第三章 蛋白质

第三章蛋白质什么是蛋白质?蛋白质(protein)是由许多氨基酸(aminoacids)通过肽键(peptidebond)相连形成的高分子含氮化合物。蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺等高达80％。1）酶的生物催化作用2、蛋白质具有重要的生物学功能2）调控作用参与基因调控：组蛋白(真核生物体细胞染色质中的碱性蛋白质)、非组蛋白(一组极不均一的在细胞内与DNA结合的组织特异蛋白质)等参与代谢调控：如激素或生长因子等3）运动与支持机体的结构蛋白：头发、骨骼、牙齿、肌肉等4）参与运输贮存的作用血红蛋白——运输氧铜蓝蛋白——运输铜铁蛋白——贮存铁5）免疫保护作用抗原抗体反应6）参与细胞间信息传递信号传导中的受体、信息分子等(如视网膜细胞中存在的受体蛋白质，在感光和视觉传导中起媒介作用；神经细胞连接处的特异受体蛋白在接受神经递质的作用后，可引起神经冲动的传递，)3氧化供能作用第一节氨基酸（Aminoacids）存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-氨基酸（甘氨酸除外）。一、氨基酸的结构与分类（一）氨基酸的结构氨基酸是蛋白质水解的最终产物，是组成蛋白质的基本单位。从蛋白质水解物中分离出来的氨基酸有二十种，除脯氨酸和羟脯氨酸外，这些天然氨基酸在结构上的共同特点为：COOHH2NCHα-碳原子基团RR基团(1)分子中同时含有羧基和氨基，且与羧基相邻的α-碳原子上都有一个氨基，因而称为α-氨基酸。（2）除甘氨酸外,其它所有氨基酸分子中的α-碳原子都为不对称碳原子,A.氨基酸都具有旋光性；B.每一种氨基酸都具有右旋(D)-型和左旋（L）-型两种立体异构体。目前已知的天然蛋白质中氨基酸都为L-型。α－氨基酸的通式H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H特殊的氨基酸•脯氨酸（唯一的亚氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2（二）氨基酸的分类中性AA（1）按R基团的酸碱性分酸性AA碱性AA（2）按R基团的疏水性和亲水性分疏水性R基团AA亲水性R基团AA（3）按R基团的化学结构分脂肪族AA芳香族AA杂环族AA按氨基酸的Ｒ基团的极性可分四类:A．非极性中性（8种）丙、苯丙、缬、亮、异亮、蛋、脯、色有一个非极性的侧链B．极性不带电（7种）丝、甘、苏、酪、半胱、谷氨酰胺、天冬酰胺侧链含极性基团——侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷。C.酸性氨基酸Glu，Asp天冬氨酸asparticacidAspD2.97谷氨酸glutamicacidGluE3.22D.碱性氨基酸His，Arg，Lys——侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷。组氨酸His（H）7.59赖氨酸Lys（K）9.74精氨酸Arg（R）10.76另外：1、蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修饰的——修饰氨基酸如：脯氨酸羟基化成羟脯氨酸赖氨酸羟基化成羟赖氨酸2、半胱氨酸Cys常以胱氨酸的形式存在-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3半胱氨酸+胱氨酸二硫键-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3二、氨基酸的理化性质１．溶解度溶于水，其中天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、酪氨酸溶解度较低所有的氨基酸都溶于酸和碱的溶液２．熔点具有较高的熔点，一般＞200℃；个别＞300℃3.