Vlastnosti a funkce bílkovin

Struktura a vlastnosti proteinů se mohou měnit pod vlivem různých fyzikálně-chemických faktorů: působením koncentrovaných kyselin a zásad, těžkých kovů, teplotních změn atd. Některé z proteinů snadno mění svou strukturu pod vlivem různých faktorů, jiné jsou odolné na takové vlivy. Hlavní vlastnosti proteinu jsou denaturace, renaturace a destrukce.

Denaturace

Denaturace - Jedná se o proces narušení přirozené struktury proteinu při zachování peptidových vazeb (primární struktura). Možná nevratné proces. Pokud však v prvních fázích ustane působení negativních faktorů, může protein obnovit svůj normální stav, to znamená, že dojde k reverzní denaturaci - renaturaci.

Renaturace

Renaturace je schopnost proteinu obnovit svou normální strukturu po eliminaci působení negativních faktorů. Výkon některých funkcí - motorické, signální, katalytické atd. - je u živých organismů spojen s částečnou reverzní denaturací bílkovin.

Zničení

Zničení je proces destrukce primární struktury proteinu. Vždy jde o nevratný proces.

Funkce proteinů

Proteiny plní tyto hlavní funkce:

1. Strukturální (stavební). Jsou součástí membrán, mikrotubulů a mikrofilament, které fungují jako cytoskelet. Vazby obsahují protein elastin, vlasy, nehty a peří protein keratin, chrupavky a šlachy obsahují protein kolagenu, kosti obsahují protein osein.
2. Ochranný. Lymfocyty produkují specializované proteiny – protilátky, které jsou schopny rozpoznat a neutralizovat bakterie, viry, proteiny tělu cizí. Proteiny fibrin, tromboplastin a trombin se podílejí na procesech srážení krve. Zabraňují výrazné ztrátě krve. V reakci na napadení patogeny rostliny také syntetizují řadu obranných proteinů.
3. Signál. Zajišťuje selektivní vstřebávání určitých látek buňkou a přispívá k její ochraně. Jednotlivé komplexní proteiny buněčných membrán jsou přitom schopny rozpoznat určité chemické sloučeniny a reagovat na ně. Vážou se na ně nebo mění jejich strukturu a přenášejí signály o těchto látkách do jiných částí membrány nebo hluboko do buňky.

1. Motor (stahovací). Poskytují schopnost buňky pohybovat se, měnit tvar. Například kontraktilní proteiny aktin a myosin fungují v kosterním svalstvu a mnoha dalších buňkách. Mikrotubuly řasinek a bičíků eukaryotických buněk obsahují protein tubulin.
2. Regulační. Jsou to hormony bílkovinné povahy u zvířat, které regulují růst, pubertu, sexuální cykly, změny v kůži atd. Některé bílkoviny regulují metabolickou aktivitu.
3. Doprava. Proteiny transportují anorganické ionty, plyny (kyslík, oxid uhličitý), specifické organické látky. Transportní proteiny se nacházejí v buněčných membránách, v červených krvinkách atd. V krvi jsou transportní proteiny, které rozpoznávají a vážou určité hormony a přenášejí je do určitých buněk. Například hemocyanin (modrý protein) u bezobratlých, hemoglobin u obratlovců přenáší kyslík.
4. Rezervovat. Mohou být uloženy v endospermu semen mnoha rostlin (v obilovinách od 15-25%, luštěninách - až 45%), ve vejcích ptáků, plazů atd.
5. Výživný. Embryo semene některých rostlin spotřebovává v prvních fázích vývoje bílkoviny, které jsou uloženy v rezervě.
6. Energie. Při štěpení bílkovin se uvolňuje energie. Aminokyseliny, které vznikly při štěpení bílkovin, se buď využívají k biosyntéze bílkovin potřebných pro tělo, nebo se rozkládají za účelem uvolnění energie. Při úplném odbourání 1 g bílkovin se uvolní v průměru 17,2 kJ energie. Bílkoviny jako zdroj energie se však využívají velmi zřídka, hlavně při vyčerpání zásob sacharidů a tuků.
7. Enzymatické (katalytické). Tuto funkci plní proteiny – enzymy, které urychlují biochemické reakce v těle.
8. Funkce proti zamrznutí. Krevní plazma některých živých organismů obsahuje bílkoviny, které brání jejímu zamrzání při nízkých teplotách.

Některé organismy žijící v horkých podmínkách mají bílkoviny, které nedenaturují ani při teplotě +50…90 °C.

Některé proteiny tvoří složité komplexy s pigmenty, nukleovými kyselinami.

Denaturace bílkovin- jedná se o narušení přirozené prostorové struktury molekuly proteinu pod vlivem různých vnějších vlivů, doprovázené změnou jejich fyzikálně-chemických a biologických vlastností. V tomto případě jsou narušeny sekundární a terciární struktury molekuly proteinu, zatímco primární je zpravidla zachována.

K denaturaci bílkovin dochází při zahřívání a zmrazování potravinářských výrobků pod vlivem různých záření, kyselin, zásad, ostrých mechanických vlivů a dalších faktorů.

Během denaturace bílkovin dochází k následujícím hlavním změnám:

Rozpustnost bílkovin prudce klesá;

Ztráta biologické aktivity, schopnosti hydratace a druhové specifičnosti;

Zlepšuje útok proteolytických enzymů;

Zvyšuje se reaktivita proteinů;

Dochází k agregaci proteinových molekul;

Náboj molekuly proteinu je nulový.

Ztráta biologické aktivity proteinů v důsledku tepelné denaturace vede k inaktivaci enzymů a smrti mikroorganismů.

V důsledku ztráty druhové specifičnosti proteiny se nutriční hodnota produktu nesnižuje.

Zvažte nejběžnější tepelnou denaturaci proteinových molekul, doprovázenou destrukcí slabých příčných vazeb mezi polypeptidovými řetězci a oslabením hydrofobních a jiných interakcí mezi proteinovými řetězci. V důsledku toho se mění konformace polypeptidových řetězců v molekule proteinu. Například fibrilární proteiny mění svou elasticitu, u globulárních proteinů se proteinové globule rozvinou s následným svinutím do nového typu. Pevné (kovalentní) vazby molekuly proteinu se v tomto případě nepřeruší. Globulární proteiny mění rozpustnost, viskozitu, osmotické vlastnosti a elektroforetickou pohyblivost.

Každý protein má specifickou teplotu denaturace (t). Pro rybí proteiny t = 30 0С, vaječný bílek t = 55 0С, maso t = 55…60 0С atd.

Při hodnotách pH blízkých izoelektrolytickému bodu proteinu dochází k denaturaci při nižší teplotě a je doprovázena maximální dehydratací proteinu. Posun pH média přispívá ke zvýšení tepelné stability proteinů.

Směrové změny pH média jsou široce používány v technologii ke zlepšení kvality potravin. Takže při dušení masa, ryb, marinování se před smažením přidávají kyseliny, víno nebo jiné kyselé koření, aby se vytvořilo kyselé prostředí s hodnotami pH pod izoelektrickým bodem bílkovin produktu. Za těchto podmínek klesá dehydratace bílkovin ve výrobcích a hotový pokrm je šťavnatější.

Teplota denaturace bílkovin se zvyšuje v přítomnosti jiných, termostabilnějších bílkovin a některých nebílkovinných látek, jako je sacharóza.

K denaturaci některých bílkovin může dojít bez viditelných změn v roztoku bílkovin (například mléčný kasein). Vařené potraviny mohou obsahovat některé nativní, nedenaturované bílkoviny, včetně určitých enzymů.

Denaturované proteiny jsou schopny vzájemné interakce. Při agregaci díky mezimolekulárním vazbám mezi denaturovanými molekulami bílkovin vznikají jak silné např. disulfidové vazby, tak slabé např. vodíkové vazby.

Při agregaci se tvoří větší částice. Například při vaření mléka se srážejí vločky denaturovaného laktoalbuminu, na povrchu masových a rybích vývarů se tvoří vločky a pěna z bílkovin.

Při denaturaci bílkovin v koncentrovanějších roztocích bílkovin vzniká v důsledku jejich agregace rosol, který zadržuje veškerou vodu obsaženou v systému.

Hlavní denaturační změny ve svalových bílkovinách jsou dokončeny při dosažení 65 0C, kdy je denaturováno více než 90 % z celkového množství bílkovin. Při t = 70 0C začíná denaturace myoglobinu a hemoglobinu provázená oslabením vazby mezi globinem a hemem, který se následně odštěpí a oxidací změní barvu, v důsledku čehož se barva masa stává hnědošedou. .

Při zahřívání masa dochází u proteinů pojivové tkáně k významným denaturačním změnám. Zahřívání kolagenu ve vlhkém prostředí na t = 58...62 0C způsobí jeho „svaření“, které oslabí a přeruší část vodíkových vazeb, které drží polypeptidové řetězce v trojrozměrné struktuře. Polypeptidové řetězce se přitom ohýbají a kroutí, vznikají mezi nimi nové vodíkové vazby, které mají náhodný charakter. V důsledku toho se kolagenová vlákna zkracují a houstnou.

