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第五章蛋白质(Proteins)5.1氨基酸5.2蛋白质5.3蛋白质的变性5.4蛋白质的功能性质5.5新蛋白质资源5.6食品加工对蛋白质功能性质和营养价值的影响概况：蛋白质（protein）是生物体细胞的重要组成成分，在生物体系中起着核心作用；蛋白质也是一种重要的产能营养素，并提供人体所需的必需氨基酸；蛋白质还对食品的质构、风味和加工产生重大影响。蛋白质是由多种不同的α—氨基酸通过肽链相互连接而成的，并具有多种多样的二级和三级结构。不同的蛋白质具有不同的氨基酸组成，因此也具有不同的理化特性。作用：(1)是维持生命活动和生长所必需的物质；(2)部分蛋白质还可以作为生物催化剂(酶和激素)控制机体的生长、消化、代谢、分泌及能量转移等化学变化；(3)蛋白质是机体内生物免疫作用所必需的物质，可以形成抗体以防止机体感染；(4)在食品中蛋白质对食品的质地、色、香、味等方面还起着重要的作用。化学组成：一般蛋白质的相对分子量在1万至几百万之间。根据元素分析，蛋白质主要含有C、H、O、N等元素，有些蛋白质还含有P、S等，少数蛋白质含有Fe、Zn、Mg、Mn、Co、Cu等。多数蛋白质的元素组成如下：C约为50%～56%，H为6%～7%，O为20%～30%，N为14%～19%，平均含量为16%；S为0.2%～3%；P为0～3%。为了满足人类对蛋白质的需要，不仅要充分利用现有的蛋白质资源，研究影响蛋白质结构、性质的加工处理因素，改进蛋白质的性质，尤其是蛋白质的营养价值和功能性质，而且还应寻找新的蛋白质资源和开发蛋白质利用新技术。5.1氨基酸(Aminoacids)氨基酸为组成蛋白质的基本单元，天然蛋白质中一般含有20种氨基酸，另外还有一些其它较少见的氨基酸存在于自然界中并具有特殊的生物功能。一、结构与分类：结构：除脯氨酸外，所有的氨基酸都是α-氨基酸，即在α-碳上有一个氨基，并且多以L-构型存在，某些微生物中有D-型氨基酸。NH2HRCCOOHNH3HRCCOO+两性离子形式非解离形式L—α—氨基酸分类：根据氨基酸侧链R的极性不同可将其分为四组:1.碱性氨基酸：侧链上带正电荷，它们是赖氨酸、精氨酸、组氨酸，侧链含有氨基或亚氨基。-CH2-CH2-CH2-CH2-NH3++NCH2HNH赖氨酸精氨酸组氨酸2.酸性氨基酸：侧链上带负电荷，它们是谷氨酸和天冬氨酸，侧链上均含一个羧基。-CH2-CH2-COO-CH2-COO谷氨酸天冬氨酸3.不带电荷的极性氨基酸：此种Aa侧链含有极性基团，可以形成氢键，溶解度比非极性氨基酸增大。共有7种：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺及甘氨酸。半胱氨酸在蛋白质中通常以胱氨酸的形式存在，而天冬酰胺、谷氨酰胺在酸、碱存在时水解转化为天冬氨酸和谷氨酸。-CH2-OH丝氨酸-CH-CH3OH苏氨酸-CH2OH谷氨酸-CH2-SH半光氨酸-CH2-CO-NH2天冬酰胺-CH2-CH2-CO-NH2谷氨酰胺-H甘氨酸4.非极性氨基酸：具有一个疏水性侧链，在水中的溶解度比极性氨基酸低。共有8种：丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、脯氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和甲硫氨酸(蛋氨酸)，脯氨酸是α一亚氨基酸。此外，还有存在于胶原蛋白中的羟脯氨酸、羟赖氨酸；存在于肌肉中的甲基组氨酸和ε—N一甲基赖氨酸。缬氨酸-CH3丙氨酸-CH2-CHCH3CH3亮氨酸-CH-CH2-CH3CH3异亮氨酸-CHCH3CH3甲硫氨酸(蛋氨酸)NCOOH+脯氨酸NH色氨酸-CH2苯丙氨酸-CH2-CH2-S-CH3二、氨基酸的物理性质1.旋光性：除甘氨酸外，氨基酸的碳原子均是手性碳原子，所以具有旋光性。旋光方向和大小取决于其R基性质，也与水溶液的pH有关。2.