Белки

Проблема белкового оптимума

Минимальное количество белков пищи, необходимое для восполнения разрушающихся белков организма, или величина распада белков организма при исключительно углеводном питании, обозначается как коэффициент изнашивания. У взрослого человека наименьшая величина этого коэффициента около 30 г белков в сутки. Однако этого количества недостаточно.

Жиры и углеводы оказывают влияние на расход белков сверх минимума, необходимого для пластических целей, так как они освобождают то количество энергии, которое требовалось для расщепления белков сверх минимума. Углеводы при нормальном питании уменьшают расщепление белков в 3-3,5 раза больше, чем при полном голодании.

Для взрослого человека при смешанной пище, содержащей достаточное количество углеводов и жиров, и массе тела 70 кг норма белка в сутки равна 105 г.

Количество белка, полностью обеспечивающее рост и жизнедеятельность организма, обозначается как белковый оптимум и равно у человека при легкой работе 100-125 г белка в сутки, при тяжелой работе — до 165 г, а при очень тяжелой — 220-230 г.

Количество белка в сутки должно быть по массе не меньше 17% от общего количества пищи, а по энергии — 14%.

Простые

О них тоже можно рассказать чуть подробнее. Простые белки состоят лишь из цепей полипептидов. К ним относятся:

• Протамин. Ядерный низкомолекулярный белок. Его присутствие является защитой ДНК от действия нуклеаз – ферментов, атакующих нуклеиновые кислоты.
• Гистоны. Сильноосновные простые белки. Они сосредоточены в ядрах клеток растений и животных. Принимают участие в «упаковке» ДНК-нитей в ядре, а еще в таких процессах, как репарация, репликация и транскрипция.
• Альбумины. О них уже говорилось выше. Самые известные альбумины – сывороточный и яичный.
• Глобулин. Участвует в свертывании крови, а также в других иммунных реакциях.
• Проламины. Это запасные белки злаков. Названия у них всегда разные. У пшеницы они именуются птиалинами. У ячменя – гордеинами. У овса – авснинами. Интересно, что проламины делятся на свои классы белков. Их всего две: S-богатые (с содержанием серы) и S-бедные (без нее).

Амфотерность

Это первая особенность белков. Под амфотерностью подразумевается их способность проявлять как кислотные, так и основные свойства.

Белки в своей структуре имеют несколько видов химических группировок, которые способны ионизировать в растворе Н₂О. К таковым относятся:

• Карбоксильные остатки. Глутаминовая и аспарагиновая кислоты, если быть точнее.
• Азотсодержащие группы. ε-аминогруппа лизина, аргининовый остаток CNH(NH₂) и имидазольный остаток гетероциклической альфа-аминокислоты под названием гистидин.

У каждого белка имеется такая особенность, как изоэлектрическая точка. Под данным понятием понимают кислотность среды, при которой поверхность или молекула не имеет электрического заряда. При таких условиях сводится к минимуму гидратация и растворимость белка.

Показатель определяется соотношением основных и кислых аминокислотных остатков. В первом случае точка приходится на щелочную область. Во втором – на кислую.

Классификация белков в составе молока

Если вас интересуют пищевые вещества, которые входят в состав молока, то наибольшую ценность среди них представляют белки, относящиеся к высокомолекулярным соединениям. Строительным материалом белков являются аминокислоты, скрепленные между собой пептидными связями.

В молоке содержится 2,8–3,6 % белков. Последние имеют различное строение, физико-химические свойства, биологические функции. Изначально они были призваны обеспечить нормальное развитие и рост теленка, сегодня же стали играть немаловажную роль в питании человека.

Молочные белки входят в группу казеинов или сывороточных белков. Первые составляют 75–85 % от общего содержания белков. Тогда как остальные 15–22 % – это сывороточные белки, то есть глобулины и альбумины. Оба типа не относятся к гомогенным, наоборот, в их состав входит целая смесь различных белков.

Таблица 1. Классификация и основные показатели белков молока.

В основе данной классификации веществ, входящих в состав молока, лежит схема, созданная Комитетом по номенклатуре и методологии молочных белков Американской научной ассоциации молочной промышленности.

Говоря о белках, нужно упомянуть ферменты, ряд гормонов, например, пролактин, и белки оболочек жировых шариков.

