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第五章蛋白质化学食品生物化学第五章蛋白质化学蛋白质最早在1983年由伯齐利厄斯首先提出英文“Protein”这一术语，来自希腊文προτο，它的意思是“最原初的”或“第一重要的”，中文译为“蛋白质”形容它像鸡蛋白那样的物质。有些学者曾根据Protein原义建议设新字“朊”表示，但因蛋白质一词沿用己久，“朊”字一直未被广泛使用。食品生物化学第五章蛋白质化学生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断自我更新。恩格斯《反杜林论》1878食品生物化学第五章蛋白质化学第一节蛋白质的概述一、蛋白质定义及生物学意义㈠定义蛋白质是由许多不同的α-氨基酸按一定的序列通过酰胺键铆（蛋白质化学中专称为肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并且具有一定生物功能的生物大分子。食品生物化学第五章蛋白质化学㈡蛋白质的生物学功能1、作为生物催化剂：几乎所有的酶都是蛋白质2、调节代谢反应：如胰岛素、生长激素3、运输载体：如血红蛋白(Hemoglobin,Hb)：运输CO2和O2；载脂蛋白：运输脂类物质；载体蛋白：运输营养物质4、参与机体的运动：如肌球蛋白、肌动蛋白食品生物化学第五章蛋白质化学5、参与机体的防御：如抗体或称免疫球蛋白6、接受传递信息：如味觉蛋白、视觉蛋白7、调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达8、其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储存蛋白；胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白；甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能所以说“没有蛋白质就没有生命”食品生物化学第五章蛋白质化学二、蛋白质的化学组成蛋白质是生命活动的物质基础。生物体内的蛋白质是除水以外，机体组织中最多的组分，占人体干重的45%，占细胞干重的50～70%。食品生物化学第五章蛋白质化学㈠蛋白质的元素组成（按干重计算）有些蛋白质含有其它微量元素：P、Fe、Cu、Mn、Zn、Co、Mo、I等元素含量（%）平均（%）碳50~5552氢6~87氧20~2322氮15~1816硫0~42其它微量食品生物化学第五章蛋白质化学含氮量与蛋白质含量换算：N是蛋白质中特征元素，且含量恒定，约为16%，即16克氮相当于100克蛋白质，故可以用定氮法测定样品中蛋白质含量，通常采用微量凯氏定氮法先测定样品含氮量，再按下式计算蛋白质含量：蛋白质含量（g）＝样品含氮量×6.25（g）6.25即为1/16%食品生物化学第五章蛋白质化学㈡蛋白质的分子组成蛋白质可以被酸、碱和酶催化而完全水解，水解的最终物是氨基酸的混合物。而氨基酸是不能再水解的最小单位，因此，氨基酸是组成蛋白质的基本单位。在自然界，氨基酸多以结合形式存在于蛋白质中，以自由形式存在者很少。食品生物化学第五章蛋白质化学根据分子形状球状蛋白质（分子对称性佳，外形接近球状或椭球状，溶解度较好，能结晶，大多数蛋白质属于这一类）纤维状蛋白质（对称性差，分子类似细棒或纤维。又可分成可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质）根据组分简单蛋白质：完全由α-氨基酸组成结合蛋白质除蛋白外还有非蛋白成分（辅基）根据功能分活性蛋白质（如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和防御蛋白和受体蛋白）非活性蛋白（如硬蛋白、角蛋白）三、蛋白质的分类食品生物化学第五章蛋白质化学四、蛋白质的大小与相对分子质量蛋白质是由20种基本AA组成的多聚物，AA数目由几个到成百上千个，分子量从几千到几千万。一般情况下，少于50个AA的低分子量的多聚物称为肽、寡肽或生物活性肽，有时也称多肽。多于50个AA的称为蛋白质。但有时也把含有一条肽链的蛋白质不严谨地称为多肽。多肽一词着重于结构意义，而蛋白质原则强调了其功能意义。食品生物化学第五章蛋白质化学第三节蛋白质的基本结构--氨基酸蛋白质是一类含氮的生物大分子，相对分子质量大，结构复杂，但如用酸或蛋白酶处理使其彻底水解，最后可以得到各种氨基酸。