1、第五章第五章 蛋白质蛋白质第一节第一节 引言引言n蛋白质在生物体系中起着核心作用蛋白质在生物体系中起着核心作用 n病毒、细菌、激素、植物和动物细胞原病毒、细菌、激素、植物和动物细胞原生质都是以蛋白质为基础的生质都是以蛋白质为基础的n酶是蛋白质酶是蛋白质 n蛋白质功能和化学组成有关蛋白质功能和化学组成有关 n由由20种氨基酸构成的聚合物种氨基酸构成的聚合物蛋白质的元素分析蛋白质的元素分析nC 5055%nH 6 7%nO 2023%nN 1219%（16%，6.25）nS 0.23.0%n还含有某些金属离子还含有某些金属离子Zn、Fe等。等。蛋白质的分类蛋白质的分类 根据组成分类根据组成分类 n
2、简单蛋白质（简单蛋白质（homoproteins）在细胞中未经酶催化改性的蛋白质在细胞中未经酶催化改性的蛋白质 n结合蛋白质（结合蛋白质（conjugated proteins）或杂蛋白质（或杂蛋白质（heteroproteins）经过酶催化改性或与非蛋白质组分复合的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非蛋白质组分称为辅基 结合蛋白质包括：结合蛋白质包括：n核蛋白（核蛋白体）核蛋白（核蛋白体）n糖蛋白（卵清蛋白、糖蛋白（卵清蛋白、-酪蛋白）酪蛋白）n磷蛋白（磷蛋白（-和和-酪蛋白、激酶、磷酸化酶）酪蛋白、激酶、磷酸化酶）n脂蛋白（蛋黄蛋白质、几种肌浆蛋白质）脂蛋白（蛋黄蛋
3、白质、几种肌浆蛋白质）n金属蛋白（血红蛋白、肌红蛋白和几种酶）金属蛋白（血红蛋白、肌红蛋白和几种酶）n球蛋白球蛋白 以球状或椭圆状存在的蛋白质以球状或椭圆状存在的蛋白质 由多肽链自身折叠而造成由多肽链自身折叠而造成 n纤维状蛋白（棒状分子）纤维状蛋白（棒状分子）含有相互缠绕的多肽链含有相互缠绕的多肽链 根据大体上的结构形式分类根据大体上的结构形式分类蛋白质的生物功能蛋白质的生物功能n酶催化酶催化 n结构蛋白结构蛋白 n收缩蛋白（肌球蛋白、肌动蛋白、微管蛋白）收缩蛋白（肌球蛋白、肌动蛋白、微管蛋白）n激素（胰岛素、生长激素）激素（胰岛素、生长激素）n传递蛋白（血清蛋白、铁传递蛋白、血红蛋白）传递
4、蛋白（血清蛋白、铁传递蛋白、血红蛋白）n抗体（免疫球蛋白）抗体（免疫球蛋白）n贮藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白）贮藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白）n保护蛋白（毒素和过敏素）保护蛋白（毒素和过敏素）食品蛋白质食品蛋白质n易于消化易于消化 n无毒无毒 n富有营养富有营养 n显示功能特性显示功能特性 n来源丰富来源丰富第二节第二节 氨基酸的物理化学性质氨基酸的物理化学性质 一、氨基酸的一般性质一、氨基酸的一般性质 n（一）一般结构和分类（一）一般结构和分类 n 氨基酸是组成蛋白质的最基本单位氨基酸是组成蛋白质的最基本单位 决定物化性质决定物化性质据其分子结构分为六类据其分子结构分为六类n中性氨基酸中性氨基酸
5、 一氨基，一羧基一氨基，一羧基 nAla(丙丙),Gly(甘甘),Val(缬缬),Leu(亮亮),Ile(异亮异亮)n酸性氨基酸酸性氨基酸 一氨基，二羧基一氨基，二羧基 nAsp(天天),Glu(谷谷)n碱性氨基酸碱性氨基酸 二氨基，一羧基二氨基，一羧基 nArg(精精),Lys(赖赖),His(组组)n含羟氨基酸含羟氨基酸 一氨基，一羧基，一羟基一氨基，一羧基，一羟基 nSer(丝丝),Thr(苏苏)n含硫氨基酸含硫氨基酸 一氨基，一羧基，一巯基一氨基，一羧基，一巯基 nCys(半半),Met(蛋蛋)n含环氨基酸含环氨基酸 一氨基，一羧基，一环一氨基，一羧基，一环 n Phe(苯苯),Pro
6、(脯脯),Trp(色色),Tyr(酪酪)甘丙缬亮异脂链甘丙缬亮异脂链 丝苏半蛋羟硫添丝苏半蛋羟硫添 脯酪色苯杂芳环脯酪色苯杂芳环 天谷精赖组酸碱天谷精赖组酸碱按侧链基团按侧链基团R的极性分为四类的极性分为四类n非极性氨基酸或疏水性氨基酸非极性氨基酸或疏水性氨基酸 脂肪族（脂肪族（Ala，Ile，Leu，Val）芳香族侧链的氨基酸芳香族侧链的氨基酸(Phe,Trp)是疏水的是疏水的 n不带电荷的极性氨基酸不带电荷的极性氨基酸 侧链与水结合形成氢键，侧链与水结合形成氢键，Ser,Thr,Cys n在在pH7时带正电荷的极性氨基酸时带正电荷的极性氨基酸 碱性氨基酸，碱性氨基酸，Lys,Arg,His