На сегодняшний день ученым известны биологические функции практически всех белков, которыми богат интересующий нас продукт. Так, казеины являются непосредственно пищевыми белками, ведь без дополнительной обработки отлично расщепляются пищеварительными протеиназами. Тогда как обычным глобулярным белкам для этого необходимо пройти процесс денатурации.

Казеины сворачиваются в желудке новорожденного, образуя сгустки высокой степени дисперсности. Они играют роль важных источников кальция, фосфора и магния, большого перечня физиологически активных пептидов. Так, за счет частичного гидролиза χ-казеина из-за реакции с химозином в желудке освобождаются гликомакропептиды. Они отвечают за регуляцию процесса пищеварения, а именно поддерживают необходимый уровень желудочной секреции. Считается, что физиологическая активность свойственна и растворимым фосфопептидам, появляющимся в результате гидролизе β-казеина.

Также лактоферрин и β-лактоглобулин выполняют транспортную функцию, а именно помогают железу, витаминам и другим важным элементам попасть в кишечник новорожденного. Сывороточный белок α-лактальбумин имеет регуляторное действие и обеспечивают синтез лактозы. В-лактоглобулин считается ингибитором фермента плазмина.

Типы строения

Рассказывая про свойства белков, следует также отметить, что эти вещества делятся на три группы в соответствии с типом строения. А именно:

Фибриллярные белки. Они имеют нитевидную вытянутую структуру и большую молекулярную массу. Большинство из них не растворяется в воде. Структура этих белков стабилизируется взаимодействиями между полипептидными цепями (они состоят как минимум из двух остатков аминокислот). Именно фибриллярные вещества образуют полимер, фибриллы, микротрубочки и микрофиламенты.

Глобулярные белки. Вид структуры обуславливает их растворимость в воде. А общая форма молекулы отличается сферичностью.

Мембранные белки. Строение этих веществ имеет интересную особенность. У них есть домены, которые пересекают клеточную мембрану, но их части выступают в цитоплазму и межклеточное окружение. Эти белки играют роль рецепторов – передают сигналы и отвечают за трансмембранную транспортировку питательных веществ

Важно оговориться, что они весьма специфичны. Каждый белок пропускает лишь определенную молекулу или сигнал.

Полноценные и неполноценные белки

Белки, поступающие в организм с пищей, разделяются на биологически полноценные и биологически неполноценные.

Биологически полноценными называются те белки, в которых в достаточном количестве содержатся все аминокислоты, необходимые для синтеза белка животного организма. В состав полноценных белков, необходимых для роста организма, входят следующие незаменимые аминокислоты: лизин, триптофан, треонин, лейцин, изолейцин, гистидин, аргинин, валин, метионин, фенилаланин. Из этих аминокислот могут образоваться другие аминокислоты, гормоны и т. д. Из фенилаланина образуется тирозин, из тирозина путем превращений — гормоны тироксин и адреналин, из гистидина — гистамин. Метионин участвует в образовании гормонов щитовидной железы и необходим для образования холина, цистеина и глютатиона. Он необходим для окислительно-восстановительных процессов, азотистого обмена, усвоения жиров, нормальной деятельности головного мозга. Лизин участвует в кроветворении, способствует росту организма. Триптофан также необходим для роста, участвует в образовании серотонина, витамина РР, в тканевом синтезе. Лизин, цистин и валин возбуждают сердечную деятельность. Малое содержание цистина в пище задерживает рост волос, увеличивает содержание сахара в крови.

Биологические неполноценными называются те белки, в которых отсутствуют хотя бы даже одна аминокислота, которая не может быть синтезирована животными организмами.

Биологическая ценность белка измеряется количеством белка организма, которое образуется из 100 г белка пищи.

Белки животного происхождения, содержаться в мясе, яйцах и молоке, наиболее полоненные (70-95%). Белки растительного происхождения имеют меньшую биологическую ценность, например белки ржаного хлеба, кукурузы (60%), картофеля, дрожжей (67%).

Белок животного происхождения – желатина, в котором нет триптофана и тирозина, является неполноценным. В пшенице и ячмене мало лизина, в кукурузе мало лизина и триптофана.

Некоторые аминокислоты заменяют друг друга, например фенилаланин заменяет тирозин.

Два неполноценных белка, в которых недостает разлчных аминокислот, вместе могут составить полноценное белковое питание.

