《Archives of Biochemistry and Biophysics》：Echinoderm collagen as a neuromodulatory antioxidant: biochemical characterization and molecular interaction with NMDA receptor
罗齐尔万（Rozirwan）|尤加·维纳塔（Yoga Winarta）|伊斯奈妮（Isnaini）|维凯·阿尤·埃卡·普特里（Wike Ayu Eka Putri）|法乌齐亚（Fauziyah）|里里斯·阿里亚瓦蒂（Riris Aryawati）|纳迪拉·努尔·科蒂玛（Nadila Nur Khotimah）|梅尔基（Melki）|雷德霍·瑜伽·努格罗霍（Redho Yoga Nugroho）|查伊迪尔（Chaidir）
印度尼西亚南苏门答腊省因德拉拉亚30862，斯里维贾亚大学（Universitas Sriwijaya）数学与自然科学学院海洋科学系
摘要
海洋胶原蛋白作为一种可持续的生物材料，在治疗应用中越来越受到重视；然而，来自热带棘皮动物的胶原蛋白尚未得到充分研究，尤其是在神经药理学领域。本研究调查了从三种热带棘皮动物——Holothuria atra、Acanthaster planci和Culcita novaeguineae中提取的胶原蛋白的生化特性、抗氧化活性和神经调节潜力。这些棘皮动物采集自印度尼西亚帕哈旺岛（Pahawang Island）的潮间带。提取的胶原蛋白具有很强的抗氧化活性，其IC50值分别为4.43（C. novaeguineae）、10.84（H. atra）和21.78 μg/mL（A. planci），超过了之前报道的多种海洋胶原蛋白来源。通过液相色谱-质谱（LC-MS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和碳-13核磁共振（13C NMR）对胶原蛋白进行结构分析，发现谷氨酸、脯氨酸、甘氨酸和缬氨酸是主要的氨基酸残基，这证明了胶原蛋白基质的稳定性和功能性。此外，计算机模拟分子对接分析显示谷氨酸与N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体GluN1a/GluN2B（PDB ID: 4PE5）之间存在有利相互作用，结合亲和力为ΔG = ?5.25 kcal/mol，抑制常数为142.02 μM，表明其具有潜在的神经调节作用。通过将生化特性分析与分子相互作用分析相结合，本研究首次证明热带棘皮动物胶原蛋白具有双重抗氧化和神经调节潜力，为其作为治疗神经退行性疾病的可持续海洋生物材料提供了依据。
引言
海洋胶原蛋白因其广泛应用于药理学、化妆品和组织再生领域而受到科学界的广泛关注[1]、[2]。与传统胶原蛋白相比，海洋胶原蛋白具有较低的动物源风险、更高的生物相容性和更广泛的消费者吸引力[3]。最近的研究进一步证明了其多功能的生物活性，包括抗氧化、抗菌、抗炎和食品相关作用，从而凸显了其作为治疗性生物材料的巨大潜力[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。尽管来自棘皮动物的胶原蛋白（尤其是水解物和生物活性肽）已得到广泛研究，但像热带棘皮动物这样的无脊椎动物仍然是先进生物医学研究的重要胶原蛋白来源。这些生物广泛分布于热带海域，其柔软的身体壁富含胶原蛋白，传统上被用于营养保健品和化妆品配方中，包括伤口愈合和抗衰老应用[9]、[10]。然而，专门针对热带棘皮动物提取的胶原蛋白及其在高层次生物医学和神经药理学应用中的功能相关性的研究仍然有限。
尽管对棘皮动物来源的胶原蛋白的研究兴趣日益增加，但热带棘皮动物作为神经药理学和功能性生物材料的可持续来源却相对较少受到关注。印度尼西亚楠榜省（Lampung Province）的帕哈旺岛（Pahawang Island）水域拥有独特的海洋生态系统，其中包含多样的底质，为Holothuria atra、Acanthaster planci和Culcita novaeguineae等棘皮动物提供了重要的栖息地[11]、[12]。尽管属于底栖生物的热带棘皮动物在生态系统中扮演重要角色[13]、[14]，但对其胶原蛋白的生化组成和功能活性的了解仍然有限，尤其是在神经药理学方面。本研究强调了研究热带棘皮动物来源胶原蛋白的潜力，不仅因为它们在生态上的重要性，还因为它们是海洋生物勘探的宝贵资源。
