第五章氨基酸,肽和蛋白质 第一节概述 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,例如胶原蛋白、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%0、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α-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 白质分子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( Hemoproteins),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( Conjugated proteins),又称杂蛋白( Heteroproteins)。结合蛋白中的非蛋白质组分统称为 辅基( Prosthetic groups)。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、κ-酪蛋 白)、磷蛋白(α-和β-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碳水化合物和 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 维蛋白分子是为α-球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
第五章 氨基酸，肽和蛋白质 第一节 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，例如胶原蛋白、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α-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 白质分子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（Homoproteins）,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（Conjugated proteins）,又称杂蛋白（Heteroproteins）。结合蛋白中的非蛋白质组分统称为 辅基（Prosthetic groups）。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、κ-酪蛋 白）、磷蛋白（α-和β-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碳水化合物和 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 维蛋白分子是为α-球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、皮肤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,已鉴定出的酶有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)、转移蛋白质(血红 蛋白、肌红蛋白、铁传递蛋白)、抗体蛋白(免疫球蛋白)、贮存蛋白质(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。贮存蛋白质主 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、金黄色葡萄球菌毒素、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
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、皮肤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，已鉴定出的酶有 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）、转移蛋白质（血红 蛋白、肌红蛋白、铁传递蛋白）、抗体蛋白（免疫球蛋白）、贮存蛋白质（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。贮存蛋白质主 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、金黄色葡萄球菌毒素、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
第二节氨基酸和蛋白质的物理化学性质 氨基酸的一般性质 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, 氨基酸含有一个α-碳原子、一个羧基、一个氢原子和一个侧链R基团。天然 a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基团来自吡 R-C--CO0H 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 表5-1蛋白质中常见的a一氨基酸 简写符号 相对分 名称 3个字母1个字母子质量 化学名称 结构式(中性pH) 丙氨酸 Al 89.1 氨基丙酸 CH,-CH-co0 lanine 精氨酸 Arg R 174.2a-氨基-0-胍基戊酸 N-C-NH- CH- CO NH arginine 天冬酰胺 Asn N 1天冬酸酰胺 H2N-C-CH2-CH-coo A 天冬氨酸 Asp D 133.1a-氨基琥珀酸 半胱氨酸 121.1 a-氨基-B-巯基丙酸 HS-CH.-CH- COo NH3 谷氨酰胺 146.1谷氨酸酰胺 H2)一cH-coo Glutamine
第二节 氨基酸和蛋白质的物理化学性质 一、 氨基酸的一般性质 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α-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 基团来自吡 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。 表 5-1 蛋白质中常见的α-氨基酸 R C C O O H N H 2 H a 简 写符 号 名 称 3 个字母 1 个字母 相对分 子质量 化学名称 结构式（中性 pH） 丙氨酸 Alanine Ala A 89.1 α-氨基丙酸 精氨酸 Arginine Arg R 174.2 α-氨基-σ-胍基戊酸 天冬酰胺 Asparagine Asn N 132.1 天冬酸酰胺 天冬氨酸 Aspartic acid Asp D 133.1 α-氨基琥珀酸 半胱氨酸 Cysteine Cys C 121.1 α-氨基-β-巯基丙酸 谷氨酰胺 Glutamine Gln Q 146.1 谷氨酸酰胺
谷氨酸 147.1 a-氨基戊二酸 "o-C-(CH2)-CH-coo Glutamic acid 甘氨酸 GI y 75.1a-氨基乙酸 H→ CH-COC NH 组氨酸 155.2 a-氨基-β-咪唑基丙 Histidine NH 异亮氨酸 a-氨基-β-甲基戊酸 CH-CH.-CH-CH-COo Isoleucine CH. NH 131.1a-氨基异己酸 CH, -CH-CH,-CH-Co0 Leucine CH 赖氨酸 146.2 氨基己酸 (CH2)-CH-coo sIne 蛋氨酸 Met 4020氨基￥x甲硫醇基cH-s-(n)2:co onne 正丁酸 苯丙氨酸 Ph 165.2-氨基-β-苯基丙酸 CHa-CH-COo PHenylalanine 脯氨酸 115.1吡咯烷-2-羧酸 coo Proline 105.1a-氨基-B-羟基丙酸 HO-CH2-CH-Co0 苏氨酸 Th 119.1a-氨基-β-羟基正丁 CH,-CH-CH- COO Threonine OHNH 色氨酸 T 204.2 a-氨基-B-3-吲哚基 CHe-CH-COO Trytophan 丙酸
谷氨酸 Glutamic acid Glu E 147.1 α-氨基戊二酸 甘氨酸 Glycine Gly G 75.1 α-氨基乙酸 组氨酸 Histidine His H 155.2 α-氨基-β-咪唑基丙 酸 异亮氨酸 Isoleucine Ile I 131.2 α-氨基-β-甲基戊酸 亮氨酸 Leucine Leu L 131.1 α-氨基异己酸 赖氨酸 Lysine Lys K 146.2 α-ε-二氨基己酸 蛋氨酸 Methionine Met M 149.2 α-氨基-γ-甲硫醇基 正丁酸 苯丙氨酸 PHenylalanine Phe F 165.2 α-氨基-β-苯基丙酸 脯氨酸 Proline Pro P 115.1 吡咯烷-2-羧酸 丝氨酸 Serine Ser S 105.1 α-氨基-β-羟基丙酸 苏氨酸 Threonine Thr T 119.1 α-氨基-β-羟基正丁 酸 色氨酸 Trytophan Trp W 204.2 α-氨基-β-3-吲哚基 丙酸
酪氨酸 a-氨基-β-对羟苯基 - coo Tyrosine 丙酸 缬氨酸 117.1a-氨基异戊酸 CH-CH-CH-coo H3 NH3 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酸(丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、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。而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值接近中性时, 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 解并生成天冬氨酸和谷氨酸 (3)带正电荷侧链(在p接近中性时)的氨基酸包括赖氨酸、精氨酸和组氨 酸,它们分别具有ε-NH、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pH7时,有10%被质子化,而pH6 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p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 ( desmosine)和异锁链素( isodesmosine),肌肉蛋白中存在甲基组氨酸,ε-N 甲基赖氨酸和ε-N三甲基赖氨酸。表5-2氨基酸在水中的溶解度(25℃)
酪氨酸 Tyrosine Tyr Y 181.2 α-氨基-β-对羟苯基 丙酸 缬氨酸 Valine Val V 117.1 α-氨基异戊酸 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酸（丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、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。而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值接近中性时， 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 解并生成天冬氨酸和谷氨酸。 (3)带正电荷侧链（在pH接近中性时）的氨基酸包括赖氨酸、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pH7 时，有 10%被质子化，而 pH6 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 （desmosine）和异锁链素（isodesmosine），肌肉蛋白中存在甲基组氨酸，ε-N 甲基赖氨酸和ε-N 三甲基赖氨酸。表 5-2 氨基酸在水中的溶解度（25℃）