Физико-химические свойства белков: гидратация, изоэлектрическое состояние, денатурация, ренатурация.
Белки, благодаря присутствию в их составе ионных и полярных группировок (–NH2; –COOH; –SH; –OH и т.д.) существуют в водных растворах в виде заряженных частиц. В зависимости от соотношения в белке основных (NH-аминных) и кислых (–СООН карбоксильных) группировок и рН среды молекула белка в водном растворе приобретает положительный или отрицательный заряд. Большинство белков животного происхождения содержат в своем составе больше дикарбоновых аминокислот аспарагиновой и глютаминовой и поэтому в водных растворах они заряжаются отрицательно (белки-анионы). Некоторые белки содержат в своем составе значительные количества диаминокислот (аргинина, лизина, гистидина) и поэтому заряжаются положительно (белки-катионы). Одноименный заряд молекул способствует взаимному отталкиванию частиц, что обеспечивает устойчивость их в водном растворе.
Число ионизированных групп в белке может быть увеличено или уменьшено при изменении рН среды. В кислой среде подавляется диссоциация карбоксильных групп и отрицательный суммарный заряд белка уменьшается. Наоборот, в щелочной среде подавляется ионизация аминных групп и положительный суммарный заряд белка уменьшается. При определенном значении рН число положительных зарядов на поверхности белковой молекулы будет равным числу отрицательных зарядов и, в целом заряд молекулы белка станет равным нулю. Состояние белка, при котором суммарный заряд его равен нулю, называется изоэлектрическим состоянием. рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии называется изоэлектрической точкой белка и обозначается рI. В изоэлектрической точке отсутствие заряда у молекул белка ослабляет силы отталкивания между белковыми частицами, что благоприятствует агрегации белковых молекул и выпадению белка в осадок, т.е. в изоэлектрической точке раствор белка неустойчив, так как белок теряет один из факторов стабилизации белковых водных растворов – заряд.
При добавлении щелочи или кислоты к белку, выпавшему в осадок в изоэлектрическом состоянии, наступает перезарядка его молекул, и белок вновь переходит в раствор – растворяется.
Белки сохраняют свою нативную структуру, а, следовательно, выполняют свойственную им функцию только при определенных физико-химических параметрах среды. Если каким-то образом разрушить связи стабилизирующие пространственную структуру (вторичную, третичную, четвертичную) белковой молекулы, то упорядоченная, уникальная для каждого белка конформация пептидной цепи нарушается и молекула целиком или в значительной части принимает форму случайного беспорядочного клубка. Такое изменение белка называют денатурацией. При денатурации белка первичная структура сохраняется.
Денатурацию можно вызвать действием физических и химических факторов. Высокая температура (выше 60º) вызывает разрушение в белке гидрофобных и водородных связей.
Скорость тепловой денатурации зависит от температуры, влажности, (сухие белки более устойчивы к денатурации) присутствия солей, их концентрации. Тепловая денатурация сопровождается агрегацией белков, выпадением их в осадок, что представляет собой уже вторичное явление. Типичным примером денатурации может служить свертывание белков куриного яйца при нагревании.
Белки денатурируют и при многих механических воздействиях: растирании, энергичном встряхивании, при облучении ультрафиолетовом, высокочастотном и т. д. При лиофилизации большинство белов не денатурирует, поэтому этот способ сушки используется для получения белковых препаратов.
Действие кислот и щелочей так же вызывает денатурацию вследствие перезарядки и изменения диссоциации ионогенных аминокислот. При сильном подкислении или подщелачивании все диссоциирующие группы белка имеют одноименный заряд (преимущественно NН3+-групп при низких значениях рН и –СОО– – при высоких). Взаимное отталкивание одноименных зарядов вызывает разрыв части слабых связей, в результате чего нарушается нативная структура. Однако имеются белки, которые устойчивы при крайних значениях рН. Например, пепсин при рН 1,5-2 имеет максимальную активность, у аргиназы оптимум рН 9,5-9,7.
Денатурация может быть вызвана катионами тяжелых металлов и некоторыми анионами – иода, тиоционата и др. Считают, что при этом образуются прочные комплексные соединения и происходит нарушение собственных связей в белке ионных, водородных, гидрофобных.