Kolagen vystavený tepelné denaturaci se stává pružnějším a savým, jeho pevnost se výrazně snižuje. Zvyšuje se také reaktivita kolagenu, který se stává dostupnější pro působení pepsinu a trypsinu, což zvyšuje jeho stravitelnost. Všechny tyto změny jsou tím větší, čím vyšší je teplota a delší ohřev.

denaturace- významné změny přirozených vlastností látky pod vlivem chemických nebo fyzikálních vlivů. Termín "denaturace" se obvykle používá pro proteiny (viz). Porušení nativní unikátní struktury vlivem zvýšení teploty, vysokého hydrostatického tlaku, ultrazvuku, ionizujícího záření, prudkých posunů pH, přidání nějaké chemikálie. látky, které ruší nekovalentní vazby (např. močovina, guanidinové soli, trifluoroctová nebo trichloroctová na-t), se nazývá obecný termín "denaturace bílkovin". Nativní molekula proteinu je charakterizována vnitřním řádem, podporovaným systémem nekovalentních vazeb mezi četnými strukturními prvky. U D. je taková pořádnost porušena. Kovalentní (chemické) vazby v molekule proteinu nejsou během D. ovlivněny a primární struktura proteinu je zachována. Struktury vyšších řádů - sekundární nebo terciární - jsou porušovány zcela nebo ve velké míře. Změna nativního stavu molekul, podobně jako u D. proteinů, je známá i u nukleových kyselin (viz).

Biologicky aktivní proteiny - enzymy, protilátky atd. - jsou inaktivovány během D.. Důvodem je to, že v průběhu D. aktivních center - přesně organizovaných míst bílkovinných molekul, které jsou přímo zodpovědné za odpovídající biol, dochází k narušení funkce. Phys.-chem. změny provázející D. souvisejí i s narušením uspořádané struktury bílkoviny. Takže u D. jsou spirálovitá místa polypeptidového řetězce porušena (v různé míře), což je fixováno odpovídajícími spektropolarimetrickými posuny. Přechod proteinového polypeptidového řetězce z hustě sbaleného do neuspořádaného a pohyblivého stavu způsobuje změnu viskozity a dalších hydrodynamických vlastností jejich roztoků. Ve stavu D., kdy se polypeptidový řetězec stává mobilnějším, celková reaktivita chemikálie. skupin přibývá. Netitrovatelný (tj. nereaktivní) sulfhydryl (SH-) a některé další skupiny přítomné v mnoha nativních proteinech jsou obvykle titrovány po D. Interakce proteinů s určitými barvivy se dramaticky zvyšuje v důsledku D. V důsledku zvýšené dostupnosti a zvýšit reaktivitu různých chem. skupiny na D. velmi silně roste stupeň interakce mezi samostatnými bílkovinnými molekulami. V denaturovaném stavu proteiny snadno agregují, tj. denaturované proteiny se snadno vysrážejí, koagulují nebo latinizují. Pro uchování bílkoviny v rozpuštěném stavu po D. je nutné použít solubilizační látky - detergenty (viz), močovinu atp.

D. bílkovin je obvykle doprovázeno výrazným zvýšením obsahu tepla a entropie (viz Termodynamika), i když tyto změny závisí na podmínkách prostředí. V nejjednodušších případech systém v D. zjevně obsahuje pouze dvě formy proteinu - nativní a zcela denaturované. Jak D. postupuje, protein přechází z jedné formy do druhé bez jakékoli patrné tvorby jakýchkoli intermediárních forem, a proto celý denaturační přechod molekuly proteinu probíhá jako jediný skok. V jiných případech ukazuje kinetika denaturace vznik několika relativně stabilních nepřirozených forem proteinu během reakce, což odpovídá složitějšímu přechodovému schématu. Pokud ale během D. projde molekula proteinu několika konformačními přeměnami, pak je každá z nich kooperativní, to znamená, že zahrnuje velké množství vzájemně závislých reakcí, spočívajících ve vytváření a štěpení nekovalentních vazeb.

V minulosti byl D. považován za nevratný proces, jako přechod bílkoviny do stavu s minimální hladinou volné energie. Nyní je dobře známo, že D. je reverzibilní.

Příručka chemika 21

Hrozící nevratnost totiž vzniká, jak se ukázalo, průvodními reakcemi - agregace proteinů, oxidace SH skupin s tvorbou nových disulfidových (S-S) vazeb atd. Pokud jsou tyto reakce dostatečně vyloučeny, pak tendence k tzv. protein k návratu do nativního stavu (renaturace) se projeví ihned po ukončení působení denaturačního činidla.

Je-li D. v podstatě tělesný. uspořádanost přechodu - porucha, pak se biol zřetelně projevuje v renaturaci, rysem bílkovin je schopnost samoorganizace, cestu k rojení určuje struktura polypeptidového řetězce, tedy dědičná informace. V podmínkách živé buňky je tato informace pravděpodobně rozhodující pro přeměnu neuspořádaného polypeptidového řetězce během nebo po jeho biosyntéze na ribozomu na molekulu nativního proteinu.

Bibliografie: Belitser V. A. Makrostruktura a denaturační transformace proteinů, Ukr. biochem., zhurn., v. 24, c. 2, str. 290, 1962, bibliogr.; Zh o l a M. Fyzikální chemie denaturace proteinů, pruh s angl. z angličtiny, M., 1968, bibliografie; Pt-ts y N O. B. Fyzikální principy samoorganizace proteinových řetězců, Usp. moderní, biol., v. 69, c. 1, str. 26, 1970, bibliogr.; Anfinsen S. V. Tvorba a stabilizace proteinové struktury, Biochem. J., v. 128, str. 737, 1972, bibliogr.; Anfinsen G. B. a. Scheraga H. A. Experimentální a teoretické aspekty skládání proteinů, Advanc. Protein Chem., v. 29, str. 205, 1975, bibliogr.; Morawetz H. Rychlost konformačních přechodů v biologických makromolekulách a jejich analogech, tamtéž, v. 26, str. 243, 1972, bibliogr.

V. A. Belitzer.

Denaturace bílkovin

Denaturace- jedná se o narušení přirozené prostorové struktury molekuly proteinu pod vlivem vnějších vlivů.

Mezi takové vnější vlivy patří zahřívání (tepelná denaturace); třepání, šlehání a jiné ostré mechanické efekty (denaturace povrchu); vysoká koncentrace vodíkových nebo hydroxidových iontů (kyselá nebo alkalická denaturace); intenzivní dehydratace při sušení a zmrazování produktů atd.

Pro technologické postupy výroby produktů veřejného stravování má největší praktický význam tepelná denaturace bílkovin. Při zahřívání proteinů se zvyšuje tepelný pohyb atomů a polypeptidových řetězců v molekulách proteinů, v důsledku čehož dochází k destrukci tzv. slabých příčných vazeb mezi polypeptidovými řetězci (například vodíkových) a hydrofobním a jiným interakcím mezi postranní řetězce jsou také oslabeny. V důsledku toho se mění konformace polypeptidových řetězců v molekule proteinu. V globulárních proteinech se proteinové globule rozvinou a následně se složí do nového typu; při takovém přesmyku nedochází k porušení pevných (kovalentních) vazeb molekuly proteinu (peptidu, disulfidu). Tepelnou denaturaci kolagenového fibrilárního proteinu lze znázornit jako tání, protože v důsledku destrukce velkého počtu příčných vazeb mezi polypeptidovými řetězci jeho fibrilární struktura mizí a kolagenová vlákna se mění na souvislou sklivcovou hmotu.

Při molekulárním přeskupování proteinů při denaturaci má aktivní roli voda, která se podílí na tvorbě nové konformační struktury denaturovaného proteinu. Zcela dehydratované proteiny izolované v krystalické formě jsou velmi stabilní a nedenaturují ani při dlouhodobém zahřívání na teplotu 100 °C a vyšší. Denaturační účinek vnějších vlivů je tím silnější, čím vyšší je hydratace bílkovin a čím nižší je jejich koncentrace v roztoku.

Denaturaci provázejí změny nejdůležitějších vlastností proteinu: ztráta biologické aktivity, druhová specifita, schopnost hydratace (rozpouštění, bobtnání); zlepšený účinek proteolytických enzymů (včetně trávicích); zvýšení reaktivity proteinů; agregace proteinových molekul.

Ztráta biologické aktivity proteinů v důsledku jejich tepelné denaturace vede k inaktivaci enzymů obsažených v rostlinných a živočišných buňkách a také ke smrti mikroorganismů, které vstupují do produktů při jejich výrobě, přepravě a skladování. Obecně je tento proces hodnocen kladně, protože hotový produkt, pokud nedojde k jeho opětovné kontaminaci mikroorganismy, může být skladován po relativně dlouhou dobu (v chlazené nebo zmrazené formě).

