蛋白质2012的课件资料

蛋白质2012的课件资料第1页/共205页本章主要内容（Content）

蛋白质的一般性质（Generalaspects)结构蛋白质-水相互作用，影响蛋白质水溶性的因素蛋白质-脂的相互作用

蛋白质的变性（Denaturation）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化学因素

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蛋白质的功能性质（FunctionalProperties）定义与分类

水化性质溶解度与粘度、凝胶作用

组织化热凝结和形成、纤维的形成热塑挤压、面团

乳化性质乳化能力与乳化稳定性

起泡作用起泡性与泡沫稳定性蛋白质的营养特性（Nutritionalproperties）

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

利用微生物生产蛋白质——单细胞蛋白第3页/共205页第一节引言（Introduction）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。蛋白质是由20种氨基酸构成的聚合物。第4页/共205页一、蛋白质的分类：（一）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（prostheticproteins）

结合蛋白中的非蛋白质组分。第5页/共205页结合蛋白质包括：

核蛋白（Nucleoproteins）（核蛋白体）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）。第6页/共205页（二）根据大体上的结构形式分类球蛋白（Globularproteins）以球状或椭圆状存在的蛋白质，由多肽链自身折叠而成；纤维状蛋白（Fibrousproteins）棒状分子，含有相互缠绕的线状多肽链（例如，原肌球蛋白、胶原蛋白、角蛋白和弹性蛋白）。纤维状蛋白也能由小的球状蛋白经线性聚集而成，例如肌动蛋白和血纤维蛋白。大多数酶是球状蛋白，而纤维状蛋白总是起着结构蛋白的作用。第7页/共205页二、蛋白质的生物功能酶结构蛋白收缩蛋白（肌球蛋白、肌动蛋白、微管蛋白）激素（胰岛素、生长激素）传递蛋白（血清蛋白、铁传递蛋白、血红蛋白）抗体（免疫球蛋白）储藏蛋白（蛋清蛋白、种子蛋白）储藏蛋白主要存在于蛋和植物种子中。保护蛋白（毒素和过敏素）。第8页/共205页肌束膜血管肌束肌内膜,肌纤维衣肌外膜,肌外衣腱骨骼肌第9页/共205页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第10页/共205页

表4-1常用食物的蛋白质含量━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━食物蛋白质食物蛋白质食物蛋白质

(%)(%)(%)─────────────────────────猪肉13.3-18.5鸡蛋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小麦12.4菠菜1.4鸡肉21.5小米9.4油菜1.4肝18-19玉米8.6大白菜1.1脑7-9高梁9.6白萝卜0.6鲤18.1小麦粉11.0桔子0.9牛乳3.5红薯1.3苹果0.2─────────────────────────第11页/共205页第二节

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碳、氢、氧和氮等元素，有些含有硫或磷元素，少数还含有锌、铁、铜、锰等元素。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，其平均值为16%。第12页/共205页组成蛋白质的氨基酸除了脯氨酸和羟脯氨酸外都是α－氨基酸。都是L-型的α-氨基酸。决定物化性质第13页/共205页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）

第14页/共205页按侧链基团的极性可分为四类非极性氨基酸或疏水性氨基酸。含有脂肪族（Ala、Ile、Leu、Met、Pro和Val）和芳香族侧链的氨基酸(Phe，Trp)是疏水的。不带电荷的极性氨基酸，侧链与水结合氢键如：SER，THR，TYR，CYS，GLY。在pH7时(生理条件下)带正电荷的极性氨基酸（碱性氨基酸），如LYS，ARG，HIS。在pH7时(生理条件下)带负电荷的极性氨基酸（酸性氨基酸），如ASP，GLU。碱性和酸性氨基酸具有很强的亲水性。

第15页/共205页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第16页/共205页必需氨基酸有些氨基酸，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乏这些氨基酸，就会影响机体的正常生长和健康。人体必需氨基酸有LYS，PHE,VAL,MET,TRP,LEU,ILE及THR八种，此外，HIS对于婴儿的营养也是必需的。

第17页/共205页（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Ｌ－型异构体。

第18页/共205页ILE和THR的-碳原子也是不对称的，因此他们都有4个对映体。

第19页/共205页（三）氨基酸的酸碱性质：离子化

在中性pH范围，α-氨基和羧基都处在离子化状态，此时是偶极离子或两性离子。两性电解质。偶极离子以电中性状态存在时的pH被称为等电点（pI）。

第20页/共205页当—COO-和—COOH的浓度相等时的pH被称为pKa1（即离解常数a1的负对数）。当—NH3+和—NH2浓度相等时的pH被称为pKa2。蛋白质等离子点:在没有其他盐类存在(纯水)时,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pH,也即蛋白质在纯水中的等离子点为等电点。

第21页/共205页除α-氨基和α-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，pI=（pKa1+pKa2）/2酸性氨基酸，pI=（pKa1+pKa3）/2碱性氨基酸，pI=（pKa2+pKa3）/2pI计算*：下标1、2和3分别指出α-羧基、α-氨基和侧链上可离子化的基团。第22页/共205页第23页/共205页（四）氨基酸的疏水性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）和非极性（疏水）基团的分布。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。如果不考虑活度系数，那么１摩尔氨基酸从乙醇转移到水溶液的自由能变化可表示氨基酸的疏水性。