Действие органических растворителей вызывает нарушение гидрофобных взаимодействий в молекулах белка.
Полярные денатурирующие агенты низкие спирты, этиленгликоль,
диоксан и др. образуют водородные связи с аминогруппами или карбоксильными группами пептидного остова и с некоторыми группами радикалов аминокислот, подменяя собственные внутримолекулярные водородные связи в белке, вследствие чего четвертичная, третичная и вторичная структуры частично или полностью разрушаются.
Некоторые химические соединения (глицерин, глюкоза и др. сахара) оказывают на белки защитное действие. Считают, что это связано с их адсорбцией на глобулах белков и образованием крупных гидрофильных комплексов. Денатурация белков сопровождается изменением их физико-химических свойств. Снижается растворимость, гидрофильность белка, его вязкость, оптические свойства. Денатурированные белки дают более интенсивные цветные реакции на аминокислоты, т.к. они стали более доступными вследствие развертывания полипептидной цепочки. «Обнажаются» при этом и пептидные связи, поэтому протеолиз денатурированных белков ферментами протекает с большей скоростью, чем нативных.
При денатурации белок теряет свою биологическую активность, что выражается в неспособности ферментов, гормонов, вирусов выполнять свои функции т. е. они инактивируются.
В определенных условиях, при удалении денатурирующего агента или при медленном охлаждении раствора белка денатурированного нагреванием происходит ренативация – восстановление исходной (нативной) конформации и специфической биологической функции белка.
Процесс денатурации белков играет большую роль в технологии пищевых продуктов при их тепловой обработке. Так потеря всхожести и ухудшение хлебопекарных свойств, происходящее вследствие перегрева зерна при его неправильной сушке в зерносушилке, является следствием денатурации белков. Процесс глубокой денатурации происходит при выпечке хлеба. Копчение мяса при температуре (40-90ºС) сопровождается частичной денатурацией белков и освобождением скрытых функциональных групп (–SH,
–COOH, –NH2, –OH–, =С=О и др.), которые могут вступать во взаимодействие с летучими продуктами коптильных газов. В результате всех перечисленных процессов происходит необратимая дегидратация, коагуляция части белков, в связи с чем уменьшается влагоудерживающая способность ткани, продукт лучше обезвоживается и уплотняется.
Бланшировка плодов и овощей вызывает денатурацию окислительных ферментов – пероксидазы, о–дифенолоксидазы, аскарбинатоксидазы и т.д. что ведет к сохранению витамина С и препятствует образованию темноокрашенных соединений – меланинов. Тепловая обработка пищевых продуктов повышает их вкусовые качества и усвояемость, поскольку денатурированные белки обладают лучшей атакуемостью пищеварительными ферментами.
Белковая глобула обладает гидрофильностью. Водная оболочка белковой молекулы возникает в результате взаимодействия гидрофильных групп белковой молекулы с диполями воды с образованием водородных связей. Так, пептидная группировка притягивает одну молекулу воды, аминогруппа –NH2 – тоже одну, карбоксильная группа –СООН – четыре. Вблизи молекулы белка отмечается упорядоченное расположение молекул воды. По мере удаления от молекул белка расположение молекул воды носит все более беспорядочный характер. Водная оболочка является одним из факторов устойчивости белковых растворов – препятствует слипанию молекул белка и их осаждению.
При контакте сухого белка с водой он набухает, молекулы воды проникают в белковую массу, гидратируют молекулы белка, разъединяя их. Важную роль в этом процессе играют не только электростатические силы, но и силы осмоса. Дальнейшее поглощение воды приводит к растворению белка.
При определенных условиях белковые растворы образуют коллоидные системы – гели или студни, в которых растворитель и белок образуют одну внешне гомогенную массу. В гелях имеется гидратационная вода, окружающая толстым слоем коллоидные частицы белка, а так же вода, удерживаемая в капиллярных пространствах между ними. Высушенный гель, помещенный в воду, впитывает ее в очень больших количествах – набухает.
