Белки (синоним протеины ) - высокомолекулярные азотистые органические соединения, являющиеся полимерами аминокислот. Белки - основная и необходимая составная часть всех организмов.
Сухое вещество большинства органов и тканей человека и животных, а также большая часть микроорганизмов состоят главным образом из белков. Белковые вещества лежат в основе важнейших процессов жизнедеятельности. Так, например, процессы обмена веществ (пищеварение, дыхание, выделение и др.) обеспечиваются деятельностью ферментов (см.), являющихся по своей природе белками. К белкам относятся и сократительные структуры, лежащие в основе движения, напр, сократительный белок мышц (актомиозин), опорные ткани организма (коллаген костей, хрящей, сухожилий), покровы организма (кожа, волосы, ногти и т. п.), состоящие главным образом из коллагенов, эластинов, кератинов, а также токсины, антигены и антитела, многие гормоны и другие биологически важные вещества.
Роль белков в живом организме подчеркивается уже самим их названием «протеины» (греческий protos первый, первичный), предложенным Мульдером (G. J. Mulder, 1838), который обнаружил, что в тканях животных и растений содержатся вещества, напоминающие по своим свойствам яичный белок. Постепенно было установлено, что белки представляют собой обширный класс разнообразных веществ, построенных по одинаковому плану. Отмечая первостепенное значение белков для процессов жизнедеятельности, Энгельс определил, что жизнь есть способ существовании белковых тел, заключающийся в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел.
Химический состав и структура белков
Белки содержат в среднем около 16% азота. При полном гидролизе белки распадаются с присоединением воды до аминокислот (см.). Молекулы белков представляют собой полимеры, которые состоят из остатков около 20 различных аминокислот, относящихся к природному L-ряду, то есть имеющих одинаковую конфигурацию альфа-углеродного атома, хотя их оптическое вращение может быть неодинаковым и не всегда направленным в одну сторону. Аминокислотный состав разных белков неодинаков и служит важнейшей характеристикой каждого белка, а также критерием его ценности в питании (см. раздел Белки в питании). Некоторые белки могут быть лишены тех или иных аминокислот. Например, белки кукурузы- зеин не содержит лизина и триптофана. Другие белки, напротив, очень богаты отдельными аминокислотами. Так, протамин лосося - сальмин содержит свыше 80% аргинина, фиброин шелка - около 40% глицина (аминокислотный состав некоторых белков представлен в табл. 1).
Таблица 1. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ НЕКОТОРЫХ БЕЛКОВ (в весовых процентах аминокислот белка)
|
Аминокислоты |
Сальмин |
Инсулин быка |
Гемоглобин лошади |
Альбумин сыворотки быка |
Кератин шерсти |
Фиброин шелка |
Зеин |
|
Аланин |
1,12 |
7,40 |
6,25 |
4,14 |
29,7 |
10,52 |
|
|
Глицин |
2,95 |
5,60 |
1,82 |
6,53 |
43,6 |
||
|
Валин |
3,14 |
7,75 |
9,10 |
5,92 |
4,64 |
3,98 |
|
|
Лейцин |
13,2 |
15,40 |
12,27 |
11,3 |
0,91 |
21,1 |
|
|
Изолейцин |
1,64 |
2,77 |
2,61 |
11,3 |
|||
|
Пролин |
5,80 |
2,02 |
3,90 |
4,75 |
0,74 |
10,53 |
|
|
Фенилаланин |
8,14 |
7,70 |
6,59 |
3,65 |
3,36 |
||
|
Тирозин |
12,5 |
3,03 |
5,06 |
4,65 |
12,8 |
5,25 |
|
|
Триптофан |
1,70 |
0,68 |
|||||
|
Серин |
5,23 |
5,80 |
4,23 |
10,01 |
16,2 |
7 ,05 |
|
|
Треонин |
2,08 |
4 ,36 |
5,83 |
6,42 |
3,45 |
||
|
Цистин/2 |
12,5 |
0,45 |
5,73 |
11 ,9 |
0,83 |
||
|
Метионин |
0,81 |
2,41 |
|||||
|
Аргинин |
85,2 |
3,07 |
3,65 |
5,90 |
10,04 |
1,71 |
|
|
Гистидин |
5,21 |
8,71 |
0,36 |
1 ,32 |
|||
|
Лизин |
2,51 |
8,51 |
12,82 |
2,76 |
0,68 |
||
|
Аспарагиновая кислота |
6,80 |
10,60 |
10,91 |
2,76 |
4,61 |
||
|
Глутаминовая кислота |
18,60 |
8,50 |
16,5 |
14,1 |
2,16 |
29,6 |
При неполном (обычно ферментативном) гидролизе белков, помимо свободных аминокислот, образуется ряд веществ с относительно небольшими молекулярными весами, называемых пептидами (см.) и полипептидами. В белках и пептидах аминокислотные остатки соединены между собой так называемой пептидной (кислотно-амидной) связью, образуемой карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты:
В зависимости от числа аминокислот такие соединения называют ди-, три-, тетрапептидами и т. д., например:
Длинные пептидные цепи (полипептиды), состоящие из десятков и сотен аминокислотных остатков, образуют основу структуры белковой молекулы. Многие белки состоят из одной полипептидной цепи, в других белках имеется две или более полипептидных цепей, соединенных между собой и образующих более сложную структуру. Длинные полипептидные цепи одинакового аминокислотного состава могут давать огромное число изомеров за счет различной последовательности отдельных аминокислотных остатков (подобно тому как из 20 букв алфавита можно составить множество различных слов и их сочетаний). Поскольку различные аминокислоты могут входить в состав полипептидов в разных соотношениях, число возможных изомеров становится практически бесконечным, и для каждого индивидуального белка последовательность аминокислот в полипептидных цепях является характерной и уникальной. Эта последовательность аминокислот определяет первичную структуру белка, которая в свою очередь определяется соответствующей последовательностью дезоксирибонуклеотидов в структурных генах ДНК данного организма. К настоящему времени изучена первичная структура многих белков, главным образом белковых гормонов, ферментов и некоторых других биологически активных белков. Последовательность аминокислот определяют путем ферментативного гидролиза беков и получения так называемых пептидных карт при помощи двухмерной хроматографии (см.) и электрофореза (см.). Каждый пептид исследуется на концевые аминокислоты до и после обработки аминополипептидазой - специфическим ферментом, последовательно отщепляющим аминоконцевые (N-концевые) аминокислоты, и карбоксиполипептидазой, отщепляющей карбоксиконцевые (С-концевые) аминокислоты. Для определения N-концевых аминокислот применяют реактивы, соединяющиеся со свободной аминогруппой концевой аминокислоты. Обычно используют динитрофторбензол (1-фтор-2,4-динитробензол), дающий динитрофенильное производное с N-концевой аминокислотой, которое затем может быть идентифицировано после гидролиза и хроматографического разделения гидролизата. Наряду с динитрофторбензолом, предложенным Сангером (F. Sanger), применяется также обработка фенилизотиоцианатом по Эдману (P. Edman). При этом с концевой аминокислотой образуется фенилтиогидантоин, который легко отщепляется от полипептидной цепи и может быть идентифицирован. Для определения С-концевых аминокислот применяют нагревание пептида в уксусном ангидриде с тиоцианатом аммония. В результате конденсации получается кольцо тиогидантоина, включающее радикал концевой аминокислоты, который затем легко отщепить от пептида и установить характер С-концевой аминокислоты. Последовательность аминокислот в белке устанавливают на основании последовательности пептидов, полученных с применением разных ферментов и с учетом специфичности каждого фермента, расщепляющего белок по пептидной связи, образованной определенной аминокислотой. Таким образом, определение первичной структуры белка представляет собой весьма кропотливую и длительную работу. Нашли успешное применение различные методы прямого определения последовательности аминокислот при помощи рентгеноструктурного анализа (см.) или путем масс-спектрометрии (см.) производных пептидов, получаемых при гидролизе белка разными ферментами.
Пространственно полипептидные цепи часто образуют спиральные конфигурации, удерживаемые при помощи водородных связей и образующие вторичную структуру белка. Чаще всего встречается так называемая а-спираль, в которой на один виток приходится 3,7 аминокислотных остатков.
Отдельные аминокислотные остатки в одной и той же или в разных полипептидных цепях могут быть соединены между собой при помощи дисульфидных или эфирных связей. Так, в молекуле мономера инсулина (рис. 1) дисульфидными связями соединены между собой 6 и 11-й остатки цистеина А-цепи и 7 и 20-й остатки цистеина А-цепи соответственно с 7 и 19-м остатками цистеина В-цепи. Такие связи придают полипептидной цепи, имеющей обычно спирализованные и неспирализованные участки, определенную конформацию, называемую третичной структурой белка.
Рис. 1. Схема аминокислотной последовательности в молекуле мономера инсулина быка. Вверху- цепь А, внизу- цепь В. Жирными линиями обозначены дисульфидные связи; в кружках - сокращенные названия аминокислот.
Под четвертичной структурой белка подразумевают образование комплексов из мономерных белковых молекул. Так, например, молекула гемоглобина состоит из четырех мономеров (двух альфа-цепей и двух бета-цепей). Четвертичная структура фермента лактатдегидрогеназы представляет собой тетрамер, состоящий из 4 мономерных молекул. Эти мономеры бывают двух типов: Н, характерный для сердечной мышцы, и М, характерный для скелетных мышц. Соответственно встречается 5 разных изоферментов лактатдегидрогеназы, представляющих собой тетрамеры из разных сочетаний этих двух мономеров - НННН, НННМ, ННММ, НМММ и ММММ. Структура белка определяет его биологические свойства, и даже небольшое нарушение конформации может весьма существенно отразиться на ферментативной активности или других биологических свойствах белка. Тем не менее наиболее важное значение имеет первичная структура белка, определяемая генетически и в свою очередь часто определяющая высшие структуры данного белка. Замена даже одного аминокислотного остатка в полипептидной цепи, состоящей из сотен аминокислот, может весьма существенно изменить свойства данного белка и даже полностью лишить его биологической активности. Так, например, гемоглобин, встречающийся в эритроцитах при серповидноклеточной анемии, отличается от нормального гемоглобина А лишь заменой остатка глутаминовой кислоты в 6-м положении р-цепи на остаток валина, то есть заменой лишь одной из 287 аминокислот. Однако этой замены достаточно для того, чтобы измененный гемоглобин обладал резко нарушенной растворимостью и в значительной мере утратил свою основную функцию переноса кислорода к тканям. С другой стороны, в строго определенной структуре инсулина (рис. 1) характер аминокислотных остатков в 8, 9 и 10-м положениях цепи А (между двумя остатками цистеина), по-видимому, не имеет существенного значения, поскольку эти три остатка обладают видовой специфичностью; в инсулине быка они представлены последовательностью ала-сер-вал, у овцы - ала-гли-вал, у лошади - тре-гли-иле, а в инсулине человека, свиньи и кита - тре-сер-иле.
Физико-химические свойства
Молекулярный вес большинства белков составляет от 10-15 тысяч до 100 тысяч, однако имеются белки с молекулярным весом 5-10 тысяч и несколько миллионов. Условно полипептиды с молекулярным весом ниже 5 тысяч относят к пептидам. Большинство белковых жидкостей и тканей организма (например, белки крови, яиц и др.) растворимы в воде или в растворах солей. Белки обычно дают опалесцирующие растворы, которые ведут себя как коллоидные. Имея в своем составе много гидрофильных групп, белки легко связывают молекулы воды и находятся в тканях в гидратированном состоянии, образуя растворы или гели. Многие белки богаты гидрофобными остатками и нерастворимы в обычных растворителях белков. Такие белки (например, коллаген и эластин соединительной ткани, фиброин шелка, кератины волос и ногтей) имеют фибриллярный характер, и их молекулы вытянуты в длинные волокна. Растворимые белки обычно представлены молекулами клубкообразной, глобулярной, формы. Однако разделение белков па глобулярные и фибриллярные не абсолютно, поскольку некоторые белки (например, актин мышц) способны обратимо превращаться из глобулярной конфигурации в фибриллярную в зависимости от условий среды.
Подобно аминокислотам белки являются типичными амфотерными электролитами (см. Амфолиты), то есть меняют свой электрический заряд в зависимости от pH среды. В электрическом поле белки движутся к аноду или к катоду в зависимости от знака электрического заряда молекулы, который определяется как свойствами данного белка, так и pH среды. Это движение в электрическом поле, называемое электрофорезом, применяют для аналитического и препаративного разделения белка, как правило различающихся по своей электрофоретической подвижности. При определенном pH, называемом изоэлектрической точкой (см.), неодинаковом для разных белков, число положительных и отрицательных зарядов молекулы равно друг другу, и молекула в целом электронейтральна и не движется в электрическом поле. Это свойство белка используется для их выделения и очистки методом изоэлектрической фокусировки, заключающемся в электрофорезе белка в градиенте pH, создаваемом системой буферных растворов. При этом можно подобрать такое значение pH, при котором нужный белок выпадает в осадок (поскольку растворимость белка в изоэлектрической точке наименьшая), а большинство «загрязняющих» белков останется в растворе.
Помимо pH, растворимость белков существенно зависит от присутствии и концентрации солей в растворе. Высокие концентрации солей одновалентных катионов (чаще всего применяют сернокислый аммоний) осаждают большинство белков. Механизм такого осаждения (высаливания) заключается в связывании ионами солей воды, образующей гидратную оболочку белковых молекул. Вследствие дегидратации растворимость белков понижается и они выпадают в осадок. Таков же механизм осаждения белков спиртами и ацетоном. Осаждение белков высаливанием или органическими жидкостями, смешивающимися с водой, применяют для разделения и выделения белков с сохранением их природных (нативных) свойств. При определенных условиях осаждения белки можно получить в кристаллическом виде и хорошо очистить от других белков и небелковых примесей. Ряд процедур такого рода применяют для получения кристаллических препаратов многих ферментов или других белков. Нагревание растворов белков до высокой температуры, а также осаждение белка солями тяжелых металлов или концентрированными кислотами, особенно трихлоруксусной, сульфосалициловой, хлорной, приводит к коагуляции (свертыванию) белка и образованию нерастворимого осадка. При таких воздействиях лабильные молекулы белка денатурируют, теряют свои биологические свойства, в частности ферментативную активность, становятся нерастворимыми в исходном растворителе. При денатурации нарушается нативная конфигурация белковой молекулы, и полипептидные цепи образуют беспорядочные клубки.
При ультрацентрифугировании белки осаждаются в поле ускорения центробежной силы со скоростью, зависящей главным образом от размеров белковых частиц. Соответственно для определения молекулярных весов белков применяют определение констант седиментации в ультрацентрифуге, а также скорости диффузии белков, фильтрование их через молекулярные сита, определение электрофоретической подвижности при электрофорезе в специальных условиях и некоторые другие методы.
Методы обнаружения и определения белков
Качественные реакции на белках основаны на их физико-химических свойствах или на реакциях определенных химических групп в молекуле белка. Однако, поскольку в состав молекулы белка входит большое количество разнообразных химических группировок, реакционная способность белков очень велика и ни одна из качественных реакций на белки не является строго специфичной. Заключение о присутствии белка может быть сделано лишь на основании совокупности ряда реакций. При анализе биологических жидкостей, например мочи, где могут появляться лишь определенные белки и известно, какие вещества могут мешать реакции, бывает достаточно даже одной реакции для установления присутствия или отсутствия белков. Реакции на белки подразделяют на реакции осаждения и цветные реакции. К первым относится осаждение концентрированными кислотами, причем в клинической практике чаще всего применяют осаждение азотной кислотой. Характерной реакцией является также осаждение белков сульфо-салициловой или трихлоруксусной кислотами (последняя часто применяется не только для обнаружения белков, но и для освобождения жидкостей от белков). Присутствие белков может быть обнаружено также но свертыванию при кипячении в слабокислой среде, осаждением спиртом, ацетоном и рядом других реактивов. Из цветных реакций весьма характерна биуретовая реакция (см.) - фиолетовое окрашивание с ионами меди в щелочной среде. Эта реакция зависит от присутствия в белках пептидных связей, образующих с медью окрашенное комплексное соединение. Название биуретовой реакции происходит от продукта нагревания мочевины биурета (H 2 N-CO-NH-CO-NH 2), являющегося простейшим соединением, дающим эту реакцию. Ксантопротеиновая реакция (см.) заключается в желтом окрашивании осадка белков при воздействии концентрированной азотной кислотой. Окрашивание появляется вследствие образования продуктов нитрования ароматических аминокислот, входящих в состав белковой молекулы. Реакция Миллона дает ярко-красное окрашивание с солями ртути и азотистой кислотой в кислой среде. На практике обычно используют азотную кислоту, которая всегда содержит небольшую примесь азотистой. Реакция специфична для фенольного радикала тирозина и поэтому получается только с белков, содержащими тирозин. Реакция Адамкевича обусловлена радикалом триптофана. Она дает фиолетовое окрашивание в концентрированной серной кислоте с уксусной к-той (см. Адамкевича реакция). Реакция получается при замене уксусной кислоты на различные альдегиды. При использовании уксусной кислоты реакция обусловлена глиоксиловой кислотой, содержащейся в уксусной как примесь. Количественно белки определяют обычно по белковому азоту, то есть по содержанию общего азота в осадке белков, отмытом от низкомолекулярных веществ, растворимых в осадителе. Азот в биохимических исследованиях и при клинических анализах обычно определяют методом Кьельдаля (см. Кьельдаля метод). Общее содержание белка в жидкостях часто определяют колориметрическими методами, в основе которых лежат разные модификации биуретовой реакции. Часто пользуются методом Лаури, в котором применяется реактив Фолина на тирозин в сочетании с биуретовой реакцией (см. Лаури метод).
Классификация белков
Из-за относительно больших размеров белковых молекул, сложности их строения и отсутствия достаточно точных данных о структуре большинства белков еще нет рациональной химической классификации белков. Существующая классификация в значительной мере условна и построена главным образом на основании физико-химических свойств белков, источников их получения, биологической активности и других, нередко случайных, признаков. Так, по физико-химическим свойствам белки делят на фибриллярные и глобулярные, на гидрофильные (растворимые) и гидрофобные (нерастворимые) и т. п. По источнику получения белки подразделяют на животные, растительные и бактериальные; на белки мышечные, нервной ткани, кровяной сыворотки и т. п.; по биологической активности - на белки-ферменты. белки-гормоны, структурные. Белки, сократительные белки, антитела и т. д. Следует, однако, иметь в виду, что из-за несовершенства самой классификации, а также вследствие исключительного многообразия белков многие из отдельных белков не могут быть отнесены ни к одной из описываемых здесь групп.
Все белки принято делить на простые, или протеины (собственно белки), и сложные, или протеиды (комплексы белков с небелковыми соединениями). Простые белки являются полимерами только аминокислот; сложные, помимо остатков аминокислот, содержат также небелковые, так называемые простетические группы.
Среди простых белков (протеинов) различают альбумины (см.), глобулины (см.) и ряд других белков.
Альбумины - легко растворимые глобулярные белки (например, альбумины сыворотки крови или яичного белка); растворяются в воде и солевых растворах с выпадением в осадок лишь при насыщении раствора сульфатом аммония.
Глобулины отличаются от альбуминов нерастворимостью в воде и выпадением в осадок при полунасыщении раствора сульфатом аммония. Глобулины обладают более высоким, чем альбумины, молекулярным весом и иногда содержат в своем составе углеводные группировки.
К протеинам относятся и растительные белки - проламины (см.), встречающиеся обычно совместно с глютелинами (см.) в семенах злаков (рожь, пшеница, ячмень и др.), образуя основную массу клейковины. Эти белки растворимы в 70-80% спирте и нерастворимы в воде; они богаты остатками пролина и глутаминовой кислоты. К проламинам относятся также глиадин пшеницы, зеин кукурузы, гордеин ячменя.
Склеропротеины (протеинонды, альбуминоиды) - структурные белки, нерастворимые в воде, в разведенных щелочах, кислотах и солевых растворах. К ним относятся фибриллярные белки главным образом животного происхождения, весьма устойчивые к перевариванию пищеварительными ферментами. Эти белки подразделяют на белки соединительной ткани: коллаген (см.) и эластин (см.); белки покровов - волос, ногтей и копыт, эпидермиса- кератины (см.), для которых характерно высокое содержание серы в виде остатка аминокислоты - цистина; белки коконов и других секретов шелкоотделительных желез насекомых (например, паутины) - фиброин (см.), состоящие более чем наполовину из остатков глицина и аланина.
Особую группу протеинов составляют протамины (см.) - сравнительно низкомолекулярные белки основного характера (в отличие от альбуминов, глобулинов и других тканевых белков, имеющих изоэлектрическую точку обычно в слабокислой среде). Протамины встречаются в сперме некоторых рыб и других животных и состоят более чем наполовину из диаминомонокарбоновых кислот. Так, протамины сельди - клупеин и лосося - сальмин содержат около 80% аргинина. Другие протамины содержат, помимо аргинина, также лизин или лизин и гистидин.
Рис. 2. Общая схема биосинтеза белка. Аминокислоты (1), взаимодействуя с АТФ, активируются, образуя аминоациладенилаты (2); последние под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы соединяются с транспортными РНК, или тРНК (3), и в виде комплекса аминоацил-тРНК (4) поступают в рибосомы, соединенные с мРНК, или полисомы (5). Полисомы образуются путем присоединения к мРНК сначала малой субчастицы (6), а затем и большой субчастицы (7) рибосом. В рибосоме (8), соединенной с мРНК, к мРНК присоединяются две аминоацил-тРНК, в результате чего между ними образуется пептидная связь. Таким образом происходит рост полипептидной цепи (9), которая освобождается по завершении ее синтеза (10) и далее трансформируется в белок (11).
Биосинтез белков протекает во всех клетках живых организмов и обеспечивает обновленце белков организма, процессы обмена веществ и их регуляцию, а также рост и дифференцировку органов и тканей. Белки синтезируются в тканях из свободных аминокислот при участии нуклеиновых кислот (см.). Процесс биосинтеза белков протекает с потреблением энергии, аккумулированной в виде АТФ (см. Аденозинфосфорные кислоты). При биосинтезе белков обеспечивается образование определенных белков строго специфической структуры, которая закодирована в структурных генах (цистронах) дезоксирибонуклеиновой кислоты, находящейся главным образом в хроматине ядер клеток (см. Генетический код). Информация, определяющая первичную структуру белков, передается на особый тип рибонуклеиновых кислот (РНК), называемых информационными, или матричными, РНК (мРНК), в виде комплементарной последовательности нуклеотидов. Этот процесс получил название транскрипции. мРНК соединяется с рибосомами (см.), представляющими собой рибонуклеопротеидные гранулы, более чем наполовину состоящие из особой рибосомной РНК (рРНК), синтезируемой также на специальных цистронах (генах) ДНК. Рибосомы состоят из двух субчастиц, на которые они способны обратимо диссоциировать при понижении концентрации ионов магния. Большая и малая субчастицы рибосом содержат но одной молекуле РНК с молекулярной массой соответственно около 1,7×10 6 и 0,7×10 6 и по нескольку десятков молекул белков. Соединившись с рибосомами, мРНК образует полирибосомы, или полисомы, на которых и происходит синтез полипептидных цепочек, образующих первичную структуру белков. Прежде чем соединиться с рибосомами аминокислоты активируются, затем соединяются с низкополимерными РНК-переносчиками, или транспортными РНК (тРНК) в виде комплексов, с которыми они и поступают в рибосомы. Общая схема биосинтеза белков представлена на рис. 2.
