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1、第五章 蛋白质,第一节 引言,蛋白质在生物体系中起着核心作用 病毒、细菌、激素、植物和动物细胞原生质都是以蛋白质为基础的 酶是蛋白质 蛋白质功能和化学组成有关 由20种氨基酸构成的聚合物,蛋白质的元素分析,C 5055% H 6 7% O 2023% N 1219%（16%， 6.25） S 0.23.0%,蛋白质的分类,根据组成分类 简单蛋白质（homoproteins） 在细胞中未经酶催化改性的蛋白质 结合蛋白质（conjugated proteins） 或杂蛋白质（heteroproteins） 经过酶催化改性或与非蛋白质组分复合的 非蛋白质组分称为辅基,结合蛋白质包括：,核蛋白（核蛋白
2、体） 糖蛋白（卵清蛋白、-酪蛋白） 磷蛋白（-和-酪蛋白、激酶、磷酸化酶） 脂蛋白（蛋黄蛋白质、几种肌浆蛋白质） 金属蛋白（血红蛋白、肌红蛋白和几种酶）,球蛋白 以球状或椭圆状存在的蛋白质 由多肽链自身折叠而造成 纤维状蛋白（棒状分子） 含有相互缠绕的多肽链,根据大体上的结构形式分类,蛋白质的生物功能,酶催化 结构蛋白 收缩蛋白（肌球蛋白、肌动蛋白、微管蛋白） 激素（胰岛素、生长激素） 传递蛋白（血清蛋白、铁传递蛋白、血红蛋白） 抗体（免疫球蛋白） 贮藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白） 保护蛋白（毒素和过敏素）,食品蛋白质,易于消化 无毒 富有营养 显示功能特性 来源丰富,第二节 氨基酸的物理化学性
3、质,一、氨基酸的一般性质 （一）一般结构和分类 氨基酸是组成蛋白质的最基本单位,决定物化性质,据其分子结构分为六类,中性氨基酸 一氨基，一羧基 Ala(丙), Gly(甘), Val(缬), Leu(亮), Ile(异亮) 酸性氨基酸 一氨基，二羧基 Asp(天), Glu(谷) 碱性氨基酸 二氨基，一羧基 Arg(精), Lys(赖), His(组) 含羟氨基酸 一氨基，一羧基，一羟基 Ser(丝), Thr(苏) 含硫氨基酸 一氨基，一羧基，一巯基 Cys(半), Met(蛋) 含环氨基酸 一氨基，一羧基，一环 Phe(苯), Pro(脯), Trp(色), Tyr(酪),甘丙缬亮异脂链
4、丝苏半蛋羟硫添 脯酪色苯杂芳环 天谷精赖组酸碱,按侧链基团R的极性分为四类,非极性氨基酸或疏水性氨基酸 脂肪族（Ala，Ile，Leu，Val） 芳香族侧链的氨基酸(Phe,Trp)是疏水的 不带电荷的极性氨基酸 侧链与水结合形成氢键，Ser,Thr,Cys 在pH7时带正电荷的极性氨基酸 碱性氨基酸，Lys,Arg,His(略带） 在pH7时带负电荷的极性氨基酸 酸性氨基酸， Asp,Glu 碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性,必需氨基酸,有些氨基酸，机体合成不足，必需从食物或饲料中供给，如果食物或饲料中缺乏这些氨基酸，就会影响机体的正常生长和健康。 人体必需氨基酸有Lys，Phe, Val,
5、 Met, Thr, Trp, Leu及Ile八种，此外，His对于婴儿的营养也是必需的。,（二）氨基酸的立体化学,除甘氨酸外都具有旋光性。 在植物或动物组织的蛋白质水解物中，仅发现型异构体。,Ile和Thr的-碳原子也是不对称的，因此它们都有4个对映体。, ,（三）氨基酸的酸-碱性质,羧基能电离成COO-和H+；氨基能接受质子，形成铵盐。氨基酸是两性电解质 甘氨酸,提供质子， 可释放质子,提供电子对， 可接受质子,在中性pH范围，-氨基和 -羧基都处在离子化状态，此时氨基酸分子是偶极离子或两性离子。 偶极离子以电中性状态存在时的pH被称为等电点（pI）。,当-COO-和-COOH的浓度相等时
