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 0С, яичного белка t = 55 0С, мяса t = 55…60 0С 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 0С, когда денатурирует более 90% общего количества белков. При t = 70 0С 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.
При нагревании мяса существенные денатурационные изменения происходят с белками соединительной ткани. Нагревание коллагена во влажной среде до t = 58…62 0С вызывает его «сваривание», при котором ослабевает и разрывается часть водородных связей, удерживающих полипептидные цепи в трехмерной структуре. Полипептидные цепи при этом изгибаются и скручиваются, между ними возникают новые водородные связи, имеющие случайный характер. В итоге коллагеновые волокна укорачиваются и утолщаются.
Коллаген, подвергнутый тепловой денатурации, становится более эластичным и влагоемким, его прочность значительно уменьшается. Реакционная способность коллагена также возрастает, и он становится более доступным действию пепсина и трипсина, что повышает его перевариваемость. Все эти изменения тем больше, чем выше температура и длительнее нагрев.
ДЕНАТУРАЦИЯ - существенные изменения природных свойств вещества под влиянием химических или физических воздействий. Термин «денатурация» применяется обычно к белкам (см.). Нарушение нативной уникальной структуры под влиянием повышения температуры, высокого гидростатического давления, ультразвука, ионизирующих излучений, резких сдвигов pH, добавления некоторых хим. веществ, разрывающих нековалентные связи (напр., мочевины, солей гуанидина, трифторуксусной или трихлоруксусной к-т), называется общим термином «денатурация белков». Молекуле нативного белка свойственна внутренняя упорядоченность, поддерживаемая системой нековалентных связей между многочисленными структурными элементами. При Д. такая упорядоченность нарушается. Ковалентные (химические) связи в молекуле белка при Д. не затрагиваются, и первичная структура белка сохраняется. Структуры высоких порядков - вторичная или третичная - нарушаются полностью или в значительной степени. Изменение нативного состояния молекул, аналогичное Д. белков, известно также и для нуклеиновых кислот (см.).
Биологически активные белки - ферменты, антитела и др.- при Д. инактивируются. Причиной этого является то, что в процессе Д. нарушаются активные центры - точно организованные участки белковых молекул, непосредственно ответственные за соответствующую биол, функцию. Физ.-хим. изменения, сопровождающие Д., также связаны с нарушением упорядоченной структуры белка. Так, при Д. нарушаются (в различной степени) спирализованные участки полипептидной цепи, что фиксируется соответствующими спектрополяриметрическими сдвигами. Переход полипептидной цепи белка из плотно упакованного в беспорядочное и подвижное состояние вызывает изменение вязкости и других гидродинамических свойств их р-ров. В состоянии Д., когда полипептидная цепь становится более подвижной, общая реактивность хим. групп увеличивается. Нетитрующиеся (т. е. не вступающие в реакцию) сульфгидрильные (SH-) и некоторые другие группы, присутствующие во многих нативных белках, обычно титруются после Д. Взаимодействие белков с нек-рыми красителями резко усиливается в результате Д. Из-за повышения доступности и увеличения реактивности различных хим. групп при Д. очень сильно возрастает степень взаимодействия между отдельными белковыми молекулами. В денатурированном состоянии белки легко агрегируют, т. е. денатурированные белки легко осаждаются, свертываются или же латинизируются. Для сохранения белка в растворенном состоянии после Д. приходится применять солюбилизирующие вещества - детергенты (см.), мочевину и др.
Д. белков обычно сопровождается значительным увеличением теплосодержания и энтропии (см. Термодинамика), хотя эти изменения зависят от условий среды. В простейших случаях система при Д., по-видимому, содержит всего две формы белка - нативную и полностью денатурированную. По мере Д. белок переходит из одной формы в другую без заметного образования каких-либо промежуточных форм и, следовательно, весь денатурационный переход белковой молекулы протекает как единый скачок. В других случаях кинетика денатурации указывает на образование в ходе реакции нескольких относительно стабильных не нативных форм белка, что соответствует более сложной схеме перехода. Но если при Д. молекула белка претерпевает несколько конформационных превращений, то каждое из них является кооперативным, т. е. включает большое число взаимозависимых реакций, заключающихся в образовании и разрыве нековалентных связей.
