白姑鱼胰蛋白酶的分离纯化及其性质分析

2016-08-10 07:25:16詹云超杜翠红集美大学食品与生物工程学院水产品深加工技术国家地方联合工程研究中心福建厦门361021
食品科学 2016年13期
关键词:分离纯化

李 欢,李 婷,詹云超,杜翠红*(集美大学食品与生物工程学院,水产品深加工技术国家地方联合工程研究中心,福建 厦门 361021)



白姑鱼胰蛋白酶的分离纯化及其性质分析

李 欢,李 婷,詹云超,杜翠红*
(集美大学食品与生物工程学院,水产品深加工技术国家地方联合工程研究中心,福建 厦门 361021)

摘 要:本研究从白姑鱼幽门垂组织中提取胰蛋白酶粗酶,然后经硫酸铵分级沉淀、DEAE-Sepharose Fast Flow阴离子交换层析及Sephacryl S-200凝胶过滤层析等分离纯化技术,得到一种阴离子型胰蛋白酶(命名为:Trypsin A),并对该阴离子型胰蛋白酶进行鉴定及性质分析。结果表明:Trypsin A的分子质量约为28 kD,其最适反应温度为50 ℃,能在低于65 ℃条件下保持稳定;最适pH值为9.5,酸碱耐受范围为pH 9.5~11.0;Western blotting分析表明,白姑鱼阴离子型胰蛋白酶可以与抗鲫鱼胰蛋白酶抗体反应,符合胰蛋白酶活性区域的高度保守性;丝氨酸类蛋白酶抑制剂对白姑鱼胰蛋白酶具有抑制作用。

关键词:白姑鱼;胰蛋白酶;分离纯化;酶学性质

引文格式:

李欢, 李婷, 詹云超, 等.白姑鱼胰蛋白酶的分离纯化及其性质分析[J].食品科学, 2016, 37(13): 168-172.DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201613030. http://www.spkx.net.cn

LI Huan, LI Ting, ZHAN Yunchao, et al.Purification and characterization of trypsin from white croaker (Argyrosomus argentatus)[J].Food Science, 2016, 37(13): 168-172.(in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201613030. http://www.spkx.net.cn

白姑鱼(Argyrosomus argentatus,英文名:white croaker)为鲈形目石首鱼科白姑鱼属,生活在海洋中下层。在我国南海、东海及黄海南部都有分布,但产量并不高。其肉厚而细嫩,是海洋经济型食用鱼,鱼干用于出口日本等国。作为鱼内脏主要的内源性水解酶,胰蛋白酶的研究在国内外已有报道,如日本的Sappasith等[1-3]分别分离纯化出竹夹鱼(Pomatomus saltatrix)和金枪鱼(Thunnus albacores和Thunnus tonggol)的胰蛋白酶,并研究了其酶学性质;Liu[4]、Lu Baoju[5]和吕英涛[6]等也分别分离纯化出了点带石斑鱼(Epinephelus coioides)、鳜鱼(Siniperca chuatsi)和鳀鱼(Engraulis japonicus)的胰蛋白酶,并作了研究。但是关于白姑鱼的胰蛋白酶研究尚未见报道。

根据已有相关文献报道,内源性水解酶对于鱼类的自溶过程起到关键作用[7-8],其中胰蛋白酶的活性最高,对鱼类自溶影响最大[6]。而鱼类自溶现象的产生会大大影响其在贮存和加工过程中的品质,从而影响口感并降低经济价值。基于以上原因,本研究以白姑鱼内脏为原料,通过硫酸铵分级沉淀、DEAE-Sepharose Fast Flow阴离子交换层析及Sephacryl S-200凝胶过滤层析等分离纯化技术,纯化得到一种阴离子型胰蛋白酶(命名为:Trypsin A),并对该酶的酶学性质进行初步研究,以期为该酶的应用、白姑鱼的贮存和加工工艺的改善提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜活白姑鱼 厦门集美菜市场。

