Transcript Valgud, S 2013

Valgud
Kaie Pappel, PhD
Valgud ehk proteiinid
Proteios (kr, k )- esmane
Valgud on:
• biopolümeerid,
• koosnevad aminohapetest.
• aminohapped on ühendatud peptiid- (amiid)
sidemetega.
Valkudes esineb 20 aminohapet, mida nimetatakse
proteogeenseteks.
Valkude tähtsus:
• on toidu vajalikud koostiskomponendid,
• kujundavad toidu maitset,
• mõjutavad toidu füüsikalisi omadusi,
• on värvuse ja aroomühendite prekursoriteks ,
mis moodustuvad ensüüm- või termiliste
reaktsioonide tagajärjel
Valkude koostis
Valkude koostisse kuuluvad järgmised elemendid:
Element
süsinik
vesinik
hapnik
lämmastik
väävel
%
48,0...55,0
5,0...7,5
20.0...34,0
15,0...19,5
0.3...2,5
Aminohapped
• Essentsiaalsed ehk asendamatud aminohapped
(organism pole võimeline neid ise sünteesima)
nt lüsiin, trütofaan, metioniin
täiskasvanutel – 8 asendamatud aminohapet
imikutel – 9 (10)
• Mitte-essentsiaalsed aminohapped
nt glütsiin, alaniin, glutamiinhape
Taimsetes toiduainetes on asendamatuid
aminohappeid vähem
• Teravili – lüsiin, treoniin
mais - lüsiin, treoniin trüptofaan
• Kaunvili, kartul – metioniin, tsüsteiin
• Seemned – lüsiin
• Pähklid – lüsiin, trüptofaan, treoniin
Kasutusnäiteid
• Alaniin, L-asparagiinhape – maitseainena
• L –tsüsteiin - jahuparendaja,antioksüdant
• L –glutamiinhape – maitsetugevndaja
• Glütsiin – magusaine
• L-treoniin – toidu lisaaine
Aminohapete ehitus
Kiraalsest α-süsiniku aatomist on tingitud optiliste
isomeeride esinemine. Toiduvalkudes põhiliselt
α,L-aminohapped
Aminohapped on amfoteersed elektrolüüdid –
• neil on nii hapete kui ka aluste omadused.
• keskkonna pH tingib ioniseeritud vormide
üleminekud
Keskonna pH väärtust, mille juures molekuli
summaarne laeng on null nimetatakse
aminohappe isoelektriliseks punktiks,
tähistatakse pI
nt glutamiinhape pI = 3,2
lüsiin
pI = 9.6
Aminohapete lahustuvus
• Aminohapete lahustuvus vesikeskkonnas on erinev:
nt hästi - glütsiin, alaniin,
vähe – leutsiin
väga halvasti – türosiin, tsüsteiin
• Lahustuvus sõltub
- aminohappe ehitusest,
- keskonna happesusest-aluselisusest,
- teiste aminohapete juuresolekust
Teiste aminohapete juuresolek üldjuhul suurendab
lahustuvust
NB! Aminohapete lahustuvusega vees on seotud ka
toitainekaod toidainete käitlemisel
Aminohapete maitseomadused
• sõltuvad aminohappe ehitusest
• oluline on ruumiline struktuur (s.o optiline isomeer)
D-isomeerid on enamasti magusamaitselised
L-isomeerid – kibedad
Nt
Aminohape
leutsiin
histidiin
alaniin
arginiin
L-isomeer
kibe
kibe
magus
kibe
D-isomeer
magus
magus
magus
neutraalne
• Tsüklilise külgahelaga aminohapete hulgas on
nii magusa kui kibedamaitselisi
• Maitse intensiivsus sõltub aminohappe külgahela
hüdrofoobsusest:
nt L-trüptofaan kõrvuti L-türosiiniga üks kibedamaid
D-trüptofaan - magusamaid
Glutamiinhape:
- madalamatel kontsentratsioonidel tugevndab
toiduaine maitset, kõrgematel – lihapuljongi maitse
Metioniin:
- väävlilaadne maitse
Treoniin:
- seotud puljongi aroomi kujunemisega
Keemilised omadused
• amino- ja karboksüülrühmale iseloomulikud
reaktsioonid,
• külgahela ehitusest tulenevad reaktsioonid
• Kõrgematel temperatuuridel nn Maillard`i
reaktsioonid (eriti metioniin, tsüsteiin, proliin)
• lüsiin - väga reaktsioonivõimeline,
(kaod toiduaine töötlemisel suured)
• metioniin - väga happe ja kuumutustundlik,
(kaod toiduaine kuivatamisel, röstimisel jm)
• trüptofaan – valkude happelisel hüdrolüüsil
„hävib“ täielikult
Peptiidsideme moodustumine
PEPTIIDSIDE - polaarne kovalentne side, mis tekib
ühe aminohappe aminorühma ja teise aminohappe
karboksüülrühma vahelisel reaktsioonil.