В прошлом Д. рассматривали как необратимый процесс, как переход белка в состояние, имеющее минимальный уровень свободной энергии. Теперь хорошо известно, что Д. обратима.
Справочник химика 21
Фактически наступающая необратимость создается, как оказалось, сопутствующими реакциями - агрегацией белка, окислением SH-групп с образованием новых дисульфидных (S-S) связей и пр. Если эти реакции в достаточной мере исключены, то тенденция к возвращению белка в нативное состояние (ренатурация) проявляет себя сразу же по прекращении действия денатурирующего агента.
Если Д. по существу представляет собой физ. переход упорядоченность - беспорядок, то в ренатурации ярко проявляется биол, особенность белков - способность к самоорганизации, путь к-рой определен строением полипептидной цепи, т. е. наследственной информацией. В условиях живой клетки данная информация, вероятно, является решающей для преобразования беспорядочной полипептидной цепи во время или после ее биосинтеза на рибосоме в нативную молекулу белка.
Библиография: Белицер В. А. Макроструктура и денатурационные превращения белков, Укр. биохим, журн., т. 24, в. 2, с. 290, 1962, библиогр.; Ж о л и М. Физическая химия денатурации белков, пер. с англ., М., 1968, библиогр.; Пти-ц ы н О. Б. Физические принципы самоорганизации белковых цепей, Усп. совр, биол., т. 69, в. 1, с. 26, 1970, библиогр.; Anfinsen С. В. The formation and stabilization of protein structure, Biochem. J., v. 128, p. 737, 1972, bibliogr.; Anfinsen G. B. a. Scheraga H. A. Experimental and theoretical aspects of protein folding, Advanc. Protein Chem., v. 29, p. 205, 1975, bibliogr.; Morawetz H. Rate of conformational transitions in biological macromolecules and their analogs, ibid., v. 26, p. 243, 1972, bibliogr.
В. А. Белицер.
Денатурация белков
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.
Что такое денатурация белка
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.
Предыдущая12345678910111213141516Следующая
ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:
Лабильность пространственной структуры белков и их денатурация. Факторы, вызывающие денатурацию.
Лабильность белка — склонность к небольшим изменениям конформации за счет разрыва одних и образовании других слабых связей. Конформация белка может меняться при изменении химических и физических свойств среды, а также при взаимодействии белка с другими молекулами. При этом происходит изменение пространственной структуры не только участка, контактирующего с другой молекулой, но и конформация в целом.
Денатурация — потеря нативной конформации белка с утратой специфической функции белка. Это происходит когда рвутся многочисленные, но слабые связи в молекуле белка под воздействие различных факторов. ОДНАКО! При денатурации не происходит разрыва пептидных связей, первичная структура БУДЕТ… ЖИТЬ…
Какие факторы способны денатурировать белок? Многочисленные.
1. Высокая температура
, более 50 градусов по Цельсию. Увеличивается тепловое движение, связи рвутся.
2. Интенсивное стряхивание раствора
, когда происходит контакт с воздушной средой и происходит изменение конфомации молекул.
3. Органические вещества
(этиловый спирт, фенол и др.) спсобные взаимодействовать с функциональными группами аминокислот, что приводит, догадайтесь, правильно!, к изменению конформации.
3. Кислоты
и щелочи
, изменением рН среды приводят к перераспределению связей в белке.
4. Соли ТЯЖЁЛЫХ металлов
, образуют прочные связи с функциональными группами, меняя активность и конформацию.
5. Детергенты
(мыло) — содержащие гидрофобный углеводородный радикал и гидрофильную функц. группу. Гидрофобные участки белка и детергента находят друг друга в сложном мире раствора и изменяют конформацию белка, однако не оседают, так как их поддерживают на плаву гидрофильные участки детергента.
