大豆抗原蛋白的结构和功能及其对鱼类消化生理功能的影响

殷海成

（河南工业大学生物工程学院，河南郑州450001）



综述

大豆抗原蛋白的结构和功能及其对鱼类消化生理功能的影响

殷海成

（河南工业大学生物工程学院，河南郑州450001）

大豆抗原蛋白既是大豆的主要营养成分，又是大豆中的主要抗营养因子之一，同时也是制约大豆蛋白在食品或饲料工业中利用的关键因素。本文综述了大豆抗原蛋白的结构、功能及其对鱼类消化生理功能的影响，旨在为大豆蛋白的合理开发利用奠定基础。

大豆抗原蛋白；结构；功能；消化生理；鱼类

大豆蛋白因营养价值高而被广泛应用于食品与饲料工业。然而，大豆蛋白中含有多种抗营养因子（ANF），如胰蛋白酶抑制因子、抗原蛋白、凝集素、单宁、皂甙和生物碱等（Tsukada等，1986）。其中大豆抗原蛋白，易引起动物机体的过敏反应（Herian等，1990）。过敏反应能够干扰动物肠道生理功能，影响肠道的新陈代谢以及对营养物质的消化吸收，进而影响动物特别是幼小动物的生长发育。大豆抗原蛋白按免疫学方法分为：大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白、γ-伴大豆球蛋白和α-伴大豆球蛋白；按沉降系数S分为：2S、7S、11S、15S组分。其中β-伴大豆球蛋白属于7S组分，分子质量为140～180 ku，是由α、α＇和β三个亚基组合而成的三聚体，并以α和α＇亚基的抗原性最强（Amigo-Benavent等，2011；Krishnan等，2009）。大豆球蛋白为11S组分，由6个酸性（A）亚基和6个碱性（B）亚基组成的分子质量为300～380 ku的六聚体复合物，其中酸性亚基可引起人体和动物的过敏（Adachi等，2003）。通过二级结构研究发现，二级结构对于蛋白质的功能有着至关重要的作用，一旦二级结构发生改变，蛋白质的功能就发生巨大的变化（Badley等，1975）。本文综述了大豆球蛋白与β-伴大豆球蛋白结构和功能的关系，以及其对鱼类消化生理的影响，旨在为鱼类充分利用大豆蛋白奠定基础。

1　大豆球蛋白的基本结构

大豆球蛋白约占大豆籽实体总蛋白的19.5%～23.1%和总球蛋白的40%，是主要的贮藏蛋白和最大的单体组分，属于11S球蛋白，分子质量为300～380 ku（Hou和Chang，2004；Adachi等，2003）。大豆球蛋白也是含糖蛋白较少的聚合蛋白质（0.8%的糖），是酸性和碱性亚基（每个亚基约60 ku）交互连接而成的稳定结构；酸性亚基包括Ala、A1b、A3、A4、A5、A6，碱性亚基包括B1a、B1b、B3、B4、B5、B6，分别通过二硫键（S-S）连接而成，形状为2个环状六角形；其单聚体亚基可表示为A-S-S-B，A为酸性多肽链，分子量为34～44 ku；B为碱性多肽链，分子量为20 ku；SS是二硫键（Nielsen等，1989）。目前已知有5种单体形式，分别为：AlaB1b（53.6 ku）、A1bBlb（52.2 ku）、A1bBla（52.4 ku）、A3B4（55.4 ku）和A5A4B3（61.2 ku）（Maruyama等，1998）。11S球蛋白中，蛋氨酸含量较低，赖氨酸含量较高，缬氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸和异亮氨酸占23.5%，赖氨酸、精氨酸、组氨酸、谷氨酸和天冬氨酸占46.7%（周瑞宝和周兵，1998）。在二级结构中α-螺旋约有24%、β-折叠约有30%、β-转角约有31%以及12%的无规则卷曲（朱翠等，2011）。