干酪素 西陇化工股份有限公司;Tris-base和十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS) 美国Sigma公司;蛋白质分子质量标准品 日本TaKaRa公司;阴离子交换层析树脂(DEAE-Sepharose Fast Flow)和凝胶过滤层析树脂(Sephacryl S-200 HR) 美国GE Healthcare公司。

1.2 仪器与设备

垂直电泳槽、BioLogic LP蛋白质纯化层析系统美国Bio-Rad公司;Lambda 35可见-紫外分光光度计美国Perkin Elmer公司;Starter 2100 pH 计 美国Ohaus公司;Avanti J-26S XP高速冷冻离心机 美国Beckman公司;RIOS 8超纯水系统、10 000 MWCO离心浓缩装置 美国Millipore公司;G:BOX凝胶成像装置 英国Syngene公司;FP-6200荧光分光光度计 日本Jasco公司;PT-MR 2100组织捣碎机 瑞士Kinematica公司。

1.3 方法

1.3.1 胰蛋白酶粗酶的提取

对鲜活的白姑鱼敲击头部致其死亡,放入-20 ℃冰箱充分冷却,取其幽门垂组织用蒸馏水冲洗干净,去脂肪及结缔组织后切碎并称质量,按料液比为1∶1(即100 g组织加入100 mL溶液)加入缓冲液A(20 mmol/L Tris-HCl,pH 7.5),将悬浮液用组织捣碎机捣碎4~5 次(15 s/次)。在4 ℃、12 000 r/min离心20 min,弃掉沉淀,收集上清液,对上清进行硫酸铵分级沉淀,4 ℃、12 000 r/min离心10 min,收集硫酸铵饱和度在30%~70%之间的馏分,用少量缓冲液A溶解沉淀并对其进行透析,得到的溶液即为粗酶液。

1.3.2 胰蛋白酶的纯化

将粗酶液上样于预先用缓冲液A平衡的DEAESepharose Fast Flow阴离子交换层析柱(1 cm×10 cm),并用缓冲液A以1 mL/min 流速充分淋洗,然后用含有NaCl浓度范围为0.05~0.5 mol/L的缓冲液A进行梯度洗脱,洗脱液总体积为200 mL,以每管3 mL进行收集,并分别测其A280 nm值和酶活力,绘制洗脱曲线,将活性峰合并,采用超滤离心管进行超滤浓缩,得到部分纯化的胰蛋白酶。

用缓冲液A平衡凝胶过滤层析柱Sephacryl S-200 HR (1.5 cm×98 cm)后,将述上部分纯化的胰蛋白酶上样于该柱,然后以缓冲液A以流速1 mL/min进行洗脱,每管收集3 mL。并分别测其A280 nm值和酶活力,收集酶活峰即为纯化的白姑鱼阴离子型胰蛋白酶(命名为Trypsin A)。冷冻干燥,-20 ℃保存。

1.3.3 胰蛋白酶活性测定

本研究主要采用以酪蛋白为底物测定反应液的A280 nm值,获得胰蛋白酶的活性,用于胰蛋白酶的分离纯化过程及pH值和温度对其酶活力影响的研究[9-10]。酶活力定义:在特定条件(25 ℃,其他为最适条件)下,在1 min内能转化酪蛋白中1 μmol酪氨酸的酶量为1个酶活力单位。

1.3.4 白姑鱼胰蛋白酶的性质研究

1.3.4.1 白姑鱼胰蛋白酶的分子质量和纯度的鉴定

通过十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDSPAGE)[11]和Western blotting分析鉴定所纯化的白姑鱼胰蛋白酶的分子质量和纯度。

1.3.4.2 白姑鱼阴离子型胰蛋白酶的最适pH值和酸碱稳定性研究

将经冷冻干燥的酶用不同pH值缓冲液进行溶解:柠檬酸钠缓冲液(pH 3.0~5.5)、磷酸盐缓冲液(pH 6.0~7.0)、Tris-HCl缓冲液(pH 7.5~9.0)、NaHCO3-NaOH 缓冲液(pH 9.5~11.0),缓冲液浓度均为0.1 mol/L,以酪蛋白为底物测定酶的活力。酸碱稳定性的测定:将酶液在室温条件下放置于上述各pH值的缓冲液中30 min后,按照酶活力测定方法测定其酶活力,具体操作见参考文献[4]方法。

