蛋白質(zhì)-教學(xué)講解課件

第五章蛋白質(zhì)（Protein)第五章蛋白質(zhì)（Protein)1本章主要內(nèi)容（Content）

蛋白質(zhì)的一般性質(zhì)（Generalaspects)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)-水相互作用，影響蛋白質(zhì)水溶性的因素蛋白質(zhì)-脂的相互作用

蛋白質(zhì)的變性（Denaturation）蛋白質(zhì)變性產(chǎn)生的效應(yīng)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性的物理因素導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性的化學(xué)因素

本章主要內(nèi)容（Content）

蛋白質(zhì)的一般性質(zhì)（Gen2

蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)（FunctionalProperties）定義與分類

水化性質(zhì)溶解度與粘度、凝膠作用

組織化熱凝結(jié)和形成、纖維的形成熱塑擠壓、面團(tuán)

乳化性質(zhì)乳化能力與乳化穩(wěn)定性

起泡作用起泡性與泡沫穩(wěn)定性

蛋白質(zhì)的營養(yǎng)特性（Nutritionalproperties）

蛋白質(zhì)的開發(fā)利用（Utilization）

植物蛋白質(zhì)和動物蛋白質(zhì)：濃縮蛋白質(zhì)與分離蛋白質(zhì)

利用微生物生產(chǎn)蛋白質(zhì)——單細(xì)胞蛋白蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)（FunctionalProperti3第一節(jié)引言（Introduction）蛋白質(zhì)是構(gòu)成生物體的基本物質(zhì)。

病毒，細(xì)菌，激素，植物和動物細(xì)胞原生質(zhì)都是以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的。酶是蛋白質(zhì)

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)以千計的酶。蛋白質(zhì)是由20種氨基酸構(gòu)成的聚合物。第一節(jié)引言（Introduction）蛋白質(zhì)是構(gòu)成生物體4一、蛋白質(zhì)的分類：（一）根據(jù)組成分類

簡單蛋白質(zhì)（homoproteins）

在細(xì)胞中未經(jīng)酶催化改性的蛋白質(zhì)。僅含有氨基酸。

結(jié)合蛋白質(zhì)（conjugatedproteins）或雜蛋白質(zhì)（heteroproteins）經(jīng)過酶催化改性的或與非蛋白質(zhì)組分復(fù)合的蛋白質(zhì)。含有氨基酸和其它非蛋白質(zhì)化合物。

輔基（prostheticproteins）

結(jié)合蛋白中的非蛋白質(zhì)組分。一、蛋白質(zhì)的分類：（一）根據(jù)組成分類5結(jié)合蛋白質(zhì)包括：

核蛋白（Nucleoproteins）（核蛋白體）

糖蛋白（Glycoproteins)（卵清蛋白、κ-酪蛋白）

磷蛋白（Phosphoproteins）（α-和β-酪蛋白、激酶、磷酸化酶）

脂蛋白（Lipoproteins）（蛋黃蛋白質(zhì)、幾種肌漿蛋白質(zhì)）

金屬蛋白（Metalloproteins）（血紅蛋白、肌紅蛋白和幾種酶）。結(jié)合蛋白質(zhì)包括：核蛋白（Nucleoproteins）6（二）根據(jù)大體上的結(jié)構(gòu)形式分類球蛋白（Globularproteins）以球狀或橢圓狀存在的蛋白質(zhì)，由多肽鏈自身折疊而成；纖維狀蛋白（Fibrousproteins）棒狀分子，含有相互纏繞的線狀多肽鏈（例如，原肌球蛋白、膠原蛋白、角蛋白和彈性蛋白）。纖維狀蛋白也能由小的球狀蛋白經(jīng)線性聚集而成，例如肌動蛋白和血纖維蛋白。大多數(shù)酶是球狀蛋白，而纖維狀蛋白總是起著結(jié)構(gòu)蛋白的作用。（二）根據(jù)大體上的結(jié)構(gòu)形式分類球蛋白（Globularpr7二、蛋白質(zhì)的生物功能酶結(jié)構(gòu)蛋白收縮蛋白（肌球蛋白、肌動蛋白、微管蛋白）激素（胰島素、生長激素）傳遞蛋白（血清蛋白、鐵傳遞蛋白、血紅蛋白）抗體（免疫球蛋白）儲藏蛋白（蛋清蛋白、種子蛋白）儲藏蛋白主要存在于蛋和植物種子中。保護(hù)蛋白（毒素和過敏素）。二、蛋白質(zhì)的生物功能酶8肌束膜血管肌束肌內(nèi)膜,肌纖維衣肌外膜,肌外衣腱骨骼肌肌束膜血管肌束肌內(nèi)膜,肌纖維衣肌外膜,肌外衣腱骨骼肌9食品蛋白質(zhì)易于消化無毒富有營養(yǎng)顯示功能特性來源豐富食品蛋白質(zhì)易于消化10

表4-1常用食物的蛋白質(zhì)含量━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━食物蛋白質(zhì)食物蛋白質(zhì)食物蛋白質(zhì)

(%)(%)(%)─────────────────────────豬肉13.3-18.5雞蛋13.4花生25.8牛肉15.8-21.5稻米8.5大豆39.0羊肉14.3-18.7小麥12.4菠菜1.4雞肉21.5小米9.4油菜1.4肝18-19玉米8.6大白菜1.1腦7-9高梁9.6白蘿卜0.6鯉18.1小麥粉11.0桔子0.9牛乳3.5紅薯1.3蘋果0.2─────────────────────────表4-1常用食物的蛋白質(zhì)含量11第二節(jié)

氨基酸的物理化學(xué)性質(zhì)

一、氨基酸的一般性質(zhì)（一）一般結(jié)構(gòu)和分類蛋白質(zhì)含有碳、氫、氧和氮等元素，有些含有硫或磷元素，少數(shù)還含有鋅、鐵、銅、錳等元素。不同的蛋白質(zhì)其組成和結(jié)構(gòu)也不同。

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，其平均值為16%。第二節(jié)氨基酸的物理化學(xué)性質(zhì)

一、氨基酸的一般性質(zhì)12組成蛋白質(zhì)的氨基酸除了脯氨酸和羥脯氨酸外都是α－氨基酸。都是L-型的α-氨基酸。決定物化性質(zhì)

組成蛋白質(zhì)的氨基酸除了脯氨酸和羥脯氨酸外都是α－氨基酸。決定13蛋白質(zhì)中常見氨基酸根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)可歸納為六類中性氨基酸

一氨基,一羧基

Gly（甘）,Ala（丙）,VAL（纈）,LEU（亮）,ILE（異亮）酸性氨基酸

一氨基，二羧基

ASP（天冬），GLU（谷）堿性氨基酸

二氨基，一羧基

ARG（精），LYS（賴）含羥氨基酸一氨基，一羧基，一羥基

SER（絲），THR（蘇）含硫氨基酸一氨基，一羧基，一巰基

CYS（半胱氨酸），MET（蛋）含環(huán)氨基酸一氨基，一羧基，一環(huán)

PHE（苯丙）,TRP（色）,HIS（組）,PRO（脯）,TYR（酪）

蛋白質(zhì)中常見氨基酸根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)可歸納為六類中性氨基酸14按側(cè)鏈基團(tuán)的極性可分為四類非極性氨基酸或疏水性氨基酸。含有脂肪族（Ala、Ile、Leu、Met、Pro和Val）和芳香族側(cè)鏈的氨基酸(Phe，Trp)是疏水的。不帶電荷的極性氨基酸，側(cè)鏈與水結(jié)合氫鍵如：SER，THR，TYR，CYS，GLY。在pH7時(生理條件下)帶正電荷的極性氨基酸（堿性氨基酸），如LYS，ARG，HIS。在pH7時(生理條件下)帶負(fù)電荷的極性氨基酸（酸性氨基酸），如ASP，GLU。堿性和酸性氨基酸具有很強(qiáng)的親水性。

