Білки- природні поліпептиди із величезною молекулярною масою. Вони входять до складу всіх живих організмів та виконують різні біологічні функції.
Будова білка.
У білків існує 4 рівні будови:
- первинна структура білка- лінійна послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюгу, згорнутих у просторі:
- вторинна структура білка- Конформація поліпептидного ланцюга, т.к. скручування в просторі за рахунок водневих зв'язків між NHі СОгрупами. Є 2 способи укладання: α -спіраль та β - Структура.
- третинна структура білка- це тривимірне уявлення закрученої α -спіраль або β -структури у просторі:
Ця структура утворюється за рахунок дисульфідних містків -S-S-між цистеїновими залишками. У освіті такої структури беруть участь протилежно заряджені іони.
- четвертинна структура білкаутворюється за рахунок взаємодії між різними поліпептидними ланцюгами:
Синтез білка.
В основі синтезу лежить твердофазний метод, у якому перша амінокислота закріплюється на полімерному носії, а до неї послідовно підшиваються нові амінокислоти. Після цього полімер відокремлюють від поліпептидного ланцюга.
Фізичні властивості білка.
Фізичні властивості білка визначаються будовою, тому білки ділять на глобулярні(розчинні у воді) та фібрилярні(Нерозчинні у воді).
Хімічні властивості білків.
1. Денатурація білка(руйнування вторинної та третинної структури із збереженням первинної). Приклад денатурації – згортання яєчних білків при варінні яєць.
2. Гідроліз білків- незворотне руйнування первинної структури в кислому або лужному розчині з утворенням амінокислот. Так можна встановити кількісний склад білків.
3. Якісні реакції:
Біуретова реакція- взаємодія пептидного зв'язку та солей міді (II) у лужному розчині. Після закінчення реакції розчин забарвлюється у фіолетовий колір.
Ксантопротеїнова реакція- при реакції з азотною кислотою спостерігається жовте забарвлення.
Біологічне значення білка.
1. Білки - будівельний матеріал, з нього збудовані м'язи, кістки, тканини.
2. Білки – рецептори. Передають та сприймають сигнал, що надходять від сусідніх клітин із навколишнього середовища.
3. Білки грають важливу рольв імунної системиорганізму.
4. Білки виконують транспортні функції та переносять молекули чи іони у місце синтезу чи накопичення. (Гемоглобін переносить кисень до тканин.)
5. Білки – каталізатори – ферменти. Це дуже потужні селективні каталізатори, які прискорюють реакцію у мільйони разів.
Є ряд амінокислот, які не можуть синтезуватися в організмі. незамінні, їх одержують лише з їжею: тизин, фенілаланін, метінін, валін, лейцин, триптофан, ізолейцин, треонін.
Ферментативний гідроліз білків відбувається під впливом протеолітичних ферментів (протеаз). Вони класифікуються на ендо- та екзопептидази. Ферменти не мають суворої субстратної специфічності та діють на всі денатуровані та багато нативних білків, розщеплюючи в них пептидні зв'язки -СО-NH-.
Ендопептидази (протеїнази) - гідролізують безпосередньо білок з внутрішніх пептидних зв'язків. В результаті утворюється велика кількість поліпептидів та мало вільних амінокислот.
Оптимальні умови дії кислих протеїназ: рН 45-50 температура 45-50 °С.
Екзопептидази (пептидази) діють, головним чином, на поліпептиди та пептиди, розриваючи пептидний зв'язок з кінця. Основні продукти гідролізу – амінокислоти. Цю групуферментів ділять на аміно-, карбокси-, дипептидази.
Амінопептидази каталізують гідроліз пептидного зв'язку, що знаходиться поруч із вільною аміногрупою.
H2N - СН - С - - NH - СН - С.
Карбоксипептидази здійснюють гідроліз пептидного зв'язку, що знаходиться поруч із вільною карбоксильною групою.
СО-NH-С-Н
Дипептизати каталізують гідролітичне розщеплення дипептидів на вільні амінокислоти. Дипептидази розщеплюють лише такі пептидні зв'язки, по сусідству з якими знаходяться одночасно вільні карбоксильна та амінна групи.
дипептидаза
NH2CH2CONHCH2COOH + Н2О 2CH2NH2COOH
Гліцин-гліцин Глікокол
Оптимальні умови дії: рН 7-8, температура 40-50 оС. Виняток становить карбоксипептидазу, що виявляє максимальну активність при температурі 50 оС та рН 5,2.
Гідроліз білкових речовин у консервній промисловості необхідний під час виробництва освітлених соків.
