第二节 蛋白质的结构与功能

一、蛋白质的组成与分类
(一)蛋白质的组成
从元素组成来说,自然界中的蛋白质均含有碳、氢、氧、氮几种元素,多数蛋白质含有硫,有些蛋白质还含有磷、铁、碘、锰、锌等其他元素,由于糖和脂肪中仅含有碳、氢、氧,不含氮,所以蛋白质是人体中氮的唯一来源,是糖和脂肪不可替代的。
从分子组成来说,某些蛋白质只含有氨基酸,这类蛋白质称为单纯蛋白质。某些蛋白质除含有氨基酸外,还含有一些辅基,构成蛋白质辅基的种类很广,常见的有色素化合物、寡糖、脂类、磷酸、金属离子,甚至分子量较大的核酸。
(二)蛋白质的分类
蛋白质的分类方法很多,不同的分类方法间互有侧重和交叉,下面介绍常见的4种分类方法。
1.蛋白质可根据其分子组成分为单纯蛋白质和结合蛋白质,单纯蛋白质可完全水解为α-氨基酸,按照溶解度等理化性质的差异又可分为白蛋白、球蛋白、醇溶谷蛋白、谷蛋白、精蛋白、组蛋白和硬蛋白。结合蛋白根据其辅基的不同,又可分为糖蛋白(glycoprotein)(由蛋白质与糖共价结合而成)、脂蛋白(lipoprotein)(蛋白质与脂质的化合物)、色蛋白(chromoprotein)(蛋白质与色素辅基的结合物)、核蛋白(nucleoprotein)(蛋白质与核酸的结合物)、磷蛋白(phosphoprotein)(蛋白质与磷酸基团的结合物)和金属蛋白(metalloprotein)(蛋白质与金属离子的结合物)。
2.蛋白质也可根据形状分为纤维蛋白和球状蛋白两大类。一般来说,纤维蛋白形似纤维,其分子长轴的长度比短轴长10倍以上。纤维蛋白多数为结构蛋白质,较难溶于水,作为细胞坚实的支架,或连接各细胞、组织和器官,如胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白等。大量存在于结缔组织中的胶原蛋白就是典型的纤维蛋白。球状蛋白的形状近似于球形或椭球形,多数可溶于水,许多具有生理活性的蛋白质,如酶、转运蛋白、蛋白质类激素、代谢调节蛋白、基因表达调控蛋白及免疫球蛋白都属于球状蛋白。
3.蛋白质还可按照生理功能分为活性蛋白质和非活性蛋白质。
4.在营养学上,按照食物蛋白质中必需氨基酸的组成和含量将蛋白质分为完全蛋白质、半完全蛋白质和不完全蛋白质。
完全蛋白质:所含氨基酸种类齐全、数量充足、比例适当,不仅能维持健康,还能促进生长发育,如乳类中的酪蛋白、乳白蛋白,蛋类中的卵白蛋白、卵磷蛋白,肉类中的白蛋白、肌蛋白,大豆中的大豆蛋白,小麦中的麦谷蛋白,玉米中的谷蛋白等。
半完全蛋白质:所含必需氨基酸种类齐全,但有的数量不足或比例不适当,可以维持生命,但不能促进生长发育,如小麦中的麦胶蛋白等。
不完全蛋白质:所含必需氨基酸种类不全,既不能维持生命,也不能促进生长发育,如玉米中的玉米胶蛋白。动物结缔组织中的胶质蛋白,豌豆中的豆球蛋白等。
二、蛋白质的基本结构
蛋白质通常由一条或几条多肽链组成,其结构复杂,功能各异。各种蛋白质的特殊功能与活性不仅取决于氨基酸的组成,数目及排列顺序,也与其空间构象密切相关。已确认的蛋白质结构层次分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构,为了研究的方便,在二、三级结构之间又划分出超二级结构和结构域。
(一)蛋白质的一级结构
