植物蛋白质

第五章植物蛋白质

目前，人类在对蛋白质代谢的研究和认识过程中，逐步得出了以下四个方面的结论：（1）任何生物细胞并不会合成全部自身遗传信息中所具有的蛋白质。但那些维持细胞生命活动基本代谢过程所需要的酶和蛋白质是必须合成的。

（2）由于细胞分化作用导致了各种专业化细胞的生成，使得不同的生物细胞所拥有的蛋白质各不相同，而且细胞的专业化可导致某些基本酶和蛋白质的合成终止。例如，在种子中，专门贮存蛋白质的细胞所含有的蛋白质，在叶片细胞中就没有；反之，在叶片细胞中专门进行光合作用的蛋白质在种子中也不存在。

（3）在一个细胞内，其合成和拥有的蛋白质种类，将随着生物的生长发育过程而发生一定的变化。例如，同工酶谱的变化。

（4）由人类DNA测序结果可知，真核生物基因不是一个基因决定一种蛋白质多肽链。由于DNA转录产物RNA可剪接和编辑，因而一个基因可以编码两条以上蛋白质多肽链。

第一节种子贮存蛋白质

人们通常将植物在某发育阶段合成、需保存到另一发育阶段才能发挥作用的蛋白质称为贮存蛋白质（storage proteins）。典型的贮存蛋白质一般都具有水溶性低、细胞中存在量大和脱水状态下几乎无生物活性的特征。

在粮食作物中最重要的种子贮存蛋白主要有两种，即谷类作物种子蛋白和豆类作物种子蛋白。

一、谷类作物种子蛋白

禾谷类种子的胚乳除含有大量淀粉外，还含有许多蛋白质。虽然胚中的蛋白质含量很高，但由于胚比胚乳小得多，所以从种子蛋白的总量上看，大部分蛋白质存在于胚乳中。

禾谷类种子蛋白质的分离提取通常按溶解性不同分为四个组分，即清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白。其中清蛋白可溶于水；球蛋白则溶于稀盐溶液中。由于这两种蛋白在胚乳中含量较少，所以，有人认为它们可能是种子形成过程中酶蛋白的剩余物，并不是典型的种子贮存蛋白。

禾谷类种子中的蛋白质含量因品种、气候和栽培条件而异，其主要谷类蛋白质含量变化幅度见表1。

由表1可见，燕麦与其它谷物不同，其主要贮存蛋白是一种球蛋白。这种球蛋白由6条α-链和6条β-链组成，α-链分子量为22000Da，β-链分子量为32000Da。

用甲醇、乙醇、异丙醇提取的种子蛋白称为醇溶谷蛋白。它是大部分禾谷类作物种子中最主要的贮存蛋白，而且它常集中分布于一种专门用于贮存蛋白质的特化细胞器——蛋白体中。

各种谷物种子中，醇溶谷蛋白的氨基酸组成十分近似，一般都含有比较多的Pro、Gln 和leu。这种非极性氨基酸占优势的现象，使醇溶谷蛋白的溶解度很低，所以只能用有机溶剂提取。

用有机溶剂提取醇溶蛋白时，溶剂的碳链越长，所使用的浓度可越低。如用甲醇提取醇溶谷蛋白浓度需达95%，乙醇则需70%，异丙醇只需55~60%的浓度就能达到相同的提取效果。此外，在醇溶液中加入还原剂焦亚硫酸钠（Na2S2O5），可增加醇溶蛋白的提取量。

分析表明，小麦醇溶蛋白是由30 ~ 40种结构近似的蛋白质组成，分子量约为36000Da；玉米醇溶蛋白是由分子量相近的两类蛋白质组成，一类分子量约为19000Da，另一类为22000Da，两者占玉米醇溶蛋白总量的80%~90%。

水稻种子中的主要贮存蛋白为谷蛋白，而且它主要贮存于蛋白体中。谷蛋白需要用稀碱或稀酸溶液来提取，而且提取过程中常发生某些太键被降解，某些氨基酸被破坏脱氨的现象。此外，由于谷蛋白分子内及分子间含有许多的二硫键，从而使谷蛋白交联聚合成难溶解的状态，因此，提取过程中使用一些还原剂使巯基还原，交联键断开，可提高谷蛋白的提取率。最常用的提取谷蛋白的还原剂为含SDS的碱性缓冲液。

小麦中的谷蛋白和醇溶蛋白通常结合成复合物的形式存在，这种复合物也称为“面筋”，它是一种重要的副食品。

二、豆类作物种子蛋白

豆类种子蛋白质的含量比禾谷类高许多。一般谷物类种子蛋白的含量在10%左右，而豆类蛋白质含量均在20%以上。如大豆的蛋白质含量为38%，花生为25.6%，豇豆和蚕豆都

