Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Инструкция

Качественные методы определения белка в моче: метод Геллера, проба с 20% раствором сульфосалициловой кислоты, проба с кипячением и др. Полуколичественные методы: использование диагностических тест-полосок для определения белка в моче, метод Брандберга-Робертса-Стольникова. Количественные методы: турбидиметрические и колориметрические.

Основные появления белка в моче: , амилоидоз почек, диабетический гломерулосклероз, интерстициальный нефрит, пиелонефрит, мочекаменная , отторжение почечного трансплантата, лизоцимурия (лейкозы), синдром Фанкони, внутрисосудистый гемолиз (гемоглобинурия) и другие. Потеря небольшого количества белка с мочой возможна даже у здорового под воздействием многих факторов (физическая нагрузка, охлаждение, длительная инсоляция, нервное напряжение, и т. п.).

В разное время суток происходят выраженные колебания уровня протеинурии, меняется концентрация белка в моче в зависимости от диуреза, поэтому специалисты оценивают выраженность протеинурии по количественному выделению белка с мочой в сутки, то есть определяют суточную протеинурию. Единицы измерения - г/сутки. При невозможности сбора всей суточной мочи рекомендуется определять концентрации и белка в одной порции мочи. В норме это отношение белок/креатинин равно 0,2 или менее. Креатинин и белок измеряют в г/литр.

Методика определения белка в моче выполняется в клинико-диагностической лаборатории практически любого лечебно-профилактического учреждения. Зная концентрацию белка в граммах на 1 литр, а также объем суточной мочи, можно определить белка с мочой в граммах за сутки (г/сутки). Для установления диагноза необходимы повторные исследования, которые проводят в течение двух и более недель после получения первого результата анализа.

Для исследования следует использовать утреннюю порцию мочи, которая в течение всей ночи накапливается в мочевом пузыре пациента. Перед сбором анализа обязательно проводится гигиенический туалет наружных половых органов. Для сбора используются стерильные одноразовые контейнеры для биологических проб, которые можно приобрести в аптеке. Для анализа собирается средняя порция мочи (первая порция в унитаз, через 2 секунды необходимо подставить контейнер для сбора мочи, заполнить контейнер на 2/3 объема, далее мочеиспускание продолжить в унитаз). Исследование проводится в лаборатории в течение 1 часа после сбора мочи. Перед исследованием не применяются лекарственные препараты, так как некоторые из них могут повлиять на результат биохимического исследования мочи. Транспортируют анализ мочи при плюсовой температуре.

Молоко - один из самых ценных продуктов питания человека. Роль молока как полноценного пищевого продукта в поддержании процессов жизнедеятельности организма хорошо известна. Особую ценность представляют белки молока - наиболее важные в биологическом отношении органические вещества. Образующиеся в результате расщепления белков аминокислоты идут на построение клеток организма, ферментов, защитных тел, гормонов и прочее. Некоторые аминокислоты легко образуются в организме из других кислот, но есть и такие, которые должны поступать с пищей. Эти аминокислоты (лизин, триптофан, метионин, фенилаланин, лейцин, изолейцин, треонин, валин) называют незаменимыми. Количество многих незаменимых аминокислот в сывороточных белках молока значительно выше не только по сравнению с белками растительных продуктов, но и с некоторыми белками мяса и рыбы.

Кроме того, казеин и сывороточные белки молока обладают рядом важных функциональных свойств (водосвязывающая, эмульгирующая, пенообразующая способность), позволяющих использовать их концентраты в качестве стабилизаторов, эмульгаторов разнообразных продуктов (мороженое, кремы, пудинги и прочее).

Обычно в молоке контролируют массовую долю белков (общий белок), включающих казеин и сывороточные белки. Реже в молоке определяют только содержание казеина.

Для контроля массовой доли белка в молоке имеется несколько методов. Арбитражным считается сложный химический метод Кьельдаля ГОСТ23327-98 «Молоко. Методы определения общего белка».

Метод Кьельдаля

Метод основан на сжигании органических компонентов пробы молока в колбе Кьельдаля в присутствии серной кислоты; освобождающийся при этом азот определяют титрованием и по его количеству вычисляют содержание белка.

Для проведения измерения в колбу Кьельдаля последовательно помещают несколько стеклянных бусинок или кусочков фарфора, около 10 г сульфата калия, 0,04 г сульфата меди. В бюксу с крышкой отмеривают 5 см³ молока, крышку закрывают и взвешивают. Молоко из бюксы переливают в колбу. Пустую бюксу вновь взвешивают и по разнице между массой бюксы с молоком и массой пустой бюксы вычисляют массу взятого молока. В колбу добавляют 20 см³ серной кислоты, осторожно вливая ее по стенкам колбы, смывая с них капли молока. Колбу закрывают грушеобразной стеклянной пробкой и осторожно круговыми движениями перемешивают содержимое колбы.

Колбу ставят на нагревательный прибор в наклонном положении под углом 45º и осторожно нагревают до тех пор, пока не прекратится пенообразование и содержимое колбы не станет жидким. Затем сжигание продолжают при более интенсивном нагревании. Степень нагревания считают достаточной, когда кипящая кислота конденсируется в середине горловины колбы Кьельдаля.

