Денатурация белков

Важное свойство белков — их способность к денатурации. Этим понятием обозначают явления, связанные с необратимым изменением вторичной, третичной и четвертичной структур белка под воздействием нагревания, кислот, щелочей, УФ-лучей, ионизирующей радиации, ультразвука и др. Иными словами, де­натурация — это необратимое нарушение нативной пространст­венной конфигурации белковой молекулы, сопровождающееся существенными изменениями биологических и-физико-химических свойств белков.

Поскольку в образовании вторичной и третичной структур частично участвуют относительно слабые связи, физическое со­стояние белка в значительной степени зависит от температуры, рН, присутствия солей и других факторов. Нагревание, напри­мер, вызывает распрямление полипептидной цепи белковой мо­лекулы; некоторые химические реагенты разрывают водородные связи. Изменение рН также обусловливает разрыв связей, при этом проявляется электростатическая неустойчивость.

Белки под влиянием различных физических и химических факторов теряют свои первоначальные (нативные) свойства. Внешне это выражается в их свертывании и выпадении в осадок. Примером такого явления может служить свертывание альбуми­на молока при кипячении. Негидролитическое необратимое на­рушение нативной структуры белка и называется денатурацией. При этом рвутся в основном водородные связи, изменяется про­странственная структура белка, однако разрыва ковалентных связей в белковой молекуле не происходит.

Денатурация приводит к развертыванию молекулы белка, и он переходит в более или менее разупорядоченное состояние (в нем уже нет ни спиралей, ни слоев, ни других каких-либо видов регулярной укладки цепи). В денатурированном состоянии амидные группы пептидной цепи образуют водородные связи с окружающими их молекулами воды; таких водородных связей значительно больше, чем внутримолекулярных.

Взбивание яичного белка, сливок превращает их в пену, со­стоящую из пузырьков воздуха, окруженных тонкими белковы­ми пленками, образование которых сопровождается разверты­ванием полипептидных цепей в результате разрыва связей при механическом воздействии. Таким образом, при образовании пленок происходит частичная или полная денатурация белка. Такой вид денатурации называется поверхностной дена­турацией белка.

Для кулинарных процессов особое значение имеет тепло­вая денатурация белков. Механизм тепловой денатура­ции белков можно рассмотреть на примере глобулярных белков.

Основная молекула глобулярного белка состоит из одной или не­скольких полипептидных цепей, сложенных складками и обра­зующих клубки. Такая структура стабилизируется непрочными связями, среди которых большую роль играют водородные свя­зи, образующие поперечные мостики между параллельными пептидными цепями или их складками.

При нагревании белков начинается усиленное движение полипептидных цепей или складок, что приводит к разрыву не­прочных связей между ними. Белок разворачивается и приобре­тает необычную, неприродную форму, водородные и другие свя­зи устанавливаются в несвойственных данной молекуле местах, и конфигурация молекулы меняется. В результате происходит развертывание и перегруппировка складок, сопровождаемые перераспределением полярных и неполярных групп, причем не­полярные радикалы концентрируются на поверхности глобул, понижая их гидрофильность. При денатурации белки становятся нерастворимыми и в большей или меньшей мере утрачивают способность к набуханию.

При тепловой денатурации белков активная роль принадле­жит воде, которая участвует в образовании новой конформационной структуры денатурированного белка. Полностью обезвожен­ные белки не денатурируют даже при длительном нагревании. Денатурирующий эффект внешних воздействий тем сильнее, чем выше гидратация белков и ниже их концентрация в растворе.

При значениях рН среды, близких к ИЭТ белка, происходит максимальная дегидратация белка. Наиболее полно денатурация осуществляется в ИЭТ белка. Смещение рН в ту или иную сторо­ну от ИЭТ белка способствует повышению его термостабильно­сти и ослаблению денатурационных процессов.

Температура денатурации белков повышается в присутствии других термостабильных белков и некоторых веществ небелко­вой природы, например сахарозы. Это свойство белков исполь­зуют, когда при тепловой обработке необходимо повышение температуры смеси (например, при пастеризации мороженого, изготовлении яично-масляных кремов), не допуская расслоения или структурообразования в белковой коллоидной системе.

Появление на поверхности белковой молекулы после дена­турации ранее скрытых радикалов или функциональных групп изменяет физико-химические и биологические свойства белков. В результате денатурации свойства белков необратимо изменя­ются.

