宋旭博 擺玉薔 王振宇 李 欣,* 侯成立 方 菲 余群力,* 張德權
(1甘肅農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院,甘肅 蘭州 730070;2中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全收貯運管控重點實驗室 北京 100193)
環(huán)腺苷酸依賴蛋白激酶(cAMP-dependent protein kinase,PKA)是催化蛋白質(zhì)磷酸化反應的重要蛋白激酶之一,通過將三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)或三磷酸鳥苷(guanosine triphosphate,GTP)上的磷酸基團轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)特定氨基酸殘基上,使蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化修飾[1]。真核細胞中發(fā)生磷酸化修飾的位點為絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸殘基側(cè)鏈的羥基。研究表明,蛋白質(zhì)磷酸化主要通過調(diào)節(jié)酶活性而影響蛋白質(zhì)降解、宰后糖酵解進程,進而調(diào)控肉品質(zhì)[2-4]。PKA 廣泛存在于真核細胞,可催化絲氨酸、蘇氨酸發(fā)生磷酸化,PKA 全酶是由兩個催化亞基和兩個調(diào)節(jié)亞基組成的四聚體,沒有催化活性,其活化依賴第二信使環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)的催化。PKA 全酶調(diào)節(jié)亞基上包含兩個cAMP 結(jié)合位點,當結(jié)合cAMP 分子后,其構(gòu)象發(fā)生變化,釋放催化亞基,使PKA 具有催化活性。目前已證實哺乳動物有250 多種PKA 磷酸化底物,所有這些蛋白組成了細胞的PKA 信號網(wǎng)絡[5]。
PKA 活性受鈉離子、cAMP、ATP 影響[6-8]。研究表明,PKA 可催化肌原纖維蛋白發(fā)生磷酸化反應[7]。Motoko 等[9]研究發(fā)現(xiàn),飼喂鈉鹽可顯著抑制大鼠肌肉中PKA 等多種激酶活性,降低蛋白質(zhì)磷酸化水平。此外,氯化鈉腌制羊肉后顯著降低了PKA 活性及肌肉糖酵解限速酶和骨架蛋白磷酸化水平[6],可見,鈉離子是影響PKA 活性的一個重要因素。李常青等[8]發(fā)現(xiàn),外源cAMP 進入細胞內(nèi)可提高體內(nèi)cAMP 的濃度并激活PKA,使代謝酶活性增強,底物蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化??梢姡琧AMP是影響PKA活性的又一重要因素。
通過調(diào)控PKA 活性改變?nèi)庵械鞍踪|(zhì)磷酸化水平,是從分子水平調(diào)控肉品質(zhì)的重要途徑。已有研究證實,肌漿蛋白的整體磷酸化水平與肉色穩(wěn)定性呈負相關關系[10],離體條件下,PKA 影響糖原磷酸化酶的磷酸化水平和活性[11]。此外,PKA可催化μ-鈣蛋白酶發(fā)生磷酸化反應,其磷酸化反應可正向調(diào)控μ-鈣蛋白酶的活性[12],蛋白質(zhì)磷酸化通過影響酶活性和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而調(diào)控宰后肌肉僵直的進程,進而影響肌肉嫩度[13]。研究表明,蛋白質(zhì)整體磷酸化水平高的肉嫩度低、持水力低、腌制速率慢、食鹽使用量高,可見,原料肉蛋白質(zhì)磷酸化水平是影響腌制效果的重要因素[14-15]。
