Curs 3AMINOACIZI, PEPTIDE. PROTEINESTRUCTURA SI PROPRIETATI

Clasificarea proteinelorPROTIDEPEPTIDE (2-20 AA) PROTEINE propriuzise: holoproteine alctuite numai din aminoacizi heteroproteine conin o component proteic (AA) i o component prostetic

AMINOACIZII - exista 20 de aminoacizi proteinoformatori general intalniti in proteine si alti cativa AA modificati - toti aminoacizii proteinoformatori apartin seriei sterice L si sunt -aminoacizi- dupa biosinteza proteinelor, unii dintre aminoacizii componenti pot suferi modificari chimice la nivelul catenei laterale (ex. lizina hidroxilizina; prolina hidroxiprolina, Glu acid carboxiglutamic)

Clasificarea aminoacizilor(o varianta) Aminoacizi cu R nepolar, hidrofob - Aminoacizi cu R polar neincarcat electric- Aminoacizi aromatici- Aminoacizi cu caracter acid (monoaminodicarboxilici, incarcati negativ la pH neutru)- Aminoacizi cu caracter bazic (diaminomonocarboxilici, incarcati pozitiv la pH neutru)

Aminoacizi cu R nepolar(hidrofob, alifatici)

Aminoacizi cu R polar, neincarcat electric

Aminoacizi cu R aromatic prezinta absorbtie specifica in UV prezinta fluorescenta

Aminoacizi cu caracter acid cu R incarcat negativ (la pH=7) (monoamino-dicarboxilici)Derivati ai Asp si Glu

Aminoacizi cu caracter acidcu R incarcat pozitiv (la pH=7) (diamino-monocarboxilici

Plantele pot sintetiza cateva sute de AA pornind de la compusi anorganici (amoniac, dioxid de carbon)Organismele animale pot sintetiza de novo o parte dintre aminoacizi, pot produce aminoacizi din alti compusi sau din alti aminoacizi (de ex. prin transaminare)8 aminoacizi nu pot fi produsi de catre organismul uman si poarta numele de aminoacizi esentiali: Val, Leu, Ile, Met, Tre, Phe, His, Trp, Lys Acestia trebuie asigurati prin hranaTir si Arg sunt considerati semiesentiali sunt necesari organismelor in crestere si in timpul gestatieiProteinele de origine animala sunt surse valoroase de AA esentiali (carnea, laptele, ouale) Porumbul este deficient in Lys si Trp iar orezul in Lys si ThrO nutritie adecvata trebuie sa contina intr-o proportie echilibrata toti aminoacizii esentiali

Rolul biochimic si proprietatile aminoacizilor

Proprietatile aminoacizilor

(a) Proprietati generale(b) Proprietati chimice:- datorate gruparii carboxil- datorate gruparii amino- datorate catenei laterale R

Proprietatile aminoacizilor

45.bin

Solubilitatea aminoacizilor in apa la 25C

AminoacidSolubiltateAminoacidSolubiltateAlanina167.2Leucina21.7Arginina855.6Lizina739Asparagina28.5Metionina56.2Acid aspartic5.0Fenilalanina27.6Cisteina-Prolina1640Glutamina7.2 (37 C)Serina422Acid glutamic8.5Treonina13.2Glicina249.9Triptofan13.6Histidina-Tirozina0.4Izoleucina34.5Valina58.1

Hidrofobicitatea catenelor laterale ale aminoacizilor la 25C Gt - energia libera de transfer a aminoacizilor din etanol in ap- Aminoacizii cu Gt pozitiva si cu valori ridicate sunt hidrofobi si sunt localizati in interiorul proteinelor globulare

- Aminoacizii cu Gt negative sunt hidrofili si sunt localizati in suprafata proteinelor proteinelor globulare

AminoacidGt (kJ/mol)AminoacidGt (kJ/mol)Alanina2.09Leucina9.61Arginina-Lizina-Asparagina0Metionina5.43Acid aspartic2.09Fenilalanina10.45Cisteina4.18Prolina10.87Glutamina-0.42Serina-1.25Acid glutamic2.09Treonina1.67Glicina0Triptofan14.21Histidina2.09Tirozina9.61Izoleucina12.54Valina6.27

Reactivitatea chimica a aminoacizilorReactia cu ninhidrina utilizata in determinarea cantitativa a aminoacizilor liberi sau din proteineSe formeaza un compus violet (max 550 nm) sau galben (max 440 nm) pentru Pro si Pro-OH

Reactivitatea chimica a aminoacizilorReactia cu ortoftaldialdehida in prezenta de mercaptoetanol Se formeaza produsi cu fluorescenta puternica (exc 380 nm; exc 450 nm)

Reactia cu fluorescamina la nivelul gruparilor amino primareSe formeaza compusi cu fluorescenta puternica (exc 390 nm; exc 475 nm)Reactie foarte sensibila 10 micrograme de proteina

Reactia cu DTNB (acid ditio-nitrobenzoic, reactiv Ellman)Dozarea glutationului si a gruparilor tiolice din proteine

Reactivitatea chimica a aminoacizilorReactia cu dinitrofluorbenzen (DNFB)Se formeaza compusi colorati in galben

Formarea legaturii peptidice

53.bin

Caracterul partial de dubla legatura al legaturii peptidice

STRUCTURA PROTEINELORProteinele sunt macromolecule cu structura ierarhizata. In structura lor se pot distinge 4 niveluri de organizare:

Structura primara Structura secundara Structura tertiara Structura cuaternara

STRUCTURA PROTEINELOR

Ponderea aminoacizilor in tipurile majore de structuri secundare a proteinelor

Ponderea tipurilor de structura secundara in cateva proteine

Interactiuni intre catenele laterale R ale aminoacizilor mai contribuie fortele van der Waals se formeaza si punti de sulf intre resturi de cisteina importante sunt si repulsiile (impiedicarile sterice)

Proteine globulare si fibrilare Proteine globulare proteinele globulare au aspect sferic, globular, n care aminoacizii hidrofili i cei ncrcai electric sunt dispui la suprafa, n contact cu mediul apos aminoacizii hidrofobi sunt dispui spre interiorul sferei, asociindu-se ntre ei prin interaciuni hidrofobe. proteinele globulare sunt caracterizate de o mare complexitate, n structura lor ntlnindu- se diferite tipuri de structuri secundare proteinele globulare sunt n general proteine solubile n ap majoritatea enzimelor i hormonilor cu structur proteic sunt proteine globulare

Proteine globulare si fibrilare Proteine fibrilare proteinele fibrilare au aspect de fibre sau foi in general sunt alctuite din mai multe catene polipeptidice asociate n fibrile i sunt insolubile n ap in proteinele fibrilare se regsete de cele mai multe ori un singur tip de structur secundar. in general sunt proteine cu rol de structur a unor esuturi sau de protecie.

Interconversiile tiol-disulfide S

S

HSSH SS

Denaturarea proteinelorProteinele nu sunt molecule rigide, acestea pot suferi modificari conformationale doar prin ruperea unor legaturi de hidrogen sau a unor interactiuni hidrofobeAdaptabilitatea conformationala a proteinelor este importanta pentru exercitarea functiilor lor biologice (de exemplu legarea substratului in cazul enzimelor sau legarea unor liganzi la proteine)Proteinele ce necesita o stabilitate structurala ridicata (enzimele) sunt stabilizate prin punti disulfidice

Denaturarea proteinelorStarea nativa a unei proteine este starea termodinamica de energie libera minima in conditii fiziologice Orice modificare a conditiilor de mediu: pH, tarie ionica, temperatura, compozitia solventului, etc. vor forta molecula de proteina sa adopte o structura noua pentru a atinge echilibrulModificarile subtile, care nu afecteaza arhitectura proteinei sunt privite ca adaptabilitate conformationalaModificarile profunde ce afecteaza structura secundara, tertiara si cuaternara a proteinelor poarta numele de denaturarea proteinelorIn functie de conditiile denaturarii proteinele pot adopta diferite stari denaturateDenaturarea produce pierderea activitatii biologice a proteinelorIn alimente denaturarea poate avea efecte nedorite (pierderea solubilitatii, a unor functii biologice, a capacitatii de cristalizare) dar si efecte benefice (cresterea digestibilitatii, imbunatatirea proprietatilor de spumare si emulsionare)Denaturarea proteinelor este reversibila (cu exceptii)

Denaturarea proteinelor(a) Agenti fizici de denaturare a proteinelorTemperaturaTratamentul termic este cea mai utilizata metoda de procesare si conservare a alimentelorIncalzirea unei solutii de proteina deasupra unei valori critice determina denaturarea proteineiTemperatura la care raportul intre concentratia starii native si a starii denaturate este 1 poarta numele de temperatura de topire (Tt) sau temperatura de denaturare (Td)Denaturarea termica implica in primul rand destabilizarea legaturilor slabe, necovalente (legaturile covalente peptidice sunt stabile)Legaturile de hidrogen, ionice si van der Waals sunt destabilizate la temperaturi mari si stabilizate de temperaturi miciInteractiunile hidrofobe sunt stabilizate de temperaturi mari (max. la 60-70 C) si destabilizate de temperaturi miciCresterea temperaturii determina o crestere a energiei cinetice, ceea ce favorizeaza denaturarea proteinelor

Denaturarea proteinelor(a) Agenti fizici de denaturare a proteinelorTemperaturaProteinele in care predomina legaturile polare sunt mai stabile la temperaturi mici (refrigerare sau sub)Proteinele stabilizate prin legaturi hidrofobe sunt mai stabile la temperatura ambianta decat la refrigerareStabilitatea termica a proteinelor este influentata de distributia optima a tipurilor de aminoacizi (polari si hidrofobi) si nu doar de proportia lorApa faciliteaza denaturarea termicaZaharoza, lactoza, glucoza, glicerol stabilizeaza termic solutiile de proteine

ProteinaTDHidrofobicitateaProteinaTDHidrofobicitateaTripsinogen553.68Albumina Ou 764.01Pepsinogen604.02Mioglobina794.33BSA654.22-lactalbumina834.26Hemoglobina673.98Citocrom c834.37Lizozom723.72-lactoglobulina834.50Insulina764.16Avidina853.81

