Bielkoviny, známe aj ako proteíny, sú základnými stavebnými kameňmi života. Tvoria svaly, tkanivá, hormóny a enzýmy, pričom ich funkcia je úzko spojená s ich komplexnou priestorovou štruktúrou. Táto štruktúra je však citlivá na vonkajšie vplyvy, ktoré môžu viesť k jej zmene, známej ako denaturácia. Pochopenie denaturácie je kľúčové nielen pre biológiu a medicínu, ale aj pre bežný život, napríklad pri príprave potravy.
Čo sú to bielkoviny a aminokyseliny?
Bielkoviny sú polyméry zložené z aminokyselín, ktoré sú spojené peptidovými väzbami. Aminokyseliny sú substitučné deriváty karboxylových kyselín. Všeobecný vzorec aminokyselín je: Väčšinu z aminokyselín, ktoré sa vyskytujú vo voľnej prírode, sú α-kyseliny, ktoré majú NH2 skupinu v polohe α, je teda viazaná na druhý uhlík, susediaci s karboxylovým uhlíkom a L-kyseliny, ktorých konfigurácia sa odvodzuje od L-glyceraldehydu.
V ľudskom tele sa vyskytuje 20 proteinogénnych aminokyselín, ktoré sa delia na esenciálne (ktoré si telo nedokáže samo vytvoriť a musia byť prijaté stravou) a neesenciálne (ktoré si telo dokáže syntetizovať). Medzi esenciálne aminokyseliny patria valín, leucín, izoleucín, metionín, treonín, fenylalanín, tryptofán a lyzín.
Každá bielkovina má svoju špecifickú primárnu štruktúru, ktorá určuje poradie aminokyselín v reťazci. Táto primárna štruktúra následne ovplyvňuje ďalšie úrovne usporiadania - sekundárnu (α-helix a β-list), terciárnu (priestorové zbalenie) a kvartérnu (usporiadanie viacerých polypeptidových reťazcov).
Vlastnosti aminokyselín
Aminokyseliny sú bezfarebné, pevné, kryštalické zlúčeniny s vysokou teplotou topenia. Väčšinou sú rozpustné vo vode a nerozpustné v nepolárnych rozpúšťadlách. Väčšina aminokyselín má amfotermný charakter, čo znamená, že majú kyslé aj zásadité vlastnosti. Skupina -NH2 je príčinou zásaditých vlastností, keďže na dusíkovom atóme je voľný elektrónový pár. V kyslom prostredí sa aminokyseliny správajú ako zásady, teda prijímajú vodíkový katión a tvoria amóniový katión NH3+. Hodnota PH, pri ktorej sa aminokyselina správa neutrálne, sa nazýva izoelektrický bod. Znamená to, že všetky jej molekuly sú vo forme amfiónov, teda obojakých iónov. Aminokyseliny majú rozličný izoelektrický bod v závislosti od počtu skupín -COOH a -NH2 v molekule. Ak aminokyselina obsahuje viac COOH, má kyslé vlastnosti a vo vodnom roztoku má formu aniónu, a ak má viac -NH2 skupín, správa sa zásadito a vo vodnom roztoku má formu katiónu. Hodnota izoelektrického bodu sa pohybuje od 3 do 11. Aminokyseliny sa delia aj na polárne a nepolárne. Nepolárne dodávajú bielkovinám hydrofóbne vlastnosti a polárne zas opačne zvyšujú rozpustnosť bielkovín vo vode.
Štruktúra bielkovín
Bielkoviny sú komplexné dusíkaté látky, ktoré sú zložené z rôznych kombinácií aminokyselín a sú základom všetkých živočíšnych a rastlinných tkanív. Funkcia bielkovín závisí od ich štruktúry a zloženia. Bielkoviny sú nenahraditeľné pre stavbu a obnovu tkaniva, zúčastňujú sa na tvorbe enzýmov, hormónov a imunitných látok.
