Proteins (1. LF UK, NT)

Proteins, or polypeptides, are organic macromolecular substances. Their molecular weight exceeds 10,000. They consist of amino acids in numbers greater than 100. A typical protein contains 200-300.

Construction
150px|thumb|right| peptidová vazba Amino acids in the peptide are bound to each other by peptide binding. Peptide binding combines with simple covalent binding amino group of one amino acid and a carboxylic group of the other amino acid. The Gibbson energy value of this reaction is equal to G = 10 kJ/mol.

Polycondensation produces an arbitrarily long chain of amino acids. The end of the chain, which has a free (unreacted) amino group, is called the N-end. On the opposite side of the chain, on the other hand, we find a free carboxyl group. This end is called the C-end.

Structure
The structure of proteins is based on the arrangement of amino acids in the chain. Protein structure is very important for their function.

The primary structure is defined by the exact sequence of amino acids in the chain.
 * Primary structure

α-helix|thumb β-skládaný list|thumb Secondary structure means the spatial arrangement of amino acids in a chain and stabilization by hydrogen bridges.
 * Secondary structure


 * They are two basic secondary structures:


 * 1) α-helix: The string is curled into a right-hand helix. The length of a single screw thread is equal to 3,6 amino acid residues. The structure of α-helix is found primarily in fibrous proteins (keratins) or muscle proteins.
 * 2) β-folded sheet: Two parallel and antiparallel strings resembling a folded sheet of paper.

The tertiary structure is characterized by other intramolecular binding interactions. For example, disulfide bridges, ionic bonds and van der Waals forces. Other H-bridges may also form in the molecule.
 * Tertiary structure

The quaternary structure is formed in proteins consisting of two or more polypeptide chains. Their connections provide extramolecular binding interactions with each other. The quaternary structure is found, for example, in haemoglobin. In contrast, myoglobin does not possess quaternary structure.
 * Quarternary structure

Protein denaturation
Protein denaturing is the process by which secondary and tertiary structures change. The protein thereby loses its biological activity. Denaturation can be achieved, for example, by heating or changing the pH.

Main nutrients

 * peptide bonds
 * other ties
 * disulphide -S-S-
 * ester
 * amide
 * Ingredients other than amino acids (physically or chemically)
 * water
 * inorganic ions lipids
 * lipids, sugars, nucleic acids, color compounds

{|width=70% style="background-color:	#F0FFFF;text-align:left;margin-bottom:10px;border:1px solid #B0E2FF" {| style="background-color:white"
 * class="portaltitle sbaleno" style="background-color:white;text-align:center" |  Clasification 
 * class="sb_portal"|
 * class="sb_portal"|

By origin

 * animal (meat, milk, eggs) - 60% of food protein
 * vegetable (cereals, legumes, fruits, vegetables) - 30% of food protein
 * non-traditional food protein (seaweed, micro-oraganisms)

By function

 * structural (cell building components, collagen)
 * catalytic (enzymes, hormones)
 * transport (transfer of compounds, myoglogin)
 * motion (muscle proteins, actin, myosin)
 * defence (antibodies, immunoglobulins, lectins)
 * stock (ferritin)
 * sensory (rhodopsin)
 * regulating (histones, hormones)
 * nutritional (source of essential amino acids, source of nitrogen, mass to build and restore tissues)

By structure
(the presence of a non-protein component)


 * 1) Simple proteins (they contain only a protein chain - globular, fibrillary proteins)
 * globular, spherical proteins (albumins, globulins)
 * fibrillary (fibrous), scleroproteins, stromatic proteins (collagen, keratins, elastins)
 * 1) Compounds proteins (contain protein chain and non-protein part - prosthetic group - lipoproteins, glycoproteins)
 * nucleoproteins (nucleid acids)
 * lipoproteins (neutral lipids, phospholipids, sterols)
 * glycoproteins (carbohydrates)
 * phosphoproteins (phosphoric acid)
 * chromoproteins (porphyrin derivatives, flavin)
 * metalloproteins (coordinating boud metals)

