Денатурация белка - это процесс, который связан с нарушением вторичной, третичной, четвертичной структур молекулы под воздействием разных факторов.
Особенности процесса
Он сопровождается разворачиванием полипептидной связи, которая в растворе изначально представлена в виде беспорядочного клубка.
Процесс денатурации белка сопровождается утрачиванием гидратной оболочки, выпадением белка в осадок, утрачиванием им нативных свойств.
Среди основных факторов, которые провоцируют процесс денатурации, выделим физические параметры: давление, температуру, механическое действие, ионизирующее и ультразвуковое излучение.
Денатурация белка происходит под воздействием органических растворителей, минеральных кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, алкалоидов.
Виды
В биологии выделяют два варианта денатурации:
- Обратимая денатурация белка (ренатурация) предполагает процесс, в котором денатурированный белок после устранения всех денатурирующих веществ восстанавливается в исходную структуру. В этом случае в полном объеме возвращается биологическая активность.
- Необратимая денатурация предполагает полное разрушение молекулы, даже после удаления из раствора денатурирующих реагентов физиологичная активность не возвращается.
Особенности денатурированных белков
После того как произошла денатурация белка, он получает определенные свойства:
- В сравнении с нативной белковой молекулой увеличивается количество функциональных либо реактивных групп в молекуле.
- Уменьшается растворимость и процесс осаждения белков, чему способствует потеря водной оболочки. Происходит разворачивание структуры, появляются гидрофобные радикалы, наблюдается нейтрализация зарядов полярных фрагментов.
- Меняется конфигурация белковой молекулы.
- Утрачивается биологическая активность, причиной этого будет нарушение нативной структуры.
Последствия
После денатурации происходит переход нативной компактной структуры в рыхлую развернутую форму, упрощается проникновение к пептидным связям ферментов, необходимых для разрушения.
Конформация белковых молекул определяется возникновением достаточного количества связей между разными участками определенной полипептидной цепочки.
Белки, состоящие из достаточного количества атомов, которые находятся в непрерывном хаотичном движении, способствует определенным перемещениям частей полипептидной цепи, что вызывает нарушение общей структуры белков, снижение его физиологических функций.
Белки имеют конформационную лабильность, то есть предрасположенность к незначительным изменениям конформации, происходящим в результате обрыва одних и образования других связей.
Денатурация белка приводит к изменениям его химических свойств, способности вступать во взаимодействие с другими веществами. Наблюдается изменение пространственной структуры и участка, непосредственно контактирующего с иной молекулой, и всей конформацией в целом. Наблюдаемые конформационные изменения имеют значение для функционирования белков в живой клетке.
Механизм разрушения
Процесс денатурации белка предполагает разрушение химических (водородных, дисульфидных, электростатических) связей, стабилизирующих высшие уровни организации молекулы белка. В результате этого меняется пространственная структура белка. Во многих ситуациях не наблюдается разрушения его первичной структуры. Это дает возможность после раскручивания полипептидной цепи стихийно скручиваться протеину, создавая «случайный клубок». В подобной ситуации наблюдается переход к беспорядочному состоянию, имеющему существенные отличия от нативной конформации.
Заключение
Температура денатурации белков превышает 56 градусов Цельсия. Типичными признаками прохождения необратимой денатурации белковых молекул считаются снижение растворимости и гидрофильности молекул, повышение оптической активности, понижение стойкости белковых растворов, увеличение вязкости.
Денатурация вызывает агрегацию частиц, они могут выпадать в осадок. Если на белок действует денатурирующий агент на протяжении незначительного временного промежутка, высока вероятность восстановления нативной белковой структуры. Данные процессы широко используют при переработке продуктов питания, консервировании, изготовлении обуви, одежды, во время сушки фруктов и овощей. Денатурацию используют в ветеринарии, медицине, клинике, фармации, при проведении биохимических исследований, связанных с осаждением в биологическом материале протеина. Далее проводится идентификация в исследуемом растворе небелковых и низкомолекулярных инстанций, в результате чего можно установить количественное содержание веществ. В настоящее время ищут способы защиты белковых молекул от разрушения.
Денатурация – это нарушение нативной пространственной структуры белковой молекулы под влиянием внешних воздействии.
К числу таких внешних воздействий можно отнести нагревание (тепловая денатурация); встряхивание, взбивание и другие резкие механические воздействия (поверхностная денатурация); высокую концентрацию водородных или гидроксильных ионов (кислотная или щелочная денатурация); интенсивную дегидратацию при сушке и замораживании продуктов и др.