按側(cè)鏈基團(tuán)的極性可分為四類非極性氨基酸或疏水性氨基酸。含有脂15甘丙纈亮異脂鏈絲蘇半蛋羥硫添脯酪色苯雜芳環(huán)天谷精賴組酸堿甘丙纈亮異脂鏈16必需氨基酸有些氨基酸，機(jī)體合成不足，必需從食物或飼料中供給，如果食物或飼料中缺乏這些氨基酸，就會影響機(jī)體的正常生長和健康。人體必需氨基酸有LYS，PHE,VAL,MET,TRP,LEU,ILE及THR八種，此外，HIS對于嬰兒的營養(yǎng)也是必需的。

必需氨基酸有些氨基酸，機(jī)體合成不足，必需從食物或飼料中供給，17（二）氨基酸的立體化學(xué)除甘氨酸外都具有旋光性。在植物或動物組織的蛋白質(zhì)水解物中，僅發(fā)現(xiàn)Ｌ－型異構(gòu)體。

（二）氨基酸的立體化學(xué)除甘氨酸外都具有旋光性。18ILE和THR的

-碳原子也是不對稱的，因此他們都有4個對映體。

ILE和THR的-碳原子也是不對稱的，因此他們都有4個對映19（三）氨基酸的酸堿性質(zhì)：離子化

在中性pH范圍，α-氨基和羧基都處在離子化狀態(tài)，此時是偶極離子或兩性離子。兩性電解質(zhì)。偶極離子以電中性狀態(tài)存在時的pH被稱為等電點(diǎn)（pI）。

（三）氨基酸的酸堿性質(zhì)：離子化

在中性pH范圍，α-氨基和羧20當(dāng)—COO-和—COOH的濃度相等時的pH被稱為pKa1（即離解常數(shù)a1的負(fù)對數(shù)）。當(dāng)—NH3+和—NH2濃度相等時的pH被稱為pKa2。蛋白質(zhì)等離子點(diǎn):在沒有其他鹽類存在(純水)時,蛋白質(zhì)中質(zhì)子供體解離出的質(zhì)子數(shù)與質(zhì)子受體結(jié)合的質(zhì)子數(shù)相等時的pH,也即蛋白質(zhì)在純水中的等離子點(diǎn)為等電點(diǎn)。

當(dāng)—COO-和—COOH的濃度相等時的pH被稱為pKa1（即21除α-氨基和α-羧基外，Lys、Arg、His、Asp、Glu、Cys和Tyr的側(cè)鏈也含有可離子化的基團(tuán)。側(cè)鏈不含有帶電荷基團(tuán)的氨基酸，pI=（pKa1+pKa2）/2酸性氨基酸，pI=（pKa1+pKa3）/2堿性氨基酸，pI=（pKa2+pKa3）/2pI計算*：下標(biāo)1、2和3分別指出α-羧基、α-氨基和側(cè)鏈上可離子化的基團(tuán)。除α-氨基和α-羧基外，Lys、Arg、His、Asp、Gl22蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件23（四）氨基酸的疏水性蛋白質(zhì)在水中的溶解度主要取決于氨基酸組分側(cè)鏈上極性（帶電或不帶電）和非極性（疏水）基團(tuán)的分布。氨基酸在水中和極性溶劑（例如乙醇）中的相對溶解度決定著氨基酸以及多肽和蛋白質(zhì)的疏水性。如果不考慮活度系數(shù)，那么１摩爾氨基酸從乙醇轉(zhuǎn)移到水溶液的自由能變化可表示氨基酸的疏水性。

ΔGt（Et→W）（四）氨基酸的疏水性蛋白質(zhì)在水中的溶解度主要取決于氨基酸組分24ΔGt,Val=ΔGt,Gly+ΔGt,異丙基側(cè)鏈ΔGt,異丙基側(cè)鏈=ΔGt,Val-ΔGt,GlyΔGt,Val=ΔGt,Gly+ΔGt,異丙基側(cè)鏈25蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件26具有大的正的ΔGt的AA側(cè)鏈?zhǔn)杷詮?qiáng)優(yōu)先選擇處在有機(jī)相傾向于配置在蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部具有負(fù)的ΔGt的AA側(cè)鏈親水性的配置在蛋白質(zhì)分子的表面具有大的正的ΔGt的AA側(cè)鏈27（五）氨基酸的光學(xué)性質(zhì)Trp、Tyr和Phe在近紫外區(qū)（250-300nm）吸收光。Trp和Tyr在紫外區(qū)還顯示熒光。氨基酸所處環(huán)境的極性影響它們的吸收和熒光性質(zhì)，因此可以將氨基酸光學(xué)性質(zhì)的變化作為考察蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的手段。

（五）氨基酸的光學(xué)性質(zhì)Trp、Tyr和Phe在近紫外區(qū)（2528二、氨基酸的化學(xué)反應(yīng)性存在于游離氨基酸和蛋白質(zhì)分子中的反應(yīng)基團(tuán)

氨基、羧基、巰基、酚羥基、羥基、硫醚基（Met）、咪唑基和胍基

二、氨基酸的化學(xué)反應(yīng)性29與茚三酮反應(yīng)常用來定量游離氨基酸。1摩爾的氨基酸，產(chǎn)生1摩爾的氨、醛、CO2和二氫化茚亭。釋放出的氨隨即與1摩爾茚三酮和1摩爾二氫化茚亭反應(yīng)生成一種被稱為Ruhemann’s紫的紫色物質(zhì)，后者在570nm顯示最高吸收。脯氨酸和羥基脯氨酸產(chǎn)生一種黃色物質(zhì)，它在440nm顯示最高吸收。與茚三酮反應(yīng)常用來定量游離氨基酸。30與鄰-苯二甲醛反應(yīng)當(dāng)存在2-巰基乙醇時氨基酸與鄰-苯二甲醛反應(yīng)（1，2-苯二甲醛）反應(yīng)生成高熒光的衍生物，它在380nm激發(fā)時在450nm具有最高熒光發(fā)射。與鄰-苯二甲醛反應(yīng)31與熒光胺反應(yīng)含有伯胺的氨基酸、肽和蛋白質(zhì)與熒光胺反應(yīng)成高熒光的衍生物，它在390nm激發(fā)時，在475nm具有最高熒光發(fā)射。此法能被用于定量氨基酸以及蛋白質(zhì)和肽。

與熒光胺反應(yīng)含有伯胺的氨基酸、肽和蛋白質(zhì)與熒光胺反應(yīng)成高熒光32第三節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)（一）一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)指氨基酸在蛋白質(zhì)分子中按一定順序以肽鍵連接形成多肽鏈。構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要氨基酸有20種。一、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)水平第三節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)（一）一級結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)水平33

C—N鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)C—O鍵僅有60%的雙鍵性質(zhì)而C—N鍵亦有40%的雙鍵性質(zhì).C—N鍵不能旋轉(zhuǎn)，這對蛋白質(zhì)的的空間結(jié)構(gòu)有很大影響。N-Cα和Cα-C鍵具有轉(zhuǎn)動自由度，分別被定義為φ和ψ兩面角，也稱為主鏈扭轉(zhuǎn)角。理論上φ和ψ具有360度轉(zhuǎn)動自由度，但實(shí)際轉(zhuǎn)動自由度由于Cα原子上側(cè)鏈原子的立體位阻而被限制.C—N鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)C—O鍵僅有60%的雙鍵性34多肽鏈主鏈基本上可被描述為通過Cα原子連結(jié)的一系列-Cα-CO-NH-Cα-平面

多肽鏈主鏈基本上可被描述為通過Cα原子連結(jié)的一系列-Cα35蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件36幾乎所有的蛋白質(zhì)肽鍵都以反式構(gòu)型存在在熱力學(xué)上反式比順式穩(wěn)定幾乎所有的蛋白質(zhì)肽鍵都以反式構(gòu)型存在在熱力學(xué)上反式比順式穩(wěn)定37（二）二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