Podľa počtu pospájaných aminokyselín rozoznávame oligopeptidy (do 10 aminokyselín), polypeptidy (11 až 100 aminokyselín) a veľké proteíny (viac ako 100 aminokyselín). Bielkoviny môžu byť jednoduché, zložené len z aminokyselín, alebo zložené, obsahujúce aj nebielkovinovú zložku (prostetickú skupinu).
Primárna štruktúra bielkovín
Primárna štruktúra bielkovín udáva poradie (sekvenciu) aminokyselín v polypeptidovom reťazci a podmieňuje biochemickú funkciu bielkovín. Je určená geneticky v podobe genetického kódu v molekule DNA. Už pri zámene jednej aminokyseliny v sekvencii inou aminokyselinou môže dôjsť k ťažkej poruche organizmu.
Sekundárna štruktúra bielkovín
Sekundárna štruktúra je daná geometrickým usporiadaním polypeptidového reťazca a je umožnená voľnou rotáciou okolo jednoduchých väzieb α-uhlíkov v polypeptidovom reťazci a stabilizovaná existenciou vodíkových väzieb. Rozoznávame dva základné typy sekundárnej konformácie (motívy):
- skladaný list (β-štruktúra)
- skrutkovica (α-helix)
Skladaný list (β-štruktúra) môže mať usporiadanie paralelné alebo antiparalelné. Tvoria ho reťazce (alebo úseky jedného reťazca) radené vedľa seba, ktoré sú priečne spojené vodíkovými mostíkmi medzi karbonylovými a aminoskupinami. Skrutkovica (α-helix) vzniká v rámci jedného reťazca. Stabilitu skrutkovice podmieňujú vodíkové mostíky nad sebou ležiacich závitov.
Terciárna štruktúra bielkovín
Terciárna štruktúra (konformácia) predstavuje definitívne trojrozmerné priestorové usporiadanie skrutkovíc a skladaných listov poprepájaných rôzne zvlneným voľným polypeptidovým vláknom. Proteíny pritom môžu obsahovať (a často aj obsahujú) úseky skrutkovice aj úseky usporiadané ako skladaný list, a celá priestorová štruktúra bielkoviny môže byť preto veľmi komplikovaná.
Kvartérna štruktúra bielkovín
Kvartérnu štruktúru majú iba niektoré veľmi zložité bielkoviny, ktoré sú zložené z viacerých samostatných bielkovinových podjednotiek - polypeptidových reťazcov. Kvartérna štruktúra predstavuje definitívne usporiadanie a pospájanie takýchto podjednotiek v priestore do jednej obrovskej funkčnej makromolekuly.
Vlastnosti bielkovín
Vlastnosti jednotlivých bielkovín určuje ich štruktúra, ktorá zároveň určuje ich funkciu v organizme. Bielkoviny sú pevné látky a ich rozpustnosť vo vode je závislá od ich štruktúry. Bielkoviny, ktoré sú rozpustné vo vode, tvoria koloidné roztoky. Pridaním roztokov ľahkých solí (napríklad síranu amónneho) možno bielkoviny z koloidného roztoku dočasne vyzrážať vo forme vločiek (takzvané vysolovanie).
Podľa tvaru molekuly delíme bielkoviny na:
- Fibrilárne (vláknité) bielkoviny: sú väčšinou tenké a dlhé, nerozpustné vo vode a majú veľkú molekulovú hmotnosť. Plnia najmä štruktúrnu a mechanickú funkciu (napríklad kolagén vo väzive, keratín vo vlasoch, myozín vo svaloch alebo fibroín v pavučinách).
- Globulárne (klbkovité) bielkoviny: sú zvinuté do kompaktného trojrozmerného tvaru a dobre rozpustné vo vode. Plnia aktívne a dynamické funkcie (napríklad všetky enzýmy, protilátky - imunoglobulíny, krvné albumíny alebo históny, ktoré sa v bunkovom jadre viažu na DNA).
Podľa rozpustnosti rozoznávame:
- Albumíny: sú dobre rozpustné už aj v čistej (destilovanej) vode.
- Globulíny: v čistej vode sú nerozpustné, sú však rozpustné v zriedených roztokoch solí.
Podľa prítomnosti nebielkovinovej zložky sa delia na:
- Jednoduché (proteíny): sú zložené výlučne len z aminokyselinových zvyškov.