Для технологических процессов производства продукции общественного питания наибольшее практическое значение имеет тепловая денатурация белков. При нагревании белков усиливается тепловое движение атомов и полипептидных цепей в белковых молекулах, в результате чего разрушаются так называемые слабые поперечные связи между полипептидными цепями (например, водородные), а также ослабляются гидрофобные и другие взаимодействия между боковыми цепями. В результате этого изменяется конформация полипептидных цепей в белковой молекуле. У глобулярных белков развертываются белковые глобулы с последующим свертыванием по новому типу; прочные (ковалентные) связи белковой молекулы (пептидные, дисульфидные) при такой перестройке не нарушаются. Тепловую денатурацию фибриллярного белка коллагена можно представить в виде плавления, так как в результате разрушения большого числа поперечных связей между полипептидными цепями фибриллярная структура его исчезает, а коллагеновые волокна превращаются в сплошную стекловидную массу.
В молекулярной перестройке белков при денатурации активная роль принадлежит воде, которая участвует в образовании новой конформационной структуры денатурированного белка. Полностью обезвоженные белки, выделенные в кристаллическом виде, очень устойчивы и не денатурируют даже при длительном нагревании до температуры 100 °С и выше. Денатурирующий эффект внешних воздействий тем сильнее, чем выше гидратация белков и ниже их концентрация в растворе.
Денатурация сопровождается изменениями важнейших свойств белка: потерей биологической активности, видовой специфичности, способности к гидратации (растворению, набуханию); улучшением атакуемости протеолитическими-ферментами (в том числе пищеварительными); повышением реакционной способности белков; агрегированием белковых молекул.
Потеря белками биологической активности в результате их тепловой денатурации приводит к инактивации ферментов, содержащихся в растительных и животных клетках, а также к отмиранию микроорганизмов, попадающих в продукты в процессе их производства, транспортирования и хранения. В целом этот процесс оценивается положительно, так как готовую продукцию при отсутствии ее повторной обсемененности микроорганизмами можно хранить сравнительно продолжительное время (в охлажденном или мороженом виде).
В результате потери белками видовой специфичности пищевая ценность продукта не снижается. В ряде случаев это свойство белков используется для контроля технологического процесса. Например, по изменению окраски хромопротеида мяса – миоглобина с красной на светлокоричневую судят о кулинарной готовности большинства мясных блюд.
Потеря белками способности к гидратации объясняется тем, что при изменении конформации полипептидных цепей на поверхности молекул белка появляются гидрофобные группы, а гидрофильные оказываются блокированными в результате образования внутримолекулярных связей.
Улучшение гидролиза денатурированного белка протеолитическими ферментами, повышение его чувствительности к многим химическим реактивам объясняется тем, что в нативном белке пептидные группы и многие функциональные (реакционноспособные) группы экранированы внешней гидратной оболочкой или находятся внутри белковой глобулы и таким образом защищены от внешних воздействий.
При денатурации указанные группы оказываются на поверхности белковой молекулы.
Агрегирование – это взаимодействие денатурированных молекул белка, в результате которого образуются межмолекулярные связи, как прочные, например, дисульфидные, так и многочисленные слабые.
Следствием агрегирования белковых молекул является образование более крупных частиц. Последствия дальнейшего агрегирования частиц белка различны в зависимости от концентрации белка в растворе. В малоконцентрированных растворах образуются хлопья белка, выпадающие в осадок или всплывающие на поверхность жидкости (часто с образованием пены). Примерами агрегирования такого типа являются выпадение в осадок хлопьев денатурированного лактоальбумина (при кипячении молока), образование хлопьев и пены белков на поверхности мясных и рыбных бульонов. Концентрация белков в этих растворах не превышает 1% .
При денатурации белков в более концентрированных белковых растворах в результате их агрегирования образуется сплошной студень, удерживающий всю содержащуюся в системе воду. Такой тип агрегирования белков наблюдается при тепловой обработке мяса, рыбы, яиц и различных смесей на их основе. Оптимальная концентрация белков, при которой белковые растворы в условиях нагревания образуют сплошной студень, неизвестна. Принимая во внимание, что способность к студнеобразованию у белков зависит от конфигурации (асимметрии) молекул, надо полагать, что для разных белков указанные пределы концентраций различны.
