采用紫外分光光度儀測定茄尼醇的紫外透光率、體外清除自由基和酪氨酸酶活性抑制率,從三個方面探討茄尼醇抗氧化和抑制酪氨酸酶的作用機制。觀察了茄尼醇的最小紫外透光率及紫外透光率的日變化規律,參照Smirnoff反應方法建立反應體系模型來檢測對羥基自由基(·OH)的清除力,采用鄰苯三酚自氧化法檢測對超氧陰離子自由基(O2-·)的清除力,還利用酶動力法研究了茄尼醇對酪氨酸酶活性的抑制作用。實驗結果表明:茄尼醇能有效吸收紫外輻射,有效清除脂質自由基而阻斷脂質過氧化,以及有效抑制酪氨酸酶。茄尼醇為天然提取物,可望用于抑制皮膚衰老及老年斑形成。
引用本文: 白琦, 余佳, 粟梅, 白瑞, 勝間田五郎, 勝間田將寬, 陳修身. 茄尼醇抗氧化和酪氨酸酶抑制作用研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(4): 833-836,841. doi: 10.7507/1001-5515.20140156 復制
引言
茄尼醇(solanesol)廣泛存在于茄科植物、桑葉、馬鈴薯中,尤以煙草(Nicotianatabacum)葉片中的含量最高(0.5%~1.2%),Rowland等于1956年首次將其從煙熏煙葉中分離出來,1959年Frickson等用核磁共振譜證明茄尼醇由9個異戊二烯單元組成的三倍半萜烯伯醇具有抗潰瘍、消炎等作用,是重要的藥物中間體,它特殊的全反式鏈節結構具有脂質抗氧化作用。
人體內的自由基主要是氧自由基[1],體內活性氧自由基具有一定的功能,如免疫和信號傳導過程中,它能消滅某些侵入人體的微生物或不正常細胞。但是,過多的活性氧自由基會對人體造成破壞。自由基能自由行走于體內并捕獲電子,因而殺傷力很強,可以毫無選擇地攻擊細胞膜、細胞及組織,引起連鎖性的過氧化反應,使得人體內部產生退化性病變,例如血管壁變薄變脆、細胞老化、免疫系統衰退、白內障、退化性關節炎、心臟病、老年癡呆癥、皮膚下垂、肌肉萎縮、老年斑等。此外,外界環境中的陽光輻射、空氣污染、吸煙、農藥等都會使人體產生更多活性氧自由基。因此,過多的活性氧自由基是人類衰老和患病的根源之一。
酪氨酸酶是一種含有銅的多酚氧化物,廣泛分布于微生物、動植物及其人體內,是合成黑色素的關鍵酶。在有氧氣存在的條件下,它能夠催化單酚羥化為鄰二酚,并把鄰二酚氧化成鄰醌(二酚酶活性),醌在非酶促條件下可形成反應終產物黑色素。酪氨酸酶的活性與黑色素合成量相關,控制其活力即可控制黑色素的生成量。這與人體色素沉著性疾病有著密切關系。
中國是世界上最大的煙草生產國,占全球35%以上。我國對煙葉的利用方式比較單一,至今仍沿襲傳統的生產模式,專用于制作卷煙、旱煙、水煙及雪茄煙等一類非生活必須的嗜好品,而沒有充分發揮其多種功效的生物學特性。而且,吸煙導致多種疾病,嚴重危害公眾健康,已成為我國面臨的最突出的公共衛生問題之一。因此,合理開發、綜合利用煙草,已成為我國煙草行業面臨的重要課題。本課題組前期通過人體皮膚試用發現煙草中的茄尼醇具有較強的抗紫外線輻射能力和抑制皮膚衰老及老年斑的功效。本文將從三個方面(抗紫外線輻射物理測定、清除自由基、抑制酪氨酸酶)體外研究茄尼醇抗氧化和抑制酪氨酸酶的作用機制。
1 材料與方法
1.1 儀器
紫外可見分光光度計(UV-3100 PC,上海美普達儀器有限公司),電子天平(ER-182A,感量0.000 01,日本),HS6150D超聲波脫氣儀(天津恒奧公司)。
1.2 試劑
茄尼醇(雅安勝間田生物技術有限公司提供,90%),維生素C(Vc,純度≥99.7%,成都市科龍化廠),酪氨酸酶(polyphenol oxidase,Worthington公司,活力單位25 Ku)、L-3,4-二羥基苯氨酸(L-DOPA)(上海源葉生物科技有限公司,純度≥98%),磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、磷酸、過氧化氫、鄰苯三酚、鹽酸、乙醇、蒸餾水等均為國產分析純。
1.3 方法
1.3.1 茄尼醇紫外透光率及其日變化分析
用95%乙醇配制0.06 mg/mL的茄尼醇、Vc和維生素E(Ve),在216 nm比較透光率日變化規律[2-5](時間9∶00~17∶00)。
1.3.2 茄尼醇體外處理作用對比
由于豬和人的皮膚組織結構和上皮修復再生過程十分相似,本實驗選用新鮮帶皮豬肉兩塊,一塊使用茄尼醇作外層涂抹處理,一塊不處理,在自然條件下放置,分別在冬季和夏季做外觀形態對照實驗。
1.3.3 茄尼醇體外抗氧化活性分析
① 清除羥基自由基(·OH)活性的測定[6]。 參照Smirnoff反應方法建立反應體系模型,通過測定樣品反應后吸光度值,計算其對羥基自由基的清除力。精密稱取茄尼醇2 mg,用無水乙醇定容100 mL容量瓶的樣品溶液進行實驗。在10 mL具塞比色管反應體系中加入9 mmol/L FeSO4和9 mmol/L的水楊酸-乙醇溶液各1 mL,混勻,加入1 mL 8.8 mmol/L H2O2啟動反應。37 ℃保溫0.5 h,以蒸餾水為參比液,在510 nm測定吸光度值,所測得的數據為損傷管的吸光度(A損)。未損傷管以1.0 mL蒸餾水代替損傷管中的雙氧水,操作方法同損傷管,測得在510 nm未損傷管的吸光度值(A未)。樣品管以1.0 mL樣品溶液代替損傷管中的1.0 mL H2O2,操作方法同損傷管,可測得在510 nm樣品管的吸光度(A樣)。羥基自由基清除率(%)=(A樣-A損)/(A未-A損)×100%。每一份樣品平行測定3次,以Vc為對照組考察其抗氧化活性及量效關系。② 超氧陰離子自由基(O2-·)清除能力的測定[7]。溶液配制:取50 mmol/L pH8.2 Tris-HCl緩沖液4.43 mL以及樣品濃度分別為20、40、60、80、100 mg/L的茄尼醇(實驗組)或Vc(對照組)各0.5 mL,分別混合后在25 ℃水浴中保溫20 min;取出后立即加入25 ℃預熱過的10 mmol/L鄰苯三酚70 μL搖勻后反應4 min;再向其中加入8 mol/L鹽酸100 μl來終止反應。在420 nm下測定實驗組和對照組的吸光度值,根據吸光度值變化速率得出茄尼醇對O2-·的清除能力,即清除率K(%)=[(V自氧化-V樣品)/V自氧化]×100%,式中V自氧化指鄰苯三酚自氧化速率,V樣品指加入樣品后鄰苯三酚氧化速率。
1.3.4 酪氨酸酶抑制率的測定
在pH=6.8的緩沖液體系中[8],以L-DOPA(濃度0.01 mmol/L)為底物,加入一定量的酪氨酸酶溶液(濃度0.05 mg/mL)及茄尼醇溶液(濃度梯度為0.01、0.05、0.15、0.30、0.50、0.70、0.90 mg/mL),體積按表 1加入,用吸管準確吸取A1、A2、B、C四組反應液,其中A1、A2為陰性對照組,B、C分別為實驗組和標準對照組;每組各設3個平行試管,充分混勻后,在37 ℃水浴中溫育 30 min,迅速轉至比色皿中,于475 nm處測定吸光度值。在測量吸光度值時,B、C兩組分別以A1、A2調零。

