Денатурация – это процесс нарушения высших уровней организации белковой молекулы (вторичного, третичного, четвертичного) под действием различных факторов.
При этом полипептидная цепь разворачивается и находится в растворе в развернутом виде или в виде беспорядочного клубка.
При денатурации утрачивается гидратная оболочка и белок выпадает в осадок и при этом утрачивает нативные свойства.
Денатурацию вызывают физические факторы: температура, давление, механические воздействия, ультразвуковые и ионизирующие излучения; химические факторы: кислоты, щелочи, органические растворители, алкалоиды, соли тяжелых металлов.
Различают 2 вида денатурации:
- Обратимая денатурация – ренатурация или ренактивация – это процесс, при котором денатурированный белок, после удаления денатурирующих веществ вновь самоорганизуется в исходную структуру с восстановлением биологической активности.
- необратимая денатурация – это процесс, при котором биологическая активность не восстанавливается после удаления денатурирующих агентов.
Свойства денатурированных белков.
1. Увеличение числа реактивных или функциональных групп по сравнению с нативной молекулой белка (это группы COOH, NH 2 , SH, OH, группы боковых радикалов аминокислот).
2. Уменьшение растворимости и осаждение белка (связано с потерей гидратной оболочки), развертыванием молекулы белка, с «обнаружением» гидрофобных радикалов и нейтрализации зарядов полярных групп.
3. Изменение конфигурации молекулы белка.
4. Потеря биологической активности, вызванная нарушением нативной структуры.
5. Более легкое расщепление протеолитическими ферментами по сравнению с нативным белком – переход компактной нативной структуры в развернутую рыхлую форму облегчает доступ ферментов к пептидным связям белка, которые они разрушают.
Ферментные методы гидролиза основаны на избирательности действия протеолитических ферментов расщепляющих пептидные связи между определенными аминокислотами.
Пепсин расщепляет связи, образованные остатками фенилаланина, тирозина и глутаминовой кислоты.
Трипсин расщепляет связи между аргинином и лизином.
Химотрипсин гидролизует связи триптофана, тирозина и фенилаланина.
Гидрофобные взаимодействия, а также ионные и водородные связи относятся к числу слабых, тк энергия их лишь ненамного превосходит энергию теплового движения атомов при комнатной температуре(т е уже при данной температуре возможен разрыв связей).
Поддержание характерной для белка конформации возможно благодаря возникновению множества слабых связей между различными участками полипептидной цепи.
Однако, белки состоят из огромного числа атомов, находящихся в постоянном (броуновском) движении, что приводит к небольшим перемещениям отдельных участков полипептидной цепи, которые обычно не нарушают общую структуру белка и его функции. Следовательно, белки обладают конформационной лабильностью – склонностью к небольшим изменениям конформации за счет разрыва одних и образования других слабых связей. Конформация белка может меняться при изменении химических и физических средств среды, а также при взаимодействии белка с другими молекулами. При этом происходит изменение пространственной структуры не только участка, контактирующего с другой молекулой, но и конформации белка в целом. Конформационные изменения играют роль огромную в функционировании белков в клетке живой.
ДЕНАТУРАЦИЯ - это лишение белка его природных, нативных свойств, сопровождающееся разрушением четвертичной (если она была), третичной, а иногда и вторичной структуры белковой молекулы, которое возникает при разрушении дисульфидных и слабых типов связей, участвующих в образовании этих структур. Первичная структура при этом сохраняется, потому что она сформирована прочными ковалентными связями. Разрушение первичной структуры может произойти только в результате гидролиза белковой молекулы длительным кипячением в растворе кислоты или щелочи.
Факторы, вызывающие денатурацию белков
Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на физические и химические .
Физические факторы
1. Высокие температуры. Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-50 0 С. Такие белки называют термолабильными . Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными .
2. Ультрафиолетовое облучение
3. Рентгеновское и радиоактивное облучение
4. Ультразвук
5. Механическое воздействие (например, вибрация).
Химические факторы
1. Концентрированные кислоты и щелочи. Например, трихлоруксусная кислота (органическая), азотная кислота (неорганическая).