Белки в состоянии более или менее обводненных студней при тепловой денатурации уплотняются, т.е. происходит их дегидратация с отделением жидкости в окружающую среду. Студень, подвергнутый нагреванию, как правило, имеет меньшие объем, массу, пластичность, а также повышенную механическую прочность и большую упругость по сравнению с исходным студнем нативных белков. Эти изменения также являются следствием агрегирования молекул денатурированных белков. Реологические характеристики таких уплотненных студней зависят от температуры, рН среды и продолжительности нагревания.
Денатурация белков в студнях, сопровождающаяся их уплотнением и отделением воды, происходит при тепловой обработке мяса, рыбы, варке бобовых, выпечке изделий из теста.
Каждый белок имеет определенную температуру денатурации. В пищевых продуктах и полуфабрикатах обычно отмечают низший температурный уровень, при котором начинаются видимые денатурационные изменения наиболее лабильных белков. Например, для белков рыбы эта температура составляет около 30 С, яичного белка – 55 С.
При значениях рН среды, близких к изоэлектрической точке белка, денатурация происходит при более низкой температуре и сопровождается максимальной дегидратацией белка. Смещение рН среды в ту или иную сторону от изоэлектрической точки белка способствует повышению его термостабильности. Так, выделенный из мышечной ткани рыб глобулин X, который имеет изоэлектрическую точку при рН 6,0, в слабокислой среде (рН 6,5) денатурирует при 50 °С, в нейтральной (рН 7,0) – при 80 °С.
Реакция среды влияет и на степень дегидратации белков в студнях при тепловой обработке продуктов. Направленное изменение реакции среды широко используется в технологии для улучшения качества блюд. Так, при припускании птицы, рыбы, тушении мяса, мариновании мяса и рыбы перед жаркой добавляют кислоту, вино или другие кислые приправы для создания кислой среды со значениями рН, лежащими значительно ниже изоэлектрической точки белков продукта. В этих условиях дегидратация белков в студнях снижается и готовый продукт получается более сочным.
В кислой среде набухает коллаген мяса и рыбы, снижается его температура денатурации, ускоряется переход в глютин, в результате чего готовый продукт получается более нежным.
Температура денатурации белков повышается в присутствии других, более термостабильных белков и некоторых веществ небелковой природы, например сахарозы. Это свойство белков используют, когда при тепловой обработке возникает необходимость повысить температуру смеси (например, в целях пастеризации), не допуская денатурации белков. Тепловая денатурация некоторых белков может происходить без видимых изменений белкового раствора, что наблюдается, например, у казеина молока.
Пищевые продукты, доведенные тепловой обработкой до готовности, могут содержать большее или меньшее количество нативных, неденатурированных белков, в том числе некоторых ферментов.
Конформация (структура) пептидной цепи упорядочена и уникальна для каждого белка. В особых условиях происходит разрыв большого количества связей, которые стабилизировали пространственную структуру молекулы соединения. В результате разрыва полностью вся молекула (или значительная ее часть) принимает форму беспорядочного клубка. Данный процесс называют "денатурация". Это изменение можно спровоцировать нагреванием от шестидесяти до восьмидесяти градусов. Таким образом, каждая молекула, полученная в результате разрыва, может отличаться по конформации от прочих.
Денатурация белков происходит и под воздействием каких-либо агентов, способных разрушить нековалентные связи. Этот процесс может случиться в щелочных или кислых условиях, на поверхности фазового раздела, под воздействием некоторых (фенолов, спиртов и прочих). Денатурация белка может происходить и под влиянием гуанидин-хлорида или мочевины. Указанные агенты формируют слабые связи (гидрофобные, ионные, водородные) с карбонильными или аминогруппами пептидного остова и с рядом групп аминокислотных радикалов, подменяя имеющиеся в белке собственные внутри молекул. В результате происходит изменение во вторичной и третичной структуре.
Устойчивость к воздействию денатурирующих агентов зависит преимущественно от присутствия в молекуле белкового соединения дисульфидных связей. Ингибитор трипсина имеет три связи S — S. При условии их восстановления денатурация белка происходит без прочих воздействий. Если же впоследствии поместить соединение в условия, где осуществляется окисление SH-групп цистеина и формирование дисульфидных связей, то первоначальная конформация восстановится. При этом наличие даже одной дисульфидной связи существенно увеличивает стабильность в пространственной структуре.
