王 敏，徐國輝，趙一靈，王剛強(qiáng)，黃贛輝,

（1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330047；2.江西省撫州市檢驗(yàn)檢測認(rèn)證中心，江西撫州 344000；3.四川樂山天馬晨達(dá)農(nóng)業(yè)有限公司，四川樂山 614500）

黃嘌呤氧化酶（Xanthine oxidase，XOD）是動(dòng)物機(jī)體內(nèi)催化黃嘌呤和次黃嘌呤生成尿酸的關(guān)鍵酶[1]。過多的尿酸會(huì)進(jìn)一步造成高尿酸血癥，長遠(yuǎn)來看，高尿酸血癥還可誘發(fā)高血壓、糖尿病和腎功能衰竭等疾病[2]。如何有效抑制XOD活性一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前，市場上用于治療高尿酸血癥的西藥主要為別嘌呤醇和非布索坦（Febuxostat）等，這類藥物雖然可以有效地抑制XOD活性從而降低體內(nèi)尿酸的含量，但長期服用會(huì)伴隨腹瀉、皮疹和頭暈等副作用的產(chǎn)生[3]。因此，尋找天然、有效、安全和廉價(jià)的XOD抑制劑至關(guān)重要。

金絲桃苷（Hypericin，HYP）是一種廣泛存在于黃蜀葵花中的天然膳食黃酮，其化學(xué)結(jié)構(gòu)為槲皮素-3-O-β-D-吡喃半乳糖苷[4]。現(xiàn)代研究表明金絲桃苷具有抗氧化、抗癌、抗疲勞等多種功效[5-6]，關(guān)于其抑制XOD的特性尚缺乏報(bào)道。因此，研究金絲桃苷與XOD的相互作用在XOD抑制劑的挑選中具有重要意義。目前，國內(nèi)外主要利用酶動(dòng)力學(xué)[7]、多光譜法[8]和分子對接[9]技術(shù)由表及里、從現(xiàn)象到機(jī)理來系統(tǒng)地分析小分子物質(zhì)與蛋白酶的相互作用，通過這些方法可以分析得到小分子與蛋白酶的結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點(diǎn)、作用力類型以及作用過程中發(fā)生的構(gòu)象變化等信息。而在實(shí)際應(yīng)用中，除上述方法外，三維熒光光譜法可以利用三維投影圖和二維等高線圖提供直觀的猝滅信息[8]。如胡鵬[10]利用三維熒光光譜法研究了幾種多酚對牛乳蛋白的猝滅機(jī)制。但三維熒光光譜法、酶動(dòng)力學(xué)法和分子對接還尚未應(yīng)用于金絲桃苷和XOD的相互作用之中。因此，有必要結(jié)合多種研究方法從分子相互作用角度系統(tǒng)研究金絲桃苷對XOD活性的抑制作用，從而拓寬和提升金絲桃苷在膳食和醫(yī)藥領(lǐng)域的資源化利用。

本文以金絲桃苷和XOD為對象，采用酶抑制動(dòng)力學(xué)來分析金絲桃苷對XOD活性的抑制作用，并通過多種熒光光譜法、紫外吸收光譜法和圓二色譜法探究金絲桃苷對XOD空間構(gòu)象的影響，進(jìn)一步采用分子對接技術(shù)預(yù)測金絲桃苷與XOD相互作用過程中分子作用力類型、結(jié)合位點(diǎn)、結(jié)合能量的變化。該研究旨在從分子層面上初步揭示金絲桃苷抑制XOD活性的機(jī)理，為金絲桃苷在開發(fā)具有潛力的功能性食品或藥品方面提供實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金絲桃苷（純度98%） 上海源葉生物科技有限公司；黃嘌呤氧化酶（Grade 1，from bovine milk，≥0.4 units/mg protein）、非布索坦和黃嘌呤 美國Sigma公司。

