肉类研究 MEAT RESEARCH 中_冉羹童a●音习r竞中RCHINAMEAT RESEARCH CENTER WWW.cmrc.C0rn.cn 2010.5 钙激活酶对肉嫩度的影响 黄镭,熊汉国 (华中农业大学食品科技学院,武汉450070) 摘要:宰后肌肉嫩度的变化是在多种酶的协同作用下完成的,其中一个重要部分是钙激活酶。本 文主要论述了钙激活酶的分子结构特征,影响酶活性的因素、以及对肌肉嫩化的作用机理等方面的 内容。 关键词:钙激活酶;嫩度;分子结构 Role of the Calpain in Meat Tenderness HUANG Lei,XIONG Hanguo (College ofFood Science and Technology,Huazhong Agriculture University,Wuhan 430070,China) Abstract:The improvement in meat tenderness during post storage of carcasses mainly caused by calpain. The main content of this paper were:the structure of calpain,factors affecting activities,contribution to meat tendemess. Key words:Calpain;tenderness;molecular structure 中图分类号:TS251.41 文献标识码:A 文章编号:1001-8123(2010)05-0047-04 O引言 肉的嫩度(Tenderness)是一种综合感觉,是肌原 纤维蛋白和结缔组织蛋白物理及生化状态的反应,是 评价食用肉品质的重要指标之一,也是消费者十分重 视的感官特征(刘鹭和李洪军,2001)。动物宰杀后,肌 肉发生僵硬,持续一定时间后,肉的硬度降低,逐渐 体。其中一个重要部分是钙激活酶对骨骼细胞和肌原 纤维蛋白的水解。 钙激活酶(Calpain)是钙蛋白酶系统中的一个类 别,是存在于细胞质中的依赖于Ca 的中性半胱氨酸 内肽酶。钙蛋白酶系统是高度可调的复杂系统,包括 钙激活酶、钙激活酶抑制蛋白和钙激活酶激活蛋白, 变得柔嫩多汁,具有较好的风味,适于加工食用。影 三者相互作用,共同调控宰后肉的嫩化(常泓和南庆 响肉嫩度的主要因素有肌原纤维节的长度、结缔组织 的含量和肌原纤维蛋白的降解程度(刘兴余和闫雪, 2006)。目前研究表明宰后肌肉嫩度的变化是在多种 酶的协同作用下完成,随着肉的成熟,肉中的非蛋白 氮含量上升,于是认为肉嫩度的增加是内源蛋白酶所 贤,2001)。钙蛋白酶系统对肌肉在成熟过程中的嫩 化起一定的调控作用,是肌原纤维蛋白降解的限速步 骤。本文将具体介绍钙激活酶的结构、功能以及其影 响肉嫩度的作用机理。 1 Calpain的分子结构 Calpain为巯基内切酶,根据钙激活中性蛋白酶 表现半最高活性所需的Ca2+浓度的不同,可以将钙激 致。而对肉嫩化有关的内源蛋白酶的研究一直是肉品 学科研究的热点之一。目前所发现的与肉嫩度有密切 关系的内源酶有三类:钙激活酶、组织蛋白酶和蛋白酶 收稿日期:2010-05-04 活中性蛋白酶(Calpain)分为两种: 作者简介:黄镭(1984一),女,内蒙古自治区人,主要从事食品安全检测研究。武汉通讯作者:熊汉国,男,博士,教授,从事食品安全检测与生物质材料研究多年。武汉华中农业大学,450070 E--rtkl,il:N0509@webmed1.hzau.edu.cn 华中农业大学。 2010耳第5期总第7 35期 钙蛋白酶I(CAPN I,又称-calpain) 钙蛋白酶Ⅱ(CAPNⅡ,又 ̄m-calpain)。 它们都由两个亚基组成,其中30kDu亚基在两种 calpain中是相同的,是单个基因的产物,而80ku大 p—瑚lpain和m__(al田in为同工酶,由=F-m-- ̄flmin 需要较高浓度Ca 激活,而宰后肌肉很难达到较高的 Ca 浓度,所以许多人认为 -calpain在肉嫩化中起 更重要的作用。 亚基则是不同基因的产物(Kawasaki et a1.,1986)。他 们催化作用的最适Ph都为7.5,但当以酪蛋白为第 五时,两者表现半最高活性所需的CaH浓度不 同, -calpain所需的Ca 2+为1~20 mol/L, 而m-calpain为250~750 mol/L(Croall and Martino,1984)。 分析克隆的calpain cDNA序列发现其大亚基由 四个结构域组成(图A)。