肌肉中的调节蛋白和细胞骨架蛋白的性质和作用

孔保华，熊幼翎

(1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030;2.美国肯塔基大学动物和食品科学系，肯塔基40546，美国)

肌肉中的调节蛋白和细胞骨架蛋白的性质和作用

孔保华1，熊幼翎2，*

(1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030;2.美国肯塔基大学动物和食品科学系，肯塔基40546，美国)

肌肉中肌原纤维包含肌肉收缩的基本结构单位。蛋白按照其在肌肉中的性质又可以分为三大类，包括直接参与肌肉收缩的蛋白，调节肌肉收缩的蛋白及细胞骨架蛋白。主要论述了调节蛋白和细胞骨架蛋白的种类、性质、作用以及对肉品质量的影响。

肌肉蛋白质，调节蛋白，细胞骨架蛋白，肉品质量

肌肉中蛋白质约占肌肉总重的15%～22%，占肉中固形物的60%～88%。按照蛋白质溶解性可以将肌肉中的蛋白质分为三大类:肌浆蛋白质(水溶性蛋白)，肌原纤维蛋白质(盐溶性蛋白)和肉基质蛋白质(不溶性蛋白)。这三类蛋白质中，肌原纤维蛋白在肉制品加工中最重要。这种蛋白质在加热过程中可以凝聚在一起，且对肉的质构和弹性起着重要作用。肌原纤维蛋白质的功能特性主要包括:产生三维结构，通过蛋白质和蛋白质之间的相互作用形成粘弹性的凝胶基质，保水的能力，在乳化体系中能在脂肪球表面形成具有粘性和一定强度的膜，或者在水和空气的界面形成弹性的膜。这些功能特性使肉制品经过加工后具有独特的感官质量，例如使产品具有一定嫩度、多汁性及特有的口感。肌肉中蛋白质的功能性和它们的天然结构有着复杂的关系。肌原纤维蛋白按照其在肌肉中的性质又可以分为三大类，包括直接参与肌肉收缩的蛋白，调节肌肉收缩的蛋白及细胞骨架蛋白。关于直接参与肌肉收缩的蛋白质，主要包括肌球蛋白、肌动蛋白和肌动球蛋白，已经有很多报道，而且了解的也比较深入。但是关于调节肌肉收缩的蛋白及细胞骨架蛋白报道还较少。本文主要论述了调节蛋白和细胞骨架蛋白种类、性质和作用。

1 肌肉中蛋白质概述

近年来，对肌肉中蛋白质的研究已经形成一种共识，即肌肉中蛋白质的各种功能性和它们的结构密切相关。为了确立这种结构和功能性之间的关系，已经对肌肉中的肌原纤维蛋白，尤其对肌球蛋白进行广泛的研究。在肌纤丝水平，肌原纤维的结构(如在肌原纤维中各种蛋白质的排列情况)对肌原纤维膨胀，肌原纤维水合作用和肌肉中蛋白的提取起着决定性的作用。然而对于特有的蛋白质来说，蛋白分子的构造、外形和大小对它们的功能性有着显著的影响。在肉制品加工中，蛋白质功能性通常要在蛋白质分子的天然结构发生改变后才能表现出来。通常的加工条件，如加热、冷却、对肉的机械处理等都会引起蛋白质的结构变化，此外一些添加成分也能直接或间接与蛋白质发生相互作用，而影响蛋白质的结构。在加工过程中，蛋白质分子结构会逐渐展开，使蛋白质分子之间形成有序的交互作用，从而形成高粘弹性的凝胶网状结构，这对重组肉生产中产品的结构及其完整性起到重要的作用;另一方面，在机械力(如剪切力)作用下蛋白质暴露的疏水基团会快速变性，这对于生产乳化型肉制品起着重要作用。

肌肉中蛋白质的功能性和它们的天然结构有着复杂的关系。因为在肉的加工中，肌肉蛋白会产生一系列的结构变化，且蛋白质变性过程也会产生许多中间的结构变化。肉中蛋白分子在变性过程中过渡状态的结构与具体加工条件有关，而且变化的程度很大，比较复杂。然而，由加工引起的蛋白质结构变化与蛋白质的天然结构有很大的关系。如果不考虑肉加工过程中蛋白质分子物理化学方面的变化，肌肉蛋白结构和功能之间的相互关系就很难描述。例如:肉糜类制品的硬度和弹性与蛋白质的凝胶作用和乳化作用有关，这个关系可以通过蛋白质发生的物理化学变化进行预测，且与蛋白质所处的具体离子环境和加热过程有关。蛋白质表面极性、所带电荷、疏水性以及热稳定性等也会影响蛋白质物理化学性质，并与肉制品加工条件有关。了解蛋白质结构，将有助于了解蛋白质的功能性，并进一步了解结构与功能性之间的关系，这将有助于食品加工者控制产品质量和开发新的产品。

