KURZUS: Élelmiszer-kémia

MODUL: III. modul

3. lecke: Fehérjék

| A fehérjék komplex makromolekulák nagyrészt szénből, oxigénből, hidrogénből, nitrogénből és kénből felépülő vegyületek. Építőelemeik az aminosavak, amelyek megszabják a fehérje kémiai, fizikai és biológiai tulajdonságait. A fehérjéket húszféle aminosav alkotja, azonban több mint 150 természetes aminosav ismert, amelyek csak kis mennyiségben, sokszor csak egyes szervezetekben fordulnak elő. Az aminosavak ún. amfoter tulajdonságú vegyületek, vagyis amfolitok: savakkal szemben gyenge bázisként, lúgokkal szemben gyenge savként viselkednek. Esszenciális aminosavaknak nevezzük azokat az aminosavakat, amelyeket az emberi vagy állati szervezet nem, vagy csak elégtelen mennyiségben képes előállítani.
Az aminosavak amino- és karboxilcsoportjai neutrális oldatban ionos állapotban vannak, így minden aminosavnak legalább egy negatív (-COO-) és egy pozitív (-NH+3) töltése van. Ezt a szerkezetet hívjuk ikerionos szerkezetnek. Savas irányba eltolva a pH-t, a karboxilion disszociációja protonálódás miatt visszaszorul, lúgos irányú pH-eltolódás pedig az aminocsoport deprotonálódását okozza. Az a pH-érték, ahol az aminosav teljes mértékben ikerion formában van jelen, az az izoelektromos pont.
Az aminosavakat csoportosíthatjuk töltés szerint, valamint táplálkozásbiológiai szempontból lehetnek esszenciális aminosavak, amelyeket a szervezet nem tud szintetizálni (valin, leucin, izoleucin, fenilalanin, triptofán, metionin, treonin, lizin), félig esszenciális aminosavak, amelyeket egy másik esszenciális aminosavból tud előállítani a szervezet (cisztein, tirozin), és nem esszenciális aminosavak, amelyet a szervezet korlátlanul elő tud állítani (arginin, glicin, alanin, prolin, szerin, aszparagin, glutamin, aszparaginsav, glutaminsav, hisztidin).

| Önellenőrző kérdések I.
1. Mely atomok építik el a fehérjéket?
| C,H,O,P
| O,H, S, N
| O,H, N, P
| C,H,O,N
2. Mi az ikerionos szerkezet?
| két azonos atom van a molekulának két oldalán
| pozitív és negatív része is van a molekulának