Активация аминокислот происходит при взаимодействии их с АТФ с образованием аминоациладенилата и освобождением пирофосфата: аминокислота + АТФ = аминоациладенилат + пирофосфат. Аминоациладенилат представляет собой смешанный ангидрид, образованный остатком фосфорной к-ты аденозинмонофосфата и карбоксильной группой аминокислоты, и является активированной формой аминокислоты. С аминоациладенилата остаток аминокислоты переносится на тРНК, специфичную для каждой аминокислоты, и в виде аминоацил-тРНК поступает в рибосомы. Образование аминоациладенилата и перенос аминокислотного остатка на тРНК катализируются одним и тем же ферментом (аминоациладенилатсинтетазой, или аминоацил-тРНК-синтетазой), строго специфичным для каждой аминокислоты и каждой тРНК. Все тРНК имеют сравнительно небольшой молекулярный вес (около 25 000) и содержат около 80 нуклеотидов. Они имеют крестообразную конфигурацию, напоминающую клеверный лист, причем нуклеотидная цепь образует двунитчатую структуру, удерживаемую комплементарными основаниями, и переходит в однонитчатую только в области петель. Начало нуклеотидной цепи, обычно представленное 5"-гуаниловым нуклеотидом, находится вблизи концевой, часто обменивающейся группировки из двух остатков цитидиловой кислоты и аденозина со свободной 3"-OH-группой, к которой и присоединяется остаток аминокислоты. На петле, находящейся у противоположного конца молекулы тРНК, имеется триплет оснований, комплементарный к триплету, кодирующему данную аминокислоту (кодону), и называемый антикодоном. Нуклеотидная последовательность многих тРНК уже установлена, известна и их полная структура.
Определенная последовательность аминокислот в первичной структуре синтезируемой полипептидной цепи обеспечивается информацией, записанной в последовательности нуклеотидов мРНК, отражающей соответствующую последовательность в цистронах ДНК. Каждая аминокислота кодируется определенными триплетами нуклеотидов мРНК. Эти триплеты (кодоны) представлены в табл. 2. Их расшифровка позволила установить нуклеотидный код РНК, или аминокислотный код, то есть способ, при помощи которого происходит трансляция, или перевод информации, записанной в последовательности нуклеотидов РНК в первичную структуру белков, или последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.
Таблица 2. РНК-АМИНОКИСЛОТНЫЙ КОД
|
Первый нуклеотид кодона (с 5"-конца) |
Второй нуклеотид кодона |
Третий нуклеотид кодона (с 3’-конца) |
|||
|
Фен |
Сер |
Тир |
Цис |
||
|
Фен |
Сер |
Тир |
Цис |
||
|
Лей |
Сер |
УАА |
УГА |
||
|
Лей |
Сер |
УАГ |
Три |
||
|
Лей |
Про |
Гис |
Арг |
||
|
Лей |
Про |
Гис |
Арг |
||
|
Лей |
Про |
Глн |
Арг |
||
|
Лей |
Про |
Глн |
Арг |
||
|
Иле |
Тре |
Асн |
Сер |
||
|
Иле |
Тре |
Асн |
Сер |
||
|
Иле |
Тре |
Лиз |
Арг |
||
|
Мет |
Тре |
Лиз |
Арг |
||
|
Вал |
Ала |
Асп |
Гли |
||
|
Вал |
Ала |
Асц |
Гли |
||
|
Вал |
Ала |
Глу |
Гли |
||
|
Вал |
Ала |
Глу |
Гли |
||
Примечание: У - уридиловая кислота, Ц - цитидиловая кислота, А - адениловая кислота, Г - гуаниловая кислота. Три буквы обозначают соответствующий аминокислотный остаток: напр.. Фен - фенилаланин. Иле - изолейцин, Глу - глутаминовая кислота, Глн - глутамин и т. п. Триплеты УАА, УАГ, УГА не кодируют аминокислот, но определяют терминацию полипептидной цепи.
Как видно из таблицы, из 64 возможных триплетов (61 кодируют определенные аминокислоты, то есть являются «смысловыми». Три триплета - УДА, УАГ и УГА - не кодируют аминокислот, однако их роль заключается в завершении (терминации) синтеза растущей полипептидной цепочки. Код является вырожденным, то есть почти все аминокислоты кодируются более чем одним триплетом нуклеотидов. Так, 3 аминокислоты - лейцин, аргинин и серии - кодируются шестью кодонами, 2 - метионин и триптофан - имеют только по одному кодону, а остальные 15 - от 2 до 4. Процесс трансляции осуществляется при помощи тРНК, нагруженных аминокислотами. Аминоацил-тРНК присоединяется своим комплементарным триплетом (антикодоном) к кодону мРНК в рибосоме. К соседнему кодону мРНК присоединяется другая аминоацил-тРНК. Первая тРНК при этом присоединяет свой аминокислотный остаток карбоксильным концом к аминогруппе второй аминокислоты, с образованием дипептида, а сама освобождается и отделяется от рибосомы. Далее, по мере продвижения рибосомы но цепи мРНК от 5"-конца к З"-концу, присоединяется третья аминоацил-РНК; происходит соединение дипептида карбоксильным концом с аминогруппой третьей аминокислоты с образованием трипептида и освобождением второй тРНК и так до тех пор, пока рибосома не пройдет весь участок, кодирующий данный белок на мРНК, соответствующий цистрону ДНК. Затем происходит терминация синтеза белков, и образовавшийся полипептид освобождается от рибосомы. За первой рибосомой в полисоме следует вторая, третья и т. д., которые последовательно считывают информацию на одной и той же нити мРНК в полисоме. Таким образом, рост полипептидной цепи происходит с N-конца к карбоксильному (С-) концу. Если подавить синтез белков, например, при помощи антибиотика пуромицина, то можно получить недостроенные полипептидные цепи с незавершенным на разных этапах С-концом. Аминоацил-тРНК присоединяется сначала к малой рибосомной субчастице, а затем переносится на большую субчастицу, на которой и происходит рост полипептидной цепочки. Согласно гипотезе А. С. Спирина во время работы рибосомы при биосинтезе белков происходит повторяющееся смыкание и размыкание субчастиц рибосом. Для воспроизведения синтеза белков вне организма, помимо рибосом, мРНК и аминоацил-тРНК, необходимо присутствие гуанозинтрифосфата (ГТФ), который расщепляется до ГДФ и снова регенерирует в процессе роста поли пептидной цепи. Необходимо также присутствие нескольких белковых факторов, выполняющих, по-видимому, ферментативную роль. Эти так называемые трансферные факторы взаимодействуют друг с другом и для своей активности требуют присутствия сульфгидрильных групп и ионов магния. Помимо собственно трансляции (то есть роста полипептидной цепи в определенной последовательности, соответствующей структурному гену ДНК и передаваемой последовательностью нуклеотидов в мРНК), особую роль играет начало (или инициация) трансляции и завершение (или терминация) ее. Инициация белкового синтеза в рибосоме, по крайней мере в бактериях, начинается с особых кодонов - инициаторов в мРНК - АУГ и ГУГ. Сначала с таким кодоном связывается малая субчастица рибосомы затем к ней присоединяется формилметионил-тРНК, с которой и начинается синтез полипептидной цепи. В силу особых свойств этой аминоацил-тРНК она способна переноситься на большую субчастнцуг подобно пептидил-тРНК, и таким образом начинать рост полипептидной цепи. Для инициации необходимы ГТФ и белковые факторы инициации (известно три). Терминация роста полипептидной цепи происходит на «бессмысленных» кодонах УАА, УАГ или УГА. По-видимому, эти кодоны связываются с особым белковым фактором терминации, который в присутствии еще одного фактора способствует освобождению полипептида.
Компоненты системы биосинтеза белков синтезируются главным образом в клеточном ядре. На матрице ДНК в процессе транскрипции происходит синтез всех типов РНК. участвующих: в этом процессе: рРНК, мРНК и тРНК. Так, рРНК и мРНК синтезируются в виде очень больших молекул и еще в клеточном ядре проходят процесс «созревания», в ходе которого часть (весьма значительная для мРНК) молекул отщепляется и подвергается распаду, не выходя в цитоплазму, а функционирующие молекулы, являющиеся частью первоначально синтезированных, поступают в цитоплазму к местам белкового синтеза. Прежде чем попасть в состав полисом, мРНК, по-видимому, с момента синтеза связывается с особыми белковыми частицами, «информоферами», и в виде рибонуклеопротеидного комплекса переносится к рибосомам. Рибосомы, очевидно, также «дозревают» в цитоплазме, часть белков присоединяется к предшественникам рибосом, выходящим из ядра, уже в цитоплазме. Следует отметить, что у низших, безъядерных организмов (прокариотов), к которым относятся бактерии, сине-зеленые водоросли и вирусы, имеются некоторые отличия от высших организмов в компонентах системы биосинтеза белков, и в особенности в его регуляции. Рибосомы у прокариотов несколько меньше по размерам и отличаются по составу, процесс транскрипции и трансляции непосредственно связан в одно целое. Вместе с тем у высших ядерных организмов (эукариотов) образование РНК происходит и в органеллах цитоплазмы, митохондриях и хлоропластах (у растений), обладающих собственной системой синтеза белка и собственной генетической информацией в виде ДНК. По своему устройству система белкового синтеза в митохондриях и хлоропластах аналогична таковой у прокариотов и существенно отличается от системы, имеющейся в ядре и цитоплазме высших животных и растений.
Регуляция биосинтеза белков представляет весьма сложную систему и позволяет клетке быстро и четко реагировать на изменения в окружающей клетку среде путем прекращения или индукции синтеза различных белков, часто обладающих ферментативной активностью. У бактерий подавление синтеза белков осуществляется главным образом при помощи особых белков - репрессоров (см. Оперон), синтезируемых специальными генами-регуляторами. Взаимодействие репрессора с метаболитом, поступающим из среды или синтезируемым в клетке, может подавить или, наоборот, активировать его, регулируя таким образом синтез одного белка или нескольких взаимосвязанных белков, в особенности ферментов, синтезирующихся также взаимосвязанно на одном опероне. У высших организмов в процессе дифференцировки ткани теряют способность к синтезу ряда белков и специализируются на синтезе меньшего числа белков, необходимых для функции данной ткани, например мышц. Такое блокирование синтеза ряда белков происходит, по-видимому, на уровне генома (см.) при помощи ядерных белков - гистонов (см.), связывающих нефункциональные участки ДНК. Однако при регенерации, злокачественном росте и других процессах, связанных с дедифференцировкой, такие заблокированные участки могут дерепрессироваться и поставлять мРНК для синтеза необычных для данной ткани белков. Тем не менее и у высших организмов имеет место регуляция синтеза белков в ответ на те или иные стимулы. Так, действие ряда гормонов заключается в индукции синтеза белков в ткани, являющейся «мишенью» данного гормона. Такая индукция, по-видимому, происходит путем связывания гормона с особым белком данной ткани и активацией гена посредством образованного комплекса.
Процесс биосинтеза белков и его регуляция требуют чрезвычайной четкости, точности и слаженности работы всех компонентов системы. Даже небольшие нарушения этой точности приводят к нарушению первичной структуры белков и тяжелым патологическим последствиям. Генетические нарушения, например, замена или потеря одного нуклеотида в структурном гене, приводят к синтезу измененного белка, нередко лишенного биологической активности. Такие изменения лежат в основе врожденных нарушений обмена веществ, к которым, по существу, относятся все наследственные болезни (см.). С другой стороны, целый ряд белков и ферментов может различаться не только у разных биологических видов, но и у разных индивидуумов, сохраняя при этом свою биологическую активность. Нередко такие белки обладают разными иммунологическими и электрофоретическими свойствами. В популяциях человека описаны многие примеры так называемого полиморфизма белков, когда у разных индивидуумов, а иногда и у одного и того же индивидуума можно обнаружить два или несколько неодинаковых белков, обладающих одной и той же функцией, как, например, гемоглобин (см.), гаптоглобин (см.) и некоторые другие.
Белки в питании
Среди многочисленных пищевых веществ белкам принадлежит наиболее важная роль. Они являются источниками незаменимых аминокислот и так называемого неспецифического азота, необходимых для синтеза белков человеческого организма. Выраженная недостаточность белков в питании приводит к тяжелым нарушениям функции организма (см. Алиментарная дистрофия). От уровня снабжения белками в большой степени зависит состояние здоровья, физического развития и- работоспособности человека, а у детей раннего возраста в определенной мере и умственное развитие. Если учесть все производимые для питания растительные и животные белки, то в среднем на каждого жителя Земли придется около 58 г в день. В действительности более половины населения, особенно развивающихся стран, не получает этого количества белка. Глобальный дефицит пищевого белка должен быть отнесен к числу наиболее острых экономических и социальных проблем современности (см. Кризис белковый). В связи с этим установление оптимальных уровней содержания белка в пищевых рационах приобретает первостепенную важность.
В наибольших количествах белки требуются в периоды интенсивного роста. Однако и в организме, достигшем зрелости, процессы жизнедеятельности связаны с непрерывной тратой белковых веществ и, следовательно, необходимостью воспол нения этих потерь с пищей. В соответствии с рекомендациями Экспертной группы ФАО/ВОЗ расчет потребности в белковом азоте следует проводить по формуле: R=1,1(U b +F b +S+G), где R - потребность в белковом азоте; U b - выделение азота с мочой; F b - выделение азота с калом; S - потеря азота за счет десквамации эпидермиса, роста волос, ногтей, выделения азота с потом при неинтенсивном потении; G - удержание азота в процессе роста (расчет ведется на 1 кг массы в день).
Коэффициент 1,1 отражает добавочные траты белков (в среднем 10%), возникающие в результате стрессовых реакций и неблагоприятных воздействий на организм. Границы индивидуальных вариаций потребностей в белках принимаются равными ±20%. Официальные рекомендации экспертной группы ФАО/ВОЗ отражены в табл. 3.
Таблица 3. СРЕДНЕСУТОЧНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В БЕЛКАХ (при условии его полного усвоения)*
|
Возраст (в годах) |
Потребность (в г на 1 кг массы тела в день) |
||
|
средняя |
-20% |
+20% |
|
|
Дети |
|||
|
1-3 |
0,88 |
0,70 |
1,06 |
|
4-6 |
0,81 |
0,65 |
0,97 |
|
7-9 |
0,77 |
0,62 |
0,92 |
|
10-12 |
0,72 |
0,58 |
0,86 |
|
Подростки |
|||
|
13-15 |
0,70 |
0,56 |
0,84 |
|
16-19 |
0,64 |
0,51 |
0,77 |
|
Взрослые |
0,59 |
0,47 |
0,71 |
- Величина потребности в азоте умножена на коэффициент 6,25.
Очевидно, что приведенные величины но соответствуют оптимальному снабжению человека белками и должны быть отнесены к минимальному уровню их содержания в рационе, при несоблюдении которого неизбежно сравнительно быстрое развитие серьезных последствий белковой недостаточности. Фактическое потребление белков в большинстве экономически развитых стран в 1,5 и даже 2 раза выше приведенных цифр. Согласно концепции сбалансированного питания, оптимальная потребность человека в белках зависит от многих факторов, включая физиологические особенности организма, качественную характеристику пищевых белков и содержание в рационе других пищевых веществ.
В СССР величины потребностей населения в белках зафиксированы в официально утверждаемых Министерством здравоохранения физиологических нормах питания, которые периодически пересматриваются и уточняются. Физиологические нормы питании являются средними ориентировочными величинами, отражающими оптимальные потребности отдельных групп населения в основных пищевых веществах и энергии (табл. 4).
|
Детское население |
||
|
возраст |
потребление белков |
|
|
всего |
животных |
|
|
0 - 3 мес . |
||
|
4- 6 мес . |
||
|
6- 12 мес . |
||
|
1 - 1,5 года |
||
|
1,5- 2 года |
||
|
3- 4 года |
||
|
5- 6 лет |
||
|
7-10 лет |
||
|
11 - 13 лет |
||
|
14- 17 лет (юноши) |
||
|
14- 17 лет (девушки) |
||
|
Взрослое население |
|||||
|
группы по характеру труда |
(в годах |
мужчины |
женщины |
||
|
потребление белков |
потребление белков |
||||
|
всего |
живот ных |
всего |
живот ных |
||
|
Труд , не связанный с физическими напряжениями |
18- 40 |
||||
|
Механизированный труд и сфера обслуживания с невысокой физической нагрузкой |
|||||
|
40 - 60 |
|||||
|
Механизированный труд и сфера обслуживания со значительной нагрузкой |
18 - 40 |
||||
|
Механизированный труд с большой физ . нагрузкой |
|||||
|
Пенсионный возраст |
60- 70 |
||||
|
Свыше |
|||||
|
Студенты |
|||||
|
Беременные 5 -9 мес . |
|||||
|
Кормящие |
|||||
В них предусматриваются дифференциация потребностей в белках, в зависимости от пола, возраста, характера труда и т. д. Рекомендуемые величины рассчитаны на основании изучения особенностей белкового обмена и азотистого баланса у соответствующих групп населения, причем они значительно выше минимальных потребностей в белках, необходимых для поддержания азотистого равновесия. Избыток белков необходим дли обеспечения дополнительных трат организма, связанных с физическими и нервными нагрузками, неблагоприятными воздействиями внешней среды, а также для поддержания оптимального иммунологического статуса. Специально выделены в нормах величины потребления наиболее ценных белков животного происхождения.
Физиологические нормы питания являются основой планирования производства тех или иных пищевых продуктов. При оценке полезности отдельных белковых продуктов учитывается их аминокислотный состав, степень перевариваемости ферментами пищеварительного тракта и интегральные показатели усвояемости, установленные в результате биологических экспериментов. На практике с определенной степенью условности белковые продукты делят на две группы. К первой относят продукты животного происхождения: молоко, мясо, яйца, рыбу, белки которых легко и полностью усваиваются организмом человека; ко второй - большинство продуктов растительного происхождения, в частности пшеницу, рис, кукурузу и другие злаковые, белки которых усваиваются организмом не полностью. Условность подобного деления подчеркивается высокой биологической ценностью ряда белков растительного происхождения (картофеля, гречихи, сои, подсолнечника) и низкой биологической ценностью белков некоторых животных продуктов (желатины, кожи, сухожилий и др.). Причины низкой усвояемости фибриллярных белков (кератина, эластина и коллагенов) заключаются в особенностях их третичной структуры и трудности переваривания ферментами пищеварительного тракта. С другой стороны, усвоение ряда белков растительного происхождения может зависеть от структуры растительных клеток и возникающих трудностей в контактировании белков с пищеварительными ферментами.
Полнота использования отдельных белков человеком или их биологическая ценность и первую очередь определяются степенью соответствия их аминокислотного состава дифферинцированным потребностям организма и в какой-то степени аминокислотному составу тела. Огромное разнообразие встречающихся в природе белков в основном построено из 20 аминокислот, 8 из них (триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин и фенилаланин) незаменимы для человека, так как не могут быть синтезированы в тканях организма (см. Аминокислоты). Дли маленьких детей девятой незаменимой аминокислотой является гистидин. Остальные аминокислоты относятся к числу заменимых и могут расцениваться в питании главным образом как поставщики неспецифического азота. Установлено, что лучшее усвоение белков пищи достигается при сбалансировании ее аминокислотного состава с «идеальными» аминокислотными шкалами. В качестве подобной шкалы в 1957 году была предложена так называемая предварительная аминокислотная шкала ФАО. Позднее было доказано, что содержание в ней ряда аминокислот, особенно триптофана и метионина, определено не вполне точно. В соответствии с результатами биологических исследований в качестве оптимальных в последние годы рекомендованы шкалы аминокислотного состава белков куриных яиц и женского молока. Белки этих двух продуктов самой природой предназначены для питания развивающихся организмов и практически полностью утилизируются как в опытах на экспериментальных животных, так и при использовании в питании детей раннего возраста.
Для определения соответствия аминокислотного состава белков потребностям человека предложен ряд индексов, каждый из которых имеет лишь ограниченную ценность. В их числе следует упомянуть индекс Н/О, отражающий отношение суммы незаменимых аминокислот (Н в мг) к общему содержанию азота белков (О в г), который помогает определению соотношении азота незаменимых, или эссенциальных, аминокислот и неспецифического азота. Чем ниже величина Н/О тем выше содержание неспецифического азота. Для белков молока и яиц этот индекс сравнительно высок - 3,1-3,25, для мяса - 2,79-2,94; для пшеницы - 2. Большое значение придается показателю аминокислотного скора, позволяющему получить более полное суждение о биологической ценности белка на основании его хим. состава.
Метод скора основан на подсчете в исследуемом продукте процента обеспечения каждой из незаменимых аминокислот по сравнению с идеальными аминокислотными шкалами.
С этой целью для каждой из эссенциальных аминокислот исследуемого белка рассчитывается величина I иссл, равная А иссл /Н иссл, отражающая отношение каждой незаменимой аминокислоты (А в мг) к сумме незаменимых аминокислот (Н в г); полученная цифра сопоставляется с величиной I ст, равной А ст /Н ст для той же аминокислоты, рассчитанной по стандартной шкале. В результате деления величин Iиссл на Iст и умножения на 100 получают показатель аминокислотного скора для каждой из незаменимых аминокислот. Лимитирующей биологическую ценность исследуемого белка является аминокислота, показатель аминокислотного скора для которой является наименьшим. В качестве стандартных шкал наряду с предварительной шкалой ФАО используют аминокислотные шкалы куриных яиц и женского молока (табл. 5).
Таблица 5. СТАНДАРТНЫЕ АМИНОКИСЛОТНЫЕ ШКАЛЫ
|
Аминокислоты |
Отношение незаменимой аминокислоты в мг к 1 г суммы незаменимых аминокислот (А /Н ) |
|||||
|
женское молоко |
куриные яйца |
женское молоко |
куриные яйца |
|||
|
Изолейцин |
||||||
|
Лейцин |
||||||
|
Лизин |
||||||
|
Сумма ароматических аминокислот : |
||||||
|
фенилаланин |
||||||
|
тирозин |
||||||
|
Сумма серосодержащих аминокислот : |
||||||
|
цистин |
||||||
|
метионин |
||||||
|
Треонин |
||||||
|
Триптофан |
||||||
|
Валин |
||||||
|
Сумма незаменимых аминокислот |
||||||
В соответствии с показателями аминокислотного скора (табл. 6) наименьшей биологической ценностью обладают белки ряда злаковых, особенно пшеницы (50%; лимитирующие аминокислоты - лизин и треонин); кукурузы (45%; лимитирующие аминокислоты - лизин и триптофан); проса (60%; лимитирующие аминокислоты - лизин и треонин); гороха (60%; лимитирующие аминокислоты - метионин и цистин). Показатель аминокислотного скора лимитирующей аминокислоты устанавливает предел использования азота данного вида белка для пластических целей. Избыток других содержащихся в белке аминокислот может использоваться только как источник неспецифического азота или для энергетических нужд организма. Метод изучения аминокислотного состава является одним из основных способов оценки качества белков. Обычно он позволяет получить показатели усвояемости, близкие по отношению к результатам более длительных и дорогостоящих методов биологического определения ценности белков. В то же время установление в ряде случаев достоверных расхождений между указанными показателями заставляет прибегать при исследовании новых белковых продуктов к интегральным методам биол. оценки как на лабораторных животных, так и непосредственно на людях. Эти методы основаны на изучении в балансовых опытах полноты использования отдельных белков растущими животными (показатель белковой эффективности рациона), соотношения удерживаемого организмом азота к азоту, адсорбированному из кишечника (показатель биол. ценности), отношения адсорбированного азота к общему азоту пищи (показатель истинной переваримости) и т. п. При постановке исследований по изучению биол, ценности белка обязательным является достаточно калорийное обеспечение рациона, его сбалансирование по всем незаменимым факторам питания(см. Сбалансированное питание) и сравнительно низкий уровень белков - в пределах 8- 10% от общей калорийности (см. Обмен веществ и энергии). Сопоставление показателей аминокислотного скора и утилизации белка, определенной в опытах на экспериментальных животных для некоторых продуктов, представлено в табл. 6.