Denaturarea proteinelor(a) Agenti fizici de denaturare a proteinelor

Presiunea

Proteinele pot fi denaturate la temperatura ambianta (25 C) in cazul in care presiunea este suficient de mareMajoritatea proteinelor sunt denaturate la presiuni din domeniul 1-12 kbar (punctul de tranzitie 4-8 kbar)Proteinele sunt flexibile si compresibile (exista spatii goale in interior)Prin expunerea la presiune proteinele isi micsoreaza volumulDenaturarea sub actiunea presiunii este reversibila odata cui scaderea la presiunea atmosfericaExercitarea unei presiuni mari poate fi utilizata pentru inactivarea microorganismelor (distrugerea membranei celulare sau fragezirea carniiDenaturarea prin presiune nu altereaza compozitia in aminoacizi, nu modifica gustul si culoarea alimentelor, nu determina formarea de compusi toxiciDezavantaje costul ridicat

Denaturarea proteinelor(a) Agenti fizici de denaturare a proteinelor

Procesarea mecanica (forfecare)

Proteinele sunt denaturate prin agitare (scuturare), framantare, batere, taiere Denaturarea mecanica se produce din cauza incorporarii bulelor de aer si prin adsorbtia proteinelor la interfata aer-lichidProteinele sufera modificari conformationale la interfata aer-lichidCu cat proteina este mai flexibila cu atat se va denatura mai rapidPartile hidrofobe ale proteinelor se orienteza inspre aer iar partile polare inspre apaCombinarea procesarii mecanice cu expunerea la temperatura si variatii de pH pot produce denaturari ireversibile ale proteinelor

Denaturarea proteinelor(b) Agenti chimici de denaturare a proteinelor

pH

Proteinele sunt mai stabile impotriva denaturarii la punctul izoelectric pI (numar de sarcini negative = numar de sarcini pozitive)Solubilitatea este minima la pIMajoritatea proteinelor sunt stabile in jurul pH-ului neutru, dar domeniul recomandat este 3-9.5La pH > pI poate avea loc agregarea (formarea de fibre, distrugerea gruparilor tiolice)pH-ul foarte alcalin afecteaza mai sever structura proteinelor decat pH-ul foarte acidDenaturarea proteinelor cauzata de pH este in cele mai multe cazuri reversibila

Punctele izoelectrice ale unor proteine

ProteinapIProteinapIProteinapI1globulina2,0Pepsina1,0Mioglobina (cal)7,0Haptoglobina4,1Ovalbumina4,6Histonele7,511,0Albumina seric4,7Cazeina4,6Ribonucleaza A (bovin)9,41globulina5,8Ureaza5,0Chimotripsinogen9,5Fibrinogenul5,8Tropomiozina5,1Citocromul c (uman)9,8Hemoglobina7,2Insulina5,4Lizozimul11,12globulina7,4Colagen6,6Salmin12,1

Denaturarea proteinelor(b) Agenti chimici de denaturare a proteinelorSolventii organici

Solventii organici afecteaza stabilitatea interactiunilor hidrofobe, ionice si de hidrogen in mod diferit in functie de polaritatea lorIn concentratii mici anumiti solventi organici pot stabiliza proteinele impotriva denaturarii (ex. 2-cloroetanol)La concentratii mari toti solventii organici determina denaturarea proteinelor datorita efectului lor de solubilizare asupra catenelor laterale nepolare ale aminoacizilor

Denaturarea proteinelor(b) Agenti chimici de denaturare a proteinelorCompusi organici solubili

Cei mai cunoscuti agenti de denaturare sunt urea si clorhidratul de guanidina (GuHCl)Punctul de tranzitie de la forma nativa la cea denaturata este pentru majoritatea proteinelor 4-6 M pentru uree si 3-4 M pentru (completa pentru 8M uree si 6 M GuHCl)GuHCl are caracter ionic si este un agent denaturant mai puternic decat ureaDenaturarea cu uree si GuHCl este in general reversibila

Denaturarea proteinelor(b) Agenti chimici de denaturare a proteinelorDetergentiiDetergentii sunt agenti de denaturare puterniciSDS (sodiu dodecil sulfat) in concentratie de 3-8 mM denatureaza majoritatea proteinelor globulareDetergentul se leaga preferential la forma denaturata a proteinei ceea ce determina o deplasarea a echilibrului dintre forma nativa si forma denaturata a proteineiProteina denaturata in solutia de SDS nu are o forma dezordonata ci una de -helixDenaturarea cu SDS este ireversibila

Denaturarea proteinelor(b) Agenti chimici de denaturare a proteinelorSaruri

Efectul sarurilor depinde de concentratia sarii si de tipul ionilorLa concentratii mici ionii interactioneaza cu proteinele prin legaturi de tip electrostatic nespecifice care stabilizeaza proteineleLa concentratii de peste 1 M sarurile au efect destabilizant, favorizand denaturarea proteinelorSaruri ca NaF, Na2SO4 se leaga slab, cresc hidratarea si stabilizeaza proteinele Saruri ca NaSCN sau NaClO4 se leaga puternic, scad hidratarea proteinelor si le destabilizeaza, favorazand denaturareaEfectul anionilor asupra denaturarii proteinelor este mai puternic decat al cationilor

F- < SO42- < Cl- < Br- < I- < ClO4- < SCN- < Cl3C-COO-

Proprietatile functionale ale proteinelor Functionalitatea proteinelor alimentare se defineste ca fiind ansamblul proprietatilor fizice si chimice ale proteinelor care afecteaza comportamentul acestora in alimente pe parcursul procesarii, pastrarii, prepararii si consumuluiProprietatile senzoriale ale alimentelor - textura, aroma, culoarea si aspectul, sunt rezultatul unor interactiuni complexe intre componentele majore si cele minore ale alimentelor Proteinele, mai ales cele de origine animala, sunt amestecuri complexe de molecule de natura proteica ce poseda o gama larga de proprietati fizico-chimice si care au numeroase functii in alimente

