第四章 蛋白质

第四章蛋白质本章内容(Contents)本章主要内容1.Introduction2.Physicochemicalpropertiesofaminoacids3.Proteinstructure4.Proteindenatutation5.Functionalpropertiesofproteins6.Nutritionalpropertiesofproteins7.Processing-inducedphysicalchemicalandnutritionalchangesinproteins8.SourceofProteins第一节引言蛋白质是存在于一切生物体内最重要的成分，占活细胞干重的50％左右元素组成:C:50％～55％；H:6％～7％O:20％～23％N:15％～18％；S:0.2％～3.0％氨基酸组成:20种L-（α）AA微量元素：P、Fe、Zn、Cu、I等一、蛋白质的分类（一）根据组成分类简单蛋白质（homoproteins)水解后只产生氨基酸的蛋白质结合蛋白质(conjugatedproteins)水解后不仅产生氨基酸，还产生其他有机或无机化合物（如糖类、脂质、核酸、金属离子等）。结合蛋白质的非氨基酸部分称为辅基。（二）根据分子形状分类（三）根据生物学功能分类二、蛋白质在食品加工中的意义蛋白质是组成食品中三大营养素之一蛋白质对食品的色、香、味及组织结构等具有重要意义一些蛋白质具有生物活性功能，是开发功能性食品原料之一一些蛋白质及短肽具有有害性，对食品安全的影响营养功能感观品质生物活性食品安全三、食品中蛋白质来源及种类动物中蛋白质；如猪肉、鱼肉、鸡肉、乳植物中蛋白质：如大豆、谷物微生物中蛋白质：SCP(酵母)第二节氨基酸的物理化学性质1、结构CCOOHHRNH2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。氨基酸的D-、L-构型是跟据甘油醛的构型命名的，而不是根据旋光性。大多数L-氨基酸是右旋的。2、分类非极性氨基酸：Ala,Ile,Leu,Phe,Met,Trp,Val,Pro极性氨基酸带正电荷侧链氨基酸：Lys,Arg,His带负电荷侧链氨基酸：Asp,Glu无电荷侧链氨基酸：Ser,Thr,Tyr,Asn,Gln,Cys,Gly按R的极性分类人体必需氨基酸有Lys,Phe,Val,Met,Thr,Trp,Leu及Ile八种，此外，His对于婴儿的营养也是必需的。3、酸碱性质氨基酸为两性电解质，既表现出酸性，又表现出碱的性质氨基酸的等电点（pIofaminoacids）：是指氨基酸在溶液中净电荷为零时的pH值。除α-羧基（pKa1）、α-氨基（pKa2）外，酸性及碱性氨基酸的侧链也含有可离子化基团（pKa3）可估算等电点：侧链不带电荷基团氨基酸：pI=（pKa1+pKa2)/2例pI（蛋）=1/2（2.28+9.21）=5.75酸性氨基酸：pI=(pKa1+pKa3)/2例：pI（谷）=(2.19+4.25)/2=3.22碱性氨基酸：pI=（pKa2+pKa3)/2例：pI（赖）=（8.95+10.53)/2=9.744、氨基酸的光学性质1.旋光性：除Gly外，Aa的C均是手性C，所以具有旋光性。旋光方向和大小取决于其侧链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Tyr、Trp和Phe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Aa进行测定。结合后Trp、Ser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。5、氨基酸的疏水性△G=RTlnS乙醇/S水S乙醇------氨基酸在乙醇中的溶解度S水------氨基酸在水中的溶解度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1mol氨基酸从乙醇溶液中转移到水溶液中，自由能的变化(即转移自由能)来计算。