4. Денатурация и ее значение в пищевой промышленности.

Изменение нативной конформации белковой молекулы под воздействием различных факторов называется денатурацией. При денатурации не нарушаются ковалентные связи, разрываются связи слабые, обуславливающие вторичную и третичную структуры белков, в результате чего молекула становится неупорядоченной.

Денатурация бывает необратимой и обратимой, т.е. при удалении денатурирующего агента белок может вновь принять первоначальную структуру.

При денатурации, как правило, белок осаждается, выпадает осадок и теряет ферментативную активность.

Денатурирующие факторы: – повышенные температуры, разрыв водородных и гидрофобных связей

– действие кислот, оснований, разрыв ионных связей. – органические растворители, действуют на гидрофобные связи. – мочевина, разрывают водородные связи.

– соли тяжелых металлов, ультрафиолетовое облучение, ультразвук и т.д.

Денатурированный белок легче подвергается действию протеолитических ферментов, т.к. открывается доступ ко всем частям молекулы. С этой целью подвергают тепловой обработке пищу, в состав которой входят белки: жарение, варка на пару и т.д. Это явление важно при выпечке хлебобулочных изделий, сушке макарон, овощей, молока, яичного порошка, при изготовлении консервов, пастеризации молока, кипячении сусла, сушке солода. По мере старения организма происходит медленная необратимая денатурация, сопровождающаяся снижением гидрофильности белков.

3. Классификация белков

В зависимости от химического состава белки делятся на:

- простые – протеины, состоящие только из остатков аминокислот,

- сложные - протеиды, имеющих в своем составе небелковую простетическую группу.

Простые белки (протеины) - широко распространены в животном и растительном мире. К ним относятся альбумины, глобулины, протамины, гистоны.

Все они глобулярные, выполняют в составе животных и растительных клеток важные биологические функции.

Альбумины растворяются в воде, имеют молекулярную массу около 60 000 Д.

Сывороточный альбумин – основной белок крови, участвует в поддержании осмотического давления, транспортируют с кровью различные вещества, в частности лекарства.

Лактальбумин входит в состав молока, овальбумин – белка яйца, лейкозин – содержится в зародыше пшеницы, легумин – в семенах гороха.

Глобулины. Их молекулярная масса – выше, около 150 000 Д. Растворяются в разбавленных растворах солей, высаливаются при концентрации соли около 50%. Встречаются в крови в виде α-, ß-, γ- глобулинов.

ß-глобулин (трансферрин) переносит железо, церулоплазмин – медь.

Среди γ-глобулинов важную роль играют антитела, которые вырабатываются организмом в ответ на введение чужеродных белков. Молекулы антител, например, состоят из 4 попарно идентичных полипептидных цепей: двух тяжелых «Н» с молекулярной массой 50 кД. и двух легких «L» с молекулярной массой 25 кД. Цепи соединяются между собой дисульфидными связями, вызывающих изгибы тяжелых цепей.

В сыворотке крови между альбуминами и глобулинами существует постоянное соотношение, измеряемое альбумино-глобулиновым коэффициентом (А/Г), равным 1,7 – 2,3 и имеющее важное диагностическое значение.

Гистоны - белки основного характера, локализованы в хромосомах ядра, где они связаны с ДНК. Гистоны содержат значительные количества аргинина, лизина, молекулярные массы их от 10 до 25 кД.

Протамины - белки основного характера с небольшой молекулярной массой, содержащие до 90% лизина и аргинина; входят в состав нуклеопротеидов.

Сложные белки (протеиды) - состоят из белковой и небелковой части.

Классификация основана на природе небелковой (простетической) группы. Нуклеопротеиды содержат нуклеиновые кислоты, фосфопротеиды - фосфорную кислоту, гликопротеиды - углеводы, а липопротеиды - липиды.

Нуклеопротеиды.

Нуклеиновые кислоты ДНК, РНК обладают кислотными свойствами и при физиологических значениях рН несут высокий отрицательный заряд. В связи с этим в клетках организмов они легко взаимодействуют с различными катионами и прежде всего с основными белками (гистонами, протаминами), образуя нуклеопротеины.

Комплексы ДНК с гистонами содержатся в соматических клетках, где молекула ДНК “намотана” вокруг молекул белков,

и в вирусах – комплексах вирусной нуклеиновой кислоты с белковой оболочкой – капсидом.