蛋白质的一级结构(primary structure)是指多肽链内氨基酸残基从N-端到C-端的排列顺序,即氨基酸残基的排列顺序。蛋白质一级结构是蛋白质最基本的结构。我国科学家合成的结晶牛胰岛素就是由A、B两条多肽链组成的。肽键是每条链上连接氨基酸残基的主要化学键,两条多肽链之间通过两个二硫键连接。
蛋白质一级结构与蛋白质功能具有密切的关系,表现在以下三个方面:第一,一级结构是蛋白质空间构象的基础。第二,同源性较高的蛋白质之间,可能具有相类似的功能。因此在研究中蛋白质一级结构的比较常被用来预测蛋白质之间功能的相似性。第三,重要的蛋白质氨基酸序列改变可引起疾病,如镰刀型红细胞贫血症是由于血红蛋白β链的第6位谷氨酸被缬氨酸代替,造成血红蛋白结构异常,导致红细胞的运氧功能发生改变。
(二)蛋白质的二级结构
蛋白质的二级结构(secondary structure)是指多肽链中各肽键平面通过α-碳原子的旋转而形成的不同空间构象。X线衍射证明肽键中的碳-氮键具有一定的双键性质,不能自由旋转,从而使肽键上所连接的各原子位于同一平面上,这种平面结构称为肽键平面(amino plane)。肽键平面两侧的C—N和C—C键可以自由旋转,能引起肽键平面间的相互旋转,使主链出现各种构象,主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等。
体内蛋白质所具有的特定空间构象都与其特殊的生理功能有着密切的关系。如角蛋白含有大量α-螺旋结构,与富含角蛋白的组织的坚韧性和弹性直接相关。而丝心蛋白分子中含有大量的β-折叠结构,致使蚕丝具有伸展和柔软的特性。
(三)蛋白质的三级结构
蛋白质的三级结构(tertiary structure)是指蛋白质在α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等二级结构的基础上多肽链通过侧链的相互作用,按一定方式进一步卷曲,折叠成更复杂的三维空间结构。
(四)蛋白质的四级结构
复杂的蛋白质分子是由两条或两条以上具有三级结构的肽链所组成,每条肽链称为一个亚基(subunit),亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布,并以非共价键相连接,这种蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用,称为蛋白质的四级结构(quaternary structure)。由两个亚基组成的蛋白质四级结构中,若两个亚基分子结构相同,称之为同二聚体(homodimer),若两个亚基的分子结构不同,则称之为异二聚体(heterodimer)。含有四级结构的蛋白质,单独的亚基一般没有生物学功能,只有完整的四级结构寡聚体才有生物学功能。
三、几种重要的食品蛋白质的结构特征
食品蛋白质主要来源于动植物。来源于动物的食品蛋白质包括肉类蛋白、卵蛋白和乳蛋白,来源于植物的食品蛋白质主要包括谷物蛋白、大豆蛋白和其他油籽蛋白。此外,随着科学技术的发展,已开发出一些具有巨大潜力的新蛋白源,如单细胞蛋白、螺旋藻蛋白和食用菌蛋白。这里主要介绍几种重要的食品蛋白质的结构特征。
(一)动物源蛋白
1.乳蛋白
乳蛋白是乳中最重要的成分,乳蛋白主要有酪蛋白(casein,CAS)和乳清蛋白(whey protein,WP)两大类。酪蛋白主要分为α-酪蛋白(α s1-酪蛋白和α s2-酪蛋白)、β-酪蛋白、γ-酪蛋白和κ-酪蛋白。γ-酪蛋白是碱性蛋白酶和纤维蛋白酶降解β-酪蛋白的产物。
