Биохимия молока

     Функции белков.

     Белки в организме животных способны выполнять следующие функции:

     каталитическая  – осуществляется ферментами, ускоряющими  протекание химических реакции;

     транспортная  – переносить нерастворимые в  воде гидрофобные соединения (липопротеины) или кислород (миоглобин и гемоглобин) и др.;

     структурно-механическая – выполняется белками, входящими в состав мембран клеток (протеогликаны);

     регуляторная  – выполняется гормонами, которые  регулируют протекание различных метаболических процессов;

     сократительная  – способность к механическим действиям (белки мышц);

     защитная  – обеспечивается белками, входящими  в состав ДНК (нуклеопротеины) и иммуноглобулинами.

     Кроме того, белки участвуют в процессе свёртывания крови, обеспечивают активный трансмембранный потенциал, входят в состав костной и соединительной ткани (структурные белки). 

     Основные  белки молока

     К основным белкам молока относят четыре электрофоретически разделимые фракции  казеинов, сывороточные белки (β-лактоглобулин, α-лактальбумин), альбумин сыворотки  крови, иммуноглобулины, β-микроглобулин, лактоферрин, церулоплазмин. Казеина содержится в молоке около 80% от общего количества белка, тогда как  β-лактоглобулина – 7…12%, α-лактальбумина – 2…5%, сывороточного альбумина – 0,8…1,4%.

     Казеин. По структуре является фосфопротеидом, обладает способностью к самопроизвольному формированию мицелл в присутствии ионов кальция, цитратов и фосфатов. Известны четыре типа казеина: α_s1-, α_s2-, β-, χ-казеин, которые присутствуют в молоке в количестве соответственно 38, 10, 39 и 13% от суммарного количества казеинов. Казеины отличаются между собой по молекулярной массе, количеству фосфорной кислоты в них, а χ-казеин ещё и содержанием углеводов, представленных глюкозамином и сиаловыми кислотами.

     В молоке около 95% казеина образуют мицеллы  глобулярной формы, размер которых составляет 150…200 нм, и только 5% казеина находится в виде мономерных форм, полимеров фракций казеина и состоит из 7000…8000 полипептидных цепей, соединённых между собой ионами Ca²⁺. На периферии мицелл расположен χ-казеин, выполняющий роль защитного коллоида.

     Особое  внимание следует уделить строению χ-казеина. Этот белок состоит из нескольких компонентов, главный из которых не содержит углеводы, тогда  как в структуре других компонентов  содержатся олигосахариды. Сложность  формирования вторичной структуры χ-казеина обусловлена наличием у него 32% α-спирали, 31% параллельной и 24% антипараллельной β-структуры. Причём спирализация полипептидной цепи χ-казеина происходит вблизи участка связывания химозина.

     Фермент реннин (сычужный фермент), который  добавляется к молоку при изготовлении сыров, отщепляет от  χ-казеина гликопептид, после чего нарушается структура мицелл и происходит створаживание молока. Причиной створаживания является то, что χ-казеин, потеряв под действием фермента гидрофильный гликопротеин, образует нерастворимые соли с ионами Ca²⁺ даже в нейтральной среде, чего не происходит при нативном состоянии белка в молоке, тогда как растворимые α_s1-, α_s2- и β-казеины подвергаются гидролитическому расщеплению под действием плазмина молока.

     Казеин  характеризуется высокой биологической ценностью благодаря содержанию в его составе  полного набора аминокислот. В казеине содержится от 0,1 до 1% фосфора, связанного сложноэфирной связью с остатками серина, входящими в молекулу белка. С казеином соединён кальций. Всё это обуславливает высокие питательные качества казеина для человека.

     Синтез  казеина осуществляется в молочной железе из доставляемых в неё кровью аминокислот и фосфатов. Для этой же цели в железе используются и  сывороточные  альбумины, которые  вначале гидролизуются до аминокислот, а потом вовлекаются в процессы биосинтеза белка. 
 

