乳蛋白的主要组分及其研究现状.pdf

收稿日期: 2002-12-23 作者简介: 秦宜德( 1962- ) , 男, 安徽寿县人, 博士, 副教授, 从事泌乳生理生化方面的研究。 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 39770554) 文章编号 : 1008- 9632( 2003) 02- 0005 - 03 乳蛋白的主要组分及其研究现状 秦宜德1,邹思湘2 ( 1. 安徽医科大学基础医学院生化系 ,合肥 230032; 2. 南京农业大学农业部动物生理生化重点开放实验室, 南京 210095) 摘 要: 乳蛋白是乳中最重要的成分, 包括酪蛋白、乳清蛋白和乳脂肪球膜蛋白等。 本文对乳中主要蛋白质的结构组成特 点、分泌的规律和功能等进行了综述, 并介绍了国内外乳蛋白研究的最新进展及其研究乳蛋白的意义。 关键词: 乳蛋白; 酪蛋白; 乳清蛋白 中图分类号: Q51文献标识码: A 乳蛋白 、 乳糖和乳脂构成乳的主要组分 ,其中乳蛋 白是乳中最重要的成分 。乳中蛋白质的种类多 , 含量 丰富, 分布广泛 。乳蛋白主要有酪蛋白( Casein,CN) 和 乳清蛋白( Whey protein) 两大类, 此外还有含量相对较 少的乳脂肪球膜蛋白( Milk fat globule membrane protein, MFGMP) 。 1 酪蛋白 CN 是乳腺上皮细胞合成的 ,是乳中特有的一组磷 蛋白, 含有大量的磷和钙。CN 以磷酸酯键与丝氨酸的 羟基结合,CN 中还含有少量已糖、氨基糖和唾液酸等 残基。常乳中, CN 在牛乳中占总蛋白的 80%, 在猪乳 中可能超过60%。乳中 CN 分为s-CN :- CN、 - CN 和 - CN 四种类型,其中 - CN 实际上是 - CN 的酶 解产物。 s- CN 是乳中主要的 CN 。在牛的脱脂乳中,s1- CN 约占全酪蛋白( tCN) 的 38%。s2-CN 约占 tCN 的 10%,-CN 在乳中的含量仅次于 s-CN, 在牛乳的脱 脂乳中约占 tCN 的 35%。 - CN 在牛乳的脱脂乳中约 占 tCN 的3%。 - CN 是唯一含有糖成分的 ,并对钙不 敏感而对凝乳酶敏感的 CN。在牛乳的脱脂乳中, - CN 约占 tCN13%。 -CN 的水解产物有两个片段 : 副 - - CN ,和 CN 的巨肽 。 - CN 的糖基有三种 ,即唾液 酸、 半乳糖和 N-乙酰氨基半乳糖 。CN 在乳中是以微 团状态存在的, 称为 CN 微团。CN 是一种有很强相互 作用的蛋白质, 在乳中有缔合现象 。CN 在 20 、 pH4. 6 时从脱脂乳中沉淀析出。 CN 含有几乎全部必需氨基酸, 是新生幼仔最具营 养价值的蛋白质 。其次 ,CN 能增加新生幼仔对钙磷的 吸收 1 。CN 在新生幼仔胃肠道蛋白酶作用后, 可释放 多种生物活性肽 。这些活性肽对幼仔的消化、营养和 免疫等发挥调节作用 2 ,如牛 - Casomorphin 和免疫调 节肽。 - CN 还可以刺激新生幼仔胃肠内有益菌落的 生长 ,例如人乳中 - CN 可以刺激婴儿胃肠内双歧杆 菌的生长” 2 乳清蛋白 乳清蛋白是乳去除 CN 后,分离出来的乳清中所含 的蛋白质。