| Az aminosavak kémiai jellegét a bázikus jellegű -NH2-csoport, illetve a savas karakterű -COOH csoport szabja meg. Ez alapján 3 csoportba oszthatjuk őket: Monoamino-monokarbonsavak azok az aminosavak, amelyekben a savas és bázikus csoportok száma azonos (glicin, alanin, cisztein, cisztin, szerin, fenilalanin, tirozin, triptofán, treonin, metionin, valin, leucin, izoleucin, prolin, hidroxi-prolin). A diamino-monokarbonsavak (lizin, ornitin), valamint a hisztidin és az arginin bázikus jellegűek. A monoamino-dikarbonsavak két karboxilcsoportot tartalmaznak, amelynek hatására savas kémhatásúak (aszparaginsav, glutaminsav). Az aminosavak legfontosabb reakciója a peptidek létrehozása. Ennek során az α-amino és az α-karboxilcsoportok egy másik aminosavhoz kapcsolódva, vízkilépéssel alakítják ki a peptidkötést. A részt vevő aminosavak száma szerint megkülönböztetünk dipeptideket (2 aminosav, 1 peptidkötés), tripeptideket (3 aminosav, 2 peptidkötés), tetrapeptideket stb. Ha a molekulában tíznél kevesebb aminosav található, akkor oligopeptidekről, tíznél több aminosav esetében polipeptidekről beszélünk. Fehérjének akkor nevezzük a polipeptidet, ha az aminosav-összetevők száma 100 vagy még több.
Peptidkötés
Az egyszerű fehérjék elemi összetétele általában C,H, O, N és S. Az összetett fehérjék emellett egyéb alkotó-részeket (pl. fémek, egyéb szerves vegyületek) is tartalmaznak. A fehérjéknek elsődleges, másodlagos, harmadlagos és negyedleges szerkezete van. Az aminosavak kapcsolódásának sorrendje jelenti a fehérjék elsődleges szerkezetét. A peptidláncok nem maradnak meg fonal alakúnak, hanem egyes szakaszaikon kisebb-nagyobb, periodikusan rendezett szakaszok (csavarmenet vagy zegzugos rendeződés) alakulnak ki. A periodikusan rendezett szakaszok alkotják a fehérje másodlagos vagy szekunder szerkezetét. Globuláris fehérjék esetén a rendezett és rendezetlen szakaszokat tartalmazó peptidlánc összegombolyodik, és tömör, gombolyagszerű szerkezetet hoz létre, amelyben a poláros oldalláncok többsége a külső felületen, míg az apoláros oldalláncok jelentős hányada a polipeptid gombolyag belsejében helyezkedik el. Ez a fehérjék harmadlagos vagy tercier szerkezete. Végül rendszerint páros számú polipeptid gombolyag egymással nem kovalens kölcsönhatásokkal összekapcsolódik, és két vagy négy polipeptidláncból (alegységből) álló molekulák alakulnak ki. Ez a fehérjék negyedleges vagy kvaterner szerkezete.
A denaturálódáson a fehérje natív szerkezetének reverzíbilis vagy irreverzíbilis változását értjük, amely változatlanul hagyja a peptidkötéseket, de a diszulfidhidak felszakadása előfordulhat. Denaturálódást okoz minden olyan behatás, amely a hidrogénhíd, az ionkötés vagy a hidrofób kötés felbomlását idézi elő. A denaturáció előidézhető fizikai módszerekkel, mint a hő-, mechanikai behatások, hidrosztatikus nyomás, UV sugárzás, valamint kémiai anyagokkal, mint a savak, lúgok, réz, vas, ezüst, higany és különféle szerves oldószerek.
Az egyszerű fehérjék lehetnek:
protaminok, hisztonok, albuminok, globulinok, prolaminok, glutelinek, vázfehérjék.
Az összetett fehérjék a prosztetikus csoport szerint lehetnek:
foszfoproteinek, mukoproteinek, kromoproteinek, nukleoproteinek, lipoproteinek.
A fehérjék eredetét vagy funkcióit tekintve a fontosabb természetes fehérjéket az alábbiak szerint csoportosíthatjuk: izomfehérjék, plazmafehérjék, légzőfehérjék, tejfehérjék, tojásfehérjék, szklero-proteinek, protaminok, hisztonok, növényi fehérjék és toxikus fehérjék.
Az élelmiszer fehérjékben előforduló D-aminosavak a technológiai beavatkozás következtében jönnek létre, miközben előkészítik az alapanyagokat fogyasztásra. A D-aminosavak legfontosabb forrásai az élelmiszerek, ugyanis az élelmiszer fehérjék a főzés vagy a különböző élelmiszeripari feldolgozási folyamatok során kisebb-nagyobb mértékű racemizáción esnek át. Az élelmiszer áruházak növekvő mennyiségben tartalmaznak olyan élelmiszereket (reggelihez használt cereáliák, sült krumpli, folyékony és por alakú gyermektápszerek, húshelyettesítők és egyéb kiegészítő szerek) melyek egy része jelentős mennyiségű D-aminosavat tartalmaz, azonban ezek a D-aminosavak káros emésztési és egészségügyi sajátságokkal bírnak.

| Önellenőrző kérdések II.
1. Melyik az aminosavak bázikus jellegű csoportja?
| COOH
| NH2
2. Hogy alakul ki a peptidkötés?
| vízkilépéssel
| NH2 kilépéssel
| víz felvételével
| COOH kilépéssel

