蛋白质

引入

为什么蛋白质是生命活动的主要承担者?

为什么高温或强酸强碱会破坏蛋白质的功能?

蛋白质的结构和性质有什么关系?

氨基酸如何连接成蛋白质?

蛋白质是生物体内含量最丰富、功能最多样的生物大分子。它们由氨基酸通过肽键连接而成,承担着催化、运输、免疫、调节等多种功能。

理解蛋白质,关键在于理解氨基酸的结构、肽键的形成、蛋白质的层次结构,以及结构与功能的关系。详细内容参见 基本营养物质。

正文

定义

蛋白质是由氨基酸通过肽键连接而成的高分子化合物,是生命活动的主要承担者。蛋白质分子含有 C、H、O、N 元素,有些还含有 S、P 等元素。

氨基酸

结构

氨基酸是构成蛋白质的基本单位。

通式:

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}$

氨基酸分子中同时含有氨基 $-\mathrm{NH}{}_2$ 和羧基 $-\mathrm{COOH}$,所以既有碱性又有酸性,属于两性化合物。

分类

按 R 基团分类:

• 脂肪族氨基酸:如甘氨酸 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{COOH}$
• 芳香族氨基酸:如苯丙氨酸
• 杂环氨基酸:如色氨酸

按营养学分类:

• 必需氨基酸:人体不能合成,必须从食物中获取,共 8 种(赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸)
• 非必需氨基酸:人体可以合成

性质

两性:

氨基酸既能与酸反应,也能与碱反应。

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}+\mathrm{HCl}\to \mathrm{Cl}{}^{-}{}_{}^{}{}_{}^{+}\mathrm{H}{}_3\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}$

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}+\mathrm{NaOH}\to \mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COO}{}^{-}\mathrm{Na}{}^{+}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

成肽反应:

两个氨基酸分子可以通过脱水缩合形成肽键。

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}{}_1-\mathrm{COOH}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}{}_2-\mathrm{COOH}\to \mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}{}_1-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}-\mathrm{CHR}{}_2-\mathrm{COOH}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

肽键 $-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}{}^{-}$ 是连接氨基酸的关键化学键。

颜色反应:

含有苯环的氨基酸(如酪氨酸)遇浓硝酸呈黄色,这是蛋白质的颜色反应之一。

肽和蛋白质

肽的分类

名称	氨基酸数量	说明
二肽	2 个氨基酸	含 1 个肽键
三肽	3 个氨基酸	含 2 个肽键
多肽	多个氨基酸	含多个肽键
蛋白质	通常 50 个以上氨基酸	高分子多肽

蛋白质的结构层次

一级结构:

氨基酸的排列顺序,由肽键连接。

二级结构:

肽链通过氢键等作用力形成的局部规则结构,如 $\alpha$-螺旋、$\beta$-折叠。

三级结构:

整条肽链在空间上的折叠方式,形成特定的三维结构。

四级结构:

多条肽链组装成的复合体结构。

蛋白质的生物学功能依赖于其特定的空间结构。

蛋白质的性质

两性

蛋白质分子中既有氨基又有羧基,显两性。

$蛋白质+酸\to 盐$

$蛋白质+碱\to 盐$

水解

蛋白质在酸、碱或酶的催化下能水解,最终生成氨基酸。

$蛋白质\underset{\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}}{\overset{酸/碱/酶}{\to }}多肽\stackrel{继续水解}{\to }氨基酸$

人体消化蛋白质的过程:

1. 胃:胃蛋白酶将蛋白质初步水解成多肽
2. 小肠:胰蛋白酶等将多肽进一步水解成氨基酸
3. 氨基酸被小肠吸收,用于合成人体自身的蛋白质

盐析

向蛋白质溶液中加入大量中性盐(如硫酸铵、氯化钠),蛋白质溶解度降低而析出,这个过程叫盐析。

• 盐析是可逆的,除去盐后蛋白质可重新溶解
• 盐析不破坏蛋白质的结构,可用于提纯和分离蛋白质

变性

蛋白质受热、强酸、强碱、重金属盐、紫外线、有机溶剂等作用,空间结构被破坏,失去生理活性,这个过程叫变性。

变性的特点:

• 不可逆
• 破坏蛋白质的高级结构,但肽键通常不断裂
• 导致蛋白质失去生理功能

变性的应用:

• 高温消毒(破坏细菌蛋白质)
• 重金属盐中毒急救(误食重金属盐后,喝牛奶或蛋清,利用蛋白质变性减少重金属吸收)
• 酒精消毒(使细菌蛋白质变性)

颜色反应

蛋白质遇浓硝酸变黄,这是蛋白质的特征反应,可用于检验蛋白质。

$蛋白质+浓\mathrm{HNO}{}_3\stackrel{加热}{\to }黄色物质$

这是因为蛋白质中的酪氨酸等芳香族氨基酸与浓硝酸反应生成黄色的硝基化合物。

蛋白质的功能

功能	说明	例子
构成细胞和组织	蛋白质是细胞膜、肌肉等的主要成分	胶原蛋白、肌动蛋白
催化作用	几乎所有酶都是蛋白质	淀粉酶、蛋白酶
运输作用	运输氧气、营养物质等	血红蛋白运输氧气
免疫防御	抗体识别和清除外来物质	免疫球蛋白
调节作用	某些激素是蛋白质	胰岛素调节血糖
运动功能	肌肉收缩	肌动蛋白、肌球蛋白

蛋白质的来源

动物性蛋白:

• 肉类、鱼类、蛋类、奶类
• 氨基酸组成接近人体需要,利用率高

植物性蛋白:

• 豆类、谷物、坚果
• 部分必需氨基酸含量较低,需要合理搭配

蛋白质与健康

蛋白质缺乏:

• 生长发育迟缓
• 免疫力下降
• 贫血
• 水肿

蛋白质过量:

• 增加肝肾负担
• 尿酸升高

合理摄入:

成年人每天需要约 $60\sim 80\mathrm{g}$ 蛋白质,应合理搭配动植物蛋白。

引出

为什么蛋白质变性后不能恢复功能?

为什么不同蛋白质的功能差异这么大?

如何通过实验检验某物质中是否含有蛋白质?

为什么素食者也要注意蛋白质补充?