By solubility

 * Soluble
 * albumins − milk (lactalbumin), egg whites (ovalbumin, conalbumin), wheat (leucosin)
 * globulins − meat (myosin, actin), milk (lactoglobulin), eggs (ovoglobulin)
 * gliadins, or prolamines − wheat (gliadin), barley (hordein), maize (zein)
 * gluteline − wheat (glutenin), rice (oryzenin)
 * protamines − soft roe (cyprimin, salmin, klupein, skombrin)
 * histones − blood (globins of haemoglobin and myoglobin


 * Nerozpustné
 * kolagen, elastin, keratin

Podle stavu

 * nativní (přírodní, biologické funkce)
 * denaturované
 * upravené (modifikované, aditiva)

Výživové hledisko

 * plnohodnotné (esenciální aminokyseliny v optimálním množství)
 * vaječné a mléčné
 * téměř plnohodnotné (některé esenciální aminokyseliny nedostatkové)
 * živočišné svalové
 * neplnohodnotné (některé esenciální aminokyseliny nedostatkové)
 * veškeré rostlinné, živočišných pojivových tkání


 * Potraviny deficitní některými aminokyselinami
 * Lysin − obiloviny (obecně rostlinné proteiny)
 * Methionin − mléko, maso
 * Threonin − pšenice, žito
 * Tryptofan − kasein, kukuřice, rýže


 * Obsah v potravinách
 * 0–100 % P (v sušině)
 * potraviny živočišné > rostlinné
 * luštěniny, olejniny > ovoce, zelenina


 * vejce – 75 % H2O, 13 % P (celá), 52 % P v sušině
 * luštěniny – 12 % H2O, 24 % P (sója 32-45 %), 27 % v sušině
 * maso (H) – 69 % H2O, 21% P, 68 % v sušině
 * chléb – 38 % H2O, 7 % P, 11 % v sušině
 * mléko – (3,5 % L) 87-90 % H2O, 3,4 % P, 28 % v sušině
 * brambory – 78 % H2O, 2 % P, 9 % v sušině

Krytí potřeby energie: ~ 10 % Doporučená denní dávka: 1-1,2 g/kg Poměr živin
 * bílkoviny : lipidy : sacharidy (hmotnost = 1 : 1 : 4)
 * energie = < 14 : < 14 : <56 %

Fyziologie a výživa

 * minimální potřeba plnohodnotného proteinu 0,5-0,6 g·kg-1
 * doporučovaná dávka 1,0-1,2 g·kg-1 (nevyužity optimálně)
 * ~ 2,4 g·kg-1 období růstu, kojící ženy, rekonvalescenti aj.


 * výživová hodnota (nutriční, biologická)
 * celkový příjem

Dostupnost peptidových vazeb trávicím enzymům

Další faktory


 * Dříve
 * BV (Biological Value) (= g P vzniklé v organismu / 100 g P v potravě)
 * NPU (Net Protein Utilization)
 * PER (Protein Efficiency Ratio) aj. (zvířata)

Závisí na:
 * absolutní obsah esenciálních aminokyselin
 * relativním poměru
 * poměru k neesenciálním aminokyselinám
 * travitelnosti


 * Dnes
 * aminokyselinové skóre AAS (Amino Acid Score)
 * index esenciálních aminokyselin EAAI (Essential Amino Acid Index) − přesnější údaje
 * AAS (%) = 100 Ai /Asi

kde: Standardní protein = fiktivní protein s optimálním složením esenciálních aminokyselin (AAS = 100%)
 * Ai = obsah esenciální aminokyseliny v proteinu
 * Asi = obsah téže aminokyseliny ve standardním (referenčním) proteinu

Soubor:EIAA.jpg

Fyzikálně-chemické vlastnosti

 * rozpustnost, hydratace a bobtnání
 * disociace
 * optická aktivita
 * vznik gelů
 * vznik emulzí
 * stabilizace pěn
 * denaturace
 * faktory fyzikální − změny teploty, tlaku, ultrazvuk, pronikavé elektromagnetické záření
 * faktory chemické − soli, změny pH (kyseliny, zásady), povrchově aktivní látky
 * důsledky
 * přístupnější digestivním enzymům trávicího traktu
 * denaturace antinutričních faktorů, toxických látek (inhibitory proteas, amylas, lektiny)
 * inhibice nežádoucích enzymů a mikroorganismů


