1、第五章 蛋白质（Protein)Protein)本章主要内容（ContentContent） 蛋白质的一般性质（Generalaspects) 结构结构 蛋白质蛋白质- -水相互作用，影响蛋白质水溶性的因素水相互作用，影响蛋白质水溶性的因素 蛋白质蛋白质- -脂的相互作用脂的相互作用 蛋白质的变性（Denaturation） 蛋白质变性产生的效应蛋白质变性产生的效应 导致蛋白质变性的物理因素导致蛋白质变性的物理因素 导致蛋白质变性的化学因素导致蛋白质变性的化学因素 蛋白质的功能性质（蛋白质的功能性质（FunctionalProperties） 定义与分类定义与分类 水化性质水化性质 溶解度与粘
2、度、凝胶作用溶解度与粘度、凝胶作用 组织化组织化 热凝结和形成、纤维的形成热凝结和形成、纤维的形成 热塑挤压、面团热塑挤压、面团 乳化性质乳化性质 乳化能力与乳化稳定性乳化能力与乳化稳定性 起泡作用起泡作用 起泡性与泡沫稳定性起泡性与泡沫稳定性 蛋白质的营养特性（蛋白质的营养特性（Nutritionalproperties） 蛋白质的开发利用（蛋白质的开发利用（Utilization） 植物蛋白质和动物蛋白质：浓缩蛋白质与分离蛋白质植物蛋白质和动物蛋白质：浓缩蛋白质与分离蛋白质 利用微生物生产蛋白质利用微生物生产蛋白质单细胞蛋白单细胞蛋白第一节 引言（IntroductionIntroduct
3、ion）蛋白质是构成生物体的基本物质。 病毒，细菌，激素，植物和动物细胞原生病毒，细菌，激素，植物和动物细胞原生质都是以蛋白质为基础的。质都是以蛋白质为基础的。酶是蛋白质已经发现数以千计的酶。已经发现数以千计的酶。蛋白质是由20种氨基酸构成的聚合物。一、蛋白质的分类：一、蛋白质的分类：（一）根据组成分类根据组成分类 简单蛋白质（homoproteins）在细胞中未经酶催化改性的蛋白质。仅含有氨基酸。 结合蛋白质（conjugatedproteins）或杂蛋白质（heteroproteins）经过酶催化改性的或与非蛋白质组分复合的蛋白质。含有氨基酸和其它非蛋白质化合物。 辅基（prostheti
4、cproteins）结合蛋白中的非蛋白质组分。结合蛋白质包括： 核蛋白（Nucleoproteins）（核蛋白体） 糖蛋白（Glycoproteins)（卵清蛋白、-酪蛋白） 磷蛋白（Phosphoproteins）（-和-酪蛋白、激酶、磷酸化酶） 脂蛋白（Lipoproteins）（蛋黄蛋白质、几种肌浆蛋白质） 金属蛋白（Metalloproteins）（血红蛋白、肌红蛋白和几种酶）。（二）根据大体上的结构形式分类（二）根据大体上的结构形式分类球蛋白（球蛋白（Globular proteinsGlobular proteins）以球状或椭圆以球状或椭圆状存在的蛋白质，由多肽链自身折叠而成；状
5、存在的蛋白质，由多肽链自身折叠而成；纤维状蛋白（纤维状蛋白（Fibrous proteinsFibrous proteins） 棒状分子棒状分子，含有相互缠绕的线状多肽链（例如，含有相互缠绕的线状多肽链（例如，原肌球蛋原肌球蛋白、胶原蛋白、角蛋白和弹性蛋白白、胶原蛋白、角蛋白和弹性蛋白）。纤维状）。纤维状蛋白也能由小的球状蛋白经线性聚集而成，例蛋白也能由小的球状蛋白经线性聚集而成，例如如肌动蛋白和血纤维蛋白肌动蛋白和血纤维蛋白。 大多数酶是大多数酶是球状蛋白球状蛋白，而纤维状蛋白总，而纤维状蛋白总是起着结构蛋白的作用。是起着结构蛋白的作用。二、蛋白质的生物功能二、蛋白质的生物功能 酶酶 结构蛋
6、白结构蛋白 收缩蛋白收缩蛋白（肌球蛋白、肌动蛋白、微管蛋白）（肌球蛋白、肌动蛋白、微管蛋白） 激素激素（胰岛素、生长激素）（胰岛素、生长激素） 传递蛋白传递蛋白（血清蛋白、铁传递蛋白、血红蛋白）（血清蛋白、铁传递蛋白、血红蛋白） 抗体抗体（免疫球蛋白）（免疫球蛋白） 储藏蛋白储藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白）（蛋清蛋白、种子蛋白） 储藏蛋白主要存在于蛋和植物种子中。储藏蛋白主要存在于蛋和植物种子中。 保护蛋白保护蛋白（毒素和过敏素）。（毒素和过敏素）。肌束膜血管肌束肌内膜,肌纤维衣肌外膜, 肌外衣腱骨骼肌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表表4-1常用食物的蛋白质含量常用食物的蛋白
