a05.gif (1361 bytes)   台大種子研究室

   蛋白質

Osborne(1924) 依照種子蛋白蛋的溶解將之分成四大類。這種分類法雖不夠周延,但至今仍無有取代的歸類方法。這四種分別為:

(1)水溶性蛋白質(albumin),可溶於水或稀的中性緩衝液,遇熱凝結。這類蛋白質通常為酵素。

(2)鹽溶性蛋白質(globulin),不溶於水,但可溶於鹽溶液(例如0.4MNaCl),遇熱較不易凝固。

(3)鹼溶性蛋白質(glutelin),不溶於水,但可溶於稀的鹼或酸溶液。  

(4)醇溶性蛋白質(prolamin),可以溶於70–90%的乙醇,但不溶於純水。

這四種蛋白質出現在種子內之比例因植物之不同而有很大的差異。例如鹼溶性及醇溶性蛋白質通常存在禾榖類種子,在雙子葉種子中較少出現( )

 

表,種子蛋白質的組成份

 

各類蛋白質佔總蛋白質的百分比

作物

albumin

globulin

glutelin

prolamin

玉米

4

2

39

55

高粱

6

10

38

46

小麥

9

5

46

40

玉米(opaque-2)

25

0

39

24

燕麥

11

56

23

9

水稻

5

10

80

5

豌豆

40

60

0

0

南瓜

---

92

---

---

---:少量

鹼溶性蛋白質在不同禾榖種子有不同的名稱,例如小麥為 glutenin ,水稻為 oryzenin,大麥為 hordenin ,玉米為 zeanin

醇溶性蛋白質僅存在禾穀與禾草種子當中,在玉米則稱為 zein,大麥為 hordein,小麥為 gliadin

鹽溶性蛋白質以存在雙子葉植物之種子為主,豆科尤富之,在花生者為 arachin,在豇豆者為 vignin,在花生者為 arachin,在大豆者為 glycinin 。燕麥的主要貯藏性蛋白質也是鹽溶性蛋白質。

大豆的水溶性蛋白質稱為 legumlin ,水稻的水溶性蛋白質稱為 ricin,小麥者為triticine

儲藏性蛋白質的構造相當複雜,是oligomeric,經過溫和的萃取方法處理,可以分開成兩團以上的次級單位。每個次級單位再由一些polypeptides所組成;每一條polypeptides又是由許多氨基酸組合而成的高分子。每個次級單位的蛋白質分子之間之間靠著disulfide bonding、氫鍵、離子鍵等方式連接組成。整個蛋白質的次級單位團,可利用電泳分析法區分開來,此為以電泳法進行品種鑑定的基礎。

 

菽豆類種子蛋白質

Osborne 將大豆及豌豆的鹽溶性蛋白質分出vicilinlegumin。其後的學者陸續發現大多數的豆類種子鹽溶性蛋白質皆由此二部份所組成,而構成豆類蛋白質的主成份。一般而言,leguminvicilin的氨基酸組成份在一些豆類之間頗為類似,皆含有較高量的asparagineglutamine,而含硫氨基酸如 cysteinemethionine,以及tryptophone 的含量頗低,但離氨酸(lyins)的含量則頗高()

  

 

表    大豆蛋白質的氨基酸組成份(mole %)

氨基酸

氨基酸在各種蛋白質的成份

 

11 S

7 S

Alanine

6.2

3.7

Arginine

5.6

8.8

Aspartic acid

11.7

14.1

Cystine

0.6

0.3

Glutamic acid

21.4

20.5

Glycine

7.5

2.9

Histidine

1.7

1.7

Isoleucine

4.1

6.4

Lysine

3.9

7.0

Methionine

1.3

0.3

Phenylalanine

4.6

7.4

Proline

6.5

4.3

Serine

6.0

6.8

Threonine

3.8

2.8

Tryptophan

0.8

0.3

Tyrosine

2.7

3.6

Valine

5.2

5.1

 

除了氨基酸之外,globulin 亦含有少量的醣類,如mannose,glucose,galatose,glucosamine等。部份的非豆類種子,如向日葵、Brassica spp.、Prceuces spp.等也都含有類似legumin的蛋白質。若將鹽溶性蛋白質用高速離心分離,通常可以將兩者分開。其中沈澱係數(sentimentation coefficient) 為11-12S者叫做legumin(通常以11S代表),而沈澱係數為7-8S者為vicilin(通常以7S代表)。在發育中大豆則另有2.2S的蛋白質可以分出來。Acacia spp 則缺乏11S蛋白質。  

