Внешние факторы (изменение температуры, солевого состава среды, рН, радиация) могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка. Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией (рис. 260). Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Причем первоначально рвутся наиболее слабые связи, а при ужесточении условий и более сильные. Поэтому сначала утрачивается четвертичная, затем третичная и вторичная структуры. Вместе с тем, денатурация не сопровождается разрушением полипептидной цепи. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций.
Рис. 260. Денатурация и ренатурация белка:
1 - молекула белка третичной структуры; 2 - денатурированный белок; 3 - восстановление третичной структуры в процессе ренатурации.
Денатурация может быть:
Обратимой , если возможно восстановление свойственной белку структуры. Такой денатурации подвергаются, например, рецепторные белки мембраны.
Необратимой , если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно. Обычно это происходит при разрыве большого количества связей, например, при варке яиц.
Если белок подвергся обратимой денатурации, то при восстановлении нормальных условий среды он способен полностью восстановить свою структуру и, соответственно, свои свойства и функции. Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией.
Функции белков
Благодаря сложности, разнообразию форм и состава, белки играют важную роль в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Функции их разнообразны.
Строительная (структурная) функция
Одна из важнейших - строительная. Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур: входят в состав клеточных мембран, шерсти, волос, сухожилий, стенок сосудов и т.д.
Транспортная функция
Некоторые белки способны присоединять различные вещества и переносить их к различным тканям и органам тела, из одного места клетки в другое. Например, белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ; в состав клеточных мембран входят особые белки, обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно.
Регуляторная функция
Большая группа белков организма принимает участие в регуляции процессов обмена веществ. Такими белками являются гормоны - биологически активные вещества, выделяющиеся в кровь железами внутренней секреции. Они влияют на активность ферментов, тем самым, замедляя или ускоряя обменные процессы, изменяют проницаемость клеточных мембран, поддерживают постоянство концентрации веществ в крови и клетках, участвуют в процессах роста, размножения и т.д. Например, гормон инсулин регулирует уровень сахара в крови путем повышения проницаемости клеточных мембран для глюкозы, способствует синтезу гликогена, увеличивает образование жиров из углеводов.
Защитная функция
В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки - антитела, способные связывать и обезвреживать их. Синтез этих белков, называемых иммуноглобулинами, происходит в лимфоцитах. Причем, практически на любой антиген, с которым клетка и организм никогда не встречались, лимфоциты способны синтезировать антитела. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений.
Двигательная функция
Особые сократительные белки участвуют во всех видах движения клетки и организма: образовании псевдоподий, мерцании ресничек и биении жгутиков у простейших, сокращении мышц у многоклеточных животных, движении листьев у растений и др.
Сигнальная функция
Весьма важна для жизни клетки сигнальная функция белков. В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды. Так происходит прием сигналов из внешней среды и передача команд в клетку.
Запасающая функция
Благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества. Например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется в селезенке, образуя комплекс с белком ферритином. К запасным белкам относятся белки яйца, белки молока.
Энергетическая функция
Белки являются одним из источников энергии в клетке. При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов - воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются тогда, когда другие (углеводы и жиры) израсходованы.
Каталитическая функция
Одна из важнейших функций белков. В состав клеток входит большое количество веществ, химически мало активных. Тем не менее, все биохимические реакции протекают с огромной скоростью, благодаря участию в них биокатализаторов - ферментов - веществ белковой природы.
Общая характеристика ферментов
Как отмечалось ранее, большинство химических реакций в организме протекает с участием катализаторов - ферментов. Ферменты 7 - специфические белки, присутствующие во всех живых клетках и играющие роль биологических катализаторов.
Сходство ферментов и неорганических катализаторов заключается в том, что они:
снижают энергию активации 8 ;
не изменяют направления реакции, а лишь изменяют скорость ее протекания;
в катализируемой реакции всегда затрачивается меньше энергии, чем в некатализируемой.
Но, поскольку ферменты являются белками, это придает им особые свойства:
если неорганический катализатор может использоваться в разных типах реакций, то ферменты катализируют только одну реакцию или один вид реакции;
большинство неорганических катализаторов ускоряют химические реакции при очень высоких температурах, имеют максимальную эффективность в сильнокислой или сильнощелочной среде, при высоких давлениях, а большинство ферментов активны при температурах 35-45˚С, физиологических значениях кислотности раствора и при нормальном атмосферном давлении;
скорость ферментативных реакций в десятки тысяч (а иногда и в миллионы раз) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. Например, пероксид водорода без катализаторов разлагается медленно: 2Н 2 0 2 →2Н 2 0 + 0 2 . В присутствии солей железа (катализатора) эта реакция идет несколько быстрее. Ферменткаталаза за1сек. расщепляет 100 тыс. молекул Н 2 0 2 .