实验证明氨基酸是蛋白质的基本组成单位。氨基酸是指含有氨基的羧酸。自然界发现的氨基酸有200余种，但组成蛋白质的氨基酸只有20种，这20种氨基酸也称为蛋白质氨基酸或称基本氨基酸。食品生物化学第五章蛋白质化学蛋白质和多肽的肽键可被催化水解酸/碱能将蛋白完全水解酶水解一般是部分水解得到各种AA的混合物得到多肽片段和AA的混合物氨基酸是蛋白质的基本结构单元一、蛋白质的水解蛋白质——朊——胨——多肽——二肽——AA1*1045*1032*1031000200-500100食品生物化学第五章蛋白质化学㈠氨基酸的通式H3NCHCOOR-+αH2NCHCOOHRα二、氨基酸的结构与分类不带电形式两性离子形式食品生物化学第五章蛋白质化学㈡氨基酸的分类1、按氨基酸分子中羧基与氨基的数目分：酸性氨基酸：一氨基二羧基氨基酸天冬氨酸、谷氨酸碱性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸赖氨酸、精氨酸、组氨酸中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸半胱氨酸苯丙氨酸色氨酸酪氨酸脯氨酸天冬酰胺谷氨酰胺丝氨酸苏氨酸食品生物化学第五章蛋白质化学2、按侧基R基的结构特点分：脂肪族氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸杂环氨基酸：脯氨酸、组氨酸芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸食品生物化学第五章蛋白质化学3、按侧基R基与水的关系分：极性带电氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸非极性氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸极性不带电氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、半胱氨酸食品生物化学第五章蛋白质化学4、按氨基酸是否能在人体内合成分：●必需氨基酸：指人体内不能合成的氨基酸，必须从食物中摄取。有八种：赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸。（缬异苯蛋亮色苏赖）●非必需氨基酸：指人体内可以合成的氨基酸。有十种：甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰氨、谷氨酰氨、脯氨酸、酪氨酸、胱氨酸●半必需氨基酸：指人体内可以合成但合成量不能满足人体需要（特别是婴幼儿时期）的氨基酸。有两种：组氨酸、精氨酸食品生物化学第五章蛋白质化学构成蛋白质的二十种氨基酸食品生物化学第五章蛋白质化学二十种氨基酸的名称和结构如图所示:食品生物化学第五章蛋白质化学食品生物化学第五章蛋白质化学食品生物化学第五章蛋白质化学吲哚基食品生物化学第五章蛋白质化学食品生物化学第五章蛋白质化学食品生物化学第五章蛋白质化学含ε-氨基的氨基酸：赖氨酸含吲哚基的氨基酸：色氨酸含酰胺的氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺亚氨基酸：脯氨酸含咪唑基的氨基酸：组氨酸含胍基的氨基酸：精氨酸含苯环的氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸含硫的氨基酸：半胱氨酸（含巯基）、甲硫氨酸（含硫甲基）含羟基的氨基酸：丝氨酸、苏氨酸支链氨基酸：缬氨酸、亮氨酸，异亮氨酸二十种氨基酸的结构特点食品生物化学第五章蛋白质化学三、氨基酸的重要理化性质㈠物理性质⑴形态⑵溶解性⑶熔点⑷旋光性⑸味感⑹光吸收食品生物化学第五章蛋白质化学⒈形态均为白色结晶或粉末，不同氨基酸的晶型结构不同。有六角、四角、菱状、柱状等。如：L-Glu（四角柱）D-Glu（菱状）⒉溶解性一般都溶于水，不溶或微溶于醇，不溶于丙酮、乙醚，在稀酸和稀碱中溶解性好。胱氨酸、半胱氨酸不溶于水酪氨酸微溶于冷水而溶于热水脯氨酸极易溶于水食品生物化学第五章蛋白质化学⒊熔点氨基酸的熔点一般都比较高，一般都大于200℃，超过熔点以上氨基酸分解产生胺和二氧化碳。⒋味感氨基酸都有一定味感，主要表现酸、甜、苦、鲜四种味感。⒌旋光性除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。