7、(略带）略带）n在在pH7时带负电荷的极性氨基酸时带负电荷的极性氨基酸 酸性氨基酸，酸性氨基酸，Asp,Glu 碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性 必需氨基酸必需氨基酸n有些氨基酸，机体合成不足，必需从食有些氨基酸，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乏这些氨基酸，就会影响机体的正常生长和健康。长和健康。人体必需氨基酸有人体必需氨基酸有Lys，Phe,Val,Met,Thr,Trp,Leu及及Ile八种，此外，八种，此外，His对于婴儿的营养也是必需的。对于婴儿的营养也是必需的
8、。（二）氨基酸的立体化学（二）氨基酸的立体化学n除甘氨酸外都具有旋光性。除甘氨酸外都具有旋光性。n在植物或动物组织的蛋白质水解物中，在植物或动物组织的蛋白质水解物中，仅发现型异构体。仅发现型异构体。Ile和和Thr的的-碳原子也是不对称的，因此碳原子也是不对称的，因此它们都有它们都有4个对映体。个对映体。（三）氨基酸的酸（三）氨基酸的酸-碱性质碱性质n羧基能电离成羧基能电离成COO-和和H+；氨基能接受质氨基能接受质子，形成铵盐。氨基酸是两性电解质子，形成铵盐。氨基酸是两性电解质 n甘氨酸甘氨酸 提供质子，提供质子，可释放质子可释放质子提供电子对，提供电子对，可接受质子可接受质子n在中性在中性
9、pH范围，范围，-氨基和氨基和 -羧基都处在羧基都处在离子化状态，此时氨基酸分子是偶极离离子化状态，此时氨基酸分子是偶极离子或两性离子。子或两性离子。偶极离子以电中性状态偶极离子以电中性状态存在时的存在时的pH被称为等电点（被称为等电点（pI）。）。n当当-COO-和和-COOH的浓度相等时的的浓度相等时的pH被称为被称为pKa1 n当当-NH3+和和-NH2浓度相等时的浓度相等时的pH被称为被称为pKa2 n除除 -氨基和氨基和 -羧基外，羧基外，Lys、Arg、His、Asp、Glu、Cys和和Tyr的侧链也含有可离子化的基团。的侧链也含有可离子化的基团。n侧链不含有带电荷基团的氨基酸，侧
10、链不含有带电荷基团的氨基酸，n pI=（pKa1+pKa2）/2 n酸性氨基酸，酸性氨基酸，pI=（pKa1+pKa3）/2 n碱性氨基酸，碱性氨基酸，pI=（pKa2+pKa3）/2 n *下标下标1、2和和3分别指分别指 -羧基、羧基、-氨基和侧氨基和侧链上可离子化的基团。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a pI 丙氨酸丙氨酸 2.34 9.69-6.00 精氨酸精氨酸 2
11、.17 9.04 12.48 12.00 10.76 天冬酰胺天冬酰胺 2.02 8.80-5.41 天冬氨酸天冬氨酸 1.88 9.60 3.65 4.60 2.77 半胱氨酸半胱氨酸 1.96 10.28 8.18 8.80 5.07 谷氨酰胺谷氨酰胺 2.17 9.13-5.65 谷氨酸谷氨酸 2.19 9.67 4.25 4.60 3.22 甘氨酸甘氨酸 2.34 9.60-5.98 组氨酸组氨酸 1.82 9.17 6.00 7.00 7.59 异亮氨酸异亮氨酸 2.36 9.68-6.02 亮氨酸亮氨酸 2.30 9.60-5.98 赖氨酸赖氨酸 2.18 8.95 10.53 1
12、0.20 9.74 蛋氨酸蛋氨酸 2.28 9.21-5.74 苯丙氨酸苯丙氨酸 1.83 9.13-5.48 脯氨酸脯氨酸 1.94 10.60-6.30 丝氨酸丝氨酸 2.20 9.15-5.68 苏氨酸苏氨酸 2.21 9.15-5.68 色氨酸色氨酸 2.38 9.39-5.89 酪氨酸酪氨酸 2.20 9.11 10.07 9.60 5.66 缬氨酸缬氨酸 2.32 9.62-5.96 a a 在蛋白质中的在蛋白质中的 pKapKa 值值 （四）氨基酸的疏水性（四）氨基酸的疏水性n蛋白质在水中的溶解度主要取决于氨基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）和酸
13、组分侧链上极性（带电或不带电）和非极性（疏水）基团的分布。非极性（疏水）基团的分布。nGt（EtW）被用来表示氨基酸的疏水被用来表示氨基酸的疏水性。性。Gt是一个很大的正值，则说明它是一个很大的正值，则说明它的疏水性就很大。的疏水性就很大。n氨基酸从乙醇转移到水的自由能变化氨基酸从乙醇转移到水的自由能变化 nGt具有加和性具有加和性 n缬氨酸缬氨酸 nGt,Val=Gt,Gly+Gt,异丙基侧链异丙基侧链 nGt,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