- Zložené (proteidy): okrem aminokyselín obsahujú aj nebielkovinovú zložku (takzvanú prostetickú skupinu). Patria sem napríklad nukleoproteidy, glykoproteidy, fosfoproteidy, lipoproteidy, metaloproteidy a chromoproteidy.
Proces denaturácie bielkovín
Denaturácia je proces, pri ktorom sa naruší priestorová štruktúra bielkoviny, pričom poradie aminokyselín zostáva nezmenené. Táto zmena štruktúry vedie k strate pôvodnej biologickej funkcie bielkoviny. Pri denaturácii sa rozbijú slabé nekovalentné väzby (vodíkové mostíky, iónové a hydrofóbne interakcie) a disulfidické väzby, ktoré držia bielkovinu v jej natívnom, funkčnom tvare. Molekula bielkoviny sa rozvinie zo svojej komplexnej 3D štruktúry.
Denaturácia môže byť vratná (reverzibilná), kedy sa po odstránení denaturačného faktoru štruktúra bielkoviny obnoví (renaturácia), alebo nevratná (ireverzibilná), kedy sa štruktúra už neobnoví. Príkladom ireverzibilnej denaturácie je zrážanie bielka pri varení vajíčka. Pri denaturácii zákonite dochádza k strate špecifického tvaru a k zániku biologickej funkcie bielkoviny. Veľmi často je tento proces sprevádzaný stratou rozpustnosti a viditeľným vyzrážaním (koaguláciou) bielkoviny z roztoku.
Príčiny denaturácie
Denaturáciu môžu spôsobiť rôzne faktory, ako je teplo, zmeny pH (silné kyseliny a zásady), organické rozpúšťadlá, ťažké kovy či ionizujúce žiarenie.
- Zvýšená teplota: Teplo zvyšuje kinetickú energiu molekúl, čo vedie k rýchlym vibráciám a rozbitiu väzieb. Vyššia teplota zvýši kinetickú energiu a spôsobí, že molekuly začnú veľmi rýchlo vibrovať až sa zničia väzby medzi nimi. Molekula bielkoviny sa rozvinie zo svojej 3D štruktúry, a to umožní lepší prístup tráviacim enzýmom k bielkovinovým väzbám.
- Zmeny pH: Kyslé prostredie môže denaturovať bielkoviny, čo sa využíva napríklad pri marinovaní alebo výrobe syrov. Napríklad enzým pepsín v žalúdku funguje optimálne pri nízkom pH. Pri vyššom pH dochádza k jeho denaturácii a strate funkcie.
- Ťažké kovy, silné kyseliny a zásady, ionizujúce žiarenie a mechanické trepanie sú tiež faktory, ktoré môžu spôsobiť denaturáciu.
Význam denaturácie v praxi
Hoci denaturácia mení štruktúru bielkoviny, jej základná aminokyselinová sekvencia a tým aj nutričná hodnota zostávajú zachované. To znamená, že tepelne upravené bielkoviny, napríklad vo fitness receptoch, nestrácajú svoju výživovú hodnotu a stále slúžia na budovanie svalovej hmoty.
Denaturácia má praktický význam v mnohých oblastiach:
- Potravinárstvo: Varenie, pečenie a iné tepelné úpravy potravín vedú k denaturácii bielkovín, čím sa zlepšuje ich stráviteľnosť a chuť. Napríklad pri varení vajíčka sa bielko zráža v dôsledku denaturácie. Práve preto potraviny tepelne upravujeme, aby došlo k zmene štruktúry proteínu, a tým boli ľahšie stráviteľné.
- Medicína a sterilizácia: Teplo sa používa na sterilizáciu zdravotníckych pomôcok, pričom denaturácia bielkovín v baktériách ich ničí. K rovnakému procesu dochádza aj pri sterilizácii zdravotných pomôcok.