根據以下公式計算酪氨酸酶的抑制率(I%): I(%)=[(A-B)/A]×100%,其中A為C組反應液在475 nm下的吸光度值;B為B組反應液在475 nm下的吸光度值。抑制率越高表明其對酪氨酸酶活性的抑制強度越高。
1.3.5 酪氨酸酶活性的測定
將茄尼醇分別配成濃度為0.05、0.10、0.20 mg/mL的溶液。以0.01 mmol/L的L-DOPA為底物,加入3 mL磷酸鹽緩沖液(pH=6.8),在37 ℃水浴中溫浴10 min后,再加入1 mL不同濃度的茄尼醇溶液(對照組加入1 mL去離子水)和1 mL 0.05 mg/mL酪氨酸酶溶液,在475 nm處測定各濃度茄尼醇組和對照組的吸光度值[9-10](每分鐘測定一次)。得出的結果用Excel處理,作出酪氨酸酶催化反應體系的OD475隨時間增長的直線曲線,由直線的斜率即可求得酶活性。
1.3.6 茄尼醇對酪氨酸酶抑制機制分析
考察茄尼醇抑制酪氨酸酶的抑制機制時,在酶活性測定體系中,固定底物L-DOPA的濃度為0.01 mmol/L,加入不同濃度的茄尼醇溶液(0、0.05、0.10、0.15、0.20 mg/mL),同時改變酶的加入量,測定不同濃度茄尼醇對酪氨酸酶催化氧化L-DOPA能力的影響。
2 結果與分析
2.1 茄尼醇紫外透光率及其日變化分析
結果如圖 1所示。從透光率日變化分析,茄尼醇具有抗紫外線輻射穩定性,可作為一種天然的抗輻射材料。