2 调节蛋白(Regulatory Proteins)

主要的调节蛋白是原肌球蛋白(tropomyosin)和肌原蛋白(troponin)。它们位于细丝，也就是肌动蛋白纤丝上，分别占肌原纤维蛋白总量的8%和5%。此外，肌原纤维含有许多次级的调节蛋白，包括一些最近发现的蛋白。这些蛋白质分布在肌丝的不同部分，例如A带、I带和Z线，包括 α－、β－和 γ－肌动蛋白素，C－、M－、H－和 X－蛋白，肌酸激酶(creatine kinase)和对位原肌球蛋白(paratropomyosin)。尽管已经了解了这些蛋白质的部分作用，但它们中的许多蛋白质在活体组织中准确的功能性质还不是很清楚。仍缺乏关于肉中这些调节蛋白功能性质方面的了解，尤其是它们对加工肉制品方面的作用了解的更少。一些次级调节蛋白可能与肉制品的功能性有关。

2.1 原肌球蛋白(Tropomyosin)

原肌球蛋白是肌原纤维蛋白中含量最为丰富的调节蛋白，是一个二聚体分子，含有两个不同的亚基，这两个亚基为α－和 β－原肌球蛋白，分子量分别为34000和36000Da。α－和β－亚基能结合形成三个可能的二聚体，如αα、ββ和αβ。这三种二聚体在不同的肌肉中的分布不同。αα同型二聚体在快收缩的白肌纤维骨骼肌中占优势，αβ异型二聚体在慢收缩的红肌纤维和红白肌纤维混合的肉中占优势，而ββ同型二聚体只在心肌中发现［1］。原肌球蛋白是一个细丝状的分子，由一个含两个α－螺旋组成的卷曲螺旋构成，每个分子大约40nm长。由于原肌球蛋白分子中缺乏脯氨酸，使得 α－螺旋结构(实际上100%)存在于整个分子中。在生理状态下，原肌球蛋白结合到F－肌动蛋白双螺旋结构的沟槽，每个分子结合7个G－肌动蛋白，且与肌原蛋白－T亚基(1∶1)相连，可以调节肌球蛋白ATP酶的活性。在肌肉处于松弛状态时，原肌球蛋白位于肌动蛋白双螺旋纤丝表面，隐蔽了肌动蛋白纤丝与肌球蛋白的结合位点;在肌肉收缩中，原肌球蛋白移动到F－肌动蛋白的沟槽中，暴露出肌动蛋白与肌球蛋白的结合位点，允许肌球蛋白结合到肌动蛋白纤丝上。在肉制品加工过程中，高离子强度的盐溶液可以起到相似的作用。例如采用0.6mol/L KCl或者NaCl，会使原肌球蛋白从肌动蛋白中分离。原肌球蛋白的水溶液有很高的粘性，这是由于它通过离子的相互作用形成较长对接的纤丝。盐浓度增加时粘性下降，但添加肌原蛋白时它的粘性增加。

2.2 肌原蛋白(Troponin)

肌原蛋白是一个复合蛋白质，含有肌原蛋白C、肌原蛋白I和肌原蛋白T三个亚基，即钙结合亚基(C)、抑制收缩亚基(I)、同原肌球蛋白结合亚基(T)。肌原蛋白是肌原纤维中第二种最丰富的调节蛋白，它们与钙相互作用共同调节肌肉的收缩和舒张。

与原肌球蛋白相似，肌原蛋白不直接参与交联桥的形成，但是它在肉的收缩和舒张周期中起着直接的作用。在钙存在时通过三个亚基之间的协同作用，肌原蛋白以一种奇特的方式调节肉的收缩。由冷收缩和解冻僵直收缩引起的肉质过硬，就与钙离子在胞液中的积累有关，尤其在红肌纤维中，由于储存钙的肌质网(sarcoplasmic reticulum)是多孔结构，通过与高浓度的钙离子结合，肌原蛋白复合体就会发生构象的变化，最终引发了僵直前肉的超收缩，导致肉硬度明显的增加。

肌原蛋白I亚基能够抑制肌球蛋白和肌动蛋白之间的收缩，同时在原肌球蛋白存在时对肌球蛋白ATP酶的活性也有抑制作用。肌原蛋白I亚基是一个多肽，等电点pI为5.5，有179个氨基酸残基，在兔骨骼肌中其分子量为20864Da，在鸡的骨骼肌中其分子量为21137Da［2］。兔骨骼肌中肌原蛋白 I亚基肽链的排列顺序与心肌中肌原蛋白I亚基几乎是相同的，但是心肌的肌原蛋白I在N末端另外还有大约20 个氨基酸残基［3］。