 * }
 * }

{|width=70% style="background-color:	#F0FFFF;text-align:left;margin-bottom:10px;border:1px solid #B0E2FF" {| style="background-color:white"
 * class="portaltitle sbaleno" style="background-color:white;text-align:center" | Maso, masné výrobky, drůbež, ryby
 * class="sb_portal"|
 * class="sb_portal"|

Maso, masné výrobky, drůbež, ryby
4 hlavní druhy tkání (další krev)
 * epitelové
 * podpůrné (pojivové)
 * svalové (příčně pruhované, hladké)
 * nervové


 * Definice
 * Části teplokrevných zvířat v čerstvém, zpracovaném stavu
 * V užším smyslu: skeletální svalová tkáň − počet svalů, úpony na kosti, přívod krve, nervy, kůže, chrupavky, kosti, tuk


 * Další složky
 * vitaminy
 * volné aminokyseliny 0,1–0,3 %
 * taurin (0,02-0,1 %), složka žlučových kyselin, přenos nervových vzruchů Soubor:taurin.jpg


 * kvarterní amoniové sloučeniny
 * cholin 0,02-0,06 %, fosfolipidů, transmethylační reakce, acetylcholin, sinapin Soubor:cholin.jpg
 * karnitin 0,05-0,2 %, transport mastných kyselin Soubor:karnitin.jpg


 * guanidinové sloučeniny
 * glykogen
 * fosfáty cukrů a volné cukry
 * kyselina mléčná aj. kyseliny
 * puriny a pyrimidiny

Použití pro potravinářské a nepotravinářské účely.

Myofibrilární proteiny

 * svalové vlákno
 * myofibrily (kontraktilní vlákna)
 * mikrofilamenta (mikrovlákna)
 * myosin
 * aktin
 * další proteiny


 * Reakce in vivo


 * Reakce post mortem
 * ATP anaerobní glykolýzou z glykogenu
 * mléčná kyselina › pokles pH z 6,8 na < 5,8
 * inhibice glykolytických enzymů
 * Ca2+ / reakce aktinu s myosinem, není ATP › posmrtné ztuhnutí (rigor mortis)

Vliv na jakost masa

 * Zrání masa
 * štěpení aktomyosinu endogenními proteasami (hlavně kathepsiny)
 * štěpení kolagenu kolagenasami
 * Vady masa
 * DFD (dry-firm-dark) a DCB (dry-cutting-beef)
 * tmavé, vysoká vaznost, nízká údržnost
 * odstranění mléčné kyseliny při vykrvení, pH~ 6
 * PSE (pale-soft-exudative)
 * světlé, nízká vaznost, šedo-zelený povrch
 * zvýšená glykolýza stimulovaná hormony, pH~ 5,6

Změny při zpracování

 * ~35° C asociace sarkoplasmatických bílkovin, snížení vaznosti, zvýšení tuhosti
 * ~45° C viditelné změny, zkrácení =denaturace myosinu
 * ~50-55° C denaturace aktomyosinu
 * ~55-65° C denaturace sarkoplasmatických bílkovin, asociované struktury a gel
 * ~60-65° C změny konformace kolagenu (zkrácení 1/3-1/4)
 * ~80° C oxidace SH-skupin
 * ~90° C želatinace kolagenu (uvolnění tropokolagenových vláken, sol želatiny)
 * ~100 ° C eliminace NH3, H2S, další látky, aromatické látky, změna barvy

Mléko a mléčné výrobky

 * Obsah živin v mléce
 * Voda podle druhu mléka (původu) 63 - 88 %


 * Komplikovaný disperzní systém
 * globulární bílkoviny syrovátky − koloidní disperze
 * kaseinové molekuly − micelární disperze
 * tuk − tukové globule (mikrosomy, φ 0,1-10 µm): emulze
 * částice lipoproteinů − koloidní suspenze
 * nízkomolekulární látky (laktosa, aminokyseliny, minerální látky, hydrofilní vitaminy) − pravý roztok