明確PKA 活性是否隨宰后時間變化及其變化在不同品質(zhì)肉中是否一致對闡明PKA 活性對宰后肉品質(zhì)的影響有重要意義。但宰后不同時間、不同品質(zhì)肉中PKA 活性變化以及肉中鈉離子、cAMP 等因素對PKA 活性的影響尚不清楚。因此,本研究重點解析不同品質(zhì)肉中PKA 活性隨宰后時間的變化,以期為研發(fā)基于PKA活性的生鮮肉品質(zhì)調(diào)控技術提供理論依據(jù)。
蛋白酶抑制劑、磷酸酶抑制劑購自瑞士Roche 公司;Pro-Q Diamond染色液、SYPRO Ruby染色液購自美國Invitrogen公司;三羥甲基氨基甲烷(Tris Base)、十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)、丙烯酰胺、甲叉雙丙烯酰胺、過硫酸銨(ammonium persulfate,APS)、四甲基乙二胺(tetramethylethylenediamine,TEMED)、二硫蘇糖醇(dithiothreitol,DTT)、乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid,EDTA)等均為分析純,購自西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司;ATP含量檢測試劑盒購自北京索萊寶生物科技有限公司;環(huán)腺苷酸依賴蛋白激酶(PKA)活性檢測試劑盒、環(huán)磷酸腺苷(cAMP)含量檢測試劑盒購自北京金天然科技發(fā)展有限公司;BCA Protein Assay Kit 蛋白濃度測定試劑盒購自美國Pierce公司。
Spark?多功能微孔板檢測儀,瑞士Tecan 公司;Ultra Turrax Dispersen S25 勻漿機,德國IKA 公司;MJ-Ⅱ霉菌培養(yǎng)箱,上海一恒科技有限公司;TS-2 水平脫色搖床,海門市其林貝爾儀器制造有限公司;Mini-PROTEAN Tetra System 電泳設備、ChemiDocTMMP凝膠成像系統(tǒng),美國Bio-Rad公司;TA-XT2i/5質(zhì)構(gòu)分析儀,英國Stable Micro System 公司;CM-600D 色差計,日本柯尼卡-美能達公司。
1.3.1 試驗設計 選取64 只6~7月齡,體重為(38.94±2.11)kg的小尾寒羊公羊雙側(cè)背最長肌,分裝至凍存管中,于4 ℃條件下貯存,在宰后1 h、12 h、1 d、3 d、5 d 時取樣,每個時間點的樣本,取一部分用于肉品質(zhì)分析,另一部分經(jīng)液氮速凍,保存于-80 ℃冰箱,用于生化指標分析。根據(jù)宰后1 d的剪切力、a*值和蒸煮損失將樣品分為高品質(zhì)組(剪切力小、a*值大、蒸煮損失低)和低品質(zhì)組(剪切力大、a*值小、蒸煮損失高),共18只,每組包含9個樣本。
1.3.2 剪切力測定 參照《NY/T 1180-2006 肉嫩度的測定 剪切力測定法》[16]測定。將背最長肌剔除筋膜,并沿肌纖維方向修整成6 cm×6 cm×3 cm 的肉塊,放入80 ℃恒溫水浴鍋中加熱至肉樣中心溫度達到70 ℃時,將肉樣取出冷卻至室溫,切成1 cm×1 cm×3 cm 的小塊,用質(zhì)構(gòu)分析儀垂直于肌肉纖維方向剪切測定其剪切力(N)。探頭距離為25 mm,速度為60 mm·min-1。每個樣品測定5次。
1.3.3 蒸煮損失測定 蒸煮損失測定參照Honikel等[17]的方法。取羊背最長肌稱重并記質(zhì)量為W1,放入蒸煮袋中封口包裝,于80 ℃水浴45 min 后,冷卻至室溫并置于4 ℃過夜。將肉塊取出,用濾紙輕輕吸干表面汁液,再次稱重記質(zhì)量為W2。蒸煮損失計算方法如下:
1.3.4a*值測定 利用色差計測定肉表面色澤,將肉樣的新切橫斷面在室溫下氧合30 min,垂直將色差計鏡頭置于肌肉橫斷面,鏡頭緊扣肉面,保證不漏光,隨機在每個樣品4個不同位置上各測定1次,測定位置均勻分布于肌肉橫切面。采用標準光源CIEL*a*b*系統(tǒng),測定前利用亮度值(L*)=97.59±0.01、紅度值(a*)=0.07±0.02、黃度值(b*)=1.60±0.00的白板對色差計進行校正。