Из прогретой муки нельзя приготовить тесто, а из вареного мяса — котлеты, так как денатурированные белки не обладают способностью к гидратации и образованию вязких упруго-пла­стичных масс, пригодных для формования полуфабрикатов.

Потеря способности к гидратации объясняется утратой бел­ками нативных свойств, важнейшим из которых является выра­женная гидрофильность (большое сродство к воде), и связана с изменением конформации полипептидных цепей в белковой мо­лекуле в результате денатурации.

Набухание и растворимость белков в воде обусловлены нали­чием на поверхности белковых молекул большого числа гидро­фильных групп (СООН, ОН, NH₂), способных связывать значи­тельное количество воды.

Как уже отмечалось, способность разных нативных белков пи­щевых продуктов растворяться в каком-либо растворителе (воде, растворах нейтральных солей, слабых растворах щелочей, спирте и др.) используют для разделения или выделения определенной белковой фракции (для исследовательских или пищевых целей). Денатурированные белки такими различиями не обладают, они все одинаково нерастворимы и не способны набухать в воде. Ис­ключение из этого общего правила составляет фибриллярный коллаген мяса и рыбы, который после тепловой денатурации и деструкции до глютина способен растворяться в горячей воде.

В результате денатурации белки теряют биологическую ак­тивность. В растительном и животном сырье, используемом на предприятиях общественного питания, активность большинства белковых веществ сохраняется. Так, в результате деятельности ферментов плоды при хранении дозревают (а иногда и перезре­вают), картофель и корнеплоды прорастают. Особенно наглядно деятельность ферментов проявляется в клубнях картофеля при хранении их на свету: поверхность клубней приобретает зеленую окраску и горький вкус соответственно в результате синтеза хло­рофилла и образования ядовитого гликозида соланина.

В сыром мясе тканевые ферменты также находятся в активном состоянии, участвуя в автолизе мяса (послеубойном созревании). Это их свойство используют для практических целей. Полная инактивация кислой фосфатазы происходит при достижении температуры в геометрическом центре мясного изделия 80 "С, что соответствует температуре пастеризации (отмиранию вегетатив­ных форм бактерий). При необходимости проверить достаточ­ность тепловой кулинарной обработки мясного изделия опреде­ляют наличие или отсутствие в нем активной кислой фосфатазы.

В нативном белке пептидные группы экранированы внешней гидратной оболочкой или находятся внутри белковой глобулы и таким образом защищены от внешних воздействий. При дена­турации белок теряет гидратную оболочку, что облегчает доступ пищеварительным ферментам желудочно-кишечного тракта к функциональным группам. Белок переваривается быстрее.

Кроме того, иногда ингибиторная функция белка исчезает после денатурации. Так, некоторые белки яйца отрицательно влияют на процесс пищеварения: авидин в кишечнике связывает биотин (витамин Н), который участвует в регуляции нервной си­стемы и нервно-рефлекторной деятельности; овомукоид угнетает действие трипсина (фермента поджелудочной железы). Именно поэтому белки сырого яйца не только плохо перевариваются, но и частично всасываются в непереваренном виде, что может вызвать аллергию, уменьшить усвояемость других компонентов пищи и ухудшить всасывание соединений кальция. При денатурации эти белки утрачивают свои антиферментные свойства.

При денатурации белок теряет гидратную оболочку, в резуль­тате чего многие функциональные группы и пептидные связи белковой молекулы оказываются на поверхности и белок стано­вится более реакционноспособным.

В результате тепловой денатурации белка происходит агреги­рование белковых молекул. Поскольку гидратная оболочка во­круг молекулы белка нарушается, отдельные молекулы белка со­единяются между собой в более крупные частицы и уже не могут держаться в растворе. Начинается процесс свертывания белков, в результате которого образуются новые молекулярные связи.

Взаимодействие денатурированных молекул белка в раство­рах и гелях протекает по-разному. В слабоконцентрированных белковых растворах при тепловой денатурации агрегация моле­кул белка происходит путем образования межмолекулярных свя­зей как прочных, например дисульфидных, так и слабых (но многочисленных) — водородных. В результате образуются круп­ные частицы. Дальнейшая агрегация частиц приводит к расслое­нию коллоидной системы, образованию хлопьев белка, выпа­дающих в осадок или всплывающих на поверхность жидкости, часто с образованием пены (например, выпадение в осадок хлопьев денатурированного лактоальбумина при кипячении мо­лока; образование хлопьев и пены из денатурирующих белков на поверхности мясных и рыбных бульонов). Концентрация белков в таких растворах не превышает 1 %.