2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO 4).
3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)
4. Растительные алкалоиды.
5. Мочевина в высоких концентрациях
5. Другие вещества, способные нарушать слабые типы связей в молекулах белков.
Воздействие факторами денатурации применяют для стерилизации оборудования и инструментов, а также как антисептики.
Ренатурация белков, белки-шапероны.
Третичная структура белка определяется его первичной структурой. Это доказывается тем, что некоторые белки денатурируют обратимо, т.е. способны к восстановлению нативной конформации - ренатурации. Классический пример: рибонуклеаза А полностью денатурирует в растворе мочевины, однако после удаления мочевины денатурированная молекула этого фермента восстанавливает свою первоначальную структуру и каталитическую активность. При этом восстанавливаются даже дисульфидные связи.
Шаперо́ны (англ. chaperones ) - класс белков, главная функция которых состоит в восстановлении правильной нативной третичной или четвертичной структуры белков, а также образование и диссоциация белковых комплексов.
Функции
Многие шапероны являются белками теплового шока, то есть белками, экспрессия которых начинается в ответ на рост температуры или другие клеточные стрессы. Тепло сильно влияет на фолдинг белка, а некоторые шапероны участвуют в исправлении потенциального вреда, который возникает из-за неправильного сворачивания белков. Другие шапероны участвуют в фолдинге только что созданных белков в тот момент, когда они «вытягиваются» из рибосомы. И хотя большинство только что синтезированных белков могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству обязательно требуется их присутствие.
Помимо этого, белки шапероны имеют высокие регенеративные функции. Они борются с первопричиной старения кожи. Вырабатываясь в клетках кожи, шапероны способствуют нормальной укладке белков в стабильные четвертичные структуры. На основе белков теплового шока уже создаются новые поколения гелей с шаперонами, которые помогают коже получить недостающие белки, ведь продукция шаперонов уменьшается с возрастом.
Другие типы шаперонов участвуют в транспортировке веществ сквозь мембраны, например в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме у эукариот.
Денатурация белков в технологиях продукции общественного питания должна восприниматься с нескольких позиций. Во-первых, это фактор, который обеспечивает реализацию понятия кулинарная готовность. Во-вторых, фактор, который разрешает или полностью прекратить ферментативную деятельность, или уменьшить ее скорость. В-третьих, фактор, который обеспечивает соблюдение такого важного показателя, как микробиологическая безвредность. В-четвертых, фактор потери белками своих функциональных свойств и своей видовой специфичности. И далее, с денатурацией белковых веществ связаны формирования консистенции, возникновения формы, изменение цвета и др.
Т. е. в результате денатурации белков продукты или белоксодержащие материалы теряют свои функциональные и нативные свойства вследствие воздействия различных факторов, а также денатурационные процессы влияют на обеспечение высокого уровня качества продукции.
Способность белков к денатурации является важным и присущим исключительно белкам свойством. Под денатурацией понимают потерю белками их природных (физико-химических, биологических) свойств в результате изменения их уникальной структуры под влиянием различных факторов. Многие технологические факторы - высокая или низкая температура, различные излучения, значительные изменения pH, ионной силы, изменение коллоидного равновесия, интенсивное механическое воздействие и другие поверхностные эффекты, ферментация, протеолиз, химические вещества и модификация, влияние времени - вызывают денатурацию белков. При этом нарушаются наиболее чувствительные к воздействию четвертичная, третичная и вторичная структуры белков. Первичная, как правило, не затрагивается. Но под влиянием химических факторов - химической модификации, например, ангидридами кислот, окисления, восстановления, пластеиновой реакции, ферментативной модификации - возможно нарушение и на уровне первичной структуры.
Типичным следствием денатурации простых белков является их комплексообразование с другими белками и органическими соединениями, а для олигомеров - распад на субъединицы. Полипептид- ные цепи при денатурации приобретают иную конфигурацию, которая отличается от единственно возможной, присущей нативной молекуле белка: цепи, как правило, разворачиваются таким образом, что на их поверхности скапливается значительное количество гидрофобных групп, из-за чего ухудшается сродство к воде. Появление на поверхности ранее скрытых конформацией белка радикалов или функциональных групп изменяет физико-химические свойства белков.