为23.4%，豌豆为22.5%，野生大豆的蛋白质含量甚至达到50%。

豆类贮存蛋白主要分布于种子的子叶中，有些则存在于蛋白体中。而且豆类作物种子中的蛋白质主要为球蛋白，它占了豆类总蛋白的70%，其余为清蛋白和谷蛋白。几种豆类种子蛋白的含量见表2。

研究表明，豆类作物种子中的球蛋白主要有两种，一种为豆球蛋白，按其沉降系数也称为11S蛋白，此蛋白质的分子量在300000 ~ 400000Da 之间。另一种称为豌豆球蛋白，按其沉降系数也称为7S蛋白，它的分子量在150000 ~ 200000Da 之间。由于这两种蛋白质的热稳定性不同，所以很容易将它们分开。当将豆蛋白混合溶液加热到35℃时，豌豆球蛋白将凝结沉淀，而豆球蛋白不会凝聚沉淀。但豆球蛋白在等电点附近极易沉淀，将豆蛋白混合液的pH值调至4.5~5.0时，豆球蛋白便沉淀析出，而这时豌豆球蛋白则不会沉淀。

从氨基酸组成上看，两种豆类贮存蛋白中含酰胺基的氨基酸含量最高，含硫氨基酸含量较低。此外，大豆球蛋白分子中还含有糖基，而且糖基主要由甘露糖和氨基葡萄糖组成。

对大豆种子球蛋白的结构研究表明，大豆球蛋白是一个由12个亚基组成的蛋白质，其中一种亚基为碱性亚基，分子量为20000Da，另一种为酸性亚基，分子量为40000Da。每一个酸性亚基与一个碱性亚基通过二硫键结合形成单体，然后再进一步聚合形成二聚体、三聚体和六聚体，两个六聚体再堆叠形成12聚体。

豆类作物种子中除豆球蛋白外，还含有β-伴大豆球蛋白和γ-伴大豆球蛋白，其结构还不十分清楚。

三、其它作物种子蛋白

除禾谷类及豆类外，许多油料作物种子蛋白也有重要的经济价值。例如，棉籽中含有20%的蛋白，油菜籽中含有24%的蛋白，芝麻中含有18%的蛋白，向日葵中含有12.6%的蛋白，这些油料作物种子中的蛋白质主要是球蛋白。

此外，在一些以块根、块茎和肉质果实作为贮存器官的作物中也含有一些贮存蛋白。如马铃薯蛋白质的70~80%都是贮存蛋白，而且含量与谷物作物种子蛋白质含量相当。

四、影响种子贮存蛋白质合成的因素：

目前认为，影响种子贮存蛋白质合成的因素主要有以下四个方面：

1、脱落酸的作用

研究表明，在植物激素中，与种子发育关系最密切的激素是脱落酸，它具有促进种子发育的作用。用脱落酸处理大豆，可使大豆球蛋白增加；处理油菜，可使油菜的2S水溶性蛋白质含量增加；处理玉米，可使玉米中分子量为15000Da、富含甘氨酸的蛋白质在种子中的表达增加。当植物缺水时，脱落酸在组织中的水平提高，其结果会诱导贮存蛋白质在营养组织中表达。

2、营养因素

营养因素对种子贮存蛋白质合成有较大影响，在众多的营养成分中，硫元素对种子贮存蛋白质合成的影响了解得最清楚。一般来说，当植物生长在含硫不足的环境中，其富含硫的蛋白质含量将减少，而不含硫或少含硫的蛋白质含量将增加。例如，当把豌豆置于缺硫的逆境时，含硫较高的11S豆球蛋白的含量仅为生长在正常条件下植株的15%，而含硫较少的7S豌豆球蛋白的含量则增加了50%。如果给逆境中生长的豌豆施硫肥，11S豆球蛋白的合成均可上升到正常水平，而7S豌豆球蛋白的合成也将恢复到原来的水平。在大豆中也可观察到类似的变化。

目前认为，缺硫之所以导致种子细胞内蛋白质合成的变化，是因为缺硫可使细胞内甲硫氨酸的含量降低，进而影响了种子细胞内某些贮存蛋白基因启动子的活力。可见植物体内甲硫氨酸含量变化可起到调控种子贮存蛋白基因表达的作用，或者说甲硫氨酸的含量，在细胞中具有平衡种子中不同蛋白质积累的作用。高含量甲硫氨酸刺激富含甲硫氨酸蛋白质的翻译，并使其较为稳定，不易被水解。而另一方面，甲硫氨酸对含硫较少的种子贮存蛋白质基因的翻译具有抑制作用。

有资料报道，用基因工程的方法提高烟草种子细胞内甲硫氨酸的含量，其结果间接提高了转基因烟草种子中富含硫蛋白的比例。由此可见，改变细胞中甲硫氨酸含量是提高种子中含硫蛋白质含量，进而提高食物营养价值的有效途径之一。

3、成熟干燥

种子的发育以成熟干燥为最后阶段，在这一阶段中，种子细胞中的代谢趋于静止状态，