酪蛋白的结构具有以下特点:①酪蛋白是以磷蛋白为主体,磷含量以及与丝氨酸磷酸化的位置不同,决定了4种酪蛋白的结构差异。α-酪蛋白和β-酪蛋白中的磷酸基不是沿肽链随机分布的,而是以SerP-SerP-SerP-X-SerP-的序列存在。与丝氨酸残基相连的磷酸盐基团,不仅可以增加酪蛋白分子的电荷,而且也增加了与钙离子的结合强度,在酪蛋白之间形成Ca 2+桥。κ-酪蛋白只有1个或2个磷酸化基团,即使在中性条件下也很难形成Ca 2+桥。②α s2-酪蛋白和κ-酪蛋白分子中含有2个半胱氨酸残基,分子间可以通过形成二硫键发生交联反应。③酪蛋白分子中含有大量的非极性氨基酸,导致其为疏水性蛋白质。④酪蛋白中脯氨酸含量远高于其他蛋白质,由于脯氨酸的空间位阻,使酪蛋白很难形成有序的α螺旋和β折叠结构。它们以无序松散结构存在,更易被蛋白酶水解消化,同时,无序松散结构使其具有较高的热稳定性和良好的的表面吸附特性。
与酪蛋白不同,乳清蛋白具有细密的折叠结构,大多数含有α螺旋二级结构,电荷分布均匀,热稳定性差,水合能力强,分散度高,甚至在等电点时仍能保持分散状态。中性状态下用饱和硫酸铵或硫酸镁盐析乳清,析出的蛋白质称为乳球蛋白(lactoglobulin),溶解的部分称为乳白蛋白(lactalbumin)。
2.卵蛋白
禽蛋的卵白和卵黄中都含有蛋白,二者的组成及特性并不相同。以鸡蛋为例,鸡蛋由约60%的卵白和30%的卵黄组成,其中卵白中包含约90%的水分和约10%的蛋白质;而卵黄中含有约50%的水分和约16%的蛋白质,不同于卵白,卵黄中含有约34%的脂肪。
卵白中的蛋白质种类丰富,多为糖蛋白,主要蛋白质有12种:卵白蛋白、卵转铁蛋白、卵类黏蛋白、卵黏蛋白、溶菌酶、G 2-球蛋白、G 3-球蛋白、卵抑制物、卵糖蛋白、卵黄蛋白、卵巨球蛋白、半胱氨酸蛋白酶抑制剂、抗生物素蛋白。而卵黄中的蛋白主要是脂蛋白,包括低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、卵黄磷蛋白和卵黄球蛋白。鸡蛋中的过敏原主要存在于卵白中,卵类黏蛋白是从卵白过敏患者血清中检测出的致敏性最强的蛋白质。
3.肉类蛋白
肉类是人类最重要的食物,也是现代人类的重要蛋白质来源之一。肉类的大致的化学组成为蛋白质20%、水分70%、脂肪5%、其他5%,不同种类和不同部位的蛋白质含量不同。从氨基酸组成情况看,肌肉蛋白是优质的必需氨基酸的来源;从其消化率来看,肌肉蛋白是一种理想的食品蛋白源。动物肌肉组织中的蛋白质,可大致分为肌原纤维蛋白(myofibrillar protein)、肌浆蛋白(sarcoplasmic protein)和肌基质蛋白(stroma protein)。肌原纤维蛋白是肉类蛋白的主要成分,以肌原纤维的形式存在。肌原纤维蛋白中肌球蛋白和肌动蛋白为其主要成分。肌球蛋白由6条多肽链亚基组成2条完全相同的重链和4条轻链,构成2个梨形的头部结构和长的α螺旋的尾部结构。肌动蛋白以单体的G-肌动蛋白或纤维状的F-肌动蛋白存在。
(二)植物源蛋白
1.大豆蛋白