Известно более 2000 различных ферментов, представленных белками с высокой молекулярной массой, например каталаза (М=252000).
Свойства и функции белков
Структура и свойства белков могут изменяться под влиянием разных физико-химических факторов: действие концентрированных кислот и щелочей, тяжелых металлов, изменение температуры и т. п. Одни из белков легко изменяют структуру под незначительным действием разнообразных факторов, другие – стойкие к подобным влияниям. Основные свойства белка это – денатурация, ренатурация, деструкция.
Денатурация
Денатурация – это процесс нарушения естественной структуры белка с сохранением пептидных связей (первичной структуры). Может быть необратимым процессом. Но при условии прекращения действия отрицательных факторов на первых стадиях белок может восстанавливать свое нормальное состояние, то есть происходит обратная денатурация – ренатурация.
Ренатурация
Ренатурация – это способность белка восстанавливать нормальную структуру после устранения действия отрицательных факторов. Выполнение некоторых функций – двигательной, сигнальной, каталитической и т. п. – у живых организмов связано с частичной обратной денатурацией белков.
Деструкция
Деструкция – это процесс разрушения первичной структуры белка. Является всегда процессом необратимым.
Функции белков
Белки выполняют следующие основные функции:
- Структурная (строительная) . Входят в состав мембран, микротрубочек и микронитей, которые выполняют роль цитоскелета. В связях содержится белок эластин, в волосах, ногтях и перьях – белок кератин, в хрящах и сухожилиях – белок коллаген, в костях – белок осеин.
- Защитная . Лимфоцитами вырабатываются специализированные белки – антитела, которые способны распознавать и обезвреживать бактерии, вирусы, инородные для организма белки. В процессах свертывания крови принимают участие белки фибрин, тромбопластин и тромбин. Они предупреждают значительные потери крови. В ответ на атаку болезнетворных микроорганизмов растения также синтезируют ряд защитных белков.
- Сигнальная . Обеспечивает избирательное поглощение клеткой определенных веществ и способствует защите ее. При этом отдельные сложные белки клеточных мембран способны распознавать определенные химические соединения и реагировать на них. Они связываются с ними или изменяют свою структуру и передают сигналы об этих веществах на другие участки мембраны или вглубь клетки.
- Двигательная (сократительная) . Обеспечивают способность клетки двигаться, изменять форму. Например, сокращающиеся белки актин и миозин функционируют в скелетных мышцах и во многих других клетках. В состав микротрубочек ресничек и жгутиков эукариотических клеток входит белок тубулин.
- Регуляторная . Являются гормонами белковой природы у животных, регулирующими рост, половое созревание, половые циклы, изменение покровов и т. п. Некоторые белки регулируют активность обмена веществ.
- Транспортная . Белки транспортируют неорганические ионы, газы (кислород, углекислый газ), специфические органические вещества. Транспортные белки содержатся в мембранах клеток, в эритроцитах и т. п. В крови есть белки-транспортеры, которые узнают и связывают определенные гормоны и несут их к определенным клеткам. Например, гемоцианин (белок синего цвета) у беспозвоночных, гемоглобин у позвоночных переносят кислород.
- Запасающая . Могут запасаться в эндосперме семени многих иидов растений (в злаковых от 15-25 %, бобовых – до 45 %), в яйцах птиц, пресмыкающих и т. п.
- Питательная . Зародыш семени некоторых растений потребляет на первых этапах развития белки, которые отложены в запас.
- Энергетическая . При расщеплении белков высвобождается энергия. Аминокислоты, которые образовались при расщеплении белков, или используются для биосинтеза белков, нужных организму, или раскладываются с высвобождением энергии. При полном расщеплении 1 г белков в среднем высвобождается 17,2 кДж энергии. Однако белки как источник энергии используются очень редко, преимущественно тогда, когда истощаются запасы углеводов и жиров.
- Ферментативная (каталитическая) . Эту функцию выполняют белки – ферменты, которые ускоряют биохимические реакции в организме.
- Функция антифриза . В плазме крови некоторых живых организмов содержатся белки, которые предупреждают ее замерзание в условиях низких температур.
