谷物尤其是全谷物及其制品因含有多种植物化学物，包括多酚类物质、膳食纤维、维生素、矿物质等，具有多种健康效应，已经成为健康膳食的重要组成部分。国际糖尿病联盟的最新数据显示，目前我国的糖尿病患者人数高达1.亿，居世界首位，预计到年可达1.亿，其中90%～95%为II型糖尿病患者，糖尿病已经成为了严重威胁人们健康的慢性疾病之一。α-葡萄糖苷酶是调控餐后血糖的关键酶之一。阿卡波糖、米格列醇、伏格列波糖是目前常用的α-葡萄糖苷酶抑制剂，然而它们的使用对机体胃肠道具有严重的副作用。因此，从全谷物植物化学物中筛选发现无毒副作用的天然α-葡萄糖苷酶抑制剂是控制餐后血糖、预防糖尿病的一个重要途径。
南京财经大学食品科学与工程学院的石嘉怿、张冉、梁富强*等人构建了谷物植物化学物小分子数据库，以人源α-葡萄糖苷酶（PDBID：5NN8）为靶点，采用分子对接的方法并结合ADME和Lipinski性质从中筛选潜在的人源α-葡萄糖苷酶抑制剂；通过体外酶活力比较目标化合物的抑制活性，并采用分子动力学模拟结合独立梯度模型（IGM）分析，探究导致其活性差异的分子机制，以期为全谷物食物中天然、高效、无毒副作用人源α-葡萄糖苷酶抑制剂的筛选和发现提供依据。
1、基于ADME和Lipinski性质的筛选结果
膳食植物化学物的吸收、分布、代谢、排泄（absorption,distribution,metabolism,excretion，ADME）性质是影响其发挥生物活性的重要因素。肠道细胞中高表达的CYP生物转化作用和P-gp的主动外排作用是决定膳食植物化学物ADME性质的重要因素。因此，首先以SwissADME软件中CYP及P-gp作为界定参数提高筛选的可靠性。此外，具有潜力的植物化学物应该具备良好的类药性。因此，选择Lipinski5项原则作为谷物植物化学物数据库进一步筛选的标准。据此，从种中筛选出了6类、76种非CYP和P-gp底物，具有较好的肠道吸收特性且具有良好Lipinski性质（图1白色区域）的植物化学物，包括20种黄酮类、35种酚酸类、5种燕麦蒽酰胺类、8种苯并噁唑嗪酮类、6种植物甾醇、2种其他化合物。2、基于分子对接的筛选结果
对接结果显示对接后的配体分子与原配体分子的RMSD为0.51?，小于2?，且能够较好地重现晶体结构中原配体和受体的结合构象（图2A），表明参数设置合理，可以用于构建数据库中植物化学物的进一步筛选。
对接结果中的打分值S负值越大，提示配体和受体结合的能力越强，这些化合物可能具有更强的抑制潜力。第一轮筛选出的6类植物化学物对接打分的平均值见图2B，打分较好的分别是植物甾醇和黄酮类化合物两类。由图2C可知，分析阿卡波糖与人源α-葡萄糖苷酶的相互作用模式可知，氨基酸残基Asp、Asp、Asp、Asp、Arg、His、Met、Phe、Trp、Leu、Trp、Trp、Leu、Trp、IIe、Trp在两者的结合中具有重要作用。因此，根据分子对接打分的S值，并分析相互作用模式，从76种植物化学物中筛选出了10种具有潜力的人源α-葡萄糖苷酶抑制剂（谷物植物化学物），它们均能以合理的构象进入到活性口袋中（图2D），并与关键氨基酸残基相互作用（表1）。3、牡荆素、异牡荆素和芹菜素的酵母源α-葡萄糖苷酶抑制活性和作用机制
由于目前体外酶活性抑制主要采用的是酵母源α-葡萄糖苷酶，因此，研究也采用pNPG法考察上述两种化合物的体外酶抑制活性，结果如图3A、B所示。牡荆素和异牡荆素均具有一定的体外抑制活性，呈现剂量效应，IC50分别为μmol/L和μmol/L，与前人的研究结果相近，表明抑制能力为牡荆素＞异牡荆素，与分子对接打分一致。作为芹菜素苷元的两种碳苷类衍生物，Choi等的研究发现糖基取代增强了对II型糖尿病靶点PTP1B的抑制活性，提示碳苷黄酮类物质更具预防糖尿病的潜力。因此，进一步评价芹菜素的α-葡萄糖苷酶抑制能力，结果见图3C，IC50为16μmol/L，与前人的研究结果接近。
