功能效應(yīng)與作用機(jī)理研究的出發(fā)點(diǎn)。
糖尿病、關(guān)節(jié)炎、動(dòng)脈硬化、肉雞腹水綜合征等疾病均與自由基代謝失衡導(dǎo)致的氧化應(yīng)激相關(guān),而適當(dāng)攝入抗氧化肽可有效清除體內(nèi)過剩的ROS,防止脂質(zhì)過氧化,保護(hù)細(xì)胞和線粒體的正常結(jié)構(gòu)和功能,進(jìn)而有效預(yù)防或降低疾病的發(fā)生。而且我國動(dòng)物資源豐富,從肉、蛋、奶等產(chǎn)品及其加工副產(chǎn)物中提取制備動(dòng)物源性抗氧化肽安全性高,可操作性強(qiáng)。加之抗氧化肽具有分子質(zhì)量小、易吸收、活性強(qiáng)等特點(diǎn),在飼料、醫(yī)藥、食品等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而除了肌肽、谷胱甘肽等傳統(tǒng)的具有強(qiáng)抗氧化活性的肽已應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、保健品及飼料外,其他動(dòng)物源性抗氧化肽仍停留在實(shí)驗(yàn)室的生產(chǎn)和提取階段,而且活性肽的體內(nèi)代謝與作用機(jī)制尚未明確。另外,目前大部分對(duì)于蛋白質(zhì)水解物或者抗氧化肽的研究仍止步于體外化學(xué)評(píng)價(jià)法,體內(nèi)檢測(cè)因動(dòng)物福利、倫理等問題而受到諸多限制,無法真正評(píng)估抗氧化肽在人或動(dòng)物體內(nèi)的功效。由此可見,動(dòng)物源性抗氧化肽的研究較為薄弱,仍有水解條件不易控制、分離純化難、生產(chǎn)成本高,檢測(cè)方法不規(guī)范統(tǒng)一、作用機(jī)制不明確等問題亟待解決,這無疑也是今后動(dòng)物源性抗氧化肽研究主攻方向。
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