6、的pH被称为pKa1 当-NH3+和-NH2浓度相等时的pH被称为pKa2,除 -氨基和 -羧基外，Lys、Arg、His、Asp、Glu、Cys和Tyr的侧链也含有可离子化的基团。 侧链不含有带电荷基团的氨基酸， pI=（pKa1 + pKa2）/2 酸性氨基酸，pI=（pKa1 + pKa3）/2 碱性氨基酸，pI=（pKa2 + pKa3）/2 *下标1、2和3分别指 -羧基、 -氨基和侧链上可离子化的基团。,（四）氨基酸的疏水性,蛋白质在水中的溶解度主要取决于氨基酸组分侧链上极性（带电或不带电）和非极性（疏水）基团的分布。 氨基酸从乙醇转移到水的自由能变化 Gt（EtW）被用来表示氨基
7、酸的疏水性。 Gt是一个很大的正值，则说明它的疏水性就很大。,Gt具有加和性 缬氨酸 Gt,Val=Gt,Gly+Gt,异丙基侧链 Gt,异丙基侧链=Gt,Val-Gt,Gly,具有大的正的Gt的AA侧链 疏水性的 优先选择处在有机相 疏水性AA残基倾向于配置在蛋白质分子的内部 具有负的Gt的AA侧链 亲水性的 配置在蛋白质分子的表面,（五）氨基酸的光学性质,芳香族的氨基酸Trp(色)、Tyr(酪)和Phe在近紫外区（250-300 nm）吸收光。 Trp和Tyr在紫外区还显示荧光。 氨基酸所处环境的极性影响它们的吸收和荧光性质，因此可以将氨基酸光学性质的变化作为考察蛋白质构象变化的手段。,二
8、、氨基酸的化学反应性,存在于游离氨基酸和蛋白质分子中的反应基团 氨基、羧基、巯基、酚羟基、羟基、硫醚基（Met）、咪唑基和胍基 改变蛋白质和肽亲水-疏水性质或者功能性质 被利用来定量氨基酸和蛋白质分子中特定的氨基酸,与茚三酮反应,1摩尔的氨基酸，与2摩尔茚三酮生成1摩尔紫色物质，在570 nm显示最高吸收。 脯氨酸和羟脯氨酸产生一种黄色物质，它在440 nm显示最高吸收。 常用来定量游离氨基酸。,与邻苯二甲醛反应,当存在2-巯基乙醇时氨基酸与邻-苯二甲醛反应（1，2-苯二甲醛）反应生成高荧光的衍生物 在380 nm激发时在450 nm具有最高荧光发射 定量氨基酸、蛋白质和肽,与荧光胺反应,含有
9、伯胺的氨基酸、肽和蛋白质与荧光胺反应成高荧光的衍生物 在390 nm激发时，在475 nm具有最高荧光发射 被用于定量氨基酸以及蛋白质和肽。,第三节 蛋白质的结构,（一）一级结构 指氨基酸通过共价键连接而成的线性序列 构成蛋白质的主要氨基酸有20种 主链-N-C-C或-C-C-N,n个氨基酸残基构成(n-1)个肽键 游离的 -氨基末端称为N端，开始端 游离的 -羧基末端称为C端，末端 链长(n)和序列决定蛋白质的物化性质、结构和功能性质 序列密码（code）,CN键具有部分双键的性质,CONH键不可以自由旋转 N-C 键 C -C键 理论上具有转动自由度，但因C 原子上侧链原子的立体位阻而被限
10、制,主链扭转角,-NH - C- CO NH,几乎所有的蛋白质肽键都以反式构型存在 在热力学上反式比顺式稳定,（二）二级结构,氨基酸残基周期性的（有规则的）空间排列 氨基酸残基侧链之间近邻或短距离的非共价相互作用导致局部自由能下降，这就驱动了和角的扭转。,1、螺旋结构, -螺旋：主要的，最稳定的 310-螺旋 -螺旋, -螺旋,每圈包含3.6个氨基酸残基 每一个氨基酸残基的转角为100 依靠氢键稳定，氢键圈中包含13个主链原子，3.613螺旋。 氢键平行于螺旋轴而定向。 氢键的N、H和O原子几乎处在一条直线上。,2. -折叠片结构,一种锯齿形结构。它比螺旋较为伸展,C=O和N-H垂直于主链 氢
11、键：片断之间 侧链垂直于平面 根据多肽主链NC的指向,存在着两类 平行-折叠片 ，各股指向相互平行 反平行-折叠片结构 ，各股指向彼此相反 反平行中，N-HO原子处在一条直线上（键角0），增加了稳定性 反平行-折叠片结构更为稳定,稳定性 -折叠片-螺旋 -折叠片高变性温度 -螺旋 -折叠,加热和冷却,-旋转（-turn）,-折叠片结构中多肽链反转180就形成-旋转。 一个-旋转结构包含4个氨基酸残基， 由氢键所稳定 最常见于-旋转结构中的氨基酸残基是Asp、Cys、Asn、Gly、Tyr和Pro。,（三）三级结构,二级结构进一步折叠成紧密的三维结构 多肽链的空间排列,不同的基团之间相互作用（疏