多肽鏈的某些部分的氨基酸殘基周期性的（有規(guī)則的）空間排列，即沿著肽鏈軸所采取的特有的空間結(jié)構(gòu)。連續(xù)的氨基酸殘基采取同一套φ和ψ扭轉(zhuǎn)角時就形成周期性的結(jié)構(gòu)。氨基酸殘基側(cè)鏈之間近鄰或短距離的非共價相互作用導(dǎo)致局部自由能下降，這就驅(qū)動了φ和ψ角的扭轉(zhuǎn)。非周期性或隨機(jī)結(jié)構(gòu)是指連續(xù)的氨基酸殘基具有不同套的φ和ψ扭轉(zhuǎn)角所形成的區(qū)域。（二）二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)多肽鏈的某些部分的氨基酸殘381.螺旋結(jié)構(gòu)連續(xù)的氨基酸殘基的φ和ψ角按同一套值扭轉(zhuǎn)。通過選擇不同的φ角和ψ角組合，理論上可能產(chǎn)生幾種幾何形狀的螺旋結(jié)構(gòu)。在蛋白質(zhì)分子中僅存在三種螺旋結(jié)構(gòu)，即α-螺旋、310-螺旋和π-螺旋。1.螺旋結(jié)構(gòu)連續(xù)的氨基酸殘基的φ和ψ角按同一套值扭轉(zhuǎn)。39α-螺旋每圈包含3.6個AA殘基。每一個AA轉(zhuǎn)角為100?。側(cè)鏈按垂直于螺旋的軸的方向定向。依靠氫鍵穩(wěn)定。每一個殘基的N-H基與前面第四個殘基的C=O基形成氫鍵，在此氫鍵圈中包含13個主鏈原子；于是α-螺旋有時也被稱為3.613螺旋。氫鍵平行于螺旋軸而定向。氫鍵的N、H和O原子幾乎處在一條直線上。α-螺旋能以右手和左手螺旋兩種方式存在，右手螺旋較穩(wěn)定。天然蛋白質(zhì)中只存在右手α-螺旋。α-螺旋每圈包含3.6個AA殘基。每一個AA轉(zhuǎn)角為100?。40AlphahelixAlphahelix41蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件42脯氨酸殘基的影響在脯氨酸殘基中，N-Cα鍵不可能再轉(zhuǎn)動，φ角具有70°的固定值。由于在N原子上不存在H，不能形成氫鍵。脯氨酸殘基的上述兩個特征使含有脯氨酸殘基的片斷不能形成α-螺旋。

脯氨酸殘基α-螺旋的中止物。脯氨酸殘基含量高的蛋白質(zhì)傾向于采取隨機(jī)或非周期性的結(jié)構(gòu)。

在β-酪蛋白和αs1-酪蛋白中脯氨酸殘基分別占氨基酸殘基數(shù)的17%和8.5%，在這兩種蛋白質(zhì)分子中不存在α-螺旋結(jié)構(gòu)。脯氨酸殘基的影響在脯氨酸殘基中，N-Cα鍵不可能再轉(zhuǎn)動，φ角43聚脯氨酸能形成兩種結(jié)構(gòu)聚脯氨酸I

左手螺旋，每圈3.3AA殘基，肽鍵為順式結(jié)構(gòu)聚脯氨酸II

左手螺旋，每圈3AA殘基，肽鍵為反式結(jié)構(gòu)。聚脯氨酸II比聚脯氨酸I更穩(wěn)定這種結(jié)構(gòu)存在于膠原蛋白中聚脯氨酸能形成兩種結(jié)構(gòu)聚脯氨酸I左手螺旋，每圈3.3A44蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件45Aspecialaminoacidsequencemakesthetightcollagentriplehelixparticularlystable.Everythirdaminoacidisaglycine,andmanyoftheremainingaminoacidsareprolineorhydroxyproline.Inthisstructure,theresearchersplacedalargeralanineaminoacidinthepositionnormallyoccupiedbyglycine,showingthatitcrowdstheneighboringchains.Aspecialaminoacidsequence462.β-折疊片結(jié)構(gòu)一種據(jù)齒形結(jié)構(gòu)。它比α螺旋較為伸展2.β-折疊片結(jié)構(gòu)一種據(jù)齒形結(jié)構(gòu)。它比α螺旋較為伸展47BetasheetBetasheet48蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件49主鏈上的氨基酸殘基的側(cè)鏈按垂直于片狀結(jié)構(gòu)的平面定向。氫鍵只可能在多肽鏈的兩個片斷之間形成。在反平行β-折疊片結(jié)構(gòu)中，N-H…O原子處在一條直線上（0氫鍵角），增加了氫鍵的穩(wěn)定性。反平行β-折疊片結(jié)構(gòu)比平行β-折疊片結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。

主鏈上的氨基酸殘基的側(cè)鏈按垂直于片狀結(jié)構(gòu)的平面定向。50含有高比例的β-折疊片結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)一般呈現(xiàn)高變性溫度。當(dāng)α-螺旋類型的蛋白質(zhì)溶液經(jīng)加熱和冷卻時，α-螺旋結(jié)構(gòu)通常轉(zhuǎn)變成β-折疊片結(jié)構(gòu)。β-折疊片結(jié)構(gòu)不會轉(zhuǎn)變成α-螺旋結(jié)構(gòu)。含有高比例的β-折疊片結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)一般呈現(xiàn)高變性溫度。51β-彎曲（β-bend）或β-旋轉(zhuǎn)（β-turn)β-折疊片結(jié)構(gòu)中多肽鏈反轉(zhuǎn)180°就形成β-旋轉(zhuǎn)。一個β-旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包含4個氨基酸殘基，此結(jié)構(gòu)由氫鍵所穩(wěn)定。最常見于β-旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的氨基酸殘基是Asp、Cys、Asn、Gly、Tyr和Pro。β-彎曲（β-bend）或β-旋轉(zhuǎn)（β-turn)β-折疊片52BetaturnBetaturn53蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件54（三）三級結(jié)構(gòu)

（三）三級結(jié)構(gòu)

55三級結(jié)構(gòu)的形成包括在蛋白質(zhì)中各種不同的基團(tuán)之間相互作用（疏水、靜電和范德華爾）和氫鍵的優(yōu)化，使得蛋白質(zhì)分子的自由能盡可能地降至最低。一級結(jié)構(gòu)決定著蛋白質(zhì)分子的形狀。含有大量的并均勻地分布在氨基酸序列中的親水性氨基酸殘基的蛋白質(zhì)分子將呈拉長或棒狀。含有大量的疏水性氨基酸殘基的蛋白質(zhì)分子將呈球狀。

大多數(shù)蛋白質(zhì)由１００個以上的氨基酸殘基構(gòu)成。三級結(jié)構(gòu)的形成包括在蛋白質(zhì)中各種不同的基團(tuán)之間相互作用（疏水56Structuressuchastheballandstick(topleft)orspacefilling(topright)versionsofmyoglobin

arecompleteandaccurate,butarebitoverwhelming.Structuressuchastheballan57Moreschematicrepresentationssuchastheribbondiagram(right)omitunnecessarydetail,butsucceedinhighlightingspecificaspectsofstructuresuchasthehelicalcomponents.Moreschematicrepresentations58蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件59蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件60（四）四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)亞基非共價結(jié)合的結(jié)果。穩(wěn)定四級結(jié)構(gòu)的鍵或力除了二硫鍵外和穩(wěn)定三級結(jié)構(gòu)的是相同的。

（四）四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)61蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件62蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件63（五）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的相互作用和鍵---穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用力蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象(conformation)是一種熱力學(xué)狀態(tài)，在此狀態(tài)有利的相互作用達(dá)到最大，不利的相互作用降到最小。蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性使蛋白質(zhì)分子能達(dá)到和保持它們的天然構(gòu)象的一種狀態(tài)，但這并不排除生理功能所必需的構(gòu)象的調(diào)整。影響蛋白質(zhì)折疊的作用力包括兩類：（a）蛋白質(zhì)分子固有的作用力所形成的分子內(nèi)相互作用。范德華相互作用（VanderWaalsinteraction）和空間相互作用（stericinteraction）（b）受周圍溶劑影響的分子內(nèi)相互作用。氫鍵、靜電相互作用和疏水相互作用。構(gòu)型和構(gòu)象的區(qū)別（a）構(gòu)象（Conformation）：由C—C單鍵（σ鍵）旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的原子或基團(tuán)在空間排列的無數(shù)特定的形象稱為構(gòu)象，這種由C—C單鍵旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的異構(gòu)體稱為旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體或構(gòu)象異構(gòu)體。

