Bílkoviny (1. LF UK, NT)

Bílkoviny (proteiny) neboli polypeptidy jsou organické makromolekulární látky. Jejich molekulová hmotnost přesahuje 10 000. Skládají se z aminokyselin v počtu větším než 100. Typický protein jich obsahuje 200–300.

Stavba

peptidová vazba

Aminokyseliny v peptidu jsou vzájemně vázány peptidovou vazbou. Peptidová vazba spojuje jednoduchou kovalentní vazbou aminoskupinu jedné aminokyseliny a karboxylovou skupinu druhé aminokyseliny. Hodnota Gibbsonovy energie této reakce je rovna G = 10 kJ/mol.

Polykondenzací vzniká libovolně dlouhý řetězec aminokyselin. Konec řetězce, který má volnou (nezreagovanou) aminoskupinu, se nazývá N-konec. Na opačné straně řetězce nalezneme naopak volnou karboxylovou skupinu. Tento konec se nazývá C-konec.

Struktura

Struktura proteinů vychází z uspořádání aminokyselin v řetězci. Struktura proteinů je velmi důležitá pro jejich funkci.

Primární struktura

Primární struktura je definována přesným pořadím aminokyselin v řetězci.

Sekundární struktura

α-helix

β-skládaný list

Sekundární strukturou rozumíme prostorové uspořádání aminokyselin v řetězci a stabilizace vodíkovými můstky.

Existují dvě základní sekundární struktury:

1. α-helix: Řetězec je stočen do pravotočivé šroubovice. Délka jednoho závitu šroubovice je rovna 3,6 aminokyselinových zbytků. Strukturu α-helixu nalezneme především u vláknitých proteinů (keratinů) nebo proteinů svalových.
2. β-skládaný list: Dva rovnoběžně a antiparalelně uspořádané řetězce připomínající složený list papíru.

Terciární struktura

Terciární strukturu charakterizují další intramolekulární vazebné interakce. Například disulfidické můstky, iontové vazby a van der Waalsovy síly. V molekule mohou také vznikat další H-můstky.

Kvarterní struktura

Kvarterní struktura vzniká u proteinů, které se skládají ze dvou a více polypeptidových řetězců. Jejich spojení zajišťují vzájemné extramolekulární vazebné interakce. Kvarterní strukturu nalezneme například v hemoglobinu. Naopak myoglobin kvarterní strukturou nedisponuje.

Denaturace proteinů

Denaturace bílkovin je proces, kdy se mění sekundární a terciární struktura. Protein tímto ztrácí biologickou aktivitu. Denaturace můžeme dosáhnout například zahřátím nebo změnou pH.

Hlavní živiny

• peptidové vazby
• jiné vazby
  • disulfidové -S-S-
  • esterové
  • amidové
• jiné složky než aminokyseliny (fyzikálně nebo chemicky)
  • voda
  • anorganické ionty
  • lipidy, cukry, nukleové kyseliny, barevné sloučeniny