Изменяются также биологические свойства, то есть белок не может выполнять свои биологические функции: ферменты инактивируются, гемоглобин теряет способность присоединять и переносить кислород, миофибриллярные белки теряют возможность сокращаться и т. д.
Из общих закономерностей денатурации следует, прежде всего, выделить значительное ухудшение гидрофильности и повышения гидрофобности белков. Как известно, за счет гидрофильных групп, которые размещены на поверхности (-СООН, -ОН, -NH2 и др.), белковые молекулы способны связывать значительное количество воды. Поэтому при значительной гидратированности миоглобина обнаружено, что в середине его третичной структуры находится всего четыре молекулы воды, то есть внутренняя структура и компактность миоглобина обусловлены, в основном, гидрофобным взаимодействием. Как следствие, наблюдается изменение взаимодействия белоксодержащих продуктов с водой, в реальных технологических процессах связанное с перераспределением воды. Так, мясо теплокровных животных и рыбы за счет потери гидрофильное™ белками в процессе термообработки теряет часть своей массы, («уваривается», «ужаривается»), для изделий из муки характерна клейстеризация крахмала в процессе термообработки за счет дегидратации белков клейковины.
Известно, что мясо, рыба, яйца (точнее, их белки), термически не обработанные, способны к дополнительной гидратации за счет гидратации белков. Но после термообработки это свойство утрачивается полностью. Очень наглядно изменение сродства белков к воде проявляется на примере термообработки яиц. Белок (материал) яйца представлен, в основном, белками (протеинами), что позволяет его широко использовать в различных модельных и технологических экспериментах. В нативном состоянии белок имеет очень высокое сродство к воде, а также гидратированным продуктам. Это позволяет использовать яйца во всех группах кулинарных изделий как водосвязывающий или формующий компонент. Поэтому яйца сами по себе можно значительно разводить водой (на 50...60%), молоком, растворами, отварами, что широко используется при изготовлении омлетов, яичных полуфабрикатов.
Благодаря воде, достигается высокое сродство яиц к мясным, рыбным, овощным рубленым массам, муке, панировочным смесям, творогу, сахарному сиропу, а также другим смесям, используемым в технологических процессах. Растворимость белков яиц, а значит, и сродство к воде, гидратированным продуктам после денатурации значительно ухудшается. Потеря в результате денатурации такого важного функционального свойства, как способность к гидратации, значительно уменьшает технологические возможности белков яиц, поэтому после термообработки яйца добавляются к рецептурам не как функциональный, а как пассивный рецептурный компонент.
Каждый белок имеет индивидуальную температуру денатурации, точнее, определенный температурный диапазон, в котором он подвергается денатурационным изменениям. В технологии под температурой денатурации понимается нижний уровень диапазона, при котором начинаются видимые денатурационные изменения. Так, для белков рыбы это - около 30, яиц - 55, белков мяса: миогена - 55...60, миоглобина - 60, глобулина - 50, миоальбумина - 45...47, миозина - 45...50, актина - около 55, актомиозина - 42...48, коллагена - около - 55...60 °С.
Наглядным примером того, что денатурация проходит в определенном диапазоне, а не при фиксированной температуре, является изменение коллоидных свойств яиц птицы в процессе термообработки. Несмотря на то, что температурой денатурации белков яиц считается 55 °С, изменение коллоидных свойств проходит в интервале температур 55...95 °С: при температуре 50...55 °С появляется локальное помутнение, при 55...60 °С оно распространяется на весь объем, при 60...65 °С - повышается вязкость; при 65...75 °С - начинается процесс
студнеобразования; при 75...85 °С - образуется гель, сохраняющий форму; при 85...95 °С - растут и достигают максимума упругоэластичные свойства геля.