     ¹ 

     Рис. Строение казеина 
 
 
 
 
 
 
 
 

     β-Лактоглобулин. После осаждения казеина (при подкислении молока или под действием реннина) остаётся сыворотка, содержащая набор белков, среди которых содержится β-лактоглобулин. Он относится к группе альбуминов, так как способен растворятся в растворе (NH₄)₂SO₄ и характеризуется высоким содержанием SH-групп. β-Лактоглобулин состоит из двух полипептидных цепей с молекулярной массой 18,3 кДа, которые при температуре выше 30°C способны распадаться на мономерные формы. Дальнейшее нагревание приводит к агрегации субъединиц, соединённых между собой дисульфидными связями. В целом β-лактоглобулин имеет две дисульфидные связи, между остатками цистеина 66 и 160, 106 и 119, и одну свободную сульфгидрильную группу в положении 12. При нагревании молока до 70°C и выше часть сульфгидрильных групп отщепляется в виде сероводорода, что придаёт кипячёному молоку специфический запах. Нагревание молока также сопровождается изменением пространственной структуры сывороточных белков, в результате чего возникают дополнительные дисульфидные связи, при этом молекулы белка денатурируют. β-Лактоглобулин придаёт молоку определённые физико-химические свойства. Так, в денатурированном состоянии этот белок адсорбируется на мицеллах казеина, предохраняя молоко от свёртывания при сгущении. В денатурированном состоянии β-лактоглобулин препятствует створаживанию молока, поэтому молоко, предназначенное для получения творога, нельзя перегревать.

     α-Лактальбумин. Белок относится к гликопротеинам, состоит из одной полипептидной цепи с молекулярной массой 16,5 кДа и изоэлектрической точкой 5,1. Входит совместно с галактозилтрансферазой в состав лактозосинтазы. В стабилизации третичной структуры белковой молекулы α-лактальбумина принимают участие ионы кальция, поэтому  α-лактальбумин денатурирует только при температурах выше 65°C.

     Альбумин  сыворотки крови (сывороточный альбумин). В молоке содержится сывороточный альбумин, белок глобулярной структуры с молекулярной массой 66 кДа. Он мало чем отличается от аналогичного белка крови, т.е. его синтез происходит не в молочной железе, а в других органах животных.

     Иммуноглобулины (Ig). Класс сложных белков гликопротеинов, продуцируемых B-лимфоцитами, и обеспечивающих связывание, на начальных этапах иммунного ответа, антигена. Ig состоят из четырёх полипептидных цепей (двух лёгких (L) и двух тяжёлых (H) цепей), удерживаемых с помощью нековалентных взаимодействий и S-S-связей; можно выделить в составе Ig два F_ab-фрагмента, каждый с антигенсвязывающим центром, и один F_c-фрагмент.

     В молоке идентифицированы представители  четырёх классов иммуноглобулинов – IgG, IgA, IgM, IgE.

     Иммуноглобулины образуются в ответ на введение в  организм антигена. Иммуноглобулины содержатся в сыворотки крови, слюне, выделениях слюнных желёз и т.д. Действие Ig осуществляется через образование комплекса с антигеном. Если при этом проявляется образование осадка, то это называется реакцией преципитации; если взаимодействие приводит к склеиванию клеток, то их называют агглютининами, если происходит лизис – лизинами.

     Церулоплазмин и лактоферрин. Они являются соответственно медь- и железосодержащими белками молока. Оба белка предназначены для накопления и переноса ионов меди и железа, адсорбируя их на поверхности белковой глобулы. Как специализированные переносчики они способны обеспечить поступление ионов меди и железа в организм детёнышей, ликвидируя, таким образом, недостаток этих ионов в растущем организме. Однако между собой церулоплазмин и лактоферрин различаются по молекулярной массе – 151 и 76,5 кДа соответственно.

     Очищенный церулоплазмин имеет голубую  окраску за счёт высокого содержания меди (8 атомов меди на молекулу белка). Катализирует реакции оксидазного  окисления аскорбиновой кислоты, гидрохинона, катехолов и p-фенилендиамина. Оптимум активности   церулоплазмина приходится на pH 5,6…6,0. Ингибиторами фермента являются цеанид и азид, а активаторами – Fe²⁺ . Содержание церулоплазмина в молоке составляет менее 1 мг/кг.

     Так как лактоферрин содержит в своём составе углеводы, то он является гликопротеином. Синтез лактоферрина происходит в клетках молочной железы. В молоке крупного рогатого скота содержится 20…350 мг/кг лактоферрина. При этом его концентрация может возрастать в молозиве и стародойном молоке в десятки и более раз. 

     Биологическая ценность казеина

     Биологическая ценность белка пищи определяется двумя  главными признаками: сбалансированностью  незаменимых аминокислот, лёгкой гидролизуемостью пищеварительными протеиназами.