Гидрофильные свойства белков, т.е. их способность образовывать студни, набухать имеет большое значение в биологии и пищевых производствах. Очень подвижным студнем, является цитоплазма – полужидкое содержимое клетки, хрусталик глаза и т.д. Типичным белковым сильногидраторованным гелем является пшеничная клейковина, она содержит около 66% воды. Гидрофильные, водоудерживающие свойства продуктов необходимо так же учитывать при замораживании и размораживании мяса, овощей, фруктов, что бы сохранить, не ухудшить их качество. Гидрофильность белков зерна и муки играет большую роль при хранении и переработке зерна (кондиционирование, прорастание зерна) и хлебопечении. Студни используются в процессе приготовления различных заливных блюд.
Если у белковых глобул отнять гидратную оболочку, то частицы белка начнут слипаться, образуя ассоциации частиц белка, и осядут. В изоэлектрической точке белки обладают наименьшей способностью связывать воду, поэтому их легче осаждать. Агрегация белковых молекул происходит и при их обезвоживании с помощью некоторых органических растворителей – например спиртом и ацетоном. Молекулы этих веществ, являясь более гидрофильными, чем молекулы белка, образуют собственные гидраты с водой, оттягивая воду от белка, лишая их водной оболочки способствуют агрегации белка.
Обезвоживание белков можно проводить путем добавления нейтральных растворов солей высокой концентрации. Этот процесс называют высаливанием. Осаждающая способность соли зависит от размеров катиона и аниона, а так же от величины их заряда. Катионы и анионы по высаливающей способности можно расположить в ряды, в которых эта способность убывает.
Катионы: Cs+, Rb+, K+, Na+, Li+, Ba2+, Sr2+, Co2+, Mg2+.
Анионы: SO4-2, CL-, Br, NO3-, J-, CNS-, Mg 2+.
Эти ряды называются лиотропными рядами. Высаливающее действие объясняется тем, что при высокой концентрации ионов в растворе белка, они оттягивают на себя от молекул белка поляризованные молекулы воды и тем самым лишают белок гидратной оболочки, которая препятствует осаждению белка. Метод высаливания используется для разделения и получения в очищенном виде белков и ферментов.
При добавлении растворов нейтральных солей (Na2SO4, (NH4)2SO4, MgSO4 и др.) небольших концентраций, растворимость белков в воде возрастает. Растворению белков, как и других веществ, способствуют те факторы, которые уменьшают взаимодействие между молекулами растворяемого вещества. Нейтральные соли в малых концентрациях увеличивают степень диссоциации ионизированных групп белковых молекул и тем самым уменьшают белок-белковое взаимодействие. Известно, что степень диссоциации электролитов ( в том числе белков) прямо пропорциональна диэлектрической постоянной растворителя, которая в свою очередь пропорциональна степени поляризации молекул растворителя, их дипольному моменту. Нейтральные соли в малых концентрациях еще больше увеличивают диэлектрическую постоянную воды. В результате вода усиливает диссоциацию растворенного вещества, в частности белка. Входя между заряженными группами и ориентируясь вокруг них, диполи воды препятствуют их взаимодействию.
Растворимость белков зависит так же от рН растворителя, его состава, температуры. Минимальной растворимостью обладают белки в ИЭТ, что объясняется отсутствием электростатического отталкивания между молекулами белка.
Белки способны образовывать высококонцентрированные системы жидкось-газ-пены. В качестве традиционных пенообразователей используют белки сыворотки крови, молока, которые подвергают вначале гидролизу, а затем сушат на распылительных сушках. Устойчивость пены, в которой белок является пенообразователем зависит от его природы, концентрации и температуры.
Белки в качестве пенообразователей играют важную роль при образовании пены в пиве. В кондитерской промышленности это свойство белков используется при выработке пастилы, зефира, суфле. Структуру пены имеет хлеб и это влияет на его органолептические и структурно-механические свойства.
Благодаря гидрофильным и гидрофобным группировкам белки являются поверхностно-активными веществами и могут влиять на растворимость других веществ. Они выступают в роле эмульгаторов – веществ, стабилизирующих эмульсию, которую образуют взаимнонерастворимые жидкости (вода-жир). В организме человека в эмульгированном состоянии находятся жиры в крови и лимфе. Молоко представляет собой эмульгированные казеиногеном капельки жира в воде. Белки в качестве эмульгаторов находят применение в пищевой промышленности при производстве майонезов, кондитерских изделий, кремов, шоколада и т.п.