Klasifikace

Dělení Podle původu živočišné (maso, mléko, vejce) − 60 % proteinů potravy rostlinné (obilniny, luštěniny, ovoce, zelenina) − 30 % proteinů potravy netradiční (řasy, mikroorganismy) Podle funkce strukturní (stavební složky buněk, kolagen) katalytické (enzymy, hormony) transportní (přenos sloučenin, myoglobin) pohybové (svalové proteiny, aktin, myosin) obranné (protilátky, imunoglobuliny, lektiny) zásobní (ferritin) senzorické (rhodopsin) regulační (histony, hormony) výživové (zdroj esenciálních aminokyselin, zdroj dusíku, hmoty k výstavbě a obnově tkání) Podle struktury (přítomnosti nebílkovinné složky) Jednoduché proteiny (obsahují jen bílkovinný řetězec – globulární, fibrilární proteiny) globulární, sféroproteiny (albuminy, globuliny) fibrilární (vláknité), skleroproteiny, stromatické bílkoviny (kolageny, keratiny, elastiny) Složené proteiny (obsahují bílkovinný řetězec a nebílkovinnou část – prostetickou skupinu – lipoproteiny, glykoproteiny) nukleoproteiny (nukleové kyseliny) lipoproteiny (neutrální lipidy, fosfolipidy, steroly) glykoproteiny (sacharidy) fosfoproteiny (kyselina fosforečná) chromoproteiny (deriváty porfyrinu, flavinu) metaloproteiny (koordinačně vázané kovy) Podle rozpustnosti Rozpustné albuminy − mléko (laktalbumin), vaječný bílek (ovalbumin, konalbumin), pšenice (leukosin) globuliny − maso (myosin, aktin), mléko (laktoglobulin), vejce (ovoglobulin) gliadiny neboli prolaminy − pšenice (gliadin), ječmen (hordein), kukuřice (zein) gluteliny − pšenice (glutenin), rýže (oryzenin) protaminy − mlíčí ryb (cyprimin, salmin, klupein, skombrin) histony − krev (globiny hemoglobinu a myoglobinu) Nerozpustné kolagen, elastin, keratin Podle stavu nativní (přírodní, biologické funkce) denaturované upravené (modifikované, aditiva) Výživové hledisko plnohodnotné (esenciální aminokyseliny v optimálním množství) vaječné a mléčné téměř plnohodnotné (některé esenciální aminokyseliny nedostatkové) živočišné svalové neplnohodnotné (některé esenciální aminokyseliny nedostatkové) veškeré rostlinné, živočišných pojivových tkání Potraviny deficitní některými aminokyselinami Lysin − obiloviny (obecně rostlinné proteiny) Methionin − mléko, maso Threonin − pšenice, žito Tryptofan − kasein, kukuřice, rýže Obsah v potravinách 0–100 % P (v sušině) potraviny živočišné > rostlinné luštěniny, olejniny > ovoce, zelenina vejce – 75 % H2O, 13 % P (celá), 52 % P v sušině luštěniny – 12 % H2O, 24 % P (sója 32-45 %), 27 % v sušině maso (H) – 69 % H2O, 21% P, 68 % v sušině chléb – 38 % H2O, 7 % P, 11 % v sušině mléko – (3,5 % L) 87-90 % H2O, 3,4 % P, 28 % v sušině brambory – 78 % H2O, 2 % P, 9 % v sušině Krytí potřeby energie: ~ 10 % Doporučená denní dávka: 1-1,2 g/kg Poměr živin bílkoviny : lipidy : sacharidy (hmotnost = 1 : 1 : 4) energie = < 14 : < 14 : <56 % Fyziologie a výživa minimální potřeba plnohodnotného proteinu 0,5-0,6 g·kg-1 doporučovaná dávka 1,0-1,2 g·kg-1 (nevyužity optimálně) ~ 2,4 g·kg-1 období růstu, kojící ženy, rekonvalescenti aj. výživová hodnota (nutriční, biologická) celkový příjem Dostupnost peptidových vazeb trávicím enzymům Další faktory Dříve BV (Biological Value) (= g P vzniklé v organismu / 100 g P v potravě) NPU (Net Protein Utilization) PER (Protein Efficiency Ratio) aj. (zvířata) Závisí na: absolutní obsah esenciálních aminokyselin relativním poměru poměru k neesenciálním aminokyselinám travitelnosti Dnes aminokyselinové skóre AAS (Amino Acid Score) index esenciálních aminokyselin EAAI (Essential Amino Acid Index) − přesnější údaje AAS (%) = 100 Ai /Asi kde: Ai = obsah esenciální aminokyseliny v proteinu Asi = obsah téže aminokyseliny ve standardním (referenčním) proteinu Standardní protein = fiktivní protein s optimálním složením esenciálních aminokyselin (AAS = 100%) Fyzikálně-chemické vlastnosti rozpustnost, hydratace a bobtnání disociace optická aktivita vznik gelů vznik emulzí stabilizace pěn denaturace faktory fyzikální − změny teploty, tlaku, ultrazvuk, pronikavé elektromagnetické záření faktory chemické − soli, změny pH (kyseliny, zásady), povrchově aktivní látky důsledky přístupnější digestivním enzymům trávicího traktu denaturace antinutričních faktorů, toxických látek (inhibitory proteas, amylas, lektiny) inhibice nežádoucích enzymů a mikroorganismů