14. Шапероны – класс белков, защищающий другие белки от денатурации в условиях клетки и облегчающий формирование их нативной конформации.
Шапероны — белки, способные связываться с другими белками, находящимися в неустойчивом, склонном к агрегации состоянии. Они способны обеспечить их конформацию, обеспечивая фолдинг белков.
Классифицируются следующим образом — по молекулярной массе на 6 основных групп:
1. высокомолекулярные с мол.массой от 100 до 110 кД.
2.
Денатурация белков
Ш-90, от 83 до 90 кД.
3. Ш-70, от 66 до 78 кД.
4. Ш-60.
5. Ш-40.
6. Низкомолекулярные шапероны от 15 до 30 кД.
Среди шаперонов различают:
1. Конститутивные
, их количество постоянно в клетке, вне зависимости от внешнего воздействия на неё.
2. Индуцибильные
, белки теплового шока, быстрый синтез которых отмечают практически во всех клетках, которые подвергаются любым стрессовым воздействиям.
Шапероновый комплекс имеет высокое сродство к белкам, на поверхности которых есть элементы, характерные для несвёрнутых молекул. Попадая в полость шаперонового комплекса, белок связывается с гидрофобными радикалами апикальных участков Ш-60. В специфической среде этой полости, в перебор возможных конформации белка, пока не будет найдена единственная, энергетическая наиболее выгодная конформация.
15. Многообразие белков. Глобулярные и фибриллярные белки, простые и сложные. Классификация белков по их биологическим функциям и по семействам: (сериновые протеазы, иммуноглобулины).
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ ПО ФОРМЕ МОЛЕКУЛ
Это одна из самых старых классификаций, которая делит белки на 2 группы: глобулярные и фибриллярные . К глобулярным относят белки, соотношение продольной и поперечной осей которых не превышает 1:10, а чаще составляет 1:3 или 1:4, т.е. белковая молекула имеет форму эллипса. Большинство индивидуальных белков человека относят к глобулярным белкам. Они имеют компактную структуру и многие из них, за счёт удаления гидрофобных радикалов внутрь молекулы, хорошо растворимы в воде. Наглядные примеры строения и функционирования глобулярных белков — рассмотренные выше миоглобин и гемоглобины.
Фибриллярные белки имеют вытянутую, нитевидную структуру, в которой соотношение продольной и поперечной осей составляет более 1:10. К фибриллярным белкам относят коллагены, эластин, кератин, выполняющие в организме человека структурную функцию, а также миозин, участвующий в мышечном сокращении, и фибрин — белок свёртывающей системы крови. На примере коллагенов и эластина рассмотрим особенности строения этих белков и связь их строения с функцией.
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СТРОЕНИЮ
Простые белки
Некоторые белки содержат в своём составе только полипептидные цепи, состоящие из аминокислотных остатков. Их называют «простые белки». Примером простых белков могут служить основные белки хроматина — гистоны; в их составе содержится много аминокислотных остатков лизина и аргинина, радикалы которых имеют положительный заряд. Рассмотренный выше белок межклеточного матрикса эластин также относят к простым белкам.
Сложные белки
Однако очень многие белки, кроме полипептидных цепей, содержат в своём составе небелковую часть , присоединённую к белку слабыми или ковалентными связями. Небелковая часть может быть представлена ионами металлов, какими-либо органическими молекулами с низкой или высокой молекулярной массой. Такие белки называют «сложные белки». Прочно связанная с белком небелковая часть носит название простетической группы .
Простетическая группа может быть представлена веществами разной природы. Например, белки, соединённые с гемом, носят название гемопротеины. В состав гемопротеинов, кроме уже рассмотренных выше белков гемоглобинов и миоглобина, входят ферменты — цитохромы, каталаза и пероксидаза. Гем, присоединённый к разным белковым структурам, выполняет в них характерные для каждого из белков функции (например, в составе гемоглобина переносит О2, а в составе цитохромов — электроны).