Вещества животного происхождения

Их рассмотрению необходимо уделить особое внимание. Животный белок – это вещество, содержащийся в яйцах, мясе, молочных продуктах, птице, морепродуктах и рыбе

В них имеются все аминокислоты, необходимые организму, в том числе и 9 незаменимых. Вот целый ряд важнейших функций, которые выполняет животный белок:

• Катализ множества химических реакций. Данное вещество запускает их и ускоряет. За это «ответственны» ферментативные белки. Если в организм не будет поступать их достаточное количество, то окисление и восстановление, соединение и разрыв молекулярных связей, а также транспортировка веществ не будут протекать полноценно. Интересно, что лишь малая часть аминокислот вступают в различного рода взаимодействия. И еще меньшее количество (3-4 остатка) непосредственно задействовано в катализе. Все ферменты делят на шесть классов – оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы. Каждый из них отвечает за ту или иную реакцию.
• Формирование цитоскелета, образующего структуру клеток.
• Иммунная, химическая и физическая защита.
• Транспортировка важных компонентов, необходимых для роста и развития клеток.
• Передача электрических импульсов, важных для работы всего организма, поскольку без них невозможно взаимодействие клеток.

И это далеко не все возможные функции. Но даже так понятна значимость данных веществ. Синтез белка в клетках и в организме невозможен, если человек не будет употреблять в пищу его источники. А ими является мясо индейки, говядина, баранина, крольчатина. Еще много белка содержится в яйцах, сметане, йогурте, твороге, молоке. Также активировать синтез белка в клетках организма можно, добавив в свой рацион ветчину, субпродукты, колбасу, тушенку и телятину.

Денатурация

Так называется процесс видоизменения белковой молекулы под воздействием определенных дестабилизирующих факторов. При этом аминокислотная последовательность остается той же. Но белки теряют их естественные свойства (гидрофильность, растворимость и другие).

Стоит отметить, что любое весомое изменение внешних условий способно привести к нарушениям структур белка. Чаще всего денатурацию провоцирует повышение температуры, а также оказываемое на белок воздействие щелочи, сильной кислоты, радиации, соли тяжелых металлов и даже определенных растворителей.

Интересно, что нередко денатурация приводит к тому, что частицы белка агрегатируются в более крупные. Ярким примером является, например, яичница. Всем ведь знакомо, как в процессе жарки белок образуется из прозрачной жидкости.

Еще следует рассказать о таком явлении, как ренатурация. Этот процесс обратен денатурации. Во время него белки возвращаются к природной структуре. И это действительно возможно. Группа химиков из США и Австралии нашла способ, с помощью которого можно ренатурировать сваренное вкрутую яйцо. Уйдет на это всего несколько минут. А потребуется для этого мочевина (диамид угольной кислоты) и центрифугирование.

Факторы, влияющие на состав молока

Говоря о том, какие пищевые вещества входят в состав молока, нужно понимать, что его качество и состав во многом зависят от лактационного периода, породы коровы, условий кормления и содержания, состояния здоровья животного. В первые дни после отела молоко совсем не похоже на привычный нам продукт, его называют молозиво. Оно достаточно вязкое, имеет ярко выраженный кремовый цвет, солоноватый привкус, отличается высокой кислотностью, а при нагревании его белки сворачиваются.

Таблица 3. Состав молока коров различных пород, содержащихся в одинаковых условиях.

Таблица 4. Химический состав молока, %.

Нужно понимать, что животные одной породы могут давать молоко разного состава, что связано с индивидуальными особенностями

Этот фактор обязательно принимают во внимание в процессе племенной работы

Свойства и то, какие вещества входят в состав молока, зависят от качества и соотношения кормов, включенных в рацион скота. Улучшить состав продукта и удои позволяет кормление коров по порционам, которые формируются в соответствии с потребностью животных в питательных веществах, протеине, минералах, витаминах. Если у корма есть резкий запах, например, свойственный силосованным кормам, его можно давать скоту только после доения.

На составе молока негативно отражаются болезни животного. В случае субклинической формы мастита в каждой больной доле вымени теряется около 10–15 % молока за лактацию, при клиническом мастите эта цифра доходит до 50–80 %.