14、 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 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
15、 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 疏水性的疏水性的 优先选择处在有机相优先选择处在有机相 疏水性疏水性AA残基倾向于配置在蛋白质分子的残基倾向于配置在蛋白质分子的内部内部 n具有负的具有负的Gt的的AA侧链侧链 亲水性的亲水性的 配置在蛋白质分子的表面配置在蛋白质分子的表面（五）氨基酸的光学性质（五）氨基酸的光学性质n芳香族的氨基酸芳香族的氨基酸Trp(色色)、Tyr(酪酪)和和Phe(苯丙氨酸苯丙氨酸)在近紫外区（在近紫外区（250-300 nm）吸吸收光。收光。nTr
16、p和和Tyr在紫外区还显示荧光。在紫外区还显示荧光。n氨基酸所处氨基酸所处环境的极性环境的极性影响它们的吸收影响它们的吸收和荧光性质，因此可以将氨基酸光学性和荧光性质，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质的变化作为考察蛋白质构象变化的手段。段。表表 6-5 6-5 芳香族氨基酸的紫外吸收和荧光芳香族氨基酸的紫外吸收和荧光氨基酸氨基酸最大吸收波长最大吸收波长maxmax（nmnm）摩尔消光系数摩尔消光系数（1cm1cm-1-1molmol-1-1）最大荧光波长最大荧光波长（nmnm）苯丙氨酸苯丙氨酸260260190190282282a a色氨酸色氨酸27827855905
17、590348348b b酪氨酸酪氨酸27527513401340304304b ba a 在在 260 260 nmnm 处激发处激发b b 在在 280 280 nmnm 处激发处激发二、氨基酸的化学反应性二、氨基酸的化学反应性n存在于游离氨基酸和蛋白质分子中的反存在于游离氨基酸和蛋白质分子中的反应基团应基团(氨基、羧基、巯基、酚羟基、羟氨基、羧基、巯基、酚羟基、羟基、硫醚基基、硫醚基(蛋氨酸蛋氨酸)、咪唑基和胍基咪唑基和胍基)。n作用作用:(1)改变蛋白质和肽亲水改变蛋白质和肽亲水-疏水性质疏水性质或者功能性质或者功能性质;(2)被利用来定量氨基酸被利用来定量氨基酸和蛋白质分子中特定的氨基
18、酸。和蛋白质分子中特定的氨基酸。与茚三酮反应与茚三酮反应n1摩尔的氨基酸，与摩尔的氨基酸，与2摩尔茚三酮生成摩尔茚三酮生成1摩摩尔紫色物质，在尔紫色物质，在570 nm显示最高吸收。显示最高吸收。n脯氨酸和羟脯氨酸产生一种黄色物质，脯氨酸和羟脯氨酸产生一种黄色物质，它在它在440 nm显示最高吸收显示最高吸收(常用来定量游常用来定量游离氨基酸离氨基酸)。与邻苯二甲醛反应与邻苯二甲醛反应n当存在当存在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（1，2-苯二甲醛）反应生成苯二甲醛）反应生成高荧光高荧光的衍生物的衍生物 n在在390 nm激发时在激发时在475nm具有最高
19、荧光发射具有最高荧光发射 n定量氨基酸、蛋白质和肽定量氨基酸、蛋白质和肽 2-巯基乙醇CCOOHH+RCH COOHNH2HS-CH2-CH2OHNHCNH2COOHS-CH2-CH2OH与荧光胺反应与荧光胺反应n在在390 nm激发时，在激发时，在475 nm具有最高荧光发射具有最高荧光发射 n含有伯胺的氨基酸、肽和蛋白质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高荧光的衍生物成高荧光的衍生物n被用于定量氨基酸以及蛋白质和肽。被用于定量氨基酸以及蛋白质和肽。N+R-CH-COOHNH2CHCOOHROOOO+H2O白色或浅黄白色或浅黄色固体色固体,荧光荧光衍生试剂衍生试剂 第三节
