第二节 蛋白质的结构及性质

一、蛋白质的结构

简单讲，蛋白质是由天然氨基酸通过肽键连接而成的生物大分子。但是蛋白质分子的结构非常复杂，需要分层次描述，即所谓的一级、二级、三级、四级结构。有些蛋白质分子三级结构是其最高结构形式，有些蛋白质分子还需要由两个以上的三级结构单位缔合在一起，才成为具有完整生物功能的分子。每种蛋白质分子的结构都有其特性，这种特性表现在分子结构的各个层次上。

1. 一级结构

一级结构又称初级结构、基本化学结构或共价结构，1969年国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的定义为：一级结构即肽链中的氨基酸顺序。

构成蛋白质的氨基酸单体虽然只有20多种，但是一个蛋白质分子中所含氨基酸的数目很多，这些氨基酸以不同顺序排列，就能构成很多种蛋白质。对每一种蛋白质来说，构成它的氨基酸的种类、数目和顺序都是一定的。

很多氨基酸依次通过肽键连接而成的链状结构称为多肽链。多肽链就是蛋白质分子的一级结构的基本结构形式。多肽链的每个氨基酸都因缩合脱水，成了不完整的氨基酸分子，又称氨基酸残基。肽链有两个游离的末端，分别称为氨基末端（或N末端）和羧基末端（或C末端）。有些蛋白质分子的一级结构是一条多肽链，有些蛋白质分子的一级结构是由两条以上的肽链组成的，如胰凝乳蛋白酶、胰岛素等。

蛋白质分子的一级结构中，除肽键连接之外，还配置有二硫键。二硫键是由两个半胱氨酸分子的巯基（—SH）脱氢氧化形成的 “硫桥”（—S—S—），它对稳定蛋白质分子的空间结构起着重要作用。二硫键的配置属于一级结构的重要研究内容。由一条肽链组成的蛋白质分子，只有链内半胱氨酸间形成的二硫键。由两条以上肽链组成的蛋白质分子，除链内二硫键之外，链与链间也可形成二硫键。

2. 二级结构

蛋白质分子的二级结构是指肽链主链有规则的盘曲折叠所形成的构象。二级结构仅仅是主链构象，不讨论侧链基团的空间排布。

肽链中的，从而使肽链不是完全伸展的直链，而是盘曲折叠成多种形状。二级结构类型有：α-螺旋、β-折叠、β-发夹、Ω环、三股螺旋、无规则卷曲等形式。其中α-螺旋、β-折叠比较常见，如图4-2和图4-3所示。

α-螺旋每一圈包含3.6个氨基酸残基，螺旋之间形成链内氢键，氢键的取向与螺轴几乎平行。

β-折叠为不同肽链的结合，两条链之间形成氢键。

3. 三级结构

三级结构是蛋白质分子在二级结构基础上，在三维空间进一步盘曲折叠成紧密结构形成特定的近似球状的构象。三级结构包括蛋白质分子主链和侧链所有原子或原子团的空间排布关系。由于三级结构构象近似球形，分子中的亲水基团相对集中在球形分子的表面，疏水基团相对集中在分子内部，形成所谓的 “亲水表面，疏水核”。

蛋白质三级结构维持稳定性的因素是氨基酸中的R基团间的相互作用，如疏水相互作用、二硫键、静电作用、氢键、范德华力等。

4. 四级结构

几条多肽链在三级结构的基础上缔结在一起所构成的聚合体，就是所谓的蛋白质的四级结构。并非所有的蛋白质分子都有四级结构。

四级结构的稳定性主要靠疏水相互作用，氢键、范德华力等也有不同程度的作用。大多数蛋白质只有在形成完整的四级结构之后，才能发挥正常的活性功能。

二、蛋白质的理化特性

蛋白质是由氨基酸组成的高分子化合物，理化性质一部分与氨基酸相似，如两性电离及等电点、呈色反应、成盐反应等。但也有一部分理化性质不同于氨基酸，如高分子质量、胶体性、沉淀、变性等。下面介绍蛋白质的两性解离和等电点、沉淀作用、变性作用及显色反应等。

1. 蛋白质的两性解离和等电点

蛋白质分子中有很多酸性解离基团和碱性解离基团，是具有两性解离性质的化合物。蛋白质分子中除末端残基的游离α-氨基和α-羧基外，还含有大量的侧链解离基团。如Lys残基的ε-氨基、Arg残基的胍基等可结合氢离子成为带正电荷的基团；Asp残基的β-羧基和Glu残基的γ-羧基等能解离出氢离子成为带负电荷的基团。故蛋白质分子呈两性解离，其解离过程和带电状态取决于溶液的pH。能使蛋白质分子所带正负电荷相等，净电荷等于零时溶液的pH称为蛋白质的等电点。当溶液pH大于pI时，蛋白质带负电荷，反之则带正电荷，反应式如下：