ΔGt（Et→W）第24页/共205页ΔGt,Val=ΔGt,Gly+ΔGt,异丙基侧链ΔGt,异丙基侧链=ΔGt,Val-ΔGt,Gly第25页/共205页第26页/共205页具有大的正的ΔGt的AA侧链疏水性强优先选择处在有机相倾向于配置在蛋白质分子的内部具有负的ΔGt的AA侧链亲水性的配置在蛋白质分子的表面第27页/共205页（五）氨基酸的光学性质Trp、Tyr和Phe在近紫外区（250-300nm）吸收光。Trp和Tyr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，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段。

第28页/共205页二、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

氨基、羧基、巯基、酚羟基、羟基、硫醚基（Met）、咪唑基和胍基

第29页/共205页与茚三酮反应常用来定量游离氨基酸。1摩尔的氨基酸，产生1摩尔的氨、醛、CO2和二氢化茚亭。释放出的氨随即与1摩尔茚三酮和1摩尔二氢化茚亭反应生成一种被称为Ruhemann’s紫的紫色物质，后者在570nm显示最高吸收。脯氨酸和羟基脯氨酸产生一种黄色物质，它在440nm显示最高吸收。第30页/共205页与邻-苯二甲醛反应当存在2-巯基乙醇时氨基酸与邻-苯二甲醛反应（1，2-苯二甲醛）反应生成高荧光的衍生物，它在380nm激发时在450nm具有最高荧光发射。第31页/共205页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，它在390nm激发时，在475nm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。

第32页/共205页第三节蛋白质的结构（一）一级结构一级结构指氨基酸在蛋白质分子中按一定顺序以肽键连接形成多肽链。构成蛋白质的主要氨基酸有20种。一、蛋白质的结构水平第33页/共205页

C—N键具有部分双键的性质C—O键仅有60%的双键性质而C—N键亦有40%的双键性质.C—N键不能旋转，这对蛋白质的的空间结构有很大影响。N-Cα和Cα-C键具有转动自由度，分别被定义为φ和ψ两面角，也称为主链扭转角。理论上φ和ψ具有360度转动自由度，但实际转动自由度由于Cα原子上侧链原子的立体位阻而被限制.第34页/共205页多肽链主链基本上可被描述为通过Cα原子连结的一系列-Cα-CO-NH-Cα-平面

第35页/共205页第36页/共205页几乎所有的蛋白质肽键都以反式构型存在在热力学上反式比顺式稳定第37页/共205页（二）二级结构蛋白质的二级结构

多肽链的某些部分的氨基酸残基周期性的（有规则的）空间排列，即沿着肽链轴所采取的特有的空间结构。连续的氨基酸残基采取同一套φ和ψ扭转角时就形成周期性的结构。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下降，这就驱动了φ和ψ角的扭转。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φ和ψ扭转角所形成的区域。第38页/共205页1.螺旋结构连续的氨基酸残基的φ和ψ角按同一套值扭转。通过选择不同的φ角和ψ角组合，理论上可能产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α-螺旋、310-螺旋和π-螺旋。第39页/共205页α-螺旋每圈包含3.6个AA残基。每一个AA转角为100˚。侧链按垂直于螺旋的轴的方向定向。依靠氢键稳定。每一个残基的N-H基与前面第四个残基的C=O基形成氢键，在此氢键圈中包含13个主链原子；于是α-螺旋有时也被称为3.613螺旋。氢键平行于螺旋轴而定向。氢键的N、H和O原子几乎处在一条直线上。α-螺旋能以右手和左手螺旋两种方式存在，右手螺旋较稳定。天然蛋白质中只存在右手α-螺旋。第40页/共205页Alphahelix第41页/共205页第42页/共205页脯氨酸残基的影响在脯氨酸残基中，N-Cα键不可能再转动，φ角具有70°的固定值。由于在N原子上不存在H，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片断不能形成α-螺旋。

脯氨酸残基α-螺旋的中止物。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构。

在β-酪蛋白和αs1-酪蛋白中脯氨酸残基分别占氨基酸残基数的17%和8.5%，在这两种蛋白质分子中不存在α-螺旋结构。第43页/共205页聚脯氨酸能形成两种结构聚脯氨酸I

左手螺旋，每圈3.3AA残基，肽键为顺式结构聚脯氨酸II

左手螺旋，每圈3AA残基，肽键为反式结构。聚脯氨酸II比聚脯氨酸I更稳定这种结构存在于胶原蛋白中第44页/共205页第45页/共205页Aspecialaminoacidsequencemakesthetightcollagentriplehelixparticularlystable.Everythirdaminoacidisaglycine,andmanyoftheremainingaminoacidsareprolineorhydroxyproline.Inthisstructure,theresearchersplacedalargeralanineaminoacidinthepositionnormallyoccupiedbyglycine,showingthatitcrowdstheneighboringchains.第46页/共205页2.β-折叠片结构一种据齿形结构。它比α螺旋较为伸展第47页/共205页Betasheet第48页/共205页第49页/共205页主链上的氨基酸残基的侧链按垂直于片状结构的平面定向。氢键只可能在多肽链的两个片断之间形成。在反平行β-折叠片结构中，N-H…O原子处在一条直线上（0氢键角），增加了氢键的稳定性。反平行β-折叠片结构比平行β-折叠片结构更为稳定。