Таблица 6. СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АМИНОКИСЛОТНОГО СКОРА И УТИЛИЗАЦИИ БЕЛКА
|
Продукты |
Аминокислотный скор |
Лимитирующие аминокислоты |
Показа -тели утилизации белка |
||
|
по шкале ФАО |
по женскому молоку |
по куриным яйцам |
|||
|
Молоко коровье |
|||||
|
Яйца |
|||||
|
Казеин |
|||||
|
Яичный альбумин |
Триптофан |
||||
|
Мясо говяжье |
|||||
|
Сердце говяжье |
|||||
|
Печень говяжья |
|||||
|
Почки говяжьи |
|||||
|
Свинина (вырезка ) |
|||||
|
Рыба |
Триптофан |
||||
|
Овес |
Лизин |
||||
|
Рожь |
Треонин |
||||
|
Рис |
Лизин |
||||
|
Кукурузная мука |
Триптофан |
||||
|
Просо |
во |
Лизин |
|||
|
Сорго |
|||||
|
Пшеничная мука |
|||||
|
Пшеничные зародыши |
|||||
|
Пшеничный глютент |
Лизин |
||||
|
Арахисовая мука |
|||||
|
Соевая мука |
|||||
|
Семена кунжута |
Лизин |
||||
|
Семена подсолнечника |
|||||
|
Семена хлопчатника |
|||||
|
Картофель |
|||||
|
Горох |
|||||
|
Батат (сладкий картофель ) |
|||||
|
Шпинат |
|||||
|
Кассава |
|||||
Важным преимуществом биологических методов оценки белков является их интегральность, дающая возможность учитывать весь комплекс свойств продуктов, влияющих на усвояемость входящих в них белков. Изучая биологическую ценность отдельных белков, не следует забывать, что практически во всех рационах питания используются не отдельные белки, а их комплексы, причем, как правило, различные белки взаимно дополняют друг друга, обеспечивая некоторые средние показатели усвоения белкового азота. При достаточно разнообразных смешанных диетах показатель переваримости белков рационов питания сравнительно постоянен и приближается к 85%, что нередко используется при проведении практических расчетов.
Рис. 2. Реакция Даниэлли на белки, содержащие тирозин, триптофан, гистидин в ушке сердца.
В основе гистохимических методов выявления белков лежат, как правило, биохимические методы, приспособленные для определения белков в тонких тканевых срезах. Следует иметь в виду, что биохимическая реакция может быть использована как гистохимическая в том случае, если продукт реакции имеет устойчивую цветную окраску, выпадает в осадок и не обладает выраженной склонностью к диффузии. Гистохимические методы выявления белков в тканях базируются на выявлении определенных аминокислот, входящих в состав белков (например, реакция Миллона на тирозин, реакция Сакагуши на аргинин, реакция Адамса на триптофан, реакция тетразониевого сочетания на гистидин, тирозин, триптофан и т. д.), на выявлении определенных химических групп (NH 2 =,COOH - ,SH=,SS = и т. п.), на применении некоторых физико-химических методов (цветн. рис. 1-3), определении изоэлектрической точки и т. д. Наконец, выяснить наличие в тканевом срезе некоторых аминокислот можно косвенным путем, определив наличие в тканях ферментов, связанных с этими аминокислотами (например, оксидазы D-аминокислот). Некоторые простые белки (коллаген, эластин, ретикулин, фибрин) выявляются в срезах с помощью многочисленных гистологических методов, среди которых предпочтительными являются так называемые полихромные методы (метод Маллори и его модификации, орсеинпикрофуксиновый метод Ромейса и др. Выявляются белки и при использовании методов люминесцентной микроскопии. Локализацию белков в тканях (миозинов, альбуминов, глобулинов, фибрина и т. д.) можно получить при помощи метода меченых антител по Кунсу и др. Эти методы и их модификации позволяют достаточно точно идентифицировать и определить локализацию отдельных белков, отличающихся друг от друга содержанием тех или иных аминокислот. Разрабатываются методы количественного определения белков, например, метод определения белков непрямой реакцией меченых антител, а также определения SH-групп по методу Барнетта и Зелигмана (см. Аминокислоты , гистохимические методы выявления аминокислот). Все упомянутые выше методы выявления белков в тканях обладают достаточной специфичностью и дают вполне достоверные результаты. Фиксация тканевого материала при использовании названных методов различна. Наиболее подходящими фиксаторами в большинстве случаев следует считать этиловый или метиловый спирт, обезвоженный ацетон, смесь этилового спирта с формалином, раствор трихлоруксусной кислоты на спирте, в некоторых случаях (для протеидов передней доли гипофиза) применяется формалин. Выбор фиксатора зависит от метода, время фиксации - от общего количества и характера ткани. Можно использовать криостатные или парафиновые срезы.
Радиоактивные белки
Радиоактивные белки - белковые вещества, в молекуле которых содержится один или несколько атомов радиоактивных изотопов каких-либо элементов. При радиоактивном мечении белков необходимо обеспечить прочность и возможно большую сохранность белковой молекулы. В качестве радиоактивной метки белков для биохимических экспериментальных исследований используются главным образом изотопы 3 Н и 14 С; при получении радиофармацевтических препаратов на основе белков применяют изотопы йода - 125 I и 131 I, а также изотопы 111 In, 113m In , 99м Tc и др. Введение изотопов йода в белки основано на электрофильном замещении водорода на йод в фенольном ядре тирозина молекулы белка или пептида. Меченый белок очищают от несвязанного йодида и других примесей (путем гельфильтрации, диализа, адсорбции, ионообмена, изоэлектрического осаждения и др.). Если белки не содержит тирозина, для проведения йодирования в него вводят содержащие радиоактивный йод заместители, или используют тирозинсодержащие аналоги, или же прибегают к метке другими радиоактивными изотопами (см.).
Радиоактивные белки имеют важное значение в изучении катаболизма и метаболизма белковых веществ в экспериментальных биохимических исследованиях. Кроме того, их используют в радиоизотопной диагностике in vivo и in vitro при изучении функционального состояния многих органов и систем организма в случае различных заболеваний. В исследованиях in vivo наибольшее применение находит альбумин сыворотки крови человека, меченный радиоактивными изотопами йода (125 I и 131 I), а также получаемые на его основе путем тепловой денатурации и агрегации с той же меткой микро-и макроагрегаты альбумина. С помощью меченого альбумина могут быть определены показатели гемодинамики и регионального кровообращения, объем циркулирующей крови и плазмы, произведено сканирование сердца и крупных сосудов (см. Сканирование), а также опухолей головного мозга. Микроагрегаты альбумина используют для сканирования печени и желудка, определения кровотока печени, а макроагрегаты - для сканирования легких.
Радиоактивные белки нашли широкое применение при определении микроколичеств гормонов, ферментов и других белковых веществ в тканях и средах организма животных и человека в исследованиях in vitro.
Библиография: Белки, под ред. Г. Нейрата и К. Бэйли, пер. с англ., т. 1-3, М., 1956 -1959, библиогр.; Биосинтез белка и нуклеиновых кислот, под ред. А. С. Спирина, М., 1965; Гауровнц Ф. Химия и функции белков, пер. с англ.. М., 1965; Ичас М. Биологический код, пер. с англ., М., 1971; Киселев Л. Л. и др. Молекулярные основы биосинтеза белков. М., 1971; Поглааов Б. Ф. Структура и функции сократительных белков, М., 1965; Спирин А. С. и Гаврилова Л. П. Рибосома, М., 1971; Химия и биохимия нуклеиновых кислот, под ред. И. Б. Збарского и С. С. Дебова, Л., 1968; Advances in protein chemistry, ed. by M. L. Anson a. J. T. Edsall, v. 1-28, N. Y., 1944-1974; Hess G. P. a. R up ley J. A. Structure and function of proteins, Ann. Rev. Biochcm., v. 40, p. 1013, 1971; In vitro procedures with radioisotopes in mcdlcinc, Proceedings of the symposium, Vienna, 1970; M a r g-l(n A. a. Nerrif ieldR.B. Chemical synthesis of peptides and proteins, Ann. Rev. Biochem.,v. 39,p. 841, 1970; Proteins, composition, structure, and function, ed. by H. Neurath, v. 1 - 5, N. Y.-L., 1963- 1970.
Б. в питании - Лавров Б. A. Учебник физиологии питания, с. 92, М., 1935; Молчанова О. П. Значение белка в питании для растущего и взрослого организма, в кн.: Вопр. пит., под ред. О. П. Молчановой, в. 2, с. 5, М., 1950; П о к р овский А. А. К вопросу о потребностях различных групп населения в энергии и основных пищевых веществах, Вестн. АМН СССР, № 10, с. 3, 1966, библиогр.; он же, Фиэиолого-биохимические основы разработки продуктов детского питания, М., 1972; Energy
Гистохимические методы выявления Б. в тканях - Кисели Д. Практическая микротехника и гистохимия, пер. с веягер., с. 119, 152, Будапешт» 1962; Л и л-л я р. Патогистологическая техника и Фактическая гистохимия, пер. с англ., с. 509, М., 1969; П и р с Э. Гистохимия, пер. е англ.. М., 1962; Принципы и методы гп-гго-цитохимического анализа в патологии, аод ред. А. П. Авцына и др., с. 238, JI., ".971; Р е а г s е A. G. Е. Histochemistry, т. 1-2, Edinburgh - L., 1969-1972.
И. Б. Збарский; А. А. Покровский (пит.), В. В. Седов (рад.), Р. А. Симакова (гист.).
Содержание статьи
БЕЛКИ (статья 1) – класс биологических полимеров, присутствующих в каждом живом организме. С участием белков проходят основные процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма: дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, передача нервных импульсов. Костная ткань, кожный, волосяной покров, роговые образования живых существ состоят из белков. Для большинства млекопитающих рост и развитие организма происходит за счет продуктов, содержащих белки в качестве пищевого компонента. Роль белков в организме и, соответственно, их строение весьма разнообразно.
Состав белков.
Все белки представляют собой полимеры, цепи которых собраны из фрагментов аминокислот. Аминокислоты – это органические соединения, содержащие в своем составе (в соответствии с названием) аминогруппу NH 2 и органическую кислотную, т.е. карбоксильную, группу СООН. Из всего многообразия существующих аминокислот (теоретически количество возможных аминокислот неограниченно) в образовании белков участвуют только такие, у которых между аминогруппой и карбоксильной группой – всего один углеродный атом. В общем виде аминокислоты, участвующие в образовании белков, могут быть представлены формулой: H 2 N–CH(R)–COOH. Группа R, присоединенная к атому углерода (тому, который находится между амино- и карбоксильной группой), определяет различие между аминокислотами, образующими белки. Эта группа может состоять только из атомов углерода и водорода, но чаще содержит помимо С и Н различные функциональные (способные к дальнейшим превращениям) группы, например, HO-, H 2 N- и др. Существует также вариант, когда R = Н.
В организмах живых существ содержится более 100 различных аминокислот, однако, в строительстве белков используются не все, а только 20, так называемых «фундаментальных». В табл. 1 приведены их названия (большинство названий сложилось исторически), структурная формула, а также широко применяемое сокращенное обозначение. Все структурные формулы расположены в таблице таким образом, чтобы основной фрагмент аминокислоты находился справа.
| Название | Структура | Обозначение |
| ГЛИЦИН | ГЛИ | |
| АЛАНИН | АЛА | |
| ВАЛИН | ВАЛ | |
| ЛЕЙЦИН | ЛЕЙ | |
| ИЗОЛЕЙЦИН | ИЛЕ | |
| СЕРИН | СЕР | |
| ТРЕОНИН | ТРЕ | |
| ЦИСТЕИН | ЦИС | |
| МЕТИОНИН | МЕТ | |
| ЛИЗИН | ЛИЗ | |
| АРГИНИН | АРГ | |
| АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА | АСН | |
| АСПАРАГИН | АСН | |
| ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА | ГЛУ | |
| ГЛУТАМИН | ГЛН | |
| ФЕНИЛАЛАНИН | ФЕН | |
| ТИРОЗИН | ТИР | |
| ТРИПТОФАН | ТРИ | |
| ГИСТИДИН | ГИС | |
| ПРОЛИН | ПРО | |
| В международной практике принято сокращенное обозначение перечисленных аминокислот с помощью латинских трехбуквенных или однобуквенных сокращений, например, глицин – Gly или G, аланин – Ala или A. | ||
Среди этих двадцати аминокислот (табл. 1) только пролин содержит рядом с карбоксильной группой СООН группу NH (вместо NH 2), так как она входит в состав циклического фрагмента.
Восемь аминокислот (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан), помещенные в таблице на сером фоне, называют незаменимыми, поскольку организм для нормального роста и развития должен постоянно получать их с белковой пищей.
Белковая молекула образуется в результате последовательного соединения аминокислот, при этом карбоксильная группа одной кислоты взаимодействует с аминогруппой соседней молекулы, в результате образуется пептидная связь –CO–NH– и выделяется молекула воды. На рис. 1 показано последовательное соединение аланина, валина и глицина.
Рис. 1 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ при образовании белковой молекулы. В качестве основного направления полимерной цепи выбран путь от концевой аминогруппы H 2 N к концевой карбоксильной группе COOH.
Чтобы компактно описать строение белковой молекулы, используют сокращенные обозначения аминокислот (табл. 1, третий столбец), участвующих в образовании полимерной цепи. Фрагмент молекулы, показанный на рис. 1, записывают следующим образом: H 2 N-АЛА-ВАЛ-ГЛИ-COOH.
Белковые молекулы содержат от 50 до 1500 аминокислотных остатков (более короткие цепи называют полипептидами). Индивидуальность белка определяется набором аминокислот, из которых составлена полимерная цепь и, что не менее важно, порядком их чередования вдоль цепи. Например, молекула инсулина состоит из 51 аминокислотного остатка (это один из самых короткоцепных белков) и представляет собой две соединенных между собой параллельных цепи неодинаковой длины. Порядок чередования аминокислотных фрагментов показан на рис. 2.
Рис. 2 МОЛЕКУЛА ИНСУЛИНА , построенная из 51 аминокислотного остатка, фрагменты одинаковых аминокислот отмечены соответствующей окраской фона. Содержащиеся в цепи остатки аминокислоты цистеина (сокращенное обозначение ЦИС) образуют дисульфидные мостики –S-S-, которые связывают две полимерных молекулы, либо образуют перемычки внутри одной цепи.
Молекулы аминокислоты цистеина (табл. 1) содержат реакционно-способные сульфгидридные группы –SH, которые взаимодействуют между собой, образуя дисульфидные мостики –S-S-. Роль цистеина в мире белков особая, с его участием образуются поперечные сшивки между полимерными белковыми молекулами.
Объединение аминокислот в полимерную цепь происходит в живом организме под управлением нуклеиновых кислот, именно они обеспечивают строгий порядок сборки и регулируют фиксированную длину полимерной молекулы (см . НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ).
Структура белков.
Состав белковой молекулы, представленный в виде чередующихся остатков аминокислот (рис. 2), называют первичной структурой белка. Между присутствующими в полимерной цепи имино-группами HN и карбонильными группами CO возникают водородные связи (см . ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ), в результате молекула белка приобретает определенную пространственную форму, называемую вторичной структурой. Наиболее распространены два типа вторичной структуры белков.
Первый вариант, называемый α-спиралью, реализуется с помощью водородных связей внутри одной полимерной молекулы. Геометрические параметры молекулы, определяемые длинами связей и валентными углами, таковы, что образование водородных связей оказывается возможным для групп H-N и C=O, между которыми находятся два пептидных фрагмента H-N-C=O (рис. 3).
Состав полипептидной цепи, показанной на рис. 3, записывают в сокращенном виде следующим образом:
H 2 N-АЛА ВАЛ-АЛА-ЛЕЙ-АЛА-АЛА-АЛА-АЛА-ВАЛ-АЛА-АЛА-АЛА-COOH.
В результате стягивающего действия водородных связей молекула приобретает форму спирали – так называемая α-спираль, ее изображают в виде изогнутой спиралевидной ленты, проходящей через атомы, образующие полимерную цепь (рис. 4)
Рис. 4 ОБЪЕМНАЯ МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛЫ БЕЛКА в форме α-спирали. Водородные связи показаны зелеными пунктирными линиями. Цилиндрическая форма спирали видна при определенном угле поворота (атомы водорода на рисунке не показаны). Окраска отдельных атомов дана в соответствии с международными правилами, которые рекомендуют для атомов углерода черный цвет, для азота – синий, для кислорода – красный, для серы – желтый цвет (для не показанных на рисунке атомов водорода рекомендован белый цвет, в этом случае всю структуру изображают на темном фоне).
Другой вариант вторичной структуры, называемый β-структурой, образуется также при участии водородных связей, отличие состоит в том, что взаимодействуют группы H-N и C=O двух или более полимерных цепей, расположенных параллельно. Поскольку полипептидная цепь имеет направление (рис. 1), возможны варианты, когда направление цепей совпадает (параллельная β-структура, рис. 5), либо они противоположны (антипараллельная β-структура, рис. 6).
В образовании β-структуры могут участвовать полимерные цепи различного состава, при этом органические группы, обрамляющие полимерную цепь (Ph, CH 2 ОН и др.), в большинстве случаев играют второстепенную роль, решающее значение имеет взаиморасположение групп H-N и C=O. Поскольку относительно полимерной цепи H-N и C=O группы направлены в различные стороны (на рисунке – вверх и вниз), становится возможным одновременное взаимодействие трех и более цепей.
Состав первой полипептидной цепи на рис. 5:
H 2 N-ЛЕЙ-АЛА-ФЕН-ГЛИ-АЛА-АЛА-COOH
Состав второй и третей цепи:
H 2 N-ГЛИ-АЛА-СЕР-ГЛИ-ТРЕ-АЛА-COOH
Состав полипептидных цепей, показанных на рис. 6, тот же, что и на рис. 5, отличие в том, что вторая цепь имеет противоположное (в сравнении с рис. 5) направление.
Возможно образование β-структуры внутри одной молекулы, когда фрагмент цепи на определенном участке оказывается повернутым на 180°, в этом случае две ветви одной молекулы имеют противоположное направление, в результате образуется антипараллельная β-структура (рис. 7).
Структура, показанная на рис. 7 в плоском изображении, представлена на рис. 8 в виде объемной модели. Участки β-структуры принято упрощенно обозначать плоской волнистой лентой, которая проходит через атомы, образующие полимерную цепь.
В структуре многих белков чередуются участки α-спирали и лентообразные β-структуры, а также одиночные полипептидные цепи. Их взаиморасположение и чередование в полимерной цепи называют третичной структурой белка.
Способы изображения структуры белков показаны далее на примере растительного белка крамбина. Структурные формулы белков, содержащих часто до сотни аминокислотных фрагментов, сложны, громоздки и трудны для восприятия, поэтому иногда используют упрощенные структурные формулы – без символов химических элементов (рис. 9, вариант А), но при этом сохраняют окраску валентных штрихов в соответствии с международными правилами (рис. 4). Формулу при этом представляют не в плоском, а в пространственном изображении, что соответствует реальной структуре молекулы. Такой способ позволяет, например, различить дисульфидные мостики (подобные тем, которые есть в инсулине, рис. 2), фенильные группы в боковом обрамлении цепи и др. Изображение молекул в виде объемных моделей (шарики, соединенные стержнями) несколько более наглядно (рис. 9, вариант Б). Однако оба способа не позволяют показать третичную структуру, поэтому американский биофизик Джейн Ричардсон предложил изображать α-структуры в виде спирально закрученных лент (см. рис. 4), β-структуры – в виде плоских волнистых лент (рис. 8), а соединяющие их одиночные цепи – в форме тонких жгутов, каждый тип структуры имеет свою окраску. Сейчас широко применяют такой способ изображения третичной структуры белка (рис. 9, вариант В). Иногда для большей информативности показывают совместно третичную структуру и упрощенную структурную формулу (рис. 9, вариант Г). Есть и модификации способа, предложенного Ричардсоном: α-спирали изображают в виде цилиндров, а β-структуры – в форме плоских стрелок, указывающих и направление цепи (рис. 9, вариант Д). Менее распространен способ, при котором всю молекулу изображают в виде жгута, где неодинаковые структуры выделяют различающейся окраской, а дисульфидные мостики показывают в виде желтых перемычек (рис. 9, вариант Д).
Наиболее удобен для восприятия вариант В, когда при изображении третичной структуры особенности строения белка (аминокислотные фрагменты, порядок их чередования, водородные связи) не указывают, при этом исходят из того, что все белки содержат «детали», взятые из стандартного набора двадцати аминокислот (табл. 1). Основная задача при изображении третичной структуры – показать пространственное расположение и чередование вторичных структур.
Рис. 9 РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ СТРУКТУРЫ БЕЛКА КРАМБИНА
.
А– структурная формула в пространственном изображении.
Б – структура в виде объемной модели.
В – третичная структура молекулы.
Г – сочетание вариантов А и В.
Д – упрощенное изображение третичной структуры.
Е – третичная структура с дисульфидными мостиками.
Наиболее удобна для восприятия объемная третичная структура (вариант В), освобожденная от деталей структурной формулы.
Белковая молекула, обладающая третичной структурой, как правило, принимает определенную конфигурацию, которую формируют полярные (электростатические) взаимодействия и водородные связи. В результате молекула приобретает форму компактного клубка – глобулярные белки (globules, лат . шарик), либо нитевидную – фибриллярные белки (fibra, лат . волокно).
Пример глобулярной структуры – белок альбумин, к классу альбуминов относят белок куриного яйца. Полимерная цепь альбумина собрана, основном, из аланина, аспаргиновой кислоты, глицина, и цистеина, чередующихся в определенном порядке. Третичная структура содержит α-спирали, соединенные одиночными цепями (рис. 10).
Рис. 10 ГЛОБУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА АЛЬБУМИНА
Пример фибриллярной структуры – белок фиброин. Он содержат большое количество остатков глицина, аланина и серина (каждый второй аминокислотный остаток – глицин); остатки цистеина, содержащего сульфгидридные группы, отсутствуют. Фиброин – основной компонент натурального шелка и паутины, содержит β-структуры, соединенные одиночными цепями (рис. 11).