Рис. 1.4
Белок миоглобин при термообработке переходит в метмиоглобин, т. е. денатурирует, в интервале температур 60...80°С: при температуре 60 °С миоглобин говядины ярко-красный; при 70 - цвет меняется на розовый; в интервале температур 70...80 и выше он приобретает серовато-коричневый цвет, характерный для метмиоглобина. Графически зависимость влияния температуры и времени на денатурацию миоглобина приведены на рис. 1.4. Белок миозин денатурирует в интервале температур 70...80 °С.
Денатурация белка коллагена в технологической практике получила название «сваривание» и сопровождается резким изменением геометрических размеров: фибриллы коллагена сокращаются, а толщина их растет. О ходе денатурации белка свидетельствуют косвенные поверхностные эффекты, такие как изменение коллоидного состояния, повышение вязкости, студнеобразо- вание, расслоение, сокращение.
Очень важное место в технологии занимает изменение коллоидного состояния пищевых продуктов, которая получила название коагуляции. Коагуляция, в зависимости от свойств и концентрации белка, может идти с образованием конечных продуктов с различным агрегатным состоянием. Температурой коагуляции, или температурной гель-точкой, является та наименьшая температура, при которой белок меняет свое коллоидное состояние. Достигая температурной гель-точки, малоконцентрированные по белку системы расслаиваются на две фазы, одна из которых, белковая, агрегирует в виде локальных флокулятов, пленок, а вторая представлена в виде воды. Независимо от вида белка, малоконцентрированные по белку системы через физическую недостаточность в системе белка не способны к гелеобразованию по всей системе, поэтому расслоение и синерезис типичные и объективные этапы денатурации и коагуляции белка. Так ведут себя молоко во время кипячения (образование лактоальбуминових пленок, накипи), яйца, растворенные более чем в 1,6 раза жидкостью (водой, молоком), рубленные мясная и рыбная массы, чрезмерно гидратированные, жидкое тесто для блинов.
Если система высококонцентрированная по белку, то денатурация и вид коагуляции основном зависят от вида белка. Такие белковые системы способны к формообразованию, что реализовано во многих технологических процессах: получение изделий из яиц, рубленых рыбных, мясных изделий, колбасных изделий и др. Однако гелеобразование носит различный характер в зависимости от вида белка. Типично, что когда белок образует с водой коллоидный раствор, то в результате коагуляции он не теряет влагу, удерживая ее за счет иммобилизации. Но в природе таких белков мало - это белки яиц, плазмы крови животных, белки биологической жидкости криля. В технологическом плане они достаточно дефицитны. Условно гели, которые образуются с удержанием влаги, получили название лиогели. Если белки достаточно гидратированы, но концентрированные и образуют с водой дисперсию, то, как правило, коагулируя при денатурации, они образуют гели, сохраняющие форму, но характеризуются интенсивным синерезисом. Эти гели условно называются коагелями. Коагели получаются из дисперсии белков мяса, рыбы. Аналогично ведут себя и белки муки, но их объективная потеря влаги скрывается клейстеризацией крахмала.
Образование гелей второго рода при коагуляции и сопутствующие этому процессы - это ключевое технологическое задание: большинство пищевых продуктов формируется благодаря этому процессу. Реализуя способность белка к гелеобразованию, а также регулируя этот процесс, удается управлять качеством конечных продуктов. Так, смешиванием белков, способных образовывать лиогели, с белками, способными образовывать коагели, удается снизить синергетические процессы.
Введением сахарозы и других простых сахаров или растворимых декстринов удается повысить температуру коагуляции белков, т. е. температурно их стабилизировать. Это широко используется в технологии сладких блюд и соусов с использованием яиц. Напротив, использование высоких концентраций соли, спирта и других дегидраторов эту температуру снижает.
Иногда коагуляционные процессы используется для выделения белков. На этом основывается получения сыра, казеина. Соосаждение белков при коагуляции получило название копреципитации, а конечные продукты - копреципитаты. Наиболее важное место копреципитация занимала в технологии извлечения сывороточных белков из молока. Известны яично-молочные копреципитаты и некоторые другие.