20、第三节 蛋白质的结构蛋白质的结构（一）一级结构（一）一级结构 n指氨基酸通过共价键连接而成的线性序列指氨基酸通过共价键连接而成的线性序列。n个氨基酸残基构成个氨基酸残基构成(n-1)个肽键个肽键；链长链长(n)和序列决定蛋白质的物化性质、结构和序列决定蛋白质的物化性质、结构和生物性质及功能；和生物性质及功能；序列序列密码（密码（code）。n游离的游离的 -氨基末端称为氨基末端称为N端，开始端；端，开始端；n游离的游离的 -羧基末端称为羧基末端称为C端，末端；端，末端；n多肽链的主链可用重复的多肽链的主链可用重复的-N-C-C或或-C-C-N 单位表示。单位表示。C CN(N(肽肽)键具有部分
21、双键的性质。键具有部分双键的性质。CNHCNHOOnCONH键不可以自由旋转，转动角度键不可以自由旋转，转动角度最大为最大为6。nN-C 键键 nC -C键键 主链扭转角主链扭转角n理论上具有转动自由度，但因理论上具有转动自由度，但因C 原子上原子上侧链原子的立体位阻而被限制侧链原子的立体位阻而被限制CNHCNHOO-NH-C-CO NHn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反式构型存在构型存在 n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（二）二级结构n指氨基酸残基周期性的（有规则的）空指氨基酸残基周期性的（有规则的）空间排列。间排列。氨基酸残基侧链之间近
22、邻或短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距离的非共价相互作用导致局部自由能下降，这就驱动了下降，这就驱动了和和角的扭转。角的扭转。1、螺旋结构、螺旋结构n -螺旋：主要的，最稳定的螺旋：主要的，最稳定的 n310-螺旋螺旋 n-螺旋螺旋n当依次相继的氨基酸残基的当依次相继的氨基酸残基的和和角按同角按同一组值扭转时，形成了蛋白质的螺旋结一组值扭转时，形成了蛋白质的螺旋结构。构。-螺旋螺旋n每圈包含每圈包含3.6个氨基酸残基个氨基酸残基 n氢键平行于螺旋轴而定向。氢键平行于螺旋轴而定向。n氢键的氢键的N、H和和O原子几乎原子几乎处在一条直线上。处在一条直线上。n每一个氨基
23、酸残基的转角每一个氨基酸残基的转角为为100 依靠氢键稳定，氢依靠氢键稳定，氢键圈中包含键圈中包含13个主链原子，个主链原子，3.613螺旋。螺旋。2.-折叠片结构折叠片结构n一种锯齿形结构。它比一种锯齿形结构。它比 螺旋较为伸展。螺旋较为伸展。C=O和和N-H垂直于主链垂直于主链;氢键：片断之间氢键：片断之间;侧链垂直于平面侧链垂直于平面;n根据多肽主链根据多肽主链NC的指向的指向,存在着两类存在着两类 平行平行-折叠片折叠片，各股指向相互平行，各股指向相互平行 反平行反平行-折叠片结构折叠片结构，各股指向彼此相反，各股指向彼此相反 n反平行中，反平行中，N-HO原子处在一条直线上原子处在一
24、条直线上（键角（键角0），增加了稳定性），增加了稳定性 n反平行反平行-折叠片结构更为稳定折叠片结构更为稳定 稳定性稳定性:-折叠片折叠片-螺旋螺旋 n-折叠片高变性温度折叠片高变性温度 n-螺旋螺旋 -折叠折叠加热再冷却加热再冷却-旋转（旋转（-turn）n-折叠片结构中多肽链折叠片结构中多肽链反转反转180就形成就形成-旋转。旋转。n一个一个-旋转结构包含旋转结构包含4个个氨基酸残基氨基酸残基，n由氢键所稳定由氢键所稳定 n最常见于最常见于-旋转结构中旋转结构中的氨基酸残基是的氨基酸残基是Asn(天天冬酰胺冬酰胺)、Asp(天冬氨天冬氨酸酸)、Gly(甘甘)、Cys(半胱半胱)、Tyr(酪
25、酪)和和Pro(脯脯)。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（%）-旋旋 转转（%）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 7 0 0 8 8.8 8 5 5.5 5 牛牛血血清清清清蛋蛋白白 6 67 7.0 0 0 0 0 0 3 33 3.0 0 胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶原原 1 11 1.0 0 4 49 9.4 4 2 21 1.2 2 1 18 8.4 4 免免疫疫球球蛋蛋白白 G G 2 2.5 5 6 67 7.2 2 1 17 7.8 8 1 12 2