Белки, соединённые с остатком фосфорной кислоты, называют фосфопротеинами. Фосфорные остатки присоединяются сложноэфирной связью к гидроксильным группам серина, треонина или тирозина при участии ферментов, называемых протеинкиназами.
В состав белков часто входят углеводные остатки, придающие белкам дополнительную специфичность и часто уменьшающие скорость их ферментативного протеолиза. Такие белки носят название гликопротеинов. Многие белки крови, а также рецепторные белки клеточной поверхности относят к гликопротеинам.
Белки, функционирующие в комплексе с липидами, называют липопротеинами, а в комплексе с металлами — металлопротеинами.
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
ПО ФУНКЦИЯМ
Денатурация и ренатурация белков
Разрушение нативной конформации сопровождается утратой функции белков, т. е. приводит к потере его биологической активности. Этот процесс называется денатурацией. Денатурация наступает при разрыве слабых связей, ответственных за формирование вторичной, третичной и четвертичной структуры белка. Большинство белков теряют биологическую активность при изменении свойств среды под действием сильных факторов: в присутствии минеральных кислот, оснований, при нагревании, под влиянием солей тяжелых металлов (Ag, Pb, Hg), органических растворителей, детергентов (амфифильных соединений).
Для большинства белков денатурация сопровождается необратимой потерей их биологической активности. Однако известны примеры ренатурации или обратимой денатурации, например, фермента рибонуклеазы. Рибонуклеаза, глобулярный белок, состоящий из 1 полипептидной цепи, при обработке β- меркаптоэтанолом подвергается денатурации и теряет ферментативную активность, глобула расплетается. Если из среды удалить денатурирующие агенты (путем диализа) каталитическая активность рибонуклеазы восстанавливается, т. е. происходит ренатурация или ренативация белка. Это означает, что рибонуклеаза самопроизвольно восстанавливает из множества возможных комбинаций связей именно один вариант, который возвращает ей биологически активную конформацию.
Шапероновая защита белков in vivo
В клеточной среде белковые молекулы могут иметь нестабильные конформации, находится в неустойчивом состоянии, склонном к агрегации и денатурации. Ренатурация белков в условиях клетки затруднена. Но в организме существуют специальные белки, шапероны, которые способны стабилизировать состояние неустойчивых белков, восстановить нативную конформацию и защитить белки от поражающего воздействия стрессовых ситуаций.
Направления шапероновой защиты
- Защита процессов синтеза белков и формирования трехмерной биологически активной конформации.
Пространственная структура белка (вторичная и третичная) формируется в процессе трансляции (синтеза белка) по мере роста полипептидной цепи. Однако в условиях клеточной среды при высокой концентрации реакционно-способных биомолекул независимая укладка полипептидной цепи в пространстве затруднена.
Выбор нативной конформации синтезированного белка обеспечивают белки-шапероны .
На этапе синтеза шапероны-70 (с молекулярной массой около 70 кД) своими гидрофобными радикалами аминокислот связываются с гидрофобными участками растущей цепи белка, защищая от посторонних взаимодействий.
Завершающий этап формирования трехмерной пространственной структуры, т. е. фолдинг высокомолекулярного белка, осуществляется внутри шаперонового комплекса, состоящего из 14 белковых молекул шаперонов – 60, где, находясь в изоляции от других молекул клеточной среды, белок находит свою единственную, наиболее устойчивую конформацию, обладающую биологической активностью.
- Ренатурация, восстановление нативной конформации белков.
Известно, что в условиях клеточной среды с невысокой скоростью может происходить денатурация белковых молекул. Возвращение активного конформационного состояния белков, т. е. их ренатурация, в клетке осложняется тем, что денатурированные молекулы имеют развернутые полипептидные цепи, обнаженные гидрофобные и другие реакционноспособные участки, устанавливающие связи с другими молекулами, что затрудняет возвращение правильной пространственной структуры.
Шапероны-60 помогают вернуть нативную структуру частично поврежденного белка, который попадает в полость шаперонового комплекса, где нет факторов, мешающих ренативации. После восстановления термодинамически выгодной конформации белок возвращается в цитозоль.