乳清蛋白构成初乳总蛋白的 70 80%, 泌 乳一周后逐渐下降到 50 60%, 主要包括 - 乳球蛋白 ( - Lactoglobulin ,-Lg) 、 - 乳白蛋白( - Lactalbumin, -La) 、清蛋 白( Serum albumin , SA) 、免疫 球 蛋白 ( Immunoglobulin,lg) 和乳铁蛋白( Lactoferrin,Lf) 等 。 2. 1 免疫球蛋白 初乳中 Ig 占乳清蛋白的 60 90%, 随着泌乳进行 迅速下降,常乳中 Ig 含量甚微 3 。乳中Ig 包括 IgG、 IgA 和 IgM 等 。灵长类和兔等初乳中 Ig 主要为 IgA ,人乳中 占 Ig 的 89. 8%, IgM 浓度也较高 。牛和猪等初乳中 Ig 主要为 IgG ,猪乳中占Ig 的 76%,IgG 在分泌 24h 内快速 下降 ,IgA 变成乳中主要的 Ig 。乳中 Ig 的 90%来自血 液 。IgA 和 IgM 的大部分是被停留在乳腺中的 B 淋巴 细胞合成而分泌入乳中的 。IgG 分为 IgG1和 IgG2两种 亚型,通过受体介导的内吞把 IgG 转入上皮细胞并分泌 到腺泡腔中 。IgA/IgM 是通过和分泌成分( Secretary components,SC) 结合 ,然后在蛋白水解酶作用下从膜上 断开 ,连同SC 一起分泌到乳中 ,SC-IgA 被称为分泌型 IgA。 乳中的 Ig 具有重要的功能。幼仔出生时, 有效免 疫系统尚未发育完善 , 必须由母体 IgG 被动转输给幼 仔 ,称为被动免疫转移 。这种被动免疫转移在人 、 兔等 5 第 20 卷第 2期 2003 年 4月 生 物 学 杂 志 JOURNAL OF BIOLOGY Vol . 20 No. 2 Apr, 2003 通过胎盘转移 IgG,猪 、 牛等通过初乳转移给新生幼仔 。 许多新生幼仔在出生时胃肠道尚未关闭, 能直接吸收 生物大分子 4 , 将 IgG 直接吸收入血液提供被动免疫作 用。随着新生幼仔吸收大分子关闭, IgA 就开始在乳中 占优势 。IgA 对酸碱和蛋白水解酶的水解作用有较强 的抵抗力, 能在新生幼仔消化道中保持其抗体活性, 当 其进入消化道后可附在消化道粘膜表面, 以防止病原 体吸附到肠壁上, 起排菌的作用 5。Ig 还与乳腺本身 的防御机能有关 ,调理吞噬细胞 , 凝集和抑制细菌 , 中 和细菌毒素,从而保护乳腺。 2. 2 清蛋白 乳中 SA 来自血液,分子量为 66， 000。乳中分离出 的SA 与其血液中SA 有相同的化学和免疫学性质 。牛 乳中的SA 浓度为 0. 4g. L-1,约占总乳蛋白质的 1. 2%, 人乳中含量相同或稍高。SA 在肝脏中合成, 在血中的 浓度为 30 40g. L-1,可能通过特异性受体经乳腺细胞 转运进入乳中 。初乳期或乳房炎时乳腺分泌物中 SA 含量较高 ,可能通过乳腺细胞间的“渗漏接合”进入乳 中。SA 参与胶体渗透压调节, 并在转运脂肪酸和氨基 酸方面有重要作用。SA 还能结合乳中甲状腺素、锌和 铜等。然而 SA 可以和 IgG 竞争初生幼仔胃肠道载体 , 降低幼仔对 IgG 的吸收 6。 2. 3 -乳白蛋白 -La 由乳腺上皮细胞合成, 在所有哺乳动物乳中 均存在 ,尤其在人乳中含量较高 ,然而在一些乳糖含量 低或无的水生哺乳动物( 如海豹和海狮等) 乳中含量较 低。在牛脱脂乳中含量为 0. 6 1. 7gL-1。 -La 是一 个结构紧密球型蛋白 ,其三维大小为 2. 24. 4 7. 5nm 的扁椭圆体 。