Некоторые организмы, живущие в горячих условиях, имеют белки, которые не денатурируют даже при температуре +50…90 °С.
Некоторые белки образуют сложные комплексы с пигментами, нуклеиновыми кислотами.
Денатурация белка - это процесс, который связан с нарушением вторичной, третичной, четвертичной структур молекулы под воздействием разных факторов.
Особенности процесса
Он сопровождается разворачиванием полипептидной связи, которая в растворе изначально представлена в виде беспорядочного клубка.
Процесс денатурации белка сопровождается утрачиванием гидратной оболочки, выпадением белка в осадок, утрачиванием им нативных свойств.
Среди основных факторов, которые провоцируют процесс денатурации, выделим физические параметры: давление, температуру, механическое действие, ионизирующее и ультразвуковое излучение.
Денатурация белка происходит под воздействием органических растворителей, минеральных кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, алкалоидов.
Виды
В биологии выделяют два варианта денатурации:
- Обратимая денатурация белка (ренатурация) предполагает процесс, в котором денатурированный белок после устранения всех денатурирующих веществ восстанавливается в исходную структуру. В этом случае в полном объеме возвращается биологическая активность.
- Необратимая денатурация предполагает полное разрушение молекулы, даже после удаления из раствора денатурирующих реагентов физиологичная активность не возвращается.
Особенности денатурированных белков
После того как произошла денатурация белка, он получает определенные свойства:
- В сравнении с нативной белковой молекулой увеличивается количество функциональных либо реактивных групп в молекуле.
- Уменьшается растворимость и процесс осаждения белков, чему способствует потеря водной оболочки. Происходит разворачивание структуры, появляются гидрофобные радикалы, наблюдается нейтрализация зарядов полярных фрагментов.
- Меняется конфигурация белковой молекулы.
- Утрачивается биологическая активность, причиной этого будет нарушение нативной структуры.
Последствия
После денатурации происходит переход нативной компактной структуры в рыхлую развернутую форму, упрощается проникновение к пептидным связям ферментов, необходимых для разрушения.
Конформация белковых молекул определяется возникновением достаточного количества связей между разными участками определенной полипептидной цепочки.
Белки, состоящие из достаточного количества атомов, которые находятся в непрерывном хаотичном движении, способствует определенным перемещениям частей полипептидной цепи, что вызывает нарушение общей структуры белков, снижение его физиологических функций.
Белки имеют конформационную лабильность, то есть предрасположенность к незначительным изменениям конформации, происходящим в результате обрыва одних и образования других связей.
Денатурация белка приводит к изменениям его химических свойств, способности вступать во взаимодействие с другими веществами. Наблюдается изменение пространственной структуры и участка, непосредственно контактирующего с иной молекулой, и всей конформацией в целом. Наблюдаемые конформационные изменения имеют значение для функционирования белков в живой клетке.
Механизм разрушения
Процесс денатурации белка предполагает разрушение химических (водородных, дисульфидных, электростатических) связей, стабилизирующих высшие уровни организации молекулы белка. В результате этого меняется пространственная структура белка. Во многих ситуациях не наблюдается разрушения его первичной структуры. Это дает возможность после раскручивания полипептидной цепи стихийно скручиваться протеину, создавая «случайный клубок». В подобной ситуации наблюдается переход к беспорядочному состоянию, имеющему существенные отличия от нативной конформации.
Заключение
Температура денатурации белков превышает 56 градусов Цельсия. Типичными признаками прохождения необратимой денатурации белковых молекул считаются снижение растворимости и гидрофильности молекул, повышение оптической активности, понижение стойкости белковых растворов, увеличение вязкости.
Денатурация вызывает агрегацию частиц, они могут выпадать в осадок. Если на белок действует денатурирующий агент на протяжении незначительного временного промежутка, высока вероятность восстановления нативной белковой структуры. Данные процессы широко используют при переработке продуктов питания, консервировании, изготовлении обуви, одежды, во время сушки фруктов и овощей. Денатурацию используют в ветеринарии, медицине, клинике, фармации, при проведении биохимических исследований, связанных с осаждением в биологическом материале протеина. Далее проводится идентификация в исследуемом растворе небелковых и низкомолекулярных инстанций, в результате чего можно установить количественное содержание веществ. В настоящее время ищут способы защиты белковых молекул от разрушения.