- Trávenie: V ľudskom tele dochádza k denaturácii bielkovín počas tráviaceho procesu v žalúdku vplyvom kyseliny chlorovodíkovej a enzýmov. Denaturácia bielkovín prebieha aj počas trávenia v ľudskom tele. Štiepenie molekúl proteínu začína v žalúdku, kde sa vďaka kyseline chlorovodíkovej uvoľní pepsín, ktorý začína štiepiť bielkovinové väzby na aminokyseliny.
Mnohé obavy z tepelnej úpravy bielkovín sú neopodstatnené. Napríklad pri tepelnej úprave mäsa sa obsah bielkovín nemení a dokonca sa redukuje obsah tuku. Rovnako tak varenie strukovín alebo rýb zachováva ich proteínový obsah, pričom varenie pri vysokej teplote môže pomôcť zachovať ich šťavnatosť a jemnosť. Proteínový prášok, či už zmiešaný s vodou alebo použitý na pečenie, si zachováva svoje účinky na rast svalov. Denaturácia, ktorá prebieha aj počas trávenia, umožňuje organizmu efektívnejšie štiepiť bielkoviny na aminokyseliny.
Je úplne jedno, či váš obľúbený proteín rozmiešate s vodou v šejkri alebo si z neho upečiete koláč. Obsah bielkovín sa tepelnou úpravou nezmení. Denaturácia mení len štruktúru molekúl proteínov, no nemá vplyv na ich nutričnú hodnotu.
Kvalita a hodnota bielkovín
Kvalita bielkovín je v podstate meradlom ich využiteľnosti v organizme. Takisto je daná zastúpením jednotlivých aminokyselín, ich vzájomným pomerom a stráviteľnosťou. Bielkoviny môže tvoriť kombinácia až 140 rôznych aminokyselín, ale len z dvadsiatich aminokyselín môže vzniknúť bielkovina ľudského svalu. Podľa dôležitosti sa preto aminokyseliny rozdeľujú na esenciálne (nenahraditeľné) a neesenciálne (nahraditeľné). Neesenciálne aminokyseliny sa tvoria z medziproduktov metabolizmu sacharidov a tukov.
Inak je tomu v prípade esenciálnych aminokyselín, ktoré si ľudský organizmus nedokáže syntetizovať z iných látok a je odkázaný na ich príjem v potrave. Pre ľudskú výživu je charakterizovaná takzvaná biologická hodnota bielkovín. Biologická hodnota bielkovín udáva percentuálny podiel bielkoviny prijatej stravou, ktorá sa môže premeniť na bielkovinu potrebnú pre ľudský organizmus. U živočíšnych bielkovín sú tieto hodnoty vyššie ako u rastlinných bielkovín.
Biologická hodnota bielkovín je určená podľa zastúpenia jednotlivých aminokyselín v bielkovine. Aminokyseliny sú základnou stavebnou časticou proteínov. Vytvárajú reťazce pomocou peptidických väzieb. Bielkovinová hodnota je účinnosť, s ktorou môže byť jedlo alebo proteín premenený na endogénny proteín, teda na svalovú bielkovinu. Rozhodujúcim faktorom je hlavne zloženie aminokyselín a predovšetkým množstvo esenciálnych aminokyselín. Čím väčší bude aminokyselinový profil, tak tým bude samozrejme aj vyššia biologická hodnota.
Zdroje bielkovín
Bielkoviny sa vyskytujú v potravinách a suplementoch v mnohých formách a môžeme ich rozdeliť podľa ich pôvodu do dvoch základných skupín - rastlinné a živočíšne. Prvou sú živočíšne proteíny, ktoré získavame predovšetkým z mäsa, mliečnych výrobkov a vajec. Druhou skupinou sú rastlinné proteíny, ktoré pochádzajú najmä z orechov, hrachu, strukovín a celých obilnín.
Rastlinné bielkoviny
Pokiaľ by určitá potravina obsahovala menej ako spomínaných 9 aminokyselín, tak potom ju považujeme za nekomplexný zdroj bielkovín, teda za bielkovinu neplnohodnotnú. Napríklad strukoviny obsahujú menej aminokyseliny methionín, želatína neobsahuje tryptofan a obiloviny ako chlieb alebo ryža obsahujú malo lysínu. Aby sa zvýšila ich biologická hodnota a tým aj využiteľnosť, musíme ich kombinovať s inými zdrojmi bielkovín alebo navzájom. V opačnom prípade by nemohli byť spracované v prospech svalového tkaniva, ale využili by sa iba ako zdroj energie.