Хромопротеиды. Простетическая группа данной группы белков представлена окрашенными соединениями. К хромопротеидам относятся гемоглобин, миоглобин, ферменты каталаза, пероксидаза, цитохромы и хлорофилл.

Гемоглобин (Hb) состоит из белка глобина и небелковой части гема, включающего атом Fe (II), соединенный с протопорфирином. Молекула гемоглобина состоит из 4-х субъединиц: двух  и двух  и соответственно содержит четыре полипептидные цепочки двух видов.

Каждая -цепочка содержит 141, а -цепочка – 146 аминокислотных остатков.

Атом железа может образовать 6 координационных связей, четыре из которых направлены к атомам азота пиррольных колец, две связи – перпендикулярно к плоскости порфиринового кольца по обе его стороны. Гемы расположены вблизи поверхности белковой глобулы в специальных карманах, образованных складками полипептидных цепочек глобина.

Гемоглобин при нормальном функционировании может находиться в одной из трех форм: гемоглобина (дезоксигемоглобин), оксигемоглобина и метгемоглобина (ферригемоглобин).

В гемоглобине железо находится в закисной форме Fe (II), одна из двух связей, перпендикулярных к плоскости порфиринового кольца, направлена к атому азота гистидинового остатка, называемого проксимальным (соседним). По другую сторону порфиринового кольца находится другой гистидиновый остаток – дистальный гистидин, не связанный с атомом железа.

При взаимодействии молекулярного кислорода со свободным гемом атом железа окисляется [Fe(II)  Fe(III); гем  гемин], белок глобин предохраняет железо от окисления.

При взаимодействи молекуярного кислорода с гемоглобином существует вероятность его окисления: Fe²⁺ + O₂  Fe³⁺ + O₂^–. Поэтому при дыхании в эритроцитах непрерывно образуется метгемоглобин. Для его восстановления в эритроците существует специальная ферментативная система, восстанавливающая метгемоглобин до гемоглобина. При нарушении этой системы возникает тяжелое заболевание – метгемоглобинемия, при которой гемоглобин перестает быть переносчиком кислорода.

Гемоглобин работает и как буфер с переменным значением pH, функция его как переносчика углекислоты не менее важна, чем функция переноса кислорода.

М

β

иоглобин - глобулярный водорастворимый хромопротеид, содержащийся в клетках мышц. В качестве простетической группы содержит гемм – циклический тетрапиррол, присутствием которого объясняется красный цвет белка. Тетрапирролы состоят из четырех молекул пиррола (рисунок 15), связанных четырьмя –метиленовыми мостиками с образованием плоской кольцевой структуры. В центре плоского кольца находится один атом железа в ферро-состоянии (Fe²⁺), окисление которого приводит к потере биологической активности миоглобина.

α

α

N

β

H

Пиррол

Биологическая функция миоглобина заключается в запасании кислорода. В условиях кислородного голодания (физическая нагрузка) кислород высвобождается из комплекса с миоглобином и поступает в митохондрии мышечных клеток, где осуществляется синтез АТФ.

Миоглобин состоит из одной полипептидной цепи с молекулярной массой 17 кД, состоящей из 153 остатков аминокислот. Примерно 75 % остатков образуют восемь правых –спиралей, уложенных в компактную сферическую молекулу. В местах изгиба полипептидной цепи расположены остатки пролина, серина, треонина, которые не способны к образованию –спирали. На поверхности молекулы находятся полярные остатки, а внутри – неполярные, если не считать двух остатков гистидина, принимающих участие в связывании кислорода. Присоединение кислорода к миоглобину сопровождается смещением атома железа, а вместе с ним гистидина, и ковалентно связанных других остатков аминокислот в направлении плоскости гемового кольца; в результате область белковой молекулы принимает новую конформацию.

Миоглобин, не связанный с кислородом, называют дезоксимиоглобином (Mb), оксигемированный Mb - оксимиоглобином (MbO₂). Окраска мясопродуктов зависит от содержания миоглобина, состояния гема и белковой части макроглобулы. Окисление Fe²⁺ в миоглобине до Fe³⁺ приводит к изменению окраски пигмента от ярко-красного до темно-коричневого, так как образующийся метмиоглобин (MetMb) теряет способность связывать молекулярный кислород.