2.2 茄尼醇處理與未處理帶皮豬肉
結果如表 2所示。

2.3 茄尼醇組與對照組清除羥基自由基的效果
結果如圖 2所示。茄尼醇組與對照組清除·OH的效果相當。

2.4 茄尼醇組與對照組清除超氧陰離子自由基的效果
結果如圖 3所示。茄尼醇組與對照組清除O2-·的效果相當。

2.5 酪氨酸酶抑制率的測定
由圖 4可知,茄尼醇對酪氨酸酶的抑制率隨著濃度的增大而增強,當茄尼醇濃度為0.90 mg/mL時,抑制率達到97.24%。用曲線擬合計算出茄尼醇導致酶活性下降一半所需的抑制劑量(IC50)為0.051 2 mg/mL。

2.6 酪氨酸酶活性的測定
由圖 5可知,酶催化L-DOPA反應不存在遲滯效應。隨著茄尼醇濃度的增大,曲線的斜率不斷下降,相對酶活性也降低,即酶催化L-DOPA的速率不斷降低,說明茄尼醇可抑制酪氨酸酶活性。

2.7 茄尼醇對酪氨酸酶的抑制機制分析
由圖 6可知,隨著加入的茄尼醇濃度的增大,直線的斜率下降,說明茄尼醇對酪氨酸酶的抑制作用屬于可逆過程;進一步表明茄尼醇通過抑制酶活性導致了催化效應的降低,而不是通過降低有效酶量導致酶活性下降。