Maso, masné výrobky, drůbež, ryby

Maso, masné výrobky, drůbež, ryby 4 hlavní druhy tkání (další krev) epitelové podpůrné (pojivové) svalové (příčně pruhované, hladké) nervové Definice Části teplokrevných zvířat v čerstvém, zpracovaném stavu V užším smyslu: skeletální svalová tkáň − počet svalů, úpony na kosti, přívod krve, nervy, kůže, chrupavky, kosti, tuk Další složky vitaminy volné aminokyseliny 0,1–0,3 % taurin (0,02-0,1 %), složka žlučových kyselin, přenos nervových vzruchů kvarterní amoniové sloučeniny cholin 0,02-0,06 %, fosfolipidů, transmethylační reakce, acetylcholin, sinapin karnitin 0,05-0,2 %, transport mastných kyselin guanidinové sloučeniny glykogen fosfáty cukrů a volné cukry kyselina mléčná aj. kyseliny puriny a pyrimidiny Použití pro potravinářské a nepotravinářské účely. Myofibrilární proteiny svalové vlákno myofibrily (kontraktilní vlákna) mikrofilamenta (mikrovlákna) myosin aktin další proteiny Reakce in vivo  Podrobnější informace naleznete na stránce Spojení excitace a kontrakce. Reakce post mortem ATP anaerobní glykolýzou z glykogenu mléčná kyselina › pokles pH z 6,8 na < 5,8 inhibice glykolytických enzymů Ca2+ / reakce aktinu s myosinem, není ATP › posmrtné ztuhnutí (rigor mortis) Vliv na jakost masa Zrání masa štěpení aktomyosinu endogenními proteasami (hlavně kathepsiny) štěpení kolagenu kolagenasami Vady masa DFD (dry-firm-dark) a DCB (dry-cutting-beef) tmavé, vysoká vaznost, nízká údržnost odstranění mléčné kyseliny při vykrvení, pH~ 6 PSE (pale-soft-exudative) světlé, nízká vaznost, šedo-zelený povrch zvýšená glykolýza stimulovaná hormony, pH~ 5,6 Změny při zpracování ~35° C asociace sarkoplasmatických bílkovin, snížení vaznosti, zvýšení tuhosti ~45° C viditelné změny, zkrácení =denaturace myosinu ~50-55° C denaturace aktomyosinu ~55-65° C denaturace sarkoplasmatických bílkovin, asociované struktury a gel ~60-65° C změny konformace kolagenu (zkrácení 1/3-1/4) ~80° C oxidace SH-skupin ~90° C želatinace kolagenu (uvolnění tropokolagenových vláken, sol želatiny) ~100 ° C eliminace NH3, H2S, další látky, aromatické látky, změna barvy Mléko a mléčné výrobky Obsah živin v mléce Voda podle druhu mléka (původu) 63 - 88 % Komplikovaný disperzní systém globulární bílkoviny syrovátky − koloidní disperze kaseinové molekuly − micelární disperze tuk − tukové globule (mikrosomy, φ 0,1-10 µm): emulze částice lipoproteinů − koloidní suspenze nízkomolekulární látky (laktosa, aminokyseliny, minerální látky, hydrofilní vitaminy) − pravý roztok Zbarvení Složení proteinů kravského mléka Složení proteinů kravského mléka Obsah aminokyselin mléka kaseiny α-kaseiny = fosfoproteiny, αS1, αS2, fosfoserin ß-kaseiny = fosfoproteiny γ-kaseiny = produkty degradace ß-kaseinů κ-kaseiny = glykoproteiny (2 genetické varianty, B), cukr = tetra-, tri-, di-, mono-, GalNAc, Gal, NeuAc, vazba na Thr (133) kaseiny − αS-, ß-, κ-kaseiny agregace do submicel a micel, molekuly kaseinů › submicela › micela Změny při skladování a zpracování Tepelné zpracování shlukování tukových globulí v syrovém mléce, ~ makroglobulin bílkoviny syrovátky termolabilní, denaturují, kaseiny prakticky nedenaturují Pasterace 72-74 °C (20-40 s): denaturuje asi 50-90 % bílkovin séra > 75 °C: inaktivuje se většina enzymů redukce disulfidových vazeb eliminace H2S (ß-laktoglobulin) sulfidy, disulfidy vařivá příchuť (Met) degradace thiaminu vznik laktonů a methylketonů sterilace 140 °C (4 s) denaturuje 100 % bílkovin reakce laktosy s proteiny syrovátky ztráty lysinu (Maillardova reakce), vonné látky − syrové a pasterované mléko ~ 400 vonných látek (1-100 mg/kg) Srážení a proteolýza kaseinů mléko čerstvé − pH 6,5-6,75 srážení kaseinů − pH 4,6 (kontaminující, kulturní mikroby) Tvrdé sýry mikroorganismy (mléčná kyselina), okyselení (pH 5,5) proteolytický enzym rennin (chymosin, syřidlo), specifická hydrolýza κ-kaseinu − para-κ-kasein = hydrofobní část, součást micel, κ-kaseinmakropeptid = hydrofilní část, koagulace sýřenina, (skladování › tuhost, kyselost, odstředění syrovátky, solení, zrání (u sýru typu Emmental konverze mléčná › propionová kyselina + CO2), proteolýza, lipolýza › tvrdý sýr Měkké sýry, jogurty srážení, nízké pH (fermentace laktosy, mléčná kyselina), koagulace kaseinů částečná, u jogurtů asociace micel (gelová struktura) Nerozpustný kyselý kasein Sladký kasein (srážení syřidlem) Kaseináty (rozpustné Na, K, NH4; dispergovatelné: Ca, Mg) Nerozpustné koprecipitáty Syrovátka