| Elvégzendő gyakorlatok
1. Fehérjék denaturálása
Anyagok: tojásfehérje, desztillált víz, NaCl-oldat, CuSO4-oldat, cc. HCl, 10%-os NaOH-oldat, C2H5-OH
Szükséges eszközök: 6 db kémcső, mérőhenger, lombik dugóval, 3 db főzőpohár, vatta, tölcsér, pipetta, Bunsen-égő
Végrehajtás: Hígítsa négyszeresére a tojásfehérjét, jól rázza össze, majd a vatta segítségével szűrje meg. A kémcsövekbe tegyen 2-2 cm3 oldatot. Az első kémcsövet mártsa forró vízbe. A másodikba pipettázzon 1 cm3 nátrium-klorid oldatot, a harmadikba 1 cm3 réz(II)-szulfát oldatot, negyedikbe 1cm3 sósavat, ötödikbe 1 cm3 nátrium-hidroxidot, hatodikba etil-alkoholt.
Beadandó: Jegyezze fel a tapasztalatokat! Fényképezze le! Ezután öntsön mindegyik kémcsőbe 5cm3 desztillált vizet. Mit tapasztal? Mi a magyarázata?
2. Biuret-reakció
A biuret-próba a peptidkötések kimutatásán alapszik, valamennyi fehérjére pozitív. A reakció neve onnan ered, hogy a biuret (C2H5N3O2) ugyanolyan színnel adja a reakciót, mint a fehérjék. Ha a fehérjét lúgos közegben kevés CuSO4-oldattal kezeljük (biuret reagens), ibolyás szín figyelhető meg.
Anyagok: tojásfehérje-oldat, CuSO4-oldat, NaOH-oldat
Szükséges eszközök: kémcső, pipetta
Végrehajtás: Tegyen a kémcsőbe 2 cm3 fehérjeoldatot, majd adjon hozzá 1 cm3 NaOH-oldatot, rázza össze, majd adjon hozzá 2 cm3 CuSO4-oldatot.
Beadandó: Jegyezze fel a tapasztalatokat! Fényképezze le és magyarázza a látottakat!
3. Xantoprotein-próba
Az aromás aminosavat tartalmazó fehérjék tömény HNO3-val, sárga színreakciót adnak.
Anyagok: cc.HNO3, tojásfehérje-oldat
Szükséges eszközök: kémcső, pipetta, főzőpohár
Végrehajtás: Tegyen a kémcsőbe 2 cm3 fehérjeoldatot, majd adjon hozzá 0,5 cm3 HNO3-at.
Beadandó: Magyarázza meg a látottakat!
4. Globulinok és albuminok kicsapása
Anyagok: tej, 5 m/m%-os CH3COOH
Szükséges eszközök: lombik, főzőpohár, tölcsér, szűrőpapír, kémcső, kémcsőfogó
Végrehajtás: 25 cm3 tejhez adjon 25 cm3 vizet, majd csepegtessen rá ecetsavat, annyit míg csapadék leválását észleli. A csapadékos oldatot szűrje le. A szűrletet melegítse, míg csapadék nem jelentkezik.
Beadandó: Mit tartalmazott a csapadék és mit a szűrlet? Milyen reakció zajlott le?
5. Fehérje bontása pepszinnel
A fehérjék bontását a pepszin nevű enzim végzi, amely inaktív előalak, pepszinogén formájában termelődik. Ez utóbbi granulumok formájában tárolódik, majd a kiválasztást követően a gyomorban kb. pH 5 értéken aktiválódik sósav jelenlétében. A pepszin hatásoptimuma 1,8 és 3,5 pH-értékek között van. A fehérjék polipeptidláncát a tirozin vagy fenilalanin aminocsoportjánál hasítja. Hatására rövidebb láncú peptidek keletkeznek, mivel mindig belső peptidkötéseket hasít (endopeptidáz). Aktivitásuk eredményeként aminosavak nem szabadulnak fel.
Anyagok: tojásfehérje, 5 m/m%-os HCl, pepszin
Szükséges eszközök: 4 db kémcső, állvány, főzőpohár, hőmérő
Végrehajtás: Tegyen a kémcsövekbe 3-3 cm3 oldatot, majd tegye a kémcsöveket forró vizes pohárba, míg nem koagulál a fehérje.
1. kémcsőbe tegyen 3 cm3 deszt.vizet 2. kémcsőbe 2,5 cm3 deszt.vizet és 0,5 cm3 sósavat 3. kémcsőbe 3 cm3 pepszinoldatot 4. kémcsőbe 2,5 cm3 pepszinoldatot és 0,5 cm3 sósavat
Ezután tegye a kémcsöveket 42 °C-os vízfürdőbe 5 percre.
Beadandó: Fényképezze le és magyarázza a tapasztaltakat!
5. A fehérjék pufferkapacitásának vizsgálata titrálással
A fehérjék a szervezetben fontos és nagy kapacitású pufferrendszereket képeznek. Pufferhatásuknál fogva képesek közömbösíteni az oldatba kerülő kis mennyiségű savat, vagy bázist. A fehérjék pufferhatása élettanilag azért jelentős, mert az élő szervezetben a szabályozó rendszerek már kis pH változásra is reagálnak.
Anyagok: HCl, NaOH, metilnarancs, fenolftalein, deszt.víz, zselatin
Szükséges eszközök: Pipetta, főzőpohár, büretta
Végrehajtás: Négy főzőpohárba tegyen a táblázat szerint oldatokat! Az első kettőben levő oldatokhoz csepegtessen büretta segítségével 0,1 mólos sósav-oldatot, a másik két főzőpohár tartalmához pedig 0,1 mólos nátrium-hidroxid-oldatot amíg az indikátor színe átcsap. Írja fel a táblázatba, hogy mennyi reagens oldat kell a színátcsapáshoz!
Főzőpohár száma | 1 | 2 | 3 | 4
Vizsgált oldat | 10 cm3 deszt.víz | 10 cm3 5%-os zselatin | 10 cm3 deszt.víz | 10 cm3 5%-os zselatin
Metilnarancs | 1 | 1 | - | -
Fenolftalein | - | - | 1 | 1
Fogyott HCl cm3 |  |  | - | -
Fogyott NaOH cm3 | - | - |  |
Beadandó: A táblázat, a tapasztaltak magyarázata.

| Önellenőrző kérdések III.
1. Mi kell a Biuret-reakcióhoz?
| CuSO4
| HNO3
| H2SO4
| NaCl
2. Milyen színt ad a Xantoprotein-reakció?
| rózsaszín
| kék
| sárga
| zöld