7、质含量食物食物蛋白质蛋白质食物食物蛋白质蛋白质食物食物蛋白质蛋白质(%)(%)(%)猪肉猪肉13.3-18.5鸡蛋鸡蛋13.4花生花生25.8牛肉牛肉15.8-21.5稻米稻米8.5大豆大豆39.0羊肉羊肉14.3-18.7小麦小麦12.4菠菜菠菜1.4鸡肉鸡肉21.5小米小米9.4油菜油菜1.4肝肝18-19玉米玉米8.6大白菜大白菜1.1脑脑7-9高梁高梁9.6白萝卜白萝卜0.6鲤鲤18.1小麦粉小麦粉11.0桔子桔子0.9牛乳牛乳3.5红薯红薯1.3苹果苹果0.2第二节 氨基酸的物理化学性质一、氨基酸的一般性质（一）一般结构和分类蛋白质含有蛋白质含有碳、氢、氧和氮碳、氢、氧和氮等元素，有
8、些含有等元素，有些含有硫或磷硫或磷元素，少数元素，少数还含有还含有锌、铁、铜、锰锌、铁、铜、锰等元素。不同的蛋白质其组成和结构也不同。等元素。不同的蛋白质其组成和结构也不同。各种蛋白质的含氮量很接近，其各种蛋白质的含氮量很接近，其平均值为平均值为16%。组成蛋白质的氨基酸除了组成蛋白质的氨基酸除了脯氨酸脯氨酸和和羟脯氨酸羟脯氨酸外都外都是是氨基酸氨基酸。都是都是L-L-型的型的-氨基酸氨基酸。决定物化性质决定物化性质 蛋白质中常见氨基酸根据其分子结构可归纳为六类蛋白质中常见氨基酸根据其分子结构可归纳为六类中性氨基酸一氨基,一羧基Gly（甘）,Ala（丙）,VAL（缬）,LEU（亮）,ILE（异
9、亮）酸性氨基酸一氨基，二羧基ASP（天冬），GLU（谷）碱性氨基酸二氨基，一羧基ARG（精），LYS（赖）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（半胱氨酸），MET（蛋）含环氨基酸一氨基，一羧基，一环PHE（苯丙）,TRP（色）,HIS（组）,PRO（脯）,TYR（酪） 按侧链基团的极性可分为四类1.非极性氨基酸或疏水性氨基酸。含有含有脂肪族脂肪族（AlaAla、IleIle、LeuLeu、MetMet、ProPro和和ValVal）和）和芳香族芳香族侧链的氨基酸侧链的氨基酸( (PhePhe，TrpTrp) )是是疏水疏水的。的。2.
10、不带电荷的极性氨基酸，侧链与水结合氢键如：侧链与水结合氢键如： SERSER，THRTHR，TYRTYR，CYSCYS， GLY GLY。3.在pH7时(生理条件下)带正电荷的极性氨基酸（碱性氨（碱性氨基酸），如基酸），如LYSLYS，ARGARG，HISHIS。4.在pH7时(生理条件下)带负电荷的极性氨基酸（酸性氨酸性氨基酸），基酸）， 如如ASPASP，GLUGLU。 碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性。碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性。 甘丙缬亮异脂链丝苏半蛋羟硫添脯酪色苯杂芳环天谷精赖组酸碱必需氨基酸必需氨基酸有些氨基酸，机体合成不足，必需从食物或饲料有些氨基酸，机体合成不足，必需从食
11、物或饲料中供给，如果食物或饲料中缺乏这些氨基酸，就中供给，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。会影响机体的正常生长和健康。人体必需氨基酸有人体必需氨基酸有LYSLYS，PHE, VAL, MET, TRP, PHE, VAL, MET, TRP, LEU, ILELEU, ILE及及THRTHR八种，八种，此外，此外，HISHIS对于婴儿的营养对于婴儿的营养也是必需的也是必需的。 （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，因此他们都有4个对映体。 （三）氨基酸的酸碱性质：离子
12、化在中性在中性pHpH范围，范围，-氨基和羧基都处在离子化状态，氨基和羧基都处在离子化状态，此时是此时是偶极离子或两性离子偶极离子或两性离子。两性电解质。两性电解质。偶极离子偶极离子以电中性状态存在时的以电中性状态存在时的pHpH被称为被称为等电点等电点（pIpI）。 当当COOCOO- -和和COOHCOOH的浓度相等时的的浓度相等时的pHpH被称为被称为pKapKa1 1（即离解常数（即离解常数a a1 1的的负对数）。负对数）。当当NHNH3 3+ +和和NHNH2 2浓度相等时的浓度相等时的pHpH被称为被称为pKapKa2 2。蛋白质等离子点:在没有其他盐类存在在没有其他盐类存在(
