人体营养学基础/蛋白质的定义

5.1 蛋白质的定义

所有活细胞都由蛋白质构成（不详），包括激素、酶和抗体等物质，这些物质对于生物体的正常运作至关重要。蛋白质对生命至关重要。它们是一组由碳、氢、氧和有时是硫组成的复杂有机化学化合物，由一个或多个氨基酸链组成。它们是身体真正的“工作者”。蛋白质在生物体内执行着各种各样的功能，包括复制DNA、催化代谢反应和对不同刺激做出反应。它们是生物体的重要组成部分，参与细胞内几乎所有过程。它们在动物饮食中极其重要，因为某些氨基酸无法合成，必须从食物中获取。氨基酸在消化后被分解代谢，并在代谢中使用。

一些富含蛋白质的食物包括鸡蛋、牛奶、肉类、鱼类、豆腐和豆类。

根据蛋白质的组成，可以将其分为三种类型。

1. 简单蛋白质
2. 结合蛋白质
3. 衍生蛋白质

简单蛋白质是由通过肽键连接的氨基酸组成的蛋白质。一些例子包括球蛋白、白蛋白、组蛋白、白蛋白类、精蛋白和谷蛋白。

结合蛋白质是与辅基或辅助因子结合的简单蛋白质。一些例子包括磷蛋白、色蛋白、核蛋白和糖蛋白。

衍生蛋白质是使用化学试剂和酶的作用从简单蛋白质获得的，它们不是天然存在的蛋白质。一些例子包括肽、胨和变性蛋白。

简单蛋白质是由通过肽键连接的氨基酸组成的蛋白质。一些例子包括球蛋白、白蛋白和麦醇溶蛋白。

结合蛋白质是与辅基或辅助因子结合的简单蛋白质。一些例子包括磷蛋白和色蛋白。

衍生蛋白质是使用化学试剂和酶的作用从简单蛋白质获得的，它们不是天然存在的蛋白质。一些例子包括肽和胨。

氨基酸和蛋白质是生命的基石。当蛋白质被消化或分解时，会留下氨基酸。人体需要多种氨基酸来：

1. 分解食物
2. 生长
3. 修复身体组织
4. 其他身体功能

氨基酸分为三类

氨基酸有三种类型：必需氨基酸、非必需氨基酸和条件性氨基酸。

1. 必需氨基酸，我们无法合成，因此必须从食物中获取。异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸这八种氨基酸不能由人体合成，因此必须是饮食中必不可少的成分。
2. 非必需氨基酸由人体合成，因此人们不需要通过食物获取。它们是：丙氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸和谷氨酸。
3. 条件性氨基酸：如果你的身体处于压力、失衡或患病状态，这些氨基酸就会变得必需，你必须从食物或补充剂中获取。它们是：精氨酸、甘氨酸、胱氨酸、酪氨酸、脯氨酸、谷氨酰胺和牛磺酸。

5.1.1 结构

蛋白质有四个组织层次。每个层次都赋予蛋白质一个新的物理复杂性，进而带来更多样的功能。这句话“形式决定功能”对于蛋白质来说是一个恰当的口号。四个层次如下

一级结构

蛋白质在最基本的层面上是通过肽键连接在一起的单个氨基酸的有序串联。可以将单个蛋白质想象成一条串着不同珠子的项链，每个珠子都具有独特的特性（惠特尼，E.，& 罗尔夫斯，S.，2013）。每种蛋白质都有自己的氨基酸模式，使其结构不同，从而使其功能不同。氨基酸排列的不同影响将在下一个组织层次中发挥作用。

二级结构

现在蛋白质链开始呈现出独特的形状。形成是由单个氨基酸与其他氨基酸之间的弱电吸引力驱动的（惠特尼，E.，& 罗尔夫斯，S.，2013）。根据杰弗里·库珀的说法，这是蛋白质形成的主要指导，也是为什么一级结构中氨基酸的顺序决定了未来蛋白质的功能的原因。此外，分子伴侣帮助蛋白质折叠，它们唯一的目的是帮助蛋白质以其已经预先倾向的折叠方式折叠（库珀，G.，2000）。

蛋白质链可以呈现一些形状，如折叠片和螺旋（惠特尼，E.，& 罗尔夫斯，S.，2013）。埃尔姆赫斯特大学将螺旋形状描述为弹簧状，这种形状通过单个氨基酸的氮和氢与该氨基酸向下 4 个氨基酸的碳和氧之间的氢键稳定。埃尔姆赫斯特大学还指出，β折叠片是由氢键侧面连接的蛋白质链组成的片状结构，与螺旋结构相比，它呈平面状。