Денатурация белков в технологиях продукции общественного питания должна восприниматься с нескольких позиций. Во-первых, это фактор, который обеспечивает реализацию понятия кулинарная готовность. Во-вторых, фактор, который разрешает или полностью прекратить ферментативную деятельность, или уменьшить ее скорость. В-третьих, фактор, который обеспечивает соблюдение такого важного показателя, как микробиологическая безвредность. В-четвертых, фактор потери белками своих функциональных свойств и своей видовой специфичности. И далее, с денатурацией белковых веществ связаны формирования консистенции, возникновения формы, изменение цвета и др.
Т. е. в результате денатурации белков продукты или белоксодержащие материалы теряют свои функциональные и нативные свойства вследствие воздействия различных факторов, а также денатурационные процессы влияют на обеспечение высокого уровня качества продукции.
Способность белков к денатурации является важным и присущим исключительно белкам свойством. Под денатурацией понимают потерю белками их природных (физико-химических, биологических) свойств в результате изменения их уникальной структуры под влиянием различных факторов. Многие технологические факторы - высокая или низкая температура, различные излучения, значительные изменения pH, ионной силы, изменение коллоидного равновесия, интенсивное механическое воздействие и другие поверхностные эффекты, ферментация, протеолиз, химические вещества и модификация, влияние времени - вызывают денатурацию белков. При этом нарушаются наиболее чувствительные к воздействию четвертичная, третичная и вторичная структуры белков. Первичная, как правило, не затрагивается. Но под влиянием химических факторов - химической модификации, например, ангидридами кислот, окисления, восстановления, пластеиновой реакции, ферментативной модификации - возможно нарушение и на уровне первичной структуры.
Типичным следствием денатурации простых белков является их комплексообразование с другими белками и органическими соединениями, а для олигомеров - распад на субъединицы. Полипептид- ные цепи при денатурации приобретают иную конфигурацию, которая отличается от единственно возможной, присущей нативной молекуле белка: цепи, как правило, разворачиваются таким образом, что на их поверхности скапливается значительное количество гидрофобных групп, из-за чего ухудшается сродство к воде. Появление на поверхности ранее скрытых конформацией белка радикалов или функциональных групп изменяет физико-химические свойства белков.
Изменяются также биологические свойства, то есть белок не может выполнять свои биологические функции: ферменты инактивируются, гемоглобин теряет способность присоединять и переносить кислород, миофибриллярные белки теряют возможность сокращаться и т. д.
Из общих закономерностей денатурации следует, прежде всего, выделить значительное ухудшение гидрофильности и повышения гидрофобности белков. Как известно, за счет гидрофильных групп, которые размещены на поверхности (-СООН, -ОН, -NH2 и др.), белковые молекулы способны связывать значительное количество воды. Поэтому при значительной гидратированности миоглобина обнаружено, что в середине его третичной структуры находится всего четыре молекулы воды, то есть внутренняя структура и компактность миоглобина обусловлены, в основном, гидрофобным взаимодействием. Как следствие, наблюдается изменение взаимодействия белоксодержащих продуктов с водой, в реальных технологических процессах связанное с перераспределением воды. Так, мясо теплокровных животных и рыбы за счет потери гидрофильное™ белками в процессе термообработки теряет часть своей массы, («уваривается», «ужаривается»), для изделий из муки характерна клейстеризация крахмала в процессе термообработки за счет дегидратации белков клейковины.
Известно, что мясо, рыба, яйца (точнее, их белки), термически не обработанные, способны к дополнительной гидратации за счет гидратации белков. Но после термообработки это свойство утрачивается полностью. Очень наглядно изменение сродства белков к воде проявляется на примере термообработки яиц. Белок (материал) яйца представлен, в основном, белками (протеинами), что позволяет его широко использовать в различных модельных и технологических экспериментах. В нативном состоянии белок имеет очень высокое сродство к воде, а также гидратированным продуктам. Это позволяет использовать яйца во всех группах кулинарных изделий как водосвязывающий или формующий компонент. Поэтому яйца сами по себе можно значительно разводить водой (на 50...60%), молоком, растворами, отварами, что широко используется при изготовлении омлетов, яичных полуфабрикатов.
Благодаря воде, достигается высокое сродство яиц к мясным, рыбным, овощным рубленым массам, муке, панировочным смесям, творогу, сахарному сиропу, а также другим смесям, используемым в технологических процессах. Растворимость белков яиц, а значит, и сродство к воде, гидратированным продуктам после денатурации значительно ухудшается. Потеря в результате денатурации такого важного функционального свойства, как способность к гидратации, значительно уменьшает технологические возможности белков яиц, поэтому после термообработки яйца добавляются к рецептурам не как функциональный, а как пассивный рецептурный компонент.