（b）構(gòu)型（Configuration）：指具有一定構(gòu)造的分子中的原子或基團(tuán)的固有空間排列。構(gòu)型的轉(zhuǎn)變必須依靠共價鍵的斷裂和生成。α、β構(gòu)型；R、S構(gòu)型；L、D構(gòu)型（五）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的相互作用和鍵---穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的641.空間相互作用大多數(shù)氨基酸殘基含有龐大的側(cè)鏈，某些扭角是不可能存在的。理論上φ和ψ角在具有360°的轉(zhuǎn)動自由度，實(shí)際上由于側(cè)鏈原子的空間位阻而使它們的轉(zhuǎn)動受到很大的限制。

2.VanderWaals

相互作用存在于原子之間。原子間距離較大，相互作用??；距離減小，吸引力逐漸增大；如果距離進(jìn)一步減小，斥力將增大。中性原子之間偶極-誘導(dǎo)偶極和誘導(dǎo)偶極-誘導(dǎo)偶極相互作用。吸引和排斥

吸引能6次方反比于相互作用的原子間的距離，而排斥相互作用7次方反比于該距離。范德華爾相互作用對于蛋白質(zhì)的折疊和穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)是很顯著的。1.空間相互作用大多數(shù)氨基酸殘基含有龐大的側(cè)鏈，某些扭653.靜電相互作用

蛋白質(zhì)含有一些帶有可離解基團(tuán)的氨基酸殘基。在中性pH，Asp和Glu殘基帶負(fù)電荷，而Lys、Arg和His帶正電荷；在堿性pH，Cys和Tyr殘基帶負(fù)電荷。在中性pH，蛋白質(zhì)分子帶凈的負(fù)電荷或凈的正電荷，這取決于分子中負(fù)電荷和正電荷殘基的相對數(shù)目。蛋白質(zhì)分子凈電荷為0時的pH被定義為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)（pI）。等離子點(diǎn)是指不存在電解質(zhì)時蛋白質(zhì)溶液的pH。3.靜電相互作用66除少數(shù)例外，蛋白質(zhì)中幾乎所有的帶電基團(tuán)都分布在分子的表面。排斥作用或許會導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。吸引作用有助于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。處在蛋白質(zhì)分子表面的帶電基團(tuán)對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性沒有重要的貢獻(xiàn)。

水溶液中水的介電常數(shù)高，引力和排斥力均小。處在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的帶電基團(tuán)對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要的影響環(huán)境的介電常數(shù)比水的小，引力和排斥力均大。除少數(shù)例外，蛋白質(zhì)中幾乎所有的帶電基團(tuán)都分布在分子的表面。674.氫鍵主要通過羰基及亞氨基通過氫氧而形成的一種鍵。蛋白質(zhì)含有一些能形成氫鍵的基團(tuán)。可在兩肽鏈間，或一條肽鏈的不同部位形成氫鍵。在α-螺旋和β-折疊片結(jié)構(gòu)中肽鍵的N-H和C=O之間形成了最大數(shù)目的氫鍵。氫鍵對于維持蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)，保持蛋白質(zhì)穩(wěn)定性，起著重要的作用。4.氫鍵主要通過羰基及亞氨基通過氫氧而形成的一種鍵。68蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件695.疏水相互作用

在水溶液中，非極性基團(tuán)之間的疏水相互作用是水與非極性基團(tuán)之間熱力學(xué)上不利的相互作用的結(jié)果。在水溶液中水結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的非極性基團(tuán)之間的相互作用被稱為疏水相互作用。在蛋白質(zhì)中，氨基酸殘基非極性側(cè)鏈之間的疏水相互作用是蛋白質(zhì)折疊成獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)的主要原因，5.疏水相互作用

在水溶液中，非極性基團(tuán)之間的疏水相互作用是706.二硫交聯(lián)

二硫鍵(-S-S-)兩個硫原子間的化學(xué)鍵由二個半胱氨酸分子通過脫氫氧化而結(jié)合成的一種化學(xué)鍵。鍵能很大（30-100千卡/摩爾），對穩(wěn)定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)起著重要作用。二硫鍵數(shù)目多、穩(wěn)定，如毛、發(fā)。天然存在于蛋白質(zhì)中的唯一的共價側(cè)鏈交聯(lián)。既能存在于分子內(nèi)，也能存在于分子間。在單體蛋白質(zhì)中二硫鍵的形成是蛋白質(zhì)折疊的結(jié)果。二硫鍵一旦形成就能幫助穩(wěn)定蛋白質(zhì)的折疊結(jié)構(gòu)。6.二硫交聯(lián)

二硫鍵(-S-S-)兩個硫原子間的717.金屬離子一些蛋白質(zhì)結(jié)合特定的金屬離子，如鈣，鎂和鈉離子等。這種結(jié)合能穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的機(jī)制或許是通過中和電荷的效應(yīng)和促進(jìn)其他相互作用（疏水相互作用使蛋白質(zhì)的分子構(gòu)型更牢固)。α-淀粉酶蛋白鈣穩(wěn)定酶蛋白的構(gòu)象。牛乳清蛋白天然結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的必需條件是結(jié)合鈣離子?？傊?，一個獨(dú)特的三維蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成是各種排斥和吸引的非共價相互作用以及幾個共價二硫鍵的凈結(jié)果。

7.金屬離子一些蛋白質(zhì)結(jié)合特定的金屬離子，如鈣，鎂和鈉離子72第四節(jié)蛋白質(zhì)的變性

蛋白質(zhì)變性的一般概念蛋白質(zhì)變性（proteindenaturation）是指蛋白質(zhì)在某些物理和化學(xué)因素作用下其特定的空間構(gòu)象被改變，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)的改變和生物活性的喪失，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)變性。

在某些情況下，變性過程是可逆的，例如，有的蛋白質(zhì)在加熱時發(fā)生變性，冷卻后，又可復(fù)原。

可逆變性一般只涉及蛋白質(zhì)分子的三級和四級結(jié)構(gòu)變化，

不可逆變性能使二級結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化。如果二硫鍵起著穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用，那么它的斷裂往往導(dǎo)致不可逆的變性。一、概述第四節(jié)蛋白質(zhì)的變性蛋白質(zhì)變性的一般概念一、概述73蛋白質(zhì)變性后其物理化學(xué)性質(zhì)變化表現(xiàn)為：

（１）因疏水性基團(tuán)的暴露而導(dǎo)致溶解度的下降（２）結(jié)合水能力的改變（３）失去生物活力（酶活力或免疫活力）（４）對蛋白酶的敏感性（肽鍵暴露）（５）蛋白質(zhì)固有粘度增加（６）沒有結(jié)晶能力蛋白質(zhì)變性后其物理化學(xué)性質(zhì)變化表現(xiàn)為：

74

引起蛋白質(zhì)變性的因素物理因素：溫度、紫外線、超聲波、高壓等?；瘜W(xué)因素：酸、堿、有機(jī)溶劑、重金屬鹽類、脲、胍、表面活性劑等。引起蛋白質(zhì)變性的因素75二、引起蛋白質(zhì)變性的因素1.熱最常見的變性現(xiàn)象，熱變性。熱變性所需溫度與蛋白質(zhì)本質(zhì)、純度和pH值有關(guān)。蛋白質(zhì)受熱變性的機(jī)理