Регулированием свойств белков достигается также устойчивость к агрегации. Как правило, удаление pH белоксодержащей системы от изоэлектрической точки повышает устойчивость к агрегации, и наоборот, сближение pH системы с изоэлектрической точкой белков снижает температуру коагуляции. Так, глобулин рыбы, имеющий изоэлектрическую точки при pH 6,0, в слабокислой среде (pH 6,5) денатурирует при 50 °С, в нейтральной (pH 7,0) - при 80. Миофибриллярные белки рыбы и криля, а также соевые белки, модифицированные янтарным ангидридом в интервале пищевых величин pH, коагулируют при температуре в среднем на 20...35 °С выше, чем ^модифицированные.
Степень гидратации в значительной мере влияет на денатурацион- ные изменения белка. Вода в определенной степени повышает подвижность белковых цепей и реакционную активность гидрофильных и гидрофобных групп. Поэтому более гидратированные белки денатурируют быстрее, чем сухие. Белки с удаленной влагой, т. е. высушенные, характеризуются широким интервалом термостабильности, в том числе в отношении температур, близких к 100 °С.
Замораживание в реальных белковых системах, которыми являются большинство пищевых продуктов, проходит неравномерно. Сначала замерзают жидкости с меньшей концентрацией растворенных сухих веществ, что сдвигает коллоидное равновесие. Двухфазные белковые системы, то есть белковые гели второго рода, к которым относятся все рыбо- и мясопродукты, замерзают таким образом, что межтканевые жидкости замерзают первыми. Вымораживание растворителя приводит к повышению концентрации сухих веществ, следствием чего является высаливание белков, т. е. их частичная денатурация. Замораживание, по сути дела, выполняет роль водоотводящего агента. За счет этого замороженные гидратированные белки по свойствам отличаются от нативных. Вещества, которые понижают температуру замерзания, получили название криопротекторов, к которым следует отнести сахарозу, соль, глицерин. Глубина денатурации замороженных белковых продуктов повышается с увеличением сроков хранения.
В денатурации белков значительную роль играют другие компоненты биологической системы, в том числе липиды, углеводы. Благодаря сложному строению и достаточно высокой реакционной способности функциональных групп белков, они легко с ними комплексуют с образованием соединений, которые значительно видоизменяют свойства белков. Как правило, следствием этого является значительное снижение функциональных возможностей белков.
Взаимодействие с липидами идет несколькими путями. Во-первых, это взаимодействие может быть за счет адсорбции белковых молекул на бимолекулярном слое липидов. Взаимодействие может сопровождаться изменением структуры белковых молекул, то есть их денатурацией.
Второй вид взаимодействия между белками и липидами которое идет за счет включения белка в состав поверхности бимолекулярного слоя, вызывает частичное изменение на уровне четвертичной и третичной структур белка. Следствием этого является изменение функциональных возможностей белка.
Третий вид взаимодействия белков и липидов заключается в том, что за счет липидов на поверхности мембраны белок полностью меняет четвертичную, третичную, вторичную структуры. При этом полипеп- тидные цепи находятся среди полярных групп липидов, постоянно меняя свою форму. Белки ориентированы гидрофильными и гидрофобными участками к воде и жиру. Белки теряют свою функциональную и технологическую роль, в том числе и ферментную.
Липиды, которые имеют полярные группы, способные связываться с белком электростатическими силами. Так, фосфолипиды взаимодействуют с белком своими фосфатидными группами и четвертичными атомами азота (фосфатидилхолины, фосфатидилэтаноламины), свободные жирные кислоты - своими карбоксильными группами. Эти липиды проявляют сродство к аминокислотам, которые имеют группы: -ОН; =NH; -NH 2 ; =S. Также возможно взаимодействие за счет сополимеризации.
Взаимодействие между белком и липидом возможно под влиянием различных технологических факторов, например тепла, влаги.
Прочность связи жирных кислот с белком повышается с ростом их ненасыщенности. Двойные связи жирных кислот повышают способность к окислению сульфгидрильных и пептидных связей с возникновением дисульфидных (-S-S-) и азотных (-CO-N-N-CO-) мостиков.
Особый характер имеет взаимодействие белков с окисленными липидами. При окислении липидов в присутствии белков возникает комплекс, который стабилизируется за счет воды.
