杂环结构对类黄酮与β-乳球蛋白共价结合的影响机制

Plant food accounts for a large part of traditional Chinese diet, and there are abundant flavonoids to exploit for food industry. Whey proteins are recognized as a safe source of high quality proteins. Therefore, it is of great value to understand the mechanisms of interactions between flavonoids and whey proteins so as to design and produce new functional foods. There have been plenty of studies focusing on the non-covalent interactions between flavonoids and proteins. However, there is a lack of researches reporting the covalent conjugations between these two substances, which are considered as more important due to irreversibility. According to such circumstances, the current program is proposed. In this program, studies will be focused on the mechanisms and process of covalent conjugations between β-lactoglobulins (βlg) and 4 flavonoids that possess the same phenol groups (B rings) and various heteroatomic rings (C rings). In order to elucidate the effects of heteroatomic rings on the covalent conjugations between βlg and flavonoids, the auto-oxidation of various flavonoids and the structures and conformations of βlg-flavonoid conjugates will be investigated in detail, where computer simulations and experimental methods will be involved. This program will establish a theoretical foundation for accurate control of conjugations between flavonoids and whey proteins, which will be of great importance for their exploitations in food industry. Meanwhile, it will also provide references for further studies on the covalent interactions between flavonoids and other macromolecules, which would improve the understandings of the bioactivity of flavonoids.

我国饮食习俗以植物性食料为主，有丰富的类黄酮资源亟待开发。研究类黄酮与乳蛋白的相互作用，促进二者在食品中的有效利用，在弘扬我国药食同源传统文化的同时提供优质蛋白质。类黄酮类化合物分子结构较为复杂，解析类黄酮-蛋白质共价复合物结构具有挑战性，当前类黄酮与蛋白质相互的研究主要偏重于二者的非共价相互作用，对影响二者性质更为重要的共价相互研究较少。基于此，本项目以β-乳球蛋白（βlg）和4种苯酚基（B环）相同但杂环（C环）不同的类黄酮为研究对象，综合考虑类黄酮类化合物在食品加工过程中可能发生的变化，从其自动氧化入手，通过多时空尺度电脑模拟结合实验的手段，揭示类黄酮分子杂环（C环）结构对类黄酮-βlg共价结合及其复合物结构和构象的影响机制。本项目的研究将为精确控制类黄酮-乳清蛋白结合奠定理论基础，同时为阐明类黄酮与其它大分子的相互作用机理提供相应的理论和方法参考。

我国饮食习俗以植物性食料为主，有丰富的类黄酮资源亟待开发。本项目通过实验结合理论计算的手段，从类黄酮自动氧化出发，解析杂环结构的差异对类黄酮自动氧化位点和产物的影响，同时分析了β-乳球蛋白分子与不同类黄酮共价结合的主要位点及共价结合类黄酮分子后蛋白质分子结构的变化。最后，基于二级结构单元的概念利用分子动力学计算的方法揭示了β-乳球蛋白分子共价结合类黄酮后结构变化的主要机制。研究发现，发现儿茶素、圣草酚、木犀草素、槲皮素等四种类黄酮分子中各羟基的电离平衡常数（pKa）不同，导致个分子形成自由基后自由电子密度分布差异。该差异可能是影响不同类黄酮自动氧化产物差异的关键。进一步研究发现，β-乳球蛋白分子中赖氨酸（Lys8、Lys77、Lys83、Lys91）、色氨酸（Trp19）以及半胱氨酸（Cys106、Cys119）等残基易与类黄酮分子发生共价结合。尤其是活性位点在B环的类黄酮（如儿茶素）可深入至蛋白内部与色氨酸（Trp19）结合，并可破坏二硫键（Cys106-Cys119）并与半胱氨酸结合；而活性位点在A环上的类黄酮（如圣草酚）则更倾向于仅与蛋白质表面的赖氨酸（Lys8、Lys77、Lys83、Lys91）结合。同时，结合儿茶素、圣草酚或槲皮素后，β-乳球蛋白分子中α-螺旋结构损失较大，但木犀草素则显示对α-螺旋结构有增加作用。通过分析β-乳球蛋白分子中各二级结构单元，发现蛋白质分子表面的Lys77残基位于蛋白质分子柔性最高的区域，该残基与类黄酮的共价结合可能是β-乳球蛋白分子共价结合类黄酮后质结构展开的关键。本项目的研究将为精确控制类黄酮-乳清蛋白结合奠定理论基础，同时为阐明类黄酮与其它大分子的相互作用机理提供相应的理论和方法参考。