在較高溫度下，保持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的那些副鍵斷裂，破壞了肽鏈的特定排列，原來在分子內(nèi)部的一些非極性基團(tuán)暴露到了分子的表面，因而降低了蛋白質(zhì)的溶解度，促進(jìn)了蛋白質(zhì)分子之間相互結(jié)合而凝集，形成不可逆的凝膠而凝固。（一）物理因素二、引起蛋白質(zhì)變性的因素1.熱（一）物理因素76氫鍵、靜電和范德華爾相互作用具有放熱的性質(zhì)。它們在高溫下去穩(wěn)定而在低溫下穩(wěn)定。疏水相互作用是吸熱的。它們在高溫下穩(wěn)定，而在低溫下去穩(wěn)定。然而，疏水相互作用的穩(wěn)定性也不會隨溫度的提高而無限制地增強(qiáng)疏水相互作用的強(qiáng)度在60-70℃時達(dá)到最高。構(gòu)象熵：－TSconf氫鍵、靜電和范德華爾相互作用具有放熱的性質(zhì)。它們在高溫下去穩(wěn)77蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件78一般認(rèn)為，溫度愈低蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性愈高，但并非總是如此。肌紅蛋白和T4噬菌體突變株溶菌酶－冷誘導(dǎo)變性。一般認(rèn)為，溫度愈低蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性愈高，但并非總是如此。79極性和非極性相互作用對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的影響蛋白質(zhì)的分子中極性相互作用超過非極性相互作用，蛋白質(zhì)在凍結(jié)溫度和低于凍結(jié)溫度時比較高溫度時更穩(wěn)定。蛋白質(zhì)的穩(wěn)定主要依靠疏水相互作用時，蛋白質(zhì)在室溫時比在凍結(jié)溫度時更穩(wěn)定。

極性和非極性相互作用對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的影響蛋白質(zhì)的分子中極性相80含有較高比例的疏水性氨基酸殘基（尤其是Val、Ile、Leu和Phe）的蛋白質(zhì)比親水性較強(qiáng)的蛋白質(zhì)一般更為穩(wěn)定。蛋白質(zhì)的平均疏水性和熱變性溫度之間的正相關(guān)只是一個近似，二硫鍵、鹽橋等對蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性也有貢獻(xiàn)。含有較高比例的疏水性氨基酸殘基（尤其是Val、Ile、Leu81影響熱變性的因素（１）組成蛋白質(zhì)的氨基酸的種類

蛋白質(zhì)分子中的-SH含量與變性蛋白質(zhì)在水中凝固作用成正比。如大豆蛋白質(zhì)(含硫氨基酸較少)脯氨酸或羥脯氨酸能阻礙蛋白質(zhì)分子彼此形成交聯(lián)，使蛋白質(zhì)不易凝固。如醇溶谷蛋白(含脯及羥脯氨酸較多)。影響熱變性的因素（１）組成蛋白質(zhì)的氨基酸的種類82蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件83（２）溫度蛋白質(zhì)凝固的溫度因其種類而不同，一般是在50-70℃之間容易凝固的蛋白質(zhì)有可溶性清蛋白和球蛋白。如牛乳中含有酪蛋白，有少許乳清蛋白，所以在一般情況下，牛乳不易凝。（２）溫度蛋白質(zhì)凝固的溫度因其種類而不同，84蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件85（３）水水分愈少所需變性溫度愈高。水能顯著地促進(jìn)蛋白質(zhì)的熱變性。干蛋白質(zhì)粉對熱變性是非常穩(wěn)定的。

在干燥狀態(tài)，蛋白質(zhì)具有靜止的結(jié)構(gòu)，多肽鏈段的移動受到限制。水分含量的增加，水合作用和水部分地穿透至蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的空洞的表面導(dǎo)致蛋白質(zhì)的腫脹。蛋白質(zhì)的腫脹提高了多肽鏈的移動性和柔性，使蛋白質(zhì)分子可以采取動力學(xué)上更為熔融的結(jié)構(gòu)，當(dāng)加熱時，此動力學(xué)上柔性結(jié)構(gòu)比起干燥狀態(tài)能提供給水更多的機(jī)會接近鹽橋和肽的氫鍵，于是造成較低的Td值。（３）水水分愈少所需變性溫度愈高。86蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件87蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件88（４）電解質(zhì)

蛋白質(zhì)凝固溫度因電解質(zhì)的存在而降低，其反應(yīng)速度則增加，化合價大的離子易使蛋白質(zhì)凝固。例如制造豆腐時，豆?jié){中的球蛋白僅加熱是不會凝固的，但在70℃以上添加氯化鎂或硫酸鈣即可凝固。

（５）氫離子濃度

蛋白質(zhì)凝固溫度，亦受氫離子濃度的影響，一般在等電點(diǎn)范圍內(nèi)，最易凝固（分子間容易靠近）。加酸過多至pH4.8以下，則凝固溫度上升，甚至不會凝固。

（４）電解質(zhì)892.冷低溫能導(dǎo)致一些蛋白質(zhì)的變性。

一些在室溫下穩(wěn)定的酶在０℃時變得較不穩(wěn)定。一些蛋白質(zhì)在低溫時聚集或沉淀。

高疏水性－極性氨基酸比例的組成及結(jié)構(gòu)決定疏水相互作用，易低溫變性。

2.冷低溫能導(dǎo)致一些蛋白質(zhì)的變性。903.機(jī)械處理揉搓、振動、打擦等操作產(chǎn)生的機(jī)械剪切可能使蛋白質(zhì)變性。揉搓或滾壓產(chǎn)生剪切力可打破α螺旋。當(dāng)一個轉(zhuǎn)動的葉片產(chǎn)生高剪切時，造成亞音速的脈沖，在葉片的尾隨邊緣也出現(xiàn)空化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。剪切速度愈高，蛋白質(zhì)變性程度愈高。高溫和高剪切力相結(jié)合能導(dǎo)致蛋白質(zhì)不可逆的變性。3.機(jī)械處理揉搓、振動、打擦等操作產(chǎn)生的機(jī)械剪切可能使蛋白914.壓力壓力誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變性主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是柔性的和可壓縮的。球狀蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部有一些空穴仍然存在，這使得蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)具有可壓縮性。壓力誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)變性是高度可逆的。大多數(shù)纖維蛋白無空穴，故其對靜水壓的穩(wěn)定性較高。大多數(shù)蛋白質(zhì)在100~1200Mpa壓力下誘導(dǎo)變性。壓力誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變的中點(diǎn)出現(xiàn)在400~800Mpa。高壓處理：滅菌和蛋白質(zhì)的凝膠。4.壓力壓力誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變性主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是柔性的和可壓縮925.輻照

芳香族氨基酸殘基吸收紫外線，若能量高，能打斷二硫鍵。其它射線能起氧化或打破共價鍵作用。

6.界面

當(dāng)分子吸附在水和空氣、水和非水液體或水和固體的界面時，通常會導(dǎo)致不可逆變性。

5.輻照93（二）引起蛋白質(zhì)變性的化學(xué)因素

1.

pH常溫下，大多數(shù)蛋白質(zhì)僅在pH4-10的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。酸堿引起蛋白質(zhì)變性的機(jī)理蛋白質(zhì)溶液pH值的改變導(dǎo)致多肽鏈中某些基團(tuán)發(fā)生解離，從而破壞了靜電作用形成的鍵。蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時比在任何其他pH值時對變性作用更加穩(wěn)定（自身不容易展開）在中性pH附近，凈負(fù)電推斥能量小于其他穩(wěn)定蛋白質(zhì)的相互作用的能量，因此大多數(shù)蛋白質(zhì)是穩(wěn)定的。在極端pH值，高靜電荷引起的強(qiáng)烈的分子內(nèi)電推斥力導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子的腫脹和展開。

（二）引起蛋白質(zhì)變性的化學(xué)因素

1.

pH常溫下，大94

pH誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)變性多數(shù)是可逆的

然而，如果肽鍵的部分水解，Asn和Gln的脫酰胺，巰基的破壞，或者聚集作用能導(dǎo)致蛋白質(zhì)的不可逆變性。

酸和堿可以加速熱變性。

一般水果罐頭的殺菌溫度較蔬菜低。蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件952.金屬

堿金屬作用有限，堿土金屬具有較高的能力，過渡金屬容易反應(yīng)，其中許多能形成絡(luò)合物。用螯合劑除去這些金屬離子，降低蛋白質(zhì)對熱和蛋白酶的穩(wěn)定性。