第50页/共205页含有高比例的β-折叠片结构的蛋白质一般呈现高变性温度。当α-螺旋类型的蛋白质溶液经加热和冷却时，α-螺旋结构通常转变成β-折叠片结构。β-折叠片结构不会转变成α-螺旋结构。第51页/共205页β-弯曲（β-bend）或β-旋转（β-turn)β-折叠片结构中多肽链反转180°就形成β-旋转。一个β-旋转结构包含4个氨基酸残基，此结构由氢键所稳定。最常见于β-旋转结构中的氨基酸残基是Asp、Cys、Asn、Gly、Tyr和Pro。第52页/共205页Betaturn第53页/共205页第54页/共205页（三）三级结构

第55页/共205页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（疏水、静电和范德华尔）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。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亲水性氨基酸残基的蛋白质分子将呈拉长或棒状。含有大量的疏水性氨基酸残基的蛋白质分子将呈球状。

大多数蛋白质由１００个以上的氨基酸残基构成。第56页/共205页Structuressuchastheballandstick(topleft)orspacefilling(topright)versionsofmyoglobin

arecompleteandaccurate,butarebitoverwhelming.第57页/共205页Moreschematicrepresentationssuchastheribbondiagram(right)omitunnecessarydetail,butsucceedinhighlightingspecificaspectsofstructuresuchasthehelicalcomponents.第58页/共205页第59页/共205页第60页/共205页（四）四级结构蛋白质的四级结构

蛋白质亚基非共价结合的结果。稳定四级结构的键或力除了二硫键外和稳定三级结构的是相同的。

第61页/共205页第62页/共205页第63页/共205页（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(conformation)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。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：（a）蛋白质分子固有的作用力所形成的分子内相互作用。范德华相互作用（VanderWaalsinteraction）和空间相互作用（stericinteraction）（b）受周围溶剂影响的分子内相互作用。氢键、静电相互作用和疏水相互作用。构型和构象的区别（a）构象（Conformation）：由C—C单键（σ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C—C单键旋转而产生的异构体称为旋转异构体或构象异构体。

（b）构型（Configuration）：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和生成。α、β构型；R、S构型；L、D构型第64页/共205页1.空间相互作用大多数氨基酸残基含有庞大的侧链，某些扭角是不可能存在的。理论上φ和ψ角在具有360°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。

2.VanderWaals

相互作用存在于原子之间。原子间距离较大，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。中性原子之间偶极-诱导偶极和诱导偶极-诱导偶极相互作用。吸引和排斥

吸引能6次方反比于相互作用的原子间的距离，而排斥相互作用7次方反比于该距离。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显著的。第65页/共205页3.静电相互作用

蛋白质含有一些带有可离解基团的氨基酸残基。在中性pH，Asp和Glu残基带负电荷，而Lys、Arg和His带正电荷；在碱性pH，Cys和Tyr残基带负电荷。在中性pH，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。蛋白质分子净电荷为0时的pH被定义为蛋白质的等电点（pI）。等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的pH。第66页/共205页除少数例外，蛋白质中几乎所有的带电基团都分布在分子的表面。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。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。

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。第67页/共205页4.氢键主要通过羰基及亚氨基通过氢氧而形成的一种键。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。在α-螺旋和β-折叠片结构中肽键的N-H和C=O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，保持蛋白质稳定性，起着重要的作用。第68页/共205页第69页/共205页5.疏水相互作用

在水溶液中，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结果。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。在蛋白质中，氨基酸残基非极性侧链之间的疏水相互作用是蛋白质折叠成独特的三维结构的主要原因，第70页/共205页6.二硫交联

二硫键(-S-S-)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。键能很大（30-100千卡/摩尔），对稳定蛋白质空间结构起着重要作用。二硫键数目多、稳定，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。二硫键一旦形成就能帮助稳定蛋白质的折叠结构。第71页/共205页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。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作用（疏水相互作用使蛋白质的分子构型更牢固)。α-淀粉酶蛋白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。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二硫键的净结果。

第72页/共205页第四节蛋白质的变性

蛋白质变性的一般概念蛋白质变性（proteindenaturation）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，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失，这种现象称为蛋白质变性。

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，冷却后，又可复原。

可逆变性一般只涉及蛋白质分子的三级和四级结构变化，

不可逆变性能使二级结构也发生变化。如果二硫键起着稳定蛋白质构象的作用，那么它的断裂往往导致不可逆的变性。一、概述第73页/共205页蛋白质变性后其物理化学性质变化表现为：

（１）因疏水性基团的暴露而导致溶解度的下降（２）结合水能力的改变（３）失去生物活力（酶活力或免疫活力）（４）对蛋白酶的敏感性（肽键暴露）（５）蛋白质固有粘度增加（６）没有结晶能力第74页/共205页

引起蛋白质变性的因素物理因素：温度、紫外线、超声波、高压等。化学因素：酸、碱、有机溶剂、重金属盐类、脲、胍、表面活性剂等。第75页/共205页二、引起蛋白质变性的因素1.热最常见的变性现象，热变性。热变性所需温度与蛋白质本质、纯度和pH值有关。蛋白质受热变性的机理