肌原蛋白C亚基在酸性溶液中有很高的溶解性，等电点pI为4.1，含有大量的天门冬氨酸和谷氨酸残基。兔骨骼肌中的肌原蛋白C亚基分子量为17800Da，含有159个氨基酸［4］。一个分子的肌原蛋白C亚基含有四个钙结合位点，其中两个位点对钙有高度的亲和力，另外两个对钙的亲和力低。每一个钙结合位点由一个环组成，这个环由大约12个氨基酸并由两个α－螺旋部分环绕而成。两个与钙离子有高度亲和力的结合位点也能与镁结合。两个低亲和力的位点则专门与钙结合，似乎能控制蛋白质的调节功能［3］。

肌原蛋白T亚基通过与肌动蛋白纤丝上的原肌球蛋白结合，以及通过与肌原蛋白C亚基和I亚基的结合，调节收缩过程。肌原蛋白T亚基是肌原蛋白复合体中最大的一个亚基。兔骨骼肌中的肌原蛋白T含有259个氨基酸，分子量为30503Da，在鸡胸肉和腿肉的肌原蛋白T亚基中分别含有287和263个氨基酸，分子量分别为33500Da和30500Da［19］。肌原蛋白T亚基的N末端，通常称为肌原蛋白T1亚基，能与原肌球蛋白发生特殊的和强烈的结合，而C末端称为肌原蛋白T2亚基，与肌原蛋白I亚基和肌原蛋白C亚基相互作用［3］。肌肉收缩过程可以用级联反应(cascade reactions)来描述。当肌原蛋白C亚基与钙离子(>10－6mol/L)结合，它的构象发生变化，这样就启动收缩循环。这种结合导致了三种肌原蛋白亚基之间更强的相互作用，进一步引起肌原蛋白T亚基与原肌球蛋白之间的结合，从而暴露出肌动蛋白纤丝上肌球蛋白的结合位点，此外肌原蛋白I与肌动蛋白分离，使得肌动蛋白和肌球蛋白结合。与大多数的肌原纤维蛋白不同，肌原蛋白T亚基在动物宰后成熟中易受酶的作用而分解，它的降解产物与分子量为30000Da的多肽的出现有关，而且在宰后很快出现。

2.3 α－肌动蛋白素(α－Actinin)

在Z线中发现的主要蛋白质是α－肌动蛋白素。尽管α－肌动蛋白素只占肌原纤维蛋白总量的2%，但它在肌原纤维中起着重要的调节和结构作用。α－肌动蛋白素分子量约95000Da，位于Z线，并且从肌节相反的方向固定细丝［4］。另外α－肌动蛋白素可能调控细丝的生长，甚至改变肌动蛋白的结构。α－肌动素含有大量的α－螺旋结构(大约75%)和相对高的带电残基。肉宰后成熟会导致α－肌动蛋白素的部分释放，尤其在快缩肌纤维中，引起Z线的断裂，并使肉的嫩度提高［5－6］。

2.4 C－蛋白(C－protein)

C－蛋白与粗丝中的肌球蛋白相连，在肌球蛋白的粗提液中可以得到。每个粗丝有大约37个C－蛋白分子，每个C蛋白带含有3～5个分子。C－蛋白中脯氨酸含量相对较高(7.1%)，这也是这种蛋白质含有极少或者不含α－螺旋结构的原因。C－蛋白的大小随动物种类和肌肉类型而改变，白肌纤维、红肌纤维和心肌的C－蛋白分子量分别是135000、145000、150000Da。C－蛋白呈伸长的椭圆形，长度大约35nm。尽管已经表明C－蛋白可以连接到粗丝轴的表面，并同肌球蛋白尾部的轻酶解肌球蛋白结合［4］，但对C－蛋白的功能了解还不够深入。C－蛋白可能调控肌肉收缩过程中肌动球蛋白交联桥的相互作用和运动。另一种有争议的推测，认为C－蛋白可以沿着肌球蛋白纤丝轴周围的形成带，为肌球蛋白纤丝提供一种结构功能。C－蛋白可以在0.6mol/L以上NaCl盐溶液浓度中抽提出来［7－9］。