V důsledku ztráty druhové specifičnosti proteiny se nutriční hodnota produktu nesnižuje. V některých případech se této vlastnosti proteinů využívá k řízení technologického procesu. Například změnou barvy chromoproteinu masa – myoglobinu z červené na světle hnědou se posuzuje kulinářská připravenost většiny masitých pokrmů.

Ztráta schopnosti proteinů hydratovat se vysvětluje tím, že při změně konformace polypeptidových řetězců se na povrchu molekul proteinů objevují hydrofobní skupiny a ty hydrofilní jsou blokovány v důsledku tvorby intramolekulárních vazeb.

Zlepšení hydrolýzy denaturovaného proteinu proteolytickými enzymy, zvýšení jeho citlivosti na řadu chemických činidel se vysvětluje tím, že v nativním proteinu jsou peptidové skupiny a mnohé funkční (reaktivní) skupiny stíněny vnějším hydratačním obalem nebo jsou umístěny uvnitř proteinu globule a tím chráněna před vnějšími vlivy.

Při denaturaci se tyto skupiny objevují na povrchu molekuly proteinu.

Agregace - jedná se o interakci denaturovaných proteinových molekul, v důsledku čehož se vytvářejí mezimolekulární vazby, jak silné, například disulfidové, tak četné slabé.

Důsledkem agregace molekul bílkovin je vznik větších částic. Důsledky další agregace proteinových částic jsou různé v závislosti na koncentraci proteinu v roztoku. V roztocích s nízkou koncentrací se tvoří proteinové vločky, které se srážejí nebo vyplavují na povrch kapaliny (často s tvorbou pěny). Příkladem tohoto typu agregace je srážení vloček denaturovaného laktoalbuminu (při vaření mléka), tvorba vloček a pěny z bílkovin na povrchu masových a rybích vývarů. Koncentrace bílkovin v těchto roztocích nepřesahuje 1 %.

Při denaturaci bílkovin v koncentrovanějších roztocích bílkovin vzniká v důsledku jejich agregace souvislé želé, které zadržuje veškerou vodu obsaženou v systému. Tento typ agregace bílkovin je pozorován při tepelném zpracování masa, ryb, vajec a různých směsí na jejich bázi. Optimální koncentrace proteinu, při které proteinové roztoky tvoří za podmínek zahřívání pevné želé, není známa. Vezmeme-li v úvahu, že schopnost proteinů tvořit gely závisí na konfiguraci (asymetrii) molekul, je třeba předpokládat, že uvedené koncentrační limity jsou pro různé proteiny různé.

Proteiny ve stavu více či méně zalitých rosolů se při tepelné denaturaci zhutňují, tzn. k jejich dehydrataci dochází oddělením kapaliny do prostředí. Želé vystavené zahřívání má zpravidla nižší objem, hmotnost, plasticitu, jakož i zvýšenou mechanickou pevnost a větší elasticitu ve srovnání s původním želé nativních proteinů. Tyto změny jsou také důsledkem agregace denaturovaných proteinových molekul. Reologické vlastnosti takto zhutněných želé závisí na teplotě, pH média a době zahřívání.

K denaturaci bílkovin v želé, doprovázené jejich zhutněním a oddělením vody, dochází při tepelné úpravě masa, ryb, vaření luštěnin a pečení výrobků z těsta.

Každý protein má specifickou teplotu denaturace. V potravinářských výrobcích a polotovarech je obvykle zaznamenána nejnižší úroveň teploty, při které začínají viditelné denaturační změny u nejlabilnějších proteinů. Například pro rybí bílkoviny je tato teplota asi 30 C, vaječný bílek - 55 C.

Při hodnotách pH blízkých izoelektrickému bodu proteinu dochází k denaturaci při nižší teplotě a je doprovázena maximální dehydratací proteinu. Posun pH média jedním nebo druhým směrem od izoelektrického bodu proteinu přispívá ke zvýšení jeho tepelné stability. Tak globulin X izolovaný ze svalové tkáně ryb, který má izoelektrický bod při pH 6,0, denaturuje při 50 °C v mírně kyselém prostředí (pH 6,5) a při 80 °C v neutrálním (pH 7,0).

Reakce média také ovlivňuje stupeň dehydratace bílkovin v želé při tepelném zpracování produktů. Usměrněná změna reakce okolí je v technologii široce využívána ke zlepšení kvality pokrmů.

Co je denaturace bílkovin

Při dušení drůbeže, ryb, dušení masa, marinování masa a ryb se tedy před smažením přidává kyselina, víno nebo jiné kyselé koření, aby se vytvořilo kyselé prostředí s hodnotami pH, které jsou výrazně nižší než izoelektrický bod bílkovin produktu. Za těchto podmínek se sníží dehydratace bílkovin v želé a hotový výrobek je šťavnatější.

V kyselém prostředí kolagen masa a ryb bobtná, klesá jeho denaturační teplota, zrychluje se přechod na glutin, v důsledku čehož je hotový výrobek křehčí.

Teplota denaturace bílkovin stoupá v přítomnosti jiných, termostabilnějších bílkovin a některých látek nebílkovinné povahy, jako je sacharóza. Této vlastnosti proteinů se využívá, když je během tepelného zpracování nutné zvýšit teplotu směsi (například pro účely pasterizace), aby se zabránilo denaturaci proteinu. K tepelné denaturaci některých bílkovin může dojít bez viditelných změn v roztoku bílkovin, což je pozorováno např. u mléčného kaseinu.

Vařené potraviny mohou obsahovat více či méně nativní, nedenaturované bílkoviny, včetně některých enzymů.

Předchozí12345678910111213141516Další

UKÁZAT VÍCE:

Labilita prostorové struktury bílkovin a jejich denaturace. Faktory způsobující denaturaci.

Labilita proteinů je tendence k mírným změnám v konformaci v důsledku porušení některých a vytvoření jiných slabých vazeb. Konformace proteinu se může změnit, když se změní chemické a fyzikální vlastnosti média, stejně jako když protein interaguje s jinými molekulami. V tomto případě dochází ke změně prostorové struktury nejen místa v kontaktu s jinou molekulou, ale i konformace jako celku.

Denaturace je ztráta přirozené konformace proteinu se ztrátou specifické funkce proteinu. K tomu dochází, když se četné, ale slabé vazby v molekule proteinu pod vlivem různých faktorů rozbijí. NICMÉNĚ! Během denaturace nedochází k přerušení peptidových vazeb, primární struktura BUDE ... ŽÍT ...

Jaké faktory mohou denaturovat protein? Četné.
1. Teplo, více než 50 stupňů Celsia. Tepelný pohyb se zvyšuje, vazby se lámou.
2. Intenzivní setřesení roztoku kdy dochází ke kontaktu s prostředím vzduchu a dochází ke změně konformace molekul.
3. organická hmota(ethylalkohol, fenol atd.) schopné interakce s funkčními skupinami aminokyselin, což vede, hádejte správně!, ke změně konformace.
3. kyseliny A alkálie změny pH média vedou k redistribuci vazeb v proteinu.
4. Soli těžkých kovů, tvoří silné vazby s funkčními skupinami, mění aktivitu a konformaci.
5. Čistící prostředky(mýdlo) - obsahující hydrofobní uhlovodíkový radikál a hydrofilní funkt. skupina. Hydrofobní oblasti proteinu a detergentu se nacházejí ve složitém světě roztoku a mění konformaci proteinu, ale neusazují se, protože jsou podporovány hydrofilními oblastmi detergentu.

14. Chaperony jsou třídou proteinů, které chrání jiné proteiny před denaturací v buněčných podmínkách a usnadňují tvorbu jejich přirozené konformace.

Asistenti- proteiny, které se mohou vázat na jiné proteiny, které jsou v nestabilním stavu náchylném k agregaci. Jsou schopny poskytnout svou konformaci, poskytující skládání proteinů.

Jsou klasifikovány následovně - podle molekulové hmotnosti do 6 hlavních skupin:
1. vysoká molekulová hmotnost s molekulovou hmotností 100 až 110 kD.
2.

Denaturace bílkovin

Sh-90, od 83 do 90 kD.
3. Sh-70, od 66 do 78 kD.
4. Sh-60.
5. Sh-40.
6. Nízkomolekulární chaperony od 15 do 30 kD.

Mezi doprovody patří:
1. Konstitutivní, jejich počet je v buňce konstantní, bez ohledu na vnější vlivy na ni.
2. indukovatelný, proteiny tepelného šoku, jejichž rychlá syntéza je zaznamenána téměř ve všech buňkách, které jsou vystaveny jakémukoli stresu.