在较高温度下，保持蛋白质空间构象的那些副键断裂，破坏了肽链的特定排列，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固。（一）物理因素第76页/共205页氢键、静电和范德华尔相互作用具有放热的性质。它们在高温下去稳定而在低温下稳定。疏水相互作用是吸热的。它们在高温下稳定，而在低温下去稳定。然而，疏水相互作用的稳定性也不会随温度的提高而无限制地增强疏水相互作用的强度在60-70℃时达到最高。构象熵：－TSconf第77页/共205页第78页/共205页一般认为，温度愈低蛋白质的热稳定性愈高，但并非总是如此。肌红蛋白和T4噬菌体突变株溶菌酶－冷诱导变性。第79页/共205页极性和非极性相互作用对蛋白质稳定性的影响蛋白质的分子中极性相互作用超过非极性相互作用，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。蛋白质的稳定主要依靠疏水相互作用时，蛋白质在室温时比在冻结温度时更稳定。

第80页/共205页含有较高比例的疏水性氨基酸残基（尤其是Val、Ile、Leu和Phe）的蛋白质比亲水性较强的蛋白质一般更为稳定。蛋白质的平均疏水性和热变性温度之间的正相关只是一个近似，二硫键、盐桥等对蛋白质的稳定性也有贡献。第81页/共205页影响热变性的因素（１）组成蛋白质的氨基酸的种类

蛋白质分子中的-SH含量与变性蛋白质在水中凝固作用成正比。如大豆蛋白质(含硫氨基酸较少)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。如醇溶谷蛋白(含脯及羟脯氨酸较多)。第82页/共205页第83页/共205页（２）温度蛋白质凝固的温度因其种类而不同，一般是在50-70℃之间容易凝固的蛋白质有可溶性清蛋白和球蛋白。如牛乳中含有酪蛋白，有少许乳清蛋白，所以在一般情况下，牛乳不易凝。第84页/共205页第85页/共205页（３）水水分愈少所需变性温度愈高。水能显著地促进蛋白质的热变性。干蛋白质粉对热变性是非常稳定的。

在干燥状态，蛋白质具有静止的结构，多肽链段的移动受到限制。水分含量的增加，水合作用和水部分地穿透至蛋白质结构的空洞的表面导致蛋白质的肿胀。蛋白质的肿胀提高了多肽链的移动性和柔性，使蛋白质分子可以采取动力学上更为熔融的结构，当加热时，此动力学上柔性结构比起干燥状态能提供给水更多的机会接近盐桥和肽的氢键，于是造成较低的Td值。第86页/共205页第87页/共205页第88页/共205页（４）电解质

蛋白质凝固温度因电解质的存在而降低，其反应速度则增加，化合价大的离子易使蛋白质凝固。例如制造豆腐时，豆浆中的球蛋白仅加热是不会凝固的，但在70℃以上添加氯化镁或硫酸钙即可凝固。

（５）氢离子浓度

蛋白质凝固温度，亦受氢离子浓度的影响，一般在等电点范围内，最易凝固（分子间容易靠近）。加酸过多至pH4.8以下，则凝固温度上升，甚至不会凝固。

第89页/共205页2.冷低温能导致一些蛋白质的变性。

一些在室温下稳定的酶在０℃时变得较不稳定。一些蛋白质在低温时聚集或沉淀。

高疏水性－极性氨基酸比例的组成及结构决定疏水相互作用，易低温变性。

第90页/共205页3.机械处理揉搓、振动、打擦等操作产生的机械剪切可能使蛋白质变性。揉搓或滚压产生剪切力可打破α螺旋。当一个转动的叶片产生高剪切时，造成亚音速的脉冲，在叶片的尾随边缘也出现空化，导致蛋白质变性。剪切速度愈高，蛋白质变性程度愈高。高温和高剪切力相结合能导致蛋白质不可逆的变性。第91页/共205页4.压力压力诱导蛋白质变性主要是因为蛋白质是柔性的和可压缩的。球状蛋白质分子结构的内部有一些空穴仍然存在，这使得蛋白质分子结构具有可压缩性。压力诱导的蛋白质变性是高度可逆的。大多数纤维蛋白无空穴，故其对静水压的稳定性较高。大多数蛋白质在100~1200Mpa压力下诱导变性。压力诱导转变的中点出现在400~800Mpa。高压处理：灭菌和蛋白质的凝胶。第92页/共205页5.辐照

芳香族氨基酸残基吸收紫外线，若能量高，能打断二硫键。其它射线能起氧化或打破共价键作用。

6.界面

当分子吸附在水和空气、水和非水液体或水和固体的界面时，通常会导致不可逆变性。

第93页/共205页（二）引起蛋白质变性的化学因素

1.

pH常温下，大多数蛋白质仅在pH4-10的范围内是稳定的。酸碱引起蛋白质变性的机理蛋白质溶液pH值的改变导致多肽链中某些基团发生解离，从而破坏了静电作用形成的键。蛋白质在等电点时比在任何其他pH值时对变性作用更加稳定（自身不容易展开）在中性pH附近，净负电推斥能量小于其他稳定蛋白质的相互作用的能量，因此大多数蛋白质是稳定的。在极端pH值，高静电荷引起的强烈的分子内电推斥力导致蛋白质分子的肿胀和展开。