BSA124S電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；Multiskan FC酶標(biāo)儀 上海賽默飛儀器有限公司；F-4500熒光分光光度計(jì) 日本日立有限公司；Cary 60紫外可見分光光度計(jì) 美國安捷倫公司；J-1700圓二色譜 日本分光（JASCO）公司；Auto Dock Tool軟件。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 抑制動(dòng)力學(xué) 參照Lin等[11]方法，并作適當(dāng)修改。將金絲桃苷（200 μL，0～200 μmol/L），黃嘌呤（400 μL，2 mmol/L）和XOD（50 μL，0.5 U/mL）進(jìn)行混合。孵育10 min后加入NaOH（100 μL，1.0 mol/L）終止反應(yīng)。利用酶標(biāo)儀在295 nm處測定吸光值。抑制率計(jì)算公式為：

式中：A1為不含金絲桃苷的陽性空白體系的吸光度；A2是樣本組的吸光度；非布索坦為陽性對照。

參照上述方法，固定黃嘌呤濃度（2 mmol/L），隨著XOD濃度（0～0.5 U/mL）的增加，分別測定不同濃度下金絲桃苷抑制XOD的酶促反應(yīng)速率；固定XOD的濃度（0.5 U/mL），隨著黃嘌呤濃度（10～80 μmol/L）的增加，分別測定不同濃度反應(yīng)體系下的酶促反應(yīng)速率。由酶促反應(yīng)速率（v）與XOD濃度[XOD]繪制的曲線可以評價(jià)抑制XOD的可逆性，以Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法可以判斷抑制類型，具體計(jì)算公式為[12-13]：

式中：v為有無金絲桃苷時(shí)XOD的催化反應(yīng)速率；Km和Ki代表Michaelis-Menten常數(shù)和抑制常數(shù)；Vmax為XOD的最大反應(yīng)速率；[I]和[S]分別為金絲桃苷和黃嘌呤的濃度；α是表觀系數(shù)。經(jīng)二次計(jì)算后，斜率和y軸截距與[I]的曲線是線性擬合的，表明此時(shí)只有一種或一類抑制位點(diǎn)存在[14]。

1.2.2 普通熒光光譜分析 參考Liu等[15]的方法，并作適當(dāng)修改。金絲桃苷（100 μL，100～500 μmol/L）和XOD（2 mL，0.1 U/mL）充分混合，空白對照是Tris-HCI緩沖液。將各反應(yīng)溶液置于298、305和312 K溫度下孵育5 min后進(jìn)行掃描。激發(fā)和發(fā)射波長分別設(shè)置為280、300～500 nm，狹縫寬度為5 nm，掃描速率為700 nm/min。

1.2.3 同步熒光光譜分析 溶液配制方法同1.2.2。不同的是，在250～350 nm的波長范圍內(nèi)，Δλ（λem～λex）值調(diào)整為15和60 nm。由如下公式計(jì)算同步熒光猝滅率（RSFQ）：

式中：F和F0分別為有無金絲桃苷時(shí)XOD的熒光強(qiáng)度。

1.2.4 三維熒光光譜分析 參照Li等[8]的方法，并作適當(dāng)修改。金絲桃苷（100 μL，300 μmol/L）和XOD（2 mL，0.1 U/mL）充分混合，空白溶液代表XOD的熒光光譜。在發(fā)射波長和激發(fā)波長范圍分別為230～600、200～360 nm，增量10 nm的條件下測定各反應(yīng)溶液的熒光強(qiáng)度。

1.2.5 紫外吸收光譜 參照Sarmah等[16]的方法，并作適當(dāng)修改。金絲桃苷（200 μL，100～500 μmol/L）和XOD（3 mL，0.1 U/mL）充分混合后孵育5 min。波長范圍設(shè)置為200～500 nm，用紫外吸收光譜儀對各反應(yīng)溶液進(jìn)行測定。

1.2.6 圓二色譜 參照Li等[17]的方法，并作適當(dāng)修改。簡而言之，金絲桃苷（0.5 mL，12.5～100 μmol/L）與XOD（0.5 mL，0.1 U/mL）的混合物在波長為200～250 nm，掃描速度100 nm·min-1條件下進(jìn)行掃描。測定結(jié)果導(dǎo)入SELCON3應(yīng)用程序（http://dichr oweb.cryst.bbk.ac.uk/html/home.shtml），分 析XOD不同二級結(jié)構(gòu)的含量變化。