6、氨基酸的呈味性质7、氨基酸的制备方法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、γ-氨基丁酸（GABA）等在生产上应用最多。第三节蛋白质的结构1、蛋白质的一级结构（PrimaryStructure）2.蛋白质分子的二级结构定义：指肽链主链在空间的排列，或规则的几何走向、旋转及折叠。只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。主要有-螺旋、β-折叠、β-转角等。构型：是指原子的空间排列，这种排列的改变会涉及共价键的生成或破坏，但与氢键无关。如氨基酸的D-型和L-型构象：指分子内各原子或基团之间的立体关系。构象的改变是由于氢键的旋转而产生的，他不涉及共价键的变化，仅涉及到氢键等次级键的改变。当单链旋转时，分子中的基团或原子可能形成不同的空间排布，这些不同的空间排列称为不同的构象。结构特征：肽键平面通过-碳原子旋转，右手螺旋，每一圈包含3.6个残基，螺距0.54nm,螺旋上升时，每个残基延螺旋旋转100°相邻螺旋之间C=O和N=H形成链内氢键；氢键的取向与螺轴几乎平行。侧链R对α-螺旋的影响：在多肽链上，连续存在带相同电荷极性基团的AA残基（Asp，Glu，Lys），则α-螺旋不稳定。如果这些残基分散存在，就不影响α-螺旋构象的稳定性。当Gly残基在多肽链上连续存在时，则α-螺旋不能形成。Pro残基和羟脯氨基酸残基存在时，则不能形成α-螺旋结构。B、β-折叠指两条或多条几乎完全伸展的多肽链靠链间氢键连结而形成的锯齿状折叠构象。3.蛋白质的三级结构稳定蛋白质三级结构的作用力有氢键、离子键、疏水键、二硫键和范德华力。4、蛋白质的四级结构（QuaternaryStructure）由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成的具有特定三维结构的蛋白质构象叫做蛋白质四级结构。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。蛋白质的各种结构的关系第二节蛋白质的变性（一）蛋白质变性的概念1.蛋白质变性定义：由于外界因素的作用，使天然蛋白质分子的构象发生了异常变化，从而导致生物活性的丧失以及物理、化学性质的异常变化，不包括一级结构上肽键的断裂。2.蛋白质变性本质：蛋白质分子次级键的破坏引起的二级、三级、四级结构的变化。变性后的蛋白质称为变性蛋白质。3、可逆变性除去变性因素之后，在适当的条件下蛋白质构象可以由变性态恢复到天然态。如:核糖核酸酶用8mol/L的尿素和β–巯基乙醇作用时，由于分子中的二硫键被还原，酶的空间结构也随之破坏，酶即变性失活。但是，用透析法除去这些试剂后，变性的酶蛋白质就自动氧化恢复原来的空间结构，酶的活性也随之恢复。除去变性因素之后，在适当的条件下蛋白质构象由变性态不能恢复到天然态。不可逆变性能使二级结构发生变化。如：鸡蛋，大豆蛋白质。4、不可逆变性核糖核酸酶（二）蛋白质性质的改变1.物理性质的改变凝集、沉淀粘度增加旋光值改变紫外、荧光光谱发生变改变对水结合的能力。不能结晶。2.化学性质的改变酶水解速度增加分子内部基团暴露3.生物性能的改变生物功能丧失（三）蛋白质变性测定方法测定蛋白质的比活性以天然蛋白质作对照，测定蛋白质物理性质的变化。测定蛋白质化学性质的变化观察蛋白质的溶解度变化测定蛋白质的抗原性是否改变(四）影响蛋白质变性的因素物理因素化学因素温度（热、低温）酸碱机械处理（搅拌、均质）金属和盐液压有机溶剂辐射有机溶质：尿素和胍盐界面表面活性剂还原剂（1）热在加热条件下，肽键产生强烈的热振荡，导致维持蛋白质空间结构的次级键破坏，天然构象解体。