Рис. 11 ФИБРИЛЛЯРНЫЙ БЕЛОК ФИБРОИН
Возможность образования третичной структуры определенного типа заложена в первичной структуре белка, т.е. определена заранее порядком чередования аминокислотных остатков. Из определенных наборов таких остатков преимущественно возникают α-спирали (подобных наборов существует достаточно много), другой набор приводит к появлению β-структур, одиночные цепи характеризуются своим составом.
Некоторые белковые молекулы, сохраняя третичную структуру, способны объединяться в крупные надмолекулярные агрегаты, при этом их удерживают вместе полярные взаимодействия, а также водородные связи. Такие образования называют четвертичной структурой белка. Например, белок ферритин, состоящий в основной массе из лейцина, глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты и гиститдина (в феррицине есть в различном количестве все 20 аминокислотных остатков) образует третичную структуру из четырех параллельно уложенных α-спиралей. При объединении молекул в единый ансамбль (рис. 12) образуется четвертичная структура, в которую может входить до 24 молекул ферритина.
Рис.12 ОБРАЗОВАНИЕ ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ГЛОБУЛЯРНОГО БЕЛКА ФЕРРИТИНА
Другой пример надмолекулярных образований – структура коллагена. Это фибриллярный белок, цепи которого построены в основном из глицина, чередующегося с пролином и лизином. Структура содержит одиночные цепи, тройные α-спирали, чередующиеся с лентообразными β-структурами, уложенными в виде параллельных пучков (рис. 13).
Рис.13 НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ФИБРИЛЛЯРНОГО БЕЛКА КОЛЛАГЕНА
Химические свойства белков.
При действии органических растворителей, продуктов жизнедеятельности некоторых бактерий (молочнокислое брожение) или при повышении температуры происходит разрушение вторичных и третичных структур без повреждения его первичной структуры, в результате белок теряет растворимость и утрачивает биологическую активность, этот процесс называют денатурацией, то есть потерей натуральных свойств, например, створаживание кислого молока, свернувшийся белок вареного куриного яйца. При повышенной температуре белки живых организмов (в частности, микроорганизмов) быстро денатурируют. Такие белки не способны участвовать в биологических процессах, в результате микроорганизмы погибают, поэтому кипяченое (или пастеризованное) молоко может дольше сохраняться.
Пептидные связи H-N-C=O, образующие полимерную цепь белковой молекулы, в присутствии кислот или щелочей гидролизуются, при этом происходит разрыв полимерной цепи, что, в конечном итоге, может привести к исходным аминокислотам. Пептидные связи, входящие в состав α-спиралей или β-структур, более устойчивы к гидролизу и различным химическим воздействиям (по сравнению с теми же связями в одиночных цепях). Более деликатную разборку белковой молекулы на составляющие аминокислоты проводят в безводной среде с помощью гидразина H 2 N–NH 2 , при этом все аминокислотные фрагменты, кроме последнего, образуют так называемые гидразиды карбоновых кислот, содержащие фрагмент C(O)–HN–NH 2 (рис. 14).
Рис. 14. РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА
Подобный анализ может дать информацию об аминокислотном составе того или иного белка, однако важнее знать их последовательность в белковой молекуле. Одна из широко применяемых для этой цели методик – действие на полипептидную цепь фенилизотиоцианата (ФИТЦ), который в щелочной среде присоединяется к полипептиду (с того конца, который содержит аминогруппу), а при изменении реакции среды на кислую, отсоединяется от цепи, унося с собой фрагмент одной аминокислоты (рис. 15).
Рис. 15 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА
Разработано много специальных методик для подобного анализа, в том числе и такие, которые начинают «разбирать» белковую молекулу на составляющие компоненты, начиная с карбоксильного конца.
Поперечные дисульфидные мостики S-S (образовавшиеся при взаимодействии остатков цистеина, рис. 2 и 9) расщепляют, превращая их в HS-группы действием различных восстановителей. Действие окислителей (кислорода или перекиси водорода) приводит вновь к образованию дисульфидных мостиков (рис. 16).
Рис. 16. РАСЩЕПЛЕНИЕ ДИСУЛЬФИДНЫХ МОСТИКОВ
Для создания дополнительных поперечных сшивок в белках используют реакционную способность амино- и карбоксильных групп. Более доступны для различных взаимодействий аминогруппы, которые находятся в боковом обрамлении цепи – фрагменты лизина, аспарагина, лизина, пролина (табл. 1). При взаимодействии таких аминогрупп с формальдегидом идет процесс конденсации и возникают поперечные мостики –NH–CH2–NH– (рис. 17).
Рис. 17 СОЗДАНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ МОСТИКОВ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ БЕЛКА .
Концевые карбоксильные группы белка способны реагировать с комплексными соединениями некоторых поливалентных металлов (чаще применяют соединения хрома), при этом также возникают поперечные сшивки. Оба процесса используются при дублении кожи.
Роль белков в организме.
Роль белков в организме разнообразна.
Ферменты (fermentatio лат . – брожение), другое их название – энзимы (en zumh греч . – в дрожжах) – это белки, обладающие каталитической активностью, они способны увеличивать скорости биохимических процессов в тысячи раз. Под действием ферментов составные компоненты пищи: белки, жиры и углеводы – расщепляются до более простых соединений, из которых затем синтезируются новые макромолекулы, необходимые организму определенного типа. Ферменты принимают участие и во многих биохимических процессах синтеза, например, в синтезе белков (одни белки помогают синтезировать другие). См . ФЕРМЕНТЫ
Ферменты не только высокоэффективные катализаторы, но и селективные (направляют реакцию строго в заданном направлении). В их присутствии реакция проходит практически со 100%-ным выходом без образования побочных продуктов и при этом условия протекания – мягкие: обычное атмосферное давление и температура живого организма. Для сравнения, синтез аммиака из водорода и азота в присутствии катализатора – активированного железа – проводят при 400–500° С и давлении 30 МПа, выход аммиака 15–25% за один цикл. Ферменты считаются непревзойденными катализаторами.
Интенсивное исследование ферментов началось в середине 19 в., сейчас изучено более 2000 различных ферментов, это самый многообразный класс белков.
Названия ферментов составляют следующим образом: к наименованию реагента, с которым взаимодействует фермент, или к названию катализируемой реакции добавляют окончание -аза, например, аргиназа разлагает аргинин (табл. 1), декарбоксилаза катализирует декарбоксилирование, т.е. отщепление СО 2 от карбоксильной группы:
– СООН → – СН + СО 2
Часто, для более точного обозначения роли фермента в его названии указывают и объект, и тип реакции, например, алкогольдегидрогеназа – фермент, осуществляющий дегидрирование спиртов.
Для некоторых ферментов, открытых достаточно давно, сохранилось историческое название (без окончания –аза), например, пепсин (pepsis, греч . пищеварение) и трипсин (thrypsis греч . разжижение), эти ферменты расщепляют белки.
Для систематизации ферменты объединяют в крупные классы, в основу классификации положен тип реакции, классы именуют по общему принципу – название реакции и окончание – аза. Далее перечислены некоторые из таких классов.
Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Входящие в этот класс дегидрогеназы осуществляют перенос протона, например алкогольдегидрогеназа (АДГ) окисляет спирты до альдегидов, последующее окисление альдегидов до карбоновых кислот катализируют альдегиддегидрогеназы (АЛДГ). Оба процесса происходят в организме при переработке этанола в уксусную кислоту (рис. 18).
Рис. 18 ДВУХСТАДИЙНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЭТАНОЛА до уксусной кислоты
Наркотическим действием обладает не этанол, а промежуточный продукт ацетальдегид, чем ниже активность фермента АЛДГ, тем медленнее проходит вторая стадия – окисление ацетальдегида до уксусной кислоты и тем дольше и сильнее проявляется опьяняющее действие от приема внутрь этанола. Анализ показал, что более чем у 80% представителей желтой расы относительно низкая активность АЛДГ и потому заметно более тяжелая переносимость алкоголя. Причина такой врожденной пониженной активности АЛДГ состоит в том, что часть остатков глутаминовой кислоты в молекуле «ослабленной» АЛДГ заменена фрагментами лизина (табл. 1).
Трансферазы – ферменты, катализирующие перенос функциональных групп, например, трансиминаза катализирует перемещение аминогруппы.
Гидролазы – ферменты, катализирующие гидролиз. Упомянутые ранее трипсин и пепсин осуществляют гидролиз пептидных связей, а липазы расщепляют сложноэфирную связь в жирах:
–RС(О)ОR 1 +Н 2 О → –RС(О)ОН + НОR 1
Лиазы – ферменты, катализирующие реакции, которые проходят не гидролитическим путем, в результате таких реакций происходит разрыв связей С-С, С-О, С-N и образование новых связей. Фермент декарбоксилаза относится к этому классу
Изомеразы
– ферменты, катализирующие изомеризацию, например, превращение малеиновой кислоты в фумаровую (рис. 19), это пример цис – транс изомеризации (см. ИЗОМЕРИЯ).
Рис. 19. ИЗОМЕРИЗАЦИЯ МАЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ в фумаровую в присутствии фермента.
В работе ферментов соблюдается общий принцип, в соответствии с которым всегда есть структурное соответствие фермента и реагента ускоряемой реакции. По образному выражению одного из основателей учения о ферментах Э.Фишера , реагент подходит к ферменту, как ключ к замку. В связи с этим каждый фермент катализирует определенную химическую реакцию или группу реакций одного типа. Иногда фермент может действовать на одно единственное соединение, например, уреаза (uron греч . – моча) катализирует только гидролиз мочевины:
(H 2 N) 2 C = O + H 2 O = CO 2 + 2NH 3
Наиболее тонкую избирательность проявляют ферменты, различающие оптически активные антиподы – лево- и правовращающие изомеры. L-аргиназа действует только на левовращающий аргинин и не затрагивает правовращающий изомер. L-лактатдегидрогеназа действует только на левовращающие эфиры молочной кислоты, так называемые лактаты (lactis лат . молоко), в то время как D-лактатдегидрогеназа расщепляет исключительно D-лактаты.
Большая часть ферментов действует не на одно, а на группу родственных соединений, например, трипсин «предпочитает» расщеплять пептидные связи образованные лизином и аргинином (табл. 1.)
Каталитические свойства некоторых ферментов, таких как гидролазы, определяются исключительно строением самой белковой молекулы, другой класс ферментов – оксидоредуктазы (например, алкогольдегидрогеназа) могут проявлять активность только в присутствии связанных с ними небелковых молекул – витаминов, активирующих ионов Mg, Са, Zn, Мn и фрагментов нуклеиновых кислот (рис. 20).
Рис. 20 МОЛЕКУЛА АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗЫ
Транспортные белки связывают и переносят различные молекулы или ионы через мембраны клеток (как внутрь клетки, так и вовне), а также от одного органа к другому.
Например, гемоглобин связывает кислород при прохождении крови через легкие и доставляет его к различным тканям организма, где кислород высвобождается и затем используется для окисления компонентов пищи, этот процесс служит источником энергии (иногда употребляют термин «сжигание» пищевых продуктов в организме).
Помимо белковой части гемоглобин содержит комплексное соединение железа с циклической молекулой порфирином (porphyros греч . – пурпур), что и обусловливает красный цвет крови. Именно этот комплекс (рис. 21, слева) играет роль переносчика кислорода. В гемоглобине порфириновый комплекс железа располагается внутри белковой молекулы и удерживается с помощью полярных взаимодействий, а также координационной связи с азотом в гистидине (табл. 1), входящем в состав белка. Молекула О2, которую переносит гемоглобин, присоединяется с помощью координационной связи к атому железа со стороны, противоположной той, к которой присоединен гистидин (рис. 21, справа).
Рис. 21 СТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСА ЖЕЛЕЗА
Справа показано строение комплекса в форме объемной модели. Комплекс удерживается в белковой молекуле с помощью координационной связи (синий пунктир) между атомом Fe и атомом N в гистидине, входящим в состав белка. Молекула О 2 , которую переносит гемоглобин, присоединена координационно (красный пунктир) к атому Fe с противоположной страны плоского комплекса.
Гемоглобин – один из наиболее подробно изученных белков, он состоит из a-спиралей, соединенных одиночными цепями, и содержит в своем составе четыре комплекса железа. Таким образом, гемоглобин представляет собой как бы объемистую упаковку для переноса сразу четырех молекул кислорода. По форме гемоглобин соответствует глобулярным белкам (рис. 22).
Рис. 22 ГЛОБУЛЯРНАЯ ФОРМА ГЕМОГЛОБИНА
Основное «достоинство» гемоглобина состоит в том, что присоединение кислорода и последующее его отщепление при передаче различным тканям и органам проходит быстро. Монооксид углерода, СО (угарный газ), связывается с Fe в гемоглобине еще быстрее, но, в отличие от О 2 , образует трудно разрушающийся комплекс. В результате такой гемоглобин не способен связывать О 2 , что приводит (при вдыхании больших количеств угарного газа) к гибели организма от удушья.
Вторая функция гемоглобина – перенос выдыхаемого СО 2 , но в процессе временного связывания углекислоты участвует не атом железа, а H 2 N-группы белка.
«Работоспособность» белков зависит от их строения, например, замена единственного аминокислотного остатка глутаминовой кислоты в полипептидной цепи гемоглобина на остаток валина (изредка наблюдаемая врожденная аномалия) приводит к заболеванию, называемому серповидноклеточная анемия .
Существуют также транспортные белки, способные связывать жиры, глюкозу, аминокислоты и переносить их как внутрь, так и вовне клеток.
Транспортные белки особого типа не переносят сами вещества, а выполняют функции «транспортного регулировщика», пропуская определенные вещества сквозь мембрану (внешнюю стенку клетки). Такие белки чаще называют мембранными. Они имеют форму пустотелого цилиндра и, встраиваясь в стенку мембраны, обеспечивают перемещение некоторых полярных молекул или ионов внутрь клетки. Пример мембранного белка – порин (рис. 23).
Рис. 23 БЕЛОК ПОРИН
Пищевые и запасные белки, как следует из названия, служат источниками внутреннего питания, чаще для зародышей растений и животных, а также на ранних стадиях развития молодых организмов. К пищевым белкам относят альбумин (рис. 10) – основной компонент яичного белка, а также казеин – главный белок молока. Под действием фермента пепсина казеин в желудке створаживается, это обеспечивает его задержку в пищеварительном тракте и эффективное усвоение. Казеин содержит фрагменты всех аминокислот, необходимых организму.
В ферритине (рис. 12), который содержится в тканях животных, запасены ионы железа.
К запасным белкам относят также миоглобин, по составу и строению напоминающий гемоглобин. Миоглобин сосредоточен, главным образом, в мышцах, его основная роль – хранение кислорода, который ему отдает гемоглобин. Он быстро насыщается кислородом (намного быстрее, чем гемоглобин), а затем постепенно передает его различным тканям.
Структурные белки выполняют защитную функцию (кожный покров) или опорную – скрепляют организм в единое целое и придают ему прочность (хрящи и сухожилия). Их главным компонентом является фибриллярный белок коллаген (рис. 11), наиболее распространенный белок животного мира, в организме млекопитающих, на его долю приходится почти 30% от всей массы белков. Коллаген обладает высокой прочностью на разрыв (известна прочность кожи), но из-за малого содержания поперечных сшивок в коллагене кожи, шкуры животных мало пригодны в сыром виде для изготовления различных изделий. Чтобы уменьшить набухание кожи в воде, усадку при сушке, а также для увеличения прочности в обводненном состоянии и повышения упругости в коллагене создают дополнительные поперечные сшивки (рис. 15а), это, так называемый процесс дубления кожи.
В живых организмах молекулы коллагена, возникшие в процессе роста и развития организма, не обновляются и не замещаются заново синтезированными. По мере старения организма увеличивается количество поперечных сшивок в коллагене, что приводит к снижению его эластичности, а поскольку обновление не происходит, то проявляются возрастные изменения – увеличение хрупкости хрящей и сухожилий, появление морщин на коже.
В суставных связках содержится эластин – структурный белок, легко растягивающийся в двух измерениях. Наибольшей эластичностью обладает белок резилин, который находится в местах шарнирного прикрепления крыльев у некоторых насекомых.
Роговые образования – волосы, ногти, перья состоя, в основном, из белка кератина (рис. 24). Его основное отличие – заметное содержание остатков цистеина, образующего дисульфидные мостики, что придает высокую упругость (способность восстанавливать исходную форму после деформации) волосам, а также шерстяным тканям.
Рис. 24. ФРАГМЕНТ ФИБРИЛЛЯРНОГО БЕЛКА КЕРАТИНА
Для необратимого изменения формы кератинового объекта нужно вначале разрушить дисульфидные мостики с помощью восстановителя, придать новую форму, а затем вновь создать дисульфидные мостики с помощью окислителя (рис. 16), именно так делается, например, химическая завивка волос.
При увеличении содержания остатков цистеина в кератине и, соответственно, возрастании количества дисульфидных мостиков способность к деформации исчезает, но при этом появляется высокая прочность (в рогах копытных животных и панцирях черепах содержится до 18% цистеиновых фрагментов). В организме млекопитающих содержится до 30 различных типов кератина.
Родственный кератину фибриллярный белок фиброин, выделяемый гусеницами шелкопряда при завивке кокона, а также пауками при плетении паутины, содержит только β-структуры, соединенные одиночными цепями (рис. 11). В отличие от кератина, у фиброина нет поперечных дисульфидных мостиков, он обладает очень прочен на разрыв (прочность в расчете на единицу поперечного сечения у некоторых образцов паутины выше, чем у стальных тросов). Из-за отсутствия поперечных сшивок фиброин неупруг (известно, что шерстяные ткани почти несминаемы, а шелковые легко мнутся).
Регуляторные белки.
Регуляторные белки, чаще называемые гормонами , участвуют в различных физиологических процессах. Например, гормон инсулин (рис. 25) состоит из двух α-цепей, соединенных дисульфидными мостиками. Инсулин регулирует обменные процессы с участием глюкозы, его отсутствие ведет к диабету.
Рис. 25 БЕЛОК ИНСУЛИН
В гипофизе мозга синтезируется гормон, регулирующий рост организма. Существуют регуляторные белки, контролирующие биосинтез различных ферментов в организме.
Сократительные и двигательные белки придают организму способность сокращаться, изменять форму и перемещаться, прежде всего, речь идет о мышцах. 40% от массы всех белков, содержащихся в мышцах, составляет миозин (mys, myos, греч . – мышца). Его молекула содержит одновременно фибриллярную и глобулярную часть (рис. 26)
Рис. 26 МОЛЕКУЛА МИОЗИНА
Такие молекулы объединяются в крупные агрегаты, содержащие 300–400 молекул.
При изменении концентрации ионов кальция в пространстве, окружающем мышечные волокна, происходит обратимое изменение конформации молекул – изменение формы цепи за счет поворота отдельных фрагментов вокруг валентных связей. Это приводит к сокращению и расслаблению мышц, сигнал для изменения концентрации ионов кальция поступает от нервных окончаний в мышечных волокнах. Искусственное сокращение мышц можно вызвать действием электрических импульсов, приводящих к резкому изменению концентрации ионов кальция, на этом основана стимуляция сердечной мышцы для восстановления работы сердца.
Защитные белки позволяют уберечь организм от вторжения атакующих его бактерий, вирусов и от проникновения чужеродных белков (обобщенное название чужеродных тел – антигены). Роль защитных белков выполняют иммуноглобулины (другое их название – антитела), они распознают антигены, проникшие в организм, и прочно связываются с ними. В организме млекопитающих, включая человека, есть пять классов иммуноглобулинов: M, G, A, D и E, их структура, как следует из названия, глобулярная, кроме того, все они построены сходным образом. Молекулярная организация антител показана далее на примере иммуноглобулина класса G (рис. 27). Молекула содержит четыре полипептидные цепи, объединенные тремя дисульфидными мостиками S-S (на рис. 27 они показаны с утолщенными валентными связями и крупными символами S), кроме того, каждая полимерная цепь содержит внутрицепные дисульфидные перемычки. Две большие полимерные цепи (выделены синим цветом) содержат 400–600 аминокислотных остатков. Две другие цепи (выделены зеленым цветом) почти вдвое короче, они содержат приблизительно 220 аминокислотных остатков. Все четыре цепи расположены таким образом, что концевые H 2 N-группы направлены в одну сторону.
Рис. 27 СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ СТРУКТУРЫ ИММУНОГЛОБУЛИНА
После контакта организма с чужеродным белком (антигеном), клетки иммунной системы начинают вырабатывать иммуноглобулины (антитела), которые накапливаются в сыворотке крови. На первом этапе основную работу совершают участки цепей, содержащие концевые H 2 N (на рис. 27 соответствующие участки отмечены светло-синим и светло-зеленым цветом). Это области захвата антигенов. В процессе синтеза иммуноглобулина эти участки формируется таким образом, чтобы их строение и конфигурация максимально соответствовали структуре приблизившегося антигена (как ключ к замку, подобно ферментам, но задачи в данном случае иные). Таким образом, для каждого антигена в качестве иммунного ответа создается строго индивидуальное антитело. Столь «пластично» изменять строение в зависимости от внешних факторов, помимо иммуноглобулинов, не может ни один известный белок. Ферменты решают задачу структурного соответствия реагенту иным путем – с помощью гигантского набора разнообразных ферментов в расчете на все возможные случаи, а иммуноглобулины каждый раз заново перестраивают «рабочий инструмент». Сверх того, шарнирный участок иммуноглобулина (рис. 27) обеспечивает двум областям захвата некоторую независимую подвижность, в результате молекула иммуноглобулина может «найти» сразу два наиболее удобных для захвата участка в антигене с тем, чтобы его надежно зафиксировать, это напоминает действия ракообразного существа.
Далее включается цепь последовательных реакций иммунной системы организма, подключаются иммуноглобулины других классов, в результате происходит дезактивация чужеродного белка, а затем уничтожение и удаление антигена (постороннего микроорганизма или токсина).
После контакта с антигеном максимальная концентрация иммуноглобулина достигается (в зависимости от природы антигена и индивидуальных особенностей самого организма) в течение нескольких часов (иногда нескольких дней). Организм сохраняет память о таком контакте, и при повторной атаке таким же антигеном иммуноглобулины накапливаются в сыворотке крови значительно быстрее и в большем количестве – возникает приобретенный иммунитет.
Приведенная классификация белков носит в определенной степени условный характер, например белок тромбин, упомянутый среди защитных белков, по существу представляет собой фермент, катализирующий гидролиз пептидных связей, то есть, относится к классу протеаз.
К защитным белкам часто относят белки змеиного яда и токсичные белки некоторых растений, поскольку их задача – уберечь организм от повреждений.
Есть белки, функции которых настолько уникальны, что это затрудняет их классификацию. Например, белок монеллин, содержащийся в одном из африканских растений, – очень сладкий на вкус, он стал предметом изучения как нетоксичное вещество, которое может быть использовано вместо сахара для предотвращения ожирения. Плазма крови некоторых антарктических рыб содержит белки со свойствами антифриза, который предохраняет кровь этих рыб от замерзания.
Искусственный синтез белков.