Proprietatile functionale ale proteinelorProprietatile functionale ale proteinelor sunt consecintaa doua aspecte moleculare ale proteinelor:(a) Proprietatile hidrodinamice ale proteinelor care depind de marimea, forma si flexibilitatea acestora: - viscozitatea - gelificarea - texturizarea(b) Proprietatile de suprafata ale proteinelor care sunt legate de proprietatile chimice si topografice ale suprafetei acestora:- capacitatea de legare a apei- dispersibilitatea- solubilitatea- spumarea- emulsificarea- legarea compusilor de aroma si a grasimilor

Proprietatile functionale ale proteinelor1. Capacitatea de hidratare Interactiunile proteinelor cu apa sunt esentiale pentru multe dintre proprietatile proteinelor din alimente: viscozitate, capacitate de hidratare, coagulare, emulsificare, gelificareCapacitatea de hidratare a apei se defineste ca fiind cantitatea (g) de apa legata de 1 gram cand o pudra de proteina deshidratata este echilibrata cu vapori de apa la 90-95 % umiditateAminoacizii cu grupari incarcate leaga cele mai mari cantitati de apa - 6 moli/mol, urmati de cei polari neincarcati - 2 moli/mol, iar cei hidrofobi doar 1 mol/molCapacitatea de hidratare a proteinei este dependenta de compozitia in aminoacizi dar si de posibilitatea imbibarii cu apa prin capilaritate sau fixare fizicaLegarea apei la proteine decurge in etape: la valori mici ale activitatii apei aceasta se fixeaza la gruparile ionizate, urmate apoi de cele polare si in final de cele hidrofobe

Capacitatea de legare a apei este influentata de pH, taria ionica, tipul de sare, temepratura si conformatia proteineiCapacitatea de hidratare a proteinelor este minima la pI, maxima la pH 9-10 pentru majoritatea proteinelorConcentratiile mici de saruri (< 0.2 M) cresc capacitatea de legare a apei, dar la concentratii mari au efect opusIn general capacitatea de legare a apei scade cu cresterea temperaturii datorita ruperii legaturilor de hidrogenPentru alimente mai importanta este capacitatea de retinere a apei de catre proteine capacitatea de a se imbiba si a retine apa impotriva fortei gravitationale intr-o matrice proteica (geluri, carne)

Proprietatile functionale ale proteinelor1. Capacitatea de hidratare

Proteine pureCapacitatea de hidratare (g H2O/g proteina)Preparate proteice comercialeCapacitatea de hidratare (g H2O/g proteina)Ribonucleaza0.53Concentrat de proteine din zer0.45-0.52Lizozim0.34Cazeinat de sodiu0.38-0.92Mioglobina0.44Proteine din soia0.33-lactoglobulina0.54Albumina serica0.33Hemoglobina0.62Colagen0.45Cazeina0.40Ovalbumina0.30

Proprietatile functionale ale proteinelor2. SolubilitateaSolubilitatea proteinelor depinde de natura interactiunilor prezenteInteractiunile ionice (inclusiv legaturile de hidrogen) favorizeaza interactiunile proteina-apa si au ca efect cresterea solubilitatiiInteractiunile hidrofobe favorizeaza interactiunile proteina-proteina si au ca efect scaderea solubilitatii

In functie de solubilitate proteinele se clasifica in: Albuminele (serice, ovalbumina, alfa-lactalbumina) sunt solubile in apa la pH 6.6Globulinele (glicinina, faseolina, beta-lactoglobulina) sunt solubile in solutii saline diluate la pH 7.0Glutelinele (glutelinele din grau) sunt solubile doar la pH 2 si la pH 12Prolaminele (zeina, gliadina) sunt solubile doar in etanol 70 %

Proprietatile functionale ale proteinelor2. SolubilitateaSolubilitatea proteinelor este influentata de:pH solubilitate minima la pI unde absenta fortelor de repulsie favorizeaza agregare proteinelorTaria ionica

= 0.5 CiZi2 (Ci concentratia ionului; Zi valenta)

NH4+ < K+ < Na+ < Li+ < Mg2+ < Ca2+ SO42- < F- < Cl- < Br- < I- < ClO4- < SCN- Creste solubilitateaScade solubilitatea

Proprietatile functionale ale proteinelor2. SolubilitateaSolubilitatea proteinelor este influentata de:

Temperatura in conditii de pH si tarie ionica constanta, solubilitatea proteinelor creste odata cu temperatura in domeniul 0-40C (exceptie sunt cazeinele si unele proteine din cereale)

- peste 40C majoritatea proteinelor sufera denaturareSolventii organici acetona si etanolul determina scaderea solubilitatii si determina precipitarea proteinelor

Proprietatile functionale ale proteinelor3. Proprietatile legate de fenomenele de suprafataProteinele sunt molecule amfipatice care migreaza in mod spontan la interfata aer-apa sau ulei-apa pana la stabilirea echilibruluiLa echilibru, concentratia proteinei la interfata este mai mare decat in faza apoasa iar aceasta formeaza un film cu proprietati viscoelastice mai rezistent la solicitari mecanice decat cel format de molecule amfipatice mici (detergenti)Spumele si emulsiile stabilizate de catre proteine sunt mai rezistente decat cele stabilizate de molecule miciProprietatile de suprafata ale proteinelor sunt influentate mai putin de compozitia sau raportul intre categoriile de aminoacizi (polari/hidrofobi) si mai mult de conformatia proteinelor, de stabilitatea si flexibilitatea acestora