POLÜPEPTIIDAHEL
• omavahel peptiidsidemetega seotud
aminohapete ahel,
• peptiidide ja valkude molekulide ehituslik alus.
Aminohapete arvust (n) sõltuvalt:
VALGUD
n > 50Mr > 6 000
PEPTIIDID n ≤ 50Mr < 6 000
OLIGOPEPTIIDID n = 2...10
Polüpeptiidahel
N- ehk
aminotermi
naal
C- ehk
karboksüterminaal
O
O
O
O
NH2–CH–C – NH–CH–C – NH–CH– C –......– C - OH
R1
Aminohape 1
R2
R3
Aminohape2 Aminohape3
Valkude struktuur
Valkude primaarstruktuur:
• aminohapete järjestus
• aminohapete üldarv polüpeptiidahelas
• aminohapped seotud peptiidsidemete abil
Valkude sekundaarstruktuur :
• vesiniksidemetega fikseeritud polüpeptiidahela
teatud lõikude konformatsioon
α– heeliks (spiraal),
β –struktuur (voldikleht)
Valkude tertsiaarstruktuur
– kogu valgumolekulile iseloomulik ruumiline
struktuur.
Valgu kvaternaarstruktuur
– iseloomulik oligomeersetele valkudele
s.o valkudele, mille molekulid koosnevad
rohkem kui ühest polüpeptiidahelast, mida
nimetatakse osamolekulideks ehk
subühikuteks.
primaarstruktuur
sekundaarstruktuur
tertsiaarstruktuur
kvaternaarstruktuur
Valkude tertsiaarstruktuure
hemoglobiin (a-a)
flavotoksiin (a-b)
immuunglobuliin (b-b)
lüsosüüm (a+b)
Valgud erinevad üksteisest järgmiste
parameetrite poolest:
1)
2)
3)
4)
5)
suurus
kuju
hüdrofoobsus (hüdrofiilsus), amfifiilsus
happelis-aluselised omadused (pI),
laengute jaotus
Kõik need omadused on määratud valgu
aminohappelise koostise ja järjestusega
VALKUDE KLASSIFIKATSIOON
VALGUD
LIHTVALGUD
koosnevad ainult
aminohapetest
LIITVALGUD
sisaldavad lisaks aminohapetele ka
mittevalgulist komponenti, nn
prosteetilist rühma.
Lihtvalgud
Jaotus:
• molekuli makrostruktuuri järgi
- globulaarsed (keraja kujuga)
- fibrillaarsed (niitja kujuga molekulid)
• lahustuvuse alusel
(lahustuvus vees- nt albumiinid;
nõrkades soolalahustes – nt globuliinid,
etanoolis – nt prolamiinid
Valkude lahustuvus on väikseim pH = pI juures,
stabiilsus suurim
(erand – albumiinid)
Lihtvalkude esindajad
1. Globulaarsed valgud:
Albumiinid
• valdavalt loomsetes organismides
nt laktalbumiin, ovalbumiin, seerumi albumiinid jt.
• lahustuvad nii destilleeritud vees kui soolalahustes.
• termiline denaturatsioon 40-50 °C juures
Globuliinid
• laialt levinud nii taimedes kui loomades
nt kaunviljade valgud, paljud ensüümid, seerumi globuliinid,
Immunoglobuliinid (Ig) α1, α2, β1, β2, γ...