1.2.7 分子對接 Auto Dock Tool軟件可以預(yù)測金絲桃苷與XOD的相互作用信息[18]。配體小分子從ZINC數(shù)據(jù)庫中獲取，XOD（PDB code：1FIQ）的三維晶體結(jié)構(gòu)從Protein Data Bank數(shù)據(jù)庫下載。在對接軟件上刪除XOD的A、B鏈以及原始配體非布索坦，僅保留C鏈和MOS，并設(shè)置C鏈的活性中心坐標(biāo)為（X，Y，Z）=（24.645，15.383，108.204）。經(jīng)前處理和指令運(yùn)行后，根據(jù)結(jié)合能（Eb）越低，結(jié)合越穩(wěn)定的原理對對接結(jié)果進(jìn)行分析[19]。將HYP-XOD配合物的主導(dǎo)構(gòu)象導(dǎo)入PYMOL軟件進(jìn)行繪圖[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 金絲桃苷對XOD的抑制分析

體外測定不同濃度金絲桃苷對XOD的抑制結(jié)果表明，金絲桃苷的IC50值為（162.059±2.291）μmol/L，遠(yuǎn)高于陽性對照非布索坦（0.222±0.019）μmol/L。這說明金絲桃苷具有一定的抑制作用，可能是一種有效的XOD抑制劑。推測其抑制能力與化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)：金絲桃苷A環(huán)的5'，7'位置和B環(huán)的3'，4'位置上含有羥基，以及C環(huán)3'位置上連接的葡糖基外圍有四個(gè)羥基，這些有利的羥基可能決定著XOD的抑制能力[12,21]。

金絲桃苷介導(dǎo)的抑制劑的抑制可逆性由酶動(dòng)力學(xué)曲線圖判斷。圖1A顯示，每條直線都經(jīng)過原點(diǎn)，且隨著金絲桃苷濃度的增加，其斜率逐漸減小，這表明金絲桃苷以可逆的方式抑制XOD活性，且金絲桃苷抑制XOD是由黃嘌呤氧化引起的酶活性總體下降引發(fā)的，而不是有效酶數(shù)量的減少[22]。

Lineweaver-Burk圖可判斷金絲桃苷對XOD的抑制類型。由圖1B可看出，每條直線的斜率和截距都不同，但都相交于第二象限，這說明金絲桃苷是通過混合競爭的方式來抑制XOD的。對斜率Slope（1C）和y軸截距Y-intercept（1D）與抑制劑濃度[I]進(jìn)行二次計(jì)算后，得知Ki值和α值分別為（18.079±0.154）和（8.027±0.031）μmol/L，這表明金絲桃苷與游離XOD的結(jié)合比與XOD配合物的結(jié)合更容易且更緊致。此外，斜率Slope與抑制劑濃度[I]線性擬合狀態(tài)良好，表明金絲桃苷對XOD只有一個(gè)或一類抑制位點(diǎn)[11]。

圖 1 不同金絲桃苷濃度下的動(dòng)力學(xué)曲線圖Fig.1 Enzyme kinetic curves of hypericin at different concentrations

圖 2 不同金絲桃苷濃度下的熒光猝滅曲線圖Fig.2 Fluorescence quenching curves of hypericin at different concentrations

2.2 熒光猝滅分析

基于上述實(shí)驗(yàn)中測定的抑制動(dòng)力學(xué)結(jié)果，熒光猝滅分析將提供更多關(guān)于相互作用過程中的信息，如結(jié)合機(jī)制、結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點(diǎn)等[23]。眾所周知，熒光猝滅是指由于某些過程使樣品的熒光強(qiáng)度減弱，包括多種分子相互作用，如激發(fā)態(tài)絡(luò)合物形成（靜態(tài)猝滅）和碰撞淬滅（動(dòng)態(tài)淬火）。當(dāng)激發(fā)波長為280 nm時(shí)，可測定色氨酸（Trp）和酪氨酸（Tyr）兩種氨基酸殘基的熒光強(qiáng)度，由Stern-Volmer方程表示為：