3.有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑以不同的方式影響蛋白質(zhì)的疏水相互作用、氫鍵和靜電相互作用。在蛋白質(zhì)水溶液中加入大量的有機(jī)溶劑，能引起蛋白質(zhì)的變性作用主要是影響蛋白質(zhì)的疏水相互作用

非極性側(cè)鏈在有機(jī)溶劑中比在水中更易溶解，因此會削弱疏水相互作用。2.金屬964.有機(jī)化合物的水溶液（1）一些有機(jī)化合物，如脲素和鹽酸胍（GuHCl）的水溶液，能打斷氫鍵導(dǎo)致蛋白質(zhì)不同程度的變性。這些物質(zhì)通過提高疏水氨基酸殘基在水相的濃度，也降低了疏水相互作用。（2）表面活性劑是強(qiáng)有力的變性劑。其作用如同蛋白質(zhì)疏水區(qū)和親水環(huán)境的媒介物，打斷了疏水相互作用。

4.有機(jī)化合物的水溶液（1）一些有機(jī)化合物，如脲素和鹽酸胍975.促溶鹽（chaotropicsalts）和變性鹽以兩種不同的方式影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。

在低濃度時，離子通過非特異性的靜電相互作用與蛋白質(zhì)作用，此類蛋白質(zhì)電荷的靜電中和一般穩(wěn)定了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。完全的電荷中和出現(xiàn)在離子強(qiáng)度等于或低于0.2，與鹽的性質(zhì)無關(guān)。

在較高的濃度（>1M），鹽具有影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的離子特異效應(yīng)，像Na2SO4和NaF這樣的鹽能促進(jìn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而NaSCN和NaClO4的作用相反。5.促溶鹽（chaotropicsalts）和變性鹽以兩98陰離子對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響甚于陽離子圖6-17各種鈉鹽對處在pH7.0下β-乳球蛋白變性溫度的影響。Δ-NaCl，□-NaBr，●-NaClO4，▲-NaSCN，■-脲素,o–Na2SO4陰離子對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響甚于陽離子圖6-17各種鈉鹽對處99在等離子強(qiáng)度下各種陰離子影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的能力一般遵循下面順序（Hofmeister系列）系列。

F-<SO42-<Cl-<Br-<I-<ClO4-<SCN-<Cl3CCOO-

氟化物、氯化物和硫酸鹽是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑，而其它陰離子鹽是結(jié)構(gòu)去穩(wěn)定劑。NaSCN和NaClO4是強(qiáng)變性劑。高濃度的鹽總是對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。在等離子強(qiáng)度下各種陰離子影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的能力一般遵循下100穩(wěn)定蛋白質(zhì)的鹽能促進(jìn)蛋白質(zhì)的水合作用并與蛋白質(zhì)微弱地結(jié)合。使蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的鹽能降低蛋白質(zhì)的水合作用并與蛋白質(zhì)強(qiáng)烈地結(jié)合。穩(wěn)定蛋白質(zhì)的鹽能促進(jìn)蛋白質(zhì)的水合作用并與蛋白質(zhì)微弱地結(jié)合。101（六）還原劑還原劑能還原蛋白質(zhì)分子中的二硫鍵交聯(lián)，因而改變了蛋白質(zhì)的構(gòu)象。

（六）還原劑還原劑能還原蛋白質(zhì)分子中的二硫鍵交聯(lián)，因而改變了102第五節(jié)蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)

FunctionalPropertiesofProteins一、蛋白質(zhì)水合二、蛋白質(zhì)溶解度三、蛋白質(zhì)的界面性質(zhì)乳化氣泡四、風(fēng)味結(jié)合五、粘度六、凝膠化作用第五節(jié)蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)

FunctionalProp103食品蛋白質(zhì)的“功能性質(zhì)”在食品加工、保藏、制備和消費(fèi)期間影響蛋白質(zhì)在食品體系中的性能的那些蛋白質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)。Functionality：physicalandchemicalpropertieswhichaffectthebehaviorofproteinsinfoodsystemsduringprocessing,storage,preparationandconsumption。食品蛋白質(zhì)的“功能性質(zhì)”在食品加工、保藏、制備和消費(fèi)期間影響104Functionalpropertiesofprotein粘度｛viscosity(thickening)｝凝膠作用（gelation）組織好（texturization）濕潤性（wettability）分散性（dispersibility）溶解度（solubility）起泡性（foaming）乳化性（emulsification）風(fēng)味結(jié)合（flavorbinding

）Functionalpropertiesofprote105食品蛋白質(zhì)在食品體系中的功能作用食品蛋白質(zhì)在食品體系中的功能作用106與蛋白質(zhì)功能性質(zhì)相關(guān)的物理和化學(xué)性質(zhì)

physicalandchemicalproperties

大小（size）形狀（shape)氨基酸組成和順序（aminoacidcompositionandsequence）凈電荷和電荷的分布（netchargeanddistributionofcharges）疏水性和親水性之比（hydrophobicity/hydrophilicityratio）二級、三級和四級結(jié)構(gòu)（secondary,tertiary,andquaternarystructures）分子柔性和剛性（molecularflexibility/rigidity）蛋白質(zhì)分子間相互作用和同其它組分作用的能力（abilitytointeract/reactwithothercomponents）。

與蛋白質(zhì)功能性質(zhì)相關(guān)的物理和化學(xué)性質(zhì)

physicala107蛋白質(zhì)的兩類分子性質(zhì)

Twomolecularaspectsofproteins流體動力學(xué)性質(zhì)（hydrodynamicproperties）

粘度、膠凝和組織化……流體動力學(xué)性質(zhì)……大小、形狀和柔性。蛋白質(zhì)表面性質(zhì)（proteinsurface-relatedproperties）。

濕潤性、分散性、溶解性、起泡、乳化以及與脂肪與風(fēng)味物的結(jié)合……蛋白質(zhì)表面的化學(xué)性質(zhì)和地形性質(zhì)（topographicalproperties）。

蛋白質(zhì)的兩類分子性質(zhì)

Twomolecularaspe108食品蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)可以分成三個主要類別：（1）

水合性質(zhì)（Hydration，蛋白質(zhì)－水的相互作用）

包括水吸收及保留、濕潤性、腫脹、粘著性、分散性、溶解度和粘度。

（2）蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用（Protein－proteininteraction）包括沉淀作用、膠凝作用和形成各種其它結(jié)構(gòu)（蛋白質(zhì)面團(tuán)和纖維）。

（3）表面性質(zhì)（proteinsurface-relatedproperties

）

主要關(guān)系到蛋白質(zhì)的表面張力、乳化作用和泡沫特征。食品蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)可以分成三個主要類別：（1）

水合性質(zhì)（109一、蛋白質(zhì)的水合（ProteinHydration）Theinteractionofwaterwithotherfoodconstituents取決于水-蛋白質(zhì)相互作用的蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)：分散性、濕潤性、腫脹、溶解性、增稠、粘度、持水能力、膠凝作用、凝結(jié)、乳化和起泡。一、蛋白質(zhì)的水合（ProteinHydration）T1101水與蛋白質(zhì)分子一些基團(tuán)的相互作用離子-偶極相互作用偶極-偶極相互作用偶極-誘導(dǎo)偶極相互作用疏水相互作用

1水與蛋白質(zhì)分子一些基團(tuán)的相互作用111蛋白質(zhì)結(jié)合水的能力（水合能力）

waterbindingcapacity(WBC)ofproteins

定義：當(dāng)干蛋白質(zhì)粉與相對濕度為90-95%的水蒸汽達(dá)到平衡時，每克蛋白質(zhì)所結(jié)合的水的克數(shù)。Gramsofwaterboundpergramofproteinwhenadryproteinpowderisequilibratedwithwatervaporat90-95%relativehumidity.蛋白質(zhì)結(jié)合水的能力（水合能力）

waterbinding112WBC----aminoacidcompositionChargedgroups:6molwater/molresidueunchagedgroups:2molwater/molresidueNonpolargroup:1molwater/molresidueThegreaterthenumberofchargedresidues,thegreateristheWBC.蛋白質(zhì)的水合能力部分地與它的氨基酸組成有關(guān)，帶電的氨基酸殘基數(shù)目愈大，水合能力愈大。WBC----aminoacidcomposition蛋113a:gwater/gproteinfC:chargedresiduesintheproteinfP:polarresiduesintheproteinfN:nonpolarresiduesintheproteina:gwater/gprotein114表5-14各種蛋白質(zhì)的水合能力表5-14各種蛋白質(zhì)的水合能力115

