蛋白质是组成人体一切细胞、组织的重要成分。机体所有重要的组成部分都需要有蛋白质的参与。一般说,蛋白质约占人体全部质量的18%,最重要的还是其与生命现象有关。
蛋白质(protein)是生命的物质基础,是有机大分子,是构成细胞的基本有机物,是生命活动的主要承担者。没有蛋白质就没有生命。氨基酸是蛋白质的基本组成单位。它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。蛋白质占人体重量的16%~20%,即一个60kg重的成年人其体内约有蛋白质9.6~12kg。人体内蛋白质的种类很多,性质、功能各异,但都是由20多种氨基酸(Amino acid)按不同比例组合而成的,并在体内不断进行代谢与更新。
蛋白质是由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质。
蛋白质是由α—氨基酸按一定顺序结合形成一条多肽链,再由一条或一条以上的多肽链按照其特定方式结合而成的高分子化合物。蛋白质就是构成人体组织器官的支架和主要物质,在人体生命活动中,起着重要作用,可以说没有蛋白质就没有生命活动的存在。每天的饮食中蛋白质主要存在于瘦肉、蛋类、豆类及鱼类中。
男性缺失蛋白质比女性缺失蛋白质更需要重视,男士一旦缺失蛋白质,会导致男性精子质量下降,精子活力降低以及精子不液化造成男性不育。
食入的蛋白质在体内经过消化被水解成氨基酸被吸收后,合成人体所需蛋白质,同时新的蛋白质又在不断代谢与分解,时刻处于动态平衡中。因此,食物蛋白质的质和量、各种氨基酸的比例,关系到人体蛋白质合成的量,尤其是青少年的生长发育、孕产妇的优生优育、老年人的健康长寿,都与膳食中蛋白质的量有着密切的关系。蛋白质又分为完全蛋白质和不完全蛋白质。富含必需氨基酸,品质优良的蛋白质统称完全蛋白质,如奶、蛋、鱼、肉类等属于完全蛋白质,植物中的大豆亦含有完全蛋白质。缺乏必需氨基酸或者含量很少的蛋白质称不完全蛋白质,如谷、麦类、玉米所含的蛋白质和动物皮骨中的明胶等。
这些元素在蛋白质中的组成百分比约为:碳50% 氢7% 氧23% 氮16% 硫0~3% 其他微量。
蛋白质是以氨基酸为基本单位构成的生物高分子。蛋白质分子上氨基酸的序列和由此形成的立体结构构成了蛋白质结构的多样性。蛋白质具有一级、二级、三级、四级结构,蛋白质分子的结构决定了它的功能。
一级结构(primary structure):氨基酸残基在蛋白质肽链中的排列顺序称为蛋白质的一级结构,每种蛋白质都有唯一而确切的氨基酸序列。
二级结构(secondary structure):蛋白质分子中肽链并非直链状,而是按一定的规律卷曲(如α-螺旋结构)或折叠(如β-折叠结构)形成特定的空间结构,这是蛋白质的二级结构。蛋白质的二级结构主要依靠肽链中氨基酸残基亚氨基(—NH—)上的氢原子和羰基上的氧原子之间形成的氢键而实现的。
三级结构(tertiary structure):在二级结构的基础上,肽链还按照一定的空间结构进一步形成更复杂的三级结构。肌红蛋白,血红蛋白等正是通过这种结构使其表面的空穴恰好容纳一个血红素分子。
四级结构(quaternary structure):具有三级结构的多肽链按一定空间排列方式结合在一起形成的聚集体结构称为蛋白质的四级结构。如血红蛋白由4个具有三级结构的多肽链构成,其中两个是α-链,另两个是β-链,其四级结构近似椭球形状。
连接方法
用约20种氨基酸作原料,在细胞质中的核糖体上,将氨基酸分子互相连接成肽链。一个氨基酸分子的氨基和另一个氨基酸分子的羧基,脱去一分子水而连接起来,这种结合方式叫做脱水缩合。通过缩合反应,在羧基和氨基之间形成的连接两个氨基酸分子的那个键叫做肽键。由肽键连接形成的化合物称为肽。
中国居民膳食蛋白质的推荐摄入量
年龄(岁)
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蛋白质RNI/(g/d)
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年龄(岁)
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蛋白质RNI/(g/d)
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男
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女
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男
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女
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0~
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1.5~3g/(kg·d)
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14~
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65
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60
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0.5~
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1.5~3g/(kg·d)
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18~
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1~
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35