第94页/共205页

pH诱导的蛋白质变性多数是可逆的

然而，如果肽键的部分水解，Asn和Gln的脱酰胺，巯基的破坏，或者聚集作用能导致蛋白质的不可逆变性。

酸和碱可以加速热变性。

一般水果罐头的杀菌温度较蔬菜低。第95页/共205页2.金属

碱金属作用有限，碱土金属具有较高的能力，过渡金属容易反应，其中许多能形成络合物。用螯合剂除去这些金属离子，降低蛋白质对热和蛋白酶的稳定性。

3.有机溶剂有机溶剂以不同的方式影响蛋白质的疏水相互作用、氢键和静电相互作用。在蛋白质水溶液中加入大量的有机溶剂，能引起蛋白质的变性作用主要是影响蛋白质的疏水相互作用

非极性侧链在有机溶剂中比在水中更易溶解，因此会削弱疏水相互作用。第96页/共205页4.有机化合物的水溶液（1）一些有机化合物，如脲素和盐酸胍（GuHCl）的水溶液，能打断氢键导致蛋白质不同程度的变性。这些物质通过提高疏水氨基酸残基在水相的浓度，也降低了疏水相互作用。（2）表面活性剂是强有力的变性剂。其作用如同蛋白质疏水区和亲水环境的媒介物，打断了疏水相互作用。

第97页/共205页5.促溶盐（chaotropicsalts）和变性盐以两种不同的方式影响蛋白质的稳定性。

在低浓度时，离子通过非特异性的静电相互作用与蛋白质作用，此类蛋白质电荷的静电中和一般稳定了蛋白质的结构。完全的电荷中和出现在离子强度等于或低于0.2，与盐的性质无关。

在较高的浓度（>1M），盐具有影响蛋白质结构稳定性的离子特异效应，像Na2SO4和NaF这样的盐能促进蛋白质结构的稳定性，而NaSCN和NaClO4的作用相反。第98页/共205页阴离子对蛋白质结构的影响甚于阳离子图6-17各种钠盐对处在pH7.0下β-乳球蛋白变性温度的影响。Δ-NaCl，□-NaBr，●-NaClO4，▲-NaSCN，■-脲素,o–Na2SO4第99页/共205页在等离子强度下各种阴离子影响蛋白质结构稳定性的能力一般遵循下面顺序（Hofmeister系列）系列。

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

氟化物、氯化物和硫酸盐是结构稳定剂，而其它阴离子盐是结构去稳定剂。NaSCN和NaClO4是强变性剂。高浓度的盐总是对蛋白质的结构稳定性产生不利的影响。第100页/共205页稳定蛋白质的盐能促进蛋白质的水合作用并与蛋白质微弱地结合。使蛋白质不稳定的盐能降低蛋白质的水合作用并与蛋白质强烈地结合。第101页/共205页（六）还原剂还原剂能还原蛋白质分子中的二硫键交联，因而改变了蛋白质的构象。

第102页/共205页第五节蛋白质的功能性质

FunctionalPropertiesofProteins一、蛋白质水合二、蛋白质溶解度三、蛋白质的界面性质乳化气泡四、风味结合五、粘度六、凝胶化作用第103页/共205页食品蛋白质的“功能性质”在食品加工、保藏、制备和消费期间影响蛋白质在食品体系中的性能的那些蛋白质的物理和化学性质。Functionality：physicalandchemicalpropertieswhichaffectthebehaviorofproteinsinfoodsystemsduringprocessing,storage,preparationandconsumption。第104页/共205页Functionalpropertiesofprotein粘度｛viscosity(thickening)｝凝胶作用（gelation）组织好（texturization）湿润性（wettability）分散性（dispersibility）溶解度（solubility）起泡性（foaming）乳化性（emulsification）风味结合（flavorbinding

）第105页/共205页食品蛋白质在食品体系中的功能作用功能机制食品蛋白质种类溶解性亲水性饮料乳清蛋白粘度水结合、流体动力学分子大小和形状汤、肉汁、色拉调味料和甜食明胶水结合氢键、离子水合肉、香肠、蛋糕和面包肌肉蛋白质、鸡蛋蛋白质凝胶作用水截留和固定、网状结构形成肉、凝胶、蛋糕、焙烤食品和奶酪肌肉蛋白质、鸡蛋和乳蛋白质粘结—粘合疏水结合、离子结合和氢键肉、香肠、面条和焙烤食品肌肉蛋白质、鸡蛋蛋白质和乳清蛋白质弹性疏水结合和二硫交联肉和焙烤食品肌肉蛋白质和谷物蛋白质乳化在界面上吸附和形成膜香肠、大红肠、汤、蛋糕和调味料肌肉蛋白质、鸡蛋蛋白质和乳蛋白质起泡界面吸附和形成膜搅打起泡的浇头、冰淇淋、蛋糕和甜食鸡蛋蛋白质和乳蛋白质脂肪和风味物的结合疏水结合或截留低脂焙烤食品和油炸面包圈乳蛋白质、鸡蛋蛋白质和谷物蛋白质第106页/共205页与蛋白质功能性质相关的物理和化学性质

physicalandchemicalproperties

大小（size）形状（shape)氨基酸组成和顺序（aminoacidcompositionandsequence）净电荷和电荷的分布（netchargeanddistributionofcharges）疏水性和亲水性之比（hydrophobicity/hydrophilicityratio）二级、三级和四级结构（secondary,tertiary,andquaternarystructures）分子柔性和刚性（molecularflexibility/rigidity）蛋白质分子间相互作用和同其它组分作用的能力（abilitytointeract/reactwithothercomponents）。