图3D～F显示3种黄酮类化合物均能与这些关键活性位点结合，然而，其分子对接打分S值反映的抑制潜力从强到弱为芹菜素＞牡荆素＞异牡荆素，不能很好地解释3种黄酮物质的活性差异。这也提示在天然膳食活性成分的筛选中，分子对接作为一种辅助手段，其结果仍需要进一步结合验证。4、分子动力学模拟
α-葡萄糖苷酶及其与牡荆素、异牡荆素和芹菜素复合物20ns模拟的RMSD结果如图4A所示，可以看出在9ns后4种体系RMSD的变化趋于稳定（0.28nm左右），说明模拟体系达到平衡状态。由图4B可以看出在模拟9ns后4种体系的Rg达到平衡状态，3种复合物体系的Rg大于α-葡萄糖苷酶Rg，表明3种黄酮物质与之形成复合物使α-葡萄糖苷酶在模拟过程中体积膨胀。不同模拟阶段的复合物构象叠合结果见图4C，在20ns模拟过程中牡荆素、异牡荆素和芹菜素均能以合理的构象存在于α-葡萄糖苷酶的活性口袋中。上述结果进一步表明，牡荆素、异牡荆素和芹菜素不仅均能与其活性中心的关键氨基酸残基相互作用，且能以合理构象稳定存在于α-葡萄糖苷酶活性口袋中，并形成稳定的受体-配体复合物，因此可以表现出体外抑制活性。
将分子动力学结果中的运动轨迹文件导入VMD软件中进一步分析三者在α-葡萄糖苷酶活性口袋中的运动轨迹，结果如图4D～F所示。运动轨迹显示与牡荆素和异牡荆素相比，芹菜素能够在靠近活性中心位置稳定运动，且运动范围明显不同于牡荆素和异牡荆素。根据在活性口袋中的运动轨迹可以推测，与牡荆素和异牡荆素相比，芹菜素可能由于在α-葡萄糖苷酶活性口袋中心位置的运动更为稳定，利于阻止底物pNPG进入口袋中与关键氨基酸残基的结合，从而发挥更强的抑制活性。5、IGM分析弱相互作用
结果如图5所示。图5A～C中红色点表示分子间相互作用，其中负向区域（sign（λ2）ρ＝－0.02）存在峰提示氢键相互作用，正向区域（sign（λ2）ρ＝0.02）存在峰提示立体位阻效应。图5D～F分别为牡荆素、异牡荆素和芹菜素的等值面图，可以看出牡荆素和异牡荆素中由于糖苷取代增大了二者在相互作用过程中立体位阻效应。结论
本实验结合植物化学物的ADME和Lipinski性质，基于分子对接的筛选方法，从常见的谷物植物化学物中筛选了一些具有潜力的人源性α-葡萄糖苷酶抑制剂。酵母来源的体外酶活性抑制结果表明，3种黄酮类化合物——牡荆素、异牡荆素和芹菜素具有一定的抑制能力，然而其抑制能力排序与其分子对接打分结果不完全一致。分子动力学模拟和IGM分析表明，由于糖苷取代导致的立体位阻效应可能是导致两种碳苷黄酮与其苷元芹菜素活性差异的分子结构基础。研究表明分子对接辅助有助于从膳食植物化学物中高通量快速筛选天然、无毒副作用的α-葡萄糖苷酶抑制剂。然而，研究中的酶活抑制活性评价仍然采用的是酵母源α-葡萄糖苷酶。因此，这些具有潜力的谷物植物化学物在机体中抑制人源α-葡萄糖苷酶的能力及降血糖效应仍有待进一步研究。
本文《谷物植物化学物中α-葡萄糖苷酶抑制剂的筛选及其分子机制》来源于《食品科学》年42卷5期9-16页，作者：石嘉怿，张冉，梁富强，程玉鑫，张太。DOI:10./spkx---。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
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