26、.5 5 胰胰岛岛素素（二二聚聚体体）6 60 0.8 8 1 14 4.7 7 1 10 0.8 8 1 15 5.7 7 牛牛胰胰蛋蛋白白酶酶抑抑制制剂剂 2 25 5.9 9 4 44 4.8 8 8 8.8 8 2 20 0.5 5 核核糖糖核核酸酸酶酶 A A 2 22 2.6 6 4 46 6.0 0 1 18 8.5 5 1 12 2.9 9 溶溶菌菌酶酶 4 45 5.7 7 1 19 9.4 4 2 22 2.5 5 1 12 2.4 4 木木瓜瓜蛋蛋白白酶酶 2 27 7.8 8 2 29 9.2 2 2 24 4.5 5 1 18 8.5 5 -乳乳清清蛋蛋白白 2 26
27、 6.0 0 1 14 4.0 0 -6 60 0.0 0 -乳乳球球蛋蛋白白 6 6.8 8 5 51 1.2 2 1 10 0.5 5 3 31 1.5 5 大大豆豆 1 11 1S S 8 8.5 5 6 64 4.5 5 0 0 2 27 7.0 0 大大豆豆 7 7S S 6 6.0 0 6 62 2.5 5 2 2.0 0 2 29 9.5 5 （三）三级结构（三）三级结构n二级结构进一步折叠二级结构进一步折叠成紧密的三维结构时成紧密的三维结构时就形成了蛋白质的三就形成了蛋白质的三级结构。级结构。n多肽链的空间排列多肽链的空间排列n三级结构的形成包括不同的基团之间相互作用三级结构的
28、形成包括不同的基团之间相互作用（疏水、静电和范德华）和氢键的优化，使得（疏水、静电和范德华）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。蛋白质分子的自由能尽可能地降至最低。n几何排布几何排布 亲水性氨基酸残基亲水性氨基酸残基蛋白质蛋白质-水界面水界面 疏水性氨基酸残基疏水性氨基酸残基内部内部 n氨基酸的序列决定着蛋白质分子的形状氨基酸的序列决定着蛋白质分子的形状 亲水性氨基酸残基亲水性氨基酸残基呈拉长或棒状呈拉长或棒状 疏水性氨基酸残基疏水性氨基酸残基呈球状呈球状 n 大多数蛋白质由大多数蛋白质由100个以上的氨基酸残基构成。个以上的氨基酸残基构成。（四）四级结构（四）四级结构n是指
29、含有多于一条多肽链的蛋白质分子的是指含有多于一条多肽链的蛋白质分子的空间排列。空间排列。n以二聚体、三聚体、四聚体等形式存在；以二聚体、三聚体、四聚体等形式存在；n四级结构是亚基非共价结合的结果四级结构是亚基非共价结合的结果n四级复合物（寡聚体）由蛋白质亚基（单四级复合物（寡聚体）由蛋白质亚基（单体）组成，亚基可以是相同的（同类）或体）组成，亚基可以是相同的（同类）或者是不同的（异类）者是不同的（异类）。n热力学角度，疏水性亚基埋藏，驱动四级结构热力学角度，疏水性亚基埋藏，驱动四级结构 n疏水性氨基酸残基高于疏水性氨基酸残基高于30%，无法埋藏，无法埋藏 n疏水小区相互作用疏水小区相互作用44
30、12366一些低聚体食品蛋白质一些低聚体食品蛋白质（五）稳定蛋白质结构的作用力（五）稳定蛋白质结构的作用力n蛋白质的天然构象是一种热力学状态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不利的相互作用降到最小 n影响蛋白质结构的作用力包括两类：影响蛋白质结构的作用力包括两类：蛋白质分子蛋白质分子固有固有的作用力所形成的分子内相的作用力所形成的分子内相互作用互作用 范德华相互作用和空间相互作用范德华相互作用和空间相互作用 受受周围溶剂影响周围溶剂影响的分子内相互作用的分子内相互作用 氢键、静电相互作用和疏水相互作用氢键、静电
31、相互作用和疏水相互作用蛋白质结构稳定蛋白质结构稳定疏水相互作用二硫键氢键空间相互作用静电相互作用金属离子范德华力稳定蛋白质结构的作用力稳定蛋白质结构的作用力1.空间相互作用空间相互作用n氨基酸残基侧链原子的空间位阻氨基酸残基侧链原子的空间位阻 n和和角的转动受到很大的限制角的转动受到很大的限制 n构象有限构象有限 n避免自由能的增加避免自由能的增加 n键长和键角的变形键长和键角的变形2.Van der Waals 相互作用相互作用n存在于极性或非极性原子之间；存在于极性或非极性原子之间；n是偶极是偶极-诱导偶极和诱导偶极诱导偶极和诱导偶极-诱导偶极相诱导偶极相互作用产生的净的吸引作用；互作用产
