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.
Каждый из этих денатурирующих агентов представляет собой относительно мягкую обработку в том смысле, что ковалентное присоединение в полипептидной цепи не нарушается. Органические растворители действуют в первую очередь для содействия разрушению гидрофобных взаимодействий, которые стабилизируют глобулярные белки; Пределы рН изменяют чистый заряд белка, вызывая электростатическое отталкивание и разрушение некоторых водородных связей.
Это свидетельствует о том, что биологическая активность белка зависит не только от его первичной структуры, хотя и является определяющей его пространственной конфигурацией. В большинстве случаев, в процессах денатурации высокими температурами или экстремальными изменениями рН, модификации необратимы.
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.
Денатурация - это процесс, который происходит в биологических молекулах, особенно в белках, подверженных различным условиям от тех, в которых они были получены, например, изменения температуры, изменения рН, ионная сила и другие. Некоторые денатурированные белки, будучи возвращенными на их исходную среду, могут восстановить свою нормальную пространственную конфигурацию путем перенасыщения. Однако, когда денатурация происходит при экстремальных температурах или очень интенсивных изменениях рН, модификации, как правило, необратимы.
Структуры белка могут иметь первичные, вторичные, третичные и четвертичные структуры. Конформация белка связана со вторичной и третичной структурой, она осуществляется через низкоэнергетические связи и, следовательно, является хрупкой. Денатурация происходит из-за модификации четвертичных, третичных и вторичных структур без фрагментации пептидной цепи. Денатурация белков проходит через эфемерные структуры, которые могут приводить к полной молекулярной деградации, но денатурация также может рассматриваться как результат Увеличение структуры за пределами родной формы.
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.
Вытеснение, аналогичное статистической шаровой структуре, повышает устойчивость молекул. Эта денатурация изменяет свойства белков.
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.
Наличие воды способствует денатурации. Представлена на следующей диаграмме. Термальная денатурация железистого белка. 1: природный белок; 2 - частично разложенный белок. Аммиак получают из «ацетамидо» групп глутамина, аспарагина, если происходит изменение функциональных свойств, нет никаких изменений в питательной ценности. Если денатурация происходит в присутствии кислорода, триптофан теряется с питательной точки зрения и может находиться в форме карболинов, которые могут быть мутагенами. В щелочной среде некоторые аминокислоты разрушаются: аргинин дает орнитин, цитруллин, мочевину, Аммиак, цистеин и серин дают дегидроаланин, который может реагировать с аминовой функцией орнитина, чтобы дать орнитиноаланин с тиоловой функцией цистеина с получением лантионина.
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.
В случае лизина будет получен лизиноаланин. Эта молекула устраняется в равной степени фекалиями и мочой. В последнем случае, когда уровни лисиноаланина составляют порядка 100 м.д. установка некроза наблюдается на почечном уровне. Наконец, лисиноаланин снижает коэффициент полезности пищеварительной системы белков. Следующий рисунок суммирует реакцию дегидратации.
Низкие температуры могут денатурировать белки. Напротив, холод может привести к диссоциации олигомерных структур без их повторной ассоциации, которая обязательно будет функциональной. Сдвиговые силы, используемые во время замешивания или прокатки, могут ухудшить вторичные структуры белков и привести к денатурации.
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.
Автор: Флориан Ронез, докторская диссертация. Агропродовольственные промышленные процессы часто включают физические ограничения, создающие воздействие, которое может изменить структуру и, следовательно, функцию определенных ингредиентов. Среди этих ингредиентов белки используются почти систематически при разработке пищевых продуктов. Это особенно относится к производству молочных продуктов. Изменения температуры, рН или ионной силы обеспечивают процесс гелеобразования, но также контролируют кинетику образования сети и, следовательно, структурируют гель казеина.
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.
Известно, что чрезмерное физическое лечение изменяет качество молочного геля, создавая явления денатурации, которые нарушают формирование сети макромолекул. Состав молока характеризуется большой сложностью в характере и форме его компонентов. В коровьем молоке доминируют четыре компонента.