式中：F0為XOD的熒光強(qiáng)度；F為加入猝滅劑后的熒光強(qiáng)度；[Q]為金絲桃苷的濃度；Kq為猝滅速率常數(shù)；τ0（10-8s）為未加入猝滅劑時(shí)熒光團(tuán)的平均壽命；Ksv是Stern-Volmer猝滅常數(shù)。

如圖2A所示，隨著金絲桃苷濃度的增加，XOD的熒光強(qiáng)度逐漸被猝滅，發(fā)射峰的位置略有移動(dòng)，這是金絲桃苷與XOD發(fā)生相互作用的直接證據(jù)。由圖2B可知，隨著溫度的升高，Kq值（在298、305和312 K下，分別為4.92、4.63和3.94×1010L·mol-1·s-1）遠(yuǎn)大于最大散射碰撞猝滅常數(shù)（2×1010L·mol-1·s-1），說明金絲桃苷對XOD的熒光猝滅機(jī)制為靜態(tài)猝滅而非動(dòng)態(tài)猝滅，且進(jìn)一步說明了金絲桃苷與XOD形成了配合物，在較高溫度下，HYP -XOD配合物的穩(wěn)定性會(huì)減弱。

結(jié)合強(qiáng)度（結(jié)合常數(shù)Ka）和結(jié)合位點(diǎn)（n）由雙對數(shù)方程得到：

根據(jù)圖2C中l(wèi)g[（F0-F）/F]與lg[Q]的回歸曲線的截距和斜率，計(jì)算出三種溫度下HYP-XOD配合物的Ka和n值（見表1）。較高的Ka值（105L/mol）和較高的線性相關(guān)系數(shù)表明HYP-XOD配合物具有很強(qiáng)的親和力；n值在不同溫度下近似等于1，這些結(jié)果說明金絲桃苷在XOD上只有一個(gè)或一類結(jié)合位點(diǎn)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)論與上述酶動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

表1 不同溫度下金絲桃苷與XOD相互作用的結(jié)合常數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)Table 1 Bind constants and thermodynamic parameters for the interaction of XOD with hypericin at different temperatures

2.3 熱力學(xué)參數(shù)測定

配體與大分子結(jié)合的驅(qū)動(dòng)力主要有氫鍵、范德華力、靜電引力和疏水作用力[24]。反應(yīng)系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)如焓變（△H0）、熵變（△S0）和自由能變化（△G0），通常是判斷作用力類型的主要依據(jù)，由Van’t Hoff方程可得：

式中：Ka為結(jié)合常數(shù)（298、305、312 K）；T為實(shí)驗(yàn)溫度；R為氣體常數(shù)，8.314 J/mol·K。

當(dāng)ΔH0＞0和ΔS0＞0時(shí)，表示主要驅(qū)動(dòng)力為疏水作用力；ΔH0＜0和ΔS0＜0則表示主要驅(qū)動(dòng)力為范德華力和氫鍵；ΔH0＜0和ΔS0＞0則為靜電相互作用[25]。通過計(jì)算ΔH0和ΔS0的正負(fù)性可以發(fā)現(xiàn)（表1），范德華力和氫鍵是HYP-XOD配合物形成的主要驅(qū)動(dòng)力；ΔG0＜0說明金絲桃苷與XOD的結(jié)合過程是自發(fā)的。這些結(jié)果表明，金絲桃苷在與XOD結(jié)合的過程中通過形成范德華力和氫鍵作用力改變了XOD的空間構(gòu)象，在此有必要進(jìn)一步探討金絲桃苷對XOD構(gòu)象的影響。

2.4 同步熒光光譜分析

同步熒光光譜已成為一種觀測蛋白酶構(gòu)象變化的理想手段。當(dāng)設(shè)置測量波長間隔（Δλ）分別為15和60 nm時(shí)，可以提供XOD中酪氨酸（Tyr）和色氨酸（Trp）殘基的特征信息，從而可以解釋發(fā)色團(tuán)分子周圍極性和疏水性的變化[15]。