2　β-伴大豆球蛋白的基本结构

β-伴大豆球蛋白作为另一种主要贮藏蛋白，约占大豆籽实体总蛋白的10.0%～12.7%和总球蛋白的30%，分子质量为140～180 ku，同时它又是糖基化蛋白质，约含有4%～5%的碳水化合物（氨基葡糖和甘露糖残基）（Mujoo等，2003）。β-伴大豆球蛋白由α、α＇和β三个亚基组成且具有82%的同源性，分子质量分别为58～77、58～83、42～53 ku（Coates等，1985）。3个亚基在组成上具有多样性，表示为：αxα＇yβz（x、y、z代表相对应亚基的数量），目前已知的6种聚合方式为ααα、αα α＇、αα＇β、ααβ、αββ、α＇ββ（Mujoo等，2003）。β-伴大豆球蛋白的氨基酸组成显示都富有谷氨酸/谷氨酰胺、天冬氨酸/天门冬酰胺、亮氨酸和精氨酸（Thanh和Shibasaki，1976）。与大豆球蛋白比较，β-伴大豆球蛋白蛋氨酸残基存在于α、α＇亚（α亚基2个、α＇亚基3～4个）基以及不含半胱氨酸（Maruyama等，2003）。β-伴大豆球蛋白的α-螺旋、β-折叠和无规则卷曲分别占5%、35%和60%。然而，对于不同大豆品种，β-伴大豆球蛋白的二级结构在α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规则卷曲存在一定差异，如大豆球蛋白的二级结构中酰胺Ⅰ带α螺旋16%，β-折叠47%，而β-伴大豆球蛋白α螺旋17%，β-折叠47%，α-螺旋含量少，β-折叠含量高（Duke，1934）。

3　大豆抗原蛋白的结构变化与功能关系

蛋白质的功能与结构密切相关，结构改变，功能也发生变化。大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白在结构和组成上的不同决定了其具有不同功能。大豆球蛋白是热稳定蛋白，这是由其组成亚基中具有最低变性温度的亚基决定的，但也与肽链中酸性和碱性亚基交互对应形成比较稳定的结构以及二硫键多（﹥20）有关。差示扫描量热法研究豆浆中的2种主要大豆抗原蛋白，结果表明，豆浆中7S球蛋白的变性温度为（70±2）℃，11S球蛋白的变性温度为（90±2）℃（汪立君等，2001）。热处理使蛋白质变性，主要是破坏蛋白质的二级结构，使亚基和多肽链解聚，蛋白质原有功能丢失。利用热乙醇处理方法提纯的大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白基本不具有抗原活性，也不会引起消化不良反应（Kilshow和Sissons，1979）。李岩涛（2013）对高纯度大豆抗原蛋白进行不同温度加热处理，并通过红外光谱等技术对热处理前后的大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白的二级结构进行分析，结合SDS-PAGE和Naive-PAGE凝胶电泳，探讨了温度变化对大豆抗原蛋白二级结构的影响，结果显示，热处理可以改变大豆抗原的免疫活性，究其原因是蛋白质的结构发生变化，蛋白质的有序结构发生解离，形成无规卷曲。随后的研究又产生了很多热处理大豆抗原蛋白的其他方法（膨化、高压和蒸汽等），均获得了比较理想的效果（段春红等，2009；Zhang等，2003）。但有些研究结果与其不尽相同，因为还受其他因素的影响。Davis和Williams（1998）认为，热处理能够改变蛋白质的结构，但改变取决于温度和加热过程。同样，Lakemond等（2000）也认为pH、离子强度和处理前大豆球蛋白的二、三、四级结构均会在很大程度上影响热处理后的效果。热处理后的大豆抗原蛋白的天然分子表面抗原表位被破坏，可新的抗原表位被暴露，又显著提高了小分子抗原的免疫原性（Herian等，1993）。

对于pH对大豆抗原蛋白结构的影响，魏冬旭等（2015）采用Lowry法、8-苯氨基萘-1-磺酸铵盐荧光探针法以及圆二色光谱和荧光光谱对不同pH值条件下11S球蛋白二级结构和三级结构进行分析，结果表明，随着pH值的升高，大豆球蛋白二级结构中发生β折叠和无规则卷曲向α-螺旋转变，表明蛋白发生了聚集，结果功能也发生改变（Rickert等，2004）。其原因在于外部环境pH的改变能够引起大豆抗原蛋白可解离基团的电离增加或减少，从而导致蛋白质结构发生改变，进而影响其功能。大豆球蛋白含有碱性肽链与酸性肽链，理论上易受pH影响，然而肽链中酸性和碱性亚基交互对应，相对稳定，不易受pH影响，但pH大于11时，蛋白解离成2S和7S组分亚基，溶解度增加，抗原性降低（Fukushima，1991）。β-伴大豆球蛋白易随溶液的离子强度变化而发生聚合和解离作用。在0.1离子强度和中性pH值溶液中，7S会聚合成9S和12S，致敏作用显著降低（Dev等，1988）。β-伴大豆球蛋白是糖基化蛋白，其热稳定性和凝胶能力较差，但乳化能力比大豆球蛋白强，在低温条件下能溶解（Koshiyama，1968）。这与大豆球蛋白显著不同。Utsumi等（1993）通过分析大豆球蛋白改性后的功能变化发现，大豆球蛋白结构不稳定性以及巯基基团的位置和数目直接影响其乳化能力和疏水性。在致敏作用方面，β-伴大豆球蛋白的三个亚基都是潜在的致敏原，尤其α亚基很容易被免疫球蛋白E抗体识别，引起免疫反应，其活性反应决定域就在糖基化的N-连接聚糖部分，这也是β-伴大豆球蛋白致敏作用较强的原因（Hiemori等，2000）。

