全 文 ：武汉植物学研究 2001, 19 (2) : 153～ 157
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
植物甜蛋白 Thaumatin 研究进展
杨成丽　刘德立Ξ
(华中师范大学生命科学学院, 武汉　430079)
关键词: 甜蛋白 T haum atin; 甜味诱发蛋白; 类甜蛋白; 甜味机理
中图分类号: Q 946. 1　文献标识码: A 　文章编号: 10002470X (2001) 0220153205
Progress in the Stud ies of Sweet Prote in Thaumatin
YAN G Cheng2L i, L IU D e2L i
(Colleg e of L if e S ciences, Cen tra l Ch ina N orm a l U n iversity , W uhan　430079, Ch ina)
Abstract: Sw eet p ro tein thanm atin is a noncalo ric sw eetener that has m any ad2
van tages such as h igh sw eetness in ten sity, low calo ries, no tox icity and n ice
sw eet taste. T he review is g iven abou t the st ructu re, quality and po ssib le sw eet
m echan ism of sw eet p ro tein thaum atin. T he developm en t and app lica t ion of
sw eet p ro tein thaum atin w ill have b road p ro spect in the aspects of foodstuff
indu stry and p lan t refo rm at ion.
Key words: Sw eet p ro tein thaum atin; Sw eetness2inducing p ro tein; T hau2
m atin2like P ro tein; Sw eet m echan ism
甜蛋白自20世纪70年代发现以来, 一直倍受人们关注, 而源于自然的T haum atin是植
物甜蛋白中的一种, 它具有低热量、高甜度、安全无毒, 并可降解为人体所需的氨基酸等多
种优点, 是一种新型甜味剂。在物质文化生活日益丰富的今天, 人们越来越重视饮食的科
学性, 吃饱的同时更加关注所摄入食品的品质, 无疑具多功能的非糖类物质 T haum atin
就是人们所需求的理想食品。因此, T haum atin 成为热门研究领域之一也就不足为怪了。
1　植物甜蛋白研究概况
迄今为止, 人们从多种植物中发现并分离出 7 种甜味蛋白[1 ]。更确切地说, 其中 5 种
(T haum atin,M onellin ,M ab in lin, Pen tad in, B razzein) 为甜蛋白, 其蛋白质本身就具有甜
味; 一种 (M iracu lin) 为甜味诱发蛋白, 具有味调节功能, 可以使其它味感如酸味变为甜
味; 另一种 (Cu rcu lin) 不仅蛋白质本身具有甜味, 而且还具有味调节功能, 兼具甜蛋白和Ξ 收稿日期: 2000205225, 修回日期: 2000210214。基金项目: 教育部“高等学校骨干教师资助计划”项目资助 (编号: GG218021051121010)。作者简介: 杨成丽 (1976- ) , 女, 在读硕士, 从事生物化学及分子生物学研究。联系作者。E2m ail: d lliu@m ail. ccnu. edu. cn
甜味诱发蛋白的性质, 且当遇水时其可再次激发产生甜味。通常所说的甜味蛋白是指狭义
上的甜蛋白 T haum atin。随着生物技术不断提高, 已完成了 7 种甜蛋白的分离提纯, 鉴定
了它们的生化特性、分子遗传性质等, 并通过基因工程 (或化学)的方法人工合成了这些甜
蛋白[2 3 ]。7 种甜蛋白中, 研究最多也较清楚的是T haum atin 和M onellin [4 ]。随着对这类低