圖2D和圖2E顯示了金絲桃苷在XOD上的同步熒光光譜。由圖可知，XOD的熒光強(qiáng)度隨金絲桃苷的加入而有規(guī)律地降低，這再一次說明了結(jié)合過程中發(fā)生了熒光猝滅。隨著金絲桃苷的加入，親水性氨基酸Tyr殘基的最大熒光發(fā)射峰沒有發(fā)生位移，而疏水性氨基酸Trp殘基的最大熒光發(fā)射峰則出現(xiàn)輕微的紅移（281.2到282.0 nm）。這一現(xiàn)象表明：金絲桃苷的加入改變了XOD中疏水性氨基酸Trp殘基附近的微環(huán)境，使得Trp殘基所處的微環(huán)境疏水性略微增強(qiáng)，從而影響XOD的空間構(gòu)象。此外，通過計(jì)算Tyr和Trp殘基的RSFQ值（圖2F）發(fā)現(xiàn)，在同樣的條件下，Trp的RSFQ值顯著（P＜0.05）高于Tyr，說明Trp殘基對XOD的熒光猝滅有較好的促進(jìn)作用，金絲桃苷與XOD活性部位的Trp殘基接近，而不靠近Tyr殘基[26]。

圖 3 XOD體系和HYP-XOD體系的三維熒光光譜及二維等高線圖Fig.3 Three-dimensional fluorescence spectra and corresponding contour maps of XOD and HYP-XOD systems

2.5 三維熒光光譜

三維熒光光譜可以充分顯示蛋白酶的熒光信息[27]。由XOD（圖3A和圖3B）和HYP-XOD配合物（圖3C和圖3D）的三維熒光光譜可以看到，有一個(gè)類似“脊”的瑞利散射峰（峰a）和兩個(gè)類似“竹筍”的熒光峰（峰1和峰2）。峰1代表蛋白酶上的內(nèi)源熒光特征峰，峰1的變化反映了蛋白酶三級結(jié)構(gòu)的變化；峰2是由蛋白質(zhì)多肽的碳骨架π→π*躍遷引起的，峰2的強(qiáng)度反映蛋白酶二級結(jié)構(gòu)的變化[11]。其中XOD和HYP-XOD配合物的熒光強(qiáng)度分別為411.0和272.5；隨著金絲桃苷的加入，峰1和峰2強(qiáng)度明顯降低。HYP-XOD配合物強(qiáng)度變化越大，表明金絲桃苷可能極大的改變了XOD的空間構(gòu)象。此外，隨著金絲桃苷的加入，峰1和峰2的位置有輕微移動(dòng)，說明金絲桃苷和XOD相互作用導(dǎo)致蛋白質(zhì)多肽鏈發(fā)生輕微的解折疊，從而使XOD的空間構(gòu)象發(fā)生變化，這和文獻(xiàn)報(bào)道的茶多酚能和乳球蛋白相互作用導(dǎo)致蛋白發(fā)生解折疊的結(jié)論一致[28]。

2.6 紫外吸收光譜

為了進(jìn)一步驗(yàn)證猝滅機(jī)制，紫外可見吸收光譜已經(jīng)成為評估蛋白酶構(gòu)象變化的有用方法[15]。如圖4A所示，XOD的紫外可見吸收光譜圖中有兩個(gè)明顯的吸收峰，最大吸收峰分別位于Band Ⅰ的376 nm和Band Ⅱ的266 nm處。隨著金絲桃苷濃度的增加，Band Ⅰ和Band Ⅱ的吸收值逐漸增大。據(jù)了解，靜態(tài)猝滅可以增加或減少蛋白酶的吸收光譜，而動(dòng)態(tài)猝滅只會(huì)影響熒光團(tuán)的激發(fā)態(tài)，不改變蛋白酶的吸收光譜[15]。吸光值的增加可能是由于金絲桃苷與XOD相互作用時(shí)引起某些氨基酸殘基的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所致。由此可知，結(jié)果再次證明金絲桃苷與XOD結(jié)合是靜態(tài)猝滅過程。