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35
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体力活动
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2~
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40
|
40
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轻
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55
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45
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3~
|
45
|
45
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中
|
60
|
50
|
4~
|
50
|
50
|
重
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70
|
60
|
5~
|
55
|
55
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孕妇
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6~
|
55
|
55
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早期
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+8
|
|
7~
|
60
|
60
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中期
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+18
|
|
8~
|
65
|
65
|
晚期
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+23
|
|
9~
|
65
|
65
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乳母
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+23
|
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10~
|
70
|
65
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老年
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75
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69
|
11~
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75
|
75
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按15%蛋白质/总热量计
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● RNI(推荐摄入量):是指可以满足某一特定性别、年龄及生理状况群体中绝大多数个体(97%~98%)的需要量的摄入水平。长期摄入RNI水平,可以满足机体对该营养素的需要,维持组织中适当的营养素储备,保持健康。
蛋白质在胃液消化酶的作用下,初步水解,在小肠中完成整个消化吸收过程。氨基酸的吸收通过小肠黏膜细胞,是由主动运转系统进行,分别转运中性、酸性和碱性氨基酸。在肠内被消化吸收的蛋白质,不仅来自于食物,也有肠黏膜细胞脱落和消化液的分泌等,每天有70g左右蛋白质进入消化系统,其中大部分被消化和重吸收。未被吸收的蛋白质由粪便排出体外。
表现
蛋白质如果摄取过量的话也会在体内转化成脂肪,造成脂肪堆积。
肾脏要排泄进食的蛋白质,当分解蛋白质时会产生大量的氮素这样会增加肾脏的负担。蛋白质,尤其是动物性蛋白摄入过多,对人体同样有害。首先过多的动物蛋白质的摄入,就必然摄入较多的动物脂肪和胆固醇。其次蛋白质过多本身也会产生有害影响。正常情况下,所以必须将过多的蛋白质脱氨分解,氮则由尿排出体外,这加重了代谢负担,而且,这一过程需要大量水分,从而加重了肾脏的负荷,若肾功能本来不好,则危害就更大。过多的动物蛋白摄入,也造成含硫氨基酸摄入过多,这样可加速骨骼中钙质的丢失,易产生骨质疏松。
危害
蛋白质缺乏在成人和儿童中都有发生,但处于生长阶段的儿童更为敏感。蛋白质的缺乏常见症状是代谢率下降,对疾病抵抗力减退,易患病,远期效果是器官的损害,常见的是儿童的生长发育迟缓、营养不良、体质量下降、淡漠、易激怒、贫血以及干瘦病或水肿,并因为易感染而继发疾病。蛋白质的缺乏,往往又与能量的缺乏共同存在即蛋白质—热能营养不良,分为两种,一种指热能摄入基本满足而蛋白质严重不足的营养性疾病,称加西卡病。另一种即为“消瘦”,指蛋白质和热能摄入均严重不足的营养性疾病。
在热、酸、碱、重金属盐、紫外线等作作用下,蛋白质会发生性质上的改变而凝结起来.这种凝结是不可逆的,不能再使它们恢复成原来的蛋白质.蛋白质的这种变化叫做变性.蛋白质变性之后,紫外吸收,化学活性以及粘度都会上升,变得容易水解,但溶解度会下降。
蛋白质变性后,就失去了原有的可溶性,也就失去了它们生理上的作用.因此蛋白质的变性凝固是个不可逆过程.