热量、无毒性新型甜味剂研究的不断深入, 不少国家已把T haum atin 开发成商品应用。早
在 20 世纪 80 年代就有商品化的 T haum atin 产品, 其商品名为 T alin。事实上目前所发现
的甜蛋白中也仅有 T haum atin 作为低热量甜味剂和增味剂、饲料添加剂进入市场[5 ]。开
拓 T haum atin 商品市场的同时, 人们对其结构及其它生物学特性已有了相当的研究。
2　Thauma tin 的结构和性质
T haum atin 是从西非热带雨林中一种竹竽科多年生灌木 (T haum a tococcus d an iellii,
简写为 T. d an iellii)中分离出来的, 其名字来源于该植物名称前几个字母。该蛋白具组织
表达特异性, 仅发现于上述灌木种子的肉质假种皮中[6 ]。1972 年, 荷兰科学家V an der
W el 首次从该植物浆果中提取到 T haum atin [7 ] , 后经过许多学者的大量研究, 对其结构和
性质已有了较深的认识。
天然存在的 T haum atin 结构并不完全一致, 由一多基因家族编码, 最少存在 6～ 7 种
关系相近的蛋白质产物: T haum atinÉ , Ê , Ë , a, b, c 等。其中最主要的为 T haum atinÉ 和Ê , 这 2 种蛋白质产物一般各占假种皮干重的 20% 以上, 在不同的生长地区树木中所占
比例也不同。已知的这些 T haum atin 蛋白仅有 5 个或更少的氨基酸差异, 且N 末端均为
丙氨酸。它们均由一条多肽链组成, 含有氨基酸残基 207 个, 分子量为 22 kD。T haum atin
晶体结构分析表明, 其由 3 个结构域组成。核心结构域是一个平滑的Β2折叠桶, 含有 11 个Β2折叠片层, 除N 端片层和C 端片层相互平行外, 其它片层皆为反向平行。另外, 与核心
结构域相连的是 2 个带有许多环的桶状结构域[8 ]。肽链分子内的 16 个半胱氨酸可形成 8
个链内二硫链, 使得整个蛋白质分子具有很好的热力学稳定性。
T haum atin 是一种碱性蛋白, 等电点约为 12. 0, 其等电点及甜味活性按着 c、b、a、É、Ê、Ë 的顺序依次增加[9 ]。其二硫键部分可被还原剂还原, 还原的 T haum atin 会有一种快
速的自我水解作用, 并且在合适底物存在的情况下, 还原的 T haum atin 会显示出蛋白酶、
酰胺酶及酯酶活性。因此, 可将 T haum atin 归于半胱氨酸蛋白酶类。然而, 有些研究者认
为 T haum atin 的自我水解可能是与其一起纯化的半胱氨酸蛋白酶的作用而不是 T hau2
m atin 的作用[10 ]。因为研究发现 T haum atin 缺乏存在于半胱氨酸蛋白酶活性位点的组氨
酸, T haum atinÉ 类亦与植物组织中的半胱氨酸蛋白酶类 (如木瓜蛋白酶) 的氨基酸顺序
无任何相似性。
在 T. d an iellii 内, T haum atin 前体蛋白除去一段含 22 个氨基酸的信号肽即成为成
熟的 T haum atin 分子, 该信号肽的切割位点于 22～ 23 位的A la2A la 之间。T haum atin 还
具有一独特的羧基肽序列: R 2L eu2Glu2L eu2A sp 2Glu2COOH , 该羧基肽的酸性残基可能会
在碱性 T haum atin 前体分子成熟过程中产生一些重要影响, 切除羧基肽密码子会导致
T haum atin 分子合成从每个细胞的 20 000 个减少到不足 10 个。
深入研究 T haum atin 过程中, 发现一个有趣的现象: 许多植物诸如樱桃、烟草、蕃茄、
马铃薯、大麦、小麦等在压力诱导下会产生一些与 T haum atin 有很高同源性却无甜味的
451 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　第 19 卷　　
类甜蛋白 (T haum atin2like p ro tein) , 并且链内具有二硫键亦是类甜蛋白的固有特性[11 ]。
类甜蛋白多是一些与发病机理相关的蛋白, 一定条件诱导下, 这些类蛋白可增强植物对逆