 * Zbarvení

Složení proteinů kravského mléka
Obsah aminokyselin mléka NeuAc, vazba na Thr (133) Soubor:kapa-kasein.jpg
 * Složení proteinů kravského mléka
 * kaseiny
 * α-kaseiny = fosfoproteiny, αS1, αS2, fosfoserin Soubor:alfa-kasein.jpg
 * ß-kaseiny = fosfoproteiny
 * γ-kaseiny = produkty degradace ß-kaseinů
 * κ-kaseiny = glykoproteiny (2 genetické varianty, B), cukr = tetra-, tri-, di-, mono-, GalNAc, Gal,
 * kaseiny − αS-, ß-, κ-kaseiny agregace do submicel a micel, molekuly kaseinů › submicela › micela

Změny při skladování a zpracování

 * Tepelné zpracování
 * shlukování tukových globulí v syrovém mléce, ~ makroglobulin
 * bílkoviny syrovátky termolabilní, denaturují, kaseiny prakticky nedenaturují


 * Pasterace
 * 72-74 °C (20-40 s): denaturuje asi 50-90 % bílkovin séra
 * > 75 °C:
 * inaktivuje se většina enzymů
 * redukce disulfidových vazeb
 * eliminace H2S (ß-laktoglobulin)
 * sulfidy, disulfidy vařivá příchuť (Met)
 * degradace thiaminu
 * vznik laktonů a methylketonů
 * sterilace 140 °C (4 s)
 * denaturuje 100 % bílkovin
 * reakce laktosy s proteiny syrovátky
 * ztráty lysinu (Maillardova reakce), vonné látky − syrové a pasterované mléko ~ 400 vonných látek (1-100 mg/kg)


 * Srážení a proteolýza kaseinů
 * mléko čerstvé − pH 6,5-6,75
 * srážení kaseinů − pH 4,6 (kontaminující, kulturní mikroby)

Tvrdé sýry

 * mikroorganismy (mléčná kyselina), okyselení (pH 5,5)
 * proteolytický enzym rennin (chymosin, syřidlo), specifická hydrolýza κ-kaseinu − para-κ-kasein = hydrofobní část, součást micel, κ-kaseinmakropeptid = hydrofilní část, koagulace
 * sýřenina, (skladování › tuhost, kyselost, odstředění syrovátky, solení, zrání (u sýru typu Emmental konverze mléčná › propionová kyselina + CO2), proteolýza, lipolýza › tvrdý sýr

Měkké sýry, jogurty

 * srážení, nízké pH (fermentace laktosy, mléčná kyselina), koagulace kaseinů částečná, u jogurtů asociace micel (gelová struktura)


 * Nerozpustný kyselý kasein


 * Sladký kasein (srážení syřidlem)


 * Kaseináty (rozpustné:Na, K, NH4; dispergovatelné: Ca, Mg)


 * Nerozpustné koprecipitáty


 * Syrovátka
 * }
 * }

{|width=70% style="background-color:	#F0FFFF;text-align:left;margin-bottom:10px;border:1px solid #B0E2FF" {| style="background-color:white"
 * class="portaltitle sbaleno" style="background-color:white;text-align:center" | Vejce
 * class="sb_portal"|
 * class="sb_portal"|

Vejce

 * proteiny bílku 53 %, žloutku 47 %
 * obsah živin v slepičích vejcích
 * složení proteinů bílku a žloutku slepičích vajec

Proteiny bílku

 * ~ 40 proteinů (globuliny, glykoproteiny a fosfoproteiny)


 * enzymy (lysozym, aktivita N-acetylmuramidasy, murein, buněčné stěny bakterií)
 * bílkovinné složky enzymů (flavoprotein/riboflavin, avidin/biotin)
 * inhibitory proteas (ovomukoid, ovoinhibitor)


 * Důsledky
 * viskozita a gelovitá konzistence bílku − ovomukoid a ovomucin
 * stabilita pěny šlehaného bílku − ovoglobuliny G2 a G3
 * antimikrobní účinky −lysozym (ovoglobulin G1)
 * antinutriční působení − avidin

Proteiny žloutku (emulze tuku ve vodě)

 * 1/3 = bílkoviny, 2/3 = lipidy
 * glyko-, lipo-, glykofosfo- a glykofosfolipoproteiny
 * granule − lipovitellin a fosvitin
 * plasma − lipovitellenin a livetin