13、(纯水纯水) )时时, ,蛋白质中质子供体解离出蛋白质中质子供体解离出的质子数与质子受体结合的质子数相等时的的质子数与质子受体结合的质子数相等时的pH,pH,也即蛋白质在纯水中的等也即蛋白质在纯水中的等离子点为等电点。离子点为等电点。 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，侧链不含有带电荷基团的氨基酸，pI=（pKa1+pKa2）/2 酸性氨基酸，酸性氨基酸，pI=（pKa1+pKa3）/2 碱性氨基酸，碱性氨基酸，pI=（pKa2+pKa3）/2pI 计算计算*：下标下标1 1、2 2和和3 3分
14、别指出分别指出-羧基、羧基、-氨基和氨基和侧链上可离子化的基团。侧链上可离子化的基团。表表 6 6- -3 3 在在 2525时，游离氨基酸和蛋白质的可离子化基团的时，游离氨基酸和蛋白质的可离子化基团的 pKapKa 和和 pIpI 值值 pKaR氨基酸氨基酸 pKa1(-COOH)pKa2(-NH3+)AA侧链侧链apI丙氨酸丙氨酸 2.349.69-6.00精氨酸精氨酸 2.179.0412.4812.0010.76天冬酰胺天冬酰胺 2.028.80-5.41天冬氨酸天冬氨酸 1.889.603.654.602.77半胱氨酸半胱氨酸 1.9610.288.188.805.07谷氨酰胺谷氨酰
15、胺 2.179.13-5.65谷氨酸谷氨酸 2.199.674.254.603.22甘氨酸甘氨酸 2.349.60-5.98组氨酸组氨酸 1.829.176.007.007.59异亮氨酸异亮氨酸 2.369.68-6.02亮氨酸亮氨酸 2.309.60-5.98赖氨酸赖氨酸 2.188.9510.5310.209.74蛋氨酸蛋氨酸 2.289.21-5.74苯丙氨酸苯丙氨酸 1.839.13-5.48脯氨酸脯氨酸 1.9410.60-6.30丝氨酸丝氨酸 2.209.15-5.68苏氨酸苏氨酸 2.219.15-5.68色氨酸色氨酸 2.389.39-5.89酪氨酸酪氨酸 2.209.1110
16、.079.605.66缬氨酸缬氨酸 2.329.62-5.96a a 在蛋白质中的在蛋白质中的 pKapKa 值值 （四）氨基酸的疏水性蛋白质在水中的蛋白质在水中的溶解度溶解度主要取决于氨基酸组分主要取决于氨基酸组分侧侧链上极性链上极性（带电或不带电）和（带电或不带电）和非极性非极性（疏水）（疏水）基基团的分布团的分布。氨基酸在水中和极性溶剂（例如乙醇）中的相对氨基酸在水中和极性溶剂（例如乙醇）中的相对溶解度决定着氨基酸以及多肽和蛋白质的疏水性。溶解度决定着氨基酸以及多肽和蛋白质的疏水性。如果不考虑活度系数，如果不考虑活度系数，那么摩尔氨基酸从乙醇那么摩尔氨基酸从乙醇转移到水溶液的自由能变化可
17、表示转移到水溶液的自由能变化可表示 氨基酸的疏氨基酸的疏水性水性。 G Gt t（E Et tWW）Gt,Val=Gt,Gly+Gt,异丙基侧链异丙基侧链Gt,异丙基侧链异丙基侧链=Gt,Val-Gt,Gly表表 6 6- -4 4 氨氨基基酸酸侧侧链链的的疏疏水水性性（2 25 5）氨氨基基酸酸G G（乙乙醇醇水水）（K KJ J/ /m mo ol l）氨氨基基酸酸G G（乙乙醇醇水水）（K KJ J/ /m mo ol l）丙丙氨氨酸酸2 2. .0 09 9亮亮氨氨酸酸9 9. .6 61 1精精氨氨酸酸- - -赖赖氨氨酸酸- - -天天冬冬酰酰胺胺0 0蛋蛋氨氨酸酸5 5. .4
18、43 3天天冬冬氨氨酸酸2 2. .0 09 9苯苯丙丙氨氨酸酸1 10 0. .4 45 5半半胱胱氨氨酸酸4 4. .1 18 8脯脯氨氨酸酸1 10 0. .8 87 7谷谷氨氨酰酰胺胺- -0 0. .4 42 2丝丝氨氨酸酸- -1 1. .2 25 5谷谷氨氨酸酸2 2. .0 09 9苏苏氨氨酸酸1 1. .6 67 7甘甘氨氨酸酸0 0色色氨氨酸酸1 14 4. .2 21 1组组氨氨酸酸2 2. .0 09 9酪酪氨氨酸酸9 9. .6 61 1异异亮亮氨氨酸酸1 12 2. .5 54 4缬缬氨氨酸酸6 6. .2 27 7n具有大的正的具有大的正的Gt的的AA侧链侧链n疏
19、水性强疏水性强n优先选择处在有机优先选择处在有机相相n倾向于配置在蛋白倾向于配置在蛋白质分子的内部质分子的内部n具有负的具有负的Gt的的AA侧链侧链n亲水性的亲水性的n配置在蛋白质分子配置在蛋白质分子的表面的表面 （五）氨基酸的光学性质TrpTrp、TyrTyr和和PhePhe在近紫外区（在近紫外区（250-300 nm250-300 nm）吸收光。吸收光。TrpTrp和和TyrTyr在紫外区还显示荧光。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，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因此可以将氨基酸光学性质的变化作为
