黃美佳,白 浩,陳紅兵,李 欣,*

(1.南昌大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室,江西南昌 330047;2.南昌大學食品學院,江西南昌 330047;3.南昌大學中德聯(lián)合研究院,江西南昌 330047)

礦物質(zhì)對食物過敏原結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響

黃美佳1,2,白 浩2,陳紅兵1,3,李 欣1,2,*

(1.南昌大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室,江西南昌 330047;2.南昌大學食品學院,江西南昌 330047;3.南昌大學中德聯(lián)合研究院,江西南昌 330047)

蛋白質(zhì)是引發(fā)食物過敏的一類重要物質(zhì),食物過敏原與礦物質(zhì)的結(jié)合會影響其結(jié)構(gòu)和功能的改變。本文闡述了食物中礦物質(zhì)與過敏原結(jié)合的影響因素和礦物質(zhì)對過敏原結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響,以及不同條件下金屬離子對幾種過敏原的影響。通過分析其結(jié)構(gòu)和致敏性的關(guān)聯(lián)變化,為一種既能豐富營養(yǎng)素又能降低過敏原致敏性的方法提供理論基礎(chǔ),以用于指導低致敏食物的研發(fā)。

金屬離子,蛋白質(zhì),結(jié)構(gòu),食物過敏

近年來,食物過敏的發(fā)生率越來越高。有研究發(fā)現(xiàn),食物過敏的發(fā)生率在成年人與兒童之間已分別高達5%和8%[1-2],因此需引起高度關(guān)注。食物過敏原表位是直接導致過敏反應的物質(zhì),是過敏原與抗體的結(jié)合部位,是由過敏原中的氨基酸組成的[3]。所以研究過敏原結(jié)構(gòu)的變化至關(guān)重要。

金屬蛋白在蛋白質(zhì)中已占了三分之一,其內(nèi)在的金屬原子對蛋白質(zhì)的催化、調(diào)控功能以及結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要[4],對蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能有很大影響[5-7]。礦物質(zhì)從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,到酶的催化、信號傳導、激素分泌、呼吸作用以及光合作用等過程都有其參與[8-9]。因此,研究礦物質(zhì)與過敏原的結(jié)合以及對過敏原結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響是研究致敏性變化的前提,這也為降低食物致敏性提供新思路。

1 礦物質(zhì)與蛋白質(zhì)結(jié)合的影響因素

決定金屬配合物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)鍵因素是金屬的配位數(shù)(結(jié)合到金屬的配位原子數(shù))和金屬配合物的幾何結(jié)構(gòu)[10]。影響蛋白質(zhì)與金屬離子相互作用的主要因素有金屬的配位數(shù)和蛋白質(zhì)的性質(zhì)[5]。

很多金屬蛋白含有不止一個結(jié)合位點,可以結(jié)合兩個或多個金屬離子,且每個結(jié)合位點對不同金屬離子的親和力也是不同的[11]。Rohrback等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)小龍蝦肌質(zhì)鈣結(jié)合蛋白的一個約22 kDa亞基二聚物有六個高親和力的鈣結(jié)合位點,其中兩個位點可以特異性結(jié)合鈣,而另四個不僅可以特異性結(jié)合鈣,也可以結(jié)合鎂,但與鎂的親和力明顯降低。Griko等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)α-乳白蛋白有特異性強的鈣結(jié)合位點,該結(jié)合位點也可以結(jié)合 Mg2+,Mn2+,Na+,K+,相對于鈣它們結(jié)合力較低。此外,α-乳白蛋白還含有幾個鋅結(jié)合位點。Haiech等[16-17]研究表明每個約12 kDa的小清蛋白分子包含兩個高親和力的鈣結(jié)合位點,但是對鎂有較低的親和力。

蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響主要通過蛋白質(zhì)上不同的配位原子來影響金屬離子與蛋白質(zhì)間的相互作用。金屬離子可結(jié)合在蛋白質(zhì)的主鏈或側(cè)鏈上,通過配位鍵與不同氨基酸上的原子結(jié)合形成金屬結(jié)合位點[18]。金屬離子大多結(jié)合在氨基酸側(cè)鏈的原子上,可能是側(cè)鏈氨基酸上的氧原子,或者是組氨酸上的氮原子,或者是半胱氨酸上的硫原子等[11]。Permyakov等[15]發(fā)現(xiàn)α-乳白蛋白含有強的鈣結(jié)合位點,是由三個天冬氨酸殘基(82,87和88)的羧基和肽鏈上兩個羰基(79和84)的氧配體形成。金屬陽離子也可能結(jié)合到蛋白質(zhì)主鏈的氨基酸殘基羰基氧原子上[11]。蛋白質(zhì)主鏈的羰基氧作為鈉,鎂,鉀,鈣和錳的配體原子是很普遍的[19]。劉鳳茹[20]通過研究麥胚肽-鈣絡合物發(fā)現(xiàn),鈣離子與麥胚肽中的酰胺鍵相互作用,通過與羧基的氧原子和氨基氮原子鍵合于麥胚肽上。此外,銅能取代氫結(jié)合到主鏈的-CO-NH-上,但是這樣的情況對其他金屬來說是極少的[11]。