在生理状态的 pH 下, -La 的二级结构 包括 26% - 螺旋、 14% -结构和 60% 无序结构。牛 - La 的分子量为 14147 14175,pI 为 4. 20 4. 50。 - La 在 pH5. 4 9 范围内有一个稳定的结构 ,它是对热最 稳定的乳清蛋白 。 - La 含有微量糖基成分 ,有 N -乙 酰氨基葡萄糖、唾液酸、半乳糖、N -乙酰氨基半乳糖 、 甘露糖和岩藻糖等 。 -La 的一级、二级和三级结构均 相似于溶菌酶蛋白 , 然而这两种蛋白质没有任何已知 的相同生物学功能, 有人认为 -La 是由一编码溶菌酶 的古代基因复制 、 分化和进化而来 。 -La 是乳糖合成酶的一个亚基 ,它控制着乳中乳 糖的含量。Bleck GT 等 7报道, 通过将牛 - La 基因转 移到猪上 ,后者在泌乳中特异性 - La 在乳腺中显著增 多,结果转基因母猪在泌乳早期乳糖含量显著增加 。 - La 含有与钙有高度亲和力的结合位点 , 有助于钙大 量分泌入乳中。 -La 与细胞膜有非特异性的结合特 性,有人发现 -La 是细胞生长的抑制剂 。 -La 富含 赖氨酸、 半胱氨酸和色氨酸 ,有非常高的营养价值 8 。 另据报道 9 母乳中 -La 含量显著受母体所在环境中 有害杀虫剂如 DDT 、林丹和六六六等影响 , 因此有人建 议将 -La 作为环保的生物标记 。 2. 4 - 乳球蛋白 -Lg 是反刍动物和猪等乳中主要的乳清蛋白之 一 ,在牛常乳中约占 50%。长期以来认为 -Lg 是反 刍动物和猪等乳中特有的乳清蛋白 , 近年来报道人乳 中有少量 -Lg 存在 。 -Lg 也是由乳腺上皮细胞合 成的乳特有蛋白。牛乳中 -Lg 的分子量为 18277 18363,pI 为 5. 13, 在牛脱脂乳中含量为 2. 0 4. 0g . L- 1。在生理状态的 pH 下,- Lg 常常以稳定的二聚体 形式存在,二聚体像一个拉长的椭圆体, 长约 6. 95nm, 宽约3. 6nm。-乳球蛋白的理化性质和 pH 值关系很 大 ,在 pH 3. 5 时,二聚体解离。通过旋光色散和圆二 色性技术研究发现 - Lg 的二级结构包括 10 15% - 螺旋 、 43% - 折叠和 47%无序结构。 -Lg 相对来说 是热不稳定的乳清蛋白 。 - Lg 的功能还不是很清楚, 可能的功能有 : 结合 脂肪酸或脂肪。乳中 -Lg 与 VA结合蛋白的氨基酸 序列相似 10, 并在犊牛小肠微绒毛上检测到 -Lg - VA复合物。-Lg 在低 pH 情况下是唯一能溶解的乳 蛋白 ,可迅速而完整地通过胃到达小肠 ,它可能有助于 幼仔吸收维生素 A。 -Lg 对乳腺中的磷代谢可能有 调节作有。据推测 -Lg 可能是个别婴儿喂配方牛奶 发生过敏的原因。 2. 5 乳铁蛋白 Lf 是乳中与铁结合的红色蛋白质 , 是高度糖基化 的糖蛋白 。乳铁蛋白的糖基通过 Asn 残基与蛋白质相 连 ,糖基的种类有 : N-乙酰氨基葡糖、唾液酸、半乳糖、 甘露糖和岩藻糖等。Lf 为单一的多肽链 , 该多肽链折 叠成无柄银杏叶并列状结构, 每一叶状结构有一个铁 结合位点和碳酸阴离子结合位点 。Lf 主要由乳腺分泌 上皮细胞合成, 少量来自多型核白细胞颗粒 。Lf 的分 子量为 771001500。 Lf 浓度在种间和不同泌乳期有很大变动 。