表, 一些豆類種子鹽溶性儲藏蛋白質的次級單位

作物 平均沉澱係數(S)

平均質量(kDa)

名稱

蠶豆

7

11 - 14

150

328

vicilin

legumin

大豆

7 - 8

12

160

330

conglycinin

glycinin

菜豆

6.5 - 7.5

11

150

340

glycoprotein I

glycoprotein II

苜蓿

7

11

150

360

alfin

medicagin

豌豆

7 - 8

12 - 13

186

360

vicilin

legumin

 

11S 7S 蛋白質各皆由數團次級單位所組成。這些次級單位經分解後,呈縣酸性或鹼性,可用電泳法來區分。以 Vicia sativa 為例,其 legumin 可分為 6團分子量約24,300的次級單位,4個約37,600者,及2個約32,000者,總計其legumin分子量約為360 kDa

11-12S 蛋白質之各個次級單位具有頗多類似的性質,顯示legumin 甚為均質,polypeptides之間由disulfide bond來連接;相反的,vicilin的各次級單位性質差異較多;一般而言,7S蛋白質含有35團次級單位,其分子量在23 kDa56 kDa之間,整個vicilin分子之重量約為140 - 200 kDa,較 legumin為低;7S蛋白質通常完全不含氨基酸cystein,因此也沒有disulfide bond的連接。

   禾穀類蛋白質

除了燕麥之外,禾穀類種子蛋白質的主要成分為鹼溶性蛋白質或醇溶性蛋白質。例如水稻種子蛋白質約80﹪為鹼溶性蛋白質,而玉米則醇溶性蛋白質高可達 55﹪,鹼溶性蛋白質約佔 39﹪。燕麥種子這兩種蛋白質較低,但有 56﹪為鹽溶性蛋白質。水稻和大麥的鹽溶性蛋白質含量佔其總蛋白質量約10﹪,而玉米則不含有鹽溶性蛋白質。

Lysine 是一種必需氨基酸,人類和其他動物不能自行合成,必需仰賴食物。禾穀類醇溶性蛋白質所含有的 lysine含量頗低( ),蛋白質品質較差。

 

表 大麥蛋白質的氨基酸組成份

氨基酸

氨基酸在各種蛋白質的成份 (g/16 g N)

 

albumin

globulin

glutelin

prolamin

Alanine 7.3 0.7 6.7 2.2
Arginine 6.5 11.0 6.0 3.0
Aspartic acid 12.2 8.5 7.1 1.8
Cysteine 2.1 3.6 1.2 2.1
Glutamic acid 12.9 11.9 19.8 39.6
Glycine 5.7 9.2 4.5 1.5
Histidine 2.5 1.8 2.5 1.3
Isoleucine 6.2 3.3 5.2 5.4
Leucine 8.6 6.8 8.7 6.9
Lysine 6.7 5.3 4.0 0.7
Methionine 2.4 1.5 1.9 1.3
Phenylalanine 5.1 2.8 3.6 3.0
Proline 5.5 3.6 8.7 20.1
Serine 4.9 4.7 5.0 3.8
Threonine 4.6 3.3 4.2 2.6
Tryptophan 1.5 0.8 1.3 0.8
Valine 7.8 5.5 6.6 4.7

 

玉米含甚多的醇溶性蛋白質(特稱 zein )。因此整個穀粒的 lysine 含量相對地降低,影響其品質。目前已有突變體 Opaque-2 、Floury-2 ,這些突變體所含的 zein較低,而 鹼溶性蛋白質和水溶性蛋白質較高,因此其營養品質得以改善;不過含有高lysine基因的玉米產量常不高,無法為農民所接受。燕麥由於鹽溶性蛋白質含量甚高,因此就蛋白質的品質而言,居主要禾穀類種子第一位,水稻則次之。