Водорастворимые и нерастворимые белки лактоза. . Потребление молока после детства не является необходимым для выживания, а способность переваривать лактозу на самом деле представляет собой генетическую адаптацию населения, потребляющего молоко. Эта адаптация присутствует в западных странах, тогда как в восточных популяциях она встречается реже, чем лактоза, непереносимая. Напротив, сыр не приводит к какой-либо непереносимости лактозы, поскольку последний почти отсутствует. Сыр является важным средством сохранения и потребления молока.
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.
Коровье молоко является наиболее потребляемым. Это казеины, на которые приходится около 77% всех белков коровьего молока. Казеины - это благородные элементы молока. У млекопитающих они позволяют передавать питательные вещества и особенно минералы от матери к ее потомству. Казеины являются фосфорилированными белками и, естественно, богаты минералами. Более того, они в основном связаны с фосфатом кальция, который необходим для развития костей. Концентрации кальция в молоке настолько велики, что без присутствия казеинов этот осадок будет выпадать.
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 %.
Казеины также являются благородными элементами в обработке сыра, потому что они представляют собой сыродельный компонент. Казеины также обладают интересными технологическими свойствами: эмульгирующими, пенообразующими, вязкими, гидратирующими и гелеобразующими свойствами.
Казеины представляют собой специальные белки, поскольку в отличие от большинства клеточных белков они не принимают четко определенной трехмерной глобулярной структуры после их производства. В молоке казеины образуют растворимые гетерогенные агрегаты, состоящие из полимеров различных связанных фракций казеина. Мы также находим казеины κ, которые нечувствительны к кальции и обладают гидрофильными областями.
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.
В частности, казеиномакропептид позволяет стабилизировать все казеины в растворе в виде стабильных комплексов, называемых мицеллами. Таким образом, эти мицеллы представляют собой гетерогенные комплексы казеинов. Следует отметить, что это агрегация белков, ведущих к сбоям, все отличные друг от друга, а не к упорядоченной олигомеризации субъединиц. Первоначально происходит образование мицелл, содержащих около 20 казеинов. Затем эти субмицеллы будут подвергаться более высокому уровню агрегации или они будут ассоциироваться друг с другом.
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.
Субмицеллы, содержащие мало или вообще не являющиеся казеином, являются наиболее гидрофобными, они легко и быстро объединяются между ними и находятся в центре мицеллы. Субъединицы, богатые κ-казеином, более гидрофильные и располагаются на периферии мицеллы, контактирующей с сывороткой.
Мицелла затем остается связанной электростатическими силами среды, приложенной к казеинам κ, которые составляют внешнюю оболочку, который ограничивает размер и предотвращает осаждение мицелл. В этой сложной мицеллярной системе оказывается, что фосфат кальция действует как связующее вещество между чувствительными к кальцину казеинами в мицеллах и мицеллах.
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.
Схематическое изображение процесса образования гетерогенной мицеллы казеина. Форма мицелл субсферическая: их средний диаметр колеблется от 30 до 300 мкм и дает белый цвет молоку. Результат гидрофобных и ионных взаимодействий и отталкиваний в казеинах делает их относительно стабильными в естественных условиях в молоке. Однако мицеллы могут быть дестабилизированы кислотными или ферментативными средствами, что вызывает коагуляцию молока.
Эти казеины будут коагулировать со своими субстратами, образуя таким образом большие, высокостабильные комплексы, имеющие характеристику оставшегося растворимого. Поэтому их активность молекулярного шаперона не может быть обусловлена конформационным свойством.
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.
Действительно, термическая обработка позволяет сделать их осадки и, таким образом, восстановить их. В сырной технологии сыворотка и, следовательно, растворимые белки в значительной степени устраняются во время дренажа, в зависимости от используемых технологий. Они также характеризуются сильным сродством к воде, которое придает им оригинальные функциональные свойства, такие как увлажняющая и обильная энергия.
Наиболее распространенным белком в сыворотке является β-лактоглобулин, на долю которого приходится около 60% белка молочной сыворотки, но только 10% от общего белка коровьего молока, что примерно в 8 раз меньше, чем казеин. Однако его роль неизвестна, но есть подозрение в полезности в регулировании активности молочных желез и особенно в стимуляции перигустических липаз у молодых млекопитающих с целью облегчения переваривания молочных липидов.
