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蛋白质

第五章氨基酸、肽和蛋白质

5．1概述

蛋白质是生物体的重要组成部分，在生物体系中起着核心作用，占活细胞干重的50％左右。

虽然有关细胞的进化和生物组织信息存在于DNA中，但是维持细胞和生物体生命的化学和生物化学过程全部是由酶来完成。

众所周知，每一种酶在细胞中是高度专一的催化一种生物化学反应，酶是具有催化功能的蛋白质。

此外，有的蛋白质，如胶原蛋白、角蛋白和弹性蛋白等，在细胞和复杂的生物体中作为结构单元，对于细胞的结构和功能起着重要作用。

蛋白质之所以具有多种功能，这是与蛋白质的化学组成和结构有关。

许多种蛋白质已经从生物材料中分离提纯，其相对分子质量大约在5000到几百万之间。

蛋白质由50％--55％C、6％--7％H。

20％--23％O、12％--19％N和0．2％--3％S等元素构成，有些蛋白质分子还含有铁、碘、磷或锌。

蛋白质完全水解的产物是o—氨基酸，它们的侧链结构和性质各不相同，大多数蛋白质是由20种不同氨基酸组成的生物大分子。

蛋白质分于中的氨基酸残基靠酰胺键连接，形成含多达几百个氨基酸残基的多肽链。

酰胺键的C--N键具有部分双键性质，不同于多糖和核酸中的醚键与磷酸二酯键，因此蛋白质的结构非常复杂，这些特定的空间构象赋予蛋白质特殊的生物功能和特性。

根据蛋白质的分子组成，蛋白质可以分为两类：

一类是分子中仅含有氨基酸（即细胞中未被酶修饰的蛋白质）的简单蛋白（homoprotein）；另一类是由氨基酸和其他非蛋白质化合物组成（即经酶修饰的蛋白质）的结合蛋白（conjugatedprotein），又称杂蛋白（heteroprotein）。

结合蛋白中的非蛋白质组分统称为辅基（prostheticgroup）。

根据辅基的化学性质不同，可以分为核蛋白（核糖体和病毒）、脂蛋白（蛋黄蛋白、一些血浆蛋白）、糖蛋白（卵清蛋白、x—酪蛋白）、磷蛋白（e—和9—酪蛋白、激酶、磷酸化酶）和金属蛋白（血红蛋白、肌红蛋白和几种酶）。

其中糖蛋白和磷蛋白是蛋白质以共价键分别与糖类和磷酸基团连接，而其他的蛋白质则是蛋白质通过非共价键与核酸、脂类和金属离子形成复合物。

每一种蛋白质都有其特定的三维结构。

因此，也可按照蛋白质的结构分为纤维蛋白和球蛋白。

纤维蛋白是由线形多肽链组成，构成生物组织的纤维部分，如胶原蛋白、角蛋白、弹性蛋白和原肌球蛋白都属于这类蛋白质。

球蛋白是一条或几条多肽链靠自身折叠而形成球形或椭圆结构。

此外，肌动蛋白和血纤维蛋白等纤维蛋白分子是小球状蛋白的线性聚集结构。

大多数酶都属于球蛋白，纤维蛋白总是起着结构蛋白的作用。

蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，而二级结构和三级结构则与多肽链的三维结构有关，四级结构表示多肽链的几何排列，这些肽链间大多是通过非共价键连接在一起。

蛋白质具有多种功能，根据功能不同可分为三大类：

结构蛋白质；有生物活性的蛋白质和食品蛋白质。

肌肉、骨骼、皮肽等动物组织中含有结构蛋白质（角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白等），它们的功能大多与其纤维结构有关。

具有生物活性的蛋白质是生物体的重要组成部分，它与生命活动有着十分密切的关系，生命现象和生理活动往往是通过蛋白质的功能来实现的。

酶是活性蛋白中最重要的一类，已鉴定出的醇有2000种以上，它们都是高度专一性的催化剂。

其他生物活性蛋白质包括结构蛋白、调节代谢反应的激素蛋白质（胰岛素、生长激素）、收缩蛋白质（肌球蛋白、肌动蛋白和微管蛋白）、传递蛋白质（血红蛋白、肌红蛋白、铁传递蛋白）、抗体蛋白（免疫球蛋白）、储存蛋白质（卵清蛋白、种子蛋白）和保护蛋白（毒素和过敏原）以及一些蛋白类的抗生素。