Защита белков от действия поражающих факторов.
Такую защиту осуществляет особая группа шаперонов, называемых индуцибельными, т. е. их синтез в нормальных условиях незачительный, а при действии на организм чрезмерных факторов резко усиливается. Эту группу шаперонов относят к белкам теплового шока , т. к. впервые были обнаружены в клетках, после воздействия на них высокой температуры. Белки теплового шока, связываясь с клетками нашего организма, экранируют их, препятствуя дальнейшей деградации под влиянием высокой температуры, низкой температуры, УФО, при резком изменении рН, концентрации веществ, при действии токсинов, тяжелых металлов, при отравлении химическими реактивами, при гипоксии, при инфекции и других стрессовых ситуациях.
Нарушения фолдинга белков могут иметь большие клинические последствия. Прионы – белки, которые являются матрицей для нарушения фолдинга собственных клеточных белков PrPc. В результате образуется форма белка PrPSc, содержащая большую долю β-структуры, способная к формированию больших агрегатов и устойчивая к протеолитической деградации.
Прионовые болезни могут начинаться с инфекции (коровье бешенство, скрепи, болезнь Куру) или с мутации (болезнь Крейцфельда-Якоба).
Классификация белков
По составу:
Белки
Простые Сложные
аминокислоты и небелковый компонент
Небелковый компонент сложных белков может быть представлен различными веществами.
Свойства денатурированных белков, виды денатурации
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, NH2, 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.
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 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.
Важное свойство белков - их способность к денатурации. Этим понятием обозначают явления, связанные с необратимым изменением вторичной, третичной и четвертичной структур белка под воздействием нагревания, кислот, щелочей, УФ-лучей , ионизирующей радиации, ультразвука и др. Иными словами, денатурация - это необратимое нарушение нативной пространственной конфигурации белковой молекулы, сопровождающееся существенными изменениями биологических и физико-химических свойств белков.
Поскольку в образовании вторичной и третичной структур частично участвуют относительно слабые связи, физическое состояние белка в значительной степени зависит от температуры, , присутствия солей и других факторов. Нагревание, например, вызывает распрямление полипептидной цепи белковой молекулы; некоторые химические реагенты разрывают водородные связи. Изменение pH также обусловливает разрыв связей, при этом проявляется электростатическая неустойчивость.
Белки под влиянием различных физических и химических факторов теряют свои первоначальные (нативные) свойства. Внешне это выражается в их свертывании и выпадении в осадок. Примером такого явления может служить свертывание альбумина молока при кипячении. Негидролитическое необратимое нарушение нативной структуры белка и называется денатурацией. При этом рвутся в основном водородные связи, изменяется пространственная структура белка, однако разрыва ковалентных связей в белковой молекуле не происходит.
Денатурация приводит к развертыванию молекулы белка, и он переходит в более или менее разупорядоченное состояние (в нем уже нет ни спиралей, ни слоев, ни других каких-либо видов регулярной укладки цепи). В денатурированном состоянии амидные группы пептидной цепи образуют водородные связи с окружающими их молекулами воды; таких водородных связей значительно больше, чем внутримолекулярных.
Взбивание яичного белка, сливок превращает их в пену, состоящую из пузырьков воздуха, окруженных тонкими белковыми пленками, образование которых сопровождается развертыванием полипептидных цепей в результате разрыва связей при механическом воздействии. Таким образом, при образовании пленок происходит частичная или полная денатурация белка. Такой вид денатурации называется поверхностной денатурацией белка.
Для кулинарных процессов особое значение имеет тепловая денатурация белков. Механизм тепловой денатурации белков можно рассмотреть на примере глобулярных белков.
В нативном белке пептидные группы экранированы внешней гидратной оболочкой или находятся внутри белковой глобулы и таким образом защищены от внешних воздействий. При денатурации белок теряет гидратную оболочку, что облегчает доступ пищеварительным ферментам желудочно-кишечного тракта к функциональным группам. Белок переваривается быстрее.