• lahustuvad nõrkades soolalahustes
Prolamiinid
• leidub teraviljades
nt gliadiin (nisus, rukkis), zeniin (maisis), hordeiin (odras)
• lahustuvad 50 ... 90 %-lises etanoolis.
• koostises vähe asendamatuid aminohappeid;
Pro ≤ 15 % Glu ~ 30 – 45%
Gluteliinid
• leidub teraviljades
nt gluteniin(nisus) hordeniin (odras)
• lahustuvuvad - happelises kekkonnas
• koostises - kuni 45 % Glu
Gluteen ehk kleepvalk
GLUTEEN = GLUTELIINID + PROLAMIINID (1:1)
( oluline kvaliteedinäitaja nisujahust saia küpsetamisel)
Histoonid
• leidub liitvalkudes
nt nukleohistoonid(seotud nukleiinhapetega)
• aluseliste omadustega valgud – palju lüsiini,
arginiini
Protamiinid
• leidub liitvalkude koostises
• aluseliste omadustega valgud - palju arginiini
2. Fibrillaarsed valgud
Kollageen
• rakuväline valk.
• leidub sidekudedes; tagab nende tugevuse ja
paindlikkuse,
temp, H+
KOLLAGEEN
mittelahustuv
ŽELATIIN
lahustuv, jahtumisel geelistub
• sisaldab palju Gly, Pro, Pro-OH, Trp = 0, Cys = 0.
• struktuur: kiud koosnevad tropokollageeni
molekulidest.
Tropokollageen - superspiraal, kolm üksteise ümber
keerdunud α-spiraalse struktuuriga polüpeptiidahelat,
mida fikseerivad H-sidemed.
Keratiin
• lahustumatu valk.
• leidub nahaepidermises, karvades, juustes,
küüntes, sõrgades jm.
• kõrge tsüsteiini sisaldus
Aktiin
• lihaskiududes koos müosiiniga,
• kontraktilise funktsiooniga valk;
• esineb peenikeste (ca 7 nm) filamentidena.
Müosiin
• kontraktiilse funktsiooniga valk (lihaskiududes
koos aktiiniga)
• esineb jämedate (ca 15 nm) filamentidena.
Liitvalkude esindajad
LIPOPROTEIINID (VALK + LIPIID)
• leidub piimas, munades, vereplasmas
rakumembraanides, närvikoes,
• prosteetiline grupp: fosfatiid,rasv, sterool
NUKLEOPROTEIINID (VALK + NUKLEIINHAPE)
• Leidub - kromatiin (kromosoomid), viirused,
ribosoomid
• prosteetiline grupp: nukleiinhape (DNA või RNA).
FOSFOPROTEIINID (VALK + FOSFORÜÜL)
• leidumine: kaseiinid piimas, ihtüliin kalamarjas,
vitelliin, fosfovitiin munarebus
• prosteetiline grupp: fosforhape, seotud valguga
seriini või või treoniini kaudu
METALLOPROTEIINID (VALK + METALL)
• ferritiin (Fe2+ ) - raua depoo imetajatel maksas,
luuüdis, sapis
• hemotsüaniin (Cu2+ ) - hapniku transportija
molluskites, koorikloomades
• prosteetiline grupp: metalliioonid
(Fe2+ , Cu2+ , Zn2+ , Mg2+ , Co2+ ,...)
GLÜKOPROTEIINID (VALK + SÜSIVESIK)
• esindajad, leidumine:
- mukoproteiinid - teraviljas, maksas, kõhrkoes, sidekoes
- peptiidoglükaanid - bakterite rakuseintes (mureiin)
- paljud ensüümid
- immunoglobuliinid (= antikehad) Ig
• prosteetiline grupp: erinevad polüsahhariidid
KROMOPROTEIINID (värvilised valgud (kr.k chroma värvus).
• esindajad
- hemoglobiin (veres), müoglobiin (lihastes)
- katalaas (ensüüm)
- klorofüll jt
Müoglobiin:
Globiin + heem = müoglobiin (Mb)
heem ehk Fe2+ - porfüriin
Müoglobiini mudelil on
kujutatud hapnikku siduv
rühm – heem.