Změny při skladování a zpracování

 * částečná denaturace proteinů bílku při šlehání
 * denaturace teplem
 * 57 °C − počátek
 * 60-65 °C − denaturuje většina bílkovin (ne ovomukoid)
 * 65-70 °C − většina bílkovin žloutku (ne fosvitin)
 * }
 * }

{|width=70% style="background-color:	#F0FFFF;text-align:left;margin-bottom:10px;border:1px solid #B0E2FF" {| style="background-color:white"
 * class="portaltitle sbaleno" style="background-color:white;text-align:center" | Potraviny rostlinného původu
 * class="sb_portal"|
 * class="sb_portal"|

Potraviny rostlinného původu

 * hlavní zdroje − semena rostlin
 * omezené zdroje − plody, listy, hlízy, bulvy a jiné části rostlin (ovoce, zelenina, okopaniny)

Cereálie a pseudocereálie

 * Základní chemické složení obilovin
 * Proteiny obilovin a jejich složení

Proteiny pšenice
Mouka 7-13 (až 15) % bílkovin
 * 15 % albuminy (ve vodě rozpustné) leukosin
 * 7 % globuliny (0,4 M-NaCl) edestin
 * 33 % prolaminy (70 % ethanol) gliadin
 * 46 % gluteliny (zbytek) glutenin
 * poměr prolaminy / gluteliny = 2 : 3


 * 1) Mouka silná = chlebová (12-14 %)
 * (těsto elastické, tuhé, nutné intenzivní míchání, zadržuje oxid uhličitý, vzduch, objemnější výrobky)
 * 1) Mouka slabá = výroba sušenek, cukrovinek (< 10 %)


 * Těsto
 * lepek (gluten) = viskoelastická hmota, 2/3 vody, 1/3 hydratované gluteliny (viskozita),
 * gliadiny (elasticita), sušina lepku = 90 % proteinů, 8 % lipidů, 2 % cukrů


 * Bezlepkové výrobky
 * alergické onemocnění celiakie (~ 0,05 % dětí v Evropě)
 * změny epithelových buněk střevní stěny, zhoršená absorpce živin
 * prolaminové frakce pšenice, žita, ječmene, sekvence: Pro-Ser-Gln-Gln a Gln-Gln-Gln-Pro
 * limity < 100 mg gliadinu/kg (sušiny)

Proteiny žita

 * není gluten
 * pekařské vlastnosti: pentózany, některé proteiny (botnající v kyselém prostředí)
 * vznik kyselin činností mikroorganismů (S. cerevisiae, S. minor, L. plantarum, L. brevis)

Proteiny luštěnin a olejnin

 * vysoký obsah globulinů, funkce při klíčení


 * Využití netradičních zdrojů bílkovin


 * Texturované rostlinné proteiny


 * Přípravky bohaté na bílkoviny
 * }
 * }

{|width=70% style="background-color:	#F0FFFF;text-align:left;margin-bottom:10px;border:1px solid #B0E2FF" {| style="background-color:white"
 * class="portaltitle sbaleno" style="background-color:white;text-align:center" | Reakce
 * class="sb_portal"|
 * class="sb_portal"|

Reakce

 * eliminační, isomerační, adiční, oxidační
 * komplexní reakce
 * vliv složení potravin, podmínek: teplota, pH, O2, další látky


 * Důsledky
 * snížení biologické hodnoty
 * rozklad esenciálních aminokyselin
 * vznik nemetabolizovatelných produktů
 * snížení travitelnosti
 * vznik antinutričních a toxických látek
 * vznik aromatických látek
 * hlavně Cystein, Methionin, Ornitin, Prolin
 * aminy, aldehydy, alkoholy, S-sloučeniny

Eliminační reakce

 * dekarboxylace (eliminace oxidu uhličitého) Soubor:dekarboxylace.jpg
 * aromatické látky
 * biologicky aktivní látky (biogenní aminy)


 * histamin (His) Soubor:histamin.jpg, kadaverin (Lys) Soubor:kadaverin.jpg


 * Eliminace amoniaku a vody
 * vznik 2,5-dioxopiperazinů (cyklické dipeptidy) Soubor:vznik_25.jpg
 * vznik alk-2-enových kyselin Soubor:vznik_alk2en.jpg
 * vznik γ-laktamů z γ-aminokyselin, γ-aminokyselina Glu, kreatin Soubor:vznik_gamalaktamu.jpg