2 礦物質(zhì)對食物過敏原結(jié)構(gòu)的影響

金屬離子與蛋白質(zhì)的結(jié)合是基于蛋白質(zhì)表面存在的供電子基團與金屬離子之間的一個或多個可接近的結(jié)合位點[21]。由于金屬離子的特性以及對蛋白質(zhì)中氨基酸不同的親和力,都會引起蛋白質(zhì)不同程度的聚合和空間結(jié)構(gòu)的改變。吳海強等[22]研究表明,鈣離子與榛子主要過敏原Cor h1蛋白的結(jié)合能引起其二級結(jié)構(gòu)的變化。信號蛋白結(jié)合或解離鈣也會伴隨有構(gòu)象的改變[11]。通過核磁共振波譜分析,鈣離子使鈣調(diào)蛋白的構(gòu)象發(fā)生很大變化;當鋅離子存在時,DNA結(jié)合蛋白鏈僅僅采用它的典型的折疊構(gòu)象[11]。鋅指蛋白在結(jié)合鋅離子之后,蛋白質(zhì)才能形成折疊結(jié)構(gòu)[23]。楊歡[24]研究發(fā)現(xiàn),當銅離子存在時,苦蕎過敏蛋白TBt的天然構(gòu)象發(fā)生變化。

2.1 蛋白質(zhì)的聚合

金屬離子可以使蛋白質(zhì)形成大量氫鍵,它在蛋白質(zhì)聚合過程中起到了一個橋聯(lián)鄰近蛋白質(zhì)分子所帶負電荷的作用,使負電荷間失去了排斥力,而通過非共價鍵相互作用,形成不同程度的聚合物[25-27]。部分或全部的單體發(fā)生聚合,蛋白質(zhì)的二級和三級結(jié)構(gòu)也隨之改變[25,28-29]。

不同金屬離子可以促進蛋白質(zhì)不同程度的聚合,且聚合速率也不同[30-31]。有研究表明,銅離子比鋅離子更能破壞蛋白質(zhì)的構(gòu)象,而且加速了聚合過程[30,32]。Vanhooren等[30]研究發(fā)現(xiàn),銅結(jié)合到β-乳球蛋白上不僅改變了其二級結(jié)構(gòu)且使其聚合速率提高了4.6倍,而鋅卻幾乎沒有影響。銅離子引起聚合速率增加的原因可能是蛋白質(zhì)上有與銅離子特異性結(jié)合的位點[30]。有研究發(fā)現(xiàn),在Fe3+和Zn2+存在時,大豆的ASR蛋白就可以發(fā)生聚合引起結(jié)構(gòu)的變化[33]。

2.2 金屬結(jié)合的特性

蛋白質(zhì)分子是多價配體,不同的金屬離子以及不同的結(jié)合位點都會形成不同大小的螯合環(huán),來影響其結(jié)構(gòu)。鈉、鎂、鉀和鈣普遍會螯合成小環(huán)(5個氨基酸),而中間環(huán)(6-9個氨基酸)是不常見的[11]。Gifford等[34]研究發(fā)現(xiàn)EF-hand蛋白質(zhì)與鈣離子結(jié)合會形成不同的螯合環(huán),從而呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)。由于金屬離子幾何形狀的不同以及金屬結(jié)合位點比那些不含金屬的活性位點更加多變,所以金屬離子結(jié)合到特定的結(jié)合位點是很復雜的,一個因素細微的改變都會對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響[35]。金屬離子對不同的氨基酸的親和力也是不同的。有研究表明,組氨酸是與金屬離子親和力最強的氨基酸[4,35-37]。半胱氨酸也有強的親和力,但相比組氨酸要弱一點[4,38]。這兩個氨基酸的親和力極大地歸功于它們的官能團,尤其是組氨酸上的咪唑基團和半胱氨酸上的硫醇基團[21]。由于半胱氨酸的親核性,氧化還原性和金屬結(jié)合的特性使它成為很多蛋白必不可少的建構(gòu)區(qū)以及酶催化的關(guān)鍵組分[39]。