境的抗性。比如, 冬黑麦叶片的质外体内分泌的类甜蛋白在低温诱导下, 与抗冻蛋白有着
同样的抗冻功效[12 ]; 冬麦在外源脱落酸的诱导下分泌的类甜蛋白与植物防御相关[13 ]。此
外, 类甜蛋白具有抗真菌活性、Α2淀粉酶活性和蛋白酶活性。最近的研究发现类甜蛋白还
具有 Β21, 32葡聚糖内切酶活性, 可降解 Β21, 32葡聚糖[14 ]。
3　Thauma tin 甜味机理的研究
T haum atin 是一种高甜度蛋白, 浓度达 2×10- 8 mo löL 即可感知其甜味, 比等重量的
蔗糖甜几千倍, 比等摩尔的蔗糖甜几万倍, 其甜味效应亦可持续数小时以上, 被认为是自
然界所发现的最甜物质之一。至于 T haum atin 的甜味机理目前还不十分清楚, 推测其可
能与M onellin 的甜味机理相似。已有研究证明, 一些甜味物质的甜味感觉是通过羧基与
受体因离子键结合而引发的。T haum atin 甜味阈强度 (10- 8 mo löL ) 和激素与受体结合的
阈强度 (10- 8mo löL 之间)相似, 其肽链序列和结构与其它甜蛋白之间也没有明显的同源
之处。因而认为 T haum atin 的甜味可能是其高级结构中, 与其它甜蛋白相似的部分特定
基团与甜味受体结合而产生的味觉效应。事实上, 一些现象确实与该推测相吻合: 当温度、
pH 等因素破坏了 T haum atin 分子内的二硫键而影响到蛋白质高级结构时, 会对该蛋白
的甜味活性产生明显影响[8 ]。
T haum atin 甜味活性中心的鉴定对其甜味机理的研究也是十分重要的。1983 年,V an
der W el 对 T haum atin 分子的氨基酸残基侧链进行选择性化学修饰, 即在不改变蛋白质
构象情况下, 用环已二酮对其肽链上的精氨酸进行甲基化, 用乙酸酐对赖氨酸进行乙酰
化[15 ]。结果表明: 修饰精氨酸的溶液甜度保持不变, 而修饰赖氨酸的溶液甜度却随被修饰
的赖氨酸数目增加而减弱, 因而认为赖氨酸可能位于甜味活性中心。亦有些研究发现赖氨
酸乙酰化可能影响到第 101 位天门冬氨基酸残基附近的构象变化而导致溶液甜度降低。
因此, 研究赖氨酸是否位于甜味活性中心和第 101 位天门冬氨酸是否与甜味活性关系密
切是很有意义的。
T haum atin 甜味活性除了与蛋白质本身结构有关外, 同时也与甜味受体的特性相关。
一些无机盐离子, 尤其是Ca2+ 对 T haum atin 的甜味效应产生很大的影响, 究其原因可能
是在味细胞的外表面存在一个Ca2+ 调节的环核苷酸级联过程[1 ]。它通过Ca2+ 浓度的升降
来改变细胞中离子通道 (主要是Ca2+ 通道或Ca2+ 介导的阳离子通道)的活性, 引起膜电位
变化, 从而影响 T haum atin 的甜味效应, 太高或太低浓度的Ca2+ 都会抑制 T haum atin 的
甜味。不同的钠盐对 T haum atin 的甜味影响不同, 食盐会抑制 T haum atin 的甜味, 但当
T haum atin 与一些甜味化合物一起混入到丙酸钠盐中, 在预处理过程中可能因丙酸钠盐
溶液使甜味受体敏感性提高的缘故, 会促进其甜味感觉[16 ]。
上述这些结论, 都是研究者根据相关实验作出的一些科学性推测。究竟 T haum atin
的甜味机理是怎样的呢? 弄清这个问题将对解决一直困扰人们的味觉研究有一定的启发
作用, 因而还需要更多的研究来攻克这一难关。
4　T haum at in 的开发和应用
T haum atin 甜度高、热量低、安全无毒、又不易被细菌利用, 因此, 食用其所制成的食
551　第 2 期　　　　　　　　　　　　杨成丽等: 植物甜蛋白T haum atin 研究进展
品能满足肥胖、高血压、冠心病、糖尿病患者对甜味的嗜好, 又不致引发或加重疾病, 而且
还可预防龋齿。所以, 目前 T haum atin 主要应用于食品工业, 其所制成的食品受到人们尤
其是广大患者的喜爱。T haum atin 与味觉受体有极强的亲合性, 极低浓度 (10- 8 mo löL )的
T haum atin 即可产生甜味, 因此低于味觉阈值的 T haum atin 可用作添加剂, 加入食品如
糖果、饮料、香烟、干海产品以及药品中, 以改善其原来不适味道; 加入饲料中增加饲料甜