32、生的净的吸引作用；n距离增大，相互作用减小；距离增大，相互作用减小；n对蛋白质的折叠和稳定性的贡献很大。对蛋白质的折叠和稳定性的贡献很大。3.氢键氢键n氢键主要通过羰基及亚氨基通过氢氧而氢键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。n可在两肽链间，或一条肽链的不同部位可在两肽链间，或一条肽链的不同部位形成氢键。形成氢键。n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-H和和C=O之间形成的氢键数目最大。之间形成的氢键数目最大。n氢键对于维持蛋白质二级结构，保持蛋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。白质稳定性，起着重要的作用。4.静电相互作
33、用静电相互作用n蛋白质含有一些带有可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。Asp(天冬氨酸天冬氨酸)、Glu(谷谷)残基带负电荷（中性残基带负电荷（中性pH）Lys(赖赖)、Arg(精精)和和His(组组)带正电荷带正电荷 n在中性在中性pH，净电荷取决于分子中正、负电荷残净电荷取决于分子中正、负电荷残基的相对数目基的相对数目 n蛋白质分子净电荷为蛋白质分子净电荷为0时的时的pH为等电点（为等电点（pI）n等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的pH n除少数例外，蛋白质中几乎所有的带电除少数例外，蛋白质中几乎所有的带电基团都分布在
34、分子的表面。基团都分布在分子的表面。相同电荷间相同电荷间的排斥作用或许会导致蛋白质结构不稳的排斥作用或许会导致蛋白质结构不稳定。定。相反电荷间的吸引作用有助于蛋白相反电荷间的吸引作用有助于蛋白质结构的稳定；质结构的稳定；n虽然不能作为蛋白质分子折叠的主要作虽然不能作为蛋白质分子折叠的主要作用力，但确实会影响蛋白质分子折叠的用力，但确实会影响蛋白质分子折叠的模式。模式。5.疏水相互作用疏水相互作用n在水溶液中水结构诱导的非极性基团之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；间的相互作用被称为疏水相互作用；n驱动蛋白质折叠的主要力量；驱动蛋白质折叠的主要力量；n非极性基团溶
35、于水非极性基团溶于水：G=H TS n 即使即使H0，由于由于S 0，G 0 n疏水相互作用是吸热过程，高温下较强。疏水相互作用是吸热过程，高温下较强。6.二硫键二硫键(-S-S-)n球状蛋白球状蛋白 中，二个半胱氨酸分子接近时中，二个半胱氨酸分子接近时形成二硫键；形成二硫键；n共价键；共价键；n对稳定蛋白质空间结构起着重要作用对稳定蛋白质空间结构起着重要作用；n二硫键数目多、稳定，如毛、发二硫键数目多、稳定，如毛、发；n分子内，也能分子间。分子内，也能分子间。7.金属离子金属离子n蛋白质结合特定的金属离子能稳定蛋白蛋白质结合特定的金属离子能稳定蛋白质的结构质的结构 如钙，镁和钠离子等如钙，镁
36、和钠离子等 n稳定的机制稳定的机制 中和电荷的效应中和电荷的效应 促进其他相互作用（疏水相互作用促进其他相互作用（疏水相互作用)n 由钙稳定的蛋白质由钙稳定的蛋白质 牛乳清蛋白牛乳清蛋白 -淀粉酶淀粉酶 一个独特的三维蛋白质结构的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相互作用以及几个共价二硫键的净结果。净结果。（六）构象稳定性和适应性六）构象稳定性和适应性n蛋白质是高度柔性的；蛋白质是高度柔性的；n构象适应性对蛋白质的功能性质很重要。构象适应性对蛋白质的功能性质很重要。第四节第四节 蛋白质的变性蛋白质的变性n天然状态是热力
37、学最稳定状态天然状态是热力学最稳定状态 n环境的变化驱动分子结构新的平衡环境的变化驱动分子结构新的平衡 n构象适应性构象适应性 分子结构的细微变化而没有剧烈变化分子结构的细微变化而没有剧烈变化 n变性变性 蛋白质的二级，三级和四级结构上的重大变蛋白质的二级，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。白质的理化性质改变并失去原来的生理活性。n在某些情况下，变性过程是可逆的，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，冷却例如，有的蛋白质在加热时发生变性，冷却后，又可复原。后，又