Chaperonový komplex má vysokou afinitu k proteinům, na jejichž povrchu jsou prvky charakteristické pro nesložené molekuly. Jakmile je v dutině chaperonového komplexu, protein se váže na hydrofobní radikály apikálních oblastí III-60. Ve specifickém prostředí této dutiny, ve výčtu možných konformací proteinů, dokud není nalezena jediná, energeticky nejvýhodnější konformace.

15. Rozmanitost proteinů. Globulární a fibrilární proteiny, jednoduché a složité. Klasifikace proteinů podle jejich biologických funkcí a rodin: (serinové proteázy, imunoglobuliny).

KLASIFIKACE PROTEINŮ PODLE FORMY MOLEKUL

Toto je jedna z nejstarších klasifikací, která rozděluje proteiny do 2 skupin: kulovitý A fibrilární. Mezi globulární proteiny patří proteiny, jejichž poměr podélné a příčné osy nepřesahuje 1:10, častěji je 1:3 nebo 1:4, tzn. molekula proteinu má tvar elipsy. Většina jednotlivých lidských proteinů je označována jako globulární proteiny. Mají kompaktní strukturu a mnohé z nich jsou díky odstraňování hydrofobních radikálů uvnitř molekuly vysoce rozpustné ve vodě. Ilustrativní příklady struktury a fungování globulárních proteinů jsou myoglobin a hemoglobiny diskutované výše.

fibrilární proteiny mají protáhlou, vláknitou strukturu, ve které je poměr podélné a příčné osy více než 1:10. Fibrilární proteiny zahrnují kolageny, elastin, keratin, které plní v lidském těle strukturální funkci, dále myozin, který se podílí na svalové kontrakci, a fibrin, protein systému srážení krve. Na příkladu kolagenů a elastinu budeme zvažovat strukturální vlastnosti těchto proteinů a vztah mezi jejich strukturou a funkcí.

KLASIFIKACE PROTEINŮ PODLE CHEMICKÉ STRUKTURY

Jednoduché proteiny

Některé proteiny obsahují pouze polypeptidové řetězce sestávající z aminokyselinových zbytků. Říká se jim „jednoduché proteiny“. Příkladem jednoduchých proteinů jsou hlavní proteiny chromatinu – histony; obsahují mnoho aminokyselinových zbytků lysinu a argininu, jejichž radikály mají kladný náboj. Protein elastinu extracelulární matrice diskutovaný výše je také označován jako jednoduché proteiny.

Komplexní proteiny

Mnohé proteiny však kromě polypeptidových řetězců obsahují obsahuje nebílkovinnou část připojené k proteinu slabými nebo kovalentními vazbami. Neproteinovou část mohou představovat ionty kovů, libovolné organické molekuly s nízkou nebo vysokou molekulovou hmotností. Takové proteiny se nazývají "komplexní proteiny". Neproteinová část pevně vázaná na protein se nazývá protetická skupina..

Protetická skupina může být zastoupena látkami různé povahy. Například proteiny připojené k hemu se nazývají hemoproteiny. Složení hemoproteinů, kromě již výše diskutovaných proteinů hemoglobinů a myoglobinu, zahrnuje enzymy - cytochromy, katalázu a peroxidázu. Hem, připojený k různým proteinovým strukturám, plní funkce charakteristické pro každý z proteinů v nich (např. přenáší O2 jako součást hemoglobinu a elektrony jako součást cytochromů).

Proteiny spojené se zbytkem kyseliny fosforečné se nazývají fosfoproteiny. Zbytky fosforu jsou připojeny esterovou vazbou k hydroxylovým skupinám serinu, threoninu nebo tyrosinu za účasti enzymů nazývaných proteinkinázy.

Proteiny často obsahují sacharidové zbytky, které dávají proteinům další specifičnost a často snižují rychlost jejich enzymatické proteolýzy. Takové proteiny se nazývají glykoproteiny. Mnoho krevních proteinů, stejně jako receptorových proteinů na buněčném povrchu, je klasifikováno jako glykoproteiny.

Proteiny, které fungují v kombinaci s lipidy, se nazývají lipoproteiny a v kombinaci s kovy - metaloproteiny.

KLASIFIKACE PROTEINŮ

FUNKCÍ

Denaturace a renaturace bílkovin

Destrukce nativní konformace je doprovázena ztrátou funkce proteinu, tj. vede ke ztrátě jeho biologické aktivity. Tento proces se nazývá denaturace. K denaturaci dochází, když se přeruší slabé vazby odpovědné za tvorbu sekundární, terciární a kvartérní struktury proteinu. Většina proteinů ztrácí svou biologickou aktivitu, když se vlastnosti média mění pod vlivem silných faktorů: v přítomnosti minerálních kyselin, zásad, při zahřívání, pod vlivem solí těžkých kovů (Ag, Pb, Hg), organických rozpouštědel. , detergenty (amfifilní sloučeniny).

U většiny proteinů je denaturace doprovázena nevratnou ztrátou jejich biologické aktivity. Jsou však známy příklady renaturace nebo reverzibilní denaturace například enzymu ribonukleázy. Ribonukleáza, globulární protein sestávající z 1 polypeptidového řetězce, když je zpracován β- merkaptoethanol podléhá denaturaci a ztrácí enzymatickou aktivitu, globule se odvíjí. Pokud se z média odstraní denaturační činidla (dialýzou), katalytická aktivita ribonukleázy se obnoví, tj. dojde k renaturaci nebo renativaci proteinu. To znamená, že ribonukleáza spontánně obnoví právě jednu variantu z mnoha možných kombinací vazeb, čímž ji vrátí do biologicky aktivní konformace.

Chaperonová ochrana proteinů in vivo

V buněčném prostředí mohou mít proteinové molekuly nestabilní konformace, jsou v nestabilním stavu, náchylné k agregaci a denaturaci. Renaturace proteinů v buněčných podmínkách je obtížná. Ale v těle existují speciální proteiny, chaperony, které jsou schopny stabilizovat stav nestabilních proteinů, obnovit přirozenou konformaci a chránit proteiny před škodlivými účinky stresových situací.

Pokyny pro ochranu chaperonu

• Ochrana procesů syntézy proteinů a tvorby trojrozměrné biologicky aktivní konformace.

Prostorová struktura proteinu (sekundární a terciární) se tvoří v procesu translace (syntéza proteinu), jak roste polypeptidový řetězec. V podmínkách buněčného prostředí s vysokou koncentrací reaktivních biomolekul je však samostatné skládání polypeptidového řetězce v prostoru obtížné.

Volba nativní konformace syntetizovaného proteinu je zajištěna chaperonové proteiny.

Ve fázi syntézy se chaperony-70 (s molekulovou hmotností přibližně 70 kDa) vážou svými hydrofobními aminokyselinovými radikály na hydrofobní oblasti rostoucího proteinového řetězce a chrání je před vnějšími interakcemi.

Konečná fáze tvorby trojrozměrné prostorové struktury, tj. skládání vysokomolekulárního proteinu, se provádí uvnitř chaperonového komplexu sestávajícího ze 14 proteinových molekul chaperonů - 60, kde jsou izolovány od ostatních molekul. V buněčném prostředí nachází protein svou jedinou, nejstabilnější konformaci, která má biologickou aktivitu.

• Renaturace, obnova přirozené konformace proteinů.

Je známo, že v podmínkách buněčného prostředí může k denaturaci proteinových molekul docházet nízkou rychlostí. Návrat do aktivního konformačního stavu proteinů, tj. jejich renaturace, v buňce je komplikován skutečností, že denaturované molekuly mají nesvinuté polypeptidové řetězce, obnažená hydrofobní a jiná reaktivní místa, která vytvářejí vazby s jinými molekulami, což ztěžuje návrat. správnou prostorovou strukturu.

Chaperon-60 pomáhá obnovit nativní strukturu částečně poškozeného proteinu, který vstupuje do dutiny chaperonového komplexu, kde nejsou žádné faktory, které narušují renativaci. Po obnovení termodynamicky příznivé konformace se protein vrací do cytosolu.

Ochrana proteinů před působením škodlivých faktorů.

Takovou ochranu provádí speciální skupina chaperonů, nazývané indukovatelné, tj. jejich syntéza za normálních podmínek je nevýznamná, a když na tělo působí nadměrné faktory, prudce se zvyšuje. Do této skupiny chaperonů patří proteiny tepelného šoku, protože byly poprvé objeveny v buňkách po vystavení vysoké teplotě. Proteiny tepelného šoku, navazující se na buňky našeho těla, stíní je, zabraňují další degradaci vlivem vysoké teploty, nízké teploty, UV záření, při prudké změně pH, koncentrace látek, působením toxinů, těžkých kovů , s chemickou otravou, s hypoxií, s infekcemi a jinými stresovými situacemi.