不同的蛋白質,可能不均勻地分佈於種子的不同部位。以小麥為例,糊粉層所含蛋白質之氨基酸組成分,就有別於胚乳者。例如 lysine 以及arginin 的含量皆高出胚乳者3倍,而 glutamine 的比例則較胚乳者小。就鹽溶性蛋白質而言,在水稻、燕麥、小麥等,類似菽豆類的11S蛋白質主要存在胚乳,而類似7S者則多出現於胚及胚乳最外緣的糊粉層。水稻糊粉層則富於水溶性蛋白質。

禾穀類種子蛋白質的成份與其品質關係相當大。小麥磨成麵粉,麵粉中的麵筋(gluten)其中約70%即是gliadinglutenin所混合而成,二者的比例影響麵筋的性質,即麵粉的彈性與延展性;剩下的30%為澱粉與脂質。

蛋白顆粒

Hartig 1855年由油籽分離出含有蛋白質的顆粒,他稱這種顆粒稱為 aleurone grain (糊粉粒)。現代的術語則稱之為蛋白顆粒(protein body)。蛋白顆粒是種子貯藏性蛋白質的主要所在,除了貯藏性蛋白質之外,可能亦含有無機鹽、RNAlipid 或擇素 (lectin) 等。其直徑由 1 20m不等。切面的形狀由卵形到圓形皆有。顆粒之外包有單層膜( lipoprotein unit membrane )

蛋白顆粒內部可能出現一些異質物。在電子顯微鏡上顯示出較深的顏色。這些異質物大體上可分為兩種,即 crystalloids globoidsCrystalloid 的主要成份亦是蛋白質。 例如 Cannabis crystalloid為一種 globulin (11S),即edestin。而 globoids 並非蛋白質,而是由 phytin ( phytic acid KNaCa) 所組成。在棉花、花生、Capsella的種子,皆可以看到含有 globoid 的蛋白顆粒。 Globoid偶而亦含有蛋白質,但並非貯藏性蛋白質,而可能是某些酵素,如棉籽的 globoid 含有 phosphatase ,大豆的globoid 含有phytase

   棉籽蛋白粒的化學組成份

化學組成份

棉籽

 

globoid

蛋白顆粒

糊粉粒

蛋白質 4.2 57.72 11.7
碳水化合物 1.35 9.01 7.93
無機磷 0.36 0.14 0.06
磷脂磷 0.07 0.06 0.004
有機磷(phytin) 13.85 2.25 11.4
9.7 10.07 14.9
inositol 13.2 --- 9.41
K+ 6.4 2.4 9.45
Ca2+ 1.3 0.3 0.42
Mg2+ 1.7 0.5 8.3

 

禾穀類種子的胚部,特別是子葉盤,以及胚乳等皆含有蛋白顆粒。糊粉粒一詞只宜用於糊粉層的蛋白顆粒,而不要用來指稱其他部位者,以免混淆。同一種子之內,亦可能出現不同的蛋白顆粒,其分布亦可能不均勻。例如 Yucca ,胚中的蛋白顆粒就不同於外胚乳 (主要的貯藏器言) 者。

玉米和水稻的糊粉層含有大小不等的蛋白顆粒,但接近糊粉層的胚乳細胞則僅含有較小的蛋白顆粒。在小麥,發育中的胚乳含有蛋白顆粒,但種子成熟時,許多蛋白顆粒被成長的澱粉顆粒擠碎,使得蛋白質分散於澱粉粒之間,沒有被膜所包裹但其糊粉層的蛋白顆粒則仍然保持完整。;

水稻胚乳的蛋白顆粒主要以貯藏醇溶性蛋白質為主,鹽溶性蛋白質的含量較少。玉米胚乳中最小的蛋白顆粒主要由 zein 組成,而小麥胚乳中最小的 蛋白顆粒則由 gliadin 組成。

Phytin phytic acid(myo-inositol hexaphosphoric acid )與鉀、鎂、鈣結合的鹽類,因此是種子貯藏磷,碳水化合物及各種礦物質的化合物。但因動物本身亦可以合成 inositol ,因此其對人類的營養價值上並非是必需的。反之,由於 phytic acid 可以吸夾鎂、鈣、鐵、鋅、鉬等,可能降低這些元素的吸收利用率。

擇素 (Lectin)

約百年以前,Stilluark 發現蓖麻子的萃取物可以凝結紅血球,隨之學者陸續發現各種植物有類似的凝結素。這些凝結素通常具有選擇性,只和某些細胞發生反應。這些凝結素現在稱為擇素。