Proprietatile functionale ale proteinelor3. Proprietatile legate de fenomenele de suprafataProprietatile de suprafata ale proteinelor depind de trei atribute:

Capacitatea de adsorptie la o interfataCapacitatea de a se deplia si reorienta rapid la interfata Odata ajunse la interfata, capacitatea de a interactiona cu moleculele din jur si a forma un film viscoelastic rezistent la miscare mecanica si termica

La interfata, moleculele proteice pot adopta trei configuratii diferite:TrenCoadaBucla

Proprietatile functionale ale proteinelor3. Proprietatile legate de fenomenele de suprafataProprietatile de emulsionare a proteinelor

Multe alimente naturale si procesate cum sunt: laptele, galbenusul de ou, uleiul de cocos, margarina, maioneza, dresingurile, carnatii, deserturile congelate, etc., sunt sisteme de tip emulsie in care proteinele au rol de emulgatoriGlobulele de grasime din lapte sunt stabilizate de o membrana lipoproteica. Prin omogenizare aceasta este inlocuita de un film mai rezistent alcatuit din micele de cazeina si proteine din zer ceea ce le face mai stabile impotriva separarii grasimiiCapacitatea de emulsionare a proteinelor depinde de natura proteinei, de pH, temperatura, de prezenta unor surfactanti, a glucidelor, de uleiul (grasimea implicata volumul ei si tipul)

Reducerea diametrului globulelor de grasimeprin omogenizare de la 1-10 micrometri la 0.2-2 micrometri

Proprietatile functionale ale proteinelor3. Proprietatile legate de fenomenele de suprafataProprietatile de spumare ale proteinelor

Spuma consta intr-o faza apoasa continua si o faza gazoasa dispersataAlimente ca frisca, inghetata, prajiturile, spuma (mousse), painea, bezelele sunt produse de tip spumaTextura si senzatia pe care o simte consumatorul vine din bulele mici de aer dispersate in sistemIn multe dintre aceste produse proteinele sunt principalii compusi tensioactivi care ajuta formarea si stabilizarea fazei gazoase dispersateCapacitatea de a forma spuma se calculeaza ca fiind raportul intre volumul de aer incorporat/volumul de lichid X 100Capacitatea de spumare este dependenta de natura si concentratia proteinei, de pH (max. la pI), de prezenta sarurilor (Na, Ca si Mg care in general cresc capacitatea de spumare si stabilitatea spumei), de prezenta zaharozei (scade capacitatea de spumare dar creste stabilitatea), lipidelor (fosfolipidele scad capacitatea de spumare)

Proprietatile functionale ale proteinelor3. Proprietatile legate de fenomenele de suprafataFixarea (legarea) compusilor de aroma

Proteinele pure sunt inodore dar pot lega compusi de aromaProteinele din zer si cele din seminte oleaginoase leaga compusi ce confera mirosuri dezagreabile (aldehide si cetone provenite din oxidarea acizilor grasi nesaturati)Legarea acestor compusi este foarte puternica (rezista si la solventi) si se realizeaza mai ales prin intermediul interactiunilor hidrofobeLegarea compusilor are si aspecte pozitive in cazul utilizarii proteinelor vegetale in preparatele de carne

Proprietatile functionale ale proteinelor4. Proprietatile hidrodinamice ViscozitateaViscozitatea unei solutii este rezistenta la curgere atunci cand se aplica o fortaSolutiile polimerilor solubili (inclusiv proteine) au o viscozitate crescuta chiar si la concentratii mici

GelificareaGelul reprezinta o faza intermediara intre starea solida si starea lichidaGelurile sunt alcatuite din polimeri reticulati prin legaturi covalente sau necovalente ce formeaza o retea capabila sa fixeze apa sau alte molecule miciGelificarea proteinelor consta in transformarea lor din starea de solutie in starea de gelGelificarea este favorizata de caldura, enzime sau cationi divalentiPrima etapa (ireversibila) in gelificarea termica este formarea starii de progel, in care proteina este depliata (dezorganizata la nivelul structurii tertiare)A doua etapa consta in formarea retelei de proteine si poate fi reversibila sau ireversibila

Proprietatile functionale ale proteinelor 4. Proprietatile hidrodinamiceGelificareaProteinele pot forma doua tipuri de geluri

Geluri translucide - in care reteaua formata in gel este stabilizata in special prin legaturi de hidrogen, provin din proteine cu resturi polare. Acestea sunt reversibile termic si incastreaza mai multa apa decat gelurile opaceGeluri opace in carea reteaua formata in gel este stabilizata mai ales prin interactiuni hidrofobe si prin legaturi covalente (punti de sulf). Acestea sunt ireversibile termic.