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.
Вторым наиболее распространенным белком в сыворотке является α-лактальбумин, на который приходится 13% белка сыворотки, но только 2% от общего белка коровьего молока. Его роль имеет первостепенное значение и хорошо известна. Он участвует в синтезе лактозы, а точнее, он влияет на активность галактозилтрансферазы и ускоряет перенос галактозы на глюкозу, образуя таким образом лактозу.
Помимо этих белков, сывороточный альбумин крупного рогатого скота можно выделить из сыворотки. Наконец, иммуноглобулины также обнаруживаются в небольших количествах. Они не производятся в молочных железах, но активно вводятся специфическими мембранными транспортерами. Эти иммуноглобулины важны и служат для дополнения иммунной системы молодых млекопитающих до тех пор, пока они не смогут синтезировать свои собственные антитела.
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.
Это сложный процесс, при котором под влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, действия кислот, щелочей, ультразвука и др.) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы, т. е. нативной (естественной) пространственной структуры. Первичная структура, а следовательно, и химический состав белка не меняются. При кулинарной обработке денатурацию белков чаще всего вызывает нагревание. Процесс этот в глобулярных и фибриллярных белках происходит по-разному.
В глобулярных белках при нагревании усиливается тепловое движение полипептидных цепей внутри глобулы водородные связи, которые удерживали их в определенном положении, разрываются и полипептидная цепь развертывается, а затем сворачивается по-новому. При этом полярные (заряженные) гидрофильные группы, расположенные на поверхности глобулы и обеспечивающие ее заряд и устойчивость, перемещаются внутрь глобулы, а на поверхность ее выходят реакционноспособные гидрофобные группы (дисульфидные, сульфгидрильные и др.), не способные удерживать воду.
Денатурация сопровождается изменениями важнейших свойств белка:
потерей индивидуальных свойств (например, изменение окраскимяса при его нагревании вследствие денатурации миоглобина);
потерей биологической активности (например, в картофеле, грибах, яблоках и ряде других растительных продуктов содержатся ферменты, вызывающие их потемнение, при денатурации белки-ферменты теряют активность);
повышением атакуемости пищеварительными ферментами (как правило, подвергнутые тепловой обработке продукты, содержащие белки, перевариваются полнее и легче);
потерей способности к гидратации (растворению, набуханию);
потерей устойчивости белковых глобул, которая сопровождается их агрегированием (свертыванием, или коагуляцией, белка).
Агрегирование - это взаимодействие денатурированных молекул белка, которое сопровождается образованием более крупных частиц. Внешне это выражается по-разному в зависимости от концентрации и коллоидного состояния белков в растворе. Так, в малоконцентрированных растворах (до 1%) свернувшийся белок образует хлопья (пена на поверхности бульонов). В более концентрированных белковых растворах (например, белки яиц) при денатурации образуется сплошной гель, удерживающий всю воду, содержащуюся в коллоидной системе.
Белки, представляющее собой более или менее обводненные гели (мышечные белки мяса, птицы, рыбы; белки круп, бобовых, муки после гидратации и др.), при денатурации уплотняются, при этом происходит их дегидратация с отделением жидкости в окружающую среду. Белковый гель, подвергнутый нагреванию, как правило, имеет меньшие объем, массу, большие механическую прочность и упругость по сравнению с исходным гелем нативных (натуральных) белков. Скорость агрегирования золей белка зависит от рН среды. Менее устойчивы белки вблизи изоэлектрической точки.
Для улучшения качества блюд и кулинарных изделий широко используют направленное изменение реакции среды. Так, при мариновании мяса, птицы, рыбы перед жаркой; добавлении лимонной кислоты или белого сухого вина при припускании рыбы, цыплят; использовании томатного пюре при тушении мяса и др. создают кислую среду со значениями рН значительно ниже изоэлектрической точки белков продукта. Благодаря меньшей дегидратации белков изделия получаются более сочными.
Фибриллярные белки денатурируют иначе: связи, которые удерживали спирали их полипептидных цепей, разрываются, и фибрилла (нить) белка сокращается в длину. Так денатурируют белки соединительной ткани мяса и рыбы.