Vejce

Vejce proteiny bílku 53 %, žloutku 47 % obsah živin v slepičích vejcích složení proteinů bílku a žloutku slepičích vajec Proteiny bílku ~ 40 proteinů (globuliny, glykoproteiny a fosfoproteiny) enzymy (lysozym, aktivita N-acetylmuramidasy, murein, buněčné stěny bakterií) bílkovinné složky enzymů (flavoprotein/riboflavin, avidin/biotin) inhibitory proteas (ovomukoid, ovoinhibitor) Důsledky viskozita a gelovitá konzistence bílku − ovomukoid a ovomucin stabilita pěny šlehaného bílku − ovoglobuliny G2 a G3 antimikrobní účinky −lysozym (ovoglobulin G1) antinutriční působení − avidin Proteiny žloutku (emulze tuku ve vodě) 1/3 = bílkoviny, 2/3 = lipidy glyko-, lipo-, glykofosfo- a glykofosfolipoproteiny granule − lipovitellin a fosvitin plasma − lipovitellenin a livetin Změny při skladování a zpracování částečná denaturace proteinů bílku při šlehání denaturace teplem 57 °C − počátek 60-65 °C − denaturuje většina bílkovin (ne ovomukoid) 65-70 °C − většina bílkovin žloutku (ne fosvitin)

Potraviny rostlinného původu

Potraviny rostlinného původu hlavní zdroje − semena rostlin omezené zdroje − plody, listy, hlízy, bulvy a jiné části rostlin (ovoce, zelenina, okopaniny) Cereálie a pseudocereálie Základní chemické složení obilovin Proteiny obilovin a jejich složení Proteiny pšenice Mouka 7-13 (až 15) % bílkovin 15 % albuminy (ve vodě rozpustné) leukosin 7 % globuliny (0,4 M-NaCl) edestin 33 % prolaminy (70 % ethanol) gliadin 46 % gluteliny (zbytek) glutenin poměr prolaminy / gluteliny = 2 : 3 Mouka silná = chlebová (12-14 %) (těsto elastické, tuhé, nutné intenzivní míchání, zadržuje oxid uhličitý, vzduch, objemnější výrobky) Mouka slabá = výroba sušenek, cukrovinek (< 10 %) Těsto lepek (gluten) = viskoelastická hmota, 2/3 vody, 1/3 hydratované gluteliny (viskozita), gliadiny (elasticita), sušina lepku = 90 % proteinů, 8 % lipidů, 2 % cukrů Bezlepkové výrobky alergické onemocnění celiakie (~ 0,05 % dětí v Evropě) změny epithelových buněk střevní stěny, zhoršená absorpce živin prolaminové frakce pšenice, žita, ječmene, sekvence: Pro-Ser-Gln-Gln a Gln-Gln-Gln-Pro limity < 100 mg gliadinu/kg (sušiny) Proteiny žita není gluten pekařské vlastnosti: pentózany, některé proteiny (botnající v kyselém prostředí) vznik kyselin činností mikroorganismů (S. cerevisiae, S. minor, L. plantarum, L. brevis) Proteiny luštěnin a olejnin vysoký obsah globulinů, funkce při klíčení  Podrobnější informace naleznete na stránce obsah aminokyselin v luštěninách. Využití netradičních zdrojů bílkovin Texturované rostlinné proteiny Přípravky bohaté na bílkoviny

