按文献方法合成了两种Dawson结构的多金属氧酸盐,并对其结构进行紫外光谱和红外光谱分析。 以H6[P2Mo18O62]和H8[P2Mo17Cr(OH2)O61](简写为P2Mo18和P2Mo17Cr)为效应物,采用紫外分光光度法和酶动力学方法研究两种Dawson结构的多金属氧酸盐效应物对蘑菇酪氨酸酶二酚酶活性的抑制作用。 结果表明,P2Mo18和P2Mo17Cr对酪氨酸酶二酚酶均具有显著的抑制效果,测定抑制酪氨酸酶活力下降50%的抑制浓度(IC50)分别为(0.482±0.009) mmol/L和(0.503±0.011) mmol/L。 动力学分析表明,P2Mo18和P2Mo17Cr对酪氨酸酶的抑制作用均表现为可逆的竞争型,抑制常数 KI分别为0.212和0.249 mmol/L。 其中,综合考虑IC50值和抑制常数,P2Mo18对酪氨酸酶二酚酶活性的抑制效果略优于P2Mo17Cr。
Tyrosinase is a complicated copper containing oxidoreductase that is common in microorganism, plants, animals and human body, which plays a crucial role in melanin biosynthesis. Currently researches about tyrosinase inhibitors are mostly focused on natural extracts and organism. However, inorganic Dawson type polyoxometalates as tyrosinase inhibitors have been less reported. Two kinds of Dawson type polyoxometalates were synthesized and characterized by ultraviolet spectroscopy and infrared spectral analysis. The inhibitory effects of H6[P2Mo18O62] and H8[P2Mo17Cr(OH2)O61](abbreviated to P2Mo18 and P2Mo17Cr, respectively) on mushroom tyrosinase were investigated by ultraviolet spectrophotometry and enzymatic kinetics methods. P2Mo18 and P2Mo17Cr have significant inhibitory effects on tyrosinase, and the IC50 values of P2Mo18 and P2Mo17Cr are (0.482±0.009) mmol/L and (0.503±0.011) mmol/L for diphenolase, respectively. Enzymatic kinetics analysis indicates that P2Mo18 and P2Mo17Cr are reversible and competitive inhibitor, and the inhibition constant of P2Mo18 and P2Mo17Cr are 0.212 mmol/L and 0.249 mmol/L, respectively. Considering of IC50 values and inhibition constants, the inhibitory effect of P2Mo18 is slightly better than that of P2Mo17Cr. In conclusion, P2Mo18 and P2Mo17Cr show effective antityrosinase activities. Compared with arbutin, P2Mo18 and P2Mo17Cr have much more inhibitory effects on the diphenolase activity of tyrosinase. This study may provide reference foundation for the further study of the tyrosinase inhibitors, and also offer useful information for the comprehensive utilization of polyoxometalates.