2.5 M－线蛋白(M－line proteins)

M－线蛋白存在于M线上，由三种蛋白质组成，即 Myomesin、M－蛋白和肌酸激酶。Myomesin和M－蛋白是 M线的主要部分，Myomesin分子量185000Da，M－蛋白分子量165000Da。在骨骼肌和心肌的肌原纤维中，Myomesin都是紧密结合到M线上的。平滑肌没有Myomesin。Myomesin是个单一肽链，有 13% 的 α － 螺旋和 35% 的 β － 结构［19］。Myomesin和M－蛋白可能是肌原纤维的功能性成分，在维持肌原纤维构型上起到支架的作用，这个支架有助于在横纹肌中对肌球蛋白纤丝的双极性定向。透射电镜已经揭示了 M－线的两种结构成分，如M－纤丝和 M－桥［10］。M－纤丝平行于肌原纤维，而M－桥垂直于肌原纤维并且连接邻近的肌球蛋白纤丝。因此，M－桥可能起着保持肌球蛋白纤丝横向和纵向的定位的作用。有证据显示，肌酸激酶是M－桥的主要结构成分，在活体组织中它促进了能量的再生。

2.6 H－和X－蛋白(H－and X－proteins)

之所以这样命名这些蛋白是对应于它们在SDS凝胶电泳时所标记的带，因为对天然肌球蛋白的SDS凝胶电泳，这些带被标记为H和X［7］。这两种蛋白质存在于粗丝表面，且与肌球蛋白有联系，它们能在粗丝A带两端与细丝发生重叠。X－蛋白结合在C蛋白上，因此它可能作为C－蛋白的一部分环绕着肌球蛋白纤丝。X－蛋白在慢收缩的红肌纤维中出现，但在快收缩的白肌纤维中缺乏。H－和X－蛋白仅占肌原纤维蛋白总量的一小部分(分别为0.185%和0.20%)。与X－蛋白相比，H－蛋白的分子量要小一些，大约 69000Da，而 X－蛋白分子量为 152000Da［7］。与C－蛋白相似，H－蛋白和X－蛋白含有高比例的极性氨基酸残基，因此它们具有亲水性。H－和X－蛋白确切的功能性质还不知道，然而这两种蛋白被认为具有酶的活性，起着调节蛋白的功能，并且对粗丝的结构有稳定作用。

3 细胞骨架蛋白(Cytoskeletal Proteins)

到二十世纪中叶，只发现肌球蛋白、肌动蛋白和一些调节蛋白，这些蛋白在生物体中具有重要的功能，而且对肉的质量也有影响。然而在过去的20多年中，已经证实肌原纤维中一些新的蛋白质，并对它们的特征进行了鉴定。大多数新发现的蛋白质具有维持细胞结构的作用，因此被称作细胞骨架蛋白。这一类蛋白对肌肉收缩起到调节和稳定的作用。这类蛋白主要包括连接蛋白(titin)和伴肌动蛋白(nebulin)，还伴随着一些次级的多肽，例如肌间线蛋白(desmin)、细丝蛋白(filamin)和zeugmatin蛋白。

细胞骨架蛋白以细丝状存在，与粗丝和细丝平行排列，也叫间隙纤丝(gap filaments)。它们存在于肌原纤维的间隙，可以起到连接肌节的桥梁作用，当肌肉高度收缩时用电子显微镜能够观察到这种纤丝的桥梁作用［11］。在间隙纤丝中被发现的主要蛋白是连接蛋白(titin)，它贯穿于整个肌节。连接蛋白或间隙纤丝的生理功能还不是很清楚，但它能够保持粗丝在A带中间的横向定位。在加热时，连接蛋白会断裂成更小的碎片，这些碎片会进一步促进间隙纤丝的结构强度［12］。因此间隙纤丝可以对熟肉的残余韧度(toughness)起作用。近来的研究显示，间隙纤丝通过宰后成熟的诱导，可以在肉的嫩化中起一定作用。

3.1 连接蛋白(Titin)

肌原纤维的粗丝和细丝依靠一个高分子量的蛋白而发生重叠，这个蛋白质首先被 Maruyama等(1976)［13］分离并命名为连接蛋白。该蛋白后来被Wang等(1979)［14］纯化并称之为连接蛋白。近来的研究已经指出连接蛋白是位于肌原纤维间隙的主要的纤丝成分，这个间隙位于肌动蛋白和肌球蛋白纤维之间，连接蛋白在高度伸展的肌纤维中能够看到。由于这个原因，这种纤丝也被称作间隙纤丝(gap filaments)［11］。 间 隙 纤 维 也 称 为 中 间 纤 丝(intermediate filaments)，平均直径100Å，介于肌动蛋白纤丝(60Å)和肌球蛋白纤丝(150Å)之间。连接蛋白可将粗丝连接到Z线上，并且使粗丝相互交叉进入到肌节里。连接蛋白也是使粗丝和细丝有序排列的模板。在肌原纤维中连接蛋白的这种排列表明它本身的长度超过了整个肌节的长度。