疏水性非极性基团所具有的性质氨基酸侧链的疏水性可用氨基酸从乙醇中转移到水中的自由能变化表示4.与亚硝酸反应（樊氏）测定方法P51氨基酸与亚硝酸作用可生成相应的羟基酸并释放出N2。此性质可测定氨基酸的含量。5、茚三酮反应氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物，最大吸收峰在570nm。该反应可作为蛋白质定性、定量分析的基础。6.与金属离子反应许多重金属离子都能和氨基酸的羧基、氨基、硫氢基（—SH）反应生成不可解离的螯合物应用:临床医学的解救重金属中毒病人，可用高蛋白食物先灌肠如牛奶，豆浆等，然后再洗胃。第二节蛋白质的分类和结构一、蛋白质的分类（一）按组成分1.简单蛋白质:水解产物全部为氨基酸如清蛋白、球蛋白2.结合蛋白质:水解产物中除了氨基酸外，还有其它非蛋白质的成分如脂蛋白、糖蛋白、磷蛋白3、衍生蛋白质：用酶或化学方法处理蛋白质后得到的相应产物。（二）按形状分1.球形蛋白质：粘度小，溶解性好，结构复杂自然界绝大多数的蛋白质属于球状蛋白血红、肌红、球、清蛋白及酶类等2.纤维状蛋白质：粘度大，溶解性差肌纤维、胶原、网状、角蛋白(存在于脊椎动物皮肤、毛发和指甲等部位)等（三）按生物功能分1.活性蛋白质:具有生物活性的蛋白质酶、免疫蛋白质、受体蛋白、贮运蛋白等。2.非活性蛋白质:支撑或保护作用的蛋白质胶原蛋白质、网状蛋白质、弹性蛋白质、角蛋白质和丝心蛋白质。二、蛋白质的结构血红蛋白从一级结构到四级结构1.一级结构指由共价键结合在一起的氨基酸残基的排列顺序。氨基酸排列顺序—一级结构2.二级结构指多肽链错助氢键作用排列成为沿一个方向、具有周期性结构的构象。主链上原子的空间排列——二级结构其排列方式有：α—螺旋三维结构(A、B、Z型)：链内形成氢键的结果β—折叠结构：链间形成氢键的结果，必须是两条链或以上的β—弯曲（转角）结构无规卷曲3、三级结构多肽链借助各种作用力，进一步折叠卷曲形成紧密的复杂球形分子的结构。由二级结构形成一定构象——三级结构“螺旋之螺旋”，“折叠再折叠”4、四级结构两条或多条肽链之间以特殊方式结合、形成有生物活性的蛋白质。n条多肽链在三级结构的基础缔合聚集，构成四级结构三、作用力和键形成二、三、四级结构的作用力：一级结构：共价键二级结构：氢键三级结构：氢键、离子键、二硫键、范德华力四级结构：氢键、疏水键第三节蛋白质的理化性质一、两性电离含有大量的酸性和碱性基团对酸和碱都具有强大的缓冲能力蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。*蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI)当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。*处于等电点的蛋白质溶解度最低.二、蛋白质的疏水性可以根据各氨基酸的疏水性来求得蛋白质的平均疏水性。即各氨基酸的疏水性的总和除以氨基酸残基数n。计算蛋白质的平均疏水性，可预测其水解物是否产生苦味平均疏水性＞5.85kJ/mol残基，水解物可能有苦味平均疏水性＜5.43KJ/mol，水解物无苦味三、蛋白质的呈色反应⒈茚三酮反应(ninhydrinreaction)蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。⒉双缩脲反应(biuretreaction)蛋白质和多肽分子中肽键中的氮原子孤对电子在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应。**四、蛋白质的变性作用1、定义因环境因素的影响，蛋白质分子的天然构象遭到破坏，而使其理化性质发生改变，乃至生物功能丧失的过程变性只涉及二、三、四级结构的变化2.