38、可复原。n可逆变性三级和四级结构变化可逆变性三级和四级结构变化 n不可逆变性二级结构也发生变化不可逆变性二级结构也发生变化 n二硫键的断裂二硫键的断裂不可逆变性不可逆变性变性后物化性质变化变性后物化性质变化n因疏水性基团的暴露而导致溶解度的下降因疏水性基团的暴露而导致溶解度的下降 n结合水能力的改变结合水能力的改变 n失去生物活力（酶活力或免疫活力）失去生物活力（酶活力或免疫活力）n对蛋白酶敏感性提高（肽键暴露）对蛋白酶敏感性提高（肽键暴露）n蛋白质固有粘度增加蛋白质固有粘度增加 n没有结晶能力没有结晶能力 n消化率和生物有效率提高消化率和生物有效率提高 n起泡性能和乳化性能提高起泡性能和乳化
39、性能提高 一、变性热力学一、变性热力学 典型的蛋白质变性曲线典型的蛋白质变性曲线两状态转变两状态转变大多数蛋白质当变性条件逐渐剧烈时（浓度增加、温度大多数蛋白质当变性条件逐渐剧烈时（浓度增加、温度提高等），提高等），Y在开始阶段保持不变，但超过一个临界点在开始阶段保持不变，但超过一个临界点后，从后，从YN急剧变化至急剧变化至YD；这表明蛋白质变性是一个协这表明蛋白质变性是一个协同过程，球状蛋白分子主要以天然态和变性态存在，而同过程，球状蛋白分子主要以天然态和变性态存在，而以中间态很少存在；此即所谓的以中间态很少存在；此即所谓的“两状态转变模型两状态转变模型”。二、变性因素二、变性因素n物理因素
40、物理因素 温度温度 紫外线紫外线 超声波超声波 高压高压 n化学因素化学因素 pH 有机溶剂有机溶剂 重金属盐类重金属盐类 脲、胍脲、胍 表面活性剂表面活性剂（一）物理因素（一）物理因素 1.热热 n热变性影响功能性质热变性影响功能性质 n从天然状态至变性状态的转变中点称为从天然状态至变性状态的转变中点称为熔化温度熔化温度Tm或变性温度或变性温度Td。热变性的机理热变性的机理n非共价相互作用的去稳定作用非共价相互作用的去稳定作用 n在较高温度下，保持蛋白质空间构象的在较高温度下，保持蛋白质空间构象的各种键发生断裂，破坏了肽链的特定排各种键发生断裂，破坏了肽链的特定排列，原来在分子内部的一些非极
41、性基团列，原来在分子内部的一些非极性基团暴露到了分子的表面，因而降低了蛋白暴露到了分子的表面，因而降低了蛋白质的溶解度，促进了蛋白质分子之间相质的溶解度，促进了蛋白质分子之间相互结合而凝集，形成不可逆的凝胶而凝互结合而凝集，形成不可逆的凝胶而凝固。固。疏水相互作用的影响疏水相互作用的影响n氢键、静电和范德华相互作用具有放热氢键、静电和范德华相互作用具有放热的性质（热焓驱动）。它们在高温下去的性质（热焓驱动）。它们在高温下去稳定而在低温下稳定。稳定而在低温下稳定。n疏水相互作用是吸热的（熵驱动）。它疏水相互作用是吸热的（熵驱动）。它们在高温下稳定，而在低温下去稳定。们在高温下稳定，而在低温下去稳
42、定。n疏水相互作用的稳定性不会随温度的提高而无疏水相互作用的稳定性不会随温度的提高而无限制地增强限制地增强 某温度下，当疏水作用的稳定作某温度下，当疏水作用的稳定作用被克服时，产生热变性。用被克服时，产生热变性。多肽链的构象熵的影响多肽链的构象熵的影响nGD=GU-GN =H-T SD GU：变性状态的自由能变性状态的自由能 GN：天然状态的自由能天然状态的自由能-T SD：构象熵构象熵 n GD 0，稳定稳定 n GD 0，去稳定去稳定 蛋蛋白白质质的的热热变变性性温温度度（T Td d）和和平平均均疏疏水水性性 蛋蛋白白质质 T Td d 平平均均疏疏水水性性（K KJ Jm mo ol
43、l-1 1残残基基-1 1）蛋蛋白白质质 T Td d 平平均均疏疏水水性性（K KJ Jm mo ol l-1 1残残基基-1 1）胰胰蛋蛋白白酶酶原原 5 55 5 3 3.6 68 8 鸡鸡蛋蛋白白蛋蛋白白 7 76 6 4 4.0 01 1 胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶原原 5 57 7 3 3.7 78 8 胰胰蛋蛋白白酶酶抑抑制制剂剂 7 77 7 弹弹性性蛋蛋白白酶酶 5 57 7 肌肌红红蛋蛋白白 7 79 9 4 4.3 33 3 胃胃蛋蛋白白酶酶原原 6 60 0 4 4.0 02 2 -乳乳清清蛋蛋白白 8 83 3 4 4.2 26 6 核核糖糖核核酸酸酶酶 6 62 2
44、3 3.2 24 4 -乳乳球球蛋蛋白白 8 83 3 4 4.5 50 0 羧羧肽肽酶酶 6 63 3 细细胞胞色色素素 c c 8 83 3 4 4.3 37 7 乙乙醇醇脱脱氢氢酶酶 6 64 4 抗抗生生物物素素蛋蛋白白 8 85 5 3 3.8 81 1 牛牛血血清清白白蛋蛋白白 6 65 5 4 4.2 22 2 大大豆豆球球蛋蛋白白 9 92 2 血血红红蛋蛋白白 6 67 7 3 3.9 98 8 蚕蚕豆豆 1 11 1S S 蛋蛋白白 9 94 4 溶溶菌菌酶酶 7 72 2 3 3.7 72 2 向向日日葵葵 1 11 1S S 蛋蛋白白 9 95 5 胰胰岛岛素素 7 7