Денатурация белка, как правило, сопровождается понижением его растворимости. Вместе с этим часто формируется осадок. Возникает он в форме "свернувшегося белка". При высокой концентрации соединений в растворе, "свертывание" претерпевает весь раствор, как, например, это случается при варке куриных яиц. При денатурации белок теряет свою биологическую активность. На этом принципе основывается использование (водного фенольного раствора) в качестве антисептического вещества.
Неустойчивость пространственной структуры, высокая вероятность разрушения под воздействием разнообразных агентов значительно затрудняют выделение и исследование белка. Создаются также определенные проблемы при использовании соединений в промышленности и медицине.
Если денатурация белка проводилась путем воздействия высоких температур, то при медленном охлаждении в определенных условиях происходит процесс ренативации - восстановления нативной (исходной) конформации. Этот факт доказывает, что укладка пептидной цепи происходит в соответствии с первичной структурой.
Формирование нативной конформации (исходного расположения) является процессом самопроизвольным. Другими словами, это расположение отвечает минимальному количеству свободной энергии, заключенному в молекуле. Можно в результате сделать вывод, что пространственная структура соединения закодирована в аминокислотной последовательности в пептидных цепях. Это, в свою очередь, означает, что все полипептиды, похожие по чередованию аминокислот (к примеру, миоглобиновые пептидные цепи), будут принимать идентичную конформацию.
Белки могут иметь существенные различия в первичной структуре, даже если практически или абсолютно одинаковы по конформации.
Денатурация белков — это нарушение нативной пространственной структуры белковой молекулы под влиянием различных внешних воздействий, сопровождающееся изменением их физико-химических и биологических свойств. При этом нарушаются вторичная и третичная структуры белковой молекулы, а первичная, как правило, сохраняется.
Денатурация белков происходит при нагревании и замораживании пищевых продуктов под действием различных излучений, кислот, щелочей, резких механических воздействий и других факторов.
При денатурации белков происходят следующие основные изменения:
— резко снижается растворимость белков;
— теряется биологическая активность, способность к гидратации и видовая специфичность;
— улучшается атакуемость протеолитическими ферментами;
— повышается реакционная способность белков;
— происходит агрегирование белковых молекул;
— заряд белковой молекулы равен нулю.
Потеря белками биологической активности в результате тепловой денатурации приводит к инактивации ферментов и отмиранию микроорганизмов.
В результате потери белками видовой специфичности пищевая ценность продукта не снижается.
Рассмотрим наиболее распространенную тепловую денатурацию белковых молекул, сопровождаемую разрушением слабых поперечных связей между полипептидными цепями и ослаблением гидрофобных и других взаимодействий между белковыми цепями. В результате этого изменяется конформация полипептидных цепей в белковой молекуле. Например, фибриллярные белки изменяют свою эластичность, у глобулярных белков развертываются белковые глобулы с последующим свертыванием по новому типу. Прочные (ковалентные) связи белковой молекулы при этом не нарушаются. Глобулярные белки изменяют растворимость, вязкость, осмотические свойства и электрофоретическую подвижность.
Каждый белок имеет определенную температуру денатурации (t ). Для белков рыбы t = 30 0 С, яичного белка t = 55 0 С, мяса t = 55…60 0 С и т.д.
При значениях рН среды, близких к изоэлектролитической точке белка, денатурация происходит при более низкой температуре и сопровождается максимальной дегидратацией белка. Смещение рН среды способствует повышению термостабильности белков.
Направленные изменения рН среды широко используются в технологии для улучшения качества блюд. Так, при тушении мяса, рыбы, мариновании, перед жаркой добавляют кислоту, вино или другие кислые приправы для создания кислой среды со значениями рН ниже изоэлектрической точки белков продукта. В этих условиях дегидратация белков в продуктах уменьшается и готовое блюдо получается более сочным.
Температура денатурации белков повышается в присутствии других, более термостабильных белков и некоторых веществ небелковой природы, например, сахарозы.
Денатурация некоторых белков может происходить без видимых изменений белкового раствора (например, у казеина молока). Пищевые продукты, доведенные тепловой обработкой до готовности, могут содержать некоторое количество нативных, неденатурированных белков, в том числе некоторых ферментов.
Денатурированные белки способны к взаимодействию между собой. При агрегировании за счет межмолекулярных связей между денатурированными молекулами белка образуются как прочные, например, дисульфидные связи, так и слабые, например, водородные.
При агрегировании образуются более крупные частицы. Например, при кипячении молока выпадают в осадок хлопья денатурированного лактоальбумина, образуются хлопья и пена белков на поверхности мясных и рыбных бульонов.