变性的实质天然蛋白质分子从有序而紧密的结构变为松散而无序的结构3导致蛋白质变性的主要因素（1）热处理T↑，氢键、静电力、范德华力↓，疏水键↑变性机理：因为肽键因热处理产生剧烈的热震荡而导致次级键的破坏的结果影响因素：蛋白质的性质、浓度、水活性、PH、离子种类、离子强度疏水性氨基酸残基比例高的蛋白质热稳定性大如大豆蛋白、乳酪蛋白水能促进蛋白质的热变化(干的稳定)大豆粉10%H2OTd（变性温度）=115℃40%H2OTd=97℃蛋白质热变性温度（Td）：蛋白质Td羧肽酶63肌红蛋白79胰蛋白酶抑制剂77α-乳清蛋白83大豆球蛋白92燕麦球蛋白108（2）机械处理振动、揉捏、打擦产生机械剪切力，破坏α—螺旋，导致蛋白质的网络结构改变。应用：面团的揉捏肉燕、灌肠、鱼丸等的制作时的机械擂溃。（3）PHpH=4～10稳定极端pH改变盐键，使基团离子化，造成肽链展开,一般可逆变性机理：由于蛋白质分子上的可解离基团发生不同程度的解离，使蛋白质高级结构中的盐键被破坏。(4)有机试剂大多数可使蛋白质产生变性变性机理：①降低了溶液的介电常数，使蛋白质分子内基团间的静电力增加；②破坏、增加了蛋白质分子的氢键，改变以稳定蛋白质的构象原有的作用力情况；③进入蛋白质的疏水区域，破坏了蛋白质分子的疏水相互作用。(5)金属离子过渡金属离子如汞、铜、铁可使蛋白质发生变性，这种作用在高于蛋白质等电点时更为显著变性机理:如Cu2+、Fe2+、Hg2+、Pb2+、Ag3+等，易与蛋白质分子中的－SH形成稳定的化合物，或者是将二硫键转化为－SH基，改变以稳定蛋白质分子结构的作用力。(6)辐照导致芳香族氨基酸（色、酪、苯丙）吸收，使构象发生改变导致二硫键断裂(7)表面活性剂打断疏水相互作用，导致蛋白质展开(8)还原剂使蛋白质的二硫键还原，从而改变蛋白质的原有构象，造成蛋白质的不可逆变性。4、变性对性质的影响（1）生物活性丧失（酶、激素、毒素、抗体……）（2）溶解度降低（疏水基团暴露）（3）改变水合性质（4）易于酶水解（5）粘度增大（6）不能结晶#第四节蛋白质的功能性质一、定义P63二、种类水合性质：蛋白质与水的相互作用(水吸收和保持、湿润性、溶胀性、粘附性、分散性、溶解度和粘度等)结构性质：蛋白质与蛋白质的相互作用(沉淀、胶凝和形成其它各种结构时性质)表面性质：蛋白质的表面张力、乳化作用、发泡性质等1、水合性质（1）水合通过蛋白质分子表面上的各种极性基团与水分子的相互作用而产生的——（P-H2O）由于氨基酸组成不同，不同蛋白质的水结合能力也不同。极性氨基酸（偶极－偶极）、离子化的氨基酸（离子－偶极）、蛋白质的盐（离子－偶极）等由于极性基团对水有更强的结合能力。水化影响因素①浓度C水的总吸收量随C↑而↑②pHPI时，P—P作用最强，水合作用最小，溶胀最小③离子强度A、0.1～1M中性盐，产生“盐溶效应”B、当C1M时，“盐析效应”P—PP—H2OP沉淀④温度T一般蛋白质变性温度为50～70℃，T↑，氢键↓，P—H2O作用↓，即T↑，P沉淀水结合能力公式P66⑵溶解度与溶胶是蛋白质固有性质之一；定义P67应用：A、可确定天然资源中蛋白质分离，提纯的最适条件B、可评价蛋白质的变性程度C、评价蛋白质在饮料中的应用①溶解度的影响因素溶解度与pH、离子强度、T、溶剂种类有关P67－68②溶胶蛋白质溶液是一种胶体溶液P表面有各种亲水基，将H2O分子吸附表面而形成一层水膜2、结构性质⑴胶凝作用①定义胶凝是变性蛋白质发生的有序聚集反应P胶体体系失去流动性，成为“软胶”状态的过程形成P-PP-H2O有序网络凝结水分分散在蛋白质颗粒之中形成的胶体体系凝胶有一定形状、弹性，半固体性质②形成机理是蛋白质—蛋白质（有利于肽链靠近）、蛋白质—水（有利于肽链分离）之间的相互作用，以及邻近的肽链之间的吸引力（有利于肽链靠近）和排斥力（有利于肽链分离）最终平衡的结果③形成条件P70A、热处理、冷却B、加酸C、添加盐类D、酶水解E、先碱化、再恢复至中性或PI点蛋白质的胶凝过程：P70蛋白质形成凝胶的两种结构方式：P71⑵组织化蛋白质是构成食品特征结构和质地的基础蛋白质组织化的方法①热凝固和薄膜的形成：腐竹的生产②热塑性挤压：如脱脂大豆粉的组织化③纤维形成：合成纤维的生产原理，如大豆蛋白人造肉的制作