12、水、静电和范德华尔）和氢键的优化，使得蛋白质分子的自由能尽可能地降至最低。 几何排布 亲水性蛋白质-水界面 疏水性内部 氨基酸的序列决定着蛋白质分子的形状 亲水性氨基酸残基呈拉长或棒状 疏水性氨基酸残基呈球状 大多数蛋白质由100个以上的氨基酸残基构成,（四）四级结构,是指含有多于一条多肽链的蛋白质分子的空间排列 以二聚体、三聚体、四聚体等形式存在 四级复合物（寡聚体）由蛋白质亚基（单体）存在，亚基可以是相同的（同类）或者是不同的（异类） 四级结构是亚基非共价结合的结果,热力学角度，疏水性亚基埋藏，驱动四级结构 疏水性氨基酸残基高于30%，无法埋藏 疏水小区相互作用,4,4,12,3,6,6,
13、一些低聚体食品蛋白质,（五）稳定蛋白质结构的作用力,蛋白质的天然构象是一种热力学状态 对此状态有利的相互作用达到最大 不利的相互作用降到最小 影响蛋白质结构的作用力包括两类： 蛋白质分子固有的作用力所形成的分子内相互作用 范德华相互作用和空间相互作用 受周围溶剂影响的分子内相互作用 氢键、静电相互作用和疏水相互作用,1.空间相互作用,氨基酸残基侧链 和角的转动受到很大的限制 构象有限 避免自由能的增加 键长和键角的变形,2. Van der Waals 相互作用,存在于极性或非极性原子之间 距离增大，相互作用减小 偶极-诱导偶极和诱导偶极-诱导偶极相互作用产生的净的吸引作用 对蛋白质的折叠和稳
14、定性的贡献很大,3. 氢键,氢键主要通过羰基及亚氨基通过氢氧而形成的一种键。 可在两肽链间，或一条肽链的不同部位形成氢键。 在-螺旋和-折叠片结构中肽键的N-H和C=O之间形成的氢键数目最大。 氢键对于维持蛋白质二级结构，保持蛋白质稳定性，起着重要的作用。,4. 静电相互作用,蛋白质含有一些带有可离解基团的氨基酸残基。 Asp、Glu残基带负电荷（中性pH） Lys、Arg和His带正电荷 在中性pH，净电荷取决于分子中正、负电荷残基的相对数目 蛋白质分子净电荷为0时的pH为等电点（pI） 等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的pH,除少数例外，蛋白质中几乎所有的带电基团都分布在分子的表面。
15、相同电荷间的排斥作用或许会导致蛋白质结构不稳定。 相反电荷间的吸引作用有助于蛋白质结构的稳定。 影响蛋白质分子折叠的模式,5. 疏水相互作用,驱动蛋白质折叠的主要力量 非极性基团溶于水 G=H TS 即使H0，由于S 0 ，G 0 在水溶液中水结构诱导的非极性基团之间的相互作用被称为疏水相互作用 吸热过程，高温下较强,6. 二硫键(-S-S-),球状蛋白 二个半胱氨酸分子接近时 共价键 对稳定蛋白质空间结构起着重要作用 二硫键数目多、稳定，如毛、发 分子内，也能分子间,7. 金属离子,蛋白质结合特定的金属离子 如钙，镁和钠离子等 能稳定蛋白质的结构 稳定的机制 中和电荷的效应 促进其他相互作用
16、（疏水相互作用) 由钙稳定的蛋白质 牛乳清蛋白 -淀粉酶,一个独特的三维蛋白质结构的形成是各种排斥和吸引的非共价相互作用以及几个共价二硫键的净结果。,（六）构象稳定性和适应性,蛋白质是高度柔性的 构象适应性对蛋白质的功能性质很重要,第四节 蛋白质的变性,天然状态是热力学最稳定状态 环境的变化驱动分子结构新的平衡 构象适应性 分子结构的细微变化而没有剧烈变化 变性 蛋白质的二级，三级和四级结构上的重大变化，但不涉及主链上肽链的断裂，使天然蛋白质的理化性质改变并失去原来的生理活性,在某些情况下，变性过程是可逆的， 例如，有的蛋白质在加热时发生变性，冷却后，又可复原。 可逆变性三级和四级结构变化 不可逆变性二级结构也发生变化 二硫键的断裂不可逆变性,变性后物化性质变化,因疏水性基团的暴露而导致溶解度的下降 结合水能力的改变 失去生物活力（酶活力或免疫活力） 对蛋白酶敏感性提高（肽键暴露） 蛋白质固有粘度增加 没有结晶能力 消化率和生物有效率提高 起泡性能和乳化性