Кроме того, иногда ингибиторная функция белка исчезает после денатурации. Так, некоторые белки яйца отрицательно влияют на процесс пищеварения: авидин в кишечнике связывает биотин (витамин Н), который участвует в регуляции нервной системы и нервно-рефлекторной деятельности; овомукоид угнетает действие трипсина (фермента поджелудочной железы). Именно поэтому белки сырого яйца не только плохо перевариваются, но и частично всасываются в непереваренном виде, что может вызвать аллергию, уменьшить усвояемость других компонентов пищи и ухудшить всасывание соединений кальция. При денатурации эти белки утрачивают свои антиферментные свойства.
При денатурации белок теряет гидратную оболочку, в результате чего многие функциональные группы и пептидные связи белковой молекулы оказываются на поверхности и белок становится более реакционноспособным.
В результате тепловой денатурации белка происходит агрегирование белковых молекул. Поскольку гидратная оболочка вокруг молекулы белка нарушается, отдельные молекулы белка соединяются между собой в более крупные частицы и уже не могут держаться в растворе. Начинается процесс свертывания белков, в результате которого образуются новые молекулярные связи.
Взаимодействие денатурированных молекул белка в растворах и гелях протекает по-разному. В слабоконцентрированных белковых растворах при тепловой денатурации агрегация молекул белка происходит путем образования межмолекулярных связей как прочных, например дисульфидных, так и слабых (но многочисленных) - водородных. В результате образуются крупные частицы. Дальнейшая агрегация частиц приводит к расслоению коллоидной системы, образованию хлопьев белка, выпадающих в осадок или всплывающих на поверхность жидкости, часто с образованием пены (например, выпадение в осадок хлопьев денатурированного лактоальбумина при кипячении молока; образование хлопьев и пены из денатурирующих белков на поверхности мясных и рыбных бульонов). Концентрация белков в таких растворах не превышает 1 %.
В более концентрированных белковых растворах при денатурации белков образуется сплошной гель, удерживающий всю воду, содержащуюся в коллоидной системе. В результате агрегации денатурированных молекул белка образуется структурированная белковая система. Денатурация белков в концентрированных растворах с образованием сплошного геля происходит при тепловой обработке мяса, рыбы (белки саркоплазмы), куриных яиц и разных смесей на их основе. Точные концентрации белков, при которых их растворы в результате нагревания образуют сплошной гель, неизвестны. Учитывая, что способность к гелеобразованию у белков зависит от конфигурации (асимметрии) молекул и характера образующихся при этом межмолекулярных связей, надо полагать, что для разных белков указанные концентрации различны.
Например, для приготовления омлетов к яичному меланжу добавляют 38...75 % молока. Нижние пределы относятся к омлетам жареным, верхние — к вареным на пару. Для приготовления омлетов из яичного белка, используемых в диетическом питании, молоко добавляют в количестве 40 % независимо от способа тепловой обработки, так как в белке яйца концентрация белков значительно ниже, чем в желтке.
Некоторые белки, представляющие собой более или менее обводненные гели, при денатурации уплотняются, в результате чего происходит их дегидратация с отделением жидкости в окружающую среду. Белковый гель, подвергшийся нагреванию, как правило, характеризуется меньшим объемом, массой, пластичностью, повышенной механической прочностью и большей упругостью по сравнению с исходным гелем нативных белков. Подобные изменения белков наблюдаются при тепловой обработке мяса, рыбы (белки миофибрилл), варке круп, бобовых, макаронных изделий, выпечке изделий из теста.
Гелями и студнями называются твердообразные нетекучие структурированные системы, образовавшиеся в результате действия молекулярных сил сцепления между коллоидными частицами или макромолекулами полимеров. Ячейки пространственных сеток гелей и студней обычно заполнены растворителем.