4　大豆抗原蛋白对鱼类消化生理功能的影响

大豆抗原蛋白为致敏蛋白，能导致幼龄动物发生过敏反应。大豆抗原蛋白进入动物体内后，大部分被消化酶分解成小肽和氨基酸而被吸收利用，只有少部分以完整的大分子穿过小肠上皮细胞或上皮细胞间隙进入血液或淋巴，从而引发致敏反应的发生。当水产动物摄入含有较多大豆抗原蛋白的饲料后，可破坏鱼的肠细胞形态和结构，具体表现在后肠上皮顶端细胞脱落，吸收小泡大小不一，数量减少，上皮细胞核排列紊乱，局部出现核浓缩，核顶部及肠细胞总面积发生改变（Ostaszewska等，2005；Refstie等，2001）。Rumsey等（1994）对胡子鲇的肠管敏感性研究表明，胡子鲇肠道从前向后对大豆蛋白的敏感程度逐渐降低，肠道皱襞逐渐下降，并随着大豆抗原蛋白含量的增加肠管皱襞高度下降幅度加大。肠道上皮细胞损伤，必然引起对营养物质的吸收能力下降。对于幼鱼，营养物质主要在后肠上皮细胞内消化，营养吸收依赖细胞内吸收小泡，吸收小泡数量的多少直接影响营养物质吸收多少。成鱼胃发育成熟，消化不依赖后肠，但营养吸收还依赖后肠的上皮细胞，因此，大豆抗原蛋白对于幼鱼的伤害要大于胃发育成熟的成鱼。除此之外，肠壁损伤势必影响肠内消化酶活性。消化酶活力高低影响鱼类对营养物质消化与吸收，进而影响鱼类生长和发育。吴莉芳等（2009）对鲤鱼研究表明，当用去皮豆粕替代45%鱼粉蛋白时，其后肠和肝胰脏的蛋白酶活力下降极其显著。说明大豆蛋白中含有影响消化酶的抗营养因子。孙玲（2008）进一步使用大豆抗原蛋白研究发现，大豆抗原蛋白显著降低了埃及胡子鲇胃、肝胰脏及前肠，鲤鱼前肠，草鱼后肠和肝胰脏蛋白酶活力。主要原因在于大豆抗原蛋白损伤了鱼类消化道结构，导致消化道内酶的分泌减少、活力降低。Krogdahl和Bakke-Mckellep（2003）对虹鳟研究发现，使用大豆抗原蛋白后，虹鳟中肠和后肠上皮刷状缘胞外酶：碱性磷酸酶、亮氨酸氨肽酶和双糖酶（麦芽糖酶、乳糖酶、蔗糖酶等）活性下降，并随大豆抗原蛋白比例增加酶活性呈指数性下降。大豆抗原蛋白可使大西洋鲑鱼后肠上皮刷状缘的胞内、外酶：5'-核苷酸酶、Mg2+ATP酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、丙氨酸氨肽酶等活性降低；5'-核苷酸酶与单核细胞增多有关，酶的活性降低，表明单核细胞增多；酸性磷酸酶、非特异性脂酶活降低，表明巨噬细胞浸润；胞内的碱性磷酸酶、酸性磷酸酶等活性的降低引起蛋白质和脂类消化减弱等（Burrells等，1999）。肠道损伤导致其对营养物质的吸收能力下降；消化道酶活性降低可加剧鱼类消化性能降低，从而影响鱼类的生长及对饲料的利用，最终导致鱼类消化性能降低和生长性能下降。

总之，探讨大豆抗原蛋白结构与功能以及对鱼类消化生理功能影响，对于大豆抗原的致敏性研究和大豆蛋白的营养与功能研究具有现实意义；对于降低或消除大豆抗原蛋白的抗营养特性，保障大豆蛋白在食品或饲料中的安全与高效利用具有指导意义。

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Soybean allergenic proteins，the main nutritional components，are identified as anti-nutritional factors in soybean，which are putting a constraint on the safe and high efficiency utilization of soybean protein source by humans and animals.This review mainly introduced the composition，structure，function of soybean antigenic protein，and its effects on digestive physiology of fishes，to provide a basis for the rational utilization and reasonable exploitation of soybean proteins．

soybean allergenic protein；structure；function；digestive physiology；fish

S963

A

1004-3314（2016）02-0015-04

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20160204

河南省重点科技攻关计划项目（132102110026）