Каждый белок имеет индивидуальную температуру денатурации, точнее, определенный температурный диапазон, в котором он подвергается денатурационным изменениям. В технологии под температурой денатурации понимается нижний уровень диапазона, при котором начинаются видимые денатурационные изменения. Так, для белков рыбы это - около 30, яиц - 55, белков мяса: миогена - 55...60, миоглобина - 60, глобулина - 50, миоальбумина - 45...47, миозина - 45...50, актина - около 55, актомиозина - 42...48, коллагена - около - 55...60 °С.
Наглядным примером того, что денатурация проходит в определенном диапазоне, а не при фиксированной температуре, является изменение коллоидных свойств яиц птицы в процессе термообработки. Несмотря на то, что температурой денатурации белков яиц считается 55 °С, изменение коллоидных свойств проходит в интервале температур 55...95 °С: при температуре 50...55 °С появляется локальное помутнение, при 55...60 °С оно распространяется на весь объем, при 60...65 °С - повышается вязкость; при 65...75 °С - начинается процесс
студнеобразования; при 75...85 °С - образуется гель, сохраняющий форму; при 85...95 °С - растут и достигают максимума упругоэластичные свойства геля.
Рис. 1.4
Белок миоглобин при термообработке переходит в метмиоглобин, т. е. денатурирует, в интервале температур 60...80°С: при температуре 60 °С миоглобин говядины ярко-красный; при 70 - цвет меняется на розовый; в интервале температур 70...80 и выше он приобретает серовато-коричневый цвет, характерный для метмиоглобина. Графически зависимость влияния температуры и времени на денатурацию миоглобина приведены на рис. 1.4. Белок миозин денатурирует в интервале температур 70...80 °С.
Денатурация белка коллагена в технологической практике получила название «сваривание» и сопровождается резким изменением геометрических размеров: фибриллы коллагена сокращаются, а толщина их растет. О ходе денатурации белка свидетельствуют косвенные поверхностные эффекты, такие как изменение коллоидного состояния, повышение вязкости, студнеобразо- вание, расслоение, сокращение.
Очень важное место в технологии занимает изменение коллоидного состояния пищевых продуктов, которая получила название коагуляции. Коагуляция, в зависимости от свойств и концентрации белка, может идти с образованием конечных продуктов с различным агрегатным состоянием. Температурой коагуляции, или температурной гель-точкой, является та наименьшая температура, при которой белок меняет свое коллоидное состояние. Достигая температурной гель-точки, малоконцентрированные по белку системы расслаиваются на две фазы, одна из которых, белковая, агрегирует в виде локальных флокулятов, пленок, а вторая представлена в виде воды. Независимо от вида белка, малоконцентрированные по белку системы через физическую недостаточность в системе белка не способны к гелеобразованию по всей системе, поэтому расслоение и синерезис типичные и объективные этапы денатурации и коагуляции белка. Так ведут себя молоко во время кипячения (образование лактоальбуминових пленок, накипи), яйца, растворенные более чем в 1,6 раза жидкостью (водой, молоком), рубленные мясная и рыбная массы, чрезмерно гидратированные, жидкое тесто для блинов.
Если система высококонцентрированная по белку, то денатурация и вид коагуляции основном зависят от вида белка. Такие белковые системы способны к формообразованию, что реализовано во многих технологических процессах: получение изделий из яиц, рубленых рыбных, мясных изделий, колбасных изделий и др. Однако гелеобразование носит различный характер в зависимости от вида белка. Типично, что когда белок образует с водой коллоидный раствор, то в результате коагуляции он не теряет влагу, удерживая ее за счет иммобилизации. Но в природе таких белков мало - это белки яиц, плазмы крови животных, белки биологической жидкости криля. В технологическом плане они достаточно дефицитны. Условно гели, которые образуются с удержанием влаги, получили название лиогели. Если белки достаточно гидратированы, но концентрированные и образуют с водой дисперсию, то, как правило, коагулируя при денатурации, они образуют гели, сохраняющие форму, но характеризуются интенсивным синерезисом. Эти гели условно называются коагелями. Коагели получаются из дисперсии белков мяса, рыбы. Аналогично ведут себя и белки муки, но их объективная потеря влаги скрывается клейстеризацией крахмала.