造成蛋白质变性的原因
例如在鸡蛋白溶液中滴入浓硝酸,则鸡蛋白溶液呈黄色.这是由于蛋白质(含苯环结构)与浓硝酸发生了颜色反应的缘故.还可以用双缩脲试剂对其进行检验,该试剂遇蛋白质生成紫色络合物。
对蛋白质折叠机理的研究,对保留蛋白质活性,维持蛋白质稳定性和包涵体蛋白质折叠复性都具有重要的意义(21)。早在上世纪30年代,我国生化界先驱吴宪教授就对蛋白质的变性作用进行了阐释(8),30年后,Anfinsen通过对核糖核酸酶A的经典研究表明去折叠的蛋白质在体外可以自发的进行再折叠,仅仅是序列本身已经包括了蛋白质正确折叠的所有信息(9,10),并提出蛋白质折叠的热力学假说,为此Anfinsen获得1972年诺贝尔化学奖。这一理论有两个关键点:1蛋白质的状态处于去折叠和天然构象的平衡中;2 天然构象的蛋白质处于热力学最低的能量状态。尽管蛋白质的氨基酸序列在蛋白质的正确折叠中起着核心的作用,各种各样的因素,包括信号序列,辅助因子,分子伴侣,环境条件,均会影响蛋白质的折叠,新生蛋白质折叠并组装成有功能的蛋白质,并非都是自发的,在多数情况下是需要其它蛋白质的帮助,已经鉴定了许多参与蛋白质折叠的折叠酶和分子伴侣(3,16,86),蛋白质“自发折叠”的经典概念发生了转变和更新,但这并不与折叠的热力学假说相矛盾,而是在动力学上完善了热力学观点。在蛋白质的折叠过程中,有许多作用力参与,包括一些构象的空间阻碍,范德华力,氢键的相互作用,疏水效应,离子相互作用,多肽和周围溶剂相互作用产生的熵驱动的折叠(12,52),但对于蛋白质获得天然结构这一复杂过程的特异性,我们还知之甚少,许多实验和理论的工作都在加深我们对折叠的认识,但是问题仍然没有解决
在折叠的机制研究上早期的理论认为,折叠是从变性状态通过中间状态到天然状态的一个逐步的过程,并对折叠中间体进行了深入研究,认为折叠是在热力学驱动下按单一的途径进行的。后来的研究表明折叠过程存在实验可测的多种中间体,折叠通过有限的路径进行。新的理论强调在折叠的初始阶段存在多样性,蛋白质通过许多的途径进入折叠漏斗(folding funnel),从而折叠在整体上被描述成一个漏斗样的图像,折叠的动力学过程被认为是部分折叠的蛋白质整体上的进行性装配,并且伴随有自由能和熵的变化,蛋白质最终寻找到自己的正确的折叠结构,这一理论称为能量图景(energy landscape),如图3所示,漏斗下方的凹凸反映蛋白质构象瞬间进入局部自由能最小区域(13,14)。
图3:能量图景(The energy landscape)的示意图,高度代表能量尺度,宽度代表构象尺度,在漏斗(funnel)的下方存在别的低能量状态,共存的不同能量状态的蛋白质种类也降到最小(14)。
这一理论认为结构同源的蛋白质可以通过不同的折叠途径形成相似的天然构象,人酸性成纤维生长因子(hFGF-1)和蝾螈酸性成纤维生长因子(nFGF-1)氨基酸序列具有约80%同源性,并且具有结构同源性(12个β折叠反向平行排列形成β折叠桶),在盐酸胍诱导去折叠的过程中,hFGF-1可以监测到具有熔球体样的折叠中间体,而nFGF-1经由两态(天然状态到变性状态)去折叠,没有检测到中间体的存在,折叠的动力学研究也表明两种蛋白采用不同的折叠机制(38)。
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