20、考察蛋白质构象变化的手段。象变化的手段。表表 6 6- -5 5 芳芳香香族族氨氨基基酸酸的的紫紫外外吸吸收收和和荧荧光光氨氨基基酸酸最最大大吸吸收收波波长长m ma ax x（n nm m）摩摩尔尔消消光光系系数数（1 1c cm m- -1 1m mo ol l- -1 1）最最大大荧荧光光波波长长（n nm m）苯苯丙丙氨氨酸酸2 26 60 01 19 90 02 28 82 2a a色色氨氨酸酸2 27 78 85 55 59 90 03 34 48 8b b酪酪氨氨酸酸2 27 75 51 13 34 40 03 30 04 4b ba a 在在 2 26 60 0 n nm m
21、处处激激发发b b 在在 2 28 80 0 n nm m 处处激激发发二、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（氨基、羧基、巯基、酚羟基、羟基、硫醚基（MetMet）、）、咪唑基和胍基咪唑基和胍基 与茚三酮反应常用来定量游离氨基酸。常用来定量游离氨基酸。1 1摩尔的氨基酸，产生摩尔的氨基酸，产生1 1摩尔的氨、醛、摩尔的氨、醛、COCO2 2和二氢化茚亭。和二氢化茚亭。释放出的氨随即与释放出的氨随即与1 1摩尔茚三酮和摩尔茚三酮和1 1摩尔二氢化茚亭反应生成摩尔二氢化茚亭反应生成一种被称为一
22、种被称为RuhemannRuhemanns s紫的紫色物质，后者在紫的紫色物质，后者在570 nm570 nm显示显示最高吸收。最高吸收。脯氨酸和羟基脯氨酸产生一种黄色物质，它在脯氨酸和羟基脯氨酸产生一种黄色物质，它在440 nm440 nm显示最显示最高吸收。高吸收。与邻-苯二甲醛反应当存在当存在2-2-巯基乙醇时氨基酸与邻巯基乙醇时氨基酸与邻- -苯二甲醛反应（苯二甲醛反应（1 1，2-2-苯苯二甲醛）反应生成高荧光的衍生物，它在二甲醛）反应生成高荧光的衍生物，它在380 nm380 nm激发时在激发时在450 nm450 nm具有最高荧光发射。具有最高荧光发射。2-巯基乙醇CCOOHH+
23、RCH COOHNH2HS - CH2 - CH2OHNHCNH2COOHS - CH2 - CH2OH与荧光胺反应含有伯胺的氨基酸、肽和蛋白质与荧光胺反应成含有伯胺的氨基酸、肽和蛋白质与荧光胺反应成高荧光的衍生物，它在高荧光的衍生物，它在390 nm390 nm激发时，在激发时，在475 nm475 nm具有最高荧光发射。此法能被用于定量氨基酸以具有最高荧光发射。此法能被用于定量氨基酸以及蛋白质和肽。及蛋白质和肽。 N+ R - CH - COOHNH2CHCOOHROOOO+ H2O第三节 蛋白质的结构（一）一级结构 一级结构一级结构 指指氨基酸氨基酸在蛋白质分子中在蛋白质分子中按一定顺序
24、以肽键连按一定顺序以肽键连接形成多肽链接形成多肽链。 构成蛋白质的主要氨基酸有构成蛋白质的主要氨基酸有2020种。种。一、蛋白质的结构水平一、蛋白质的结构水平CN键具有部分双键的性质C CO O键仅有键仅有60%60%的双键性质而的双键性质而C CN N键亦有键亦有40%40%的双键性质的双键性质. .C CN N键不能旋转，这对蛋白质的的空间结构有很大影响。键不能旋转，这对蛋白质的的空间结构有很大影响。N-CN-C和和C-CC-C键具有转动自由度，分别被定义为键具有转动自由度，分别被定义为和和两面两面角，也称为主链扭转角。角，也称为主链扭转角。理论上理论上和和具有具有360360度转动自由度
25、，但实际转动自由度由度转动自由度，但实际转动自由度由于于CC原子上侧链原子的立体位阻而被限制原子上侧链原子的立体位阻而被限制. .CNHCNHOO多肽链主链基本上可被描述为通过C C 原子连结的一系列 -C-C -CO-NH-C-CO-NH-C - -平面 几乎所有的蛋白质肽键都以几乎所有的蛋白质肽键都以反式构型反式构型存在存在在热力学上反式比顺式稳定在热力学上反式比顺式稳定（二）二级结构蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 多肽链的某些部分的多肽链的某些部分的氨基酸残基周氨基酸残基周期性的（有规则的）空间排列期性的（有规则的）空间排列，即沿着肽链轴所采取的特，即沿着肽链轴所采取的特有的空间结构。