В более концентрированных белковых растворах при денату­рации белков образуется сплошной гель, удерживающий всю во­ду, содержащуюся в коллоидной системе. В результате агрегации денатурированных молекул белка образуется структурированная белковая система. Денатурация белков в концентрированных растворах с образованием сплошного геля происходит при теп­ловой обработке мяса, рыбы (белки саркоплазмы), куриных яиц и разных смесей на их основе. Точные концентрации белков, при которых их растворы в результате нагревания образуют сплош­ной гель, неизвестны. Учитывая, что способность к гелеобразованию у белков зависит от конфигурации (асимметрии) молекул и характера образующихся при этом межмолекулярных связей, надо полагать, что для разных белков указанные концентрации различны.

Например, для приготовления омлетов к яичному меланжу добавляют 38...75 % молока. Нижние пределы относятся к омле­там жареным, верхние — к вареным на пару. Для приготовления омлетов из яичного белка, используемых в диетическом пита­нии, молоко добавляют в количестве 40 % независимо от спосо­ба тепловой обработки, так как в белке яйца концентрация бел­ков значительно ниже, чем в желтке.

Некоторые белки, представляющие собой более или менее обводненные гели, при денатурации уплотняются, в результате чего происходит их дегидратация с отделением жидкости в окру­жающую среду. Белковый гель, подвергшийся нагреванию, как правило, характеризуется меньшим объемом, массой, пластич­ностью, повышенной механической прочностью и большей упругостью по сравнению с исходным гелем нативных белков. Подобные изменения белков наблюдаются при тепловой обра­ботке мяса, рыбы (белки миофибрилл), варке круп, бобовых, макаронных изделий, выпечке изделий из теста.

Гелями и студнями называются твердообразные нетекучие структурированные системы, образовавшиеся в результате дей­ствия молекулярных сил сцепления между коллоидными части­цами или макромолекулами полимеров. Ячейки пространствен­ных сеток гелей и студней обычно заполнены растворителем.

Таким образом, гели представляют собой коллоидные сис­темы или растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), утратившие текучесть из-за возникновения в них определенных внутренних структур в виде пространственного сетчатого кар­каса, ячейки которого заполнены дисперсионной средой. Поскольку заключенная в ячейках дисперсионная среда при этом теряет свою подвижность, ее называют иммобилизированной.

Гели весьма широко распространены в природе: к ним отно­сятся многие строительные материалы (бетоны, цементы, гли­нистые суспензии), грунты, некоторые минералы (агат, опал), различные пищевые продукты (мука, тесто, хлеб, желе, марме­лад, студень), желатин, каучук, ткани живых организмов и мно­гие другие материалы живой и неживой природы.

В зависимости от концентрации дисперсионной среды гели принято подразделять на лиогели, коагели и ксерогели (аэрогели).

Богатые жидкостью гели, содержащие мало сухого вещества (до 1...2 %), называют диогелями. К типичным диогелям относят­ся кисель, студень (холодец), простокваша, растворы мыл и др.

Студенистые осадки, получаемые в процессе коагуляции некоторых гидрофобных золей, а также хлопьевидные осадки, образующиеся при высаливании растворов ВМС, называются коагелями. Содержание сухого вещества в коагелях достигает 80 %. Однако очень бедные жидкостью хлопья и микрокристал­лические порошки, образующиеся при коагуляции типичных гидрофобных коллоидов (гидрозолей золота, серебра, платины, сульфидов) к коагелям не относятся.

Бедные жидкостью или совсем сухие гели называются ксеро-гелями. Примерами ксерогелей могут служить сухой листовой желатин, столярный клей в плитках, крахмал, каучук. К слож­ным ксерогелям относят многие пищевые продукты (муку, суха­ри, печенье). Высокопористые ксерогели называют также аэро­гелями, поскольку в них дисперсионной средой служит воздух. К аэрогелям относят многие сорбенты (силикагель), твердые катализаторы химических реакций.

В зависимости от природы дисперсной фазы и по способно­сти к набуханию принято различать гели хрупкие и эластичные. Эластичные гели мы будем называть студнями.