Переваги ферментативного способу одержання білкових гідролізатів
При виробництві біологічно активних речовинз сировини, що містить білок, найважливішим є його глибока переробка, що передбачає розщеплення білкових молекул до складових мономерів. Перспективним щодо цього є гідроліз білкової сировини з метою виробництва білкових гідролізатів - продуктів, що містять цінні біологічно активні сполуки: поліпептиди та вільні амінокислоти. В якості сировини для виробництва білкових гідролізатів можуть бути використані будь-які повноцінні за амінокислотним складом природні білки, джерелами яких є кров та її складові компоненти; тканини та органи тварин та рослин; відходи молочної та харчової промисловості; ветеринарні конфіскати; харчові та малоцінні у харчовому відношенні продукти, що отримуються при переробці різних видівтварин, птахів, риб; відходи виробництва м'ясокомбінатів та клейових заводів та ін. При отриманні білкових гідролізатів для медичних та ветеринарних цілей служать, в основному, білки тваринного походження: крові, м'язової тканиниі внутрішніх органів, білкові оболонки, а також білки молочної сироватки
Проблема гідролізу білків та її практична реалізація з давніх-давен привертають увагу дослідників. На основі гідролізу білків отримують різні препаратишироко застосовуються в практиці: як кровозамінники і для парентерального харчування в медицині; для компенсації білкового дефіциту, підвищення резистентності та покращення розвитку молодняку тварин у ветеринарії; як джерело амінокислот та пептидів для бактеріальних та культуральних поживних середовищ у біотехнології; у харчовій промисловості, парфумерії. Якість та властивості білкових гідролізатів, призначених для різного застосування, обумовлені вихідною сировиною, способом гідролізу та подальшою обробкою отриманого продукту.
Варіювання способів отримання білкових гідролізатів дозволяє отримувати продукти із заданими властивостями. Залежно від вмісту амінокислот та наявності поліпептидів у діапазоні відповідної молекулярної маси може бути визначена область найбільш ефективного використаннягідролізатів. До білкових гідролізатів, що отримуються для різних цілей, пред'являються різні вимоги, що залежать насамперед від складу гідролізату. Так, у медицині бажано застосування гідролізатів, що містять 15...20% вільних амінокислот; у ветеринарній практиці підвищення природної резистентності молодняку переважним є вміст у гідролізатах пептидів (70...80%); для харчових цілей важливими є органолептичні властивості одержуваних продуктів. Але основною вимогою при використанні білкових гідролізатів у різних областях є збалансованість за амінокислотним складом.
Гідроліз білка можна здійснити трьома шляхами: дією лугів, кислот та протеолітичних ферментів. При лужному гідролізі білків утворюються залишки лантіоніну та лізиноаланіну, які є токсичними для організму людини та тварин. При такому гідролізі руйнуються аргінін, лізин та цистин, тому для отримання гідролізатів його практично не використовують. Кислотний гідроліз білка є поширеним способом. Найчастіше білок гідролізують сірчаною або соляною кислотою. Залежно від концентрації використовуваної кислоти і температури гідролізу час процесу може змінюватися від 3 до 24 годин. Гідроліз сірчаною кислотою проводять 3...5 годин при температурі 100...130 оС та тиску 2...3 атмосфери; соляний - протягом 5...24 год. при температурі кипіння розчину під невеликим тиском.
При кислотному гідроліз досягається велика глибина розщеплення білка і виключається можливість бактеріального забруднення гідролізату. Це особливо важливо в медицині, де гідролізати застосовуються в основному парентерально і необхідно виключити анафілактогенність, пірогенність та інші небажані наслідки. У медичної практикишироко застосовуються кислотні гідролізати: амінокровин, гідролізин Л-103, ЦОЛІПК, інфузамін, геммос та інші.
Недоліком кислотного гідролізу є повне руйнування триптофану, часткове оксиамінокислот (серину та треоніну), дезамінування амідних зв'язків аспарагіну та глутаміну з утворенням аміачного азоту, руйнування вітамінів, а також утворення гумінових речовин, відділення яких важко. Крім того, при нейтралізації кислотних гідролізатів утворюється велика кількість солей: хлоридів або сульфатів. Останні є особливо токсичними для організму. Тому кислотні гідролізати потребують подальшого очищення, для чого у виробництві зазвичай використовується іонообмінна хроматографія.