1.3.4.3 白姑鱼阴离子型胰蛋白酶的最适温度和热稳定性研究

在上述酶活力测定方法不改变的条件下,温度在30~60 ℃的范围内,10 ℃梯度增加变化,测定该酶的最适作用温度。温度稳定性研究:将酶分别在 30、40、50、55、60、65、70 ℃条件下孵育30 min,测定其酶活力。

1.3.4.4 白姑鱼胰蛋白酶底物特异性的测定

以荧光标记的不同小肽为底物测定胰蛋白酶酶解液的荧光值[5],以检测其底物特异性。以荧光底物Boc-Phe-Ser-Arg-MCA为对照,通过比较其他来源的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、氨肽酶等荧光底物酶解液的荧光值大小,以确定白姑鱼胰蛋白酶的底物特异性。

1.3.4.5 蛋白酶抑制剂对白姑鱼阴离子型胰蛋白酶的影响

根据不同种类的丝氨酸蛋白酶抑制剂乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid,EDTA)、苯甲基磺酰氟(phenylmethanesulfonyl fluoride,PMSF)、1,10-邻菲咯啉(1,10-phenanthroline)、胃蛋白酶抑制剂(pepstatin)、苯甲醚(benzamidine)、Pefabloc SC和大豆胰蛋白酶抑制剂(soybean trypsin inhibitor ,STI)有效终浓度和初浓度,计算各抑制剂需加入的量,然后分别加入至纯化的胰蛋白酶溶液中,此混合物在室温下(20~25 ℃)放置15 min后,用上述酶活力测定方法分别测定酶的酶活力,对照为不加抑制剂的酶液。

2 结果与分析

2.1 白姑鱼胰蛋白酶的分离纯化

对胰蛋白酶粗提液进行硫酸铵分级沉淀,收集硫酸铵饱和度在30%~70%之间的馏分,加入适当缓冲液溶解后,进行透析。然后进行DEAE-Sepharose Fast Flow阴离子层析。由图1可知,经过DEAE-Sepharose Fast Flow阴离子柱层析,出现对应的淋洗峰和洗脱峰,即粗酶液被分成未吸附部分和吸附部分。其中,吸附部分即为阴离子型的胰蛋白酶(命名为Trypsin A)。

经过DEAE-Sepharose Fast Flow柱层析,分别对洗脱峰(第53~60管)中的酶液进行SDS-PAGE检测,由图2可知,从53~60 管,蛋白条带越来越少,纯化效果越来越明显。

由图2可知,第53~58管的酶液中仍存在少量杂蛋白,将其混合后上样于Sephacryl S-200 HR凝胶过滤层析柱。过此柱后分离效果如图3所示,洗脱峰的酶液蛋白条带越来越单一,白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A得到了纯化。

2.2 白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A的SDS-PAGE检测及其Western blotting鉴定

将分离纯化的白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A同时进行SDS-PAGE检测和Western blotting鉴定。其中,Western blotting所用的一抗是兔抗鲫鱼胰蛋白酶多克隆抗体。由图4可知,白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A的分子质量为28 kD,白姑鱼胰蛋白酶可以与抗鲫鱼胰蛋白酶抗体呈阳性反应。

2.3 白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A的性质研究

2.3.1 白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A的最适pH值和pH值稳定性

不同pH值对白姑鱼阴离子型胰蛋白酶的活力影响如图5所示,Trypsin A在pH 9.5左右时表现出的最大酶活力。当pH值低于9.5时,酶活力显著下降。Trypsin A在不同pH值的缓冲液中,室温下经过 30 min水浴孵育处理后,对pH值的稳定性如图5所示,稳定性范围为9.5~11.0,在pH值小于8.0条件下,酶活力非常不稳定。