Formarea gelurilornPNnPD(PD)nAgregareGel opac (coagul)Gel translucid

IncalzireRacire

Formarea aluatuluiFaina de grau contine proteine solubile (20 %) din categoria albuminelor, globulinelor si glicoproteinelorProteinele cu solubilitate scazuta glutenul (format din gliadine si glutenine) care contribuie la formarea aluatuluiGlutenul contine Glu/Gln si Pro (circa 50 %), sub 10 % Lys, Arg, Asp si circa 30 % aminoacizi hidrofobiCapacitatea fainii de grau de a forma aluatul cu proprietati viscoelastice capabil sa incastreze gaz in timpul fermentatiei este atribuita in exclusivitate glutenuluiDiferentele de calitate a fainii sunt legate de diferentele in structura glutenului

Proprietatile nutritionale ale proteinelorProteinele difera prin valoarea lor nutritiva in functie de calitatea proteinei (continutul in aminoacizi) si de digestibilitateCalitatea unei proteine este data in primul rand de continutul ei in aminoacizii esentialiO proteina este considerata de calitate daca asigura aportul de aminoacizi esentiali la nivelul recomandat de FAO/WHO si au digestibilitate comparabila cu cea a albusului de ou sau a lapteluiProteinele animale sunt de calitate superioara celor vegetaleProteinele vegetale sunt frecvent deficiente in unul sau mai multi AA esentiali (Lys, Met)Lys, Thr, Trp si aminoacizii cu sulf sunt cel mai frecvent aminoacizii limitanti

Proprietatile nutritionale ale proteinelorAlimentele deficitare in unii AA esentiali (cerealele) pot fi suplimentate sau combinate cu proteine de origine vegetala (legume) sau animala pentru imbunatatirea calitatii nutritiveNecesarul de AA esentiali difera in functie de statusul nutritional si fiziologic Supraconsumul unor AA esentiali poate duce la toxicitate sau dezechilibre ale altor AA prin fenomenul antagonismului aminoacizilor

*Antogonism: de exemplu un nivel ridicat de leucina determina o scadere a absorbtiei Ile, Val si Tyr.

Proprietatile nutritionale ale proteinelorDigestibilitatea proteinelor este definita ca proportia de azot din alimente absorbita dupa ingestieFactori care influenteza digestibilitate proteinelor:Conformatia proteinei. Proteinele partial denaturate sunt hidrolizate mai usor decat cele in stare nativa.Factori antinutritionali inhibitori ai tripsinei si lectine, taninuri si fitati (in plante)Legarea proteinelor la poliglucide (inclusiv fibre) reduce viteza si eficienta hidrolizeiProcesarea poate induce modificari chimice care reduc digestibilitatea (de ex. modificarea resturilor de lizina la temperatura si pH alcalin)

Proprietatile nutritionale ale proteinelor

Sursa de proteinaDigestibilitatea (%)Sursa de proteinaDigestibilitatea (%)Ou97Mei79Lapte, branz95Mazre88Carne, pete94Arahide94Porumb85Fin de soia86Orez decorticat88Proteine din soia95Gru integral86Fasole78Fin de gru alb96Fulgi de porumb70Gluten din gru99Cereale din gru77Fulgi de ovz86Cereale din orez75

Proprietatile nutritionale ale proteinelorEvaluarea valorii nutritionale a proteinelor se poate realiza prin:

Metode biologiceMetode chimiceMetode enzimatice si microbiologice

Modificari fizice, chimice si nutritionale ale proteinelor induse de procesarea alimentelor

(a) Efectul tratamentului termic, extractiei si fractionarii

Tratamentul termic la temperaturi moderate produce denaturarea partiala si imbunatateste digestibilitatea proteinelor De asemenea sunt inactivate enzime de tipul proteazelor, lipazelor, lipoxigenaze, polifenoloxidazelor, etc. care in stare activa pot induce modificare ale texturii, gustului si culorii alimentelor In cazul proteinelor vegetale, tratamentul termic inactiveaza unii factori antinutritionali (inhibitori ai tripsinei, lectine)In oua tratamentul termic inactiveaza ovomucoidul (factor antitripsina)Tratamentul termic (100C) inactiveaza toxina botulinica (Clostridium botulinum) si enterotoxinele produse de Staphylococcus aureus Pierderi de proteine pot avea loc la precipitarea la pI, precipitarea cu saruri, ultrafiltrare etc.

Modificari fizice, chimice si nutritionale ale proteinelor induse de procesarea alimentelor(b) Modificari chimice ale aminoacizilor

Racemizarea se produce mai ales prin tratamentul termic la pH alcalin si consta in inversarea configuratiei AA (LD); cel mai rapid se izomerizeaza Asp, Ser, Cys, Glu, Phe, Asn si Thr, atunci cand sant prezenti in proteine si nu liberiRacemizarea scade digestibilitatea deoarece legatura peptidica intre AA in forma D nu este hidrolizata eficient de catre proteazele gastrice si pancreatice iar unii AA in forma D sunt neurotoxici (D-prolina)Incalzirea la 200C (frigere, coacere) determina descompunerea si piroliza unor resturi de AA de la suprafata alimentelor, formand carboline; cei mai toxici (mutageni) sunt cei produsi prin piroliza Trp si GluChiar si la temperaturi moderate se pot produce compusi toxici rezultati din condensarea unor AA cu creatinina, glucide, etc. (imidazochinoline)

*Mai poate avea loc in aceleasi conditii si beta-eliminarea cu formare de dehidroalanina (se elimina R-ul).