Белковые вещества пищевых продуктов, как коллоиды, могут «стареть» с течением времени, изменяя при этом свойства продукта в целом. Поэтому долгосрочное хранение пищевых продуктов в предприятиях общественного питания и пищеперерабатывающего комплекса в результате денатурации белков, как правило, приводит к ухудшению технологических свойств сырья. Поэтому кулинарная продукция, которая получается из замороженных мяса, рыбы, птицы, существенно по показателям отличается от аналогичной но полученной из свежего сырья.
Вообще денатурация, как явление и как процесс, вызывает очень большую заинтересованность специалистов и ученых, поскольку, с одной стороны, представляет значительную проблему, с другой - лежит в основе приготовления пищи.
Денатурация способствует комплексообразованию. Так, экспериментально доказано, что комплексообразование между окисленными липидами и казеином в присутствии влаги при комнатной температуре возникает уже через 10... 15 минут. Очень активные комплексообразо- ватели - полярные липиды.
Широко известна в технологии реакция сахароаминной конденсации, которая лежит в основе термической денатурации и деструкции белков. Результатом реакции является значительное изменение функциональных и технологических свойств белков, а также органолептических показателей пищевой системы - цвета, вкуса, консистенции.
Как уже отмечалось выше, денатурация играет ключевую роль в технологии продукции общественного питания. Очень важно сознательно оперировать такими понятиями, как факторы денатурации, стабильность белковой системы, степень денатурации, которые, с одной стороны, предопределяют параметры технологического процесса, а с другой - характеризуют состояние белковой системы, ее функциональные возможности и технологические показатели. К денатурации следует относиться не только как к следствию технологического процесса, а также как к показателю, который обусловливает этот процесс. Из-за того, что белковые вещества в технологических процессах следует рассматривать не как пассивные вещества, а как активные функциональные компоненты, очень важна информация о нативнисти белковых веществ и степени их денатурации. Действительно, кроме биологической ценности, технологическая ценность белков в первую очередь оценивается их функциональными показателями, такими как сродство к воде и степень гидратации, способность растворяться, быть стабильными в растворе и обусловливать определенные структурно-механические свойства, выполнять роль поверхностно-активного вещества - быть эмульгатором, стабилизатором, пенообразователем, снижать поверхностное натяжение воды, быть термолабильным или термостабильным структурообразователем и др. Все эти показатели обусловлены свойствами нативных, неденатури- рованных белков. Поэтому такое понятие, как степень денатурации, оцениваемое по реальным технологическим показателям, например по эмульгирующим или пенообразующим способностям, в отношении нативного белка играет очень большую роль в организации технологического процесса, выборе концентраций веществ, гидромодуля, температурных параметров и др. Все это одновременно должно быть сопряжено с такими нормативными показателями, которые характеризуют показатели стабильности белковых систем, например: растворимость (сухое молоко, яичный порошок), гидратация (высушенные мясо, рыба, пассерованная в различных режимах мука, тесто, образованное при контролируемом заваривании), показатели взаимозаменяемости продуктов (яичный порошок - на яйца свежие, молоко сухое - на молоко свежее и др.).
Нужно одновременно оценивать и физиологическую роль денатурации. Потеря белком в процессе денатурации своей биохимической индивидуальности в целом облегчает переваривание готовых продуктов. Поэтому усвоение денатурированных белков, как правило, проходит более эффективно, чем нативных. Это также касается инактивации белков-ингибиторов, например в семенах масличных культур. Эти белки выполняют в растениях защитную функцию, но в значительной мере влияют на пищеварение человека, существенно уменьшая функцию трипсина и химотрипсина. Денатурация, как технологический фактор, значительно снижает влияние этих белков. Но известно, что усвоение зависит от степени денатурации. Так, белково-углеводные комплексы, образующиеся при реакции меланоидинообразования в отношении белка оцениваются как денатурация, усваиваются хуже рецептурных компонентов. А продукты более глубоких стадий меланоидинообразования способны в определенной степени негативно влиять на пищеварение.
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 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.