Образование гелей второго рода при коагуляции и сопутствующие этому процессы - это ключевое технологическое задание: большинство пищевых продуктов формируется благодаря этому процессу. Реализуя способность белка к гелеобразованию, а также регулируя этот процесс, удается управлять качеством конечных продуктов. Так, смешиванием белков, способных образовывать лиогели, с белками, способными образовывать коагели, удается снизить синергетические процессы.
Введением сахарозы и других простых сахаров или растворимых декстринов удается повысить температуру коагуляции белков, т. е. температурно их стабилизировать. Это широко используется в технологии сладких блюд и соусов с использованием яиц. Напротив, использование высоких концентраций соли, спирта и других дегидраторов эту температуру снижает.
Иногда коагуляционные процессы используется для выделения белков. На этом основывается получения сыра, казеина. Соосаждение белков при коагуляции получило название копреципитации, а конечные продукты - копреципитаты. Наиболее важное место копреципитация занимала в технологии извлечения сывороточных белков из молока. Известны яично-молочные копреципитаты и некоторые другие.
Регулированием свойств белков достигается также устойчивость к агрегации. Как правило, удаление pH белоксодержащей системы от изоэлектрической точки повышает устойчивость к агрегации, и наоборот, сближение pH системы с изоэлектрической точкой белков снижает температуру коагуляции. Так, глобулин рыбы, имеющий изоэлектрическую точки при pH 6,0, в слабокислой среде (pH 6,5) денатурирует при 50 °С, в нейтральной (pH 7,0) - при 80. Миофибриллярные белки рыбы и криля, а также соевые белки, модифицированные янтарным ангидридом в интервале пищевых величин pH, коагулируют при температуре в среднем на 20...35 °С выше, чем ^модифицированные.
Степень гидратации в значительной мере влияет на денатурацион- ные изменения белка. Вода в определенной степени повышает подвижность белковых цепей и реакционную активность гидрофильных и гидрофобных групп. Поэтому более гидратированные белки денатурируют быстрее, чем сухие. Белки с удаленной влагой, т. е. высушенные, характеризуются широким интервалом термостабильности, в том числе в отношении температур, близких к 100 °С.
Замораживание в реальных белковых системах, которыми являются большинство пищевых продуктов, проходит неравномерно. Сначала замерзают жидкости с меньшей концентрацией растворенных сухих веществ, что сдвигает коллоидное равновесие. Двухфазные белковые системы, то есть белковые гели второго рода, к которым относятся все рыбо- и мясопродукты, замерзают таким образом, что межтканевые жидкости замерзают первыми. Вымораживание растворителя приводит к повышению концентрации сухих веществ, следствием чего является высаливание белков, т. е. их частичная денатурация. Замораживание, по сути дела, выполняет роль водоотводящего агента. За счет этого замороженные гидратированные белки по свойствам отличаются от нативных. Вещества, которые понижают температуру замерзания, получили название криопротекторов, к которым следует отнести сахарозу, соль, глицерин. Глубина денатурации замороженных белковых продуктов повышается с увеличением сроков хранения.
В денатурации белков значительную роль играют другие компоненты биологической системы, в том числе липиды, углеводы. Благодаря сложному строению и достаточно высокой реакционной способности функциональных групп белков, они легко с ними комплексуют с образованием соединений, которые значительно видоизменяют свойства белков. Как правило, следствием этого является значительное снижение функциональных возможностей белков.
Взаимодействие с липидами идет несколькими путями. Во-первых, это взаимодействие может быть за счет адсорбции белковых молекул на бимолекулярном слое липидов. Взаимодействие может сопровождаться изменением структуры белковых молекул, то есть их денатурацией.
Второй вид взаимодействия между белками и липидами которое идет за счет включения белка в состав поверхности бимолекулярного слоя, вызывает частичное изменение на уровне четвертичной и третичной структур белка. Следствием этого является изменение функциональных возможностей белка.
Третий вид взаимодействия белков и липидов заключается в том, что за счет липидов на поверхности мембраны белок полностью меняет четвертичную, третичную, вторичную структуры. При этом полипеп- тидные цепи находятся среди полярных групп липидов, постоянно меняя свою форму. Белки ориентированы гидрофильными и гидрофобными участками к воде и жиру. Белки теряют свою функциональную и технологическую роль, в том числе и ферментную.