Mudeli keskel on raua-aatom
seotuna nelja lämmastiku
aatomiga (sinised) ja
Ümbritsetuna tasapinnalise
heemirühmaga
Hemoglobiin:
• oligomeerne valk
• kvaternaarse struktuuriga
(4 assotsieerunud osamolekuli)
VALKUDE DENATURATSIOON
Denaturatsioon
• on valgu kõrgemate struktuuritasemete osaline või
täielik hävimine,
( tertsiaar- , kvaternaar- , ka sekundaarstruktuuri hävimine)
• kaasneb valgu inaktiveerumine
• hävib/muutub valgu natiivne struktuur, valk kaotab
oma bioloogilise aktiivsuse
• väheneb valkude lahustuvus vees
(hüdrofoobsed rühmad pole enam “peidetud” valgu
sisemusse)
• denatureeritud valgud agregeeruvad kergesti
Valgu kõrge kontsentratsiooni korral kaasneb
denaturatsiooniga koagulatsioon - kolloidosakeste
kokkukleepumine, kalgendumine
Denatureeriv faktor
• Temperatuur
• Ekstreemsed pH
väärtused
• Orgaanilised solvendid
(atsetoon, etanool jt)
Toime
Mitmesuguste nõrkade
sidemete katkemine molekulis
Molekuli laengu
suurenemine elektrostaatiline
tõukumine; ka vesiniksidemete
katkemine
Molekulisiseste hüdrofoobsete
vastasmõjude lakkamine
Mõjub:
• temperatuur, aeg
enamasti t = 60o...80 o C (munavalge – kiirelt ~ 60o C,
kaseiin termostabiilsem kui laktoglobuliin )
• molekulmass, elektriline laeng
( mida kõrgem M, suurem elektrilaeng –
seda kiirem denaturatsioon)
• pH väärtus, soola kontsentratsioon
pH muutmisel ja soola lisamisel saab t denat. muuta
Denaturatsiooni tagajärg:
• muutuvad füüsikalised omadused
- väheneb globulaarsete valkude lahustuvus
ja pundumisvõime,
- fibrillaarsete valkude lahustuvus suureneb
nt kollageen läheb liha keetmisel osaliselt
glutiiniks
- muutub munavalge vahu püsivus
• paraneb valgu seeditavus (valgu
atakeeritavus paraneb)
• ensüümid inaktiveeruvad
Valkude lahustuvus, hüdratatsioon ja
pundumisvõime
• enamik valke lahustub vees ja vesilahustes hästi
• moodustavad kolloidlahuseid (osakeste suurus
10-5 ...10-7), kõrgema valgu kontsentratsiooni
korral - soole, geele (ruumiline karkass, millesse
on haaratud vesi nt sült)
Valgu hüdratatsioon on vee dipoolide sidumine
valgu polaarsete ja ioonsete gruppide poolt
Hüdraatumise aste (g hüdraatunud vett/g valk)
on varieeruv
Valkude lahustuvus, hüdratatsioon ja
pundumisvõime
Sõltub:
• valgu ehitusest (polaarsete ja apolaarsete rühmade
arvust ja nende järjestusest piki molekuli)
• keskkonna pH-st (oluline on erinevus valgu pI
väärtusest)
• soola kontsentratsioonist
väikesed soolakontsentratsioonid suurendavad lahustuvust,
kõrged –vähendavad
Lahustumatud valgud seovad vett ja punduvad
Laktoglobuliini lahustuvus sõltuvalt pH-st ja ioonjõust
Ioonjõud:
I – 0.001
II – 0,005
III -0.01
IV – 0.02
Vahu moodustamine ja stabiliseerimine
Vaht on dispersioon gaas vedelikus, valk stabiliseerib