Poruchy skládání proteinů může mít významné klinické důsledky. Priony jsou proteiny, které slouží jako templát pro narušení skládání jejich vlastních buněčných proteinů PrPc. V důsledku toho se vytvoří forma proteinu PrPSc, která obsahuje velký podíl β-struktury, je schopná tvořit velké agregáty a je odolná vůči proteolytické degradaci.

Prionová onemocnění mohou začít jako infekce (nemoc šílených krav, scrapie, Kuruova choroba) nebo jako mutace (Crutzfeldt-Jakobova choroba).

Klasifikace bílkovin

Ve složení:

Veverky

Jednoduchý komplex

aminokyseliny a nebílkovinná složka

Nebílkovinná složka komplexních bílkovin může být zastoupena různými látkami.

Vlastnosti denaturovaných proteinů, druhy denaturace

Denaturace je proces narušení vyšších úrovní organizace molekuly proteinu (sekundární, terciární, kvartérní) pod vlivem různých faktorů.

V tomto případě se polypeptidový řetězec rozvine a je v roztoku v nesložené formě nebo ve formě náhodného klubka.

Při denaturaci dochází ke ztrátě hydratačního obalu a k vysrážení proteinu a zároveň ke ztrátě nativních vlastností.

Denaturaci způsobují fyzikální faktory: teplota, tlak, mechanické vlivy, ultrazvukové a ionizující záření; chemické faktory: kyseliny, zásady, organická rozpouštědla, alkaloidy, soli těžkých kovů.

Existují 2 typy denaturace:

1. Reverzibilní denaturace - renaturace nebo reaktivace - je proces, při kterém se denaturovaný protein po odstranění denaturačních látek znovu uspořádá do své původní struktury s obnovením biologické aktivity.
2. nevratná denaturace je proces, při kterém se po odstranění denaturačních činidel neobnoví biologická aktivita.

Vlastnosti denaturovaných proteinů.

1. Zvýšení počtu reaktivních nebo funkčních skupin oproti molekule nativního proteinu (jedná se o skupiny COOH, NH2, SH, OH, skupiny postranních radikálů aminokyselin).

2. Snížení rozpustnosti a sedimentace proteinu (z důvodu ztráty hydratačního obalu), rozvinutí molekuly proteinu, s „detekcí“ hydrofobních radikálů a neutralizací nábojů polárních skupin.

3. Změna konfigurace molekuly proteinu.

4. Ztráta biologické aktivity způsobená porušením přirozené struktury.

5. Snazší štěpení proteolytickými enzymy oproti nativnímu proteinu - přechod kompaktní nativní struktury do rozložené volné formy usnadňuje přístup enzymů k peptidovým vazbám proteinu, které ničí.

Enzymatické metody hydrolýzy jsou založeny na selektivitě působení proteolytických enzymů, které štěpí peptidové vazby mezi určitými aminokyselinami.

Pepsin štěpí vazby tvořené zbytky fenylalaninu, tyrosinu a kyseliny glutamové.

Trypsin štěpí vazby mezi argininem a lysinem.

Chymotrypsin hydrolyzuje vazby tryptofanu, tyrosinu a fenylalaninu.

Hydrofobní interakce, stejně jako iontové a vodíkové vazby, patří k těm slabým, protože jejich energie jen nepatrně převyšuje energii tepelného pohybu atomů při pokojové teplotě (tj. i při této teplotě lze vazby přerušovat).

Zachování konformační charakteristiky proteinu je možné díky vzniku mnoha slabých vazeb mezi různými částmi polypeptidového řetězce.

Proteiny jsou však složeny z obrovského množství atomů, které jsou v neustálém (brownově) pohybu, což vede k malým pohybům jednotlivých úseků polypeptidového řetězce, které obvykle nenarušují celkovou strukturu proteinu a jeho funkci. V důsledku toho mají proteiny konformační labilitu - tendenci k mírným změnám v konformaci v důsledku porušení některých a vytváření jiných slabých vazeb. Konformace proteinu se může změnit, když se změní chemické a fyzikální prostředky prostředí, stejně jako když protein interaguje s jinými molekulami. V tomto případě dochází ke změně prostorové struktury nejen místa v kontaktu s jinou molekulou, ale i konformace proteinu jako celku. Konformační změny hrají obrovskou roli ve fungování proteinů v živé buňce.

Vnější faktory (změny teploty, složení solí prostředí, pH, záření) mohou způsobit narušení strukturní organizace molekuly proteinu. Proces ztráty trojrozměrné konformace vlastní dané molekule proteinu se nazývá denaturace(obr. 260). Příčinou denaturace je porušení vazeb, které stabilizují konkrétní proteinovou strukturu. Navíc ty nejslabší vazby se zpočátku trhají, a když se podmínky přitvrdí, tak ještě silnější. Proto se nejprve ztrácejí kvartérní, poté terciární a sekundární struktury. Denaturace však není doprovázena destrukcí polypeptidového řetězce. Změna prostorové konfigurace vede ke změně vlastností proteinu a ve svém důsledku znemožňuje proteinu plnit jeho biologické funkce.

Rýže. 260. Denaturace a renaturace bílkovin:

1 - proteinová molekula terciární struktury; 2 - denaturovaný protein; 3 - obnova terciární struktury v procesu renaturace.

Denaturace může být:

reverzibilní pokud je možné obnovit strukturu vlastní proteinu. Taková denaturace je vystavena například membránovým receptorovým proteinům.

nevratné pokud je obnovení prostorové konfigurace proteinu nemožné. Obvykle se to stane, když se přeruší velké množství vazeb, například při vaření vajec.

Pokud protein prošel reverzibilní denaturací, pak po obnovení normálních podmínek prostředí je schopen zcela obnovit svou strukturu, a tedy i své vlastnosti a funkce. Proces obnovy struktury proteinu po denaturaci se nazývá renaturace.

Funkce proteinů

Vzhledem ke komplexnosti, rozmanitosti forem a složení hrají bílkoviny důležitou roli v životě buňky i organismu jako celku. Jejich funkce jsou různé.

Konstrukční (konstrukční) funkce

Jedním z nejdůležitějších je stavba. Proteiny se podílejí na tvorbě buněčných a extracelulárních struktur: jsou součástí buněčných membrán, vlny, vlasů, šlach, stěn cév atd.

dopravní funkce

Některé proteiny jsou schopny vázat různé látky a přenášet je do různých tkání a orgánů těla, z jednoho místa v buňce do druhého. Například krevní bílkovina hemoglobin připojuje kyslík a transportuje jej z plic do všech tkání a orgánů a z nich oxid uhličitý přenáší do plic; Složení buněčných membrán zahrnuje speciální proteiny, které zajišťují aktivní a přísně selektivní přenos určitých látek a iontů z buňky do vnějšího prostředí a naopak.

Regulační funkce

Na regulaci metabolických procesů se podílí velká skupina tělesných bílkovin. Takovými proteiny jsou hormony – biologicky aktivní látky uvolňované do krve žlázami s vnitřní sekrecí. Ovlivňují aktivitu enzymů, čímž zpomalují nebo urychlují metabolické procesy, mění propustnost buněčných membrán, udržují stálou koncentraci látek v krvi a buňkách, podílejí se na procesech růstu, rozmnožování atd. Například hormon inzulín reguluje hladinu krevního cukru tím, že zvyšuje propustnost buněčných membrán pro glukózu, podporuje syntézu glykogenu a zvyšuje tvorbu tuků ze sacharidů.

Ochranná funkce

V reakci na průnik cizích proteinů nebo mikroorganismů (antigenů) do těla se tvoří speciální proteiny – protilátky, které je dokážou vázat a neutralizovat. K syntéze těchto proteinů, nazývaných imunoglobuliny, dochází v lymfocytech. Navíc pro téměř jakýkoli antigen, se kterým se buňka a tělo nikdy nesetkali, jsou lymfocyty schopny syntetizovat protilátky. Fibrin, tvořený z fibrinogenu, pomáhá zastavit krvácení.

funkce motoru

Speciální kontraktilní proteiny se podílejí na všech typech pohybu buněk a organismů: tvorbě pseudopodií, blikání řasinek a bití bičíků u prvoků, svalové kontrakci u mnohobuněčných živočichů, pohybu listů u rostlin atd.

Funkce signálu

Signální funkce proteinů je pro život buněk velmi důležitá. Molekuly proteinů jsou zabudovány v povrchové membráně buňky, schopné měnit svou terciární strukturu v reakci na působení faktorů prostředí. Takto jsou přijímány signály z vnějšího prostředí a přenášeny příkazy do buňky.