45、6 6 4 4.1 16 6 燕燕麦麦球球蛋蛋白白 1 10 08 8 温度稳定性温度稳定性n一般认为，温一般认为，温度愈低蛋白质度愈低蛋白质热稳定性愈高热稳定性愈高 n但并非总如此但并非总如此 n冷诱导变性冷诱导变性 3012.5极性和非极性相互作用稳定性极性和非极性相互作用稳定性n蛋白质显示最高稳定性的温度取决于极蛋白质显示最高稳定性的温度取决于极性和非极性相互作用对蛋白质稳定性贡性和非极性相互作用对蛋白质稳定性贡献的献的相对值相对值n极性非极性相互作用极性非极性相互作用 蛋白质在冻结温度和低于冻结温度时比蛋白质在冻结温度和低于冻结温度时比 较高温度时更稳定较高温度时更稳定 n主要依靠疏水
46、相互作用主要依靠疏水相互作用 在室温时比在冻结温度时更稳定在室温时比在冻结温度时更稳定（吸热）（吸热）氨基酸的种类热稳定性氨基酸的种类热稳定性n含有含有较高比例的疏水性较高比例的疏水性氨基酸残基（尤氨基酸残基（尤其是其是Val、Ile、Leu和和Phe）的蛋白质比的蛋白质比亲水性较强的蛋白质一般亲水性较强的蛋白质一般更为稳定更为稳定。n-SH 含量含量，热稳定性，热稳定性 如大豆蛋白质如大豆蛋白质(含硫氨基酸较少含硫氨基酸较少)稳定性高稳定性高 n脯氨酸或羟脯氨酸能阻碍蛋白质分子彼脯氨酸或羟脯氨酸能阻碍蛋白质分子彼此形成交联，使蛋白质不易凝固。如醇此形成交联，使蛋白质不易凝固。如醇溶谷蛋白溶谷
47、蛋白(含脯及羟脯氨酸较多含脯及羟脯氨酸较多)。n蛋白质的热稳定性与它的柔性呈反比。蛋白质的热稳定性与它的柔性呈反比。组成的氨基酸组成的氨基酸(%)(%)凝固温度凝固温度 蛋白质蛋白质 ()半胱氨酸半胱氨酸 胱氨酸胱氨酸 脯氨酸脯氨酸 羟脯氨酸羟脯氨酸 卵清蛋白卵清蛋白 1.4 0.5 1.4 0.5 -56 56 血清清蛋白血清清蛋白 0.3 5.7 0.3 5.7 4.7 67 4.7 67 乳清清蛋白乳清清蛋白 6.4 6.4 -72 72 -乳球蛋白乳球蛋白 1.1 2.3 70 1.1 2.3 70-7575 酪蛋白酪蛋白 -0.3 13.5 160 0.3 13.5 160-2002
48、00 明明 胶胶 0 0 -16.4 14.1 16.4 14.1 较高较高 某些蛋白质的氨基酸的组成与凝固温度关系某些蛋白质的氨基酸的组成与凝固温度关系 正相关正相关负相关负相关水热稳定性水热稳定性n水水，热变性，热变性,Td 水分愈少所需变性温度愈高水分愈少所需变性温度愈高 干蛋白质粉对热非常稳定干蛋白质粉对热非常稳定 n机理机理 在干燥状态，多肽链段的移动受到限制在干燥状态，多肽链段的移动受到限制 水分含量的增加导致蛋白质的肿胀水分含量的增加导致蛋白质的肿胀 提高了多肽链的移动性和柔性提高了多肽链的移动性和柔性 稳定性下降，较低的稳定性下降，较低的Td值值 电解质稳定性电解质稳定性n电解
49、质的存在，稳定性降低电解质的存在，稳定性降低 n高价离子易使蛋白质凝固高价离子易使蛋白质凝固 n例如制造豆腐例如制造豆腐 豆浆中的球蛋白仅加热是不会凝固的豆浆中的球蛋白仅加热是不会凝固的 但在但在70以上添加氯化镁或硫酸钙即可凝以上添加氯化镁或硫酸钙即可凝固固 2.静水压静水压n温度诱导变性：温度诱导变性：4080，0.1MPa n压力诱导变性：压力诱导变性：25，1001200MPa 转变中点转变中点400800MPa n原因：蛋白质是柔性的和可压缩的原因：蛋白质是柔性的和可压缩的 球状蛋白球状蛋白内部有一些空穴，可压缩内部有一些空穴，可压缩 纤维蛋白纤维蛋白无空穴，对静水压稳定无空穴，对静
50、水压稳定 n压力诱导的蛋白质变性是高度可逆的。压力诱导的蛋白质变性是高度可逆的。n应用应用 灭菌；灭菌；制备蛋白质凝胶，压力诱导凝胶比热诱导的凝胶制备蛋白质凝胶，压力诱导凝胶比热诱导的凝胶更快；更快；牛肉嫩化。牛肉嫩化。3.机械处理机械处理n揉搓、振动、捏合、打擦导致蛋白质变性。揉搓、振动、捏合、打擦导致蛋白质变性。n 激烈搅动时产生变性和沉淀。激烈搅动时产生变性和沉淀。n当分子吸附在两相界面时，导致不可逆变性。当分子吸附在两相界面时，导致不可逆变性。n高柔性的比刚性蛋白质较易在气高柔性的比刚性蛋白质较易在气-液界面变性。液界面变性。n高温和高剪切力相结合能导致蛋白质不可逆的高温和高剪切力相结