大豆蛋白是最有发展潜力的植物蛋白资源。大豆中蛋白质含量丰富,约占40%左右,含量高于一般的动物食品,必需氨基酸组成与动物蛋白接近,明显优于其他植物蛋白,消化率接近或超过动物蛋白。按照超离心时的沉降模式,大豆蛋白可分为2S、7S、11S和15S蛋白,7S蛋白(伴大豆球蛋白)和11S蛋白(大豆球蛋白)为大豆蛋白的主要成分。大豆7S蛋白含3.8%甘露糖和1.2%氨基葡萄糖,其糖基部分与天冬氨酸结合。根据其理化性质的差异,7S蛋白可分为β-伴球蛋白、γ-伴球蛋白和碱性7S蛋白。碱性7S蛋白是一种糖蛋白,由4个亚基组成,每个亚基由一条高分子质量多肽和一条低分子质量多肽通过二硫键连接。β-伴球蛋白也是一种糖蛋白。大豆11S蛋白被认为是一种单一蛋白,不含糖基,每个11S蛋白都有两条多肽链,一条链具有酸性等电点,另一条具有碱性等电点,即通常所说的酸性亚基和碱性亚基,两条肽链通过一个二硫键相连。
2.谷物蛋白
谷物蛋白主要是指从谷物的胚乳及胚中分离提取出来的蛋白质。已被食品工业应用的谷物蛋白主要有小麦蛋白、大米蛋白和玉米蛋白。谷物蛋白含量比较低,且氨基酸组成存在必需氨基酸不平衡问题。谷物中的蛋白质可根据溶解性将其分为四大类:清蛋白(albumin,水溶)、球蛋白(globulin,盐溶)、谷蛋白(glutelin,酸或碱溶)和醇溶谷蛋白(prolamin,70%乙醇溶解)。小麦蛋白分为单体蛋白(由1条肽链构成)和聚集体蛋白(2条以上肽链构成),其氨基酸组成存在一定差异,麦醇溶蛋白和麦谷蛋白含有丰富的谷氨酸(主要以酰胺形式存在)和脯氨酸,清蛋白和球蛋白则富含赖氨酸和精氨酸。麦醇溶蛋白是小麦蛋白的主要成分,为单体蛋白质,分子量小,无亚基结构,无肽链间二硫键,仅有分子内二硫键和较紧密的球形三维结构,多由非极性氨基酸组成,赋予面团黏性和膨胀性,主要为面团提供延展性。麦谷蛋白是一种非均质的大分子聚合体,由17~20种不同的多肽亚基组成,依靠分子内或分子间的二硫键连接,呈纤维状。玉米蛋白是由分子内和分子间二硫键连接起来的各种不同多肽组成的高分子化合物。大米蛋白中的胱氨酸含量较高,含有较多的链内或链间二硫键,这些二硫键使蛋白质多肽链聚集成致密分子。
各种食品蛋白质因其组成结构不同,其营养作用也不一样。肉类蛋白含有人体必需的各种氨基酸,其营养价值高,为优质蛋白质。植物源食品蛋白中,谷物蛋白因必需氨基酸组成不平衡,赖氨酸含量少,苏氨酸、丝氨酸及蛋氨酸含量偏低而使谷物食品蛋白质营养价值低于动物性食品。而大豆蛋白的氨基酸模式接近人体氨基酸模式,具有较高的营养价值,且大豆蛋白中赖氨酸含量较多,可与谷类食品混合食用,较好地发挥蛋白质互补作用。
四、蛋白质的生理功能与营养
(一)蛋白质的生理功能
1.维持组织的生长、更新和修补
蛋白质是构成机体组织,器官的重要成分,机体蛋白质处于不断地分解、重建及修复的过程中,因此每天都要从膳食中摄入一定量的蛋白质维持组织细胞的生长、更新和修补的需要。优质蛋白质的摄入对于生长发育时期的儿童和康复期的患者尤为重要。
2.参与体内多种重要的生理活动
蛋白质是体内多种重要生理活性物质的构成成分,如作为生物催化剂的酶、部分激素、抗体以及调节蛋白等的化学本质都是蛋白质。肌肉的收缩、物质的运输、血液的凝固等也均由蛋白质来实现。此外,氨基酸代谢过程还可产生胺类、神经递质、嘌呤和嘧啶等重要的含氮化合物,而这些功能是不能由糖和脂肪代替的,因此,蛋白质是整体生命活动的重要物质基础。
3.作为能源物质氧化供能
每克蛋白质在体内氧化分解可释放17.19kJ(4.1kcal)能量。但是,蛋白质的这种功能可由糖和脂肪代替,因此,氧化供能是蛋白质的次要功能。