Funkce rezervy

Díky bílkovinám se určité látky mohou v těle ukládat do zásoby. Například při rozpadu hemoglobinu se železo nevylučuje z těla, ale je uloženo ve slezině, kde tvoří komplex s proteinem feritin. Zásobní bílkoviny zahrnují vaječné bílkoviny a mléčné bílkoviny.

energetická funkce

Proteiny jsou jedním ze zdrojů energie v buňce. Při rozkladu 1 g bílkovin na konečné produkty se uvolní 17,6 kJ. Nejprve se bílkoviny rozkládají na aminokyseliny a poté na konečné produkty – vodu, oxid uhličitý a amoniak. Bílkoviny se však používají jako zdroj energie, když se spotřebovávají ostatní (sacharidy a tuky).

katalytická funkce

Jedna z nejdůležitějších funkcí bílkovin. Složení buněk zahrnuje velké množství látek, chemicky málo aktivních. Nicméně všechny biochemické reakce probíhají obrovskou rychlostí díky účasti na nich. biokatalyzátory- enzymy - látky bílkovinné povahy.

Obecná charakteristika enzymů

Jak již bylo uvedeno výše, většina chemických reakcí v těle probíhá za účasti katalyzátorů - enzymů. Enzymy 7 - specifické proteiny přítomné ve všech živých buňkách a plnící roli biologických katalyzátorů.

Enzymy a anorganické katalyzátory jsou podobné v tom, že:

snížit aktivační energii 8 ;

neměnit směr reakce, ale pouze měnit rychlost jejího výskytu;

Katalyzovaná reakce vždy spotřebuje méně energie než nekatalyzovaná reakce.

Ale protože enzymy jsou proteiny, dává jim to zvláštní vlastnosti:

pokud lze anorganický katalyzátor použít v různých typech reakcí, pak enzymy katalyzují pouze jednu reakci nebo jeden typ reakce;

většina anorganických katalyzátorů urychluje chemické reakce při velmi vysokých teplotách, má maximální účinnost v silně kyselém nebo silně alkalickém prostředí, při vysokých tlacích a většina enzymů je aktivních při teplotách 35-45°C, fyziologické hodnoty kyselosti roztoku a za normálního atmosférického tlaku;

rychlost enzymatických reakcí je desetitisíce (a někdy i milionkrát) vyšší než rychlost reakcí s anorganickými katalyzátory. Například peroxid vodíku se bez katalyzátorů pomalu rozkládá: 2H 2 0 2 → 2H 2 0 + 0 2 . V přítomnosti solí železa (katalyzátoru) probíhá tato reakce poněkud rychleji. Enzym kataláza za 1sec. štěpí 100 tisíc H 2 0 2 molekul.

Je známo více než 2000 různých enzymů, reprezentovaných proteiny s vysokou molekulovou hmotností, například katalázou (M=252000).

Denaturaci bílkovin ve stravovacích technologiích je třeba vnímat z několika hledisek. Za prvé je to faktor, který zajišťuje realizaci konceptu kulinářské připravenosti. Za druhé, faktor, který umožňuje buď úplně zastavit enzymatickou aktivitu, nebo snížit její rychlost. Za třetí, faktor, který zajišťuje shodu s tak důležitým ukazatelem, jako je mikrobiologická bezpečnost. Za čtvrté, faktor ztráty funkčních vlastností a druhové specifičnosti proteiny. A dále s denaturací bílkovinných látek souvisí vznik konzistence, vzhled tvaru, změna barvy atd.

To znamená, že v důsledku denaturace bílkovin produkty nebo materiály obsahující bílkoviny vlivem různých faktorů ztrácejí své funkční a přirozené vlastnosti a také procesy denaturace ovlivňují poskytování vysoké úrovně kvality produktu.

Schopnost proteinů denaturovat je důležitou a jedinečnou vlastností proteinů. Denaturací se rozumí ztráta jejich přirozených (fyzikálně-chemických, biologických) vlastností proteiny v důsledku změn jejich jedinečné struktury pod vlivem různých faktorů. Mnoho technologických faktorů – vysoká či nízká teplota, různá záření, výrazné změny pH, iontové síly, změny koloidní rovnováhy, intenzivní mechanické namáhání a další povrchové efekty, fermentace, proteolýza, chemikálie a modifikace, vliv času – způsobují denaturaci bílkovin. V tomto případě jsou narušeny kvartérní, terciární a sekundární struktury proteinů, které jsou na účinky nejcitlivější. Primární zpravidla není ovlivněno. Ale pod vlivem chemických faktorů - chemická modifikace, například anhydridy kyselin, oxidace, redukce, plastická reakce, enzymatická modifikace - je také možné porušení na úrovni primární struktury.

Typickým důsledkem denaturace jednoduchých proteinů je jejich komplexace s jinými proteiny a organickými sloučeninami a u oligomerů jejich rozpad na podjednotky. Polypeptidové řetězce získávají při denaturaci jinou konfiguraci, která se liší od jediné možné, která je vlastní molekule nativního proteinu: řetězce se zpravidla rozvinou tak, že se na jejich povrchu hromadí značné množství hydrofobních skupin, což zhoršuje jejich afinitu k vodě. Objevení se na povrchu radikálů nebo funkčních skupin dříve skrytých proteinovou konformací mění fyzikálně-chemické vlastnosti proteinů.

Mění se i biologické vlastnosti, to znamená, že protein nemůže plnit své biologické funkce: enzymy jsou inaktivovány, hemoglobin ztrácí schopnost vázat a přenášet kyslík, myofibrilární proteiny ztrácejí schopnost kontrahovat atd.

Z obecných vzorců denaturace je třeba především vyzdvihnout významné zhoršení hydrofilnosti a zvýšení hydrofobnosti proteinů. Jak je známo, díky hydrofilním skupinám, které se nacházejí na povrchu (-COOH, -OH, -NH2 atd.), jsou proteinové molekuly schopny vázat značné množství vody. Proto při výrazné hydrataci myoglobinu bylo zjištěno, že uprostřed jeho terciární struktury jsou pouze čtyři molekuly vody, to znamená, že vnitřní struktura a kompaktnost myoglobinu jsou způsobeny především hydrofobní interakcí. V důsledku toho dochází ke změně interakce produktů obsahujících bílkoviny s vodou, která je v reálných technologických procesech spojena s redistribucí vody. Maso teplokrevných zvířat a ryb tedy ztrátou hydrofilnosti bílkovinami při tepelné úpravě ztrácí část hmoty („vařené“, „smažené“), želatinace škrobu při tepelné úpravě v důsledku dehydratace lepkových bílkovin je charakteristický pro moučné výrobky.

Je známo, že maso, ryby, vejce (přesněji jejich bílkoviny), tepelně nezpracované, jsou schopné dodatečné hydratace díky hydrataci bílkovin. Ale po tepelném zpracování se tato vlastnost zcela ztrácí. Změna afinity bílkovin k vodě se velmi názorně projevuje na příkladu tepelné úpravy vajec. Bílkovina (materiál) vejce je zastoupena především bílkovinami (bílkoviny), což umožňuje jeho široké využití v různých modelovacích a technologických experimentech. Ve svém přirozeném stavu má protein velmi vysokou afinitu k vodě a také k hydratovaným potravinám. To umožňuje použití vajec ve všech skupinách kulinářských produktů jako vodu vázající nebo tvořící složku. Proto lze samotná vejce výrazně ředit vodou (o 50 ... 60 %), mlékem, roztoky, odvary, což se hojně využívá při výrobě omelet, vaječných polotovarů.

Díky vodě je dosaženo vysoké afinity vajec k masu, rybám, zeleninovým sekaným hmotám, mouce, obalovacím směsím, tvarohu, cukrovému sirupu a dalším směsím používaným v technologických procesech. Rozpustnost vaječných proteinů, a tím i afinita k vodě, hydratovaných produktů, se po denaturaci výrazně zhoršuje. Ztráta v důsledku denaturace tak důležité funkční vlastnosti, jakou je schopnost hydratace, výrazně snižuje technologické možnosti vaječných bílkovin, proto jsou vejce po tepelné úpravě přidávána do receptur nikoli jako funkční, ale jako pasivní recepturní složka.

Každý protein má individuální denaturační teplotu, přesněji určité teplotní rozmezí, ve kterém dochází k denaturačním změnám. V technologii je denaturační teplota chápána jako spodní úroveň rozsahu, ve kterém začínají viditelné denaturační změny. Takže pro rybí bílkoviny je to asi 30, vejce - 55, masové bílkoviny: myogen - 55 ... 60, myoglobin - 60, globulin - 50, myoalbumin - 45 ... 47, myosin - 45 ... 50, aktin - asi 55, aktomyosin - 42...48, kolagen - asi -55...60 °C.

Jasným příkladem toho, že denaturace probíhá v určitém rozmezí, a nikoli při pevné teplotě, je změna koloidních vlastností drůbežích vajec během procesu tepelného zpracování. Navzdory tomu, že za denaturační teplotu vaječných bílkovin se považuje 55 °C, změna koloidních vlastností probíhá v teplotním rozmezí 55...95 °C: při teplotě 50...55 °C, objevuje se lokální zákal, při 55...60 °C se rozšíří do celého objemu, při 60...65 °C - viskozita se zvyšuje; při 65...75 °С - proces se spustí

tvorba želé; při 75 ... 85 ° C - vzniká gel, který si zachovává svůj tvar; při 85...95 °С elastické vlastnosti gelu rostou a dosahují svého maxima.