其中结构域Ⅱ是表现水解活性 2钙激活酶对肌肉嫩化的作用机理 肉类质地改善的根本原因是横纹肌肌原纤维小片 化,肌肉纤维丧失完整性,Z盘的崩解是肌肉变嫩的 主要过程,它使得肌原纤维易于破碎,通常用肌原纤 维小片化指数(KFI)来表示。科学家已经证明,Z盘的 崩解主要是由于肌肉中蛋白水解酶作用的结果,尤其 是钙激活酶(张英君和陈有亮,2000)。通过离体实验 证实钙激活酶能引起z盘的崩解。钙激活酶对肌肉嫩 的关键部位,对其研究也最为深入,它约占大亚基氨 基酸残基数的35%左右,其催化活性中心由Cysl05, His262和Asn286Z个氨基酸残基组成。结构域Ⅳ, 位于羧基端,占氨基酸残基数的20%,是钙离子结合 部位。结构域Ⅲ,占氨基酸残基数的35%,此结构域 很可能与抑制蛋白或激活蛋白的结合有关,起活性调 节作用;结构域I,位于氨基端,占氨基酸残基数的 10%,与已知蛋白质的序列都不相同,当calpain激活 后,结构域I会发生自溶,因此推测其可能起活性调 化作用主要是对肌肉细胞中的蛋白质分解作用。通过 上述分析,我们可以粗略地将钙激活酶在肉成熟中的 作用机理概括为钙激活酶水解了肌原纤维中起联接支 架作用的蛋白质,使细胞结构弱化,从而使肉嫩度提 高。 钙激活酶是一种中性蛋白酶,它存在于肌纤维Z 盘附近及肌质网膜上。在动物被屠宰后,随着ATP的 消耗,肌质网小泡体内积蓄的钙离子被释放出,激活 钙激活酶,分解肌原纤维蛋白促进了肉的嫩化。体内 节作用(Mcclelland et a1.,1989)。小亚基由266个氨 基组成,含有两个结构域,两个结构域之间有一段富 含脯氨酸的序列连接(71—80个氨基酸残基)。结构域V 富含甘氨酸,主要由疏水性氨基酸组成,它很可能与 该酶的膜吸附特性有关。 l 80 ku Ⅱ 蛋白酶活性结构 Ⅲ Ⅳ 钙结合结构域 钙蛋白酶(calpain)通过Ca2+激活及自溶而表现出蛋白 水解酶的活性,并通过钙蛋白酶抑素调节活性表达。 活体中Ca 大部分贮存在肌浆网,游离的Ca 浓度仅 为0.2mmol/L,不能激活钙蛋白酶。但宰杀后,随着 尸体中ATP逐渐耗尽,肌浆网失去保留Ca 的能力, 所以Ca抖外泄,当肌浆中Ca 浓度最终达到0.2mmol/ L时,钙蛋白酶被激活,大小亚基分离:80ku的大亚 基先转化成78ku再降解为76ku的自溶形式l 30kud ̄ 亚基迅速降解为1 7ku而失去酶活性,发挥水解作用。 罔PIFI-烙钰 t.*1U1-J出-白酶活性 略作晶学挥 证椎田的 、J U H lu L lIr/v,^J十/J、盯Ir,IJ H V YI 钙结合结构域 (李兰会等, 在 年 。这是 一 的酶假说。同时 提出了钙理论。研究发现当不存 图A calp i 的结构示意图 图B三维结构的预测图 尸僵条件下,肌肉的pH值为5・一・ , 一 …训 一 -巍纛 2 ……一… o-v 。Ⅵ瀚 。 。年第 期总第 期 黩 从I带延伸到A带,起着使粗丝、细丝和Z盘的牢因 连接的功能。Taylor等实验发现宰后肌肉在4012下存 解,但也不排除其它酶类对它们的降解。 3.3化学因素 放72h,伴肌动蛋白几乎完全降解,部分肌联蛋白也 由分子量约为2600-2800KDa的T1型降解为分子量约 为1200~2400KDa的T2型。T2缺乏和Z盘相边的N末 端,从而丧失了和Z盘连接的功能。以上两种变化, 明显弱化了细丝和Z盘的相互作用,促进了肌原纤维 Calpain的激活需一定的Ca 浓度,为使Calpain 充分激活,可采用动脉注射或肌肉注射CaCI 溶液的办 法提高肉中Ca抖浓度,从而激活Calpain}/l速肉的成熟 过程。很多学者的研究证明,向肌肉提供外源性CaH 是加速肉成熟的行之有效的途径之一。Zn 可以抑制 Calpain活性,离体实验发现,50 mol/L的ZnCl2对 小片化指数(MFI)的增加,从而有助于提高肉的嫩度 (Koohmaram,1990)。 Calpain的抑制率为100%,但Zn 对Calpain的抑制具 有可逆性,当采用透析法除去Zn 后,Calpain可恢 复原来活性。对牛胴体注射50 mol/L胴体重10%的 ZnC1 溶液,会停滞嫩化过程。EGTA、EDTA等螯合 剂由于结合了Ca2+对Calpain有抑制作用,而巯基乙醇 等巯基实际对Calpain有保护作用(黄明等,1999)。 细胞支架蛋白(Cogtnmeres)、肌间蛋白(desmin) 和丝蛋白(iflamin)的降解 细胞支架蛋白起着连接肌原纤维和肌膜的作用。 在骨骼肌肌细胞中,位于肌膜附近的肌原纤维在每一 I带水平上都有细胞支架蛋白结构。