等电点是蛋白质的特征常数，各个蛋白质都有特定的等电点。蛋白质在等电点时溶解度最小，易从溶液中析出，利用此特点，可以进行蛋白质的分离。在食品加工中，把溶液的pH调到4.5左右，即酪蛋白的等电点时，酪蛋白就沉淀析出，利用这一原理，就可制备凝固型酸奶。

2. 沉淀作用

使蛋白质从溶液中析出的现象称为蛋白质沉淀作用。蛋白质胶体溶液的稳定性是有条件的、相对的。蛋白质胶体溶液具有两种稳定因素：胶体中蛋白质分子表面的水化层和电荷，若无外加条件，蛋白质分子不会互相凝集。然而，除掉这两个稳定因素（如调节溶液pH至等电点和加入脱水剂）蛋白质便容易凝集沉淀析出。沉淀出来的蛋白质有时是变性的，也可得到不变性的蛋白质。所以蛋白质的沉淀有可逆性沉淀与不可逆性沉淀两种。

可逆性沉淀是指用无机离子使蛋白质分子失去电荷或用有机溶剂使蛋白质分子脱水，造成蛋白质分子沉淀。当上述条件失去时，蛋白质分子的沉淀又能溶解到原来的水溶液中，其特点是，蛋白质分子没有发生显著的化学变化。常用无机离子来源于一些中性盐类，如硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等。因为它们是强电解质，能以更强的水化作用破坏蛋白质表面的水层，从而使蛋白质沉淀下来，这种现象称为盐析。提取酶制剂时常用此法。盐析时若溶液pH在蛋白质的等电点时效果更好。常用的有机溶剂有乙醇、甲醇、丙酮等。在常温下有机溶剂易引起蛋白质变性。适当的pH和低温快速处理有利于防止变性。

不可逆性沉淀是指用化学方法（重金属、生物碱试剂或某些酸类）或物理方法（加压、加热和光照），使蛋白质发生永久性变性而形成的蛋白质分子的沉淀。常用的重金属有：汞、银、铅、铜等；沉淀条件要偏于碱性，即pH＞pI，这样可以使蛋白质分子有较多的负离子，以便与重金属离子结合成盐。常用的化学试剂有苦味酸、钨酸、鞣酸、碘化钾等；常用的酸有三氯醋酸、水杨磺酸、硝酸等。上述两类化学试剂的沉淀条件是pH＜pI，这样可以使蛋白质分子有较多的正离子，易与酸根结合成盐。蛋白质加热凝固，首先在于加热使蛋白质变性，有规则的肽链结构打开，呈松散状不规则的结构，分子不对称性增加，疏水基团暴露，进而凝聚成凝胶状的蛋白质块。

3. 蛋白质的变性作用

蛋白质的变性是蛋白质二级及其以上的高级结构在一定条件（加热、酸、碱、有机溶剂、重金属离子等）下遭到破坏而一级结构并未发生变化的过程。蛋白质变性所产生的影响有：①溶解度降低，原因是二级结构发生变化，疏水基团暴露于分子表面；②与水的结合能力降低；③生物活性（功能）丧失；④容易被水解；⑤黏度变大；⑥难以结晶。蛋白质的变性和凝固在实际加工中有许多应用。例如，豆腐就是大豆蛋白质的浓溶液加热、加盐而成的蛋白质固体。在重金属盐中毒时，给患者吃大量的乳制品或蛋清，其目的就是使乳制品或蛋清中的蛋白质在消化道与重金属离子结合成不溶解的变性蛋白质，从而阻止重金属离子被吸收进入体内，最后将沉淀物从肠胃中吸出。

小资料

鸡蛋要不要煮熟了吃？

鸡蛋还是煮熟了吃好。生蛋清中含有抗生物素蛋白和抗胰蛋白酶，影响营养素的吸收。蛋白质加热变性后，空间结构被破坏，更加松散，人体更易消化吸收。生食鸡蛋、用开水冲蛋花及喜食溏心蛋的行为，不能使其所含细菌被杀灭或不能完全被杀灭，易导致食物中毒。

需注意的是，鸡蛋不宜过度加热，否则会使蛋白过分凝固，甚至变硬变韧，形成硬块，反而影响食欲及消化吸收。

正确的煮法应该是：冷水下锅，慢火升温，沸腾后微火煮2min。停火后再浸泡5分钟，这样煮出来的鸡蛋蛋清嫩，蛋黄凝固又不老。

4. 蛋白质的颜色反应

蛋白质分子中肽链或特殊的氨基酸残基能与某些试剂发生显色反应，产生的有色物质的量与蛋白质的浓度有关，可以用于蛋白质定性、定量的检测。

（1）双缩脲反应 双缩脲反应是蛋白质的一个颜色反应，凡是具有两个以上肽键的化合物都能发生这种反应，而二肽和游离氨基酸不发生该反应。双缩脲（蛋白质或肽分子）在碱性环境内与CuSO₄形成紫色化合物，用此反应对蛋白质进行定量分析。