Основные свойства белков

Структура и свойства белков могут изменяться под влиянием разных физико-химических факторов: действие концентрированных кислот и щелочей, тяжелых металлов, изменение температуры и т. п. Одни из белков легко изменяют структуру под незначительным действием разнообразных факторов, другие – стойкие к подобным влияниям. Основные свойства белка это – денатурация, ренатурация, деструкция.

Денатурация

Денатурация – это процесс нарушения естественной структуры белка с сохранением пептидных связей (первичной структуры). Может быть необратимым процессом. Но при условии прекращения действия отрицательных факторов на первых стадиях белок может восстанавливать свое нормальное состояние, то есть происходит обратная денатурация – ренатурация.

Ренатурация

Ренатурация – это способность белка восстанавливать нормальную структуру после устранения действия отрицательных факторов. Выполнение некоторых функций – двигательной, сигнальной, каталитической и т. п. – у живых организмов связано с частичной обратной денатурацией белков.

Сложные

Что касательно сложных белков? Они содержат простетические группы или те, в которых нет аминокислот. К ним относятся:

• Гликопротеины. В их состав входят углеводные остатки с ковалентной связью. Эти сложные белки – важнейший структурный компонент клеточных мембран. К ним относятся также многие гормоны. А еще гликопротеины эритроцитовых мембран определяют группу крови.
• Липопротеины. Состоят из липидов (жироподобных веществ) и играют роль «транспорта» данных веществ в крови.
• Металлопротеиды. Эти белки в организме имеют огромное значение, так как без них не протекает обмен железа. В состав их молекул входят ионы металлов. А типичными представителями данного класса являются трансферрин, гемосидерин и ферритин.
• Нуклеопротеиды. Состоят из РКН и ДНК, не имеющих ковалентной связи. Яркий представитель – хроматин. Именно в его составе реализуется генетическая информация, репарируется и реплицируется ДНК.
• Фосфопротеины. Их составляют остатки фосфорной кислоты, связанные ковалентно. В качестве примера можно привести казеин, который изначально содержится в молоке, как соль кальция (в связанном виде).
• Хромопротеиды. У них простое строение: белок и окрашенный компонент, относящийся к простетической группе. Они принимают участие в клеточном дыхании, фотосинтезе, окислительно-восстановительных реакциях и т. д. Также без хромопротеидов не происходит аккумулирование энергии.

Азотистое равновесие

Белки, состоящие из аминокислот, — это основные соединения, которым свойственны процессы жизни. Поэтому исключительно важен учет обмена белков и продуктов их расщепления.

Содержание азота в белках составляет в среднем 16% их массы. Поэтому, определив количество азота, поступившего в организм с пищей, и количество азота в составе мочи, пота и кала, можно рассчитать белковый, или азотистый, баланс организма.

Азота в составе пота очень мало, поэтому обычно анализ пота на содержание азота не делается. Количество азота, поступившего с пищей, и количество азота, содержащегося в моче и кале, умножается на 6,25 (16%) и из первой величины вычитается вторая. В результате определяется количество азота, поступившего в организм и усвоенного им.

Когда поступившее в организм с пищей количество азота равно количеству азота в моче и кале, т. е. образовавшемуся при дезаминировании, то имеется азотистое равновесие. Азотистое равновесие свойственно, как правило, взрослому здоровому организму.

Когда количество поступившего в организм азота больше количества выделенного азота, то имеется положительный азотистый баланс, т. е. количество белка, вошедшего в состав организма, больше количества белка, подвергшегося распаду. Положительный азотистый баланс характерен для растущего здорового организма.

Когда поступление белка с пищей увеличивается, то увеличивается и количество азота, выделяемого с мочой.

И, наконец, когда количество поступившего в организм азота меньше количества выделенного азота, то имеется отрицательный азотистый баланс, при котором распад белка превышает его синтез и разрушается белок, входящий в состав организма. Это бывает при белковом голодании и тогда, когда не поступают необходимые для организма аминокислоты. Отрицательный азотистый баланс обнаружен и после действия больших доз ионизирующего облучения, вызывающих усиленный распад белков в органах и тканях.

Аминокислотный состав белков молока

В молочных белках есть практически все аминокислоты, свойственные любым другим разновидностям белков.

Таблица 2. Аминокислотный состав белков молока

Нужно понимать, что в состав белков молока входят и циклические, и ациклические аминокислоты, то есть нейтральные, кислые и основные, при этом среди последних большая доля приходится именно на кислые. Физико-химические свойства белков зависят от количества отдельных групп аминокислот. А этот показатель во многом связан с породой, индивидуальными особенностями животных, стадией лактации, временем года и другими особенностями.