К

t

ислород миоглобина может замещаться оксидами азота, углерода и др., поэтому данное свойство белка мышц мяса используется для получения интенсивной окраски мясопродуктов. Нитрит (No), вступая в реакцию с миоглобином, образует нитрозомиоглобин (NoMb), переходящий при нагревании в устойчивый пигмент красного цвета нитрозомиохромоген:

N o + Mb NoMb Нитрозомиохромоген

Гликопротеиды. Простетическая группа представлена производными углеводов, в роли которых выступают аминосахара, гексуроновые кислоты. Гликопротеиды входят в состав плазмы крови, клеточных мембран, слюны (муцин), являются рецепторными белками, ферментами (церулоплазмин), иммунглобулинами, составными частями слизи, секретов желудочно-кишечного тракта. У арктических рыб гликопротеиды играют роль антифризов – веществ, препятствующих образованию кристаллов льда внутри организма.

В гликопротеинах полисахаридный фрагмент связан с белковой частью ковалентной О- или N- гликозидной связью. Образование О-гликозидной связи осуществляется за счет ОН-групп серина, треонина, НyLys или НyPro. В качестве углеводного фрагмента выступает кор, состоящий из галактозы и N-ацетилгалактозамина, к которому через остаток галактозы присоединяются остатки L-фукозы, N-ацетилглюкозамина и N-ацетилнейраминовой кислоты.

У N-гликозилпротеинов кор углеводной цепи представлен пентасахаридом, а N–гликозидная связь образуется остатком N-ацетилглюкозамина и азотом амидной группы остатка аспарагина белка.

Примером может служить клеточная стенка E.coli, построенная из полисахаридных цепей, образованных остатками N-ацетилглюкозамина, связанными -(14) связями, причем каждый второй остаток несет присоединенный к нему по атому С3 фрагмент, образованный связанными амидными связями остатками молочной кислоты, L-аланина, D-глутамата (через -карбоксил), мезодиаминонимелината и D-аланина. Каждая С-концевая группа этого пептида, принадлежащая остатку D-аланина, образует амидную связь с аминогруппой остатка диаминонимиелиновой кислоты, принадлежащей соседней полисахаридной цепи.

Коллаген. На каждые 1000 аминокислотных остатков приходится 2-80 углеводных остатков, образующих О-гликозидную связь ОН-группой 5-гидроксилизина. Углеводный состав включает -D-галактопиранозу, соединенную с аминокислотным остатком -гликозидной связью, или дисахарид, состоящий из α-D-глюкопиранозы и -D-галактопиранозы, соединенных α-(1→2)-гликозидной связью.

Фосфопротеиды в качестве небелкового компонента содержат фосфорную кислоту. Представителями являются казеиноген молока, вителлин (белок желтков яиц), ихтулин (белок икры рыб). Фосфаткальциевые мостики являются основой казеинового комплекса молока:

О

| |

О – Са – О – Р – О – Са – О

P O  O Р

R – CH₂ – O  ОН  O – CH₂ – R

Казеин OH Мостик HO

фосфата кальция Казеин

Кальций в составе комплекса выполняет роль структурообразователя, образуя мостик между серин– или треонинфосфатными группами двух молекул казеина, при этом остатки фосфорной кислоты усиливают кислые свойства белка, обусловленные присутствием в полипептидах - и -карбоксильных групп аспарагиновой и глютаминовой кислот.

Фосфопротеиды присутствуют и в костной и нервной тканях.

Липопротеиды. Сложные белки, простетическая группа которых образована липидами. Они представляют собой небольшого размера (150-200 нм) сферические частицы, наружная оболочка которых образована белками, придающими им гидрофильные свойства и способность передвигаться по крови, внутренняя часть – липидами и их производными.

Основная функция липопротеидов – транспорт по крови липидов. Липопротеиды подразделяются на:

хиломикроны,

липопротеиды низкой плотности (ЛПНП)

липопротеиды высокой плотности (ЛПВП),

Хиломикроны- наиболее крупные из липопротеидов, содержат до 98-99% липидов и 1-2% белка. Образуются в слизистой оболочке кишечника обеспечивают транспорт липидов в лимфу и кровь.

В ЛПНП количество белка составляет 9-20% , в них преобладают холестерин и триацилглицерины (до 40%). Холестерин транспортируется по крови больше в составе этой фракции.

В ЛПВП белковая часть составляет 35-50%, небелковая – фосфолипиды, холестерин.