连接蛋白是第三种最丰富的肌原纤维成分，占整个肌原纤维蛋白重量的8%～10%，在骨骼肌和心肌中含量较多，而平滑肌中含量少。在SDS凝胶电泳中，连接蛋白出现一个双线的带，分子量大约为1000000Da。由于连接蛋白的分子量很大，它确切的分子量很难测定。通常认为连接蛋白缺乏二级结构，包括α－螺旋。然而从形态学上，连接蛋白类似于弹性蛋白和胶原蛋白，形成了具有高度弹性的细微的网络结构。连接蛋白纤维柔韧性很好，它们可通过赖氨酸衍生物产生的共价键交联在一起。目前对天然连接蛋白分子的物理和化学性质了解的很少，因为在连接蛋白分离或纯化过程中，通常会发生变性或者蛋白酶解。在肉的成熟过程中连接蛋白易发生蛋白水解。在肉的内源性蛋白酶作用下，连接蛋白很易发生水解，这些内源酶包括钙激活酶(calpain)和羧基蛋白酶(carboxyprotease)［5］。连接蛋白在冷藏温度下降解相对较慢，当加热温度达到50℃或更高时会发生快速降解。连接蛋白对肉韧度(toughness)的贡献已经引起大量的争论，确切的作用还不够明确。

3.2 伴肌动蛋白(Nebulin)

伴肌动蛋白最初是连接蛋白制备过程的一个杂蛋白。目前在组织学上确认的伴肌动蛋白形状为细长、云雾状、连续的横向排列的结构，也叫N2－线，存在于A－I带边界附近和Z线的每一侧［4］。事实上伴肌动蛋白是唯一一种已被证明能以7个N－线形式出现的蛋白，它包括一个N1线，四个N2线和两个N3线。同连接蛋白相似，伴肌动蛋白有较大的分子量，大约600000Da，占肌原纤维蛋白总量的大约5%。伴肌动蛋白的生理功能还不是很清楚，它出现在A－I带汇合处，似乎与肌动蛋白纤维的有序排列有关，因而有利于肌动蛋白纤丝和肌球蛋白纤丝的相互作用［15］。此外伴肌动蛋白可以附着在间隙纤丝的连接蛋白上，在肌原纤维中起到结构和调节的作用。伴肌动蛋白在宰后肉的最初成熟过程中迅速降解，特别对钙激活酶很敏感。因此伴肌动蛋白与肉的成熟嫩化有关［6］。

3.3 肌间线蛋白(Desmin)

与连接蛋白和伴肌动蛋白一样，肌间线蛋白也是一种新发现的蛋白质，它的分子量为55000Da，尽管在骨骼肌中肌间线蛋白的含量仅占肌原纤维蛋白总量的0.18%，但由于它在肌原纤维定位和排列上所起的作用，因而引起人们很大关注。肌间线蛋白以丝状体形式排列在Z线的外围附近。这些纤丝占据相邻肌原纤维之间的空隙，将肌原纤维结合在一起，形成肌肉细胞的骨架。肌间线蛋白在平滑肌中的含量多达5%，要比在骨骼肌中的含量高得多。它将肌原纤维在Z线处连接到一起的作用似乎更重要。肌间线蛋白在动物宰后很容易发生蛋白水解，这点与肌原蛋白T相似。由于在动物宰后Z线破坏，尤其在快缩肌纤维中，是动物死后肌肉变化最显著的一个特征，所以可能肌间线蛋白的蛋白水解与动物死后肌肉的成熟嫩化有关。

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Properties and roles of regulatory and cytoskeletal proteins in muscle

KONG Bao－hua1，XIONG You－ling2，*
(1.College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China;2.Department of Animal and Food Sciences，University of Kentucky，Kentucky 40546，USA)

Myofibrils of muscle contain the basic structural units responsible for muscle contraction and relaxation in living animals.There are three kinds of myofibrillar proteins，namely，contractile proteins，regulatory proteins and cytoskeletal proteins.The properties and roles of regulatory and cytoskeletal proteins in muscle，and their influence on fresh meat product quality were reviewed in this paper.

muscle proteins;regulatory proteins;cytoskeletal proteins;meat quality

TS201.2+1

A

1002－0306(2011)05－0439－04

2009－12－03 *通讯联系人

孔保华(1963－)，女，教授，研究方向:畜产品加工。

黑龙江省杰出青年基金(JC200702);国家公益性行业(农业)科研专项经费项目(200903012－02)。