1.3.5 PKA 活性測定 稱取0.1 g 樣品,加入0.9 mL 0.1 mol·L-1的磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline,PBS),冰浴勻漿2 次,2 檔,每次15 s,間隔30 s,于10 000 r·min-1(4 ℃)離心30 min,上清液即為所需的樣品溶液。根據(jù)PKA 活性測定試劑盒說明建立反應體系,充分混合后,在450 nm 處測定吸光度值。根據(jù)建立的標準曲線計算PKA活性。
1.3.6 鈉離子含量測定 根據(jù)《GB 5009.91-2017食品安全國家標準 食品中鉀、鈉的測定》[18],配制Al(NO3)3/KNO3(0.5 mol·L-1和1.1 mol·L-1)、絡合劑NH4HF(300 g·L-1)、Na2SO4標準溶液(0.4 mol·L-1),使用溫度滴定法,稱取1 g 樣品,攪碎備用,分別添加1.0、1.5、2.0、2.5 mL Na2SO4,再加5 mL絡合劑和40 mL蒸餾水,用Al(NO3)3/KNO3滴至第一個終點,得到滴定曲線,按照公式計算鈉離子含量:
式中,X為樣品中元素含量(mg·100g-1);C為測定試樣液中元素濃度(μg·mL-1);C0為試劑空白液中元素濃度(μg·mL-1);V為試樣液定容體積(mL);f為樣品液稀釋倍數(shù);m為樣品質(zhì)量(g)。
1.3.7 ATP 含量測定 稱取0.1 g 樣品,參照ATP含量檢測試劑盒說明書,加入1 mL 10 倍體積的提取液,冰浴勻漿2 次,1 檔,每次15 s,間隔30 s,于8 000 r·min-1(4 ℃)離心10 min,取上清,加入500 μL氯仿,震蕩混勻后10 000 r·min-1離心(4 ℃)3 min,上清液即為所需樣品溶液,然后按照說明書建立反應體系,充分混合后,立即測定340 nm下的吸光值(A測定),然后將酶標板放入37 ℃培養(yǎng)箱中反應3 min,立即取出測定340 nm 下的吸光值(A標準),按照公式計算ATP 含量(μmol·g-1):
式中,A測定=A2測定管-A1測定管;A標準=A2標準管-A1標準管;W為樣本質(zhì)量(g)。
1.3.8 cAMP含量測定 稱取0.1 g樣品,加入0.8 mL 0.1 mol·L-1的磷酸鹽緩沖液,冰浴勻漿2次,2檔,每次15 s,間隔30 s,于3 000 r·min-1離心(4 ℃)30 min,上清液即為所需樣品溶液,根據(jù)cAMP 含量測定試劑盒說明建立反應體系,充分混合后,在450 nm 處測定吸光度值。根據(jù)建立的標準曲線計算cAMP含量。
1.3.9 肌漿蛋白磷酸化水平測定 肌漿蛋白提取參考Lametsch 等[19]的方法,并略作修改。取-80 ℃凍存的肉樣1 g,加入6 倍體積的緩沖液(10 mmol·L-1Tris Base,10 mmol·L-1DTT,蛋白酶抑制劑50 mL,磷酸酶抑制劑50 mL)后冰上高速勻漿2次,每次10 s,間隔30 s,所得的勻漿液于10 000 r·min-1離心(4 ℃)30 min,上清液即為所需肌漿蛋白樣品,稀釋10倍后按BCA 法測定蛋白濃度,根據(jù)測定濃度,調(diào)節(jié)所需濃度為4 μg·mL-1,與上樣緩沖液(10 % SDS、甘油、0.5 mol·L-1Tris,HCl調(diào)pH 值到6.8、1 mol·L-1DTT、溴酚藍)1∶1 混合均勻,100 ℃水浴5 min,分裝后保存于-80 ℃冰箱備用。采用10%分離膠和4%濃縮膠,參考Chen 等[20]的方法測定肌漿蛋白磷酸化水平,蛋白上樣量為5 μg,電泳初始電壓為80 V,待蛋白進入分離膠后調(diào)整電壓為120 V,至蛋白到達離凝膠底部5 mm 處停止電泳。電泳結(jié)束后至成像前所有操作均在搖床上進行。凝膠在固定液(10%乙酸,50%乙醇)中固定(2 次,30 min/次),超純水洗(3 次,10 min/次),Pro-Q Diamond 染色液避光染色80 min后Pro-Q 脫色液(20%乙腈,50 mmol·L-1乙酸鈉,pH 值4.0)脫色(2 次,30 min/次),超純水洗(3 次,10 min/次),進行磷酸化蛋白染色成像;SYPRO Ruby染色液避光染色4 h,Ruby脫色液(7%乙酸,10%乙醇)脫色(2次,30 min/次),超純水洗(3次,10 min/次)。