酪氨酸酶(Tyrosinase)又称多酚氧化酶,具有双重催化活性,与黑色素生物合成和果蔬酶促褐变密切相关[1,2,3,4,5]。 黑色素在人体内过量表达会导致一系列色素沉着性疾病,酶促褐会严重影响果蔬风味和营养价值。 研究发现,通过抑制酪氨酸酶的活性在一定程度上可以解决困扰人类的黑色素沉积和果蔬褐变的难题[6,7,8,9]。 因此,寻找安全高效的酪氨酸酶抑制剂对延缓果蔬褐变和抑制黑色素形成具有重大意义。 Yu等[10]报道,喜马拉雅雪松的松针提取物不仅对酪氨酸酶的单酚酶和二酚酶有显著的抑制效果,还具有抗氧化,减缓鲜切果蔬褐变,以及维持果蔬中较高含量的酚类和黄酮类物质的作用。 Ha等[11]研究发现,取代苯亚甲基5-乙内酰脲类似物对酪氨酸酶活性和黑色素形成均有一定的抑制作用。 Anantharaman等[12]通过荧光光谱和分子对接技术研究红木素、降红木素和藏红花素对酪氨酸酶的作用机理,发现这3种效应物均有明显的抑制作用。
多金属氧酸盐(POMs)在催化化学[13,14]、抗癌[15]、抗肿瘤[16,17]、抑菌[18,19,20]和抑酶[5]等方面取得了重大进展,因此,对多金属氧酸盐的结构及其性质的研究已经成为热点。 Lee等[21]研究发现,POMs对胞外核苷酸酶有显著的抑制效果。 结合本实验室研究的Keggin型结构的多金属氧酸盐,发现其不仅对酪氨酸酶具有抑制作用,而且还具有抑菌、减缓果蔬褐变和抑制细胞中黑色素合成的作用[5,22,23,24]。 然而,基于Dawson结构的多金属氧酸盐对酪氨酸酶活性抑制作用的研究较少。 本实验以两种Dawson结构的多金属氧酸盐H6[P2Mo18O62]和H8[P2Mo17Cr(OH2)O61](P2Mo18和P2Mo17Cr)为效应物,研究其对酪氨酸酶二酚酶活性的抑制作用,以期为酪氨酸酶抑制剂的进一步研究提供参考依据,也为多金属氧酸盐的综合利用拓宽思路。
蘑菇酪氨酸酶、 L-3,4-二羟基苯丙氨酸( L-DOPA)和二甲基亚砜(DMSO)购自美国Sigma-Aldrich公司,均为分析纯,其中,酪氨酸酶的活力为5771 U/mg,实验所用其试剂均为分析纯,实验用水均为超纯水。
Cintra2020型紫外可见分光光度计(澳大利亚GBC科学仪器公司);FT/IR-480型傅里叶变换红外光谱仪(日本株式会社JASCO公司);FE20型pH计(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司);CP214型电子天平(美国OHAUS仪器(上海)有限公司)。
1.2.1 P2Mo18和P2Mo17Cr的合成及其结构表征 P2Mo18和P2Mo17Cr的合成参照文献[25,26]的操作方法,略有改进后自行合成。 经紫外可见分光光度计和傅里叶变换红外光谱仪对其进行结构表征,确定其结构。
1.2.2 酶动力学实验 酪氨酸酶活力的测定是基于参考文献[27]的操作方法,稍作修改后进行测定。 酶活力为5771 U/mg的酪氨酸酶和0.5 mmol/L的L-DOPA均溶解于50 mmol/L NaH2PO4-Na2HPO4缓冲液(pH=6.8)中,效应物P2Mo18和P2Mo17Cr溶解于DMSO中。首先将100 μL不同浓度的P2Mo18或P2Mo17Cr加入2.8 mL的底物溶液中混匀,于30 ℃水浴锅中保温10 min,其次倒入1 cm的比色皿中,最后加入100 μL酪氨酸酶水溶液,立即混匀后在475 nm 条件下测定其吸光度随时间的变化曲线,以DMSO为空白对照。
效应物对酪氨酸酶二酚酶的抑制作用均是在3 mL 50 mmol/L NaH2PO4-Na2HPO4缓冲液(pH=6.8)比色皿测活体系中测定的。 抑制效果的测定是通过改变效应物浓度,研究不同浓度的效应物对蘑菇酪氨酸酶活力的影响。 抑制机理是通过改变效应物浓度和酶浓度,研究效应物对酪氨酸酶活力的影响。 抑制类型是通过双倒数作图来测定效应物对酪氨酸酶活力的影响,进一步通过二次作图,以效应物浓度为横坐标,双倒数图中直线斜率和直线在 y轴截距分别为纵坐标,求出抑制常数 KI和抑制常数 KIS[27]。
实验数据均重复3次,平行测定,数据处理采用统计分析软件Excel 2010和SPSS17.0。
两种效应物参照文献[25,26]进行制备。 通过紫外光谱和红外光谱验证效应物的特征峰,由紫外光谱图1可以看出,在210 nm左右有一个明显的吸收谱带;由红外光谱图2可以看出,在700~1100 cm-1之间具有4个特征峰,在1600和3400 cm-1左右也分别具有一个明显的特征峰,与参考文献[25,26]一致。 紫外光谱和红外光谱结果表明,所合成效应物具有Dawson型多金属氧酸盐的结构[25,26]。 进一步通过31P NMR谱(详见辅助材料图S1)验证,P2Mo18有一个化学位移,P2Mo17Cr有两个化学位移,结果与参考文献[25]一致。 证明合成的两种效应物即为P2Mo18和P2Mo17Cr。