有的有多个旋光异构体，如苏氨酸、异亮氨酸、胱氨酸。食品生物化学第五章蛋白质化学从氨基酸的结构通式可以看出：除R为H（甘氨酸）外，所有α-碳原子为不对称碳原子。①氨基酸均具有旋光性。左旋（-），右旋（+）②每一种氨基酸都有D-型和L-型两种立体异构体。构成蛋白质的氨基酸均为L-α-氨基酸。③各种氨基酸的区别在于侧基R基上。食品生物化学第五章蛋白质化学注：脯氨酸（Pro）为亚氨基酸，不适用上面的结构通式。亚氨基+-食品生物化学第五章蛋白质化学氨基酸的构型构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，含有的α-碳原子为手性碳原子，在空间该原子上的原子或基团有两种排列方式，L-构型与D-构型（以甘油醛为参照物）：食品生物化学第五章蛋白质化学L-氨基酸与D-氨基酸的关系互为镜像关系，象左右手的关系，以丙氨酸为例，如右图Ala食品生物化学第五章蛋白质化学⒍光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，在近紫外区含苯环氨基酸有光的吸收。λmax：Tyr：275Phe:258Trp：279食品生物化学第五章蛋白质化学㈡氨基酸的两性电离及等电点⒈两性离解：从氨基酸的结构通式分析可以看出：氨基酸分子在溶液中其氨基-NH2和-COOH均可发生电离。使氨基酸分子-NH3+带正电，羧基-COO-带负电。两性离子是指在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的NH3+正离子和能接受质子的COO-负离子。这种特性叫两性离解。食品生物化学第五章蛋白质化学氨基酸在水中的两性离子既能像酸一样放出质子，也能像碱一样接受质子，氨基酸具有酸碱性质，是一类两性电解质。H2NCHCOORH3NCHCOOR-+-+H+Asanacid（protondonor）：Asabase（protonacceptor）：H3NCHCOOHRH3NCHCOOR-++H++食品生物化学第五章蛋白质化学不同pH时氨基酸以不同的离子化形式存在：氨基酸所带静电荷为“零”时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectricpoint），以pI表示。⒉氨基酸的等电点食品生物化学第五章蛋白质化学实验证明在等电点时，氨基酸主要以两性离子形式存在，但也有少量的而且数量相等的正、负离子形式，还有极少量的中性分子。当溶液的pH=pI时，氨基酸主要从两性离子形式存在。pHpI时，氨基酸主要以正离子形式存在。pHpI时，氨基酸主要以负离子形式存在。H3NCHCOOHRH3NCHCOOR-++H2NCHCOOR-H2NCHCOOHR食品生物化学第五章蛋白质化学由于静电作用，在等电点时，氨基酸的溶解度最小，容易沉淀。利用这一性质可以分离制备某些氨基酸。例：谷氨酸的生产，就是将微生物发酵液的pH值调节到3.22(谷氨酸的等电点)而使谷氨酸沉淀析出。利用各种氨基酸的等电点不同，可以通过电泳法、离子交换法等在实验室或工业生产上进行混合氨基酸的分离或制备。氨基酸的等电点可由其分子上解离基团的解离常数来确定。各种氨基酸的解离常数pK和等电点pI的近似值可参考下页图表或其它教材。食品生物化学第五章蛋白质化学20种氨基酸的pK，及pI食品生物化学第五章蛋白质化学⒊氨基酸等电点的计算：各种氨基酸的等电点，一般通过实验在一定的缓冲溶液中测定，也可以从氨基酸的PK值求得。氨基酸的水溶液既可被酸滴定，又可被碱滴定，因此具有两性电离的性质，现以甘氨酸为例来说明氨基酸两性电离的特点。食品生物化学第五章蛋白质化学●左图是甘氨酸的电离酸碱滴定曲线，从左向右是用NaOH滴定的曲线，溶液的pH由小到大逐渐升高；从右向左是用盐酸滴定的曲线，溶液的pH由大到小逐渐降低。曲线中从左向右第一个拐点是氨基酸羧基解离50%的状态，第二个拐点是氨基酸的等电点，第三个拐点是氨基酸氨基解离50%的状态。食品生物化学第五章蛋白质化学●氨基酸等电点的计算：中性氨基酸：pK’1为α-羧基的解离常数pK’2为α-氨基的解离常数pI=(pK’1+pK’2)/2食品生物化学第五章蛋白质化学+H3N-CH2-COO－H2N-CH2-COO－+[H+]K’2Gly+Gly±K1’=[Gly±][H+][Gly+]①+H3N-CH2-COOH+H3N-CH2-COO－+[H+]K’1K2’=Gly±Gly－[Gly－][H+][Gly±]②①×②得：K1’