Таким образом, гели представляют собой коллоидные системы или растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), утратившие текучесть из-за возникновения в них определенных внутренних структур в виде пространственного сетчатого каркаса, ячейки которого заполнены дисперсионной средой. Поскольку заключенная в ячейках дисперсионная среда при этом теряет свою подвижность, ее называют иммобилизированной.
Гели весьма широко распространены в природе: к ним относятся многие строительные материалы (бетоны, цементы, глинистые суспензии), грунты, некоторые минералы (агат, опал), различные пищевые продукты (мука, тесто, хлеб, желе, мармелад, студень), желатин, каучук, ткани живых организмов и многие другие материалы живой и неживой природы.
В зависимости от концентрации дисперсионной среды гели принято подразделять на лиогели, коагели и ксерогели (аэрогели).
Богатые жидкостью гели, содержащие мало сухого вещества (до 1-2 %), называют диогелями. К типичным диогелям относятся кисель, студень (холодец), простокваша, растворы мыл и др.
Студенистые осадки, получаемые в процессе коагуляции некоторых гидрофобных золей, а также хлопьевидные осадки, образующиеся при высаливании растворов ВМС, называются коагелями. Содержание сухого вещества в коагелях достигает 80 %. Однако очень бедные жидкостью хлопья и микрокристаллические порошки, образующиеся при коагуляции типичных гидрофобных коллоидов (гидрозолей золота, серебра, платины, сульфидов) к коагелям не относятся.
Бедные жидкостью или совсем сухие гели называются ксерогелями. Примерами ксерогелей могут служить сухой листовой желатин, столярный клей в плитках, крахмал, каучук. К сложным ксерогелям относят многие пищевые продукты (муку, сухари, печенье). Высокопористые ксерогели называют также аэрогелями, поскольку в них дисперсионной средой служит воздух. К аэрогелям относят многие сорбенты (силикагель), твердые катализаторы химических реакций.
В зависимости от природы дисперсной фазы и по способности к набуханию принято различать гели хрупкие и эластичные. Эластичные гели мы будем называть студнями.
Для обозначения процесса, при котором нативные свойства белка теряются, используют термин ДЕНАТУРАЦИЯ.
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.
Обратимость денатурации
В пробирке (in vitro) чаще всего это – необратимый процесс. Если же денатурированный белок поместить в условия, близкие к нативным, то он может ренатурировать, но очень медленно, и такое явление характерно не для всех белков.
In vivo, в организме, возможна быстрая ренатурация. Это связано с выработкой в живом организме специфических белков, которые «узнают» структуру денатурированного белка, присоединяются к нему с помощью слабых типов связи и создают оптимальные условия для ренатурации. Такие специфические белки известны как «белки теплового шока » или «белки стресса ».
Белки стресса
Существует несколько семейств этих белков, они отличаются по молекулярной массе.
Например, известен белок hsp 70 – heatshock protein массой 70 kDa.
Такие белки есть во всех клетках организма. Они выполняют также функцию траспорта полипептидных цепей через биологические мембраны и участвуют в формировании третичной и четвертичной структур белковых молекул. Перечисленные функции белков стресса называются шаперонными . При различных видах стресса происходит индукция синтеза таких белков: при перегреве организма (40-44 0 С), при вирусных заболеваниях, отравлениях солями тяжелых металлов, этанолом и др.
В организме южных народов установлено повышенное содержание белков стресса, по сравнению с северной расой.
Молекула белка теплового шока состоит из двух компактных глобул, соединенных свободной цепью:
Разные
белки теплового шока имеют общий план
построения. Все они содержат контактные
домены.
Разные белки с различными функциями могут содержать одинаковые домены. Например, различные кальций-связывающие белки имеют одинаковый для всех них домен, отвечающий за связывание Ca +2 .
Роль доменной структуры заключается в том, что она предоставляет белку большие возможности для выполнения своей функции благодаря перемещениям одного домена по отношению к другому. Участки соединения двух доменов – самое слабое в структурном отношении место в молекуле таких белков. Именно здесь чаще всего происходит гидролиз связей, и белок разрушается.