味, 促进家畜食欲, 以增加体重。此外, T haum atin 也可作为增味剂, 增加食品香味并延长
香味持续时间。几个世纪以来, 西非当地居民就一直把 T. d an iellii 果实作为甜味剂用来
甜化茶、酒等食品。
一些重要基本理论的探索中, T haum atin 常被用作实验材料: 味觉研究中, 因 T hau2
m atin 与甜觉受体的极强结合作用, 其比普通甜味物质更适于用作探针以进一步探讨味
觉机理。美国科学家 Sch iffm an SS 等就用 T haum atin 作为蛋白质的代表来研究温度、pH
及离子对甜味的影响[17 ]。晶体性质研究中, T haum atinÉ 被用作标准蛋白, 通过凝胶穿刺
技术探讨毛细管中晶体生成的速率而用来模拟生长细胞中晶体的生成情况[18 ]。更有意思
的是, 1998 年, 法国科学家用 Space Shu t t le m ission ST S295 将模式蛋白 T haum atin 载入
宇宙中, 研究失重情况下, 琼脂糖凝胶中蛋白质结晶作用, 结果发现上述情况下晶体性状
得到提高, 其结构更加有序[19 ]。
另外, 得益于高新生物技术的发展, T haum atin 也主要应用于转基因研究, 即将
T haum atin 基因转入微生物或其它农作物中并表达之。植物 T. d an iellii 对生活环境要求
苛刻, 在世界各地的引种尚不成功, 不能满足人们对T haum atin 的大量需求。为了生产大
量的 T haum atin, 一些学者试图用繁殖能力强的微生物来表达甜蛋白, 曾先后将其克隆到
大肠杆菌、酵母中, 但因其缺乏相应的蛋白质加工系统, T haum atin 基因转录翻译后难以
形成正确的高级结构而不能得到所需蛋白质产物。但是近几年随着科技的进步, 实验条件
的改善, T haum atin 的体外表达这一难关已被科学家们攻破。1998 年, Fau s I 等人将人工
合成的 T haum atinÊ 基因转入黑曲霉, 利用分泌型表达载体得到具有甜味的重组蛋白[2 ]。
西班牙科学家在泡盛酒曲霉 (A sp erg illus aw am ori) 中, 用含有真菌强启动子、信号肽序
列、KEX 蛋白酶切割位点及合成基因 (tha) 的表达盒大量表达了 T haum atin 产物[20 ]。该
方法使得大量获得 T haum atin 产品成为可能。
与此同时, T haum atin 的植物基因工程也得到不断发展。1990 年,W it ty 总结前人经
验, 利用毛根转化技术成功地将 T haum atin 基因在马铃薯中进行了表达, 使得整株马铃
薯植株都是甜的。T haum atin 是第一个在转基因植物中表达的甜蛋白[5 ]。1992 年, 中国学
者将 thaum atin 基因导入了马铃薯[21 ]、烟草中, 希望能改良经济作物的品质。本实验室正
试图将 thaum atin 基因转入药用植物绞股蓝中, 绞股蓝入口时有苦涩味, 使得人们对其服
用打了折扣。我们期望将 thaum atin 基因转入其内并表达之, 利用极甜的T haum atin 蛋白
遮掩住它的不良口味, 目前该工作正在进行中。通过基因工程方法将 T haum atin 基因转
入植物中并使之表达, 用以提高植物可食部分的甜味, 从而对植物性状进行有目的的改
造, 该方法改良植物品质比传统育种方法更快捷有效, 可能成为传统育种方法的有效替代
途径。
T haum atin 作为甜味剂、增味剂和添加剂等产品主要在欧洲、美国和日本占有一定的
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市场, 而鉴于 T haum atin 的多种有益特点, 投身于此研究中的国内学者也越来越多。随着
国民经济的发展, 物质生活水平的提高, 人们对低热量食品、饮料的需求增加, 对所食食品
的品质要求也在提高, 研究和应用甜蛋白的意义显得更为重要。T haum atin 有着极高的实
用价值, 虽然现在因其来源困难限制了它的使用范围, 但是随着人们对它的进一步研究和
开发, 相信其在食品工业和植物改良方面一定会有广阔的市场应用前景。
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