Reakce

Reakce eliminační, isomerační, adiční, oxidační komplexní reakce vliv složení potravin, podmínek: teplota, pH, O2, další látky Důsledky snížení biologické hodnoty rozklad esenciálních aminokyselin vznik nemetabolizovatelných produktů snížení travitelnosti vznik antinutričních a toxických látek vznik aromatických látek hlavně Cystein, Methionin, Ornitin, Prolin aminy, aldehydy, alkoholy, S-sloučeniny Eliminační reakce dekarboxylace (eliminace oxidu uhličitého) aromatické látky biologicky aktivní látky (biogenní aminy) histamin (His) , kadaverin (Lys) Eliminace amoniaku a vody vznik 2,5-dioxopiperazinů (cyklické dipeptidy) vznik alk-2-enových kyselin vznik γ-laktamů z γ-aminokyselin, γ-aminokyselina Glu, kreatin Eliminace funkčních skupin postranních řetězců reakce v kyselém prostředí nebo termické reakce deamidace proteinů, hydrolýza reakce v neutrálním prostředí nebo termické reakce vznik neobvyklých vazeb reakce v alkalickém prostředí nebo termické reakce vznik neobvyklých vazeb, neobvyklých aminokyselin, D-aminokyseliny (abiogenní) Důsledky snížení travitelnosti snížení výživové hodnoty vznik potenciálně toxických aminokyselin vznik aromatických látek Kyselé prostředí Výroba hydrolyzátů bílkovin enzymy autolýza kvasničné autolyzáty, potravinářské hydrolyzáty, sójová omáčka kyseliny potravinářské hydrolyzáty Neutrální prostředí vznik příčných vazeb a neobvyklých aminokyselin ε-aminoskupina Lys, karboxamidová skupina Asn, Gln Alkalické prostředí ztráty Lysin, Cystein, Serin, Threonin, Arginin aj. 1,2-eliminace H-X (Ser, Thr, Cys, SySSCy) a hydrolýza X = OH, SH, SR, SSR aj. Cys, Ser›2-aminoakrylová kyselina (dehydroalanin), Thr › 2-aminokrotonová kyselina (dehydrobutyrin) adice funkčních skupin aminokyselin (intra- a intermolekulární příčné vazby) hydrolýza zesítěného proteinu a vznik neobvyklých aminokyselin, lysinoalanin, lanthionin isomerace a vznik D-aminokyselin, snížená využitelnost Adiční reakce reakce se sacharidy (aldehydy, ketony), Maillardova reakce barevné látky, aromatické látky, biologicky aktivní látky Oxidační reakce oxidační deaminace a transaminace Enzymové reakce deaminasy nebo transminasy, hydrolasy aldehydy − aróma ovoce a zeleniny alkoholy − aróma alkoholických nápojů (alkoholy přiboudliny) Streckerova degradace (oxidační dekarboxylace) tvorba Streckerových aldehydů Neenzymová reakce Oxidační činidla dikarbonylové sloučeniny sacharidy chinony anorganické látky (chlornany) Vznik dalších produktů N- a S-heterocyklické sloučeniny Další oxidace oxidované lipidy a fenoly, O2 (fotosenzibilizátory) cystein a cystin oxidace Cys na sulfenovou, sulfinovou, sulfonovou (cysteovou) kyselinu (nevyužitelná) oxidace Cys na CySSCy oxidace CySSCy oxidace Met Reakce se složkami potravin reakce s polyfenoly tmavá barva izolátů ze šrotů nevyužitelné produkty, snížená travitelnost reakce s oxidovanými lipidy nevyužitelné produkty, snížená travitelnost

Odkazy

Související články

• Peptidy (1. LF UK, NT)
• Aminokyseliny (1. LF UK, NT)
• Aminokyseliny, peptidy, bílkoviny (1. LF UK, NT)

Zdroj

• DAVÍDEK, Jiří. 2. AMINOKYSELINY, PEPTIDY, BÍLKOVINY [online]. [cit. 2012-03-10]. <https://el.lf1.cuni.cz/p51525121/>.

• KOOLMAN, Jan a Klaus-Heinrich RÖHM. Barevný atlas biochemie. 1. vydání. Praha : Grada, 2012. ISBN 978-80-247-2977-0.

• MATOUŠ, Bohuslav, et al. Základy lékařské chemie a biochemie. 1. vydání. Praha : Galén, 2010. 540 s. ISBN 978-80-7262-702-8.

• MURRAY, Robert K. (Robert Kincaid), David A BENDER a Kathleen M BOTHAM, et al. Harper’s illustrated biochemistry : [object Object]. 29. vydání. New York [u.a.] : McGraw-Hill Medical ; New York [u.a.] : McGraw-Hill Lange, 2012. ISBN 9780071765763.

• LEDVINA, Miroslav, et al. Biochemie pro studující medicíny. 2. vydání. Praha : Karolinum, 2009. 548 s. ISBN 978-80-246-1414-4.