采用ChemiDocTMMP 凝膠成像系統(tǒng)進行圖像掃描。Pro-Q Diamond 染色后在激發(fā)波長532 nm、發(fā)射波長580 nm、分辨率200 mm 的條件下掃描。SYPRO Ruby 染色后在激發(fā)波長532 nm、發(fā)射波長610 nm、分辨率200 mm的條件下掃描。
運用Quantity One 軟件對經(jīng)熒光染液染色聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrop-horesis,SDS-PAGE)蛋白條帶的光密度值進行分析,得到每個條帶的磷酸化蛋白染色(Pro-Q Diamond)光密度值(P)和全蛋白染色(SYPRO Ruby)光密度值(T),同一條帶的磷酸化蛋白與全蛋白光密度值之比P/T 即為該條帶蛋白質(zhì)磷酸化水平,樣品整體磷酸化水平為其泳道上所有蛋白條帶的P/T 值之和。
采用Excel 2016軟件處理數(shù)據(jù),指標均為3次重復3 次平行的測定結(jié)果,結(jié)果用平均值±標準偏差表示。利用SPSS Statistics 21 軟件對試驗結(jié)果進行雙因素方差分析,其中方差分析時選取一般線性模型,品質(zhì)分組和宰后時間為固定因子,采用最小顯著差異法進行顯著性分析,顯著性水平為P<0.05。
兩個品質(zhì)組宰后1 d 的a*值、剪切力、蒸煮損失結(jié)果表明,高品質(zhì)組的a*值顯著高于低品質(zhì)組,剪切力、蒸煮損失顯著低于低品質(zhì)組(表1)。
由圖1可知,宰后1 h和12 h低品質(zhì)組的PKA 活性顯著高于高品質(zhì)組(P<0.05),宰后1、3、5 d 高品質(zhì)組與低品質(zhì)組PKA 活性差異不顯著(P>0.05)。高品質(zhì)組PKA 活性在宰后1 h、12 h、1 d 時顯著低于3、5 d,低品質(zhì)組中PKA 活性在宰后1 h、12 h、1 d、3 d 時顯著低于5 d(P<0.05)。
圖1 不同品質(zhì)組肉樣中PKA活性隨宰后時間的變化Fig.1 Changes of PKA activity in meat samples of different quality groups with postmortem time
由圖2 可知,隨著宰后時間的延長,不同品質(zhì)差異組ATP 含量在宰后1 h~3 d 顯著降低(P<0.05),3~5 d差異不顯著,均在宰后5 d 時ATP 含量趨近于零。宰后1 h 和5 d 時,兩個品質(zhì)組間ATP 含量差異不顯著(P>0.05)。高品質(zhì)組的ATP 含量在宰后12 h 和3 d 顯著高于低品質(zhì)組,在宰后1 d 顯著低于低品質(zhì)組(P<0.05)。
圖2 不同品質(zhì)組肉樣ATP含量隨宰后時間的變化Fig.2 Changes of ATP content in meat samples of different quality groups with postmortem time
由表2可知,高品質(zhì)組cAMP含量顯著高于低品質(zhì)組(P<0.05)。高品質(zhì)組cAMP 含量在宰后1、12 h顯著高于1、3、5 d(P<0.05),不同宰后時間低品質(zhì)組cAMP含量差異不顯著(P>0.05)。
表2 不同品質(zhì)組肉樣cAMP含量隨宰后時間的變化Table 2 Changes of cAMP content in meat samples of different quality groups with postmortem time /(nmol·L-1)