gaasimulle moodustades nende ümberõhukese kelme
Ideaalne vahtu moodustav ja stabiliseeriv valk on:
• madala molekulmassiga
• suure välispinna hüdrofoobsusega,
• hea lahustuvusega,
• väikese üldlaenguga antud pH juures
• kergesti denatureeritav
Väga hea vahu annab valgusegu
nt munavalge (globuliinid kergendavad vahu teket,
ovomütsiin stabiliseerib)
Vahu teket pärssivad:
• lipiidid - tõrjuvad oma hüdrofoobsusega valgud
gaasimullide pealispinnalt
nt munavalgele lisaks veidi kollast ;
valgu assotsiatsiooni segab letsitiin
• alkohol (orgaaniline lahusti)
Valgu modifitseerimise teel saab vahutekitamise
omadusi muuta:
- osaline ensümaatiline hüdrolüüs,
- mõningane termiline denaturatsioon
(vadakuvalgud)
- lisatakse tugevalt aluselisi valke ( nt glupeliini)
Geeli moodustamine
Eristatakse kahte geelitüüpi:
• polümeerne võrgustik (nt zelatiin)
• agregeerunud dispersioon ( nt munavalge)
Polümeerne võrgustik:
• kolmemõõtmeline võrgustik( tekib korrastamata
fibrillaarsete valguahelate agregatsioonil korrastatud
struktuuriks,
• iseloomulik madal polümeeri kontsentratsioon (~1%),
peen struktuur ja läbipaistvus
• geel veeldub
- kuumutamisel (on termolabiilne)
- teatud pH juures
- teatud ioonide lisamisel
Agregeeritud dispersioonid
• globulaarsetest valkudest kuumutamise
(denaturatsioon) tagajärjel tekkinud geelid
• valku vaja 5...10 %
• termoplastilised (ei veeldu kuumutamisel)
• soola ( nt Ca2+ ) lisamine soodustab geeli teket
( nt sojakohupiima valmistamine)
Emulgeeriv efekt
Emulsioonid on disperssed süsteemid ühest või
mitmest segunematust vedelikust ( nt õli - vesi)
Valgud stabiliseerivad õli/vees emulsioone
nt piim
Hea emulgaator on β-kaseiin:
- tugevalt hüdrofoobne
- ei sisalda tsüsteiini(ei teki S-S sidet)
Keemilised omadused
Määravaks:
• valgu reaktsioonivõimelised rühmad
(oluline on külgahela ehitus)
• temperatuur
• pH
• hapniku juuresolek
Proteolüüs s.o valkude hüdrolüüs ensüümide või
hapete toimel peptiidsideme lõhustumine
Valkude roiskumine algab proteolüüsist
Proteolüüs
s.o valkude hüdrolüüs ensüümide või hapete toimel,
peptiidsideme lõhustumine
Valkude roiskumine algab proteolüüsist
Maillardi reaktsioonid
- toiduaine pruunistumine
- asendamatude aminohapete (nt lüsiin) kaod
Kvalitatiivne ja kvantitatiivne määramine
- värvusreaktsioonid
- lämmastkusisalduse määramine (Kjedahli
reaktsioon)
Valkude modifitseerimine
(lahustuvuse, tekstuuri, seeditavuse jt omaduste
parendamine)
Piimavalgud
Piim on polüdispersne süsteem, kus vesi on dispersiooni
keskkonnaks.
Vees on lahustunud kujul (molekulaarses ja ioonses olekus)
mineraalained ja laktoos.
See lahus omakorda on dispersioonikeskonnaka
kolloidsetele valguosakestele.