3 討論
紫外線輻射作用于皮膚表面可造成皮膚彈性降低、老化、褐變等傷害,而紫外線是皮膚自由基的主要來源,可引起色素沉積或導致皮膚癌變。本研究顯示茄尼醇對紫外線的抑制率可達90%以上,而且抗輻射效果隨時間的衰減較為緩慢。
紫外線輻射可使細胞產生活性氧和自由基,自由基是化合物分子中的共價鍵在皮膚代謝過程中發生均裂后形成的外層軌道有不成對電子的原子或原子團,具有很強的活性。本研究探討了茄尼醇體外抑制超氧自由基的效果,抑制率達到85%以上,并呈量效關系。由于茄尼醇的脂溶性,決定了它可在脂質部分發揮清除自由基的作用。因此,天然的茄尼醇是理想的皮膚保健材料。
老年斑及黑素的形成有三方面原因:紫外線的持久照射可使皮內黑素增加,出現色素失調的組織變化;色素沉著主要是超氧自由基作用的結果;酪氨酸酶也是一種能誘導皮膚黑素細胞合成黑素的強烈外源性刺激因子[9-10]。實驗表明茄尼醇對這幾方面都有抑制作用。
引言
茄尼醇(solanesol)廣泛存在于茄科植物、桑葉、馬鈴薯中,尤以煙草(Nicotianatabacum)葉片中的含量最高(0.5%~1.2%),Rowland等于1956年首次將其從煙熏煙葉中分離出來,1959年Frickson等用核磁共振譜證明茄尼醇由9個異戊二烯單元組成的三倍半萜烯伯醇具有抗潰瘍、消炎等作用,是重要的藥物中間體,它特殊的全反式鏈節結構具有脂質抗氧化作用。
人體內的自由基主要是氧自由基[1],體內活性氧自由基具有一定的功能,如免疫和信號傳導過程中,它能消滅某些侵入人體的微生物或不正常細胞。但是,過多的活性氧自由基會對人體造成破壞。自由基能自由行走于體內并捕獲電子,因而殺傷力很強,可以毫無選擇地攻擊細胞膜、細胞及組織,引起連鎖性的過氧化反應,使得人體內部產生退化性病變,例如血管壁變薄變脆、細胞老化、免疫系統衰退、白內障、退化性關節炎、心臟病、老年癡呆癥、皮膚下垂、肌肉萎縮、老年斑等。此外,外界環境中的陽光輻射、空氣污染、吸煙、農藥等都會使人體產生更多活性氧自由基。因此,過多的活性氧自由基是人類衰老和患病的根源之一。
酪氨酸酶是一種含有銅的多酚氧化物,廣泛分布于微生物、動植物及其人體內,是合成黑色素的關鍵酶。在有氧氣存在的條件下,它能夠催化單酚羥化為鄰二酚,并把鄰二酚氧化成鄰醌(二酚酶活性),醌在非酶促條件下可形成反應終產物黑色素。酪氨酸酶的活性與黑色素合成量相關,控制其活力即可控制黑色素的生成量。這與人體色素沉著性疾病有著密切關系。
中國是世界上最大的煙草生產國,占全球35%以上。我國對煙葉的利用方式比較單一,至今仍沿襲傳統的生產模式,專用于制作卷煙、旱煙、水煙及雪茄煙等一類非生活必須的嗜好品,而沒有充分發揮其多種功效的生物學特性。而且,吸煙導致多種疾病,嚴重危害公眾健康,已成為我國面臨的最突出的公共衛生問題之一。因此,合理開發、綜合利用煙草,已成為我國煙草行業面臨的重要課題。本課題組前期通過人體皮膚試用發現煙草中的茄尼醇具有較強的抗紫外線輻射能力和抑制皮膚衰老及老年斑的功效。本文將從三個方面(抗紫外線輻射物理測定、清除自由基、抑制酪氨酸酶)體外研究茄尼醇抗氧化和抑制酪氨酸酶的作用機制。
1 材料與方法
1.1 儀器
紫外可見分光光度計(UV-3100 PC,上海美普達儀器有限公司),電子天平(ER-182A,感量0.000 01,日本),HS6150D超聲波脫氣儀(天津恒奧公司)。
1.2 試劑
茄尼醇(雅安勝間田生物技術有限公司提供,90%),維生素C(Vc,純度≥99.7%,成都市科龍化廠),酪氨酸酶(polyphenol oxidase,Worthington公司,活力單位25 Ku)、L-3,4-二羥基苯氨酸(L-DOPA)(上海源葉生物科技有限公司,純度≥98%),磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、磷酸、過氧化氫、鄰苯三酚、鹽酸、乙醇、蒸餾水等均為國產分析純。
1.3 方法
1.3.1 茄尼醇紫外透光率及其日變化分析
用95%乙醇配制0.06 mg/mL的茄尼醇、Vc和維生素E(Ve),在216 nm比較透光率日變化規律[2-5](時間9∶00~17∶00)。
1.3.2 茄尼醇體外處理作用對比
由于豬和人的皮膚組織結構和上皮修復再生過程十分相似,本實驗選用新鮮帶皮豬肉兩塊,一塊使用茄尼醇作外層涂抹處理,一塊不處理,在自然條件下放置,分別在冬季和夏季做外觀形態對照實驗。
1.3.3 茄尼醇體外抗氧化活性分析
① 清除羥基自由基(·OH)活性的測定[6]。 參照Smirnoff反應方法建立反應體系模型,通過測定樣品反應后吸光度值,計算其對羥基自由基的清除力。精密稱取茄尼醇2 mg,用無水乙醇定容100 mL容量瓶的樣品溶液進行實驗。在10 mL具塞比色管反應體系中加入9 mmol/L FeSO4和9 mmol/L的水楊酸-乙醇溶液各1 mL,混勻,加入1 mL 8.8 mmol/L H2O2啟動反應。37 ℃保溫0.5 h,以蒸餾水為參比液,在510 nm測定吸光度值,所測得的數據為損傷管的吸光度(A損)。未損傷管以1.0 mL蒸餾水代替損傷管中的雙氧水,操作方法同損傷管,測得在510 nm未損傷管的吸光度值(A未)。樣品管以1.0 mL樣品溶液代替損傷管中的1.0 mL H2O2,操作方法同損傷管,可測得在510 nm樣品管的吸光度(A樣)。羥基自由基清除率(%)=(A樣-A損)/(A未-A損)×100%。每一份樣品平行測定3次,以Vc為對照組考察其抗氧化活性及量效關系。② 超氧陰離子自由基(O2-·)清除能力的測定[7]。溶液配制:取50 mmol/L pH8.2 Tris-HCl緩沖液4.43 mL以及樣品濃度分別為20、40、60、80、100 mg/L的茄尼醇(實驗組)或Vc(對照組)各0.5 mL,分別混合后在25 ℃水浴中保溫20 min;取出后立即加入25 ℃預熱過的10 mmol/L鄰苯三酚70 μL搖勻后反應4 min;再向其中加入8 mol/L鹽酸100 μl來終止反應。在420 nm下測定實驗組和對照組的吸光度值,根據吸光度值變化速率得出茄尼醇對O2-·的清除能力,即清除率K(%)=[(V自氧化-V樣品)/V自氧化]×100%,式中V自氧化指鄰苯三酚自氧化速率,V樣品指加入樣品后鄰苯三酚氧化速率。
1.3.4 酪氨酸酶抑制率的測定
在pH=6.8的緩沖液體系中[8],以L-DOPA(濃度0.01 mmol/L)為底物,加入一定量的酪氨酸酶溶液(濃度0.05 mg/mL)及茄尼醇溶液(濃度梯度為0.01、0.05、0.15、0.30、0.50、0.70、0.90 mg/mL),體積按表 1加入,用吸管準確吸取A1、A2、B、C四組反應液,其中A1、A2為陰性對照組,B、C分別為實驗組和標準對照組;每組各設3個平行試管,充分混勻后,在37 ℃水浴中溫育 30 min,迅速轉至比色皿中,于475 nm處測定吸光度值。在測量吸光度值時,B、C兩組分別以A1、A2調零。