英文 lectin 源自拉丁語 legere,即有選擇的意思。擇素為具有結合碳水化合物能力的蛋白質或醣蛋白。由於細胞膜通常會有一些醣蛋白,這些醣蛋白的醣分子暴露於細胞之外,若遇著特殊的擇素,會發生結合。擇素普遍存在植物界,而以種子尤多( )

  

 

  種子中的擇素

分子量

特定對象醣類

小麥   36,000 b-D-Glc NAc-(1-4)-b-D-Glc NAc
大豆 soyin 120,000 a-D-Gal NAc
刀豆 cannavalin A 104,000 a-D-mannose
落花生   110,000 b-D-Gal-(1-3)-D-Gal NAc
蠶豆 favin 53,000 a-D-mannose
篦麻 ricin 12,000 a-D-Galactose

Gal NAc: N-acetyl-D-gallactosamine; Glc NAc: N-acetyl-D-glucosamine

雖然不同植物有不同的擇素,但就擇素的特性而言,仍具有分類學上的關係。例如與小麥同族的黑麥和大麥之胚皆會有相同分子特性的擇素。同族其他90種植物亦含有相似的擇素。同時禾本科其他族的水稻,雖其擇素的構造與小麥者不同,但其性質相當接近。

一般而言,擇素主要存在子葉蛋白顆粒之內。通常在種子成熟後期,水分含量開始降低之前,出現於種子。禾本科種子的擇素則皆存在胚,特別是胚根。其在胚部其他部位的分布則各種種子有所不同。在子麥,擇素主要存在胚之外表,特剖是胚根和根鞘,些外亦可在 epiblast,根冠,子葉盤出現。黑麥和水稻擇素則亦出現於鞘葉。在小麥細胞內,擇素出現於蛋白顆粒四週及顆粒之透明(指在電顯之下)部位,亦出現於細胞膜與細胞壁之間。

擇素普遍存於植物界,不同植物間,同植株不同組織間又復有成份結構互異的擇素,顯示在演化之過程中,為了這些不同的功能而有不同形態的擇素出現。擇素在種子中出現,其可能的功能據推測不外是具有貯藏性蛋白質的功能,或者提供種子防禦微生物侵襲的能力。由於擇素存在蛋白顆粒之內,因此其參與貯藏性蛋白質的包裝或分解的可能性,比其本身為貯藏性蛋白質的可能性要高些。由於擇素可以選擇性地認知各種細胞外表的碳水化合物而與之結合,因此可以抑制真菌、細菌的發芽生長。而種子浸水發芽時,亦可以由種子滲漏出擇素,因此,可能在種子發芽後保護幼苗生長,使不受微生物的感染。

蛋白抑制素

蛋白抑制素(proteinase inhibitor) 也是小分子的蛋白質,常見於禾本科與豆科種子,一般為dimertetramer 分子量約在20,000 –50,000以下,玉米者更小,不到10,000。在大麥小麥等種子,其含量約為可溶性蛋白質的5-10%(即每公斤的種子約5–10 g);豆子內的含量較低,每公斤的種子約僅0.25–3.6 g (B& B 1995)

此類蛋白質通常可以抑制動物性蛋白的活性,但是在種子內的功能則尚未確定。一般有三種說法:

第一是此抑制素可以調解蛋白的功能,特別是種子發芽分解蛋白質時。例如蕎麥的蛋白粒內有某類的蛋白與其抑制素結合,若兩者分離,則蛋白酶 就可以進行蛋白質的分解。不過在綠豆,蛋白酶是在蛋白粒內,但是蛋白酶抑制素卻在細胞質中。或許抑制素的作用是,萬一蛋白粒提早裂解,所釋出的蛋白酶可能會分解細胞中的結構性蛋白質,此時細胞質中的抑制素就可以預防細胞的受損。

第二種說法是,當外來的昆蟲蠶食種子,種子的蛋白抑制素可以抑制腸內的消化酵素,妨礙該昆蟲的生長及繁殖;或者外侵的微生物釋出蛋白來侵襲種子時,抑制素也可以具有保護的功能。

第三種解釋則是這類蛋白質只是儲藏性蛋白質的一種。