Rýže. 1.4

Během tepelného zpracování přechází myoglobinový protein na metmyoglobin, tj. denaturuje, v teplotním rozmezí 60 ... 80 ° C: při teplotě 60 ° C je hovězí myoglobin jasně červený; při 70 - barva se změní na růžovou; v teplotním rozsahu 70 ... 80 a výše získává šedohnědou barvu, charakteristickou pro metmyoglobin. Graficky je závislost vlivu teploty a času na denaturaci myoglobinu znázorněna na Obr. 1.4. Protein myosin denaturuje v teplotním rozmezí 70...80 °C.

Denaturace kolagenového proteinu v technologické praxi se nazývá "svařování" a je doprovázena prudkou změnou geometrických rozměrů: kolagenové fibrily se zmenšují a jejich tloušťka roste. Průběh denaturace bílkovin dokládají nepřímé povrchové efekty, jako je změna koloidního stavu, zvýšení viskozity, gelovatění, separace a kontrakce.

Velmi důležité místo v technologii zaujímá změna koloidního skupenství potravinářských výrobků, která je tzv koagulace. Koagulace může v závislosti na vlastnostech a koncentraci proteinu vést ke vzniku konečných produktů s různým skupenstvím agregátů. Teplota koagulace neboli teplota gelovatění je nejnižší teplota, při které protein mění svůj koloidní stav. Po dosažení teploty gelového bodu se systémy s nízkou koncentrací proteinu rozdělí na dvě fáze, z nichž jedna, protein, se shlukuje ve formě lokálních vloček, filmů a druhá je přítomna ve formě vody. Bez ohledu na typ proteinu, systémy s nízkou koncentrací proteinů v důsledku fyzikální nedostatečnosti v proteinovém systému nejsou schopny gelovatění v celém systému, proto stratifikace a synereze jsou typickými a objektivními stádii proteinové denaturace a koagulace. Takto se chová mléko při varu (tvorba laktoalbuminových filmů, vodní kámen), vejce více než 1,6x rozpuštěná s tekutinou (voda, mléko), mleté ​​maso a rybí hmoty, nadměrně hydratované, těsto na palačinky.

Pokud je systém vysoce koncentrovaný v proteinu, pak denaturace a typ koagulace závisí hlavně na typu proteinu. Takové proteinové systémy jsou schopné tvarování, což se provádí v mnoha technologických procesech: získávání produktů z vajec, nakrájených ryb, masných výrobků, uzenin atd. Gelování je však různého charakteru v závislosti na typu proteinu. Typicky, když protein tvoří koloidní roztok s vodou, neztrácí vlhkost v důsledku koagulace a zadržuje ji v důsledku imobilizace. Ale v přírodě je takových proteinů málo - to jsou vaječné proteiny, krevní plazma zvířat, proteiny biologické tekutiny krilu. Z technologického hlediska je jich poměrně málo. Obvykle se gely, které se tvoří se zadržováním vlhkosti, nazývají lyogely. Pokud jsou proteiny dostatečně hydratované, ale koncentrované a tvoří disperzi s vodou, pak zpravidla koagulují během denaturace a tvoří gely, které si zachovávají svůj tvar, ale vyznačují se intenzivní synerezí. Tyto gely se podmíněně nazývají koagely. Koagely se získávají z disperze bílkovin z masa a ryb. Bílkoviny mouky se chovají podobně, ale jejich objektivní ztráta vlhkosti je skryta želatinací škrobu.

Tvorba gelů druhého druhu během koagulace a procesy, které ji doprovázejí, jsou klíčovým technologickým úkolem: většina potravinářských výrobků vzniká díky tomuto procesu. Uvědoměním si schopnosti proteinu gelovatění, stejně jako regulací tohoto procesu, je možné kontrolovat kvalitu finálních produktů. Smícháním proteinů schopných tvořit lyogely s proteiny schopnými tvořit koagely je tedy možné omezit synergické procesy.

Zavedením sacharózy a dalších jednoduchých cukrů nebo rozpustných dextrinů je možné zvýšit koagulační teplotu proteinů, tj. tepelně je stabilizovat. To je široce používáno v technologii sladkých jídel a omáček s použitím vajec. Naopak použití vysokých koncentrací soli, alkoholu a jiných dehydratátorů tuto teplotu snižuje.

Někdy se k izolaci proteinů používají koagulační procesy. To je založeno na získávání sýra, kaseinu. Koprecipitace bílkovin během koagulace se nazývá koprecipitace a konečnými produkty jsou koprecipitáty. Koprecipitace zaujímala nejdůležitější místo v technologii extrakce syrovátkových bílkovin z mléka. Jsou známy koprecipitáty vaječného mléka a některé další.

Regulací vlastností proteinů se také dosahuje odolnosti vůči agregaci. Posun pH systému obsahujícího protein od izoelektrického bodu zpravidla zvyšuje odolnost vůči agregaci a naopak přiblížení pH systému k izoelektrickému bodu proteinů snižuje teplotu koagulace. Rybí globulin, který má izoelektrický bod při pH 6,0, tedy denaturuje při 50 °C v mírně kyselém prostředí (pH 6,5) a při 80 °C v neutrálním prostředí (pH 7,0). jako sójové proteiny modifikované anhydridem kyseliny jantarové v rozmezí nutričních hodnot pH koagulují při průměrné teplotě o 20 ... 35 °C vyšší než modifikované.

Stupeň hydratace do značné míry ovlivňuje denaturační změny v proteinu. Voda do určité míry zvyšuje pohyblivost proteinových řetězců a reaktivitu hydrofilních a hydrofobních skupin. Proto hydratovanější proteiny denaturují rychleji než suché. Proteiny s odstraněnou vlhkostí, tedy vysušené, se vyznačují širokým rozsahem tepelné stability, a to i s ohledem na teploty blízké 100 °C.

Zmrazování ve skutečných proteinových systémech, což je většina potravin, je nerovnoměrné. Nejprve zmrznou kapaliny s nižší koncentrací rozpuštěných pevných látek, což posune koloidní rovnováhu. Dvoufázové proteinové systémy, tedy proteinové gely druhého druhu, které zahrnují všechny ryby a masné výrobky, zmrazují tak, že intersticiální tekutiny zmrznou jako první. Vymrzání rozpouštědla vede ke zvýšení koncentrace pevných látek, což má za následek vysolování proteinů, tj. jejich částečnou denaturaci. Zmrazení ve skutečnosti působí jako sací prostředek. Zmražené hydratované proteiny se díky tomu svými vlastnostmi liší od těch nativních. Látky snižující bod tuhnutí se nazývají kryoprotektiva, mezi které patří sacharóza, sůl, glycerin. Hloubka denaturace mražených proteinových produktů se zvyšuje s rostoucí trvanlivostí.

Další složky biologického systému, včetně lipidů a sacharidů, hrají významnou roli v denaturaci bílkovin. Díky složité struktuře a poměrně vysoké reaktivitě funkčních skupin proteinů s nimi snadno komplexují za vzniku sloučenin, které významně modifikují vlastnosti proteinů. Důsledkem toho je zpravidla výrazné snížení funkčnosti bílkovin.

Interakce s lipidy probíhá několika způsoby. Za prvé, tato interakce může být způsobena adsorpcí proteinových molekul na bimolekulární vrstvě lipidů. Interakce může být doprovázena změnou struktury molekul bílkovin, tedy jejich denaturací.

Druhý typ interakce mezi proteiny a lipidy, ke kterému dochází v důsledku zařazení proteinu do složení povrchu bimolekulární vrstvy, způsobuje částečnou změnu na úrovni kvartérních a terciárních struktur proteinu. Důsledkem toho je změna funkčnosti proteinu.

Třetím typem interakce mezi proteiny a lipidy je to, že díky lipidům na povrchu membrány protein zcela změní kvartérní, terciární, sekundární struktury. Polypeptidové řetězce se přitom nacházejí mezi polárními skupinami lipidů a neustále mění svůj tvar. Proteiny jsou orientovány hydrofilními a hydrofobními oblastmi směrem k vodě a tuku. Proteiny ztrácejí svou funkční a technologickou roli, včetně enzymatické.

Lipidy, které mají polární skupiny schopné vázat se na protein elektrostatickými silami. Fosfolipidy tedy interagují s proteinem svými fosfatidovými skupinami a kvartérními atomy dusíku (fosfatidylcholiny, fosfatidylethanolaminy), volnými mastnými kyselinami - svými karboxylovými skupinami. Tyto lipidy vykazují afinitu k aminokyselinám, které mají skupiny: -OH; =NH; -NH2; =S. Je také možná interakce kopolymerací.