三级结构

蛋白质的三级结构是形式真正开始体现功能的时候。富含α螺旋和β折叠片的氨基酸链开始向自身折叠，亲水性氨基侧基朝向水性环境的外侧，疏水性侧基朝向内侧（惠特尼，E.，& 罗尔夫斯，S.，2013）。现在很容易理解为什么一级结构中氨基酸的顺序对于蛋白质的正确形式和功能至关重要。

四级结构

在某些情况下，蛋白质需要超越三级结构进行组织。多个已经达到三级结构的蛋白质，也被称为多肽，可以聚集在一起形成更大的结构（惠特尼，E.，& 罗尔夫斯，S.，2013）。

错误折叠

蛋白质折叠是一个复杂的过程，直接影响蛋白质的功能。蛋白质只有在三维结构正确的情况下才能在体内正常工作。虽然大多数蛋白质都正确折叠，但有些蛋白质在折叠过程中可能会错误折叠或展开。这会导致体内无法使用的无活性蛋白质。错误折叠的蛋白质是由于蛋白质没有足够的能量折叠到其正确状态而产生的，可能会受到温度或细胞空间有限的影响（格雷格森，2006）。这在细胞中很常见，通常可以通过身体的机制来纠正。错误折叠的蛋白质可以通过伴侣系统重新折叠，伴侣系统会重新折叠蛋白质，或者通过变性来破坏（格雷格森，2006）。但是，有些蛋白质如果折叠不正确，可能会对健康有害。在体内积累的错误折叠的蛋白质会复制并导致阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿舞蹈症等退行性疾病（雷诺，2010）。随着年龄的增长，患退行性疾病的风险会增加，因为人体在蛋白质重新折叠过程中的效率会降低（雷诺，2010）。

变性

变性是指蛋白质被分解的过程（奥夫哈特，2003）。在这个过程中，三维三级结构会解开。由于三级结构被解开，蛋白质就不能再正常发挥作用。变性可以通过强酸或强碱、盐、去污剂、热量或机械力诱导（奥夫哈特，2003）。蛋白质折叠是由氢键引起的，氢键是一种弱相互作用；因此，使蛋白质变性并不需要太多努力。变性后，蛋白质处于“无规卷曲”结构（奥夫哈特，2003）。这种无规卷曲结构与一级、二级、三级或四级结构无关。蛋白质变性后，它无法重新折叠回其二级和三级结构（奥夫哈特，2003）。由于它无法恢复三级结构，因此它不再能像以前一样发挥功能，如果它还能发挥功能的话。变性几乎是一个不可逆的过程。变性会导致细胞活性的改变，甚至可能导致细胞死亡（奥夫哈特，2003）。然而，变性也可能只导致颜色、质地和物理形式的微小变化。变性是一种常见现象；人体需要它来消化食物。日常生活中发生的变性例子是鸡蛋在煮熟时蛋白和蛋黄变硬（奥夫哈特，2003）。为了使鸡蛋可食用，必须通过热量使其变性。变性也是肉类在烹饪时变硬的原因。来自食物的蛋白质在与胃酸接触时会变性（奥夫哈特，2003）。

完全蛋白质和不完全蛋白质

完全蛋白质包含所有九种必需氨基酸，数量足以满足人体的需求。这些蛋白质主要存在于动物性蛋白质中，如肉类、鱼类、乳制品和鸡蛋。这些蛋白质通常具有更好的吸收率和生物利用度。不完全蛋白质不包含所有必需氨基酸，或不含足够的必需氨基酸。不完全蛋白质来自植物性食物，如谷物、蔬菜、坚果、种子和豆类。它们可以组合起来形成完全蛋白质（莫罗，2012）。

蛋白质分解

蛋白质在分解代谢过程中被分解成氨基酸。一旦这些氨基酸被分解，它们就会被重新组装成数千种不同的形式，人体可以利用这些形式来合成激素、酶和神经递质。为了使蛋白质分解，胃分泌一种叫做胃泌素的激素，它会引起胃分泌胃液。胃还会产生胃蛋白酶原，它在胃液中的盐酸的作用下转化为胃蛋白酶。胃蛋白酶是将蛋白质分解成肽的酶。胃分泌的另一种消化酶是蛋白酶。一旦这些肽进入十二指肠和胰腺，它们就会被胰蛋白酶进一步分解。在肠道中，在肽酶的帮助下，肽被完全分解成氨基酸，这些氨基酸被小肠吸收进入血液（Gromisch，2014）。