鱼类胰蛋白酶通常属于碱性蛋白系[12],在酸性环境下,酶会因为表面电荷分布的改变而不能和底物有效地结合[13]。白姑鱼体内胰蛋白酶的pH值活力适应范围与大西洋鳕鱼(Gadus morhua)[14]、鲤鱼(Cyprinus carpio)[15]、金枪鱼(Thunnus tonggol)[3]以及大西洋鲑鱼(Salmo salar)[16]等鱼体内胰蛋白酶类似,高于弹丸鱼(Balistes capriscus)[17]胰蛋白酶的最适pH值。

2.3.2 白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A的最适温度和温度稳定性

白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A的温度范围如图6所示,选择温度范围为 30~70 ℃,Trypsin A的最适温度为 50 ℃。当酶在65 ℃以下水浴中经过 30 min的加热处理后,它们的活性仍能很好地保持。当温度大于65 ℃时,酶活力会急剧下降,热稳定性变差。

白姑鱼胰蛋白酶的最适温度与已报道的格陵兰鳕鱼(Gadus ogac)[18]、大西洋狐鲣鱼(Sarda)[19]、沙丁鱼(Sardinops sagax caerulea)[20]等鱼胰蛋白酶相似,而高于鲤鱼(Cyprinus carpio)[15]和凤尾鱼(Engraulis encrasicholus)[21]胰蛋白酶的最适温度,低于罗非鱼(Oreochromis mossambicus)[22]和草鱼(Ctenopharyngodon idellus)[23]胰蛋白酶的最适温度。鱼体内胰蛋白酶的最适温度可能与它们的栖息环境和生活习性有关。

2.3.3 白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A的底物特异性

表 1 白姑鱼胰蛋白酶TrypsinA的底物特异性Table 1 Substrate specificity oftrypsinA荧光底物(10 μmol/L) 相对酶活力/% Boc-Phe-Ser-Arg-MCA 100 Boc-Gln-Arg-Arg-MCA 77.5±2.3 Boc-Val-Pro-Arg-MCA 122.8±3.0 Boc-Leu-Arg-Arg-MCA 75.4±1.1 Boc-Leu-Lys-Arg-MCA 60.3±2.8 Boc-Glu-Lys-Lys-MCA 8.7±2.0 Z-Phe-Arg-MCA 112.6±0.9 Suc-Leu-Leu-Val-Tyr-MCA 0 Arg-MCA 18.7±0.6 Ala-MCA 0 Met-MCA 0

白姑鱼胰蛋白酶与各荧光底物反应的结果如表1所示,与其他荧光底物相比,胰蛋白酶对丝氨酸蛋白酶底物Boc-Val-Pro-Arg-MCA的分解能力最强,与鲤鱼(Cyprinus carpio)[15]和狗母鱼(Saurida wanieso)[24]的肌原纤维结合型丝氨酸蛋白酶(myofibril-bound serine proteinase,MBSP)的最适荧光底物不一样。当P1位的氨基酸为Arg时,明显强于此位置为Lys,且P2位或P3位的氨基酸残基对酶仍有很大的影响。有研究[24]表明,胰蛋白酶对Arg的分解效率为Lys的2~10 倍。胰蛋白酶对组织蛋白酶底物Z-Phe-Arg-MCA的分解能力比Boc-Phe-Ser-Arg-MCA稍高。但胰蛋白酶对胰凝乳蛋白酶底物Suc-Leu-Leu-Val-Tyr-MCA和氨肽酶(Arg-MCA、Ala-MCA、Met-MCA)几乎不分解。由此可见,白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A的底物特异性与其他鱼类胰蛋白酶的基本一致,但是对于组织蛋白酶底物Z-Phe-Arg-MCA的活性明显偏高,可能是白姑鱼胰蛋白酶不同于其他鱼类胰蛋白酶的特异性质,有待进一步实验验证。

2.3.4 不同抑制剂对白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A活性的影响

表 2 蛋白酶抑制剂对白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A的影响Table 2 Effectsof proteinaseinhibitors on the activity of trypsin A抑制剂 浓度/(mmol/L) 相对酶活力/% 无0 100 Pefabloc SC 1 0 STI 0.001 0 PMSF 1 5.1±0.8苯甲醚 5 15.1±2.6 Pepstatin 0.02 98.9±1.0 1,10-邻菲咯啉 10 98.5±1.4 EDTA 10 89.7±3.1