Липиды, которые имеют полярные группы, способные связываться с белком электростатическими силами. Так, фосфолипиды взаимодействуют с белком своими фосфатидными группами и четвертичными атомами азота (фосфатидилхолины, фосфатидилэтаноламины), свободные жирные кислоты - своими карбоксильными группами. Эти липиды проявляют сродство к аминокислотам, которые имеют группы: -ОН; =NH; -NH 2 ; =S. Также возможно взаимодействие за счет сополимеризации.
Взаимодействие между белком и липидом возможно под влиянием различных технологических факторов, например тепла, влаги.
Прочность связи жирных кислот с белком повышается с ростом их ненасыщенности. Двойные связи жирных кислот повышают способность к окислению сульфгидрильных и пептидных связей с возникновением дисульфидных (-S-S-) и азотных (-CO-N-N-CO-) мостиков.
Особый характер имеет взаимодействие белков с окисленными липидами. При окислении липидов в присутствии белков возникает комплекс, который стабилизируется за счет воды.
Белковые вещества пищевых продуктов, как коллоиды, могут «стареть» с течением времени, изменяя при этом свойства продукта в целом. Поэтому долгосрочное хранение пищевых продуктов в предприятиях общественного питания и пищеперерабатывающего комплекса в результате денатурации белков, как правило, приводит к ухудшению технологических свойств сырья. Поэтому кулинарная продукция, которая получается из замороженных мяса, рыбы, птицы, существенно по показателям отличается от аналогичной но полученной из свежего сырья.
Вообще денатурация, как явление и как процесс, вызывает очень большую заинтересованность специалистов и ученых, поскольку, с одной стороны, представляет значительную проблему, с другой - лежит в основе приготовления пищи.
Денатурация способствует комплексообразованию. Так, экспериментально доказано, что комплексообразование между окисленными липидами и казеином в присутствии влаги при комнатной температуре возникает уже через 10... 15 минут. Очень активные комплексообразо- ватели - полярные липиды.
Широко известна в технологии реакция сахароаминной конденсации, которая лежит в основе термической денатурации и деструкции белков. Результатом реакции является значительное изменение функциональных и технологических свойств белков, а также органолептических показателей пищевой системы - цвета, вкуса, консистенции.
Как уже отмечалось выше, денатурация играет ключевую роль в технологии продукции общественного питания. Очень важно сознательно оперировать такими понятиями, как факторы денатурации, стабильность белковой системы, степень денатурации, которые, с одной стороны, предопределяют параметры технологического процесса, а с другой - характеризуют состояние белковой системы, ее функциональные возможности и технологические показатели. К денатурации следует относиться не только как к следствию технологического процесса, а также как к показателю, который обусловливает этот процесс. Из-за того, что белковые вещества в технологических процессах следует рассматривать не как пассивные вещества, а как активные функциональные компоненты, очень важна информация о нативнисти белковых веществ и степени их денатурации. Действительно, кроме биологической ценности, технологическая ценность белков в первую очередь оценивается их функциональными показателями, такими как сродство к воде и степень гидратации, способность растворяться, быть стабильными в растворе и обусловливать определенные структурно-механические свойства, выполнять роль поверхностно-активного вещества - быть эмульгатором, стабилизатором, пенообразователем, снижать поверхностное натяжение воды, быть термолабильным или термостабильным структурообразователем и др. Все эти показатели обусловлены свойствами нативных, неденатури- рованных белков. Поэтому такое понятие, как степень денатурации, оцениваемое по реальным технологическим показателям, например по эмульгирующим или пенообразующим способностям, в отношении нативного белка играет очень большую роль в организации технологического процесса, выборе концентраций веществ, гидромодуля, температурных параметров и др. Все это одновременно должно быть сопряжено с такими нормативными показателями, которые характеризуют показатели стабильности белковых систем, например: растворимость (сухое молоко, яичный порошок), гидратация (высушенные мясо, рыба, пассерованная в различных режимах мука, тесто, образованное при контролируемом заваривании), показатели взаимозаменяемости продуктов (яичный порошок - на яйца свежие, молоко сухое - на молоко свежее и др.).