金屬蛋白包含高度特異性的金屬結(jié)合位點,通過結(jié)合適當?shù)慕饘匐x子穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)并保持其正常功能[35]。Rohrback等[12]研究發(fā)現(xiàn),肌質(zhì)鈣結(jié)合蛋白是一種高親和力的蛋白,主要存在于小龍蝦和其它無脊椎動物的肌肉中,其中由于鈣結(jié)合區(qū)的不同來分類研究蛋白的性質(zhì)與功能。張芳等[23]研究發(fā)現(xiàn),水母發(fā)光蛋白是水母中的一種結(jié)合了鈣離子才發(fā)出藍光的蛋白,它也能結(jié)合鎂離子呈現(xiàn)不同的發(fā)光行為。同時在醫(yī)療和生物無機化學領(lǐng)域,大量金屬蛋白作為重要的治療目標也越來越獲得高度的關(guān)注[38],如鈣調(diào)蛋白結(jié)合的鈣離子可以調(diào)節(jié)多種功能,包括炎癥,新陳代謝,骨骼和平滑肌收縮,免疫應答等[40]。

3 礦物質(zhì)對食物過敏原穩(wěn)定性的影響

金屬離子結(jié)合一些蛋白質(zhì)不僅改變了其空間結(jié)構(gòu),也使其穩(wěn)定性發(fā)生變化[41]。Vanhooren等[42]研究發(fā)現(xiàn),鈣離子使α-乳白蛋白的構(gòu)象發(fā)生變化,增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另外,鎂、鈉、鉀離子的結(jié)合也增加了α-乳白蛋白的穩(wěn)定性[15]。Apo-α-乳白蛋白(未結(jié)合金屬離子的蛋白)以具有一個高度α螺旋的二級結(jié)構(gòu)的熔球態(tài)存在,鈣離子結(jié)合到熔球態(tài)致使蛋白質(zhì)折疊且穩(wěn)定[14,43]。而鋅離子結(jié)合holo-α-乳白蛋白(自然狀態(tài))引起自身聚合且增加了其對蛋白酶的消化,從而降低了該蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性[44-45]。銅結(jié)合到β-乳球蛋白上會使其變性溫度降低10 ℃,而鋅離子會干擾部分變性的蛋白質(zhì)[30]。

4 不同條件下金屬離子對食品過敏原的影響

金屬離子是構(gòu)成人體組織、維持正常生命代謝等的主要成分,是人們在各個生長發(fā)育階段必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)。例如,鋅在細胞中是最豐富的金屬,在穩(wěn)定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)和控制基因表達等方面都起到了重要的作用[21]。另有研究報道,補充鋅元素是哮喘患者一種潛在的治療方法,因為鋅元素可以改變呼吸道的反應性和血清中的IgE含量[46]。金屬離子對蛋白質(zhì)的催化、調(diào)控功能以及結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。不同條件下,金屬離子對食物過敏原結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和功能的影響不同。但金屬離子對各食物過敏原影響的研究還不是很多,還需我們對此進行更多的研究。

4.1 不同濃度的金屬離子對食品過敏原的影響

不同濃度的金屬離子對食品過敏原的影響主要體現(xiàn)在高級結(jié)構(gòu)的改變,從而使其表位包埋或裸露,而增加或減少抗體結(jié)合位點以改變食物過敏原蛋白的致敏性。大部分蛋白有多個金屬離子的結(jié)合位點,且高濃度的金屬離子可以快速地使蛋白質(zhì)的多個位點得到飽和[47-48]。

Lombardi等在最近的研究中發(fā)現(xiàn)隨著Ca2+、Zn2+、Mg2+濃度的增加,酪蛋白和酪蛋白膠束會發(fā)生聚合。聚合后通過動態(tài)光散射掃描,發(fā)現(xiàn)在鋅離子存在時觀察到最大的酪蛋白膠束,直徑可達到220 nm左右[49]。由于聚合的酪蛋白膠束表面的一些表位會被掩埋,從而推測酪蛋白的致敏性會降低。同時由于蛋白聚合后其酶切位點也會掩蓋,從而使酪蛋白的線性表位也不易暴露,而致敏性降低。Pomatowski 等[50]研究結(jié)果表明陽離子效應的相互作用與酪蛋白中鋅離子取代鈣離子結(jié)合位點密切相關(guān)。在一定的pH和溫度條件下,隨著離子濃度的降低,β-乳球蛋白由單體和二聚體的平衡狀態(tài)向單體轉(zhuǎn)變[51-53]。從簡姍的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著Fe3+濃度的增加,溶液狀態(tài)下的卵轉(zhuǎn)鐵蛋白的三級結(jié)構(gòu)先展開后又逐漸聚合,與抗體結(jié)合能力增強,致敏性增強[54]。