干蛋白質(zhì)水分子通過與極性部位多層水吸附

結(jié)合而被吸附

蛋白質(zhì)的水化過程

（1）（2）液態(tài)水凝聚（3）腫脹（4）溶劑分散（5）

溶液腫脹的不溶性粒子或塊

116蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件117Severalenvironmentalfactors,suchaspH,ionicstrength,typeofsalts,temperature,andproteinconformation,influencethewaterbindingcapacityofproteins.Severalenvironmentalfactors,118（1）pH

影響蛋白質(zhì)分子的離子化作用和凈電荷數(shù)值，從而改變蛋白質(zhì)分子間的吸引力和推斥力以及蛋白質(zhì)分子同水結(jié)合的能力。attheirisoelectricpHleasthydrationAboveandbelowtheisoelectricpHproteinsswellandbindmorewater（1）pH影響蛋白質(zhì)分子的離子化作用和凈電荷數(shù)值，從而改119（2）Ionicstrengthatlowconcentrations(<0.2M)saltsincreasethewaterbindingcapacityofproteinsathighsaltconcentrationsresultsindehydrationoftheprotein.（2）Ionicstrengthatlowconc120（3）TemperatureA．加熱時，變性和凝聚作用，降低蛋白質(zhì)的表面積及極性氨基酸的有效性。另一方面，加熱時，內(nèi)部的疏水性氨基酸轉(zhuǎn)向表面。B.一些蛋白質(zhì)，如乳清蛋白，加熱時形成凝膠。如將凝膠干燥，蛋白質(zhì)網(wǎng)中毛細(xì)管作用力使蛋白質(zhì)吸收的能力顯著地增加。WBCofproteinsgenerallydecreasesasthetemperatureisraised.

溫度升高后，氫鍵作用和離子基團(tuán)的水合作用減弱。（3）TemperatureA．加熱時，變性和凝聚作用，降121變性蛋白質(zhì)結(jié)合水的能力一般比天然蛋白質(zhì)約高10%。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)變性時，隨著一些原來埋藏的疏水基團(tuán)的暴露，表面積與體積之比增加。然而，如果變性導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集，蛋白質(zhì)結(jié)合水的能力會由于蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用而下降。（4）DenaturationofProteins變性蛋白質(zhì)結(jié)合水的能力一般比天然蛋白質(zhì)約高10%。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)122二、蛋白質(zhì)的溶解度（Solubility）Protein-Protein+Solvent-SolventProtein-Solvent高的起始溶解度是其它功能性質(zhì)的先決條件。

thickening,foaming,emulsifying,andgelling

只有具有高溶解度乳清蛋白質(zhì)和一些其它蛋白質(zhì)才能在乳狀液，泡沫和凝膠中表現(xiàn)出良好的功能性質(zhì)。二、蛋白質(zhì)的溶解度（Solubility）Protein-P123影響蛋白質(zhì)溶解性質(zhì)的主要的相互作用：

疏水相互作用能促進(jìn)蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用，使蛋白質(zhì)溶解度降低；

離子相互作用能促進(jìn)蛋白質(zhì)—水相互作用，使蛋白質(zhì)溶解度增加。影響蛋白質(zhì)溶解性質(zhì)的主要的相互作用：124描述食品蛋白質(zhì)的一些術(shù)語WSP：水溶性蛋白質(zhì)WDP：水可分散蛋白質(zhì)PDI：蛋白質(zhì)分散性指標(biāo)NSI：氮溶解性指標(biāo)

PDI和NSI已被確定為美國油脂化學(xué)家協(xié)會的法定方法：描述食品蛋白質(zhì)的一些術(shù)語125氮溶解度指標(biāo)（NSI）、溶解度-pH或溶解度-離子強(qiáng)度或溶解度-熱處理曲線是食品加工中常進(jìn)行的試驗(yàn)。

商業(yè)大豆粉，濃縮大豆蛋白和分離大豆蛋白質(zhì)的NSI值可以在10－90％之間變動。熱處理時，大多數(shù)蛋白質(zhì)的溶解度顯著地和不可逆地降低。氮溶解度指標(biāo)（NSI）、溶解度-pH或溶解度-離子強(qiáng)度或溶解126根據(jù)溶解度性質(zhì)的蛋白質(zhì)分類(1)

清蛋白（Albumin），能溶于pH6.6的水。血清清蛋白、卵清蛋白和α-乳清蛋白等。(2)

球蛋白（Globulin），能溶于pH7.0的稀鹽溶液。大豆球蛋白、菜豆球蛋白和β-乳球蛋白等。(3)

谷蛋白（Glutelin），僅能溶于酸（pH2）和堿（pH12）溶液。小麥谷蛋白等。(4)

醇溶谷蛋白（Prolamine），能溶于70%乙醇。玉米醇溶蛋白和麥醇溶蛋白等。

谷蛋白和醇溶谷蛋白是高疏水性蛋白質(zhì)。根據(jù)溶解度性質(zhì)的蛋白質(zhì)分類(1)

清蛋白（Albumin），127其它影響溶解度的因素

１．pH當(dāng)pH高于或低于等電點(diǎn)時，蛋白質(zhì)帶凈的負(fù)電荷或凈的正電荷，水分子能同這些電荷相互作用并起著穩(wěn)定作用。U-形曲線，最低溶解度出現(xiàn)在蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)附近其它影響溶解度的因素

１．pH128２．IonicStrengthandSolubility“鹽溶”（saltedin）

中性鹽的離子在0.1-1Ｍ能提高蛋白質(zhì)的溶解度。

“鹽析”（saltedout）中性鹽的離子大于１Ｍ，蛋白質(zhì)的溶解度降低，并可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)沉淀。２．IonicStrengthandSolubili129蛋白質(zhì)--教學(xué)講解課件130當(dāng)離子強(qiáng)度＜0.5時，離子中和蛋白質(zhì)表面的電荷。電荷掩蔽效應(yīng)對蛋白質(zhì)的溶解度的影響取決于蛋白質(zhì)的表面性質(zhì)。如果蛋白質(zhì)含有高比例的非極性區(qū)域，那么此電荷掩蔽效應(yīng)使它的溶解度下降，反之，溶解度提高。當(dāng)離子強(qiáng)度＞1.0時，鹽對蛋白質(zhì)溶解度具有特殊的離子效應(yīng)。

硫酸鹽和氟化物（鹽）逐漸降低蛋白質(zhì)的溶解度。在相同的μ，各種離子對蛋白質(zhì)溶解度的相對影響（提高溶解度）的能力。Hofmeister系列陰離子（提高蛋白質(zhì)溶解度的能力）：