     В настоящее время изучен аминокислотный состав пратически всех пищевых белков. Следовательно, может быть рассчитано соотношение незаменимых аминокислот и скор, т.е. отклонение в содержании аминокислот по сравнению с эталонными белками, имеющими наивысшую биологическую ценность. Известно, что белки животного происхождения обладают лучшим соотношением незаменимых аминокислот и скором, чем растительные. К белкам с наибольшей биологической ценностью относятся белки яйца, мышц животных и рыбы, а также молока, в том числе и казеин. Гидролизуемость пищеварительными ферментами до настоящего времени ещё недостаточно изучена и не полностью осмыслена.

     Для определения биологической ценности белка важное значение имеют вид, возраст животного и человека, потребляющих данный белок. А.Э. Шарпенак отмечал, что биологическая ценность пищевого белка будет тем выше, чем ближе аминокислотный состав этого белка к аминокислотному составу тотального белка тела реципиента.

     Необходимо  отметить, что численная величина биологической ценности белка находится в тесной связи с его количеством в диете. При увелечении содержания белка в диете наблюдается снижение его биологической ценности и наоборот. В 1946 г. группа американских авторов выдвинула представление об «абсолютной» биологической ценности, под которой понималась биологическая ценность при уровне белка, покрывающем эндогенную потребность организма.

     Биологическая ценность белка определяется сбалансированностью  аминокислот. Незаменимые аминокислоты в организме используются: 1) для  синтеза тканевых белков; 2) в качестве источника энергии, метаболизируя до конечных продуктов обмена; 3) для синтеза биологически активных веществ небелковой природы. При снижении количества белка в диете организм экономит незаменимые аминокислоты за счёт второго пути использования аминокислот, что приводит к увеличению абсолютной величины биологической ценности, являющейся в конечном итоге мерой рационального использования аминокислот, т.е. их утилизации по первому и третьему пути.

     Потребность в незаменимых аминокислотах зависит так же от физиологического состояния организма. В конечном итоге, оптимальная потребность организма в незаменимых аминокислотах является интегральной величиной, зависящей от: 1) аминокислотного состава тканевых белков; 2) относительной массы этих белков в организме; 3) скорости их обмена; 4) уровня использования незаменимых аминокислот по второму и третьему метаболическим путям; 5) выделения незаменимых аминокислот в неизменённом или малоизменённом виде с экскретами. Все эти обстоятельства определяют потенциальный пул незаменимых аминокислот.

     Полученные  данные о наличии максимальной гидролизуемости  в нативном состоянии делают казеин вне конкуренции с обычными глобулярными белками. Здесь важно подчеркнуть биологический аспект такого вывода, так как человек давно использует различные виды кулинарной обработки, вызывющие денатурацию глобулярных белков и соответственно увеличение их перевариемости.

     Скорость  гидролиза казеина пепсином зависит  от степени дисперстности сгустков этого белка, именно она убывает с её уменьшением. Это обстоятельство должно иметь большое значение для обычных продажных препаратов казеина, в которых белок может подвергаться различным нежелательным изменениям, что должно приводить к снижению перевариваемости, а следовательно, и биологической ценности таких препаратов.

     Таким образом, мы определили, что основным белком молока является казеин.  

     ²

     Сравнимая усвояемость казеина и сывороточного белка

      Два главных белка в молоке - сыворотка  и казеин. Целый ряд исследований выявил особенности их усвоения и влияния на метаболизм человеческого организма. Сывороточный протеин всасывается быстро и достигает пикового уровня в крови через 90 минут после приема. Казеин - медленный белок. Свертываясь в желудке, он постепенно высвобождает аминокислоты в кровь. Наблюдения показали, что приток аминокислот из казеина не прекращается на протяжении семи часов. Аминокислоты в крови подавляют распад мышечного белка. Быстрая абсорбция сывороточного белка приводит к большему окислению аминокислот в печени и повышению белкового синтеза (по причине увеличения количества аминокислот). Но сывороточный белок обладает меньшим антикатаболическим действием, чем казеиновый.

      В недавно проведенном научной  исследовании молочных белков приняли  участие люди, ведущие активный образ жизни, и выяснилось, что употребление незаменимых аминокислот до и после тренировок заметно способствует синтезу белка, и соответственно, росту размеров и силы.