Конденсация аминокислот, приводящая к полипептидной цепи, представляет собой хорошо изученный процесс. Можно провести, например, конденсацию какой – либо одной аминокислоты или смеси кислот и получить, соответственно, полимер, содержащий одинаковые звенья, либо различные звенья, чередующиеся в случайном порядке. Такие полимеры мало похожи на природные полипептиды и не обладают биологической активностью. Основная задача состоит в том, чтобы соединять аминокислоты в строго определенном, заранее намеченном порядке, чтобы воспроизвести последовательность аминокислотных остатков в природных белках. Американский ученый Роберт Меррифилд предложил оригинальный метод, позволивший решить такую задачу. Сущность метода состоит в том, что первую аминокислоту присоединяют к нерастворимому полимерному гелю, который содержит реакционно-способные группы, способные соединяться с –СООН – группами аминокислоты. В качестве такой полимерной подложки был взят сшитый полистирол с введенными в него хлорметильными группами. Чтобы взятая для реакции аминокислота не прореагировала сама с собой и чтобы она не присоединилась H 2 N-группой к подложке, аминогруппу этой кислоты предварительно блокируют объемистым заместителем [(С 4 Н 9) 3 ] 3 ОС(О)-группой. После того, как аминокислота присоединилась к полимерной подложке, блокирующую группу удаляют и в реакционную смесь вводят другую аминокислоту, у которой также предварительно заблокирована H 2 N-группа. В такой системе возможно только взаимодействие H 2 N-группы первой аминокислоты и группы –СООН второй кислоты, которое проводят в присутствии катализаторов (солей фосфония). Далее всю схему повторяют, вводя третью аминокислоту (рис. 28).
Рис. 28. СХЕМА СИНТЕЗА ПОЛИПЕПТИДНЫХ ЦЕПЕЙ
На последней стадии полученные полипептидные цепи отделяют от полистирольной подложки. Сейчас весь процесс автоматизирован, существуют автоматические синтезаторы пептидов, действующие по описанной схеме. Таким методом синтезировано множество пептидов, используемых в медицине и сельском хозяйстве. Удалось также получить улучшенные аналоги природных пептидов с избирательным и усиленным действием. Синтезированы некоторые небольшие белки, например гормон инсулина и некоторые ферменты.
Существуют также методы синтеза белков, копирующие природные процессы: синтезируют фрагменты нуклеиновых кислот, настроенных на получение определенных белков, затем эти фрагменты встраивают в живой организм (например, в бактерию), после чего организм начинает вырабатывать нужный белок. Таким способом сейчас получают значительные количества труднодоступных белков и пептидов, а также их аналогов.
Белки как источники питания.
Белки в живом организме постоянно расщепляются на исходные аминокислоты (с непременным участием ферментов), одни аминокислоты переходят в другие, затем белки вновь синтезируются (также с участием ферментов), т.е. организм постоянно обновляется. Некоторые белки (коллаген кожи, волос) не обновляются, организм непрерывно их теряет и взамен синтезирует новые. Белки как источники питания выполняют две основные функции: они поставляют в организм строительный материал для синтеза новых белковых молекул и, кроме того, снабжают организм энергией (источники калорий).
Плотоядные млекопитающие (в том числе и человек) получают необходимые белки с растительной и животной пищей. Ни один из полученных с пищей белков не встраивается в организм в неизменном виде. В пищеварительном тракте все поглощенные белки расщепляются до аминокислот, и уже из них строятся белки, необходимые конкретному организму, при этом из 8 незаменимых кислот (табл. 1) в организме могут синтезироваться остальные 12, если они не поступают в достаточном количестве с пищей, но незаменимые кислоты должны поступать с пищей непременно. Атомы серы в цистеине организм получает с незаменимой аминокислотой – метионином. Часть белков распадается, выделяя энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности, а содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой. Обычно организм человека теряет 25–30 г. белка в сутки, поэтому белковая пища должны постоянно присутствовать в нужном количестве. Минимальная суточная потребность в белке составляет у мужчин 37 г, у женщин 29 г, однако рекомендованные нормы потребления почти вдвое выше. При оценке пищевых продуктов важно учитывать качество белка. При отсутствии или низком содержании незаменимых аминокислот белок считается малоценным, поэтому такие белки должны потребляться в большем количестве. Так, белки бобовых культур содержат мало метионина, а в белках пшеницы и кукурузы низкое содержанием лизина (обе аминокислоты незаменимые). Животные белки (исключая коллагены) относят к полноценным пищевым продуктам. Полный набор всех незаменимых кислот содержит казеин молока, а также приготовляемые из него творог и сыр, поэтому вегетарианская диета, в том случае, если она очень строгая, т.е. «безмолочная», требует усиленного потребления бобовых культур, орехов и грибов для снабжения организма незаменимыми аминокислотами в нужном количестве.
Синтетические аминокислоты и белки используют и как пищевые продукты, добавляя их в корма, которые содержат незаменимые аминокислоты в малом количестве. Существуют бактерии, которые могут перерабатывать и усваивать углеводороды нефти, в этом случае для полноценного синтеза белков их нужно подкармливать азотсодержащими соединениями (аммиак или нитраты). Получаемый таким способом белок используют в качестве корма для скота и домашней птицы. В комбикорм домашних животных часто добавляют набор ферментов – карбогидраз, которые катализируют гидролиз трудно разлагаемых компонентов углеводной пищи (клеточные стенки зерновых культур), в результате чего растительная пища усваивается более полно.
Михаил Левицкий
БЕЛКИ (статья 2)
(протеины), класс сложных азотсодержащих соединений, наиболее характерных и важных (наряду с нуклеиновыми кислотами) компонентов живого вещества. Белки выполняют многочисленные и разнообразные функции. Большинство белков – ферменты, катализирующие химические реакции. Многие гормоны, регулирующие физиологические процессы, тоже являются белками. Такие структурные белки, как коллаген и кератин, служат главными компонентами костной ткани, волос и ногтей. Сократительные белки мышц обладают способностью изменять свою длину, используя химическую энергию для выполнения механической работы. К белкам относятся антитела, которые связывают и нейтрализуют токсичные вещества. Некоторые белки, способные реагировать на внешние воздействия (свет, запах), служат в органах чувств рецепторами, воспринимающими раздражение. Многие белки, расположенные внутри клетки и на клеточной мембране, выполняют регуляторные функции.
В первой половине 19 в. многие химики, и среди них в первую очередь Ю.фон Либих, постепенно пришли к выводу, что белки представляют собой особый класс азотистых соединений. Название «протеины» (от греч. protos – первый) предложил в 1840 голландский химик Г.Мульдер.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Белки в твердом состоянии белого цвета, а в растворе бесцветны, если только они не несут какой-нибудь хромофорной (окрашенной) группы, как, например, гемоглобин. Растворимость в воде у разных белков сильно варьирует. Она изменяется также в зависимости от рН и от концентрации солей в растворе, так что можно подобрать условия, при которых один какой-нибудь белок будет избирательно осаждаться в присутствии других белков. Этот метод «высаливания» широко используется для выделения и очистки белков. Очищенный белок часто выпадает в осадок из раствора в виде кристаллов.
В сравнении с другими соединениями молекулярная масса белков очень велика – от нескольких тысяч до многих миллионов дальтон. Поэтому при ультрацентрифугировании белки осаждаются, и притом с разной скоростью. Благодаря присутствию в молекулах белков положительно и отрицательно заряженных групп они движутся с разной скоростью и в электрическом поле. На этом основан электрофорез – метод, применяемый для выделения индивидуальных белков из сложных смесей. Очистку белков проводят и методом хроматографии.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Строение.
Белки – это полимеры, т.е. молекулы, построенные, как цепи, из повторяющихся мономерных звеньев, или субъединиц, роль которых играют у них aльфа-аминокислоты. Общая формула аминокислот
где R – атом водорода или какая-нибудь органическая группа.
Белковая молекула (полипептидная цепь) может состоять всего лишь из относительно небольшого числа аминокислот или из нескольких тысяч мономерных звеньев. Соединение аминокислот в цепи возможно потому, что у каждой из них имеются две разные химические группы: обладающая основными свойствами аминогруппа, NH2, и кислотная карбоксильная группа, СООН. Обе эти группы присоединены к a-атому углерода. Карбоксильная группа одной аминокислоты может образовать амидную (пептидную) связь с аминогруппой другой аминокислоты:
После того как две аминокислоты таким образом соединились, цепь может наращиваться путем добавления ко второй аминокислоте третьей и т.д. Как видно из приведенного выше уравнения, при образовании пептидной связи выделяется молекула воды. В присутствии кислот, щелочей или протеолитических ферментов реакция идет в обратном направлении: полипептидная цепь расщепляется на аминокислоты с присоединением воды. Такая реакция называется гидролизом. Гидролиз протекает спонтанно, а для соединения аминокислот в полипептидную цепь требуется энергия.
Карбоксильная группа и амидная группа (или сходная с ней имидная – в случае аминокислоты пролина) имеются у всех аминокислот, различия же между аминокислотами определяются природой той группы, или «боковой цепи», которая обозначена выше буквой R. Роль боковой цепи может играть и один атом водорода, как у аминокислоты глицина, и какая-нибудь объемистая группировка, как у гистидина и триптофана. Некоторые боковые цепи в химическом смысле инертны, тогда как другие обладают заметной реакционной способностью.
Синтезировать можно многие тысячи различных аминокислот, и множество различных аминокислот встречается в природе, но для синтеза белков используется только 20 видов аминокислот: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, валин, гистидин, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, пролин, серин, тирозин, треонин, триптофан, фенилаланин и цистеин (в белках цистеин может присутствовать в виде димера – цистина). Правда, в некоторых белках присутствуют и другие аминокислоты, помимо регулярно встречающихся двадцати, но они образуются в результате модификации какой-нибудь из двадцати перечисленных уже после того, как она включилась в белок.
Оптическая активность.
У всех аминокислот, за исключением глицина, кα-атому углерода присоединены четыре разные группы. С точки зрения геометрии, четыре разные группы могут быть присоединены двумя способами, и соответственно есть две возможные конфигурации, или два изомера, относящиеся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению, т.е. как левая рука к правой. Одну конфигурацию называют левой, или левовращающей (L), а другую – правой, или правовращающей (D), поскольку два таких изомера различаются направлением вращения плоскости поляризованного света. В белках встречаются только L-аминокислоты (исключение составляет глицин; он может быть представлен лишь одной формой, поскольку у него две из четырех групп одинаковы), и все они обладают оптической активностью (поскольку имеется только один изомер). D-аминокислоты в природе редки; они встречаются в некоторых антибиотиках и клеточной оболочке бактерий.
Последовательность аминокислот.
Аминокислоты в полипептидной цепи располагаются не случайным образом, а в определенном фиксированном порядке, и именно этот порядок определяет функции и свойства белка. Варьируя порядок расположения 20 видов аминокислот, можно получить огромное число разных белков, точно так же, как из букв алфавита можно составить множество разных текстов.
В прошлом на определение аминокислотной последовательности какого-нибудь белка уходило нередко несколько лет. Прямое определение и теперь достаточно трудоемкое дело, хотя созданы приборы, позволяющие вести его автоматически. Обычно проще бывает определить нуклеотидную последовательность соответствующего гена и вывести из нее аминокислотную последовательность белка. К настоящему времени уже определены аминокислотные последовательности многих сотен белков. Функции расшифрованных белков, как правило, известны, и это помогает представить себе возможные функции сходных белков, образующихся, например, при злокачественных новообразованиях.
Сложные белки.
Белки, состоящие из одних только аминокислот, называют простыми. Часто, однако, к полипептидной цепи бывают присоединены атом металла или какое-нибудь химическое соединение, не являющееся аминокислотой. Такие белки называются сложными. Примером может служить гемоглобин: он содержит железопорфирин, который определяет его красный цвет и позволяет ему играть роль переносчика кислорода.
В названиях большинства сложных белков содержится указание на природу присоединенных групп: в гликопротеинах присутствуют сахара, в липопротеинах – жиры. Если от присоединенной группы зависит каталитическая активность фермента, то ее называют простетической группой. Нередко какой-нибудь витамин играет роль простетической группы или входит в ее состав. Витамин А, например, присоединенный к одному из белков сетчатки, определяет ее чувствительность к свету.
Третичная структура.
Важна не столько сама аминокислотная последовательность белка (первичная структура), сколько способ ее укладки в пространстве. По всей длине полипептидной цепи ионы водорода образуют регулярные водородные связи, которые придают ей форму спирали либо слоя (вторичная структура). Из комбинации таких спиралей и слоев возникает компактная форма следующего порядка – третичная структура белка. Вокруг связей, удерживающих мономерные звенья цепи, возможны повороты на небольшие углы. Поэтому с чисто геометрической точки зрения число возможных конфигураций для любой полипептидной цепи бесконечно велико. В действительности же каждый белок существует в норме только в одной конфигурации, определяемой его аминокислотной последовательностью. Структура эта не жесткая, она как бы «дышит» – колеблется вокруг некой средней конфигурации. Цепь складывается в такую конфигурацию, при которой свободная энергия (способность производить работу) минимальна, подобно тому как отпущенная пружина сжимается лишь до состояния, соответствующего минимуму свободной энергии. Нередко одна часть цепи бывает жестко сцеплена с другой дисульфидными (–S–S–) связями между двумя остатками цистеина. Отчасти именно поэтому цистеин среди аминокислот играет особо важную роль.
Сложность строения белков столь велика, что пока еще невозможно вычислить третичную структуру белка, если даже известна его аминокислотная последовательность. Но если удается получить кристаллы белка, то его третичную структуру можно определить по дифракции рентгеновских лучей.
У структурных, сократительных и некоторых других белков цепи вытянуты и несколько лежащих рядом слегка свернутых цепей образуют фибриллы; фибриллы, в свою очередь, складываются в более крупные образования – волокна. Однако большинство белков в растворе имеет глобулярную форму: цепи свернуты в глобуле, как пряжа в клубке. Свободная энергия при такой конфигурации минимальна, поскольку гидрофобные («отталкивающие воду») аминокислоты скрыты внутри глобулы, а гидрофильные («притягивающие воду») находятся на ее поверхности.
Многие белки – это комплексы из нескольких полипептидных цепей. Такое строение называется четвертичной структурой белка. Молекула гемоглобина, например, состоит из четырех субъединиц, каждая из которых представляет собой глобулярный белок.
Структурные белки благодаря своей линейной конфигурации образуют волокна, у которых предел прочности на разрыв очень высок, глобулярная же конфигурация позволяет белкам вступать в специфические взаимодействия с другими соединениями. На поверхности глобулы при правильной укладке цепей возникают определенной формы полости, в которых размещены реакционноспособные химические группы. Если данный белок – фермент, то другая, обычно меньшая, молекула какого-то вещества входит в такую полость подобно тому, как ключ входит в замок; при этом меняется конфигурация электронного облака молекулы под влиянием находящихся в полости химических групп, и это вынуждает ее определенным образом реагировать. Таким способом фермент катализирует реакцию. В молекулах антител тоже имеются полости, в которых различные чужеродные вещества связываются и тем самым обезвреживаются. Модель «ключа и замка», объясняющая взаимодействие белков с другими соединениями, позволяет понять специфичность ферментов и антител, т.е. их способность реагировать только с определенными соединениями.
Белки у разных видов организмов.
Белки, выполняющие одну и ту же функцию у разных видов растений и животных и потому носящие одно и то же название, имеют и сходную конфигурацию. Они, однако, несколько различаются по своей аминокислотной последовательности. По мере того как виды дивергируют от общего предка, некоторые аминокислоты в определенных положениях замещаются в результате мутаций другими. Вредные мутации, являющиеся причиной наследственных болезней, выбраковываются естественным отбором, но полезные или по крайней мере нейтральные могут сохраняться. Чем ближе друг к другу два каких-нибудь биологических вида, тем меньше различий обнаруживается в их белках.
Некоторые белки меняются относительно быстро, другие весьма консервативны. К последним принадлежит, например, цитохром с – дыхательный фермент, имеющийся у большинства живых организмов. У человека и шимпанзе его аминокислотные последовательности идентичны, а в цитохроме с пшеницы иными оказались лишь 38% аминокислот. Даже сравнивая человека и бактерии, сходство цитохромов с (различия затрагивают здесь 65% аминокислот) все еще можно заметить, хотя общий предок бактерии и человека жил на Земле около двух миллиардов лет назад. В наше время сравнение аминокислотных последовательностей часто используют для построения филогенетического (генеалогического) древа, отражающего эволюционные связи между разными организмами.
Денатурация.
Синтезированная молекула белка, складываясь, приобретает свойственную ей конфигурацию. Эта конфигурация, однако, может разрушиться при нагревании, при изменении рН, под действием органических растворителей и даже при простом взбалтывании раствора до появления на его поверхности пузырьков. Измененный таким образом белок называют денатурированным; он утрачивает свою биологическую активность и обычно становится нерастворимым. Хорошо знакомые всем примеры денатурированного белка – вареные яйца или взбитые сливки. Небольшие белки, содержащие всего лишь около сотни аминокислот, способны ренатурировать, т.е. вновь приобретать исходную конфигурацию. Но большинство белков превращается при этом просто в массу спутанных полипептидных цепей и прежнюю конфигурацию не восстанавливает.
Одна из главных трудностей при выделении активных белков связана с их крайней чувствительностью к денатурации. Полезное применение это свойство белков находит при консервировании пищевых продуктов: высокая температура необратимо денатурирует ферменты микроорганизмов, и микроорганизмы погибают.
СИНТЕЗ БЕЛКОВ
Для синтеза белка живой организм должен располагать системой ферментов, способных присоединять одну аминокислоту к другой. Необходим также источник информации, которая бы определяла, какие именно аминокислоты следует соединять. Поскольку в организме имеются тысячи видов белков и каждый из них состоит в среднем из нескольких сотен аминокислот, необходимая информация должна быть поистине огромной. Хранится она (подобно тому, как хранится запись на магнитной ленте) в молекулах нуклеиновых кислот, из которых состоят гены.
Активация ферментов.
Синтезированная из аминокислот полипептидная цепь – это далеко не всегда белок в его окончательной форме. Многие ферменты синтезируются сначала в виде неактивных предшественников и переходят в активную форму лишь после того, как другой фермент удалит на одном из концов цепи несколько аминокислот. В такой неактивной форме синтезируются некоторые из пищеварительных ферментов, например трипсин; эти ферменты активируются в пищеварительном тракте в результате удаления концевого фрагмента цепи. Гормон инсулин, молекула которого в активной форме состоит из двух коротких цепей, синтезируется в виде одной цепи, т.н. проинсулина. Затем средняя часть этой цепи удаляется, а оставшиеся фрагменты связываются друг с другом, образуя активную молекулу гормона. Сложные белки образуются лишь после того, как к белку будет присоединена определенная химическая группа, а для этого присоединения часто тоже требуется фермент.
Метаболический кругооборот.
После скармливания животному аминокислот, меченных радиоактивными изотопами углерода, азота или водорода, метка быстро включается в его белки. Если меченые аминокислоты перестают поступать в организм, то количество метки в белках начинает снижаться. Эти эксперименты показывают, что образовавшиеся белки не сохраняются в организме до конца жизни. Все они, за немногими исключениями, находятся в динамичном состоянии, постоянно распадаются до аминокислот, а затем вновь синтезируются.
Некоторые белки распадаются, когда гибнут и разрушаются клетки. Это постоянно происходит, например, с эритроцитами и клетками эпителия, выстилающего внутреннюю поверхность кишечника. Кроме того, распад и ресинтез белков протекают и в живых клетках. Как ни странно, о распаде белков известно меньше, чем об их синтезе. Ясно, однако, что в распаде участвуют протеолитические ферменты, сходные с теми, которые расщепляют белки до аминокислот в пищеварительном тракте.
Период полураспада у разных белков различен – от нескольких часов до многих месяцев. Единственное исключение – молекулы коллагена. Однажды образовавшись, они остаются стабильными, не обновляются и не замещаются. Со временем, однако, меняются некоторые их свойства, в частности эластичность, а поскольку они не обновляются, следствием этого оказываются определенные возрастные изменения, например появление морщин на коже.
Синтетические белки.
Химики давно уже научились полимеризовать аминокислоты, но аминокислоты соединяются при этом неупорядоченно, так что продукты такой полимеризации мало похожи на природные. Правда, имеется возможность соединять аминокислоты в заданном порядке, что позволяет получать некоторые биологически активные белки, в частности инсулин. Процесс достаточно сложен, и таким способом удается получать лишь те белки, в молекулах которых содержится около сотни аминокислот. Предпочтительнее вместо этого синтезировать или выделить нуклеотидную последовательность гена, соответствующую желаемой аминокислотной последовательности, а затем ввести этот ген в бактерию, которая и будет вырабатывать путем репликации большое количество нужного продукта. У этого метода, впрочем, тоже есть свои недостатки.
БЕЛКИ И ПИТАНИЕ
Когда белки в организме распадаются до аминокислот, эти аминокислоты могут быть снова использованы для синтеза белков. В то же время и сами аминокислоты подвержены распаду, так что они реутилизируются не полностью. Ясно также, что в период роста, при беременности и заживлении ран синтез белков должен превышать распад. Некоторые же белки организм непрерывно теряет; это белки волос, ногтей и поверхностного слоя кожи. Поэтому для синтеза белков каждый организм должен получать аминокислоты с пищей.
Источники аминокислот.
Зеленые растения синтезируют из СО2, воды и аммиака или нитратов все 20 аминокислот, встречающихся в белках. Многие бактерии тоже способны синтезировать аминокислоты при наличии сахара (или какого-нибудь его эквивалента) и фиксированного азота, но и сахар, в конечном счете, поставляется зелеными растениями. У животных способность к синтезу аминокислот ограниченна; они получают аминокислоты, поедая зеленые растения или других животных. В пищеварительном тракте поглощенные белки расщепляются до аминокислот, последние всасываются, и уже из них строятся белки, характерные для данного организма. Ни один поглощенный белок не включается в структуры тела как таковой. Единственное исключение заключается в том, что у многих млекопитающих часть материнских антител может в интактном виде попасть через плаценту в кровоток плода, а через материнское молоко (особенно у жвачных) быть передано новорожденному сразу же после его появления на свет.
Потребность в белках.
Ясно, что для поддержания жизни организм должен получать с пищей некоторое количество белков. Однако размеры этой потребности зависят от ряда факторов. Организму необходима пища и как источник энергии (калорий), и как материал для построения его структур. На первом месте стоит потребность в энергии. Это значит, что, когда углеводов и жиров в рационе мало, пищевые белки используются не для синтеза собственных белков, а в качестве источника калорий. При длительном голодании даже собственные белки расходуются на удовлетворение энергетических нужд. Если же углеводов в рационе достаточно, то потребление белков может быть снижено.
Азотистый баланс.