Interakce mezi proteinem a lipidem je možná pod vlivem různých technologických faktorů, jako je teplo, vlhkost.

Síla vazby mezi mastnými kyselinami a bílkovinami se zvyšuje s růstem jejich nenasycenosti. Dvojné vazby mastných kyselin zvyšují schopnost oxidovat sulfhydrylové a peptidové vazby s výskytem disulfidových (-S-S-) a dusíkových (-CO-N-N-CO-) můstků.

Zvláštní charakter má interakce proteinů s oxidovanými lipidy. Když jsou lipidy oxidovány v přítomnosti proteinů, vzniká komplex, který je stabilizován vodou.

Proteinové látky v potravinářských produktech, jako jsou koloidy, mohou časem „stárnout“ a měnit vlastnosti produktu jako celku. Dlouhodobé skladování potravinářských výrobků v zařízeních veřejného stravování a potravinářských komplexech v důsledku denaturace bílkovin proto zpravidla vede ke zhoršení technologických vlastností surovin. Proto se kulinářské produkty, které se získávají z mraženého masa, ryb, drůbeže, výrazně liší z hlediska výkonu od těch získaných z čerstvých surovin.

Obecně je denaturace jako fenomén i jako proces velmi zajímavá pro odborníky a vědce, protože na jedné straně představuje významný problém a na druhé straně je základem vaření.

Denaturace podporuje tvorbu komplexů. Experimentálně bylo tedy prokázáno, že ke vzniku komplexu mezi oxidovanými lipidy a kaseinem v přítomnosti vlhkosti při pokojové teplotě dochází po 10 ... 15 minutách. Velmi aktivními komplexotvornými činidly jsou polární lipidy.

V technologii je široce známá reakce kondenzace sacharoaminu, která je základem tepelné denaturace a destrukce proteinů. Výsledkem reakce je výrazná změna funkčních a technologických vlastností bílkovin a také organoleptických ukazatelů potravinového systému – barva, chuť, textura.

Jak bylo uvedeno výše, denaturace hraje klíčovou roli v technologii cateringových produktů. Je velmi důležité vědomě operovat s takovými pojmy, jako jsou denaturační faktory, stabilita proteinového systému, stupeň denaturace, které na jedné straně předurčují parametry technologického procesu, na druhé straně charakterizují stav proteinového systému, jeho funkčnosti a technologických ukazatelů. Denaturace by měla být považována nejen za důsledek technologického procesu, ale také jako ukazatel, který tento proces určuje. Vzhledem k tomu, že bílkovinné látky v technologických procesech je třeba považovat nikoli za pasivní látky, ale za aktivní funkční složky, je velmi důležitá informace o původnosti bílkovinných látek a stupni jejich denaturace. Technologická hodnota bílkovin se totiž kromě biologické hodnoty posuzuje především jejich funkčními ukazateli, jako je afinita k vodě a stupeň hydratace, schopnost rozpouštět se, být stabilní v roztoku a určovat určité strukturní a mechanické vlastnosti, působit jako povrchově aktivní látka - je emulgátor, stabilizátor, pěnidlo, snižuje povrchové napětí vody, je termolabilní nebo termostabilní strukturant atd. Všechny tyto ukazatele jsou dány vlastnostmi nativních, nedenaturovaných proteinů. Proto takový pojem, jako je stupeň denaturace, hodnocený reálnými technologickými ukazateli, například emulgačními nebo pěnivými schopnostmi, hraje ve vztahu k nativnímu proteinu velmi důležitou roli v organizaci technologického procesu, volbě koncentrací látek. , hydromodul, teplotní parametry atd. To vše by mělo být současně spojeno s takovými normativními ukazateli, které charakterizují ukazatele stability proteinových systémů, např.: rozpustnost (sušené mléko, vaječný prášek), hydratace (sušené maso, ryby, mouka zhnědlá v různé režimy, těsto vzniklé při řízeném vaření piva), ukazatele zaměnitelnosti produktu (vaječný prášek - pro čerstvá vejce, sušené mléko - pro čerstvé mléko atd.).

Je nutné současně zhodnotit fyziologickou roli denaturace. Ztráta jeho biochemické identity proteinem během denaturace obecně usnadňuje trávení hotových produktů. Proto je asimilace denaturovaných proteinů zpravidla účinnější než nativní. To platí také pro inaktivaci inhibičních proteinů, například v olejnatých semenech. Tyto proteiny plní v rostlinách ochrannou funkci, ale významně ovlivňují lidské trávení, výrazně snižují funkci trypsinu a chymotrypsinu. Denaturace jako technologický faktor výrazně snižuje vliv těchto proteinů. Ale je známo, že asimilace závisí na stupni denaturace. Komplexy protein-sacharid vzniklé při reakci tvorby melanoidinu ve vztahu k proteinu jsou tedy hodnoceny jako denaturace, vstřebávají se hůře než předepsané složky. A produkty hlubších fází tvorby melanoidinu mohou do jisté míry negativně ovlivnit trávení.

Termín denaturace se používá k označení procesu, při kterém dochází ke ztrátě přirozených vlastností proteinu.

denaturace - jedná se o zbavení proteinu jeho přirozených, nativních vlastností, doprovázené destrukcí kvartérní (pokud byla), terciární a někdy i sekundární struktury molekuly proteinu, k čemuž dochází při disulfidických a slabých typech vazeb podílející se na tvorbě těchto struktur jsou zničeny. Primární struktura je zachována, protože je tvořena silnými kovalentními vazbami. K destrukci primární struktury může dojít pouze v důsledku hydrolýzy molekuly proteinu dlouhodobým varem v kyselém nebo alkalickém roztoku.

Faktory, které způsobují denaturaci bílkovin

Faktory, které způsobují denaturaci bílkovin, lze rozdělit na fyzický A chemikálie.

Fyzikální faktory

1. Vysoké teploty. Různé proteiny se vyznačují různou citlivostí na působení tepla. Některé proteiny podléhají denaturaci již při 40-50 0 C. Takové proteiny se nazývají termolabilní. Jiné proteiny denaturují při mnohem vyšších teplotách termostabilní.

2. Ultrafialové záření

3. Rentgenové a radioaktivní ozáření

4. Ultrazvuk

5. Mechanický náraz (například vibrace).

Chemické faktory

1. Koncentrované kyseliny a zásady. Například kyselina trichloroctová (organická), kyselina dusičná (anorganická).

2. Soli těžkých kovů (například CuSO 4).

3. Organická rozpouštědla (ethylalkohol, aceton)

4. Rostlinné alkaloidy.

5. Močovina ve vysokých koncentracích

5. Další látky schopné rušit slabé vazby v molekulách bílkovin.

Vystavení denaturačním faktorům se používá ke sterilizaci zařízení a nástrojů, stejně jako antiseptik.

vratnost denaturace

In vitro (in vitro) jde nejčastěji o nevratný proces. Pokud je denaturovaný protein umístěn v podmínkách blízkých nativním, pak může renaturovat, ale velmi pomalu, a tento jev není typický pro všechny proteiny.

In vivo v těle je možná rychlá renaturace. Je to dáno produkcí specifických proteinů v živém organismu, které „rozpoznají“ strukturu denaturovaného proteinu, navážou se na něj pomocí typů slabých vazeb a vytvoří optimální podmínky pro renaturaci. Takové specifické proteiny jsou známé jako „ proteiny tepelného šoku"nebo" stresové proteiny».

Stresové proteiny

Existuje několik rodin těchto proteinů, liší se molekulovou hmotností.

Například známý protein hsp 70 - protein tepelného šoku o hmotnosti 70 kDa.

Tyto proteiny se nacházejí ve všech buňkách těla. Plní také funkci transportu polypeptidových řetězců přes biologické membrány a podílejí se na tvorbě terciárních a kvartérních struktur proteinových molekul. Tyto funkce stresových proteinů se nazývají garde. Při různých typech stresu dochází k indukci syntézy takových proteinů: při přehřátí těla (40-44 0 C), při virových onemocněních, otravách solí těžkých kovů, etanolu atd.

V těle jižních národů byl ve srovnání se severní rasou zjištěn zvýšený obsah stresových proteinů.

Molekula proteinu tepelného šoku se skládá ze dvou kompaktních globulí spojených volným řetězcem:

Různé proteiny tepelného šoku mají společný stavební plán. Všechny obsahují kontaktní domény.

Různé proteiny s různými funkcemi mohou obsahovat stejné domény. Například různé proteiny vázající vápník mají pro všechny stejnou doménu, která je zodpovědná za vazbu Ca+2.

Úloha doménové struktury spočívá v tom, že poskytuje proteinu větší příležitosti k plnění jeho funkce díky pohybům jedné domény ve vztahu k druhé. Spojovací místa dvou domén jsou strukturně nejslabším místem v molekule takových proteinů. Právě zde dochází nejčastěji k hydrolýze vazeb a protein je zničen.