 * Eliminace funkčních skupin postranních řetězců
 * reakce v kyselém prostředí nebo termické reakce
 * deamidace proteinů, hydrolýza
 * reakce v neutrálním prostředí nebo termické reakce
 * vznik neobvyklých vazeb
 * reakce v alkalickém prostředí nebo termické reakce
 * vznik neobvyklých vazeb, neobvyklých aminokyselin, D-aminokyseliny (abiogenní)


 * Důsledky
 * snížení travitelnosti
 * snížení výživové hodnoty
 * vznik potenciálně toxických aminokyselin
 * vznik aromatických látek


 * Kyselé prostředí
 * Výroba hydrolyzátů bílkovin
 * enzymy autolýza kvasničné autolyzáty, potravinářské hydrolyzáty, sójová omáčka
 * kyseliny potravinářské hydrolyzáty
 * Neutrální prostředí
 * vznik příčných vazeb a neobvyklých aminokyselin
 * ε-aminoskupina Lys, karboxamidová skupina Asn, Gln Soubor:příčné_neutrální.jpg

Soubor:reakce_alkalické.jpg
 * Alkalické prostředí
 * ztráty Lysin, Cystein, Serin, Threonin, Arginin aj.
 * 1,2-eliminace H-X (Ser, Thr, Cys, SySSCy) a hydrolýza

X = OH, SH, SR, SSR aj.

Cys, Ser›2-aminoakrylová kyselina (dehydroalanin), Thr › 2-aminokrotonová kyselina (dehydrobutyrin) Soubor:vznik_k_aminokrotonové.jpg

Soubor:adice-příčné_vazby.jpg Soubor:hydrolyza_zesítěných_proteinů.jpg Soubor:isomerace_vznik_D-AMK.jpg
 * adice funkčních skupin aminokyselin (intra- a intermolekulární příčné vazby)
 * hydrolýza zesítěného proteinu a vznik neobvyklých aminokyselin, lysinoalanin, lanthionin
 * isomerace a vznik D-aminokyselin, snížená využitelnost

Adiční reakce
Soubor:Maillardova_reakce.jpg
 * reakce se sacharidy (aldehydy, ketony), Maillardova reakce
 * barevné látky, aromatické látky, biologicky aktivní látky

Oxidační reakce
Soubor:Hydrolasy.jpg
 * oxidační deaminace a transaminace
 * Enzymové reakce
 * deaminasy nebo transminasy, hydrolasy
 * aldehydy − aróma ovoce a zeleniny
 * alkoholy − aróma alkoholických nápojů (alkoholy přiboudliny)


 * Streckerova degradace (oxidační dekarboxylace)
 * tvorba Streckerových aldehydů
 * Neenzymová reakce Soubor:Streckerova_degradace.jpg


 * Oxidační činidla
 * dikarbonylové sloučeniny
 * sacharidy
 * chinony
 * anorganické látky (chlornany)


 * Vznik dalších produktů
 * N- a S-heterocyklické sloučeniny


 * Další oxidace
 * oxidované lipidy a fenoly, O2 (fotosenzibilizátory)
 * cystein a cystin
 * oxidace Cys na sulfenovou, sulfinovou, sulfonovou (cysteovou) kyselinu (nevyužitelná) Soubor:cysteová.jpg
 * oxidace Cys na CySSCy Soubor:oxidace_na_CySSCy.jpg
 * oxidace CySSCy Soubor:Oxidace_CySSCy.jpg
 * oxidace Met Soubor:Oxidace_Met.jpg

Reakce se složkami potravin

 * reakce s polyfenoly
 * tmavá barva izolátů ze šrotů
 * nevyužitelné produkty, snížená travitelnost
 * reakce s oxidovanými lipidy
 * nevyužitelné produkty, snížená travitelnost
 * }
 * }

Související články

 * Peptidy (1. LF UK, NT)
 * Aminokyseliny (1. LF UK, NT)
 * Aminokyseliny, peptidy, bílkoviny (1. LF UK, NT)