根據以下公式計算酪氨酸酶的抑制率(I%): I(%)=[(A-B)/A]×100%,其中A為C組反應液在475 nm下的吸光度值;B為B組反應液在475 nm下的吸光度值。抑制率越高表明其對酪氨酸酶活性的抑制強度越高。
1.3.5 酪氨酸酶活性的測定
將茄尼醇分別配成濃度為0.05、0.10、0.20 mg/mL的溶液。以0.01 mmol/L的L-DOPA為底物,加入3 mL磷酸鹽緩沖液(pH=6.8),在37 ℃水浴中溫浴10 min后,再加入1 mL不同濃度的茄尼醇溶液(對照組加入1 mL去離子水)和1 mL 0.05 mg/mL酪氨酸酶溶液,在475 nm處測定各濃度茄尼醇組和對照組的吸光度值[9-10](每分鐘測定一次)。得出的結果用Excel處理,作出酪氨酸酶催化反應體系的OD475隨時間增長的直線曲線,由直線的斜率即可求得酶活性。
1.3.6 茄尼醇對酪氨酸酶抑制機制分析
考察茄尼醇抑制酪氨酸酶的抑制機制時,在酶活性測定體系中,固定底物L-DOPA的濃度為0.01 mmol/L,加入不同濃度的茄尼醇溶液(0、0.05、0.10、0.15、0.20 mg/mL),同時改變酶的加入量,測定不同濃度茄尼醇對酪氨酸酶催化氧化L-DOPA能力的影響。
2 結果與分析
2.1 茄尼醇紫外透光率及其日變化分析
結果如圖 1所示。從透光率日變化分析,茄尼醇具有抗紫外線輻射穩定性,可作為一種天然的抗輻射材料。