(二)必需氨基酸和限制氨基酸
蛋白质的基本构成单位是氨基酸,人类摄食蛋白质的最终目标是获得机体所需要的各种氨基酸。
人体蛋白质由20种氨基酸组成。其中大部分可在人体内合成,但有9种氨基酸人体不能合成,或合成的速度不能满足机体的需要,必须由膳食供给。这种体内必需但又不能自身合成,必须由膳食供给的氨基酸称为必需氨基酸(essential amino acid,EAA),包括亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸和组氨酸。蛋氨酸和苯丙氨酸可在体内转变成半胱氨酸和酪氨酸,如果膳食中能直接提供半胱氨酸和酪氨酸,则人体对蛋氨酸和苯丙氨酸的需要可分别减少30%和50%。所以半胱氨酸和酪氨酸这类可减少人体对某些必需氨基酸需要量的氨基酸被称为条件必需氨基酸(conditionally essential amino acid,CEAA)或半必需氨基酸(semi-essential amino acid,SEAA)。在计算食物必需氨基酸组成时,往往将半胱氨酸和蛋氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸合并计算。其余9种氨基酸,人体自身可以合成并满足机体需要,故称非必需氨基酸(nonessential amino acid,NEAA)。非必需氨基酸对人体也很重要。
(三)蛋白质营养价值
蛋白质的营养价值(nutrition)是指食物蛋白质在体内的利用率。蛋白质营养价值的高低主要取决于食物蛋白质中必需氨基酸的种类、数量和比例。
在营养学上,各种食物蛋白质中必需氨基酸的种类、数量和比例的差异常用氨基酸模式(amino acid pattern)来反应。所谓氨基酸模式,就是蛋白质中各种必需氨基酸的相应比值。当食物蛋白质氨基酸模式与人体蛋白质氨基酸模式越接近时,食物中必需氨基酸被机体利用的程度就越高,食物蛋白质的营养价值也相对越高,这种食物蛋白质被称为优质蛋白质,如动物性食物中的蛋、奶、肉、鱼等蛋白质以及植物性食物中的大豆蛋白质。其中鸡蛋蛋白质与人体蛋白质氨基酸模式最接近,在实验中常以它作为参考蛋白(referance protein),参考蛋白是指可用来测定其他蛋白质质量的标准蛋白。反之,食物蛋白质中一种或几种必需氨基酸含量较低,导致其他的必需氨基酸在体内不能被充分利用而浪费,造成其蛋白质营养价值降低,这种含量较低的必需氨基酸称限制氨基酸(limiting amino acid)。其中含量最低的称第一限制氨基酸,余者以此类推。植物性食物的蛋白质往往相对缺乏赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸和色氨酸(如大米和面粉蛋白质中赖氨酸含量最少),所以其营养价值较低。前面章节中营养学上三种蛋白质的分类依据就是必需氨基酸的种类、数量和比例。其中完全蛋白质的营养价值最高,半完全完全蛋白质次之。为了提高植物性蛋白质的营养价值,往往将两种或两种以上的食物混合食用,从而达到以多补少的目的,提高膳食蛋白质的营养价值。这种不同食物间相互补充其必需氨基酸不足的作用称为蛋白质互补作用(complementary action),如肉类和大豆蛋白可弥补米、面蛋白质中赖氨酸的不足。某些疾病情况下,为保证患者氨基酸的需要,可输入氨基酸混合液,以防止病情恶化。
(梁世倩 韩 骅)