初乳以 及干乳期乳腺分泌物中 Lf 含量丰富,例如人初乳 Lf 含 量为 6 8g . L-1,牛初乳为 1g. L-1, 随着泌乳延续急剧 下降 ,一周后乳中 Lf 含量甚微。人常乳中 Lf 含量为 2 4g . L-1, 乳牛和山羊常乳中 Lf 含量较少 ,牛常乳中 Lf 含量仅为0. 02 0. 35g. L-1 11 . Lf 的主要功能是抑制细菌生长以及抗病毒作用, 其主要机制是通过竞争 Fe3 +和其它金属离子。近年来 研究指出 Lf 对炎症骨髓组织增生 、单核巨噬细胞中 Fe3+沉积 、 多型核白细胞羟基产生和免疫功能有调节 作用 12 。Lf 还对细胞生成也有调节作用 , 并能影响自 然杀伤细胞的活性和抗体依赖性细胞介导的细胞毒 性 11 。新生幼仔通过 Lf 获得铁和其它金属离子 ,对其 胃肠道建立正常菌落也有重要意义 。乳铁蛋白在胃蛋 白酶等酸性酶水解作用下释放抗菌肽 13 , 该抗菌肽具 6 第 20 卷第 2期 2003 年 4月 生 物 学 杂 志 JOURNAL OF BIOLOGY Vol . 20 No. 2 Apr, 2003 有广谱抗菌性, 对革兰氏阳性和阴性以及对 Lf 有抗性 的细菌都有抑制作用 ,其功效是 Lf 的 8倍 。 3 乳脂肪球膜蛋白质 MFGMP 是一组膜结合蛋白 。由于乳脂分泌是顶浆 分泌, 包裹乳脂小球的质膜被上皮细胞释放到乳腺腺 泡腔中 ,与膜结合的蛋白一起被分泌到乳中 。MFGMP 一般都是长链状具有高度糖基化的蛋白质 ,包括位于 胞浆的 C 端部分 、 跨膜区和高度糖基化的胞外 N 端, 其 氨基酸分析表明, 谷氨酸、天冬氨酸和亮氨酸含量最 高,含硫氨基酸和组氨酸含量较低 。MFGMP 糖基成分 有唾液酸 、 己糖和氨基己糖等 ,MFGMP 目前研究最为活 跃的是MUC1 14。 MFGMP 虽然在乳中含量甚微 ,但确具有重要的生 物学意义。例如,MUC1 可以控制乳腺上皮结构 , 保持 腺泡腔和导管开放状态, 阻抑病原微生物 、调节细胞免 疫。MUC1 多态性可作为遗传标记, 其多态性与动物的 某些生产性能有关。 4 研究乳蛋白的意义 乳蛋白是最富营养价值的蛋白质之一 。乳中的主 要蛋白质几乎含有机体所有的必需氨基酸 。在西方国 家乳蛋白及其产品提供 20 30%的食物蛋白。乳源生 物活性肽是乳蛋白在消化酶作用下释放的 ,能被机体 直接吸收 , 在生长和免疫等方面有很强的调节作用 。 研究和开发乳蛋白及其释放的活性肽在食品开发与生 产等领域显示了广阔前景。乳腺组织相对容易从动物 组织中分离和培养 , 研究乳蛋白生物合成是了解生命 机体生物合成的最理想模型 。利用乳腺组织作为生物 反应器从转基因动物诞生起 ,就已成为人们重点研究 和开发的课题。外源基因在家畜乳腺中的表达可以改 变乳汁的成分, 提高乳汁的营养价值, 同时可以生产药 用珍稀蛋白。乳蛋白的变化可以反映乳腺的机能变 化,从乳蛋白的变化可了解乳腺细胞代谢情况, 辅助疾 病的诊断。如患乳腺癌时 ,乳中 MUC1 浓度显著增加 。 许多乳蛋白具有多态性 ,可作为遗传标记应用于遗传 育种 15 。哺乳动物大约有 4000 种, 不同种别动物的乳 蛋白均有其特殊性, 分析乳蛋白的同源性和差异性, 对 研究物种起源和生物进化有重要的价值 。 参考文献: 1 Kitts D D, Yuan Y V. 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