转氨基作用和脱氨基作用

当摄入过多蛋白质时，氨基酸必须被分解并以尿素的形式排出。为了开始氨基酸的分解代谢，必须去除其胺基，NH3。胺基可以通过转氨基作用或脱氨基作用去除。转氨基作用是指将胺基从氨基酸转移到酮酸的过程。这是一个可逆反应，因为反向反应被用来合成非必需氨基酸。脱氨基作用主要发生在肝脏中，在称为脱氨酶的催化剂的帮助下进行。在这个过程中，氨被去除并转化为尿素，尿素对身体的毒性较小。尿素在通过肾脏后从体内排出。转脱氨基作用是这两种反应类型的组合，也称为偶联反应。它发生在转氨基作用直接接着氧化脱氨基作用的情况下。这些过程都是尿素循环的一部分。在尿素循环中，脱氨基反应释放的游离铵离子与碳酸氢根离子缩合形成尿素。在每次循环中，会产生一个鸟氨酸分子，它使循环持续进行。一些基因突变会阻止鸟氨酸的产生，从而导致尿素循环功能障碍。这可能是危及生命的，因为体内过量的氨是有毒的（Yudkoff，1999）。

5.1.2 氨基酸分类

氨基酸以其作为蛋白质的组成部分以及代谢中的中间体而闻名。它们在蛋白质中的排列取决于基因中编码蛋白质的碱基序列。这些组成部分的化学性质决定了蛋白质的功能。（Dayhoff，2003）

人体需要 20 种不同的氨基酸来合成所需的各种蛋白质。这些氨基酸可以按其营养方面或化学组成进行分类，特别是它们可变的侧链。（Fantar，2009）

必需氨基酸、非必需氨基酸和条件必需氨基酸

人体只能自身合成一些氨基酸，而其他氨基酸必须从饮食中获取。

必需氨基酸，也称为不可缺少的氨基酸，是人体无法制造的，因此必须从饮食中获取。9 种必需氨基酸是：组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸。（Gersten，2012）

非必需氨基酸是指人体自然产生的氨基酸。它们要么由蛋白质降解产物产生，要么由其他必需氨基酸产生。这些酸包括：丙氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、半胱氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、鸟氨酸、脯氨酸、丝氨酸和酪氨酸。（Creative Commons，2012）

条件必需氨基酸通常不需要从饮食中获取；然而，对于某些人来说，他们在某些生长阶段需要它们，或者某些人由于身体无法合成它们而需要它们（McAuley，2015）。当缺少某种氨基酸的必要前体时，非必需氨基酸经常会变成条件必需氨基酸。在压力、衰老或疾病期间，氨基酸也会变成条件必需氨基酸（Helmenstine，2011）。为了正常发育，儿童除了必需氨基酸外，还应摄入精氨酸、半胱氨酸和酪氨酸。另一个例子是苯丙酮尿症患者，他们必须减少苯丙氨酸的摄入，因为他们的身体状况会减少酪氨酸的产生，从而使酪氨酸成为饮食中的一种必需氨基酸。条件必需氨基酸包括：精氨酸、半胱氨酸、谷氨酰胺、酪氨酸、甘氨酸、鸟氨酸、脯氨酸和丝氨酸。（McAuley，2015）

非极性、极性、碱性和酸性氨基酸

另一种氨基酸分类方法是基于侧链的电荷和极性，即 R 基团。单个氨基酸结构由一个中心碳原子、一个氨基、一个羧基和一个可变的侧链组成，该侧链可使氨基酸成为非极性、极性、碱性或酸性。（TutorVista，2013）

非极性氨基酸的 R 基团没有电荷，并且是疏水的。这些侧链具有纯烃烷基。该组中的氨基酸是丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸、色氨酸、蛋氨酸和脯氨酸。（TutorVista，2013）

极性氨基酸将具有醇、酰胺、酸和胺等官能团，并且它们会产生亲水化合物。该组中的氨基酸包括：天冬酰胺、谷氨酰胺、半胱氨酸、丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸。（TutorVista，2013）

酸性氨基酸除了羧酸之外，还有酸官能团，产生两个酸性成分。天冬氨酸和谷氨酸是两种酸性氨基酸。（Ophardt，2003）

碱性氨基酸的 R 基团有另一个胺官能团，产生碱性溶液，因为这个额外的胺基没有被羧酸中和。碱性氨基酸包括：精氨酸、组氨酸和赖氨酸。

参考文献

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