2.2 茄尼醇處理與未處理帶皮豬肉
結果如表 2所示。

2.3 茄尼醇組與對照組清除羥基自由基的效果
結果如圖 2所示。茄尼醇組與對照組清除·OH的效果相當。

2.4 茄尼醇組與對照組清除超氧陰離子自由基的效果
結果如圖 3所示。茄尼醇組與對照組清除O2-·的效果相當。

2.5 酪氨酸酶抑制率的測定
由圖 4可知,茄尼醇對酪氨酸酶的抑制率隨著濃度的增大而增強,當茄尼醇濃度為0.90 mg/mL時,抑制率達到97.24%。用曲線擬合計算出茄尼醇導致酶活性下降一半所需的抑制劑量(IC50)為0.051 2 mg/mL。

2.6 酪氨酸酶活性的測定
由圖 5可知,酶催化L-DOPA反應不存在遲滯效應。隨著茄尼醇濃度的增大,曲線的斜率不斷下降,相對酶活性也降低,即酶催化L-DOPA的速率不斷降低,說明茄尼醇可抑制酪氨酸酶活性。

2.7 茄尼醇對酪氨酸酶的抑制機制分析
由圖 6可知,隨著加入的茄尼醇濃度的增大,直線的斜率下降,說明茄尼醇對酪氨酸酶的抑制作用屬于可逆過程;進一步表明茄尼醇通過抑制酶活性導致了催化效應的降低,而不是通過降低有效酶量導致酶活性下降。

3 討論
紫外線輻射作用于皮膚表面可造成皮膚彈性降低、老化、褐變等傷害,而紫外線是皮膚自由基的主要來源,可引起色素沉積或導致皮膚癌變。本研究顯示茄尼醇對紫外線的抑制率可達90%以上,而且抗輻射效果隨時間的衰減較為緩慢。
紫外線輻射可使細胞產生活性氧和自由基,自由基是化合物分子中的共價鍵在皮膚代謝過程中發生均裂后形成的外層軌道有不成對電子的原子或原子團,具有很強的活性。本研究探討了茄尼醇體外抑制超氧自由基的效果,抑制率達到85%以上,并呈量效關系。由于茄尼醇的脂溶性,決定了它可在脂質部分發揮清除自由基的作用。因此,天然的茄尼醇是理想的皮膚保健材料。
老年斑及黑素的形成有三方面原因:紫外線的持久照射可使皮內黑素增加,出現色素失調的組織變化;色素沉著主要是超氧自由基作用的結果;酪氨酸酶也是一種能誘導皮膚黑素細胞合成黑素的強烈外源性刺激因子[9-10]。實驗表明茄尼醇對這幾方面都有抑制作用。