有些蛋白质还具有抗营养性质-（例如胰蛋白酶抑制剂）。

食品中存在的蛋白质抗原，可导致抗体的合成，使人体内防御机制改变并出现许多种变态反应。

储存蛋白质主要存在于蛋类和植物种子中，主要为种子和胚芽的萌发和生长提供氮源与氨基酸。

保护蛋白则是某些微生物和动物为了生存所建立的一部分防御机制。

毒蛋白存在于一些毒素和微生物中，如肉毒素、金黄色葡萄球菌毒囊、毒蛇毒液和蓖麻蛋白等。

从细菌到人类，所有物种其蛋白质本质上都由20种基本氨基酸构成，但有的蛋白质可能不含有其中的一种或几种。

这20种氨基酸其结构、大小、形状、电荷形成氢键的能力和化学活性方面都存在差异。

蛋白质实现的功能范围所以如此之广，就是由于20种氨基酸的差异，以及它们的各种组合的变化的结果。

通过改变氨基酸的顺序、种类和比例，以及多肽链的链长，将可合成许多具有各种独特性质的蛋白质。

食品蛋白质包括可供人类食用、易消化、安全无毒、富有营养、具有功能特性的蛋白质。

乳、肉（包括鱼和家禽）、蛋、谷物、豆类和油料种子是食品蛋白质的主要来源。

随着世界人口的增长，为了满足人们对蛋白质逐渐增长的需求，不仅要寻求新的蛋白质资源和开发蛋白质利用的新技术，而且还应更充分地利用现有的蛋白质资源和考虑成本。

因此，必须了解和掌握食品蛋白质的物理、化学和生物学性质，以及加工处理对这些蛋白质的影响，从而进一步改进蛋白质的性质．特别是营养品质和功能特性。

5．2氨基酸和蛋白质的物理化学性质

5．2．1氨基酸的一般性质

5.2．1．1结构和分类

氨基酸是组成蛋白质分子的基本单位，有20种氨基酸通常存在于蛋白质水解物中，其他种氨基酸也存在于自然界，并具有生物功能。

为了了解蛋白质的性质，必须首先了解氨基酸的结构性质。

氨基酸是带有氨基的有机酸，分子结构中至少含有一个伯氨基和一个羧基，α—氨基酸含有一个。

—碳原子、一个羧基、一个氢原子和一个侧链R基团。

天然α—氨基酸具有以下结构

R是侧链基团，脯氨酸和羟基脯氨酸的R基团来自毗咯烷，它们并不符合一般结构，蛋白质中常见的。

α—氨基酸见表5—1

每种氨基酸具有特定的R侧链，它决定着氨基酸的物理化学性质。

根据侧链的极性不同可将氨基酸分成四类：

（1）具有非极性或疏水性侧链的氨基醒（丙氨酸、异亮氨酸、亮氨醒、甲硫氨酸、脯氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸），在水中的溶解度较极性氨基酸小（表5—2），其疏水程度随着脂肪族侧链的长度增加而增大。

（2）带有极性、无电荷（亲水的）侧链的氨基酸含有中性、极性基团（极性基团处在疏水氨基酸和带电荷的氨基酸之间）能够与适合的分子例如水形成氢键。

丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的极性与它们所含的羟基有关，天冬酰胺、谷氨酰胺的极性同其酰胺基有关。

半胱氨酸则因含有巯基，所以属于极性氨基酸，甘氨酸有时也属于此类氨基酸。

其中半胱氨酸和酪氨酸是这一类中具有最大极性基团的氨基酸，因为在pH接近中性时，巯基和酚基可以产生部分电离。

在蛋白质中，半胱氨酸通常以氧化态的形式存在，即胱氨酸。

当两个半胱氨酸分子的巯基氧化时便形成一个二硫交联键，生成胱氨酸。

天冬酰胺和谷氨酰胺在有酸或碱存在下容易水解并生天冬氨酸和谷氨酸。

（3）带正电荷侧链（在pH接近中性时）的氨基酸包括敕氨酸、精氨酸和组氨酸，它们分别具有ε－NH2、胍基和咪唑基（碱性）。

这些基团的存在是使它们带有电荷的原因，组氨酸的咪唑基在pH为7时，有10％被质子化，而pH为6时50％质子化。

（4）带有负电荷侧链的氨基酸（pH接近中性时）包括天冬氨酸和谷氨酸。

由于侧链为羧基（酸性），在中性pH条件下带一个净负电荷。

除了20种常见的氨基酸外，从蛋白质水解物中还离析出另外的氨基酸，例如胶原蛋白中含有羟基脯氨酸和5-羟基赖氨酸，弹性蛋白中含锁链素（demnosine）和异锁链素（isodesmcxsine），肌肉蛋白中存在甲基组氨酸，ε-N—甲基氨酸和ε—N—三甲基赖氨酸。

氨基酸在水中的溶解度（25℃）见表5—2。

除上述20种氨基酸外．在动物、植物或微生物的细胞中还存在150种以上游离或结合的氨基酸，其中多数是重要的代谢中间产物（或前体），或者是参与传递神经冲动的化学介质。