紫外吸收：20种Aa在可见区内无吸收，但在紫外光区酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸有吸收，其最大吸收波λman分别为278nm、279nm和259nm，故此利用此性质对这三种氨基酸进行测定。酪氨酸、色氨酸残基同样在280nm处有最大的吸收，可用紫外分光光度法定量分析蛋白质。3.离解：在中性溶液中氨基酸是以偶极离子或两性离子的形式存在：在不同的PH条件下既可作为碱接受质子；又可作为酸离解出一质子：所以一个单氨基单羧基氨基酸全部质子化以后可以看作一个二元酸，因而有两个离解常数：当氨基酸呈电中性(即净电荷为零)时，所处环境的pH值即为该氨基酸的等电点(pI)，pI和pKa1、pKa2有以下的关系：在等电点，氨基酸的溶解度最小，可以用调节等电点的方法从氨基酸的混合物中分离出某些氨基酸。中性氨基酸PI=5.5-6.3酸性氨基酸PI=2.8-3.2碱性氨基酸PI=7.6-10.6三、氨基酸的化学性质氨基酸上的各个官能团可进行多种反应，在这里介绍氨基、羧基及侧链的一些主要反应：1.氨基的反应（4个）：（1）α-Aa能与亚硝酸定量作用，产生氨气和羟基酸；测定N2的体积就可以计算氨基酸含量。ε—NH2与HNO2反应较慢，脯氨酸、精氨酸、组氨酸、色氨酸中的环结合氮不与HNO2作用。2）与醛类化合物反应：氨基与醛类化合物反应生成Schiff碱，Schiff碱，是美拉德反应中间产物，与褐变反应有关（3）酰基化反应：例如氨基可与苄氧基甲酰氯在弱碱性条件下反应：在合成肽的过程中可利用此反应保护氨基。4)烃基化反应：a-氨基可以与二硝基氟苯反应生成稳定的黄色化合物：该反应可用于对肽的N一末端氨基酸来进行分析。2.羧基的反应（2个）（1）成酯或成盐反应氨基酸在干燥HCl存在下与无水甲醇或乙醇作用生成甲酯或乙酯：（2）脱羧反应：大肠杆菌中含有一种谷氨酸脱羧酶，可使谷氨酸脱羧。3.由氨基与羧基共同参加的反应（2个）：（1）形成肽键：氨基酸之间的羧基和氨基缩合反应，可以形成肽：②与茚三酮反应：在微酸性条件下茚三酮与氨基酸共热可发生下列反应，终产物为蓝紫色化合物，可用于氨基酸的定性、定量分析。只有脯氨酸生成黄色化金物。4.侧链的反应α-氨基酸的侧链R基反应很多：R基上含有酚基，可还原Folin血试剂，生成钼蓝和钨蓝，可用于蛋白质的定量分析；R基上含有一SH基，在氧化剂存在下生成双硫健，在还原剂存在下亦可重新变为一SH基等。四、氨基酸的制备氨基酸的制备可以通过三种途径：1.蛋白质水解：天然蛋白质用酸、碱或酶催化水解，生成游离氨基酸，然后通过等电析出使之结晶，再经精制而得到各种氨基酸。其中以酶法水解较为理想。2.人工合成法：一般只用于制备少数难以用其它方法制备的氨基酸，如色氨酸、甲硫氨酸。3.生物发酵法：可以用来制备多种氨基酸，如谷氨酸、赖氨酸等在生产上应用最多。五氨基酸的呈味性质氨基酸对食品所呈现的不同风味有重大意义1苦味氨基酸是多官能团分子，能与多种味受体作用，味感丰富。一般而言，除了小环亚胺氨基酸以外，D-型氨基酸大多以甜味为主。在L-型氨基酸中，当侧链很小时，一般甜味为主；当侧链较大时（碳数＞3）并带有碱基，通常以苦味为主；若侧基属疏水性不强的基团时，苦味不强但也不甜；若侧基属酸性基团时，以酸味为主。表5.1氨基酸R基的结构和味感类别氨基酸结构特点味感ⅠⅡⅢⅣⅤGlu,Asp,Gln,AsnThr,Ser,Ala,Gly,Met-(Cys)Hpr,ProVal,Leu,Ile,Phe,Tyr,TrpHis,Lys,Arg酸性侧链短小侧链吡咯侧链长、大侧链碱性侧链酸鲜甜鲜甜略苦苦甜略苦2鲜味鲜味是一种复杂的综合味道，主要由氨基酸等成分引进。某些食品中的主要鲜味成分名称谷氨酸钠氨基酸酰胺及肽5′-肌苷酸5′-鸟苷酸畜肉鱼肉虾蟹贝类章鱼、乌贼海带蔬菜蘑菇酱油++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++琥珀酸钠+++5.2蛋白质(Proteins)一蛋白质的结构：蛋白质是以氨基酸为基本结构单位构成的结构复杂高分子化合物。其结构分为低级结构（一级结构）和高级结构（二、三、四级结构）：1.一级结构：是氨基酸通过肽键（酰胺键）组成的肽链中，氨基酸残基的种类、数目、排列顺序为Aa的一级结构。