Modificari fizice, chimice si nutritionale ale proteinelor induse de procesarea alimentelor(c) Reticularea proteinelor

Proteinele naturale, inclusiv din alimente, sunt reticulate prin legaturi covalente de tip disulfidic sau prin resturi de desmozina, izodesmozina, tritirozina, etc, care au rolul de a minimiza proteoliza metabolica (colagen, keratine, elastina)In timpul procesarii alimentelor la pH bazic, sau la peste 200C la pH neutru are loc reticularea proteinelor mai ales prin intermediul formarii dehidroalaninei foarte reactiva care se combina cu resturi de Lys (lysinoalanina), Cys (lantionina) sau Orn (ornitoalanina)Incalzirea excesiva determina reactia de transamidare intre Lys si Gln (sau Asn)Reticularea proteinelor din alimente determina scaderea digestibilitatii prin faptul ca legaturile formate sunt rezistente la hidroliza enzimatica

Modificari fizice, chimice si nutritionale ale proteinelor induse de procesarea alimentelor(d) Efectul agentilor oxidanti

Agenti oxidanti ca peroxidul de hidrogen, peroxidul de benzoil, hipocloritul de sodiu sunt utilizati in alimente pentru efectul lor bactericid sau pentru albire, pe de alta parte in alimente se produc radicali liberi ce actioneaza ca oxidantiCele mai susceptibile la oxidare sunt resturile de Met, Cys, Trp si HisMet este oxidata la metioninsulfoxid, metioninsulfona si in final la acid homocisteicCys este oxidata la acid cisteinsulfinic si cisteinsulfonicTrp (AA esential!!!) este oxidat (de ex. in prezenta H202) la kinurenina (carcinogenica)Trp, in prezenta luminii si a unui fotosensibilizator, riboflavina, formeaza fotoaducti carcinogenici si hepatotoxici

Modificari fizice, chimice si nutritionale ale proteinelor induse de procesarea alimentelor(e) Reactiile carbonil-amine Reactiile Maillard

Reactia Maillard (inbrunirea neenzimatica) este una dintre reactiile cu cel mai mare impact asupra proprietatilor senzoriale si nutritionale ale proteinelorReactia Maillard consta intr-o succesiune de reactii initiate prin reactia intre gruparea amino (provenita din aminoacizi) si gruparea carbonil (glucide reducatoare, acid ascorbic, etc)Spre deosebire de caramelizare, reactia Maillard are loc si la temperatura camereiLa temperatura ridicata, produsii de condensare se descompun si se condeseaza formand compusi insolubili bruni numiti melanoidinePe parcursul reactiei Maillard se formeaza sute de compusi de aroma care sunt specifici fiecarui aliment in parte

*Numele reactiei Maillard provine de la savantul francez Louis Camille Maillard care a studiat reactia aminacizilor cu glucidele.Reactiile Maillard sunt (partial) responsabile de aroma painii, biscuitilor, prajiturilor, ciocolatei, berii, etc. In multe cazuri aroma alimentelor este o combinatie a reactiei Maillard cu reactia de caramelizare care are loc la temperaturi ridicate (120-150 C).Reactiile Maillard nu sunt nici pana in prezent complet elucidate deoarece sunt influentate de numerosi factori: pH, tipul aminoacizilor si glucidelor, temperatura, timp, prezenta oxigenului, activitatea apei si prezenta altor componente ale alimentelor.

Modificari fizice, chimice si nutritionale ale proteinelor induse de procesarea alimentelor

*Prima etapa consta in reactia unei glucide reducatoare (glucoza) cu un aminoacid (reactie de condensare), cu formarea in final a unui compus de tip Amadori. Compusiul Amadori poate izomeriza in trei compusi diferiti, care fiecare reactioneaza in mod diferit in etapele urmatoare. Tinand cont de aceasta si de diversitatea aminoacizilor participanti, doar din prima reactie pot rezulta peste 100 de produsi. Pentozele reactioneaza mai usor decat hexozele si decat diglucidele reducatoare. Dintre aminoacizi, cel mai reactiv este Lizina (cu 2 grupari amino) care determina formarea compusilor de culoare in timp ce Cisteina, datorita gruparilor tiolice contribuie mai putin la culoare si mai mult la aroma datorita gruparii tiolice. Poliolii (produsi de reducere ai glucidelor) - sorbitol, xilitol, ribitol nu participa la reactia Maillard si deci nu contribuie la schimbarea de culoare in timpul coacerii.A doua etapa (rearanjarea Amadori) depinde de tipul de izomer Amadori implicat. Prin indepartarea hidrolitica a aminoacidului se formeaza un compus alfa-dicarbonilic care este apoi degradat cu formare de furfural (de la pentoze) si hidroximetilfurfural (de la hexoze) (principalii compusii de aroma ai reactiei Maillard).

Dupa rearanjarea Amadori pot avea loc trei tipuri majorede reactii:- reactii de deshidratare- scindarea cu formarea unor produsi cu catena scurta: diacetalul si aldehida piruvica- degradarea Strecker degradarea aminoacizilor la aldehide, amoniac si dioxid de carbon. Aldehidele provenite de la fiecarea AA au aroma specifica.