SO42-＜F-＜Cl-＜Br-＜I-＜ClO4-＜SCN-

陽離子（降低蛋白質(zhì)溶解度的能力）：

NH4+＜K+＜Na+＜Li+＜Mg2+＜Ca2+。當(dāng)離子強(qiáng)度＜0.5時，離子中和蛋白質(zhì)表面的電荷。131在等電點(diǎn)pH離子強(qiáng)度和離子類型對羧基血紅蛋白溶解度的影響在等電點(diǎn)pH離子強(qiáng)度和離子類型對羧基血紅蛋白溶解度的影響132蛋白質(zhì)在鹽溶液中的溶解度S和S0：蛋白質(zhì)在鹽溶液和水中的溶解度Cs：鹽的摩爾濃度；：常數(shù)Ks：鹽析常數(shù)；Ks：正值鹽析Ks：負(fù)值鹽溶蛋白質(zhì)在鹽溶液中的溶解度S和S0：蛋白質(zhì)在鹽溶液和水中的溶解133３．OrganicSolvents能與水互溶的有機(jī)溶劑（ethanoloracetone）－－降低水介質(zhì)的介電常數(shù)－－提高蛋白質(zhì)分子內(nèi)和分子間的靜電作用力（推斥和吸引）。分子內(nèi)靜電推斥相互作用導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的展開。在此展開狀態(tài)，介電常數(shù)的降低能促進(jìn)暴露的肽基團(tuán)之間的分子間氫鍵的形成和帶相反電荷的基團(tuán)之間的分子間靜電相互吸引作用。這些分子間的極性相互作用導(dǎo)致蛋白質(zhì)在有機(jī)溶劑—水體系中溶解度下降或沉淀。３．OrganicSolvents能與水互溶的有機(jī)溶劑（134４．Temperature0－40℃蛋白質(zhì)的溶解度隨溫度的提高而提高。溫度超過40℃時，由于熱動能的增加導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的展開（變性），蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露，促進(jìn)蛋白質(zhì)聚集和沉淀。溫度對大豆分離蛋白溶解性的影響４．Temperature0－40℃蛋白質(zhì)的溶解度隨溫度135三、蛋白質(zhì)的界面性質(zhì)（InterfacialProperties

）蛋白質(zhì)穩(wěn)定乳濁液牛奶、豆奶等動植物蛋白飲品，奶油、人造黃油、蛋黃醬、色拉調(diào)料、香腸等。蛋白質(zhì)穩(wěn)定泡沫食品面包、蛋糕、冰淇淋、啤酒泡沫三、蛋白質(zhì)的界面性質(zhì)（InterfacialProper136ProteinsareamphiphilicmoleculesTwophasesanair-waterinterfaceanoil-waterinterfaceProtein-stabilizedfoamsandemulsionsaremorestablethanthosepreparedwithlow-molecular-weightsurfactantsSoybeanoilandmilkproteinemulsion

Thefatglobulesandproteinmembranesarevisible.

Scale=200nmProteinsareamphiphilicmolec137不同蛋白質(zhì)在表面活性性質(zhì)上差別主要與它們在構(gòu)象上的差別有關(guān)。重要的構(gòu)象因素（conformationalfactors）多肽鏈的穩(wěn)定性/柔性（stability/flexibility）對環(huán)境改變適應(yīng)的難易程度（easeofadaptabilitytochangesintheenvironment）親水與疏水基團(tuán)在蛋白質(zhì)表面的分布模式distributionpatternofhydrophilicandhydrophobicgroupsontheproteinsurface。不同蛋白質(zhì)在表面活性性質(zhì)上差別主要與它們在構(gòu)象上的差別有關(guān)。138Thedesirablesurface-activeproteinshasthreeattributes:(1)Abilitytorapidlyadsorbtoaninterface.(2)Abilitytorapidlyunfoldandreorientataninterface.(3)Anability,onceataninterface,tointeractwithneighboringmoleculesandforastrongcohesive,viscoelasticfilmthatcanwithstandthermalandmechanicalactions.Thedesirablesurface-activep139AiroroilphaseAqueousphaseinterfaceNoadsorptionHydrophilicsurfaceHydrophobiccoreNonpolarsurfaceModerateprobabilityofadsorptionStrongprobabilityofadsorptionAiroroilphaseAqueousphasei140

多肽鏈在界面上采取的構(gòu)型

Threedistinctconfigurations

列車狀（trains):

directcontactwiththeinterface圈狀(loops):

suspendedintheaqueous

尾狀(tails):

N-orC-terminalsegmentstrainlooptail列車狀構(gòu)象愈多，蛋白質(zhì)愈是強(qiáng)烈地與界面相結(jié)合，表面張力愈是低。多肽鏈在界面上采取的構(gòu)型

Threedistinct141Themechanicalstrengthofaproteinfilmataninterfacedependoncohesiveintermolecularinteraction.AttractiveelectrostaticinteractionHydrogenbondingHydrophobicinteractionsInterfacialpolymerizationofadsorbedproteinsviadisulfidesulfhydrylinterchangesreactions(-S-S-===2-SH相互交換)alsoincreaseitsviscoelasticproperties.吸引、推斥和水合作用力之間的適當(dāng)平衡是形成穩(wěn)定的粘彈膜的必要條件。Themechanicalstrengthofap142（一）乳化性質(zhì)（EmulsifyingProperties）Severalnatureandprocessedfoods,suchasmilk,eggyolk,coconutmilk,soymilk,butter,margarine（人造奶油）,mayonnaise（蛋黃醬）,spreads,saladdressings,frozendesserts,frankfurter（法蘭克福香腸）,sausage,andcakes,areemulsion-typeproductswhereproteinsplayanimportantroleasanemulsifier.（一）乳化性質(zhì)（EmulsifyingProperties143評價食品乳化性質(zhì)的方法

MethodsforDeterminingtheEmulsifyingPropertiesofProteinsTheemulsifyingpropertiesoffoodproteinsareevaluatedby:油滴大小分布（sizedistributionofoildropletsformed）乳化活力（emulsifyingactivity）乳化能力（emulsioncapacity）乳化穩(wěn)定性（emulsionstability）評價食品乳化性質(zhì)的方法

MethodsforDeterm144（1）EmulsifyingActivityIndex蛋白質(zhì)穩(wěn)定的乳狀液的物理和感官特性取決于油滴的大小和總的界面面積。測定乳狀液平均液滴的大小的方法有：光學(xué)顯微鏡法（lightmicroscopy）電子顯微鏡法（electronmicroscopy）光散射（lightscattering）Coulter計數(shù)器（Coultercounter

：液滴通過已知大小的小孔。（1）EmulsifyingActivityIndex蛋145A:totalinterfacialareaΦ:volumefractionofdispersedphase(oil)R:themeanradiusoftheemulsionparticles

界面面積（A）計算A:totalinterfacialarea

146（2）乳化活力指標(biāo)

EmulsifyingActivityIndex（EAI）EmulsifyingActivityIndex：Theinterfacialareacreatedperunitofmassprotein（單位質(zhì)量蛋白質(zhì)所產(chǎn)生的界面面積）

m：蛋白質(zhì)質(zhì)量（massofprotein）Φ：分散相（油）的體積分?jǐn)?shù)（thevolumefractionofdispersedphase(oil)）（2）乳化活力指標(biāo)

EmulsifyingActivity147濁度法測定EAI（Turbidimetricmethod）

A：absorbance(500nm)l：pathlengthAccordingtotheMietheory,A=2T。

Φ：thevolumefractionofdispersedphase(oil)C:weightofproteinperunitvolumeofaqueousphase(1-φ)C：totalmassofproteininaunitvolumeoftheemulsionsimpleandpractical,notveryaccurate乳狀液的濁度濁度法測定EAI（Turbidimetricmethod）148（3）蛋白質(zhì)的載量（ProteinLoad）蛋白質(zhì)的載量單位界面面積上吸附的蛋白質(zhì)量。

massofproteinadsorptedperunitinterfacialarea。將乳狀液離心，使水相分離，重復(fù)洗油相和離心以除去任何松散吸附的蛋白質(zhì)。最初乳狀液中總蛋白質(zhì)量和從乳狀液洗出的液體中蛋白質(zhì)量之差即為吸附在乳化粒子上的蛋白質(zhì)的量。一般情況下，蛋白質(zhì)的載量在1-3mg/m2界面面積范圍內(nèi)。（3）蛋白質(zhì)的載量（ProteinLoad）蛋白質(zhì)的載149（4）乳化能力（EmulsionCapacity）

乳化能力（EC）是指在乳狀液相轉(zhuǎn)變前（從O/W乳狀液轉(zhuǎn)變成W/O乳狀液）每克蛋白質(zhì)所能乳化的油的體積。Definition:thevolume(ml)ofoilthatcanbeemulsifiedpergramofprotein