Jednu veľkú skupinu rastlinných zdrojov tvoria strukoviny. Strukoviny sú vo výžive čiastočnou alternatívou mäsových produktov. Hrach, fazuľa, šošovica obsahujú bielkoviny, aj keď na rozdiel od mäsa, rýb a vajec neobsahujú jednodruhovo všetky esenciálne aminokyseliny. Výnimku z tohto pravidla tvoria sójové bôby. Na rozdiel od väčšiny strukovín sú vzhľadom na svoj zdravo vyvážený obsah aminokyselín klasifikované ako zdroj vysokokvalitných bielkovín. Sója spravidla obsahuje 35% bielkovín, 30% škrobu, 18% tuku s veľkým podielom lecitínu.
Obilniny sú vysoko využiteľnou surovinou vo výžive ľudstva. Sú zdrojom neplnohodnotných bielkovín (7-12%), z ktorých najvýznamnejšou zložkou je aminokyselina lyzín, potrebná pre primeraný duševný rozvoj, rast a vývoj kostí u detí.
Živočíšne bielkoviny
Bielkoviny mäsa patria do skupiny živočíšnych bielkovín a obecne sa považujú za hodnotnejšie, ako bielkoviny rastlinné.
- Červené mäso: (napr. hovädzie, bravčové, divina) obsahuje popri kvalitných bielkovinách aj vitamíny skupiny B, kyselinu pantoténovú, železo v hemovej forme (má veľmi dobrú vstrebateľnosť), zinok, selén, draslík a fosfor. Popri týchto živinách môže červené mäso obsahovať aj značné množstvo tuku v saturovanej (nasýtenej) forme, ktorý (ak je konzumovaný vo vysokých množstvách) môže spôsobovať zdravotné problémy.
- Biele mäso: (jeho zdrojom je najmä hydina) obsahuje takisto kvalitné bielkoviny, ale v porovnaní s mäsom červeným má nižší obsah vitamínov a minerálov. Jeho výhodou oproti červenému mäsu je nízky obsah tuku, pokiaľ sa konzumuje bez kože. Hydinové mäso (hlavne kuracie a morčacie mäso z pŕs) je v súčasnosti najpodstatnejšou zložkou stravy u športovcov.
- Mäso z rýb: má veľmi dobrú stráviteľnosť a výbornú využiteľnosť, nakoľko obsiahnuté bielkoviny sú veľmi kvalitné. Rybí tuk je z dietológického hľadiska pre organizmus veľmi prospešný, obsahuje omega-3 mastné kyseliny, ktoré sa osvedčili ako preventívny faktor pred vznikom mnohých ochorení. Medzi druh ryby, ktorý má nízky obsah tuku a vysoký obsah kvalitných bielkovín, patrí notoricky známy tuniak.
Vajcia a mliečne výrobky
- Vaječná bielkovina: je živočíšnou bielkovinou, ktorú mnohí označujú za najkvalitnejší zdroj bielkoviny. Bielkovina slepačieho vajca obsahuje všetky esenciálne aminokyseliny vo veľmi vyváženom pomere a v ľudskom organizme má vysokú využiteľnosť. Bielok i žĺtok obsahujú veľké množstvo kvalitných bielkovín, ktorých biologická hodnota je vyššia ako u mäsa a mliečnych výrobkov.
- Mliečne výrobky: mlieko tvoria vysokohodnotné živočíšne bielkoviny. Mlieko obsahuje 3 hlavné bielkoviny, a to kazeín, ktorý tvorí 80%, laktoglobulín a laktoalbumín, ktoré sa nazývajú aj srvátkové bielkoviny. Sú ľahko stráviteľné, ale veľmi citlivé na teplo, a preto sa pasterizáciou mlieka ničí veľké množstvo aminokyselín.
tags: #kyselina #bielok #denaturacia