第107页/共205页蛋白质的两类分子性质

Twomolecularaspectsofproteins流体动力学性质（hydrodynamicproperties）

粘度、胶凝和组织化……流体动力学性质……大小、形状和柔性。蛋白质表面性质（proteinsurface-relatedproperties）。

湿润性、分散性、溶解性、起泡、乳化以及与脂肪与风味物的结合……蛋白质表面的化学性质和地形性质（topographicalproperties）。

第108页/共205页食品蛋白质的功能性质可以分成三个主要类别：（1）

水合性质（Hydration，蛋白质－水的相互作用）

包括水吸收及保留、湿润性、肿胀、粘着性、分散性、溶解度和粘度。

（2）蛋白质－蛋白质相互作用（Protein－proteininteraction）包括沉淀作用、胶凝作用和形成各种其它结构（蛋白质面团和纤维）。

（3）表面性质（proteinsurface-relatedproperties

）

主要关系到蛋白质的表面张力、乳化作用和泡沫特征。第109页/共205页一、蛋白质的水合（ProteinHydration）Theinteractionofwaterwithotherfoodconstituents取决于水-蛋白质相互作用的蛋白质的功能性质：分散性、湿润性、肿胀、溶解性、增稠、粘度、持水能力、胶凝作用、凝结、乳化和起泡。第110页/共205页1水与蛋白质分子一些基团的相互作用离子-偶极相互作用偶极-偶极相互作用偶极-诱导偶极相互作用疏水相互作用

第111页/共205页蛋白质结合水的能力（水合能力）

waterbindingcapacity(WBC)ofproteins

定义：当干蛋白质粉与相对湿度为90-95%的水蒸汽达到平衡时，每克蛋白质所结合的水的克数。Gramsofwaterboundpergramofproteinwhenadryproteinpowderisequilibratedwithwatervaporat90-95%relativehumidity.第112页/共205页WBC----aminoacidcompositionChargedgroups:6molwater/molresidueunchagedgroups:2molwater/molresidueNonpolargroup:1molwater/molresidueThegreaterthenumberofchargedresidues,thegreateristheWBC.蛋白质的水合能力部分地与它的氨基酸组成有关，带电的氨基酸残基数目愈大，水合能力愈大。第113页/共205页a:gwater/gproteinfC:chargedresiduesintheproteinfP:polarresiduesintheproteinfN:nonpolarresiduesintheprotein第114页/共205页蛋白质水合能力（gH2O/g蛋白质）蛋白质水合能力（gH2O/g蛋白质）纯蛋白质商业蛋白质产品核糖核酸酶0.53乳清浓缩蛋白0.45-0.52溶菌酶0.34酪蛋白酸钠0.38-0.92肌红蛋白0.44大豆蛋白0.33β-乳球蛋白0.54胰凝乳蛋白酶原0.23血清清蛋白0.33血红蛋白0.62胶原蛋白0.45酪蛋白0.40卵清蛋白0.30表5-14各种蛋白质的水合能力第115页/共205页

干蛋白质水分子通过与极性部位多层水吸附

结合而被吸附

蛋白质的水化过程

（1）（2）液态水凝聚（3）肿胀（4）溶剂分散（5）

溶液肿胀的不溶性粒子或块第116页/共205页第117页/共205页Severalenvironmentalfactors,suchaspH,ionicstrength,typeofsalts,temperature,andproteinconformation,influencethewaterbindingcapacityofproteins.第118页/共205页（1）pH

影响蛋白质分子的离子化作用和净电荷数值，从而改变蛋白质分子间的吸引力和推斥力以及蛋白质分子同水结合的能力。attheirisoelectricpHleasthydrationAboveandbelowtheisoelectricpHproteinsswellandbindmorewater第119页/共205页（2）Ionicstrengthatlowconcentrations(<0.2M)saltsincreasethewaterbindingcapacityofproteinsathighsaltconcentrationsresultsindehydrationoftheprotein.第120页/共205页（3）TemperatureA．加热时，变性和凝聚作用，降低蛋白质的表面积及极性氨基酸的有效性。另一方面，加热时，内部的疏水性氨基酸转向表面。B.一些蛋白质，如乳清蛋白，加热时形成凝胶。如将凝胶干燥，蛋白质网中毛细管作用力使蛋白质吸收的能力显著地增加。WBCofproteinsgenerallydecreasesasthetemperatureisraised.

温度升高后，氢键作用和离子基团的水合作用减弱。第121页/共205页变性蛋白质结合水的能力一般比天然蛋白质约高10%。因为蛋白质变性时，随着一些原来埋藏的疏水基团的暴露，表面积与体积之比增加。然而，如果变性导致蛋白质聚集，蛋白质结合水的能力会由于蛋白质—蛋白质相互作用而下降。（4）DenaturationofProteins第122页/共205页二、蛋白质的溶解度（Solubility）Protein-Protein+Solvent-SolventProtein-Solvent高的起始溶解度是其它功能性质的先决条件。

thickening,foaming,emulsifying,andgelling

只有具有高溶解度乳清蛋白质和一些其它蛋白质才能在乳状液，泡沫和凝胶中表现出良好的功能性质。第123页/共205页影响蛋白质溶解性质的主要的相互作用：

疏水相互作用能促进蛋白质—蛋白质相互作用，使蛋白质溶解度降低；

离子相互作用能促进蛋白质—水相互作用，使蛋白质溶解度增加。第124页/共205页描述食品蛋白质的一些术语WSP：水溶性蛋白质WDP：水可分散蛋白质PDI：蛋白质分散性指标NSI：氮溶解性指标