26、有的空间结构。连续的氨基酸残基采取同一套和扭转角时就形成周期性的结构。氨基酸残基氨基酸残基侧链之间近邻或短距离的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非共价相互作用导致局部自由能下降，这就驱动了，这就驱动了和和角角的扭转。的扭转。非周期性或随机结构是指连续的氨基酸残基具有不同套的和扭转角所形成的区域。1.螺旋结构连续的氨基酸残基的连续的氨基酸残基的和和角按同一套值扭转。角按同一套值扭转。通过选择不同的通过选择不同的角和角和角角 组合，理论上可能产组合，理论上可能产生几种几何形状的螺旋结构。生几种几何形状的螺旋结构。在蛋白质分子中仅存在三种螺旋结构，即在蛋白质分子中仅存在三种螺旋
27、结构，即-螺旋、螺旋、3 31010- -螺旋和螺旋和-螺旋螺旋。-螺旋每圈包含每圈包含3.63.6个个AAAA残基。每一个残基。每一个AAAA转角为转角为100100。侧链按垂直于螺旋的。侧链按垂直于螺旋的轴的方向定向。轴的方向定向。依靠依靠氢键氢键稳定。每一个残基的稳定。每一个残基的N-HN-H基与前面第四个残基的基与前面第四个残基的C=OC=O基形成基形成氢键，在此氢键圈中包含氢键，在此氢键圈中包含1313个主个主链原子；于是链原子；于是-螺旋有时也被称螺旋有时也被称为为3.63.61313螺旋。螺旋。氢键平行于螺旋轴氢键平行于螺旋轴而定向。而定向。氢键的氢键的N N、H H和和O O原
28、子几乎原子几乎处在一条直线上处在一条直线上。-螺旋能以右手和左手螺旋两种螺旋能以右手和左手螺旋两种方式存在，右手螺旋较稳定。方式存在，右手螺旋较稳定。天然蛋白质中只存在右手天然蛋白质中只存在右手-螺旋螺旋。Alpha helix脯氨酸残基的影响在脯氨酸残基中，在脯氨酸残基中，N-CN-C键不可能再转动，键不可能再转动，角具角具有有7070的固定值。的固定值。由于在由于在N N原子上不存在原子上不存在H H，不能形成氢键。，不能形成氢键。脯氨酸残基的上述两个特征使含有脯氨酸残基的脯氨酸残基的上述两个特征使含有脯氨酸残基的片断不能形成片断不能形成-螺旋。螺旋。 脯氨酸脯氨酸残基残基 -螺旋的中止物
29、螺旋的中止物。脯氨酸残基。脯氨酸残基含量高的蛋白质倾向于采取随机或非周期性的结含量高的蛋白质倾向于采取随机或非周期性的结构。构。 在在-酪蛋白和酪蛋白和s1-s1-酪蛋白中脯氨酸残基分别占氨基酪蛋白中脯氨酸残基分别占氨基酸残基数的酸残基数的17%17%和和8.5%8.5%，在这两种蛋白质分子中不存在，在这两种蛋白质分子中不存在-螺旋结构。螺旋结构。聚脯氨酸能形成两种结构聚脯氨酸聚脯氨酸I I 左手螺旋，每圈左手螺旋，每圈3.3AA3.3AA残基，肽键为顺式残基，肽键为顺式结构结构聚脯氨酸聚脯氨酸IIII 左手螺旋，每圈左手螺旋，每圈3AA3AA残基，肽键为反式残基，肽键为反式结构。结构。聚脯氨
30、酸聚脯氨酸IIII比聚脯氨酸比聚脯氨酸I I 更稳定更稳定这种结构存在于胶原蛋白中这种结构存在于胶原蛋白中A special amino acid sequence makes the tight collagen triple helix particularly stable. Every third amino acid is a glycine, and many of the remaining amino acids are proline or hydroxyproline. In this structure, the researchers placed a larger a
31、lanine amino acid in the position normally occupied by glycine, showing that it crowds the neighboring chains.2.-折叠片结构折叠片结构一种据齿形结构。它比一种据齿形结构。它比螺旋较为伸展螺旋较为伸展Beta sheet主链上的氨基酸残基的主链上的氨基酸残基的侧链侧链按按垂直于垂直于片状结构片状结构的平面定向。的平面定向。氢键只可能在多肽链的两个片断之间形成。氢键只可能在多肽链的两个片断之间形成。在反平行在反平行-折叠片结构中，折叠片结构中，N-HN-HO O原子处在一原子处在一条直线