细胞支架蛋白起 着稳定肌细胞结构的功能。Taylor等通过电镜发现在 4012下存放的牛股二头肌(BF)和半膜肌(SM)的肌纤维 中细胞支架蛋白在24h内部分已被破坏,72h ̄I完全被 破坏(Richard et a1.,1995)。肌原纤维间连接蛋 白有肌间蛋白和丝蛋白,起着固定肌原纤维,保持整 个肌细胞内肌原纤维排列的有序性等作用,而肌间蛋 白和丝蛋白也会被calpain ̄快降解,使肌原纤维的有 序结构受到破坏,对细胞支架蛋白结构的破坏和对肌 3.4高压 从1973年以来,很多学者报道了高压有利于提高 肉的嫩度,但关于高压对肉的嫩化机理还很不完善。实 验发现,高压可以瞬间提高肌浆中Ca 浓度,这些Ca 可能来源于肌浆网和线粒体,从而激活了Calpain,加 速了肉的成熟。 4展望 钙激活蛋白酶在肉成熟嫩化中是重要的内源蛋白 酶之一,对其进行深入的研究并发现其作用规律是形 间蛋白、丝蛋白的降解明显有利于肉嫩度的增加。 肌钙蛋白Tmportin的降解 Troponin由三个亚基构成,即钙结合亚基TnC、 成内源蛋白酶嫩化理论的主要内容。而此理论对我们 提高肉的品质有重要的指导意义。(1)钙激活蛋白酶在 肉中含量因品种而异,所以可以优化品种;(2)可以预 测宰后肌肉成熟状况、嫩度变化和肉的品质;(3)可 以改进肉制品加工工艺,提高肉的品质。所以对钙 抑制亚基TnI和原肌球蛋白结合亚基TnT,其中TnT分 子量为30500-37000,能结合原肌球蛋白,起联结作 用。TnT的降解弱化了细丝结构,有利于肉嫩度的提 高(苏永杰等,2006)。 激活蛋白酶的研究有助于肉品加工业的发展。虽然 很多实验研究已经证明钙蛋白酶是引起肌肉中蛋白 质水解,导致宰后肌肉嫩化的主要原因。但是由于 目前的研究主要限于体外实验,其真正的机理还不 很清楚,而且也还有部分研究结果与酶假说机制的 部分结论相反。可见关于肌肉宰后嫩化机理还有必 要进行更深入的研究。 3影响Calpain活性的因素 3.1温度与pH值 Calpain有很宽的pH和温度作用范围,其最佳 pH为7.5,即使在5℃,pH分别为5.5和5.8的条件 下,Calpain还分别具有25℃,pH7.5时活力的24%和 28%。科学家也证实了在412,pH5.6,IOOmMCaCI, 溶液中L-Calpain对titin nebulin filamin desmin TnT还具有很强的水解活性(廖洪波等,2003)。 3.2 Ca ̄pain及Calpastatin的降解 参考文献 I11 常泓,南庆贤.】钙激活酶激活蛋白初探D】. ̄2001,8".24. 『2】黄明,罗欣.内源蛋白酶在肉嫩化中的应用U】.肉 类研究,1999(2):9—11,14. 通过对肉中Calpain及Calpastatin的研究发现, 在肉成熟过程中u—Calpain和Calpastatin的活性逐 渐降低,而m-Calpain的活性则几乎没有变化。由于 —【31李兰会,张志胜,孙丰梅等.钙蛋白酶嫩化肉类机 理U】.生命的化学,2003,23(3):212—214. Calpain所需Ca 浓度较低,动物宰后,肌浆网失 去了Ca2+泵作用,其中的贮钙蛋白大量释放Ca2+于肌 141廖洪波,明建,贺稚非,李洪军.钙蛋白酶和肉的 成熟嫩化Ⅱ】.肉类_x- ̄k,2003,8(268):27—29. 浆中,激活了u-Calpain,被激活的-Calpain除水 解其它蛋白外,很可能发生自溶及对Calpastatin的降 2010耳第5期总第1 35期 【5】刘兴余,闫雪钙蛋白酶系统及其对肉嫩度的影响 Bolchimical and Biophysical Acta.1984,788:348—355. U].食品研究与开发,2006,1(27):87—89. 【6】 刘鹭,李洪军.肉类嫩滑方法及技术研究进展.肉 类工业,2001,1 1:40—42. :【12】Kawasaki H.,Imajlh s.,Kawashima s.,Hayashi H.and Suzuki K.The small subunits If calcium dependent proteases with diferent c ̄dum sensiitviites are identica1. 【7】 苏永杰,梁梓,郑玉才.钙蛋白酶在肉嫩化中的作 用及其活性测定U】.西南民族大学学报,自然科 学版.2006,32(3):564—565. 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