（2）茚三酮反应 茚三酮反应也是蛋白质的一个颜色反应，在中性条件下蛋白质或多肽也能同茚三酮试剂发生颜色反应，生成蓝色或紫红色化合物。茚三酮试剂与胺盐、氨基酸均能反应。

（3）黄色反应 黄色反应是在蛋白质溶液中加入浓硝酸，有沉淀析出，再加热则变成黄色沉淀。这一反应是含有芳香族氨基酸的蛋白质所特有的颜色反应，如皮肤、指甲、毛发等遇到浓硝酸会呈黄色。

（4）费林反应 费林反应是含有酪氨酸的蛋白质因酪氨酸的酚基能与费林试剂中的磷钼酸和磷钨酸反应，还原成蓝色化合物。利用这一反应定量测定蛋白质。

三、蛋白质的分类

天然蛋白质的种类繁多，结构复杂，目前对蛋白质的分类是依据蛋白质的分子形状、化学组成的不同而进行分类的。

（一）按照蛋白质分子形状不同分类

1. 球状蛋白质

分子比较对称，形状接近球状或椭球状，溶解度好，能结晶，是蛋白质中最多的一种，食品中的蛋白质大部分都是球蛋白。

2. 纤维蛋白

分子对称性差，类似于细棒状或纤维状，溶解度差，如指甲、羽毛中的角蛋白、蚕丝中的丝蛋白等。

（二）按照化学组成不同分类

1. 单纯蛋白质

单纯蛋白质又称简单蛋白质，水解时只产生氨基酸的蛋白质。

（1）清蛋白 清蛋白又称白蛋白，分子质量较小，溶于水、中性盐类、稀酸和稀碱，可与饱和硫酸铵生成沉淀。清蛋白在自然界分布广泛，如小麦种子中的麦清蛋白、血液中的血清清蛋白和鸡蛋中的卵清蛋白等都属于清蛋白。

（2）球蛋白 球蛋白一般不溶于水而溶于稀盐溶液、稀酸或稀碱溶液，可与半饱和的硫酸铵生成沉淀。球蛋白在生物界广泛存在并具有重要的生物功能。大豆种子中的豆球蛋白、血液中的血清球蛋白、肌肉中的肌球蛋白以及免疫球蛋白都属于这一类。

（3）组蛋白 组蛋白可溶于水或稀酸。组蛋白是染色体的结构蛋白，含有丰富的精氨酸和赖氨酸，所以是一类碱性蛋白质。

（4）精蛋白 精蛋白易溶于水或稀酸，是一类分子质量较小、结构简单的蛋白质。精蛋白含有较多的碱性氨基酸，缺少色氨酸和酪氨酸，所以是一类碱性蛋白质。精蛋白存在于成熟的精细胞中，与DNA结合在一起，如鱼精蛋白。

（5）醇溶蛋白 醇溶蛋白不溶于水和盐溶液，溶于70%～80% （质量分数）的乙醇，多存在于禾本科作物的种子中，如玉米醇溶蛋白、小麦醇溶蛋白。

（6）谷蛋白 谷蛋白不溶于水、稀盐溶液，溶于稀酸和稀碱。谷蛋白存在于植物种子中，如水稻种子中的稻谷蛋白和小麦种子中的麦谷蛋白等。

（7）硬蛋白 硬蛋白不溶于水、盐溶液、稀酸、稀碱，主要存在于皮肤、毛发、指甲中，起支持和保护作用，如角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白、丝蛋白等。

2. 结合蛋白质

结合蛋白质是由蛋白质部分和非蛋白质部分结合而成的。主要的结合蛋白有六种：

（1）核蛋白 非蛋白部分为核酸，称为核蛋白。核蛋白分布广泛，存在于所有生物细胞中。

（2）糖蛋白 非蛋白部分为糖类，称为糖蛋白。糖蛋白广泛存在于动物、植物、真菌、细菌及病毒中。

（3）脂蛋白 蛋白质和脂类结合构成脂蛋白。在脂蛋白中，脂类和蛋白质之间以非共价键结合。脂蛋白广泛分布于细胞和血液中。

（4）色蛋白 蛋白质和某些色素物质结合形成色蛋白。非蛋白质部分多为血红素，所以又称血红素蛋白。

（5）金属蛋白 金属蛋白是一类直接与金属结合的蛋白质，如铁蛋白含铁，乙醇脱氢酶含锌，黄嘌呤氧化酶含钼和铁等。

（6）磷蛋白 磷蛋白类分子中含磷酸基，一般磷酸基与蛋白质分子中的丝氨酸或苏氨酸通过酯键相连，如酪蛋白、胃蛋白酶等都属于这类蛋白。