PDI和NSI已被确定为美国油脂化学家协会的法定方法：第125页/共205页氮溶解度指标（NSI）、溶解度-pH或溶解度-离子强度或溶解度-热处理曲线是食品加工中常进行的试验。

商业大豆粉，浓缩大豆蛋白和分离大豆蛋白质的NSI值可以在10－90％之间变动。热处理时，大多数蛋白质的溶解度显著地和不可逆地降低。第126页/共205页根据溶解度性质的蛋白质分类(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的稀盐溶液。大豆球蛋白、菜豆球蛋白和β-乳球蛋白等。(3)

谷蛋白（Glutelin），仅能溶于酸（pH2）和碱（pH12）溶液。小麦谷蛋白等。(4)

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

谷蛋白和醇溶谷蛋白是高疏水性蛋白质。第127页/共205页其它影响溶解度的因素

１．pH当pH高于或低于等电点时，蛋白质带净的负电荷或净的正电荷，水分子能同这些电荷相互作用并起着稳定作用。U-形曲线，最低溶解度出现在蛋白质的等电点附近第128页/共205页２．IonicStrengthandSolubility“盐溶”（saltedin）

中性盐的离子在0.1-1Ｍ能提高蛋白质的溶解度。

“盐析”（saltedout）中性盐的离子大于１Ｍ，蛋白质的溶解度降低，并可能导致蛋白质沉淀。第129页/共205页第130页/共205页当离子强度＜0.5时，离子中和蛋白质表面的电荷。电荷掩蔽效应对蛋白质的溶解度的影响取决于蛋白质的表面性质。如果蛋白质含有高比例的非极性区域，那么此电荷掩蔽效应使它的溶解度下降，反之，溶解度提高。当离子强度＞1.0时，盐对蛋白质溶解度具有特殊的离子效应。

硫酸盐和氟化物（盐）逐渐降低蛋白质的溶解度。在相同的μ，各种离子对蛋白质溶解度的相对影响（提高溶解度）的能力。Hofmeister系列阴离子（提高蛋白质溶解度的能力）：

SO42-＜F-＜Cl-＜Br-＜I-＜ClO4-＜SCN-

阳离子（降低蛋白质溶解度的能力）：

NH4+＜K+＜Na+＜Li+＜Mg2+＜Ca2+。第131页/共205页在等电点pH离子强度和离子类型对羧基血红蛋白溶解度的影响第132页/共205页蛋白质在盐溶液中的溶解度S和S0：蛋白质在盐溶液和水中的溶解度Cs：盐的摩尔浓度；：常数Ks：盐析常数；Ks：正值盐析Ks：负值盐溶第133页/共205页３．OrganicSolvents能与水互溶的有机溶剂（ethanoloracetone）－－降低水介质的介电常数－－提高蛋白质分子内和分子间的静电作用力（推斥和吸引）。分子内静电推斥相互作用导致蛋白质分子结构的展开。在此展开状态，介电常数的降低能促进暴露的肽基团之间的分子间氢键的形成和带相反电荷的基团之间的分子间静电相互吸引作用。这些分子间的极性相互作用导致蛋白质在有机溶剂—水体系中溶解度下降或沉淀。第134页/共205页４．Temperature0－40℃蛋白质的溶解度随温度的提高而提高。温度超过40℃时，由于热动能的增加导致蛋白质结构的展开（变性），蛋白质内部的疏水基团暴露，促进蛋白质聚集和沉淀。温度对大豆分离蛋白溶解性的影响第135页/共205页三、蛋白质的界面性质（InterfacialProperties

）蛋白质稳定乳浊液牛奶、豆奶等动植物蛋白饮品，奶油、人造黄油、蛋黄酱、色拉调料、香肠等。蛋白质稳定泡沫食品面包、蛋糕、冰淇淋、啤酒泡沫第136页/共205页ProteinsareamphiphilicmoleculesTwophasesanair-waterinterfaceanoil-waterinterfaceProtein-stabilizedfoamsandemulsionsaremorestablethanthosepreparedwithlow-molecular-weightsurfactantsSoybeanoilandmilkproteinemulsion

Thefatglobulesandproteinmembranesarevisible.

Scale=200nm第137页/共205页不同蛋白质在表面活性性质上差别主要与它们在构象上的差别有关。重要的构象因素（conformationalfactors）多肽链的稳定性/柔性（stability/flexibility）对环境改变适应的难易程度（easeofadaptabilitytochangesintheenvironment）亲水与疏水基团在蛋白质表面的分布模式distributionpatternofhydrophilicandhydrophobicgroupsontheproteinsurface。第138页/共205页Thedesirablesurface-activeproteinshasthreeattributes:(1)Abilitytorapidlyadsorbtoaninterface.(2)Abilitytorapidlyunfoldandreorientataninterface.(3)Anability,onceataninterface,tointeractwithneighboringmoleculesandforastrongcohesive,viscoelasticfilmthatcanwithstandthermalandmechanicalactions.第139页/共205页AiroroilphaseAqueousphaseinterfaceNoadsorptionHydrophilicsurfaceHydrophobiccoreNonpolarsurfaceModerateprobabilityofadsorptionStrongprobabilityofadsorption第140页/共205页