圖 4 不同金絲桃苷濃度下的紫外吸收光譜和圓二色譜圖Fig.4 UV-vis absorption spectra and CD spectra of hypericin at different concentrations

2.7 圓二色譜分析

CD光譜可以定量分析金絲桃苷介導(dǎo)的XOD的二級結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述XOD二級結(jié)構(gòu)的具體變化值[16]。在216 nm附近有一個(gè)負(fù)峰（圖4B），這是二級結(jié)構(gòu)β-折疊的特征峰，負(fù)峰強(qiáng)度隨著金絲桃苷濃度的增加而逐漸降低，說明金絲桃苷可以改變XOD的二級結(jié)構(gòu)。由表2可知，α-螺旋和無規(guī)則卷曲的含量分別從8.2%增加到17.5%、26.4%增加到34.2%；β-折疊和β-轉(zhuǎn)角的含量分別從44.8%減少到29.9%、20.6%減少到18.3%。由此推測，金絲桃苷引起的構(gòu)象變化可能會(huì)阻止黃嘌呤（底物）與XOD活性域（Mo-pt）的結(jié)合，從而阻止催化反應(yīng)的發(fā)生。此外，我們還發(fā)現(xiàn)XOD以β-折疊結(jié)構(gòu)為主，這與Zhang等[1]的報(bào)道一致。

表2 CD光譜分析金絲桃苷對XOD二級結(jié)構(gòu)含量的影響Table 2 Effect of the content secondary structure of hypericin on XOD by CD spectra

2.8 分子對接

分子對接可以預(yù)測小分子（膳食黃酮）與XOD之間的相互作用，且可直觀看到兩者間相互作用的具體形式。從理論上講，活性中心一旦與抑制劑結(jié)合，周圍的大部分空間就會(huì)被堵塞，此時(shí)將會(huì)阻礙黃嘌呤（底物）的著落，最終阻止XOD發(fā)生催化反應(yīng)[10]。圖5顯示了金絲桃苷與XOD的結(jié)合，金絲桃苷與大量氨基酸殘基（GLN767, GLY797, PHE798, GLY913,MET1038, GLN1040, LEU1042, LYS1045, ALA 1078, ALA1079, SER1080, VAL1081, SER1082,ASP1084, GLN1194, ALA1258, GLU1261）形成范德華力，這些范德華力可能有利于形成穩(wěn)定空腔，相關(guān)殘基均在活性域內(nèi)。C-4'上的羥基與殘基THR1083形成氫鍵（?=2.3），說明氫鍵是金絲桃苷與XOD結(jié)合的另一個(gè)主要作用力。這些結(jié)果表明，在金絲桃苷與XOD的非共價(jià)相互作用中，范德華力和氫鍵是主要作用力，證實(shí)了上述熱力學(xué)參數(shù)分析的正確性。

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，金絲桃苷主要以氫鍵和范德華力與XOD的催化活性區(qū)域發(fā)生相互作用，并以混合競爭的方式抑制XOD的活性；金絲桃苷在與XOD結(jié)合的過程中使得發(fā)色團(tuán)XOD發(fā)生熒光猝滅效應(yīng)，且隨著猝滅劑濃度的增加，XOD的熒光強(qiáng)度逐漸減弱；金絲桃苷的加入改變了XOD的二級結(jié)構(gòu)，其中α-螺旋和無規(guī)則卷曲的含量增加，β-折疊和β-轉(zhuǎn)角的含量減少。這些結(jié)果均說明金絲桃苷能夠有效地抑制XOD活性。接下來將進(jìn)一步通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床研究對金絲桃苷抑制XOD的藥代動(dòng)力學(xué)以及藥物安全性進(jìn)行探討，希望能將金絲桃苷作為一種有用的膳食黃酮真正應(yīng)用于高尿酸血癥患者的飲食當(dāng)中。