Щоб уникнути руйнування лабільних амінокислот у процесі одержання кислотних гідролізатів, деякі дослідники використовували м'які режими гідролізу в атмосфері інертного газу, а також додавали до реакційної суміші антиоксиданти, тіоспирти або похідні індолу. Кислотний та лужний гідроліз мають, крім зазначених, ще суттєві обмеження, пов'язані з реактивністю середовища, що призводить до швидкої корозії обладнання та викликає необхідність дотримання жорстких вимог техніки безпеки для операторів. Таким чином, технологія кислотного гідролізу досить трудомістка і вимагає використання складної апаратури (іонообмінні колонки, ультрамембрани тощо) та додаткових етапів очищення одержуваних препаратів.
Проведено дослідження з розробки електрохімічної ферментативної технології отримання гідролізатів. Використання цієї технології дозволяє виключити із процесу застосування кислот і лугів, тому що рН середовища забезпечується в результаті електролізу оброблюваного середовища, що містить незначну кількість солі. Це, у свою чергу, дозволяє автоматизувати процес та забезпечити більш тонкий та оперативний контроль технологічних параметрів.
Як відомо, в організмі білок під дією травних ферментіврозщеплюється до пептидів та амінокислот. Аналогічне розщеплення можна провести і поза організмом. Для цього до білкової речовини (субстрату) додають тканину підшлункової залози, слизову оболонку шлунка або кишечника, чисті ферменти (пепсин, трипсин, хімотрипсин) або ферментні препаратимікробного синтезу. Такий спосіб розщеплення білка називається ферментативним, а отриманий гідролізат – ферментативним гідролізатом. Ферментативний спосіб гідролізу є більш кращим, порівняно з хімічними методами, т. к. проводиться в "м'яких" умовах (при температурі 35...50оС та атмосферному тиску). Перевагою ферментативного гідролізу є та обставина, що під час проведення амінокислоти практично не руйнуються і не вступають у додаткові реакції (рацемізація та інші). При цьому утворюється складна суміш продуктів розпаду білків з різною молекулярною масою, співвідношення яких залежить від властивостей ферменту, використовуваної сировини та умов проведення процесу. Отримані гідролізати містять 10...15% загального азоту та 3,0...6,0% амінного азоту. Технологія проведення відносно проста.
Таким чином, порівняно з хімічними технологіями ферментативний спосіб отримання гідролізатів має суттєві переваги, головними з яких є: доступність і простота проведення, незначна енерговитратність та екологічна безпека.
Гідроліз (гідролізація) білків- Це процес дроблення ланцюжків білкових молекул на частини.
Отримані фрагменти називаються і мають поруч корисних властивостей. Головне з яких – набагато швидше засвоєння порівняно з початковою молекулою. Ідеальний гідроліз білків – це розщеплення молекули білка до амінокислот. Саме вони і лягають в основу амінокислотних комплексів – найбільш ефективних препаратівз погляду постачання м'язових клітинбудівельний матеріал. Однак далеко не завжди має сенс проводити повний цикл гідролізу. Для поліпшення швидкості засвоєння та підвищення протеїнів достатньо провести частковий гідроліз білка. У результаті вихідна молекула розпадається на ланцюжки кілька амінокислот, які називаються ди- і три-пептидами.
Процес гідролізу білків
Ще наприкінці 19 століття вчені встановили, що білки складаються із менших частинок – амінокислот. І саме з того часу почалося вивчення як амінокислот і способів виділення їх із структури білка. В якій амінокислоти скріплені не хаотично, а знаходяться у певній послідовності ДНК. Для людини ця послідовність не грає ролі. Організму потрібні тільки амінокислоти, «витягти» які завдання травної системи. У процесі травлення організм дробить білки до окремих амінокислот, які потрапляють у кров. Однак, залежно від сотні факторів, ефективність травлення далека від 100%. Виходячи із відсотка засвоєних у процесі травлення речовин оцінюють харчову цінність того чи іншого продукту. Гідроліз здатний багаторазово підвищити харчову цінність білків.Він є протиставленням таким процесам отримання білка як . Гідроліз – це процес вторинної обробки виділеного тим чи іншим способом білка.
Сировиною для гідролізу виступає вже частково оброблене молоко. Як правило, береться найдешевший молочний білок. Враховуючи подальшу обробку та кінцевий підсумок – немає сенсу брати дорожчі інгредієнти, такі як сироватковий білок або ізолят. Для медичних цілей у гідролізі може використовуватися і кров тварин, однак у спортивній промисловості вона не застосовується. Основними способами гідролізації молочних білків є кислотний гідролізі ензимний гідроліз.