在某些抗生素中还存在D构型氨基酸。

5．2．1．1氨基酸的峻碱性质

氨基酸的离子化能力在生物学上是非常重要的，这种性质可用来进行定量分析。

另外，氨基酸的一些性质（熔点、溶解度、偶极矩和在水溶液中的介电常数）都是由于在水溶液中的电荷分布不均匀而产生的。

因而，所有氨基酸在接近中性pH的水溶液中主要以两性离子（zwitterion），也称偶极离子（dipolorton）的形式存在

由于氨基酸同时含有羧基（酸性）和氨基（碱性），因此，当氨基酸溶解于水时，可表现为酸的行为

又可表现出碱的性质

因此氨基酸是一类两性电解质。

以最简单的甘氨酸（Glγ）为例，在溶液中由于受pH的影响可能有三种不同的离解状态，即

氨基酸的这种性质决定于介质的pH，即氨基酸分子是两性的。

当以完全质子化的形式存在时，α—氨基酸（—氨基，—羧基）用鞋清定可以释放出两个质于。

氨基酸的等电点pI是指在溶液中净电荷为零时的pH。

pKa值是上述两个反应的离解常数的负对数，即

在式（5—1）和式（5—2）中，Ka1、和Ka2、分别代表α碳原子上的--COOH和一NH3+；的表观离解常数，R如果侧链基上有离解基团，其表观电离常数用K、表示。

在中性pH范围，α—氨基和α—羧基都处在离子化状态，因而当用酸滴定时，一COO—被质子化（一COOH）；碱滴定时，一NH3+发生去质子化。

图5-1是典型氨基酸两性离于电化学滴定曲线。

仅含α—氨基和α—羧基的氨基酸（侧链是不可离解的）的pKa1的范围为2.0—3.0，pKa2为9.0一10.0（表5—3）。

带有可离解R基侧链的氨基酸，如Lγs、Asp、G1u、Cγs和Tγr，相当于三元酸，有3个pKa值，因此滴定曲线比较复杂。

绝大多数主要氨基酸的pKa和pI值见表5—3，氨基酸的羧基pKa1值比脂肪族羧酸低（乙酸的pKa为4．74），因为氨基酸的带正电荷的氨基连接在邻近羧基的α碳原子上。

pI（等电点）根据下列等式，利用氨基酸的pKa1、pKa2。

和pKa3值可估算氨基酸的等电点值：

不带电荷侧链的氨基酸

酸性氨基酸

碱性氨基酸

在等电点以上的任何pH，氨基酸带净负电荷，并因此在电场中将向正极移动。

在低于等电点的任一pH，氨基酸带有净正电荷，在电场中将向负极移动。

在一定pH范围内，氨基酸溶液的pH离等电点愈远，氨基酸携带的净电荷愈多。

在蛋白质分子中，氨基酸的。

—COOH是通过酰胺键与邻近氨基酸的。

—NH2相结合，可以离解的基团只能是N端氨基酸残基的氨基，C端氨基酸残基的羧基和侧链上的可离解基团。

因此，蛋白质中这些可离解基团的pK。

值不同于相应的游离氨基酸。

蛋白质中的谷氨酸和天冬氨酸的酸性侧链基团的pKa3值大于相应的游离氨基酸的pKa3值，而碱性侧链的pKa3、值则小于相应游离氨基酸的pKa3值。

根据Henderson—Hasselbach公式可以计算出任一pH条件下一种氨基酸的各种高于的离子化程度，并求出总的负电荷和正电荷之和，从而可计算出某一蛋白质在此pH时的净电荷数。

5．2．1．3氨基酸的疏水性

蛋白质在水中的溶解度同氨基酸侧链的极性基团（带电荷或不带电荷）和非极性（疏水）基团的分布状态有关，而且蛋白质和肽的结构、溶解性和结合脂肪的能力等许多物理化学性质，都受到组成氨基酸疏水性的影响。

氨基酸以及肽和蛋白质的疏水程度可以根据氨基酸在水和弱极性溶剂例如乙醇中的相对溶解度来确定，将lmol氨基酸从水溶液中转移到乙醇溶液中，吉布斯自由能的变化（即转移自由能）可从式（5—4）计算（忽略活度系数）

式中：

S乙醇-——氨基酸在乙醇的溶解度，mol／L；

S水——氨基酸在水中的溶解度，mol／L。

假若氨基酸有多个基团，则△Gtθ是氨基酸中各个基团的加合函数

例如苯丙氨酸，从水向乙醇中转移的吉布斯自由能可以分为两个部分：

一部分是苄基；另一部分是甘氨酰基和羧基，即

第二部分与给定甘氨酸的吉布斯转移自由能相似，因而从该氨基酸和甘氨酸的转移吉布斯自由能之差，可以表示出侧链的疏水性，即

△Gtθ（侧链）二△Gtθ（氨基酸）一△Gtθ（甘氨酸）

表5—4给出了某些氨基