При денатурации белков в более концентрированных белковых растворах в результате их агрегирования образуется студень, удерживающий всю содержащуюся в системе воду.
Основные денатурационные изменения мышечных белков завершаются при достижении 65 0 С, когда денатурирует более 90% общего количества белков. При t = 70 0 С начинается денатурация миоглобина и гемоглобина, сопровождающаяся ослаблением связи между глобином и гемом, который затем отщепляется и, окисляясь, меняет окраску, вследствие чего цвет мяса становится буровато-серым.
Денатурация белков. Под влиянием физических (температура, ультразвук, ионизирующая радиация и т.п.), химических (минеральные и органические кислоты, щелочи, органические растворители, тяжелые металлы,
алкалоиды, детергенты, некоторые амиды, например, мочевина и др.). Факторов происходят глубокие изменения в молекуле белка, связанные с нарушением четвертичной, третичной и вторичной структур, что приводит в свою очередь изменение физико-химических и биологических свойств белка, т.е. денатурацию. При денатурации белка имеет место разрыв цементирующих белковую молекулу вторичных связей (водородных, дисульфидных, электростатических, ван-дер-ваальсовых и др..). Это приводит к изменению пространственной структуры; глобула белка раскручивается, на ее поверхности увеличивается количество гидрофобных групп, то есть уменьшаются гидрофильные свойства белка. Он становится более гидрофобным, теряет способность растворяться в обычных для него растворителях и избавляется от своих биологических функций (ферментов, гормонов и др.). После денатурации изменяется большинство физико-химических свойств белка: уменьшается растворимость, увеличивается количество БН-и других групп, усиливается вязкость, появляется больше хиральных атомов углерода, изменяются оптические свойства и константа седиментации. В структуре белка существенно уменьшается количество а-спиралей и ß-структур, уменьшается количество внутримолекулярных водородных связей и увеличивается количество этих связей между белком и водой. При денатурации белка высвобождаются реактивные группы, которые в его нативной-м состоянии были не совсем доступны (сульфгидрильные, фенольные, гидроксильные, имидазольным и др.)., Что вызывает изменение ИЭТ белков. Чаще всего она смещается в сторону щелочных значений рН. Денатурация белков сопровождается ростом оптической активности. Преобразование компактной молекулы в беспорядочный клубок, которое имеет место при денатурации, приводит к тому, что большинство пептидных связей становятся доступными для действия протеолитических ферментов (трипсина, химотрипсина и др.).. В связи с этим протеолиз таких белков происходит с большей скоростью, чем нативных белков.
При денатурации в большинстве случаев первичная структура не нарушается, поэтому после раскрутки полипептидной цепи (стадия нити) он может снова стихийно скручиваться, образуя «случайный клубок», т.е. переходит к хаотическому состоянию (рис. 18). При этом наблюдается агрегация белковых частиц и выпадение их в осадок.
Полная денатурация белка в большинстве случаев необратима, в отличие от оборотной, при которой изменения в молекуле белка незначительные, и белок при определенных условиях снова приобретает свои нативных свойств (процесс ренатурации). Например, такое происходит во время осаждения белков органическими растворителями - спиртом или ацетоном, если проводить его при низкой температуре, а затем быстро удалить осадитель. Процесс денатурации белков широко используется в клинике, фармации и биохимических исследованиях для осаждения белка в биологическом материале с целью дальнейшего определения в нем небелковые-вых и низкомолекулярных соединений, для установления наличия белка и его количественного определения, для обеззараживания кожи и слизистых покровов, для свя Связывание солей тяжелых металлов при лечении отравлений солями ртути, свинца, меди и т.п. или для профилактики таких отравлений на предприятии.
Процесс денатурации белков имеет место во время приема фармпрепаратов танина и Танальбин, на чем основывается их вяжущее и противовоспалительное действие. Вяжущее действие танина обусловлено его способностью осаждать белки с образованием плотных альбуминаты, которые защищают от раздражения чувствительные нервные окончания тканей. При этом уменьшаются болевые ощущения и происходит непосредственное уплотнение клеточных мембран, уменьшает проявление воспалительной реакции. Препарат танальбин-продукт взаимодействия танина с белком казеином - в отличие от танина не оказывает вяжущего действия на слизистую оболочку рта и желудка. Только после поступления в кишечник он расщепляется, выделяя свободный танин. Применяется как вяжущее средство при острых и хронических заболеваниях кишечника, особенно у детей.