Нужно одновременно оценивать и физиологическую роль денатурации. Потеря белком в процессе денатурации своей биохимической индивидуальности в целом облегчает переваривание готовых продуктов. Поэтому усвоение денатурированных белков, как правило, проходит более эффективно, чем нативных. Это также касается инактивации белков-ингибиторов, например в семенах масличных культур. Эти белки выполняют в растениях защитную функцию, но в значительной мере влияют на пищеварение человека, существенно уменьшая функцию трипсина и химотрипсина. Денатурация, как технологический фактор, значительно снижает влияние этих белков. Но известно, что усвоение зависит от степени денатурации. Так, белково-углеводные комплексы, образующиеся при реакции меланоидинообразования в отношении белка оцениваются как денатурация, усваиваются хуже рецептурных компонентов. А продукты более глубоких стадий меланоидинообразования способны в определенной степени негативно влиять на пищеварение.
Денатурация белков. Под влиянием физических (температура, ультразвук, ионизирующая радиация и т.п.), химических (минеральные и органические кислоты, щелочи, органические растворители, тяжелые металлы,
алкалоиды, детергенты, некоторые амиды, например, мочевина и др.). Факторов происходят глубокие изменения в молекуле белка, связанные с нарушением четвертичной, третичной и вторичной структур, что приводит в свою очередь изменение физико-химических и биологических свойств белка, т.е. денатурацию. При денатурации белка имеет место разрыв цементирующих белковую молекулу вторичных связей (водородных, дисульфидных, электростатических, ван-дер-ваальсовых и др..). Это приводит к изменению пространственной структуры; глобула белка раскручивается, на ее поверхности увеличивается количество гидрофобных групп, то есть уменьшаются гидрофильные свойства белка. Он становится более гидрофобным, теряет способность растворяться в обычных для него растворителях и избавляется от своих биологических функций (ферментов, гормонов и др.). После денатурации изменяется большинство физико-химических свойств белка: уменьшается растворимость, увеличивается количество БН-и других групп, усиливается вязкость, появляется больше хиральных атомов углерода, изменяются оптические свойства и константа седиментации. В структуре белка существенно уменьшается количество а-спиралей и ß-структур, уменьшается количество внутримолекулярных водородных связей и увеличивается количество этих связей между белком и водой. При денатурации белка высвобождаются реактивные группы, которые в его нативной-м состоянии были не совсем доступны (сульфгидрильные, фенольные, гидроксильные, имидазольным и др.)., Что вызывает изменение ИЭТ белков. Чаще всего она смещается в сторону щелочных значений рН. Денатурация белков сопровождается ростом оптической активности. Преобразование компактной молекулы в беспорядочный клубок, которое имеет место при денатурации, приводит к тому, что большинство пептидных связей становятся доступными для действия протеолитических ферментов (трипсина, химотрипсина и др.).. В связи с этим протеолиз таких белков происходит с большей скоростью, чем нативных белков.
При денатурации в большинстве случаев первичная структура не нарушается, поэтому после раскрутки полипептидной цепи (стадия нити) он может снова стихийно скручиваться, образуя «случайный клубок», т.е. переходит к хаотическому состоянию (рис. 18). При этом наблюдается агрегация белковых частиц и выпадение их в осадок.
Полная денатурация белка в большинстве случаев необратима, в отличие от оборотной, при которой изменения в молекуле белка незначительные, и белок при определенных условиях снова приобретает свои нативных свойств (процесс ренатурации). Например, такое происходит во время осаждения белков органическими растворителями - спиртом или ацетоном, если проводить его при низкой температуре, а затем быстро удалить осадитель. Процесс денатурации белков широко используется в клинике, фармации и биохимических исследованиях для осаждения белка в биологическом материале с целью дальнейшего определения в нем небелковые-вых и низкомолекулярных соединений, для установления наличия белка и его количественного определения, для обеззараживания кожи и слизистых покровов, для свя Связывание солей тяжелых металлов при лечении отравлений солями ртути, свинца, меди и т.п. или для профилактики таких отравлений на предприятии.
Процесс денатурации белков имеет место во время приема фармпрепаратов танина и Танальбин, на чем основывается их вяжущее и противовоспалительное действие. Вяжущее действие танина обусловлено его способностью осаждать белки с образованием плотных альбуминаты, которые защищают от раздражения чувствительные нервные окончания тканей. При этом уменьшаются болевые ощущения и происходит непосредственное уплотнение клеточных мембран, уменьшает проявление воспалительной реакции. Препарат танальбин-продукт взаимодействия танина с белком казеином - в отличие от танина не оказывает вяжущего действия на слизистую оболочку рта и желудка. Только после поступления в кишечник он расщепляется, выделяя свободный танин. Применяется как вяжущее средство при острых и хронических заболеваниях кишечника, особенно у детей.