Modificari fizice, chimice si nutritionale ale proteinelor induse de procesarea alimentelorAvantaje

Produsii reactiei Maillard confera aroma si culoare alimentelorMelanoidinele formate in cursul reactiilor au proprietati antioxidanteUnii dintre produsii Maillard pot chelata ioni metalici cu proprietati prooxidante (Cu,Fe)

Dezavantaje

Reactiile Maillard reduc valoarea nutritionala a alimentelor prin modificarea chimica a aminoacizilor (Lys) si a glucidelorUnii dintre produsii Maillard sunt toxici si carcinogeni (acrilamida)AA si gruparile amino din proteine pot reactiona cu alte aldehide (de ex. malondialdehida) si poate produce reticularea proteinelor ce determina scaderea digestibilitatii

(f) Alte reactii ale proteinelor in alimente

Reactia cu lipidele proteinele reactioneaza cu radicalii alcoxil si peroxil formati prin oxidarea lipidelor formand radicali lipide-proteineReactia cu compusii fenolici chinonele rezultate prin oxidarea compusilor fenolici (acid cafeic, acid p-hidroxibenzoic, quercetina, etc) reactioneaza ireversibil cu gruparile SH si amino din proteine determinand scaderea digestibilitatii proteinelorReactia cu solventi halogenatiReactia cu nitriti (aditivi pentru culoare si pentru controlul dezvoltarii bacteriilor in produsele din carne) duce la formarea de nitrozamine carcinogene (mai ales la pH acid si temperaturi ridicate)

Modificari fizice, chimice si nutritionale ale proteinelor induse de procesarea alimentelor

Modificari fizice, chimice si nutritionale ale proteinelor induse de procesarea alimentelor(g) Modificari enzimatice ale proteinelor in alimenteSe cunosc sase tipuri de modificari enzimatice ale proteinelor: glicozilare, hidroxilare, fosforilare, metilarea, acilare si reticulareHidroliza proteinelor din alimente imbunatateste solubilitatea proteinelor dar in general scade capacitatea de gelificare, emulsionare si spumareCresterea solubilitatii este asociata cu cresterea digestibilitatii proteinelorPrin hidroliza se pot forma peptide biologic active care nu au aceleasi efect in proteina nehidrolizata (ex. Peptidele provenite din cazeine)Prin hidroliza se pot elibera compusi amari (AA hidrofobi) care influenteaza acceptabilitatea proteinei

Hidroliza enzimatica a k-cazeinelorChimozina (rennina)

prezent n stomacul animalelor tinere, component major a cheaguluiaspartic peptidaz cu specificitate de substrat similar cu a pepsineiare activitate proteolitic redus dar determin coagularea laptelui scindnd o secven specific din -cazeinecoagularea se produce n prezena ionilor de calciuse obtine prin tehnologii de ADN recombinant din diverse microorganisme (E.coli, Aspergillus sp., Kluyveromyces sp.)

Transglutaminaza (reticularea proteinelor prin formarea unei legaturi izopeptidice )

*Antogonism: de exemplu un nivel ridicat de leucina determina o scadere a absorbtiei Ile, Val si Tyr.*Mai poate avea loc in aceleasi conditii si beta-eliminarea cu formare de dehidroalanina (se elimina R-ul).*Numele reactiei Maillard provine de la savantul francez Louis Camille Maillard care a studiat reactia aminacizilor cu glucidele.Reactiile Maillard sunt (partial) responsabile de aroma painii, biscuitilor, prajiturilor, ciocolatei, berii, etc. In multe cazuri aroma alimentelor este o combinatie a reactiei Maillard cu reactia de caramelizare care are loc la temperaturi ridicate (120-150 C).Reactiile Maillard nu sunt nici pana in prezent complet elucidate deoarece sunt influentate de numerosi factori: pH, tipul aminoacizilor si glucidelor, temperatura, timp, prezenta oxigenului, activitatea apei si prezenta altor componente ale alimentelor.*Prima etapa consta in reactia unei glucide reducatoare (glucoza) cu un aminoacid (reactie de condensare), cu formarea in final a unui compus de tip Amadori. Compusiul Amadori poate izomeriza in trei compusi diferiti, care fiecare reactioneaza in mod diferit in etapele urmatoare. Tinand cont de aceasta si de diversitatea aminoacizilor participanti, doar din prima reactie pot rezulta peste 100 de produsi. Pentozele reactioneaza mai usor decat hexozele si decat diglucidele reducatoare. Dintre aminoacizi, cel mai reactiv este Lizina (cu 2 grupari amino) care determina formarea compusilor de culoare in timp ce Cisteina, datorita gruparilor tiolice contribuie mai putin la culoare si mai mult la aroma datorita gruparii tiolice. Poliolii (produsi de reducere ai glucidelor) - sorbitol, xilitol, ribitol nu participa la reactia Maillard si deci nu contribuie la schimbarea de culoare in timpul coacerii.A doua etapa (rearanjarea Amadori) depinde de tipul de izomer Amadori implicat. Prin indepartarea hidrolitica a aminoacidului se formeaza un compus alfa-dicarbonilic care este apoi degradat cu formare de furfural (de la pentoze) si hidroximetilfurfural (de la hexoze) (principalii compusii de aroma ai reactiei Maillard).

Dupa rearanjarea Amadori pot avea loc trei tipuri majorede reactii:- reactii de deshidratare- scindarea cu formarea unor produsi cu catena scurta: diacetalul si aldehida piruvica- degradarea Strecker degradarea aminoacizilor la aldehide, amoniac si dioxid de carbon. Aldehidele provenite de la fiecarea AA au aroma specifica.