Кислотний гідроліз
Суть цього процесу у обробці вихідної сировини певними кислотами. Білок обробляють соляною кислотою та нагрівають приблизно до 105-110 °С. У такому стані його витримують протягом доби. Внаслідок цього молекулярні зв'язки рвуться і білки розпадаються на окремі амінокислоти. Кислотний гідроліз найбільш простий та дешевий у здійсненні. Однак він пред'являє вкрай високі вимогидо дотримання технології та головне – якості та точності дозувань реагентів. Використовуючи не ті кислоти чи неправильні дозування разом із молекулярними зв'язками можна зруйнувати й самі амінокислоти. Як наслідок, кінцевий продукт матиме неповний спектр амінокислот. А залишки солей і кислот навряд чи позитивно позначаться на травленні.
Ензимний (ферментативний) гідроліз
Ензимний гідроліз білків у чомусь повторює природний процестравлення. Вихідну сировину (як правило –) змішують з ферментами, які здійснюють «травлення» білка та забезпечують його розпад до амінокислот. І саме цей метод найчастіше використовують у спортивній індустрії. Ензимний (ферментативний) гідроліз білків менш вимогливий до дотримання технологій. Надлишки ферментів видалити простіше і вони не зазнають такої шкоди як кислоти.
На першому етапі ферментного гідролізу сировину піддають легкій температурній обробці. У результаті білок частково денатурує (руйнується). Після чого отриману фракцію змішують із ферментами, які завершують процес гідролізу.
Використання гідролізу білків у спортивному харчуванні
Гідроліз білків - це справжня знахідка та порятунок для індустрії. Завдяки ньому можна як отримати чисті амінокислотні комплекси, а й значно підвищити ефективність звичайних протеїнів і гейнерів. Багато хто навіть спеціально обробляють окремі препарати ферментами. Внаслідок такої часткової гідролізації білка у нього підвищується швидкість засвоєння. А також вирішуються багато проблем з індивідуальною непереносимістю компонентів молочного білка. На деяких товарах можна навіть зустріти згадку про присутність у них травних ензимів. У якихось протеїнах – це звичайні травні ферменти, які починають працювати лише у шлунку. А в деяких – це залишки процесу ензимного гідролізу. У будь-якому випадку засвоюються такі протеїни набагато швидше та якісніше.
Теоретично - прийом гідролізованого протеїну можна замінити прийомом простого протеїну у комплексі з травними ферментами (типу фесталу, мезима форте тощо.). Це буде значно дешевшим. Проте роздільний прийом молочного білка і ферментів менш ефективний. Ви ніколи не зможете точно визначити потрібне дозуванняферментів. Їх надлишок навряд чи буде корисним вашому організму. Недолік – гідроліз білків буде лише частковим.
Користь та шкода гідролізу білків
Гідроліз білків застосовують у таких випадках:
- Для прискорення засвоюваності білка
- Для зниження алергічних реакцій
- Для отримання амінокислот у чистому вигляді
Особливо варто наголосити на питаннях алергічних реакцій. Харчова алергіяНе рідкість у наш час, непереносимість продуктів або їх окремих компонентів трапляється досить регулярно. Як приклад – непереносимість лактози. Харчова алергія – це реакція на специфічні білки, які у продуктах.При гідроліз ці білки руйнуються до пептидів. Які є лише фрагментами білків і не викликають алергічних реакцій. Особливо варто зазначити, що харчова цінністьодержуваних сумішей ні в чому не поступається харчовій цінності вихідної сировини.
З недоліків гідролізу варто відзначити знищення корисних бактерій. Незважаючи на те, що багато компаній заявляють про присутність біфідобактерій, треба бути об'єктивним – гідроліз їх знищує. І біфідобактерії можуть бути присутніми лише при внесенні їх ззовні. Втім, якщо йдеться про спортивне харчування, то на першому місці тут все ж таки саме харчова цінність одержуваної змісті.
Білки- Високомолекулярні органічні сполуки, Що складаються з залишків амінокислот, з'єднаних у довгий ланцюжок пептидним зв'язком.
До складу білків живих організмів входить всього 20 типів амінокислот, всі з яких відносяться до альфа-амінокислот, а амінокислотний склад білків та їх порядок з'єднання один з одним визначаються індивідуальним генетичним кодом живого організму.
Однією з особливостей білків є здатність мимовільно формувати просторові структури характерні лише даного конкретного білка.
Через специфіку своєї будови білки можуть мати різноманітні властивості. Наприклад, білки, що мають глобулярну четвертинну структуру, зокрема білок курячого яйця, Розчиняються у воді з утворенням колоїдних розчинів. Білки, що мають фібрилярну четвертинну структуру у воді не розчиняються. Фібрилярними білками, зокрема, утворені нігті, волосся, хрящі.