В среднем ок. 16% всей массы белка составляет азот. Когда входившие в состав белков аминокислоты расщепляются, содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой и (в меньшей мере) с калом в виде различных азотистых соединений. Удобно поэтому для оценки качества белкового питания использовать такой показатель, как азотистый баланс, т.е. разность (в граммах) между количеством азота, поступившего в организм, и количеством выведенного азота за сутки. При нормальном питании у взрослого эти количества равны. У растущего организма количество выведенного азота меньше количества поступившего, т.е. баланс положителен. При нехватке белков в рационе баланс отрицателен. Если калорий в рационе достаточно, но белки в нем полностью отсутствуют, организм сберегает белки. Белковый обмен при этом замедляется, и повторная утилизация аминокислот в синтезе белка идет с максимально возможной эффективностью. Однако потери неизбежны, и азотистые соединения все же выводятся с мочой и частично с калом. Количество азота, выведенного из организма за сутки при белковом голодании, может служить мерой суточной нехватки белка. Естественно предположить, что, введя в рацион количество белка, эквивалентное этому дефициту, можно восстановить азотистый баланс. Однако это не так. Получив такое количество белка, организм начинает использовать аминокислоты менее эффективно, так что для восстановления азотистого баланса требуется некоторое дополнительное количество белка.
Если количество белка в рационе превышает необходимое для поддержания азотистого баланса, то вреда от этого, по-видимому, нет. Избыток аминокислот просто используется как источник энергии. В качестве особенно яркого примера можно сослаться на эскимосов, которые потребляют мало углеводов и примерно в десять раз больше белка, чем требуется для поддержания азотистого баланса. В большинстве случаев, однако, использование белка в качестве источника энергии невыгодно, поскольку из определенного количества углеводов можно получить намного больше калорий, чем из такого же количества белка. В бедных странах население получает необходимые калории за счет углеводов и потребляет минимальное количество белка.
Если необходимое число калорий организм получает в форме небелковых продуктов, то минимальное количество белка, обеспечивающее поддержание азотистого баланса, составляет для взрослого человека ок. 30 г в день. Примерно столько белка содержится в четырех ломтиках хлеба или 0,5 л молока. Оптимальным считают обычно несколько большее количество; рекомендуется от 50 до 70 г.
Незаменимые аминокислоты.
До сих пор белок рассматривался как нечто целое. Между тем для того, чтобы мог идти синтез белка, в организме должны присутствовать все необходимые аминокислоты. Некоторые из аминокислот организм животного сам способен синтезировать. Их называют заменимыми, поскольку они не обязательно должны присутствовать в рационе, – важно лишь, чтобы в целом поступление белка как источника азота было достаточным; тогда при нехватке заменимых аминокислот организм может синтезировать их за счет тех, что присутствуют в избытке. Остальные, «незаменимые», аминокислоты не могут быть синтезированы и должны поступать в организм с пищей. Для человека незаменимыми являются валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, гистидин, лизин и аргинин. (Хотя аргинин и может синтезироваться в организме, его относят к незаменимым аминокислотам, поскольку у новорожденных и растущих детей он образуется в недостаточном количестве. С другой стороны, для человека зрелого возраста поступление некоторых из этих аминокислот с пищей может стать необязательным.)
Этот список незаменимых аминокислот приблизительно одинаков также и у других позвоночных и даже у насекомых. Питательную ценность белков обычно определяют, скармливая их растущим крысам и следя за прибавкой веса животных.
Питательная ценность белков.
Питательную ценность белка определяют по той незаменимой аминокислоте, которой более всего не хватает. Проиллюстрируем это на примере. В белках нашего тела содержится в среднем ок. 2% триптофана (по весу). Допустим, что в рацион входит 10 г белка, содержащего 1% триптофана, и что других незаменимых аминокислот в нем достаточно. В нашем случае 10 г этого неполноценного белка по сути эквивалентны 5 г полноценного; остальные 5 г могут послужить только источником энергии. Отметим, что, поскольку аминокислоты в организме практически не запасаются, а для того чтобы мог идти синтез белка, должны одновременно присутствовать все аминокислоты, эффект от поступления незаменимых аминокислот можно обнаружить лишь в том случае, если все они поступят в организм одновременно.
Усредненный состав большей части животных белков близок к усредненному составу белков человеческого тела, так что аминокислотная недостаточность нам вряд ли грозит, если наш рацион богат такими продуктами, как мясо, яйца, молоко и сыр. Однако есть белки, например желатин (продукт денатурации коллагена), которые содержат очень мало незаменимых аминокислот. Растительные белки, хотя они в этом смысле и лучше желатина, тоже бедны незаменимыми аминокислотами; особенно мало в них лизина и триптофана. Тем не менее и чисто вегетарианскую диету вовсе нельзя считать вредной, если только при этом потребляется несколько большее количество растительных белков, достаточное для того, чтобы обеспечить организм незаменимыми аминокислотами. Больше всего белка содержится у растений в семенах, особенно в семенах пшеницы и различных бобовых культур. Богаты белком также и молодые побеги, например у спаржи.
Синтетические белки в рационе.
Добавляя небольшие количества синтетических незаменимых аминокислот или богатых ими белков к неполноценным белкам, например к белкам кукурузы, можно значительно повысить питательную ценность последних, т.е. тем самым как бы увеличить количество потребляемого белка. Другая возможность состоит в выращивании бактерий или дрожжей на углеводородах нефти с добавлением нитратов или аммиака в качестве источника азота. Полученный таким путем микробный белок может служить кормом для домашней птицы или скота, а может и непосредственно потребляться человеком. Третий, широко применяющийся, метод использует особенности физиологии жвачных животных. У жвачных в начальном отделе желудка, т.н. рубце, обитают особые формы бактерий и простейших, которые превращают неполноценные растительные белки в более полноценные микробные белки, а эти, в свою очередь, – после переваривания и всасывания – превращаются в животные белки. К корму скота можно добавить мочевину – дешевое синтетическое азотсодержащее соединение. Обитающие в рубце микроорганизмы используют азот мочевины для превращения углеводов (которых в корме значительно больше) в белок. Около трети всего азота в корме скота может поступать в виде мочевины, что по сути и означает в определенной мере химический синтез белка.
Минеральные вещества
К группе макроэлементов относятся такие, содержание которых в сухой субстанции варьирует от nּ10 -2 до nּ10 %. Это С, О, Н, N, S и Р, входящие в молекулярный состав основных веществ и Ca, Na, Cl, К, Mg, входящие в состав опорных тканей, крови, лимфы и др. тканей.
К группе ультрамикроэлементов относятся элементы, содержание которых ниже nּ10 -5 % (Sb, Нg, Вi, Рb и др.).
Установлено, что большинство элементов являются биогенными, имеющими огромное значение для обеспечения нормального развития биохимических жизненных процессов, причем наиболее важные биогенные элементы входят в IV (С); V (W, P) и VI (O, S) группы таблицы Менделеева. Элементы VII (Сl, J, Мn) и VIII (Fe, Со) группы участвуют в образовании веществ с высокой биологической ценностью.
Микроэлементный состав сырья зависит от среды обитания или произрастания. В зависимости от концентрации отдельных элементов в окружающей среде и в пище, доступности их, а также от избирательной способности отдельных видов организмов изменяется и степень использования отдельных элементов при процессах ассимиляции.
Белки
Из органических веществ, входящих в состав живых организмов, наиболее важным в биологическом отношении и наиболее сложными по структуре являются белки. Почти все проявления жизни (пищеварение, раздражительность, сократимость, рост и размножение, движение, обмен веществ и др.) связаны с белковыми веществами. Белки играют важную роль как в построении живой материи, так и в осуществлении процессов ее жизнедеятельности.
Специфические катализаторы белковой природы - ферменты - ускоряют химические реакции, протекающие в организме. Различные соединения белковой природы осуществляют транспортную функцию, снабжая организм кислородом и питательными веществами. Распад 1 г белка до конечных продуктов обеспечивает организм энергией 4,27 ккал.
Выделенные из органов и тканей белки при нагревании дают осадок белого цвета и обладают теми же физическими свойствами, как белок куриного яйца. Поэтому их стали называть белками. Синонимом слова "белок" является слово «протеин» (от греческого "протеус" - первый, главный).
Белки - это высокомолекулярные полимеры различных аминокислот. На рис. 1 представлены формулы различных аминокислот.
Рис.1. Формулы некоторых аминокислот.
Аминокислоты подразделяются на 2 большие группы: заменимые и незаменимые. Большинство аминокислот образуется в организме животных и человека в результате гидролиза белков пищи и биосинтеза. Но как минимум, восемь аминокислот не синтезируются в организме. Это валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, фенилаланин, триптофан и метионин, называемые незаменимыми. Белки, в которых отсутствует одна или несколько этих аминокислот, называют биологически неполноценными. Животные белки, в том числе белки гидробионтов, содержат все незаменимые аминокислоты.
Аминокислоты, входящие в состав белка, соединяются между собой пептидными связями, образующимися между аминной группой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой. Механизм этого процесса показан на рис. 2.
Рис. 2. Образование первичной структуры белка.
Образующиеся полипептиды являются основой всех белков, а заложенная в них определенная последовательность аминокислот характеризует первичную структуру белка.
Таким образом, поскольку макромолекулы белка построены из многих сотен аминокислот, в природе существует безграничное количество их изомеров, и каждый вид живых существ может иметь свой только ему присущий белок.
Полипептидные цепи в свою очередь могут соединяться, образуя вторичные структуры белка, главным образом за счет связей, возникающих между различными группами полипептидов. Это схематично показано на рис. 3.
а) образование водородных связей
б) образование a-спирали из полипептидной цепочки
Рис. 3. Схема образования вторичной структуры белка.
Пространственное расположение полипептидных цепей молекулы белка определяет третичную структуру белковой молекулы.
Собственно белки - высокомолекулярные соединения сложной структуры, различаются как по физиологическим функциям, так и по химическим свойствам. Белки пищевого сырья находятся преимущественно в коллоидном состоянии – в виде гелей и золей, что предопределяет неустойчивость и изменчивость свойств (денатурацию) белковых веществ при изменении условий среды.
При подкислении белковых растворов до рН 4,5-5,0 (например, при мариновании) белки утрачивают растворимость и осаждаются (коагулируют). Многие белки утрачивают растворимость при насыщении растворов хлористым натрием (при посоле). В частности, основные мышечные белки, хорошо растворимые в растворах хлористого натрия концентрацией 7,5-10 %, при повышении его концентрации до 15 % осаждаются (высаливаются). При нагревании (во время варки, обжаривания, пропекания) белки свертываются (коагулируют). Термическая денатурация белков начинается с 28-35 о С. Денатурация белков имеет место и при обезвоживании (дегидратации) их систем (при сушке и замораживании).
При осаждении (высаливании, коагуляции) белков нарушается их связь с водой.
В результате пространственного трехмерного строения "на поверхности" белковой молекулы оказываются химически активные группы – NН 2 ; -COOH; - ОН. В водном растворе эти группы находятся в ионизированном состоянии с зарядами различного знака. Белковая молекула приобретает соответствующий знак и величину заряда в зависимости от соотношения положительно и отрицательно заряженных групп. Заряд белковой молекулы зависит от ее состояния. Всякое изменение структуры белковой молекулы приводит к изменению ее заряда, в частности, потеря заряда приводит к денатурации белка. Наличием этих зарядов обуславливаются также гидратные свойства белков. Например, к положительно заряженной белковой молекуле присоединяются молекулы воды своими отрицательно заряженными концами, и образуется структура, центром которой является белковая молекула, а вокруг нее находится мономолекулярная оболочка воды. Так как все отрицательно заряженные концы молекул воды обращены к белковой молекуле, то на поверхности структуры белок - вода сохраняется тот же заряд. К этой поверхности в свою очередь присоединяются новые группы молекул воды и т.д. При этом вокруг каждой молекулы белка образуется электростатически связанный гидратный слой. Сила связи с белком уменьшается пропорционально квадрату расстояния от центра, т.е. от белковой молекулы, и на достаточно большом в масштабах размеров молекулы расстоянии эта связь настолько мала, что собственное тепловое движение молекул препятствует действию электростатических сил. Это и ограничивает количество воды, удерживаемой поверхностью белка.
По существующим воззрениям белковую ткань можно рассматривать как коллоидное и капиллярно-пористое коллоидное тело очень сложного строения, основу которого составляет структурная сетка из находящихся в набухшем состоянии белков, заключающая вязкие растворы, содержащие растворимые белки и другие азотистые и минеральные вещества, которые обладают гидрофильными свойствами. При этом часть воды, входящей в состав мышечной ткани, прочно удерживается белками структурной сетки, а также молекулами растворенных белков и других гидрофильных веществ.
Наряду с водой, удерживаемой силовым полем на внешней и внутренней поверхности белковых частиц, в мышечной ткани присутствует вода, удерживаемая осмотически и силами механической связи (капиллярноудерживаемая вода). Эта вода находится в жидкостях (растворах), содержащих различные азотистые и органические вещества и минеральные соли, заключенные в замкнутых ячейках (микропорах) внутри белковых структур и пронизывающих последние микро- и макрокапиллярах. По имеющимся в литературе данным, 1 г белка при гидратации связывает в среднем 0,3 г воды.
Все методы обработки, технологические режимы направлены на изменение воды в тканях сырья (насыщение ее солью, превращение в лед, нагрев до температуры, близкой к температуре кипения, испарение). Изменение внутренней энергии воды приводит к нарушению равновесного состояния между белком и водой, образующей гидратную оболочку. Белковая молекула реагирует на это перестройкой собственной структуры и соответственно изменением величины заряда. Когда эти изменения завершаются резким снижением или полным исчезновением заряда наступает денатурация белка.
В зависимости от интенсивности и продолжительности внешнего воздействия денатурация белка может быть или обратимой, иди частично обратимой, или необратимой.
Глубину денатурации можно определить по способности мышечной ткани восстанавливать полностью или частично связь с водой.
Применяемые в настоящее время методы обработки пищевого сырья с высоким содержанием белка приводят в основном к изменениям, которые можно охарактеризовать как частичную денатурацию. Схема денатурации белковой молекулы представлена на рис. 4.
Рис. 4. Схема денатурации белковой молекулы:
А - исходное состояние, Б - начинающееся обратимое развертывание, В - далеко зашедшее необратимое развертывание.
Наиболее характерными изменениями белка при тепловой денатурации (температура 70-100°С) являются потеря им нативных свойств (способности растворяться в воде, растворах солей и спиртов), а также снижение способности к набуханию.
Изменения белка, связанные с тепловой денатурацией, тем значительнее, чем выше температура и продолжительность нагревания, действие давления, причем в водном растворе белок денатурирует быстрее, чем находясь в высушенном состоянии.
Денатурация белков играет важную роль в ряде технологических процессов: при выпечке хлеба, кондитерских изделий, при сушке мяса, рыбы, овощей, молока и яичного порошка, при изготовлении консервов и т.д.
В условиях доведения продукта до полной готовности обычно при продолжительном воздействии температур близких к 100°С, белки подвергаются дальнейшим изменениям, связанным с разрушением их макромолекул, - гидролизу.
В начале процесса от белковых молекул могут отщепляться летучие продукту: углекислый газ, сероводород, аммиак, фосфористый водород и другие вещества, участвующие в образовании вкуса и аромата готовых изделий. При длительном воздействии воды и тепла происходит образование водорастворимых азотистых веществ вследствие деполимеризации белковой молекулы, что имеет место, например, при переходе коллагена в глютин.
Гидролиз белков можно вызвать с помощью протеолитических ферментов, используемых для интенсификации некоторых технологических процессов (размягчение жесткого мяса, приготовление дрожжевого теста и др.).
Химический состав белков.
3.1. Пептидная связь
Белки представляют собой нерегулярные полимеры, построенные из остатков -аминокислот, общую формулу которых в водном растворе при значениях pH близких к нейтральным можно записать как NH 3 + CHRCOO – . Остатки аминокислот в белках соединены между собой амидной связью между -амино- и -карбоксильными группами. Пептидная связь между двумя -аминокислотными остатками обычно называется пептидной связью , а полимеры, построенные из остатков -аминокислот, соединенных пептидными связями, называют полипептидами. Белок как биологически значимая структура может представлять собой как один полипептид, так и несколько полипептидов, образующих в результате нековалентных взаимодействий единый комплекс.
3.2. Элементный состав белков
Изучая химический состав белков, необходимо выяснить, во-первых, из каких химических элементов они состоят, во-вторых, - строение их мономеров. Для ответа на первый вопрос определяют количественный и качественный состав химических элементов белка. Химический анализ показал наличие во всех белках углерода (50-55%), кислорода (21-23%), азота (15-17%), водорода (6-7%), серы (0,3-2,5%). В составе отдельных белков обнаружены также фосфор, йод, железо, медь и некоторые другие макро- и микроэлементы, в различных, часто очень малых количествах.
Содержание основных химических элементов в белках может различаться, за исключением азота, концентрация которого характеризуется наибольшим постоянством и в среднем составляет 16%. Кроме того, содержание азота в других органических веществах мало. В соответствии с этим было предложено определять количество белка по входящему в его состав азоту. Зная, что 1г азота содержится в 6,25 г белка, найденное количество азота умножают коэффициент 6,25 и получают количество белка.
Для определения химической природы мономеров белка необходимо решить две задачи: разделить белок на мономеры и выяснить их химический состав. Расщепление белка на его составные части достигается с помощью гидролиза – длительного кипячения белка с сильными минеральными кислотами (кислотный гидролиз) или основаниями (щелочной гидролиз) . Наиболее часто применяется кипячение при 110 С с HCl в течение 24 ч. На следующем этапе разделяют вещества, входящие в состав гидролизата. Для этой цели применяют различные методы, чаще всего – хроматографию (подробнее – глава “Методы исследования…”). Главным частью разделенных гидролизатов оказываются аминокислоты.
3.3. Аминокислоты
В настоящее время в различных объектах живой природы обнаружено до 200 различных аминокислот. В организме человека их, например, около 60. Однако в состав белков входят только 20 аминокислот, называемых иногда природными.
Аминокислоты – это органические кислоты, у которых атом водорода -углеродного атома замещен на аминогруппу – NH 2 . Следовательно, по химической природе это -аминокислоты с общей формулой:
H – C – NH 2
Из этой формулы видно, что в состав всех аминокислот входят следующие общие группировки: – CH 2 , – NH 2 , – COOH. Боковые же цепи (радикалы – R ) аминокислот различаются. Как видно из Приложения I химическая природа радикалов разнообразна: от атома водорода до циклических соединений. Именно радикалы определяют структурные и функциональные особенности аминокислот.
Все аминокислоты, кроме простейшей аминоуксусной к-ты глицина (NH 3 + CH 2 COO ) имеют хиральный атом C и могут существовать в виде двух энантиомеров (оптических изомеров):
COO – COO –
NH 3 + R R NH 3 +
L -изомер D -изомер
В состав всех изученных в настоящее время белков входят только аминокислоты L-ряда, у которых, если рассматривать хиральный атом со стороны атома H, группы NH 3 + , COO и радикал R расположены по часовой стрелке. Необходимость при построении биологически значимой полимерной молекулы строить ее из строго определенного энантиомера очевидна – из рацемической смеси двух энантиомеров получилась бы невообразимо сложная смесь диастереоизомеров. Вопрос, почему жизнь на Земле основана на белках, построеных именно из L-, а не D--аминокислот, до сих пор остается интригующей загадкой. Следует отметить, что D-аминокислоты достаточно широко распространены в живой природе и, более того, входят в состав биологически значимых олигопептидов.
Из двадцати основных -аминокислот строятся белки, однако остальные, достаточно разнообразные аминокислоты образуются из этих 20 аминокислотных остатков уже в составе белковой молекулы. Среди таких превращений следует в первую очередь отметить образование дисульфидных мостиков при окислении двух остатков цистеина в составе уже сформированных пептидных цепей. В результате образуется из двух остатков цистеина остаток диаминодикарбоновой кислоты цистина (см. Приложение I). При этом возникает сшивка либо внутри одной полипептидной цепи, либо между двумя различными цепями. В качестве небольшого белка, имеющего две полипептидные цепи, соединенный дисульфидными мостиками, а также сшивки внутри одной из полипептидных цепей:
GIVEQCCA SVCSLY QLENYCN
FVNQHLC GSHLVEALYLVC GERGFFYTPKA
Важным примером модификации аминокислотных остатков является превращение остатков пролина в остатки гидроксипролина :
N – CH – CO – N – CH – CO –
CH 2 CH 2 CH 2 CH 2
CH 2 CHOH
Это превращение происходит, причем в значительном масштабе, при образовании важного белкового компонента соединительной ткани – коллагена .
Еще одним весьма важным видом модификации белков является фосфорилирование гидроксогрупп остатков серина, треонина и тирозина, например:
– NH – CH – CO – – NH – CH – CO –
CH 2 OH CH 2 OPO 3 2 –
Аминокислоты в водном растворе находятся в ионизированном состоянии за счет диссоциации амино- и карбоксильных групп, входящих в состав радикалов. Другими словами, они являются амфотерными соединениями и могут существовать либо как кислоты (доноры протонов), либо как основания (акцепторы доноров).
Все аминокислоты в зависимости от структуры разделены на несколько групп:
Ациклические . Моноаминомонокарбоновые аминокислоты имеют в своем составе одну аминную и одну карбоксильную группы, в водном растворе они нейтральны. Некоторые из них имеют общие структурные особенности, что позволяет рассматривать их вместе:
Глицин и аланин. Глицин (гликокол или аминоуксусная к-та) является оптически неактивным – это единственная аминокислота, не имеющая энатиомеров. Глицин участвует в образовании нуклеиновых и желчных к-т, гема, необходим для обезвреживания в печени токсичных продуктов. Аланин используется организмом в различных процессах обмена углеводов и энергии. Его изомер -аланин является составной частью витамина пантотеновой к-ты, коэнзима А (КоА), экстрактивных веществ мышц.
Серин и треонин. Они относятся к группе гидрооксикислот, т.к. имеют гидроксильную группу. Серин входит в состав различных ферментов, основного белка молока – казеина, а также в состав многих липопротеинов. Треонин участвует в биосинтезе белка, являясь незаменимой аминокислотой.
Цистеин и метионин. Аминокислоты, имеющие в составе атом серы. Значение цистеина определяется наличием в ее составе сульфгидрильной (– SH) группы, которая придает ему способность легко окисляться и защищать организм о веществ с высокой окислительной способностью (при лучевом поражении, отравлении фосфором). Метионин характеризуется наличием легко подвижной метильной группы, использующейся для синтеза важных соединений в организме (холина, креатина, тимина, адреналина и др.)
Валин, лейцин и изолейцин. Представляют собой разветвленные аминокислоты, которые активно участвуют в обмене веществ и не синтезируются в организме.
Моноаминодикарбоновые аминокислоты имеют одну аминную и две карбоксильные группы и в водном растворе дают кислую реакцию. К ним относятся аспарагиновая и глутаминовая к-ты, аспарагин и глутамин. Они входят в состав тормозных медиаторов нервной системы.
Диаминомонокарбоновые аминокислоты в водном растворе имеют щелочную реакцию за сет наличия двух аминных групп. Относящийся к ним лизин необходим для синтеза гистонов а также в ряд ферментов. Аргинин участвует в синтезе мочевины,креатина.
