第三章植物蛋白质

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1、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，

2、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

3、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a-链和6条链组成，a-链分子量为22000Da,B -链分子量为32000Da。用甲醇、乙醇、异丙醇提取的种子蛋白

4、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Pr。、Gin 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5560%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（Na2S205）,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

5、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

6、，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%，豇豆和蚕豆都为%，豌 豆为%，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 400000

7、Da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35C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

8、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B-伴大豆球蛋白和丫-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%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

9、白。如 马铃薯蛋白质的7080%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

10、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

11、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， 整个种子

12、也进入一个休眠期。一旦种子吸水，其代谢活动便迅速恢复，但这一时期种子中的 蛋白质合成无论是在质量上和数量上，都与种子发育过程中的蛋白质合成截然不同。也就是 说，种子的干燥过程就如同一个“开关”，他关闭了种子发育过程中蛋白质基因的表达，而 打开了种子萌发所需蛋白基因的表达。有科学家曾将仍处在发育阶段的种胚从母体中分离出来，然后不经过干燥处理，发现被 分离的胚在有脱落酸或者有渗透压的条件下，仍然可以合成种子贮存蛋白。假如将分离胚先 进行干燥处理，然后让其吸水，并给予脱落酸或渗透压，失去合成种子贮存蛋白能力的种胚， 此时的基因表达模式与种子萌发时的一致。但目前还不十分清楚干燥与种子中基因表达的转 换

13、机理。4、其它蛋白质基因的表达在种子发育过程中，绝大部分的mRNA是种子贮存蛋白的mRNA,但也有一些其它蛋白质 基因的表达，特别是直接与贮存蛋白质的加工、包装、运输、贮存有关的基因也需要表达。 研究表明，发育种子中的贮存蛋白质，在蛋白体内形成正确构象和准确包装的过程需要其它 分子的协助，特别是伴侣分子，它可能与蛋白体的形成有关。例如，有研究表明，在玉米发 育种子中，存在有一种分子量为75Da的结合蛋白，也称Bip蛋白。该蛋白基因的表达与种 子贮存蛋白基因的表达同步，而且用某些糖基化抑制剂处理玉米培养细胞可增加Bip基因的 表达。Bip 蛋白也存在于植物的其它部分，而且它位于细胞的内质网中。虽

14、然该蛋白质基因的 量很少，但能持续在细胞内表达。现已知，Bip蛋白具有两个相关的生物功能：（1）作为分子伴侣蛋白，促进正在合成的多肽链进入内质网系统；（2）作为媒介物质，促进蛋白质折叠成正确的构象。人们在玉米和水稻上的研究已证明，Bip蛋白直接参与了蛋白质的组装，并且与蛋白体的形成密切相关。五、高丰度表达蛋白质 如前所述，种子发育的最后阶段是成熟及休眠，而这一阶段的特征是种子脱水，并且与 种子发育有关的基因进入暂时停顿状态，而与种子成熟有关的基因开始活跃表达。通常我们 把胚胎发育后期，所有在种子成熟过程中所表达的蛋白质，统称为高丰度表达蛋白质(late embryo abundant prot

15、ein，简称 Lea protein)。研究表明，即使种子周围环境中存在有大量的水分，种子在成熟后期仍将自主脱水，种 子细胞内的水分仍逆水势运行，而且种子细胞可以在非常干燥的状态下存活。目前认为，种子之所以能够忍受干燥，关键是成熟种子中沉积了一些糖类物质和 Lea 蛋白。糖分子所含有的羟基结构可以代替细胞周围的水膜，并保护细胞膜免受脱水造成的损 伤。Lea蛋白则可能具有保护细胞质、调节水势和细胞内离子浓度，以及调控基因表达等作 用。Lea蛋白通常都位于细胞质中，大多数Lea蛋白都是亲水性的，极少含半胱氨酸和色氨 酸。此外，有试验表明，大豆种子忍受胚细胞脱水的能力与Lea蛋白的含量有直接关系。如

16、 将种子吸水处理18小时后，Lea蛋白将减少，如吸胀过程中加入脱落酸或聚乙二醇，则可 以减缓Lea蛋白的消失速度，同时种子的萌发速度也会减慢。这表明大豆Lea蛋白的含量与 种子抗脱水的能力有关。此外，在Lea蛋白中还发现一种被称为脱水素(dehydrin)的蛋白质分子。此蛋白质分 子具有极高的亲水性，即使在100沸水中煮过后，它仍能溶于水。结构分析发现，脱水素 中有一个富含赖氨酸的区域，推测此区域可能与脱水种子忍受低含水量或种子休眠有关。脱水素的研究对种子生理和植物抗旱具有重要的意义，特别是脱水素在植物营养体中的 表达与植物抗旱能力的关系，是一个值得探索的问题。止匕外，对Lea蛋白和脱水素的研究将 推动人工种子的研究。人工种子的研究正处在方兴未艾的时期，制备人工种子的关键是能否 诱导外植体同步形成大量的、具有萌发能力的“胚”