不同的蛋白酶抑制剂对白姑鱼胰蛋白酶活性的影响见表2,丝氨酸蛋白酶抑制剂Pefabloc SC和STI在较低浓度时能完全抑制白姑鱼胰蛋白酶的活性,苯甲醚和PMSF对胰蛋白酶活性也几乎完全抑制。天冬氨酸蛋白酶抑制Pepstatin及金属蛋白酶抑制剂EDTA、1,10-邻菲咯啉对白姑鱼胰蛋白酶作用效果不明显。由此可知,表2中蛋白酶抑制剂对白姑鱼胰蛋白酶Trypsin A的抑制作用与其他鱼类胰蛋白酶的基本一致,与胰凝乳蛋白酶的有差异,例如蒙特利沙丁鱼(Sardinops sagax caerulea)[20]、加州对虾(Penaeus californiensis)[25]和乌贼(Sepia officinalis)[26]。但是EDTA对Trypsin A的活性却有10%的抑制,可能是白姑鱼胰蛋白酶的特殊现象,有待进一步研究。

3 结 论

白姑鱼胰蛋白酶作为内源性蛋白水解酶之一,活性高,在白姑鱼的自溶作用中起主要作用。本研究从白姑鱼的幽门垂组织中提取胰蛋白酶粗酶,并通过DEAESepharose Fast Flow和Sephacryl S-200 HR柱层析,纯化得到一种阴离子型胰蛋白酶Trypsin A,并对其酶学性质进行初步研究。结果表明,Trypsin A的分子质量为28 kD,其最适反应温度为50 ℃,且在温度小于65 ℃条件下仍具有很高的酶活力;最适pH值为9.5,pH值的耐受范围为9.5~11.0;该酶对荧光底物P1位的Arg和Lys残基有分解作用,且优先分解Arg残基,对于胰凝乳蛋白酶底物(Suc-Leu-Leu-Val-Tyr-MCA)和氨肽酶底物(Ala-MCA 和Met-MCA)不分解。丝氨酸类蛋白酶抑制剂对该酶具有强烈抑制作用。本研究结果可为白姑鱼内源性水解酶的应用、白姑鱼的贮存和加工工艺的改善提供依据。

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DOI:10.7506/spkx1002-6630-201613030

中图分类号:TS264.2

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2016)13-0168-05

收稿日期:2015-08-23

基金项目:厦门市海洋渔业局(南方海洋中心)项目(14CZP03HJ04);福建省科技厅引导性项目(2016N0020)

作者简介:李欢(1989—),男,硕士研究生,研究方向为食品科学。E-mail:18030221708@163.com

*通信作者:杜翠红(1967—),女,教授,博士,研究方向为食品生物技术。E-mail:cuihongdu@jmu.edu.cn

Purification and Characterization of Trypsin from White Croaker (Argyrosomus argentatus)

LI Huan, LI Ting, ZHAN Yunchao, DU Cuihong*
(National & Local Joint Engineering Research Center of Processing Techonology for Aquatic Products, College of Food and Biological Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China)

Abstract:An anionic trypsin (named as trypsin A) from the pyloric caeca of white croaker (Argyrosomus argentatus) was purified by ammonium precipitation, DEAE-Sepharose Fast Flow anion exchange chromatography and Sephacryl S-200 gel filtration chromatography.The characteristics of trypsin A were investigated.The results showed that trypsin A migrated as a single protein band with a molecular weight of about 28 kD in SDS-PAGE.Trypsin A exhibited its optimal temperature at 50 ℃ and was stable below 65 ℃.Trypsin A revealed its optimal pH at 9.5 and was stable in the pH range from 9.5 to 11.0.The purified trypsin A was analyzed by western blotting using anti-common carp trypsin antibody, and the result showed that the active region of the trypsin was highly conservative.Serine proteinase inhibitors were effective against trypsin A.

Key words:white croaker; trypsin; separation and purification; enzymatic characteristics

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