32、上（条直线上（0 0氢键角），增加了氢键的稳定性。氢键角），增加了氢键的稳定性。反平行反平行-折叠片结构比平行折叠片结构比平行-折叠片结构更折叠片结构更为稳定。为稳定。 含有高比例的含有高比例的-折叠片结构的蛋白质一般呈现折叠片结构的蛋白质一般呈现高变性温度。高变性温度。当当-螺旋类型的蛋白质溶液经加热和冷却时，螺旋类型的蛋白质溶液经加热和冷却时，-螺旋结构通常转变成螺旋结构通常转变成-折叠片结构。折叠片结构。-折折叠片结构不会转变成叠片结构不会转变成-螺旋结构。螺旋结构。 -弯曲（-bend-bend）或-旋转（-turn)-turn)-折叠片结构中多肽折叠片结构中多肽链反转链反转18018
33、0就形成就形成-旋转。旋转。一个一个-旋转结构包含旋转结构包含4 4个氨基酸残基，此结个氨基酸残基，此结构由构由氢键所稳定氢键所稳定。最。最常见于常见于-旋转结构中旋转结构中的氨基酸残基是的氨基酸残基是AspAsp、CysCys、AsnAsn、GlyGly、TyrTyr和和ProPro。Beta turn表表 6 6- -8 8 几几种种与与食食品品有有关关的的蛋蛋白白质质的的二二级级结结构构组组成成蛋蛋白白质质 - - 螺螺 旋旋（% %）- -折折叠叠片片结结构构（% %） - - 弯弯 曲曲（% %）非非周周期期性性的的结结构构（% %）脱脱氧氧血血红红蛋蛋白白8 85 5. .7 70
34、 08 8. .8 85 5. .5 5牛牛血血清清清清蛋蛋白白6 67 7. .0 00 00 03 33 3. .0 0胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶原原1 11 1. .0 04 49 9. .4 42 21 1. .2 21 18 8. .4 4免免疫疫球球蛋蛋白白 G G2 2. .5 56 67 7. .2 21 17 7. .8 81 12 2. .5 5胰胰岛岛素素（二二聚聚体体）6 60 0. .8 81 14 4. .7 71 10 0. .8 81 15 5. .7 7牛牛胰胰蛋蛋白白酶酶抑抑制制剂剂2 25 5. .9 94 44 4. .8 88 8. .8 82 20 0
35、. .5 5核核糖糖核核酸酸酶酶 A A2 22 2. .6 64 46 6. .0 01 18 8. .5 51 12 2. .9 9溶溶菌菌酶酶4 45 5. .7 71 19 9. .4 42 22 2. .5 51 12 2. .4 4木木瓜瓜蛋蛋白白酶酶2 27 7. .8 82 29 9. .2 22 24 4. .5 51 18 8. .5 5- -乳乳清清蛋蛋白白2 26 6. .0 01 14 4. .0 0- -6 60 0. .0 0- -乳乳球球蛋蛋白白6 6. .8 85 51 1. .2 21 10 0. .5 53 31 1. .5 5大大豆豆 1 11 1S S
36、8 8. .5 56 64 4. .5 50 02 27 7. .0 0大大豆豆 7 7S S6 6. .0 06 62 2. .5 52 2. .0 02 29 9. .5 5云云扁扁豆豆蛋蛋白白1 10 0. .5 55 50 0. .5 51 11 1. .5 52 27 7. .5 5 注注：资资料料来来自自各各种种来来源源，数数值值代代表表占占总总的的氨氨基基酸酸残残基基的的百百分分数数。（三）三级结构三级结构的形成包括在蛋白质中各种不同的基团之三级结构的形成包括在蛋白质中各种不同的基团之间相互作用（间相互作用（疏水、静电和范德华尔疏水、静电和范德华尔）和）和氢键氢键的优的优化，使得
37、蛋白质分子的自由能尽可能地降至最低。化，使得蛋白质分子的自由能尽可能地降至最低。一级结构决定着蛋白质分子的形状。含有大量的并一级结构决定着蛋白质分子的形状。含有大量的并均匀地分布在氨基酸序列中的均匀地分布在氨基酸序列中的亲水性氨基酸亲水性氨基酸残基的残基的蛋白质分子将呈蛋白质分子将呈拉长或棒状拉长或棒状。含有大量的。含有大量的疏水性氨疏水性氨基酸残基基酸残基的蛋白质分子将的蛋白质分子将呈球状呈球状。大多数蛋白质由个以上的氨基酸残基构成。大多数蛋白质由个以上的氨基酸残基构成。Structures such as the ball and stick (top left) or spacefill
38、ing (top right) versions of myoglobin are complete and accurate, but are bit overwhelming.More schematic representations such as the ribbon diagram (right) omit unnecessary detail, but succeed in highlighting specific aspects of structure such as the helical components.（四）四级结构蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 蛋白质亚基非