在3 mL反应体系中,固定酶浓度和底物浓度,改变加入的效应物P2Mo18和P2Mo17Cr的浓度,测定酶的剩余活力随加入效应物浓度的变化,结果如图3所示。 可见,随着效应物浓度的增加,剩余酶活力逐步下降,表明效应物P2Mo18和P2Mo17Cr对蘑菇酪氨酸酶均具有显著的抑制效果。 当加入的酶溶液浓度为2.887 mg/L,底物L-DOPA浓度为0.5 mmol/L时,0.5 mmol/L的P2Mo18能使酪氨酸酶的剩余酶活力下降至46.97%,而0.5 mmol/L的P2Mo17Cr能使酪氨酸酶的剩余酶活力下降至51.07%。 效应物P2Mo18和P2Mo17Cr的半抑制浓度(IC50)值分别为(0.482±0.009) mmol/L和(0.503±0.011) mmol/L。 结果表明,效应物P2Mo18和P2Mo17Cr对酪氨酸酶二酚酶活性都有显著的抑制作用,但P2Mo18的抑制效果优于P2Mo17Cr,这可能是由于过渡金属铬取代影响了Dawson结构的多金属氧酸盐分子的空间排布,使其对酪氨酸酶的抑制作用发生变化。 芶琳等[28]报道无机化合物硫代硫酸钠对酪氨酸酶单酚酶和二酚酶均有抑制效果,其抑制二酚酶时的IC50值为8.80 mmol/L,效应物P2Mo18和P2Mo17Cr对酪氨酸酶二酚酶的抑制效果均强于无机化合物硫代硫酸钠,这可能是由于不同效应物与酪氨酸酶的铜离子具有不同的螯合能力,因而使其具有不同的抑制能力[29]。 与天然的化妆品添加剂熊果苷(IC50=5.3 mmol/L)相比,P2Mo18和P2Mo17Cr对酪氨酸酶抑制效果更为显著[30]。 结合本实验室已研究的Keggin型H3PW12O40(IC50=1.57 mmol/L)、H4SiW12O40(IC50=2.37 mmol/L)和Na4PMo11VO40(IC50=0.522 mmol/L)及其Dawson型多金属氧酸盐 α/β-K6P2W18O62·10H2O(IC50=0.64 mmol/L),效应物P2Mo18对酪氨酸酶二酚酶的抑制效果最优,P2Mo17Cr次之[22,24,31]。 Dawson型P2Mo18和P2Mo17Cr对酪氨酸酶二酚酶的抑制效果优于 α/β-K6P2W18O62·10H2O,这可能是由于Dawson型磷钨酸盐的溶解性比磷钼酸盐差,使得磷钨酸盐对酪氨酸酶的抑制效果较弱。 Dawson结构的多金属氧酸盐更易与配体形成氢键,具有较稳定的结构,其在一定程度上拓宽了酪氨酸酶抑制剂的研究范围[32]。 酪氨酸酶抑制剂不仅被广泛应用在医疗、化妆品行业,在预防果蔬酶促褐变和水产品保鲜方面也有重要贡献,因而研制新颖高效安全的酪氨酸酶抑制剂具有重大意义。
在3 mL反应体系中,固定底物浓度,改变加入的效应物浓度和酶浓度,测定酶的剩余活力随酪氨酸酶浓度的变化,如图4所示。 可知,5条直线相交于原点,说明这两种效应物P2Mo18和P2Mo17Cr对蘑菇酪氨酸酶二酚酶的抑制机理是可逆的,这可能是由于效应物与酪氨酸酶形成了一个可逆的非共价复合体,通过改变酶的构象导致酶催化效率的降低,从而引起酪氨酸酶失活[33,34]。
在3 mL反应体系中,固定酪氨酸酶浓度,改变加入的效应物浓度和底物浓度,测定不同浓度的P2Mo18和P2Mo17Cr对酪氨酸酶活力的影响,如图5所示。 通过双倒数作图,并以底物浓度的倒数为横坐标,反应速率的倒数为纵坐标作图,得到一组相交于 Y轴的直线。 根据Lou等[35]研究,Lineweaver-Burk双倒数图相交于Y轴时,随着效应物浓度的增加,酶促反应的最大反应速率( vmax)变化趋势较小,米氏常数( Km)随效应物浓度的增加而变大,其抑制类型为竞争型,因此这两种效应物P2Mo18和P2Mo17Cr对蘑菇酪氨酸酶二酚酶的抑制类型是竞争型[36]。 以效应物浓度为横坐标,直线斜率为纵坐标,二次作图,得到效应物P2Mo18和P2Mo17Cr对游离酶抑制常数 KI分别为0.212和0.249 mmol/L。
酪氨酸酶是一种复杂的多功能氧化还原酶,具有双重催化活性,也是黑色素合成的关键酶,与果蔬酶促褐变,以及色素沉着性疾病密切相关。 本实验以L-DOPA为底物,采用紫外分光光度法和酶动力学分析的方法研究了两种Dawson结构的多金属氧酸盐P2Mo18和P2Mo17Cr对蘑菇酪氨酸酶二酚酶的抑制作用,研究表明:P2Mo18和P2Mo17Cr对酪氨酸酶均有明显的抑制效果,其IC50值分别为(0.482±0.009) mmol/L和(0.503±0.011) mmol/L,两种效应物对酪氨酸酶的抑制作用均表现为可逆的竞争型,抑制常数 KI分别为0.212和0.249 mmol/L。 综合考虑IC50值和抑制常数,P2Mo18的抑制效果优于P2Mo17Cr。 Dawson结构的多金属氧酸盐可能作为一种新型高效的酪氨酸酶抑制剂被广泛应用,本文的研究可能为酪氨酸酶抑制剂的研制提供科学的参考,也为多金属氧酸盐的综合利用拓宽思路。 Dawson结构的多金属氧酸盐将可能作为果蔬保鲜防腐剂和水产品保鲜剂被开发利用,本实验尚未进行抗酶褐变及保鲜机理方面的研究,尚不清楚其对果蔬保鲜防腐和水产品保鲜的作用机理,但多金属氧酸盐在果蔬保鲜方面应用已经被广泛报道过。 P2Mo18和P2Mo17Cr对酪氨酸酶具有较好的抑制作用,有望为新型酪氨酸酶抑制剂的研制提供一种思路,也可能为预防果蔬酶促褐变以及促进水产品保鲜等方面做出重要贡献。
辅助材料(Supporting Information)[31P NMR谱图]可以免费从本刊网站(
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
|
[21] |
|
[22] |
|
[23] |
|
[24] |
|
[25] |
|
[26] |
|
[27] |
|
[28] |
|
[29] |
|
[30] |
|
[31] |
|
[32] |
|
[33] |
|
[34] |
|
[35] |
|
[36] |
|