先前的研究已经强调了海洋生物胶原蛋白在化妆品、食品和营养保健品应用中的潜力[15]、[16]、[17]。然而，其与神经受体（如N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体的相互作用尚未得到充分研究。NMDA受体在突触可塑性、学习和记忆中起着关键作用，而NMDA信号传导功能障碍与神经退行性和神经精神疾病有关[18]。有趣的是，海洋胶原蛋白中的生物活性氨基酸（如谷氨酸）被认为可以调节NMDA受体活性[19]、[20]。尽管已经报道了海洋胶原蛋白的抗氧化和结构特性[21]、[22]，但仍存在许多知识空白，例如缺乏将热带棘皮动物胶原蛋白的生化特性与其潜在神经调节机制（特别是通过体外和计算机模拟方法）联系起来的综合性研究[23]、[24]。
据我们所知，本研究首次明确将热带棘皮动物来源的胶原蛋白与NMDA受体调节（PDB: 4PE5）联系起来，为可持续海洋材料在神经退行性疾病管理中的生物制药潜力提供了新的见解。通过探讨热带棘皮动物胶原蛋白的生化特性及其是否通过受体结合表现出神经调节潜力，本研究引入了一种将海洋生物勘探与神经药理学应用相结合的新研究方法。因此，本研究旨在从三种热带棘皮动物（H. atra、A. planci和C. novaeguineae）中提取并表征胶原蛋白，利用LC-MS、FTIR和NMR确定其生化及结构特征，并通过对接模拟评估其抗氧化特性和与NMDA受体（PDB: 4PE5）的分子相互作用。
材料
氢氧化钠（NaOH；化学纯度，分子量40.00 g/mol，纯度≥99.0%，Merck公司，CAS编号1310-73-2）和乙酸（CH3COOH；分析纯度，Merck公司，纯度≥99.9%，CAS编号7553-56-2）用于胶原蛋白的预处理和提取。甲醇（分析级，Merck公司，纯度≥99.9%，CAS编号67-56-1）作为抗氧化活性分析的溶剂。抗氧化活性使用1,1-二苯基-2-吡啶基肼（DPPH；分析级，Merck公司，纯度≥85.0%）进行评估。
棘皮动物样本描述
来自帕哈旺岛的Holothuria atra样本具有独特的形态：细长的圆柱形身体、扁平的腹部、管足和厚实的肉质，清洁后呈现纯黑色（图2A）。这种海参的身体表面覆盖着细沙，这是一种自我防御机制[44]。从形态学上看，H. atra的长度在9-26厘米之间，体重在40-145克之间。这些结果与先前的研究数据一致。
结论
本研究显示，在所分析的三种棘皮动物中，Holothuria atra产生的胶原蛋白含量最高（18.28%），其次是Culcita novaeguineae（15.8%）和Acanthaster planci（14.12%）。所有胶原蛋白提取物均表现出较强的抗氧化活性，其IC50值均低于50 μg/mL。其中，C. novaeguineae的抗氧化活性最强（4.43 μg/mL），其次是H. atra（10.84 μg/mL）和A. planci（21.78 μg/mL）。A. planci胶原蛋白的氨基酸谱显示
作者贡献声明
尤加·维纳塔（Yoga Winarta）：撰写初稿、可视化、方法学设计、数据分析。罗齐尔万（Rozirwan）：撰写初稿、监督、方法学设计、资金获取、概念构思。里里斯·阿里亚瓦蒂（Riris Aryawati）：数据验证、方法学验证。伊斯奈妮（Isnaini）：数据可视化、验证。纳迪拉·努尔·科蒂玛（Nadila Nur Khotimah）：撰写与编辑、项目管理、数据管理。雷德霍·瑜伽·努格罗霍（Redho Yoga Nugroho）：撰写与编辑、软件使用、资源协调、项目管理
未引用的参考文献
[47], [48], [56], [57], [75]。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
本研究使用和/或分析的数据集可向相应作者索取。
致谢
本文的研究/发表得到了研究与服务局、研究与发展总局以及高等教育部的资助，依据2025财年第109/C3lDT号操作援助计划合同。