39、共蛋白质亚基非共价结合的结果。价结合的结果。 稳定四级结构的稳定四级结构的键或力除了二硫键键或力除了二硫键外和稳定三级结构外和稳定三级结构的是相同的。的是相同的。 （五）蛋白质结构中的相互作用和键-稳定蛋白质结构的作用力蛋白质的天然构象蛋白质的天然构象(conformation)(conformation)是一种热力学状态，在此状态有利是一种热力学状态，在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。的相互作用达到最大，不利的相互作用降到最小。蛋白质的稳定性蛋白质的稳定性 使蛋白质分子能达到和保持它们的天然构象的一种状使蛋白质分子能达到和保持它们的天然构象的一种状态，但这并不排除生理功
40、能所必需的构象的调整。态，但这并不排除生理功能所必需的构象的调整。影响蛋白质折叠的作用力包括两类：影响蛋白质折叠的作用力包括两类：（a a）蛋白质分子固有的作用力所形成的）蛋白质分子固有的作用力所形成的分子内相互作用分子内相互作用。范德华相互作用范德华相互作用（Van der Waals interactionVan der Waals interaction）和）和空间相互作用空间相互作用（steric steric interactioninteraction）（b b）受周围溶剂影响的）受周围溶剂影响的分子内相互作用分子内相互作用。氢键、静电相互作用和疏水相互氢键、静电相互作用和疏水相互
41、作用作用。构型和构象的区别构型和构象的区别（a a） 构象（构象（ConformationConformation） ：由由C CC C单键（单键（键）旋转而产生的原子或基团在键）旋转而产生的原子或基团在空间排列的无数特定的形象称为构象，这种由空间排列的无数特定的形象称为构象，这种由C CC C单键旋转而产生的异构体称单键旋转而产生的异构体称为旋转异构体或构象异构体。为旋转异构体或构象异构体。 （b b） 构型（构型（ConfigurationConfiguration） ：指具有一定构造的分子中的原子或基团的固有指具有一定构造的分子中的原子或基团的固有空间排列。构型的转变必须依靠共价键的断裂
42、和生成。空间排列。构型的转变必须依靠共价键的断裂和生成。、构型；构型；R R、S S构型；构型；L L、D D构型构型 1. 1. 空间相互作用空间相互作用 大多数氨基酸残基含有庞大的侧链，大多数氨基酸残基含有庞大的侧链，某某些扭角是不可能存在些扭角是不可能存在的。的。 理论上理论上和和角在具有角在具有360360的转动自由度，实际上由于的转动自由度，实际上由于侧链原子的空间位阻而使它们的转动受到很大的限制。侧链原子的空间位阻而使它们的转动受到很大的限制。2. 2. Van der WaalsVan der Waals 相互作用相互作用 存在于原子之间。原子间距离存在于原子之间。原子间距离较大
43、，相互作用小；距离减小，吸引力逐渐增大；如果距离较大，相互作用小；距离减小，吸引力逐渐增大；如果距离进一步减小，斥力将增大。进一步减小，斥力将增大。 中性原子之间偶极中性原子之间偶极- -诱导偶极和诱导偶极诱导偶极和诱导偶极- -诱导偶极相互诱导偶极相互作用。吸引和排斥作用。吸引和排斥 吸引能吸引能6 6次方反比次方反比于相互作用的于相互作用的原子间的距离原子间的距离，而，而排斥排斥相互作用相互作用7 7次方反比次方反比于该距离。于该距离。 范德华尔相互作用对于蛋白质的折叠和稳定性的贡献是很范德华尔相互作用对于蛋白质的折叠和稳定性的贡献是很显著的。显著的。3.静电相互作用 蛋白质含有一些带有可
44、离解基团的氨基酸残基。蛋白质含有一些带有可离解基团的氨基酸残基。 在中性在中性pHpH，AspAsp和和GluGlu残基带负电荷，而残基带负电荷，而LysLys、ArgArg和和HisHis带正电荷；在碱性带正电荷；在碱性pHpH，CysCys和和TyrTyr残基带负电荷。在残基带负电荷。在中性中性pHpH，蛋白质分子带净的负电荷或净的正电荷，这取，蛋白质分子带净的负电荷或净的正电荷，这取决于分子中负电荷和正电荷残基的相对数目。决于分子中负电荷和正电荷残基的相对数目。 蛋白质分子净电荷为蛋白质分子净电荷为0 0时的时的pHpH被定义为蛋白质的被定义为蛋白质的等电点（等电点（pIpI）。）。 等