Хімічні властивості білків
Гідроліз
Усі білки здатні вступати у реакцію гідролізу. У разі повного гідролізу білків утворюється суміш з -амінокислот:
Білок + nH 2 O => суміш α-амінокислот
Денатурація
Руйнування вторинної, третинної та четвертинної структур білка без руйнування його первинної структури називають денатурацією. Денатурація білка може протікати під дією розчинів солей натрію, калію або амонію – така денатурація є оборотною:
Денатурація ж протікає під впливом випромінювання (наприклад, нагрівання) чи обробці білка солями важких металівє незворотною:
Так, наприклад, незворотна денатурація білка спостерігається при термічній обробці яєць у процесі їх приготування. Внаслідок денатурації яєчного білка його здатність розчинятися у воді з утворенням колоїдного розчинузникає.
Якісні реакції на білки
Біуретова реакція
Якщо до розчину, що містить білок додати 10% розчин гідроксиду натрію, а потім невелику кількість 1% розчину сульфату міді, то з'явиться фіолетове фарбування.
розчин білка + NаОН (10%-ний розчин) + СуSO 4 = фіолетове фарбування
Ксантопротеїнова реакція
розчини білка при кип'ятінні з концентрованою азотною кислотою забарвлюються в жовтий колір:
розчин білка + HNO 3(конц.) => жовте фарбування
Біологічні функції білків
| каталітична | прискорюють різні хімічні реакції у живих організмах | ферменти |
| структурна | будівельний матеріал клітин | колаген, білки клітинних мембран |
| захисна | захищають організм від інфекцій | імуноглобуліни, інтерферон |
| регуляторна | регулюють обмінні процеси | гормони |
| транспортна | перенесення життєво-необхідних речовин від одних частин організму до інших | гемоглобін переносить кисень |
| енергетична | забезпечують організм енергією | 1 грам білка може забезпечити організм енергією у кількості 17,6 Дж |
| моторна (рухова) | будь-які рухові функції організму | міозин (м'язовий білок) |
Як і інші хімічні реакції, гідроліз білків супроводжується обміном електронами між певними атомами молекул, що реагують. Без каталізатора цей обмін протікає настільки повільно, що неможливо виміряти. Процес можна прискорити, додавши кислоти чи основи; перші дають при дисоціації Н-іони, другі - ВІН-іони. Кислоти і основи грають роль істинних каталізаторів: де вони витрачаються під час реакції.
При кип'ятінні білка з концентрованою кислотою відбувається його повний розпад на вільні амінокислоти. Якби такий розпад відбувався в живій клітині, це, природно, призводило б до її загибелі. Під дією протерлітичних ферментів білки також розпадаються, і навіть швидше, але без найменшої шкодидля організму. І в той час, як Н-іони діють без розбору на всі білки і на всі пептидні зв'язки в будь-якому білку, протеолітичні ферменти відрізняються специфічністю і розривають лише певні зв'язки.
Протеолітичні ферменти є білками. Чим же протеолітичний фермент відрізняється від білка-субстрату (субстратом називають сполуку, яка є об'єктом дії ферменту)? Як протеолітичний фермент виявляє свою каталітичну активність, не руйнуючи при цьому ні себе, ні клітину? Відповідь на ці основні питання допомогла б зрозуміти механізм дії всіх ферментів. З того часу, як 30 років тому М. Кунітц вперше виділив у кристалічному вигляді трипсин, протеолітичні ферменти служать моделями для вивчення залежності між білковою структурою та ферментативною функцією.
Протеолітичні ферменти травного тракту пов'язані з однією з найважливіших функцій людського організму- засвоєнням поживних речовин. Ось чому ці ферменти вже давно є об'єктом дослідження; у цьому плані попереду стоять, мабуть, лише ферменти дріжджів, що у спиртовому броженні. Найкраще травних ферментів вивчені трипсин, хімотрипсин і карбокси-пептидази (ці ферменти виділяються підшлунковою залозою). Саме на їх прикладі ми і розглянемо все те, що зараз відомо про специфічність, структуру і характер дії протеолітичних ферментів.
Протеолітичні ферменти підшлункової залози синтезуються у формі попередників – зимогенів – і зберігаються у внутрішньоклітинних тільцях, так званих зимогенових гранулах. Зимогени позбавлені ферментативної активності і, отже, що неспроможні діяти руйнівно на білкові компоненти тканини, де вони утворилися. Вступаючи в тонка кишка, Зимоген активуються під дією іншого ферменту; при цьому в структурі їхньої молекули відбуваються невеликі, але дуже важливі зміни. Докладніше ми зупинимося на цих змінах пізніше.
«Молекули та клітини», під ред. Г.М.Франка