由圖3 可知,宰后不同時間高品質(zhì)組和低品質(zhì)組中鈉離子含量無顯著差異,不同品質(zhì)組樣本鈉離子含量在宰后不同時間差異不顯著(P>0.05)。
圖3 不同品質(zhì)組肉樣鈉離子含量隨宰后時間的變化Fig.3 Changes of sodium ion content in meat samples of different quality groups with postmortem time
兩個品質(zhì)組中肌漿蛋白磷酸化水平隨宰后時間變化結(jié)果如圖4所示。圖5 是SYPRO Ruby 染色的肌漿全蛋白質(zhì)。從圖中選取24 個較清晰的蛋白質(zhì)條帶進行整體磷酸化水平分析。整體上,在宰后1、3、5 d 時,低品質(zhì)組肌漿蛋白磷酸化水平顯著高于高品質(zhì)組(P<0.05),且不同蛋白質(zhì)條帶磷酸化水平的影響呈現(xiàn)出差異。兩個品質(zhì)組肌漿蛋白磷酸化水平在宰后1 h 顯著高于12 h、1、3、5 d(P<0.05)。
圖4 不同品質(zhì)組肉樣肌漿蛋白磷酸化水平隨宰后時間的變化Fig.4 Changes of phosphorylation levels of sarcoplasmin in different quality groups with postmortem time
圖5 肌漿蛋白SDS-PAGE圖譜Fig.5 SDS-PAGE image displaying the sarcoplasmic protein content
PKA 活性與鈉離子、cAMP、ATP 含量、肌漿蛋白磷酸化水平的相關性分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明,PKA活性與ATP含量(r=-0.73,P<0.05)、cAMP含量(r=-0.84,P<0.05)和肌漿蛋白磷酸化水平(r=-0.80,P<0.05)呈顯著負相關;與鈉離子含量呈顯著正相關(r=0.80,P<0.05)。
表3 PKA活性與ATP、cAMP、鈉離子含量、肌漿蛋白磷酸化水平的相關性分析Table 3 Correlation analysis of PKA activity with ATP,cAMP,sodium content and sarcoplasmic protein phosphorylation
PKA 活性影響宰后肉蛋白質(zhì)磷酸化水平,進而影響肉品質(zhì)。研究表明,肌漿蛋白磷酸化通過調(diào)控糖酵解酶活性使宰后pH 值下降,進而間接調(diào)控肉色[21]。低肌原纖維蛋白磷酸化水平有助于肌原纖維蛋白被鈣蛋白酶降解,減輕肌肉收縮進而改善保水性[22],蛋白質(zhì)磷酸化可通過調(diào)控糖酵解、肌肉收縮等環(huán)節(jié)影響宰后肌肉嫩度[9]。本研究結(jié)果表明,低品質(zhì)組PKA 活性在宰后1、12 h顯著高于高品質(zhì)組。PKA發(fā)揮活性需要ATP 參與,腺苷酸環(huán)化酶催化ATP 生成cAMP[14],隨著宰后時間延長,高品質(zhì)組的ATP 消耗緩慢,抑制cAMP的生成,進而影響PKA 活性。兩個品質(zhì)組PKA 活性在宰后1 h、12 h、1 d時顯著低于5 d。PKA全酶呈非活性狀態(tài),在其調(diào)節(jié)亞基上有兩個cAMP 結(jié)合位點,當cAMP 存在時,與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合后,調(diào)節(jié)亞基與催化亞基分離,釋放出的催化亞基活化PKA[22]。隨著宰后cAMP 與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合,cAMP 被消耗,其含量下降,從而激活PKA并使其活性增加。