45、离子等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的点是指不存在电解质时蛋白质溶液的pHpH。除少数例外，蛋白质中几乎所有的带电基团都分布除少数例外，蛋白质中几乎所有的带电基团都分布在分子的表面。在分子的表面。排斥作用或许会导致蛋白质结构不稳定。吸引作用排斥作用或许会导致蛋白质结构不稳定。吸引作用有助于蛋白质结构的稳定。有助于蛋白质结构的稳定。处在蛋白质分子表面的带电基团对蛋白质结构的稳处在蛋白质分子表面的带电基团对蛋白质结构的稳定性没有重要的贡献。定性没有重要的贡献。 水溶液中水的介电常数高，引力和排斥力均小水溶液中水的介电常数高，引力和排斥力均小。处在蛋白质分子内部的带电基团对蛋白质结构的稳处在蛋白
46、质分子内部的带电基团对蛋白质结构的稳定性有重要的影响定性有重要的影响 环境的介电常数比水的小，引力和排斥力均大环境的介电常数比水的小，引力和排斥力均大。4. 4. 氢键氢键 主要通过羰基及亚氨基通过氢氧而主要通过羰基及亚氨基通过氢氧而形成的一种键。形成的一种键。蛋白质含有一些能形成氢键的基团。可在两蛋白质含有一些能形成氢键的基团。可在两肽链间，或一条肽链的不同部位形成氢键。肽链间，或一条肽链的不同部位形成氢键。在在-螺旋和螺旋和-折叠片结构中肽键的折叠片结构中肽键的N-HN-H和和C=OC=O之间形成了最大数目的氢键。之间形成了最大数目的氢键。氢键对于维持蛋白质二级结构，保持蛋白质氢键对于维持
47、蛋白质二级结构，保持蛋白质稳定性，起着重要的作用。稳定性，起着重要的作用。5.疏水相互作用在水溶液中，在水溶液中，非极性基团之间的疏水相互作用是非极性基团之间的疏水相互作用是水与非极性基团之间热力学上不利的相互作用的水与非极性基团之间热力学上不利的相互作用的结果。结果。在水溶液中在水溶液中水结构诱导的非极性基团之间的相互水结构诱导的非极性基团之间的相互作用作用被称为被称为疏水相互作用疏水相互作用。在蛋白质中，氨基酸残基非极性侧链之间的在蛋白质中，氨基酸残基非极性侧链之间的疏水疏水相互作用是蛋白质折叠成独特的三维结构的主要相互作用是蛋白质折叠成独特的三维结构的主要原因，原因，6.二硫交联二硫键二
48、硫键(-S-S-) (-S-S-) 两个硫原子间的化学键两个硫原子间的化学键由二个半胱氨酸分子通过脱氢氧化而结合成的一种化学键。由二个半胱氨酸分子通过脱氢氧化而结合成的一种化学键。键能很大（键能很大（30-100 30-100 千卡千卡/ / 摩尔），摩尔），对稳定蛋白质空间结构对稳定蛋白质空间结构起着重要作用起着重要作用。二硫键数目多、稳定二硫键数目多、稳定，如毛、发。，如毛、发。天然存在于蛋白质中的唯一的共价侧链交联。既能存在于分天然存在于蛋白质中的唯一的共价侧链交联。既能存在于分子内，也能存在于分子间。子内，也能存在于分子间。在单体蛋白质中二硫键的形成是蛋白质折叠的结果。在单体蛋白质中二
49、硫键的形成是蛋白质折叠的结果。二硫键二硫键一旦形成就能帮助稳定蛋白质的折叠一旦形成就能帮助稳定蛋白质的折叠结构。结构。7.金属离子一些蛋白质结合特定的金属离子，如钙，镁和钠离子等。一些蛋白质结合特定的金属离子，如钙，镁和钠离子等。这种结合能稳定蛋白质的结构这种结合能稳定蛋白质的结构稳定的机制或许是通过中和电荷的效应和促进其他相互稳定的机制或许是通过中和电荷的效应和促进其他相互作用（疏水相互作用使蛋白质的分子构型更牢固作用（疏水相互作用使蛋白质的分子构型更牢固) )。-淀粉酶蛋白淀粉酶蛋白 钙稳定酶蛋白的构象。钙稳定酶蛋白的构象。牛乳清蛋白天然结构稳定的必需条件是结合钙离子。牛乳清蛋白天然结构稳
50、定的必需条件是结合钙离子。 总之，一个独特的三维蛋白质结构的形成是总之，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。二硫键的净结果。 第四节 蛋白质的变性蛋白质变性的一般概念蛋白质变性的一般概念 蛋白质变性（蛋白质变性（protein denaturationprotein denaturation）是指蛋白质在是指蛋白质在某些物理和化学因素作用下其特定的空间构象被改变，从某些物理和化学因素作用下其特定的空间构象被改变，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失，这种现象称而导致其理化性质的改变和生物活性的丧