多肽链在界面上采取的构型

Threedistinctconfigurations

列车状（trains):

directcontactwiththeinterface圈状(loops):

suspendedintheaqueous

尾状(tails):

N-orC-terminalsegmentstrainlooptail列车状构象愈多，蛋白质愈是强烈地与界面相结合，表面张力愈是低。第141页/共205页Themechanicalstrengthofaproteinfilmataninterfacedependoncohesiveintermolecularinteraction.AttractiveelectrostaticinteractionHydrogenbondingHydrophobicinteractionsInterfacialpolymerizationofadsorbedproteinsviadisulfidesulfhydrylinterchangesreactions(-S-S-===2-SH相互交换)alsoincreaseitsviscoelasticproperties.吸引、推斥和水合作用力之间的适当平衡是形成稳定的粘弹膜的必要条件。第142页/共205页（一）乳化性质（EmulsifyingProperties）Severalnatureandprocessedfoods,suchasmilk,eggyolk,coconutmilk,soymilk,butter,margarine（人造奶油）,mayonnaise（蛋黄酱）,spreads,saladdressings,frozendesserts,frankfurter（法兰克福香肠）,sausage,andcakes,areemulsion-typeproductswhereproteinsplayanimportantroleasanemulsifier.第143页/共205页评价食品乳化性质的方法

MethodsforDeterminingtheEmulsifyingPropertiesofProteinsTheemulsifyingpropertiesoffoodproteinsareevaluatedby:油滴大小分布（sizedistributionofoildropletsformed）乳化活力（emulsifyingactivity）乳化能力（emulsioncapacity）乳化稳定性（emulsionstability）第144页/共205页（1）EmulsifyingActivityIndex蛋白质稳定的乳状液的物理和感官特性取决于油滴的大小和总的界面面积。测定乳状液平均液滴的大小的方法有：光学显微镜法（lightmicroscopy）电子显微镜法（electronmicroscopy）光散射（lightscattering）Coulter计数器（Coultercounter

：液滴通过已知大小的小孔。第145页/共205页A:totalinterfacialareaΦ:volumefractionofdispersedphase(oil)R:themeanradiusoftheemulsionparticles

界面面积（A）计算第146页/共205页（2）乳化活力指标

EmulsifyingActivityIndex（EAI）EmulsifyingActivityIndex：Theinterfacialareacreatedperunitofmassprotein（单位质量蛋白质所产生的界面面积）

m：蛋白质质量（massofprotein）Φ：分散相（油）的体积分数（thevolumefractionofdispersedphase(oil)）第147页/共205页浊度法测定EAI（Turbidimetricmethod）

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

Φ：thevolumefractionofdispersedphase(oil)C:weightofproteinperunitvolumeofaqueousphase(1-φ)C：totalmassofproteininaunitvolumeoftheemulsionsimpleandpractical,notveryaccurate乳状液的浊度第148页/共205页（3）蛋白质的载量（ProteinLoad）蛋白质的载量单位界面面积上吸附的蛋白质量。

massofproteinadsorptedperunitinterfacialarea。将乳状液离心，使水相分离，重复洗油相和离心以除去任何松散吸附的蛋白质。最初乳状液中总蛋白质量和从乳状液洗出的液体中蛋白质量之差即为吸附在乳化粒子上的蛋白质的量。一般情况下，蛋白质的载量在1-3mg/m2界面面积范围内。第149页/共205页（4）乳化能力（EmulsionCapacity）

乳化能力（EC）是指在乳状液相转变前（从O/W乳状液转变成W/O乳状液）每克蛋白质所能乳化的油的体积。Definition:thevolume(ml)ofoilthatcanbeemulsifiedpergramofproteinbeforephaseinversion(achangefromoil-in-wateremulsiontowater-in-oil)occurs。Anabruptchangeinviscosityorcolor,oranincreaseinelectricalresistance第150页/共205页测定蛋白质乳化能力的方法

在不变的温度和速度下，将油或熔化的脂肪加至在食品捣碎器中被连续搅拌的蛋白质水溶液，根据后者粘度和颜色（通常将染料加入油中）的突然变化或电阻的增加检测相的转变。对于一个由蛋白质稳定的乳状液，相转变通常会发生在φ为0.65-0.85范围。相转变并非是一个瞬时过程，相转变出现之前先形成W/O/W双重乳状液。第151页/共205页比较不同蛋白质的乳化能力时，应采用EC—蛋白质浓度曲线，取代在特定蛋白质浓度下的EC。第152页/共205页（5）乳状液稳定性（EmulsionStability）stablefordaysdrasticconditionselevatedtemperaturecentrifugalforce

乳油层体积经受标准化离心后测定。

1300×g，5min；有时为了避免油滴聚结，在180×g下离心15min。

第153页/共205页

乳状液稳定性指标（Emulsionstabilityindex，ESI)ESI定义：乳状液的浊度达到起始值的一半所需要的时间（thetimetoachieveaturbidityoftheemulsionthatisone-halfoftheoriginalvalue）通常，值为0.77-0.88时，O/W乳状液具有最高的稳定性。当值较低时发生排水；而在较高时倾向于产生聚结和油层分离。第154页/共205页2.FactorsInfluencingEmulsification内在因素（intrin