蛋白質(zhì)磷酸化在調(diào)節(jié)宰后肌肉的生理生化過程,如糖酵解、肌肉收縮、細胞凋亡等過程中起重要作用,可影響肉的嫩度、持水性、肉色穩(wěn)定性等品質(zhì)[23]。本研究結(jié)果表明,低品質(zhì)組的肌漿蛋白磷酸化水平在宰后1、3、5 d顯著高于高品質(zhì)組,這與陳立娟[7]的研究結(jié)果一致。肌漿蛋白整體磷酸化水平受品質(zhì)、宰后時間影響[14]。究其原因,第一,根據(jù)“磷酸化誘導酶活降低”學說,磷酸化水平越高糖酵解酶活性越低[24-25],因此,在磷酸化作用的影響下,高嫩度組糖酵解酶活性較高、糖酵解速率較快、pH 值較低,更有利于組織蛋白酶釋放和激活,促進蛋白質(zhì)降解,進而有利于肉的嫩化[26]。第二,宰后胴體進行無氧反應產(chǎn)生ATP 的含量不足,而蛋白質(zhì)磷酸化發(fā)生的必要條件是有ATP 提供磷酸基團。ATP作為蛋白質(zhì)磷酸化反應的介質(zhì)直接影響蛋白質(zhì)磷酸化,但隨著宰后時間的延長,ATP逐漸被消耗,使磷酸化水平下降,因此,肌漿蛋白磷酸化水平在宰后1、3、5 d 顯著低于1 h。研究發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)磷酸化影響肉色穩(wěn)定性、能量代謝等[12,27-28]。蛋白激酶是影響蛋白質(zhì)磷酸化的重要內(nèi)源因子[12]。PKA 作為一種蛋白激酶,其作用是催化蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化。本試驗結(jié)果表明,PKA 活性與肌漿蛋白磷酸化水平呈負相關,這可能是由于PKA 有許多亞型,且各亞型的功能各不相同,本試驗僅測定分析了總PKA 活性,而各亞型活性變化還有待繼續(xù)研究。
鈉離子含量是影響PKA 活性的重要因素,張彩霞[6]指出食鹽顯著抑制PKA 活性。本研究結(jié)果表明,同一宰后時間不同品質(zhì)組和同一品質(zhì)組不同宰后時間鈉離子含量均無顯著差異,相關性分析發(fā)現(xiàn),PKA活性與鈉離子含量呈顯著正相關。本研究重點解析宰后肉中所含鈉離子對PKA 活性的影響,明確肉中本底鈉離子與PKA 活性的關系,研究結(jié)果表明,宰后肉中鈉離子含量對PKA 活性的影響不隨宰后時間與肉品質(zhì)變化而變化。cAMP 是細胞內(nèi)最重要的第二信使,細胞內(nèi)cAMP 濃度的改變影響多種細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導途徑,從而調(diào)控蛋白活性、基因表達等,進而影響細胞代謝、生長和凋亡過程[29]。PKA 的活化主要受胞內(nèi)cAMP 濃度的影響[30],腺苷酸環(huán)化酶與G 蛋白耦聯(lián)受體結(jié)合活化,在質(zhì)膜內(nèi)催化ATP合成cAMP,cAMP與PKA的調(diào)節(jié)亞基結(jié)合,可促使其催化亞基釋放,催化亞基會進一步作用于cAMP 反應元件結(jié)合蛋白(cyclic-AMP response binding protein,CREB),促進其磷酸化為pCREB,pCREB 可以介導神經(jīng)元對各種神經(jīng)營養(yǎng)因子包括腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子、神經(jīng)生長因子的反應[31-33]。在蛋白質(zhì)磷酸化反應的過程中,通過消耗生成的cAMP 激活PKA,進而使蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化反應,表現(xiàn)為PKA活性與cAMP含量呈顯著負相關,PKA 活性隨cAMP含量的降低而逐漸升高。但如何通過鈉離子濃度影響PKA活性進而調(diào)控肉品質(zhì)還需進一步深入研究。
宰后肉中PKA 活性受宰后時間和肉品質(zhì)的影響,PKA 活性隨宰后時間的延長而升高,且與宰后肉中鈉離子含量呈顯著正相關,cAMP 通過影響PKA 活性而影響肌漿蛋白磷酸化水平,進而影響肉品質(zhì),說明cAMP 含量與鈉離子是影響PKA 活性的重要因素。進一步研究重點在于通過改變鈉離子濃度影響PKA 活性進而調(diào)控肉品質(zhì)。