Если сравнивать молочные белки с глобулярными белками других пищевых продуктов, то первые включают в себя больше лейцина, изолейцина, лизина, глутаминовой кислоты, также серина и пролина, при этом в них меньше цистеина. В то время как сывороточные белки отличаются большой долей серосодержащих аминокислот.

С точки зрения количества и соотношения незаменимых аминокислот, белки молока считаются биологически полноценными. Особенно ярко это прослеживается у сывороточных белков.

Обмен веществ

Выше уже было многое рассказано про физико-химические свойства белков. Об их роли в обмене веществ тоже нужно упомянуть.

Есть аминокислоты, являющиеся незаменимыми, поскольку они не синтезируются живыми организмами. Млекопитающие сами получают их из пищи. В процессе ее переваривания белок разрушается. Начинается этот процесс с денатурации, когда его помещают в кислотную среду. Затем – гидролиз, в котором участвуют ферменты.

Определенные аминокислоты, которые в итоге получает организм, участвуют в процессе синтеза белков, свойства которых необходимы для его полноценного существования. А оставшаяся часть перерабатывается в глюкозу – моносахарид, являющийся одним из основных источников энергии. Белок очень важен в условиях диет или голодания. Если он не будет поступать вместе с едой – организм начнет «есть себя» — перерабатывать собственные белки, особенно мускульные.

Растворимость

По данному свойству белки подразделяются на небольшую классификацию. Вот какими они бывают:

• Растворимыми. Их называют альбуминами. Они умеренно растворяются в концентрированных соляных растворах и сворачиваются при нагревании. Эта реакция называется денатурацией. Молекулярная масса альбуминов составляет около 65 000. В них нет углеводов. А вещества, которые состоят из альбумина, именуются альбуминоидами. К таковым относится яичный белок, семена растений и сыворотка крови.
• Нерастворимыми. Их называют склеропротеинами. Яркий пример – кератин, фибриллярный белок с механической прочностью, уступающей только хитину. Именно из этого вещества состоят ногти, волосы, рамфотека птичьих клювов и перьев, а также рога носорога. Еще в эту группу белков включены цитокератины. Это структурный материал внутриклеточных филаментов цитоскелета клеток эпителия. Еще к нерастворимым белкам относят фибриллярный белок под названием фиброин.
• Гидрофильными. Они активно взаимодействуют с водой и впитывают ее. К таковым относятся белки межклеточного вещества, ядра и цитоплазмы. В том числе пресловутый фиброин и кератин.
• Гидрофобными. Они отталкивают воду. К ним относятся белки, являющиеся составляющими биологических мембран.

Биосинтез белков

Еще раз напомним, что в состав полипептидов живых организмов входит 20 аминокислот, среди которых есть незаменимые. Это лизин, метионин, фенилаланин и т. д. Они поступают в кровь из отделов тонкой кишки после расщепления в ней белковых продуктов. Чтобы синтезировать заменимые аминокислоты (аланин, пролин, серин), грибы и животные используют азотсодержащие соединения. Растения, являясь автотрофами, самостоятельно образуют все необходимые составные мономеры, представляющие сложные белки. Для этого в реакциях ассимиляции у них используются нитраты, аммиак или свободный азот. У микроорганизмов некоторые виды обеспечивают себя полным аминокислотным набором, а у других синтезируются только некоторые мономеры. Этапы биосинтеза белков протекают в клетках всех живых организмов. В ядре происходит транскрипция, а в цитоплазме клетки — трансляция.

Первый этап – синтез предшественника иРНК происходит при участии фермента РНК-полимеразы. Он разрывает водородные связи между цепями ДНК, и на одной из них по принципу комплиментарности собирает молекулу пре-иРНК. Она подвергается слайсингу, то есть созревает, и далее выходит из ядра в цитоплазму, образуя матричную рибонуклеиновую кислоту.

Для осуществления второго этапа необходимо наличие специальных органелл – рибосом, а также молекул информационных и транспортных рибонуклеиновых кислот. Еще одним важным условием является наличие молекул АТФ, так как реакции пластического обмена, к которым принадлежит биосинтез белков, происходят с поглощением энергии.