在多肽链中带有氨基的一端称作N端，而带有羧基的一端称作C端。许多蛋白质如胰岛素、血红蛋白、酪蛋白的一级结构已经确定。一级结构决定蛋白质的高级结构和蛋白质的基本性质。2.二级结构：指多肽链借助氢键排列成沿一个方向、具有周期性结构的构象，并不考虑侧链的构象和片断间的关系。Pr的二级结构主要有α-螺旋和β-折叠，氢键在其中起着稳定构象的作用。3.三级结构：是指多肽链借助各种作用力在二级结构基础上，进一步折叠卷曲形成紧密的复杂球形分子的结构。稳定蛋白质三级结构的作用力有氢键、离子键、二硫键和范德华力。在大部分所研究的球形蛋白分子中，极性氨基酸的R基一般位于分子表面，而非极性氨基酸的R基则位于分子内部。OHHOCONNHHCOOHOHCH2CH2CHCHCOCONSSNH3COO+NH3COO+HФμμФABCDEAB图维持蛋白质三级结构的作用力A：氢键B：空间相互作用C：疏水作用力D：双硫键E：静电相互作用蛋白质三级结构中某些次级键图5-2肌红蛋白的三级结构和丙糖磷酸异构酶的三级结构4.四级结构：蛋白质的四级结构是二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；其中每条肽键都有自己的一、二、三级结构，这些肽链称为亚基，它们可以相同，也可以不同。亚基之间不含共价键，亚基间次级键的结合比二、三级结构疏松，因此在一定条件下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本身构象仍可不变。血红蛋白亚基结合模式蛋白质的四级构象二蛋白质的结构与功能的关系(一)蛋白质一级结构是空间结构的基础，特定的空间构象主要是由蛋白质分子中肽链和侧链R基团形成的次级键来维持，在生物体内，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定的空间构象。一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似，例如，不同种属的生物体分离出来的同一功能的蛋白质，其一级结构只有极少的差别，而且进化位置相距愈近的差异愈小（二)蛋白质空间橡象与功能活性的关系蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。蛋白质变性时，由于其空间构象被破坏，故引起功能活性丧失，变性蛋白质在复性后，构象复原，活性即能恢复A)天然核糖核酸酶(B)变性失活(C)“错乱”核糖核酸酶二、蛋白质的分类蛋白质根据其化学组成和溶解度分为三大类：即单纯蛋白质、结合蛋白质和衍生蛋白质。(一)单纯蛋白质：仅含氨基酸的一类蛋白质：1．清蛋白(Albumines)：它们是分子量很低的蛋白质，能溶于中性无盐的水中。例如蛋清蛋白、乳清蛋白、血清蛋白、牛乳中的乳清蛋白、谷物中的麦谷蛋白和豆科种子里的豆白蛋白等即是。2．球蛋白(Globulins)：不溶于水，但可溶于稀酸、稀碱及中性盐溶液，如牛乳中的乳清球蛋白、血清球蛋白，肉中的肌球蛋白和肌动蛋白与大豆中的大豆球蛋白即是。3．谷蛋白(Glutellins)：不溶于水、乙醇及盐溶液中，能溶于很稀的酸和碱溶液中。例如小麦中的谷蛋白和水稻中的米谷蛋白即是。4．醇溶谷蛋白(Prolamines)：不溶于水及中性有机溶剂中，能溶于50％~90％酒精中。这种蛋白质主要存在谷物中，并含大量的脯氨酸和谷氨酸，例如玉米醇溶谷蛋白，小麦醇溶谷蛋白和大麦醇溶谷蛋白即是。5．硬蛋白(Scleroprotein)：不溶于水和中性溶剂中并能抵抗酶的水解。这是一种具有结构功能和结合功能的纤维状蛋白。例如肌肉中的胶原蛋白、腱中的弹性蛋白和毛发及角蹄中的角蛋白即是；明胶为其衍生物。6．组蛋白(Histones)：为一种碱性蛋白质，因为它含有大量的赖氨酸和精氨酸，能溶于水中。7．鱼精蛋白(Protamines)：为一种低分子量(400—8000)的碱性很强的蛋白质，它含有丰富的精氨酸，例如鲱鱼中的鲱精蛋白。(二)结合蛋白质(Conjugatedproteins)结合蛋白质是单纯蛋白质与非蛋白质成分，如碳水化合物、油脂、核酸、金属离子或磷酸盐结合而成的蛋白质。1．脂蛋白(Lipoproteins)：