Циклические . Эти аминокислоты имеют в своем составе ароматическое или гетероциклическое ядро и, как правило, не синтезируется в организме человека и должны поступать с пищей. Они активно участвуют в разнообразных обменных процессах. Так
фенил-аланин служит основным источником синтеза тирозина – предшественника ряда биологически важных веществ: гормонов (тироксина, адреналина), некоторых пигментов. Триптофан помимо участия в синтезе белка, служит компонентом витамина PP, серотонина, триптамина, ряда пигментов. Гистидин необходим для синтеза белков, является предшественником гистамина, влияющего на кровяное давление и секрецию желудочного сока.
Свойства
Белки являются высокомолекулярными соединениями. Это полимеры, состоящие из сотен и тысяч аминокислотных остатков – мономеров.
Белки имеют высокую молекулярную массу, некоторые растворимы в воде, способны к набуханию, характеризуются оптической активностью, подвижностью в электрическом поле и некоторыми другими свойствами.
Белки активно вступают в химические реакции. Это свойство связано с тем, что аминокислоты, входящие в состав белков, содержат разные функциональные группы, способные реагировать с другими веществами. Важно, что такие взаимодействия происходят и внутри белковой молекулы, в результате чего образуется пептидная, водородная дисульфидная и другие виды связей. К радикалам аминокислот, а Соответственно и молекулярная масса белков находится в пределах 10 000 – 1 000 000. Так, в составе рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК) содержится 124 аминокислотных остатка и ее молекулярная масса составляет примерно 14 000. Миоглобин (белок мышц), состоящий из 153 аминокислотных остатков, имеет молекулярную массу 17 000, а гемоглобин – 64 500 (574 аминокислотных остатка). Молекулярные массы других белков более высокие: -глобулин (образует антитела) состоит из 1250 аминокислот и имеет молекулярную массу около 150 000, а молекулярная масса фермента глутаматдегидрогеназы превышает 1 000 000.
Определение молекулярной массы проводится различными методами: осмометрическим, гельфильтрационным, оптическим и др. однако наиболее точным является метод седиментации, предложенный Т. Сведбергом. Он основан на том, что при ультрацентрифугировании ускорением до 900 000 g скорость осаждения белков зависит от их молекулярной массы.
Важнейшим свойством белков является их способность проявлять как кислые так и основные, то есть выступать в роли амфотерных электролитов. Это обеспечивается за счет различных диссоциирующих группировок, входящих в состав радикалов аминокислот. Например, кислотные свойства белку придают карбоксильные группы аспарагиновой глутаминовой аминокислот, а щелочные – радикалы аргинина, лизина и гистидина. Чем больше дикарбоновых аминокислот содержится в белке, тем сильнее проявляются его кислотные свойства и наоборот.
Эти же группировки имеют и электрические заряды, формирующие общий заряд белковой молекулы. В белках, где преобладают аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты, заряд белка будет отрицательным, избыток основных аминокислот придает положительный заряд белковой молекуле. Вследствие этого в электрическом поле белки будут передвигаться к катоду или аноду в зависимости от величины их общего заряда. Так, в щелочной среде (рН 7 – 14) белок отдает протон и заряжается отрицательно, тогда как в кислой среде (рН 1 – 7) подавляется диссоциация кислотных групп и белок становится катионом.
Таким образом, фактором, определяющим поведение белка как катиона или аниона, является реакция среды, которая определяется концентрацией водородных ионов и выражается величиной рН. Однако при определенных значениях рН число положительных и отрицательных зарядов уравнивается и молекула становится электронейтральной, т.е. она не будет перемещаться в электрическом поле. Такое значение рН среды определяется как изоэлектрическая точка белков. При этом белок находится в наименее устойчивом состоянии и при незначительных изменениях рН в кислую или щелочную сторону легко выпадает в осадок. Для большинства природных белков изоэлектрическая точка находится в слабокислой среде (рН 4,8 – 5,4), что свидетельствует о преобладании в их составе дикарбоновых аминокислот.
Свойство амфотерности лежит в основе буферных свойств белков и их участии в регуляции рН крови. Величина рН крови человека отличается постоянством и находится в пределах 7,36 – 7,4 , несмотря на различные вещества кислого или основного характера, регулярно поступающие с пищей или образующиеся в обменных процессах – следовательно существуют специальные механизмы регуляции кислотно-щелочного равновесия внутренней среды организма. К таким системам относится рассматриваемая в гл. “ Классификация” гемоглобиновая буферная система (стр.28). Изменение рН крови более чем на 0,07 свидетельствует о развитии патологического процесса. Сдвиг рН в кислую сторону называется ацидозом, а в щелочную – алкалозом.
Важное значение для организма имеет способность белков адсорбироватьь на своей поверхности некоторые вещества и ионы (гормоны, витамины, железо, медь), которые либо плохо растворимы в воде, либо являются токсичными (билирубин, свободные жирные кислоты). Белки транспортируют их по крови к местам дальнейших превращений или обезвреживания.
Водные растворы белков имеют свои особенности. Во-первых, белки обладают большим сродством к воде, т.е. они гидрофильны. Это значит, что молекулы белка, как заряженные частицы, притягивают к себе диполи воды, которые располагаются вокруг белковой молекулы и образуют водную или гидратную оболочку. Эта оболочка предохраняет молекулы белка от склеивания и выпадения в осадок. Величина гидратной оболочки зависит от структуры белка. Например, альбумины более легко связываются с молекулами воды и имеют относительно большую водную оболочку, тогда как глобулины, фибриноген присоединяют воду хуже, и гидратная оболочка и них меньше. Таким образом, устойчивость водного раствора белка определяется двумя факторами: наличием заряда белковой молекулы и находящейся вокруг нее водной оболочки. При удалении этих факторов белок выпадает в осадок. Данный процесс может быть обратимым и необратимым.
Обратимое осаждение белков (высаливание) предполагает выпадение белка в осадок под действием определенных веществ, после удаления которых он вновь возвращается в свое исходное (нативное) состояние. Для высаливания белков используют соли щелочных и щелочноземельных металлов (наиболее часто в практике используют сульфат натрия и аммония). Эти соли удаляют водную оболочку (вызывают обезвоживание) и снимают заряд. Между величиной водной оболочки белковых молекул и концентрацией солей существует прямая зависимость: чем меньше гидратная оболочка, тем меньше требуется солей. Так, глобулины, имеющие крупные и тяжелые молекулы и небольшую водную оболочку, выпадают в осадок при неполном насыщении раствора солями, а альбумины как более мелкие молекулы, окруженные большой водной оболочкой, – при полном насыщении.
Нативная молекула белка
Денатурированная молекула белка. Черточки обозначают связи в молекуле нативного белка, разрывающиеся при денатурации
еобратимое осаждение связано с глубокими внутримолекулярными изменениями структуры белка, что приводит в потере ими нативных свойств (растворимости, биологической активности и др.). Такой белок называется денатурированным, а процесс денатурацией . Денатурация белков происходит в желудке, где имеется сильнокислая среда (рН 0,5 – 1,5), и это способствует расщеплению белков протеолитическими ферментами. Денатурация белков положена в основу лечения отравления тяжелыми металлами, когда больному вводят per os (“через рот”) молоко или сырые яйца с тем, чтобы металлы денатурируя белки молока или яиц.
Адсорбировались на их поверхности и не действовали на белки слизистой оболочки желудка и кишечника, а также не всасывались в кровь.
Размер белковых молекул лежит в пределах 1 мкм до 1 нм и, следовательно, они являются коллоидными частицами, которые в воде образуют коллоидные растворы. Эти растворы характеризуются высокой вязкостью, способностью рассеивать лучи видимого света, не проходят сквозь полупроницаемые мембраны.
Вязкость раствора зависит от молекулярной массы и концентрации растворенного вещества. Чем выше молекулярная масса, тем раствор более вязкий. Белки как высокомолекулярные соединения образуют вязкие растворы. Например, раствор яичного белка в воде.
Вода
оллоидные частицы не проходят через полупроницаемые мембраны (целлофан, коллоидную пленку), так как их поры меньше коллоидных частиц. Непроницаемыми для белка являются все биологические мембраны. Это свойство белковых растворов широко используется в медицине и химии для очистки белковых препаратов от посторонних примесей. Такой процесс разделения называется диализом. Явление диализа лежит в основе действия аппарата “искусственная почка”, который широко используется в медицине для лечения острой почечной недостаточности.
Диализ (белые крупные кружки – молекулы белка, черные – молекулы хлористого натрия)
Минеральные вещества молока
В золе молока содержатся такие минеральные вещества, как кальций, фосфор, магний, калий, натрий, хлор, сера, кремний. Количество отдельных элементов в молоке определяется в основном генетическими факторами. Кормление и другие факторы окружающей среды оказывают на их содержание лишь незначительное влияние. Количество минеральных веществ в молоке остается постоянным даже тогда, когда в рационах отдельных элементов мало. При недостаточном поступлении минеральных веществ с кормом мобилизуются резервы организма и таким образом концентрация их в молоке поддерживается на определенном уровне. При значительном недостатке одного или нескольких элементов содержание минеральных веществ в расчете на единицу объема молока остается более или менее постоянным. Однако молочная продуктивность, а затем и общее количество минеральных веществ в молоке снижается.
|
Минеральные вещества |
Содержится,г |
Минеральные вещества |
|
Общее количество микроэлементов в молоке составляет менее 0,15%.Содержание микроэлементов в молоке находится в тесной зависимости от наличия их в кормах.
Структурно-механические
свойства масла.
По
Ребиндеру существуют два основных типа
структур.
Первый тип – коагуляционная структура – это пространственные сетки, возникающие путем беспорядочного сцепления мельчайших частиц дисперсной фазы или микромолекул через тонкие расслойки данной среды.
Второй тип – это кристаллизационно-конденсационная структура , образующаяся в результате непосредственного срастания кристалликов с образованием при этом поликристаллического твердого тела.
Жировые основы маргарина относятся к коагуляционному типу структур. Консистенция и пластические свойства жировых основ маргарина в основном определяются соотношением твердой и жидкой фаз в том или ином пищевом жире. Это соотношение твердой и жидкой фаз характерно для каких-то определенных условий кристаллизации (температура, время, перемешивание). При этом важное значение имеет состав непрерывной среды и дисперсной фазы и характер размещения дисперсной фазы в непрерывной жидкой среде.
Для некоторых видов пищевого жира при определенной температуре и условиях кристаллизации количество твердой дисперсной фазы может выйти за предел оптимального соотношения фаз, и тогда на поверхности кристаллов образуются столь тонкие пленки непрерывной жидкой среды, что они не могут мешать массовому хаотическому сращиванию кристаллов друг с другом. В этом случае мы всегда будем иметь наибольшую твердость жировой основы, крошливую консистенцию и наихудшие пластические свойства.
Если при комнатной температуре пленки жидкой непрерывной среды являются оптимальными по толщине, т.е. такими, которые не создают условий для сращивания кристаллов при хранении, при механическом или термическом воздействии на систему, то в этом идеальном случае мы всегда будем получать упрочненные коагуляционные структуры, которые и определяют наилучшие пластические свойства жировых основ.
Чтобы получать упрочненные коагуляционные структуры, обладающие наилучшими пластическими свойствами, за рубежом часто вводят в рецептуру жировой основы два вида саломаса с температурой плавления 32°С и 42°С. При этом вводится довольно значительное количество жидких растительных масел. Указанное, с одной стороны, создает в жировой основе наилучшие соотношения твердой и жидкой фаз, обеспечивая консистенцию, сходную со сливочным маслом, а с другой стороны, создает условия для постоянства консистенции маргарина в довольно большом интервале температур. Наряду с этим, введение в жировую основу высокоплавких саломасов находится в противоречии с требованиями физиологов к составу пищевых жиров.
Прежде всего, следует отметить, что только наличие высокоэффективных эмульгаторов-стабилизаторов позволило создать современную технологию в производстве маргарина и обеспечить выработку пищевого жирового продукта высокого качества. Поверхностно-активные добавки обеспечивают получение тонкодисперсной эмульсии в прочную связь частиц дисперсной фазы с непрерывной средой (твердым при комнатной температуре жиром). Основной вопрос в производстве маргарина – это влияние поверхностно-активных добавок на структурно-механические свойства маргарина, и в частности на способность к солюбилизации.
Адсорбционный слой эмульгатора повышает устойчивость эмульсии, в особенности в тех случаях, когда этот слой структурируется, образуя пленку поверхностного геля с сильно повышенной вязкостью и прочностью.
Эти свойства имеют особое значение для производства маргарина, поскольку готовый продукт представляет собой эмульсию мельчайших частиц жидкой фазы, равномерно размещенных в непрерывной среде твердой фазы при комнатной температуре.
С проблемой прочности эмульсий тесно связан вопрос о типе образующихся с данным эмульгатором эмульсий. Существует возможность образования двух типов. Значение соотношения объемов фаз для определенного типа образующейся эмульсии объясняется тем, что коалесценция и расслоение эмульсии данного типа происходят тем интенсивнее, чем меньше объем дисперсионной среды и чем больше – дисперсной фазы. Если эмульгатор обеспечивает устойчивую эмульсию только одного типа, то соотношение объемов перестает иметь решающее значение в определении типа эмульсии. Инверсия зависит не только от соотношения объемов фаз, но и от концентрации и химической природы эмульгатора.
Эмульгаторы должны обладать следующими свойствами:
Уменьшать поверхностное натяжение;
-
достаточно быстро адсорбироваться на
поверхности раздела фаз, препятствуя
слиянию капель;
- иметь специфическую
молекулярную структуру с полярными и
неполярными группами;
- влиять на
вязкость эмульсии.
Эффективность действия эмульгатора является специфическим свойством, зависящим от его природы, типа эмульгируемых веществ, температуры, рН среды, концентрации, времени эмульгирования и т.д.
Эффективность действия и природа эмульгатора определяют тип эмульсии.
Гидрофильные эмульгаторы, лучше растворимые в воде, чем в углеводородах, способствуют образованию эмульсий типа масло – вода, а гидрофобные, лучше растворимые в углеводородах, – эмульсий типа вода – масло. Соотношение размеров полярной и неполярной частей молекул эмульгатора характеризуется специальным показателем – гидрофильно-липофильный баланс. Если ГЛБ эмульгатора составляет 3-6, образуется эмульсия вода – масло, при значении ГЛБ 8-13 образуется преимущественно эмульсия типа масло – вода.
Маргарин представляет собой переохлажденную эмульсию типа вода в масле. При этом не исключена возможность образования эмульсии смешанного типа с преобладанием эмульсии вода – масло.
Основные функции эмульгаторов:
Создание устойчивой высокодисперсной
эмульсии;
- стабилизация и предотвращение
отделения влаги и жира в готовом продукте;
- обеспечение стабильности при
хранении;
- обеспечение антиразбрызгивающей
способности при жарке;
- обеспечение
пластичности;
- обеспечение создания
устойчивой формы кристаллической
решетки в процессе структурообразования;
- обеспечение заданных функциональных
свойств готового продукта в зависимости
от области использования маргарина.
В Украине на протяжении многих лет использовались эмульгаторы, производимые в России, и собственного производства, вырабатываемые на полупромышленных производствах. К ним относятся эмульгаторы:
Т-1 – продукт глицеролиза говяжьего
жира или саломаса;
- Т-2 – продукт
полимеризации глицерина, этерифицированный
стеариновой кислотой;
- Т-Ф – смесь
эмульгатора Т-1 и пищевого фосфатидного
концентрата в соотношении 2:1;
- ПМД
– пищевые монодиглицериды;
- КЭ –
комбинированный эмульгатор – смесь
ПМД и фосфатидного концентрата в
соотношении 3:1.
Широкая гамма эмульгаторов Нижегородского завода – различные виды дистиллированных моноглицеридов. В настоящее время в Нижнем Новгороде освоено производство серии новых эмульгаторов на основе лецитина. Это лецитины стандартные, лецитины фракционированные – фосфадитилхолин и фосфадитилсерин, а также гидролизованные лецитины.
В последние годы в Украине преимущественно используются эмульгаторы различных модификаций серии Dimodan, Palsgaard (на некоторых предприятиях Квест).
В разные периоды преимущество в спросе на эти два вида эмульгаторов переходило от одного к другому. Можно сказать, что здесь имеет место конкуренция качество – цена.
В зависимости от жирности маргарина и сферы его применения используют эмульгаторы Dimodan PVP (Dimodan HP), Dimodan ОТ (Dimodan S-T PEL/B), Dimodan СР. Для маргаринов жирностью ниже 40%, которые в настоящее время пользуются спросом у населения, используют дополнительно (кроме Dimodan ОТ, или Dimodan СР., или Dimodan LS) эфиры полиглицерина и рицинолевой кислоты – Grinsted PGPR90.
При производстве низкожирных маргаринов, особенно с содержанием жира 25% и ниже, используют стабилизирующие системы – гидроколлоиды (альгинаты, пектины и др.).
Следует отметить, что фирмы-производители дают рекомендации по применению различных видов эмульгаторов и стабилизирующих систем в зависимости от назначения маргаринов. Соблюдение этих рекомендаций позволяет получить продукцию высокого качества
Мышечные белки
Мясо птицы содержит примерно 20-23% белков. Мышечные белки по их растворимости можно разделить на три группы: миофибриллярные, саркоплазматические и белки стромы.
Миофибриллярные , или солерастворимые белки нерастворимы в воде, но большинство растворяется в растворах поваренной соли концентрацией более 1%. Эта группа состоит примерно из 20 отдельных белков, входящих в состав миофибрилл сократительной мышцы. Миофибриллярные белки могут быть разделены на три группы в зависимости от выполняемой функции: сократительные, которые ответственны за мышечные сокращения, регуляторные, участвующие в управлении процессом сокращения, и цитоскелетные, скрепляющие миофибриллы и способствующие сохранению их структурной целостности.
Сократительные белки миозин и актин оказывают большое влияние на функциональность мышечного белка. Поскольку в окоченевшей мышце актин и миозин находятся в виде актомиозинового комплекса, изменяется функциональность миозина как в эмульгированных, так и в формованных продуктах из мяса птицы. Свойства продуктов зависят также от общего соотношения актина и миозина и соотношения миозина и актина в свободном состоянии. Саркоплазматические белки и белки стромы, в свою очередь, влияют на функциональные свойства миофибриллярных белков.
Саркоплазматические белки растворимы в воде или в растворах с малой ионной силой (
Белки стромы , часто называемые белками соединительной ткани, служат каркасом, поддерживающим структуру мышцы. Основным белком стромы является коллаген. Эластин и ретикулин составляют небольшую часть стромы. Все эти белки нерастворимы в воде и солевых растворах. Нежность мяса, как правило, уменьшается с увеличением возраста животных благодаря образованию поперечных связей и другим изменениям коллагена.
Кровь и её фракции
Цельную кровь применяют как основное сырьё для производства колбас, зельцев, консервов и других продуктов питания, а также в качестве аддитива, придающего традиционный цвет изделиям при использовании в них белковых препаратов (0,6-1,0%); с этой же целью применяют препарат гемоглобина или смесь форменных элементов после гидратации в воде (1:1).
По сравнению с другими видами белоксодержащего сырья цельная кровь используется недостаточной широко вследствие наличия специфических цвета и вкуса, модифицирующих органолептические характеристики готовых изделий. В настоящее время ведутся исследования по осветлению крови, однако по ряду причин предложенные способы не нашли практического применения в промышленности. Функционально-технологические свойства крови и её фракций (плазмы, сыворотки) в первую очередь зависят от их белкового состава. Цельная кровь содержит около 150 протеинов с различными физико-химическими свойствами, преобладающими из которых являются белки форменных элементов, альбумины, глобулины и фибриноген. В связи с этим на базе цельной крови целесообразно готовить эмульсии, предназначенные для введения в рецептуры мясопродуктов и обеспечивающие повышение стабильности мясных систем, пищевой ценности и выхода, улучшение органолептических показателей и структурно-механических свойств.
В качестве белкового препарата наиболее целесообразно применять соевый изолят либо казеинат натрия.
Уровень введения эмульсий, приготовленных на основе цельной крови, в мясные системы может составлять до 30-40% к массе основного сырья.
Белки плазмы крови обладают уникальным комплексом ФТС. Альбумины легко взаимодействуют с другими белками, могут быть связаны с липидами и углеводами, имеют высокую водосвязывающую и пенообразующую способность.
Глобулины - хорошие эмульгаторы.
Фибриноген - имеет выраженную гелеобразующую способность, переходя в фибрин под воздействием ряда факторов (сдвиг рН к изоточке, введение ионов Са++ в плазму) и образуя пространственный каркас.
смесей Эти свойства фибриногена можно использовать при получении многокомпонентных белоксодержащих, включающих ПК, гелеподобных текстуратов, в процессе вторичного структурообразования мясных эмульсий при производстве вареных колбасных изделий.
Все белки плазмы характеризуются хорошей растворимостью, и как следствие - высокой водосвязывающей и эмульгирующей способностью, способны образовывать гели при нагревании. Введение поваренной соли оказывает отрицательное влияние на стабильность эмульсий на базе плазмы крови при рН 7,0. Важнейшим свойством плазмы является её способность к образованию гелей при тепловой обработке, причем их прочность и уровень водосвязывающей способности зависит от концентрации белков в системе, величины рН, присутствия солей, температуры и продолжительности нагрева.
Введение в плазму неплазменных белков (яичный альбумин, соевый изолят, казеинат натрия) существенно увеличивает как прочность гелей, так и их водо- и жиропоглощающую способность после термообработки.
В зависимости от состояния плазмы крови и условий первичной обработки, состав и функционально-технологические свойства её и, соответственно, область использования могут изменяться.
Систематизация имеющихся в настоящее время данных по переработке ПК позволяет оценить современные подходы к реализации биологического и функционально-технологического потенциала белкового компонента ПК при производстве пищевых продуктов.
Схема дает представление о состоянии, способах обработки, составе и свойствах белковых препаратов, получаемых на основе ПК, определяет области их практического использования, причем полифункциональность целевого назначения ПК отражена в формируемых при том или ином способе обработки ФТС.
Необходимо отметить, что уровень отдельных показателей ФТС, приведенных в Таблице 13 и служащих для расшифровки условных обозначений, принятых в схеме, является относительным в связи с тем, что фактическая величина каждой характеристики решающим образом зависит от концентрации белка, значения рН в системе, температуры среды, ионной силы и ряда других факторов.
Анализ классификационной схемы показывает, что одним из путей технологического использования плазмы крови является её применение в жидком стабилизированном виде (а также после охлаждения и замораживания) с относительно невысоким содержанием белка и сохраненными нативными ФТС.
В этом случае белки ПК характеризуются высоким уровнем ВСС и эмульгирования, что обусловлено наличием в ней водорастворимых белков, способных образовывать гели при нагреве. Совокупность этих свойств позволяет широко использовать плазму не только как компонент, балансирующий общий химический состав готовых изделий, но и как функциональную добавку при производстве эмульгированных мясопродуктов с высоким конечным влагосодержанием: вареных колбас, сосисок, сарделек, рубленых полуфабрикатов, фаршевых консервов, ветчинных изделий. Наиболее рациональным является введение в рецептуры 10% плазмы взамен 3% говядины или 2% свинины; введение 20% ПК вместо воды при куттеровании обеспечивает улучшение органолептических, структурно-механических показателей и повышение выхода готовой продукции на 0,3-0,5%. Прекрасный эффект дает применение плазмы крови в качестве среды для гидратации белковых препаратов (3-4 частей ПК на 1 часть белкового препарата).