蛋白质热变性温度（℃）蛋白质热变性温度（℃）牛血清蛋白65α-乳清蛋白83血红蛋白67β-乳球蛋白83鸡蛋蛋白76大豆球蛋白95肌红蛋白79燕麦球蛋白108熔化温度Tm或变性温度Td：蛋白质溶液在逐渐加热到临界温度以上时，蛋白质的构象从天然状态到变性状态有一个显著地转变，这个转变的中点温度称为熔化温度Tm或变性温度Td。此时天然状态与变性状态浓度比为1：1。（2）压力压力诱导蛋白质变性的原因主要是蛋白质的柔性和可压缩性。加压25℃100～1200MPa外压消失（3）机械处理揉捏、振动、挤压或搅打等高速机械剪切，都能引起蛋白质变性。剪切速率愈高，蛋白质变性程度则愈大。同时受到高温和高剪切力处理的蛋白质，则发生不可逆变性。（4）辐射因波长和能量大小而异。紫外辐射可被芳香族氨基酸残基(色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸)所吸收，导致蛋白质构象的改变，如果能量水平很高，还可使二硫交联键断裂。γ辐射和其他电离辐射能改变蛋白质的构象，同时还会氧化氨基酸残基、使共价键断裂、离子化、形成蛋白质自由基、重组、聚合，这些反应大多通过水的辐解作用传递。（5）界面在水和空气，水和非水溶液或固相等界面吸附的蛋白质分子，一般发生不可逆变性。蛋白质大分子向界面扩散并开始变性，在这一过程中，蛋白质可能与界面高能水分子相互作用，许多蛋白质-蛋白质之间的氢键将同时遭到破坏，使结构发生“微伸展”。由于许多疏水基团和水相接触，使部分伸展的蛋白质被水化和活化，处于不稳定状态。蛋白质在界面进一步伸展和扩展，亲水和疏水残基力图分别在水相和非水相中取向，因此界面吸附引起蛋白质变性，某些主要靠二硫交联键稳定其结构的蛋白质不易被界面吸附。二、化学因素1.酸、碱因素：大多数在特定的pH值范围内是稳定的，但在极端pH条下，Pr分子内部的可离解基团受强烈的静电排斥作用而使分子伸展、变性。2．金属碱金属(例如Na+和K+)只能有限度地与蛋白质起作用，而Ca2+、Mg2+略微活泼些。过渡金属例如Cu、Fe、Hg和Ag等离子很容易与蛋白质发生作用，其中许多能与巯基形成稳定的复合物（牛奶解毒）。Ca2+(还有Fe2+、Cu2+和Mg2+)可成为某些蛋白质分子或分子缔合物的组成部分。一般用透析法或螯合剂可从蛋白质分子中除去金属离子，但这将明显降低这类蛋白质对热和蛋白酶的稳定性。3．有机溶剂改变介质的介电常数，从而使保持蛋白质稳定的静电作用力发生变化。非极性有机溶剂渗入疏水区，可破坏疏水相互作用，促使蛋白质变性，这类溶剂的变性行为也可能是因为它们和水产生相互作用引起的。4.有机溶质第三节蛋白质的功能性质定义：在食品加工、贮藏和销售期间蛋白质对食品需宜特征作出贡献的那些物理和化学性质。①水化性质：包括水吸收和保留、湿润性、溶胀性、粘着性、分散性、溶解度和粘度等。②表面性质：涉及蛋白质在极性不同的两相间产生的相互作用，包括乳化作用、起泡特性等。③结构性质：与蛋白质分子之间的相互作用有关的性质，如产生沉淀、胶凝、组织化和面团形成等。④感官性质：颜色、气味、适口性、咀嚼感、爽滑度、浑浊度等。食品蛋白质的功能性质分为四个方面：功能食品蛋白质类型溶解性饮料乳清蛋白粘度汤、调味汁明胶持水性香肠、蛋糕、肌肉蛋白，鸡蛋蛋白胶凝作用肉和奶酪肌肉蛋白和乳蛋白弹性肉和面包肌肉蛋白，谷物蛋白乳化香肠、蛋糕肌肉蛋白，鸡蛋蛋白泡沫冰淇淋、蛋糕鸡蛋蛋白，乳清蛋白脂肪和风味的结合油炸面圈谷物蛋白1.概念：蛋白质分子中带电基团（离子-偶极相互作用）、主链肽基团、Asn、Gln的酰胺基、Ser、Thr和Tyr残基的羟基（偶极-偶极相互作用）非极性残基团（偶极与诱导偶极相互作用、疏水相互作用）与水分子相互结合的性质。蛋白质水合性质与食品的功能性：如分散性、湿润性、溶解性、黏度、胶凝作用等，都取决于水-蛋白质的相互作用。一、蛋白质的水合性质2.作用方式：3.蛋白质结合水的能力当干蛋白质粉与相对湿度为90%-95%的水蒸汽达到平衡时每克蛋白质所结合的水的克数即为蛋白质结合水的能力。蛋白质水合能力/(gH2O/g蛋白质）肌红蛋白0.44血清清蛋白0.