4.2 不同溫度下金屬離子對過敏原的影響

不同溫度條件下,金屬離子對過敏原的影響也是不可忽略的。溫度會使含金屬離子的蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)發(fā)生折疊,也會使部分蛋白發(fā)生凝聚反應且穩(wěn)定性發(fā)生變化。

Aymard等[51]研究發(fā)現(xiàn),離子強度和溫度的共同作用表明了β-乳球蛋白溶液是單體和二聚體的混合物,高溫度條件下,蛋白質(zhì)單體的聚合速度是很快的。當溫度增加時,金屬離子的存在使β-乳球蛋白由單體和二聚體的平衡態(tài)向單體形式轉(zhuǎn)變,致敏性降低[51,53]。聶瑞艷[55]研究發(fā)現(xiàn),在熱處理條件下,魚鱗肽-鈣復合物會不穩(wěn)定,可能是因為加熱改變了蛋白肽的空間結(jié)構(gòu),降低了蛋白肽與鈣離子結(jié)合力。劉西海[56]研究表明,當含有金屬鹽的腌制鴨蛋的蛋清蛋白加熱后,α-螺旋減少,β-折疊增加,同時使肽鏈伸展,增加蛋白質(zhì)表面疏水性。

4.3 不同pH下金屬離子對過敏原的影響

在不同pH條件下,金屬離子同樣也會影響過敏原的結(jié)構(gòu)與聚集體的變化。

在酸性條件下,α-乳白蛋白構(gòu)象的改變是由于金屬結(jié)合位點的鈣離子可以被三個氫離子競爭性的取代[21]。在pH為7的條件下,β-乳球蛋白基本上都是以二聚體的形式存在的,二聚體的增加使其致敏性增加[53,57-58]。因為在低的離子強度下,單體間的靜電斥力是占主要作用的[59]。在小麥胚芽球蛋白中,當pH接近或大于等電點且存在一定鈣離子的條件下,小麥胚芽球蛋白主要通過疏水相互作用形成非特定性聚集;當pH小于等電點且存在一定鈣離子的條件下,鈣離子可以增加蛋白質(zhì)間的靜電斥力使蛋白聚集體解離[20]。在卵轉(zhuǎn)鐵蛋白溶液中,由于pH的增加,蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)會逐漸聚合,致敏性增加[54]。

5 結(jié)語

隨著食物成分和加工工藝的復雜性以及環(huán)境的惡化,食物過敏發(fā)生率的提高,研究食物過敏原的致敏性已經(jīng)不容忽視。本文探討了礦物質(zhì)對過敏原結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的影響,以及不同條件下食物中存在的礦物質(zhì)對幾種過敏原的影響,同時分析了其結(jié)構(gòu)和致敏性的關(guān)聯(lián)變化。礦物質(zhì)與食物過敏原的結(jié)合使其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性發(fā)生改變,很大可能引起過敏原表位的掩埋與暴露,而引起致敏性的變化。因此,研究和探討金屬離子對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響具有重要意義,為后續(xù)致敏性研究提供理論基礎(chǔ)同時為研究脫敏蛋白提供重要方向,這樣才會使其更具實際價值。值得關(guān)注的是,礦物質(zhì)對食物過敏原的致敏性的影響還需要研究,從而為我們提供更多的知識來指導脫敏蛋白的制備。

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Effect of mineral on structure and stability of food allergens

HUANG Mei-jia1,2,BAI Hao2,CHEN Hong-bing1,3,LI Xin1,2,*

(1.State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China;2.Department of Food Science,Nanchang University,Nanchang 330047,China;3.Sino-German Joint Research Institute,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

Protein is an important substance to cause food allergy. The protein in food allergens binding minerals will affect its structure and function. In this paper,it analyzed the influential factors of minerals binding food protein and the influence of minerals on the structure and stability of allergens. It was also discussed the effects of metal ions on several allergens in different conditions.That analyzed the relationship of changes of the structure and allergenicity in order to finding the internal connection. This provides a theoretical basis to obtain a way that can enrich nutrients and reduce the allergenicity of allergens at the same time which can be used to developing of hypoallergenic food product.

metal ion;protein;structure;food allergy

2016-09-06

黃美佳(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：食品科學與工程，E-mail:1049850344@qq.com。

*通訊作者:李欣(1980-)，女，博士，副教授，研究方向：食品生物技術(shù)，E-mail:zhizilixin@ncu.edu.cn。

國家“863”計劃項目(2013AA102205)；國家國際科技合作專項(2013DFG31380)；國家自然科學基金項目(31301522,31260204)；南昌大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室項目(SKLF-ZZB-201510,SKLF-ZZA-201612)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)05-0366-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.061