Valgud:
80% - kaseiin (αs, β, κ, γ ), 20% vadakuvalke
(β- laktoglobuliinid, α-laktoalbumiinid, peptiide, seerumi
albumiine, immunoglobuliine )
VALK
Kontsentratsioon, g/l
Kaseiinikompleks ja kaseiini mitselli formeerumine
Kaseiinimitselli kogulatsiooni kiirus sõltuvalt pH-st
Kogulatsiooni
kiirus
Temperatuur:
250C
150C
100C
50C
Kalgendi teke
PIIM
laapensüüm (renniin)
κ-kaseiin
(kapa-kasiin)
p-kasiin + glükomakropeptiid
(para-kaseiin)
Ca2+
kalgend
Töötluse mõju piimavalkudele
Homogeniseerimine
– kaseiini mitselli osaline lagunemine,
lipoproteiinsete komplekside teke
Pastöriseerimine,kõrgkuumutamine
– vadakuvalkude denatureerumine,
kaseiini /vadakuvalkude komplekside teke
Maillardi reaktsioonid
- värvuse muutus, aminohapete kaod
Lihaskoe valgud
Valgud
%
• Müofibrillide valgud 60,5
müosiin
29
aktiin
13
jt
• Sarkoplasma valgud 29
erinevad ensüümid
24,6
müoglobiin
1,1
hemoglobiin
3,3
• Sidekoe valgud
10,5
kollageen
5,2
elastiin
0,3
jm
Müoglobiin annab lihale värvuse
O2
2+
Mb (Fe )
müoglobuliin (purpur)
NO2
NO3-
2+
MbO2 (Fe )
oksümüoglobuliin
(helepunane)
oksüdeerijad
NO-Mb
nitrooso-hemoglobiin
(punane)
0
t, C
NO-hkr
nitroosohemokromogeen
(roosa)
3+
M Mb (Fe )
metmüoglobiin (pruun)
0
t, C
hallikaspruun
Kollageen – mittetäisväärtuslik valk, sisaldab palju
glütsiini, proliini, hüdroksüproliini;
ei sisalda trüptofaani, tsüstiini
• Kollageeni kolmikspiraali osaline lagunemine
määrab liha pehmenemise termilisel töötlemisel
• Kollageen pundub soojas vees, tekib želatiin
Elastiin - mittetäisväärtuslik valk, esineb elastses sidekoes,
• erinevalt tropokollageenist sisaldab vähe
hüdroksüproliini,
• ei pundu, ei anna geeli struktuuri
Kalavalgud
• Enamike kalade valgusisaldus 18%,
kõrgem – makrell, lõhe, siig, tuunikala,
(19...24%)
• Kalavalgu müofibrillides
- müosiini 50...58%
- aktiini 15...20%
• Kala valmib termotöötlusel kiiremini
(kalas sidekudet vähem, kollageen teistsuguse
ehitusega
Munavalgud
Munavalge – valku 10,6%
ovoalbumiine - 66%
ovomükoidi – 11%
ovoglobuliine - 8%
lüsotsüümi – 3,4%
jm
Munakollane - valku 16,6%
põhiliselt liitvalgud (sisaldavad fosforit)
Teraviljavalgud
VALK:
• valgurikkamad: nisu, kaer (kuni 15%); riis – 10%
• enamus lihtvalgud, idus – liitvalke
• põhiliselt prolamiinid, gluteliinid
• rukkis – palju albumiine, globuliine
• kaunviljades – 86% valgust albumiinid, globuliinid
Teraviljavalk on mittetäisväärtuslik – vähe lys (trp,
met)
Asendamatuid aminohappeid
• enim - tatar, kaer, riis, rukis
• vähem – mais, hirss
• idandeis 2 korda rohkem valku
• kaunviljavalkudes palju lys, vähe met
NISU VALGUD
15%
85%
MITTE – GLUTEENID
GLUTEEN
(Terise kestades olevad valgud)
(Terise sees (endospermis) olevad valgud)
Vesilahustuvad
Albumiinid
Globuliinid
Peptiidid
Aminohapped
 Jahu ensüümid
 Vahtumoodustavad ja
stabiliseerivad valgud
 Koaguleeruvad valgud
Ei lahustu vees
M 25 000 – 100 000
M 100 000
GLIADIIN
(prolamiin)
GLUTELIIN
(gluteniin)
 hea venivus
 halb elastsus
 hea elastnsus
 halb venivus
Nisu valgud
Gluteen
Mittegluteensed valgud
~85 %
~15 %
(moodustab taigna karkassi) (ei moodusta taigna karkassi)
gliadiin
(prolamiin)
M ≤100000
gluteniin
(gluteliin)
M ≥100000
- hea venivus,
- halb elastsus
- hea elastsus,
- halb venivus
albumiinid
globuliinid
p.s. peptiidid,
aminohapped
Mittegluteenised valgud: jahu ensüümid, vahtumoodustavad ja
stabiliseerivad, koguleerivad valgud
Gluteeni ehk kleepvalgu tähtsus taigna
valmistamisel ja küpsetamisel:





Gaasihoidmisvõime tagamine,
sisu struktuuri moodustumine,
toote elastsuse tagamine,
toote mahu kindlustamine,
toote välimuse kujundamine.