Незаменима ПК при изготовлении белково-жировых эмульсий, связующих, многокомпонентных белковых систем с заданным составом и функционально-технологическими свойствами, структурированных белковых препаратов.
Концентрирование ПК методами сушки, ультрафильтрации и криоконцентрирования, позволяя существенно повысить содержание белка, приводит к некоторой модификации ФТС препарата.
Особенно существенное влияние на степень изменения ФТС оказывает сушка плазмы, в то время как сухой концентрат ПК, подвергнутый ультрафильтрации, имеет весьма высокие функциональные свойства.
Полученные данными методами концентраты успешно применяют при производстве мясопродуктов наряду с жидкой ПК.
Американские специалисты считают, что плазмой" крови крупного рогатого скота, благодаря её ФТС, можно успешно заменять яичный белок.
Денатурационно-коагуляционное осаждение, обеспечивая совмещение процессов термотропного структурирования, флокуляции (осаждения) и концентрирования белков ПК, дает возможность получать препараты с относительно высокой концентрацией белка и неординарными ФТС, что позволяет использовать их в рецептурах полукопченых, копченозапеченых, ливерных колбас, паштетных консервов и полуфабрикатов, имеющих ограниченное конечное влагосодержание и высокую жиропоглотительную способность. К этой группе препаратов относят: "осажденный белок плазмы", "белковые плазменные преципитаты", ливексы, "плазменный сыр", гранулированную ПК.
Применение данных видов препаратов плазмы крови в практике мясного производства весьма ограничено.
Структурирование плазмы крови путем рекальцинирования существенно расширяет возможности её технологического использования. Перевод ПК и многокомпонентных систем на её основе в гель-форму позволяет получать структурные матрицы, имитирующие природные биообъекты по внешнему виду, составу и свойствам, создает предпосылки к регулированию ФТС, обеспечивает вовлечение в процесс производства низкосортного сырья, дает возможность с новых позиций подойти к решению вопроса разработки новых видов пищевых продуктов. Особенно эффективно комплексное использование ПК и белковых препаратов (соевые изоляты, казеинат натрия и т. п.).Структурированные формы ПК применяют при производстве вареных колбас, рубленых полуфабрикатов, ветчины в оболочке, полукопченых и ливерных колбас, паштетов, фаршевых консервов, текстурированных наполнителей рецептур, аналогов мясопродуктов.
СОЗРЕВАНИЕ МЯСА
Вопрос «созревания мяса» до сего времени не получил окончательного освещения. Из наблюдений практиков известно, что после прекращения жизни животного в мясе происходят физико-химические изменения, характеризующиеся окоченением, затем расслаблением (размягчением) мышечных волокон. В результате мясо приобретает некоторый аромат и лучше поддается кулинарной обработке. Пищевые достоинства его повышаются. Эти изменения в мягких тканях туши получили название «созревание» («вызревание») или «ферментация мяса».
Для объяснения процесса созревания мяса заслуживает большого внимания учение Мейергофа, Эмбдена, Палладина и Абдергальдена о динамике и обмене углеводов в мышцах при жизни животного.
Мейергоф
показал, что содержащийся в мышце
гликоген расходуется на образование
молочной кислоты при сокращении мышцы.
Во время расслабления
(отдыха) мышцы,
благодаря поступлению кислорода, из
молочной кислоты снова синтезируется
гликоген
Люндсград
показал, что креатинофосфорная кислота
находится в мышечных клетках и при
сокращении их расщепляется на креатин
и фосфорную кислоту (по
Палладину),
которая соединяется с гексозой (глюкозой).
Аденозинофосфорная кислота, содержащаяся
в мышцах, также расщепляется с образованием
аденозина и фосфорной кислоты, которая
дри соединении с гексозой (глюкозой)
способствует образованию молочной
кислоты (Эмбден и Цимммерман).
Мясо только
что убитого животного (парное мясо)-
плотной консистенции, без выраженного
приятного специфического запаха, при
варке дает мутноватый неароматный
бульон и не обладает высокими вкусовыми
качествами. Более того, в первые часы
после убоя животного мясо окоченевает
и становится жестким.
Спустя 24-72 ч
после убоя животного (в зависимости от
температуры среды, аэрации и других
факторов) мясо приобретает новые
качественные показатели: исчезает его
жесткость, оно приобретает сочность и
специфический приятный запах, на
поверхности туши образуется плотная
пленка (корочка подсыхания), при варке
дает прозрачный ароматный бульон,
становится нежным и т. д.
Происходящие
в мясе процессы и изменения, в результате
которых оно приобретает желательные
качественные показатели, принято
называть созреванием мяса.
Созревание мяса представляет собой совокупность сложных биохимических процессов в мышечной ткани и изменений физико-коллоидной структуры белка, протекающих под действием его собственных ферментов.
Процессы, происходящие в мышечной ткани после убоя животного, можно условно подразделить на три следующие фазы: послеубойное окоченение, созревание и автолиз.
Послеубойное
окоченение в туше развивается в первые
часы после убоя животного При этом мышцы
становятся упругими и слегка укорачиваются
Это значительно увеличивает их жесткость
и сопротивление на разрезе.
Способность
такого мяса к набуханию очень низкая.
При температуре 15-20"С полное окоченение
происходит через 3-5 ч после убоя
животного, а при температуре 0-2°С-через
18-20 ч.
Процесс
послеубойного окоченения сопровождается
некоторым повышением температуры в
туше в результате выделения тепла,
которое образуется от протекающих в
тканях химических реакций. Окоченение
мышечной ткани, наблюдающееся в первые
часы и сутки после убоя животных,
обусловлено образованием из белков
актина и миозина нерастворимого
актомиозинового комплекса. Предпосылкой
его образования являются отсутствие
аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ),
кислая среда мяса и накопление в нем
молочной кислоты. Биохимические изменения
в мясе создают эти предпосылки.
Уменьшение
и полное исчезновение АТФ связано с ее
распадом в результате ферментативного
действия миозина Распад АТФ до
аденозиндифосфорной (АДФ, аденозинмонофосфорной
(АМФ) и фосфорной кислот сам по себе
приводит к появлению кислой среды в
мясе. Более того, уже в этой фазе начинается
распад мышечного гликогена, что приводит
к накоплению молочной кислоты, так же
способствующей образованию в нем кислой
среды.
Кислая среда, которая является закономерным явлением распада АТФ и началом необратимого процесса гликолиза (распада мышечного гликогена), усиливает мышечное окоченение. Замечено, что мышцы животных, погибших при явлениях судорог, окоченевают быстрее. Окоченение без накопления молочной кислоты характеризуется слабым мышечным напряжением и быстрым разрешением процесса.
Однако уже
задолго до завершения фазы окоченения
в мясе развиваются процессы, связанные
с фазами его собственного созревания
и аутолиза.
Ведущими для них являются
два процесса - интенсивный распад
мышечного гликогена, приводящий к
резкому сдвигу величины рН мяса в кислую
сторону, а также некоторые изменения
химического состава и физико-коллоидной
структуры белков.
В связи с тем что мышцы мяса кислорода не получают и окислительные процессы в них заторможены, в мясе накапливаются избытки молочной и фосфорной кислоты. Так, например, при мышечном утомлении организма (при его жизни) достигается максимум 0,25% молочной кислоты, а при посмертном окоченении ее накопляется до 0,82%. Активная реакция среды (рН) при этом изменяется от 7,26 до 6,02. От накопления молочной кислоты наступает быстрое сокращение (окоченение) мускулатуры, сопровождающееся коагуляцией белка (Саксль). При этом актомиозин теряет свою растворимость, белки стабилизируются, а кальций выпадает из коллоидов белка и переходит в раствор (мясной сок). Вследствие избыточного содержания молочной кислоты вначале наступает набухание коллоидоанизотропного вещества (темного диска) мышечных волокон (оно сопровождается укорочением- окоченением мышц); затем по мере увеличения концентрации молочной кислоты и коагуляции белка происходит размягчение этого вещества. Свернувшиеся белки теряют свои коллоидные свойства, становятся неспособными связывать (удерживать) воду и в известной степени лишаются своей дисперсной среды (воды): вместо первоначального разбухания наступает сморщивание (съеживание) коллоидов клеток, и мышцы становятся мягкими (разрешение окоченения).
В результате накопления молочной, фосфорной и других кислот в мясе увеличивается концентрация водородных ионов, вследствие чего к концу суток рН снижается до 5,8-5,7 (и даже ниже).
В кислой среде при распаде АТФ, АДФ, АМФ и фосфорной кислоты происходит частичное накопление неорганического фосфора. Резко кислая среда и наличие неорганического фосфора считается причиной диссоциации актомиозинового комплекса на актин и миозин. Распад этого комплекса снимает явления окоченения и жесткости мяса. Следовательно, фазу окоченения от других фаз обособить нельзя и ее необходимо считать одним из этапов процесса созревания мяса.
Схему биохимических изменений в процессе созревания мяса можно представить следующим образом.
Кислая среда сама по себе действует бактериостатически и даже бактерицидно, а поэтому при сдвиге рН в кислую сторону в мясе создаются неблагоприятные условия для развития микроорганизмов.
Наконец,
кислая среда приводит к некоторым
изменениям химического состава и
физико-коллоидной структуры белков.
Она изменяет проницаемость мышечных
оболочек и степень дисперсности белков.
Кислоты вступают во взаимодействие с
протеинатами кальция и кальций отщепляют
от белков.
Переход кальция в экстракт
ведет к уменьшению дисперсности белков,
в результате чего теряется часть гидратно
связанной воды. Поэтому из созревшего
мяса центрифугированием можно частично
отделить мясной сок.
Высвободившаяся гидратносвязанная вода, воздействие про-теолитических ферментов и кислая среда создают условия разрыхления сарколеммы мышечных волокон, и в первую очередь разрыхления и набухания коллагена. Это в значительной степени способствует изменению консистенции мяса и более выраженной его сочности. Очевидно, с набуханием коллагена, а затем частичной отдачей влаги с поверхности туши в окружающую среду следует связывать образование на ее поверхности корочки подсыхания.
Фаза собственного созревания во многом определяет интенсивность течения физико-коллоидных процессов и микроструктурных изменений мышечных волокон, которые бывают в фазе автолиза. Автолиз при созревании мяса понижают в широком смысле слова и связывают его не только с распадом белков, но и с процессом распада любых составных частей клеток. В связи с этим процессы, происходящие в фазе собственного созревания, невозможно отделить или обособить от таковых при автолизе. Тем не менее в результате комплекса причин (действие протеолитических ферментов, резко кислая среда, продукты автолитического распада небелковых веществ и др.) происходит автолитический распад мышечных волокон на отдельные сегменты.
Созревание
мяса совершается в течение 24-72 часов
при температуре +4°.
Однако не всегда
удастся выдерживать мясо при +4°. Иногда
приходится хранить его в обычных условиях
(не в остывочных) при температуре +6-8°
и выше; при повышенной температуре
процессы посмертного окоченения и
разрешения мышц протекают быстрее.
Скорость созревания мяса зависит также
от вида и состояния здоровья убитого
животного, его упитанности и возраста;
но эти вопросы требуют дальнейшего
наблюдения и изучения.
При созревании
мяса происходит расщепление некоторых
нуклеидов
(азотистых экстрактивных
веществ). Образуются летучие вещества,
эфиры и альдегиды, придающие аромат
мясу. Появляются адениловая и инозиновая
кислоты, аденин, ксантин, гипоксантин,
от которых и зависят вкусовые качества
мяса. Меняется реакция среды мяса в
сторону кислотности (рН 6,2-
5,8). Это
способствует набуханию коллоидов
протоплазмы, благодаря чему мясо
приобретает мягкость, нежность и хорошо
поддается кулинарной обработке.
Мясо
такого качества получается через 1-3
суток его хранения при температуре от
4 до 12° (в зависимости от возможностей
предприятий).
На первом этапе этого процесса обнаруживается сегментация в отдельных мышечных волокнах при сохранении эндомизия волокон. При этом в сегментах сохраняется структура ядер, поперечная и продольная исчерченность.
На втором
этапе сегментации подвергаются
большинство мышечных волокон.
Как и
на первом этапе, эндомизий волокон, а в
сегментах структура ядер, поперечная
и продольная исчерченность продолжают
сохраняться. Наконец, на третьем этапе
(фаза глубокого автолиза) обнаруживается
распад сегментов на миофибриллы, а
миофибрилл на саркомеры.
Саркомеры при микроскопии срезов, сделанных из такого Мяса, просматриваются в виде зернистой массы, заключенной в эндомизий.
Морфологические и микроструктурные изменения в тканях также являются причиной размягчения и разрыхления мяса в процессе его созревания, благодаря чему пищеварительные соки более свободно проникают к саркоплазме, что улучшает ее переваримость. Необходимо отметить, что соединительнотканные белки при созревании мяса почти не подвергаются протеолитическим процессам. Поэтому при равных условиях созревания нежность различных отрубов мяса одного и того же животного, а также одинаковых отрубов различных животных оказывается неодинаковой; нежность мяса, содержащего много соединительной ткани, невелика, а мясо молодых животных нежнее, чем старых.
В результате комплекса автолитических превращений различных компонентов мяса при его созревании образуются и накапливаются вещества, обусловливающие аромат и вкус созревшего мяса. Определенный вкус и аромат придают созревшему мясу азотсодержащие экстрактивные вещества - гипоксантин, креатин и креатинин, образующиеся при распаде АТФ, а также накапливающиеся свободные аминокислоты (глутаминовая кислота, аргинин, треонин, фенилаланин и др.). В образовании букета вкуса и аромата, по- видимому, участвуют пировиноградная и молочная кислоты.
И. А. Смородинцев высказывал предположение, что вкус и аромат зависят от накопления в созревшем мясе легкорастворимых и летучих веществ типа эфиров, альдегидов и кетонов. В дальнейшем в ряде исследований показано, что ароматические свойства созревшего мяса улучшаются по мере накопления в нем общего количества летучих редуцирующих веществ. В настоящее время при помощи газовой хроматографии и масс-спектрометрического анализа установлено, что к соединениям, обусловливающим запах вареного мяса, относятся ацетальдегид, ацетон, мртилэтилкетон, метанол, метилмеркаптан, диметилсульфид, этилмеркаптан и др.
При повышении температуры (до 30 °С), а также при длительной выдержке мяса (свыше 20-26 суток) в условиях низких плюсовых температур ферментативный процесс созревания заходит так глубоко, что в мясе заметно увеличивается количество продуктов распада белков в виде малых пептидов и свободных аминокислот. На этой стадии мясо приобретает коричневую окраску, в нем увеличивается количество аминного и аммиачного азота, происходит заметный гидролитический распад жиров, что резко снижает его товарные и пищевые качества.
Биохимические
процессы, происходящие при созревании
в мясе больных животных, отличаются от
биохимических процессов в мясе здоровых
животных.
При лихорадке и переутомлении
энергетический процесс в организме
повышен.
Окислительные процессы в
тканях усилены. Изменение углеводного
обмена при болезнях и переутомлении
характеризуется быстрой убылью гликогена
в мускулатуре. Поэтому почти при всяком
патологическом процессе в организме
животного содержание гликогена в мышцах
сокращается. Поскольку гликогена в мясе
больных животных меньше, чем в мясе
здоровых, то и количество продуктов
распада гликогена (глюкозы, молочной
кислоты и др.) в мясе больных животных
незначительное.
Кроме того, при тяжело протекающих заболеваниях еще при жизни животного в его мускулатуре накапливаются промежуточные и конечные продукты белкового метаболизма. В этих случаях уже в первые часы после убоя животного в мясе обнаруживается повышенное количество аминного и аммиачного азота.
Незначительное накопление кислот и повышенное содержание полипептидов, аминокислот и аммиака являются причиной меньшего снижения показателя концентрации водородных ионов при созревании мяса больных животных. Этот фактор влияет на активность ферментов мяса. В большинстве случаев концентрация водородных ионов, устанавливающаяся в результате созревания мяса больных животных, более благоприятна для действия пептидаз и протеаз.
В итоге накопление в мясе больных животных экстрактивных азотистых веществ и отсутствие резкого сдвига величины рН в кислую сторону считаются условиями, благоприятными для развития микроорганизмов.
Изменения, происходящие в мясе больных животных, по-иному влияют и на характер физико-коллоидной структуры мяса. Меньшая кислотность вызывает незначительное выпадение солей кальция, что, в свою очередь, является причиной меньшего изменения степени дисперсности белков и других изменений, характерных для них при нормальном созревании мяса. Сравнительно высокий показатель рН, накопление продуктов распада белков и благоприятные условия для развития микроорганизмов предопределяют меньшую стойкость мяса больных животных при хранении. Перечисленные признаки свойственны мясу каждого тяжелобольного животного; они являются причиной известной однотипности в изменении физико-химических показателей мяса, полученного от животных, убитых с течением патологического процесса, независимо от природы заболевания. Это положение не отрицает, специфических изменений в составе мяса при отдельных заболеваниях, но дает основание говорить об общих закономерностях созревания мяса при патологии в животном организме.
Соединениями, характеризующимися большой молекулярной массой. В состав всех известных белков ... постоянной свою форму и химический состав , несмотря на непрерывное их...
Химический состав и физические свойства спермы
Доклад >> Медицина, здоровьеХимический состав и физические свойства спермы Сперма – смесь... , А), макро и микроэлементы. Химический состав спермы: 1)вода- 75% 2) сухое вещество- 25%: -белки - 85% -Липиды...
Основные свойства белка зависят от их химического строения. Белки представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулы которых построены их остатков альфа-аминокислот, т.е. аминокислот, у которых первичная аминогруппа и карбоксильная группа связаны с одним и тем же углеродным атомом (первым атомом углерода, считая от карбонильной группы).
Из белков путем гидролиза выделяют 19-32 вида альфа-аминокислот, но обычно получают 20 альфа-аминокислот (это так называемые протеиногенные аминокислоты). Общая их формула:
общая часть для всех аминокислот
R - радикал, т.е. группировка атомов в молекуле аминокислоты, связанная с альфа-углеродным атомом и не принимающая участие в формировании хребта полипептидной цепи.
Среди продуктов гидролиза многих белков обнаружены пролин и оксипролин, которые содержат иминогруппу =NН, а не аминогруппу Н 2 N- и собственно являются иминокислотами, а не аминокислотами.
Аминокислоты – бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся с разложением при высоких температурах (выше 250°С). Легко растворимы, в большинстве своем, в воде и не растворимы в эфире и др. органических растворителях.
Аминокислоты содержат одновременно две группы, способные к ионизации: карбоксильную, обладающую кислотными свойствами, и аминогруппу, обладающую основными свойствами, т.е. аминокислоты являются амфотерными электролитами.
В сильнокислых растворах аминокислоты присутствуют в виде положительно-заряженных ионов, а в щелочных растворах – в виде отрицательных ионов.
В зависимости от значения рН среды любая аминокислота может обладать то положительным, то отрицательным зарядом.
Значение рН среды, при котором частицы аминокислот электронейтральны, обозначается как их изоэлектрическая точка.
Все получаемые из белков аминокислоты, за исключением глицина, оптически активны, так как они содержат в альфа-положении асимметрический атом углерода.
Из 17 оптически-деятельных белковых аминокислот 7 характеризуется правым /+/ и 10 – левым /-/ вращением плоскости поляризованного луча, но все они относятся к L-ряду.
В некоторых природных соединениях и биологических объектах (к примеру, в бактериях и в составе антибиотиков грамицидина и актиномицина) обнаружены аминокислоты D-ряда. Физиологическое значение D- и L-аминокислот различно. Аминокислоты D-ряда, как правило, или совершенно не усваиваются животными и растениями, или усваиваются плохо, поскольку ферментные системы животных и растений специфически приспособлены к L-аминокислотам. Примечательно, что оптические изомеры можно различить по вкусу: аминокислоты L-ряда горькие или безвкусные, а аминокислоты D-ряда – сладкие.
Для всех групп аминокислот характерны реакции, в которых принимают участие аминогруппы или карбоксильные группы, или те и другие одновременно. Кроме того, радикалы аминокислот способны к разнообразным взаимодействиям. Радикалы аминокислот вступают в реакции:
Солеобразования;
Окислительно-восстановительные реакции;
Реакции ацилирования;
Этерификации;
Амидирования;
Фосфорилирования.
Эти реакции, приводящие к образованию окрашенных продуктов, широко применяют для идентификации и полуколичественного определения индивидуальных аминокислот и белков, к примеру, ксантопротеиновая реакция (амидирования), Миллона (солеобразования), биуретовая (солеобразования), нингидриновая реакция (окисления) и др.
Физические свойства радикалов аминокислот также весьма разнообразны. Это касается, прежде всего, их объема, заряда. Разнообразие радикалов аминокислот по химической природе и физическим свойствам обусловливает полифункциональные и специфические особенности образуемых ими белков.
Классификацию аминокислот, встречающихся в белках, можно проводить по различным признакам: по строению углеродного скелета, по содержанию -СООН и Н 2 N-групп и др. Наиболее рациональна классификация, основывающаяся на различиях в полярности радикалов аминокислот при рН 7, т.е. при значении рН, соответствующем внутриклеточным условиям. В соответствии с этим аминокислоты, входящие в состав белков, можно подразделить на четыре класса:
Аминокислоты с неполярными радикалами;
Аминокислоты с незаряженными полярными радикалами;
Аминокислоты с отрицательно заряженными полярными радикалами;
Аминокислоты с положительно заряженными полярными радикалами
Рассмотрим строение этих аминокислот.
Аминокислоты с неполярными R-группами (радикалами)
В этот класс входят четыре алифатические аминокислоты (аланин, валин, изолейцин, лейцин), две ароматические аминокислоты (фенилаланин, триптофан), одна серосодержащая аминокислота (метионин), и одна иминокислота (пролин). Общим свойством этих аминокислот является их более низкая растворимость в воде по сравнению с полярными аминокислотами. Структура их такова:
Аланин (α-аминопропионовая кислота)
Валин (α-аминоизовалериановая кислота)
Лейцин (α-аминоизокапроновая кислота)
Изолейцин (α-амино-β-метилвалериановая кислота)
Фенилаланин (α-амино-β-фенилпропионовая кислота)
Триптофан (α-амино-β-индолпропионовая кислота)
Метионин (α-амино-γ-метил-тиомаслянная кислота)
Пролин (пирролидин-α-карбоновая кислота)
2. Аминокислоты с незаряженными полярными R‑группами (радикалами)
Этот класс включает одну алифатическую аминокислоту – глицин (гликокол), две гидроксиаминокислоты – серин и треонин, одну серосодержащую аминокислоту – цистеин, одну ароматическую аминокислоту – тирозин, и два амида – аспарагин и глутамин.
Эти аминокислоты более растворимы в воде, чем аминокислоты с неполярными R‑группами, так как их полярные группы могут образовывать водородные связи с молекулами воды. Структура их такова:
Глицин или гликокол (α-аминоуксусная кислота)
Серин (α-амино-β-гидроксипропионовая кислота)
Треонин (α-амино-β-гидроксимаслянная кислота)
Цистеин (α-амино-β-тиопропионовая кислота)
Тирозин (α-амино-β-парагидроксифенилпропионовая кислота)
Аспарагин