Время от времени содержимое колбы перемешивают, смывая обуглившиеся частицы со стенок колбы. Нагревание продолжают до тех пор, пока жидкость не станет совершенно прозрачной и практически бесцветной (при применении в качестве катализатора окиси ртути) или слегка голубоватой (при применении в качестве катализатора сульфата меди). После осветления раствора нагревание продолжают в течение 1,5 час., после чего колбе дают остыть до комнатной температуры. Добавляют 150 см³ дистиллированной воды и несколько кусочков свежепрокаленной пемзы, перемешивают и снова охлаждают.

В коническую колбу отмеривают 50 см³ раствора борной кислоты, добавляют 4 капли индикатора и перемешивают.

Коническую колбу соединяют с холодильником с помощью аллонжа и резиновой трубки так, чтобы конец аллонжа был погружен в раствор борной кислоты в конической колбе. Колбу Кьельдаля соединяют с холодильником при помощи каплеуловителя, проходящего через одну пробку с делительной воронкой. Градуированным цилиндром отмеряют 80 см³ раствора гидроксида натрия (реактив 3) (при применении в качестве катализатора красного оксида ртути используют раствор гидроксида натрия, содержащий сульфид натрия) и через делительную (капельную) воронку вносят его в колбу Кьельдаля. Сразу же после выливания раствора кран делительной воронки закрывают для избежания потери образующегося аммиака.

Содержимое колбы Кьельдаля осторожно смешивают круговыми движениями и нагревают до кипения. При этом необходимо избегать пенообразования.

Перегонку продолжают до тех пор, пока жидкость не начнет булькать. При этом регулируют степень нагрева так, чтобы время дистилляции было не менее 20 минут. Убедиться в полноте перегонки аммиака можно путем дополнительной перегонки в новую порцию борной кислоты (20 см³) в течение 5 минут. Окраска раствора борной кислоты должна оставаться без изменений. При перегонке не допускают нагревания раствора борной кислоты в конической колбе. Слишком сильное охлаждение

(ниже 10ºС) также нежелательно, так как оно может вызвать переброс жидкости из конической колбы в колбу Кьельдаля.

Перед окончанием перегонки коническую колбу опускают так, чтобы конец аллонжа был над поверхностью раствора борной кислоты, и продолжают перегонку в течение 1-2 минут.

После прекращения нагревания отсоединяют аллонж. Внешнюю и внутреннюю поверхности аллонжа ополаскивают небольшим количеством дистиллированной воды, сливая ее в коническую колбу.

Дистиллят титруют раствором соляной кислоты до перехода зеленого цвета в серый. При избытке титранта раствор приобретает фиолетовый цвет.

Параллельно так же, как и основной проводят контрольный опыт, применяя 5 см³ дистиллированной воды место молока. Количество повторностей контрольного опыта должно быть не менее 5.

По объему аммиака, определяемого титрованием кислотой, устанавливают количество общего азота при умножении последнего на принятый коэффициент 6,38 и таким образом находят содержание общего белка в молоке.

Три следующих метода описаны в ГОСТе 25179-90 «Молоко. Методы определения белка».

Рефрактометрический метод

Метод основан на установлении разности показателей преломления луча света после прохождения его через молоко и полученной из него безбелковой сыворотки (для осаждения белков используют раствор хлорида кальция и нагревание пробы).

Массовую долю белков в молоке данным методом определяют на рефрактометре ИРФ-464.

Для измерения в 3 флакона наливают по 5 см³ молока, добавляют по 6 капель раствора хлорида кальция. Флаконы закрывают пробками и перемешивают путем переворачивания флаконов.

Далее флаконы помещают в водяную баню, наливая воду таким образом, чтобы ее максимальный уровень достигал половины высоты флаконов. Баню закрывают, помещают на электроплитку, воду в бане доводят до кипения и кипятят не менее 10 минут. Не открывая бани, горячую воду сливают через отверстие в крышке, наливают в баню холодную воду и выдерживают в ней не менее 2 минут.

Открывают баню, извлекают флаконы и разрушают белковый сгусток путем энергичного встряхивания флаконов.

Флаконы помещают в центрифугу и центрифугируют не менее 10 минут. Образовавшуюся прозрачную сыворотку отбирают пипеткой и наносят на измерительную призму рефрактометра 1-2 капли. Измерительную призму закрывают осветительной.

Наблюдая в окуляр рефрактометра, специальным корректором убирают окрашенность границы света и тени. Для улучшения резкости границы измерение проводят через одну минуту после нанесения сыворотки на призму, так как за это время из пробы удаляется воздух и поверхность осветительной призмы лучше смачивается.

По шкале «Белок» проводят не менее трех наблюдений. Затем сыворотку с призмы рефрактометра удаляют, промывают ее водой и вытирают фильтровальной бумагой.

На измерительную призму помещают две капли исследуемого молока и по шкале «Белок» проводят не менее пяти наблюдений, так как резкость границы света и тени у молока хуже, чем у сыворотки.

Массовую долю белка в молоке Х 1 (%) вычисляют по формуле:

Х 1 =Х 2 -Х 3 ;

где Х 2 - среднее арифметическое значение результатов наблюдения по шкале «Белок» для молока (%);

Х 3 - среднее арифметическое значение результатов наблюдения по шкале «Белок» для сыворотки (%).

Колориметрический метод

Колориметрический метод основан на способности белков молока при рН ниже изоэлектрической точки связывать кислый краситель, образуя с ним нерастворимый осадок, после удаления которого измеряют оптическую плотность исходного раствора красителя относительно полученного раствора, которая уменьшается пропорционально массовой доле белка.

Методика определения массовой доли белков в молоке сводится к следующему. В пробирку отмеряют 1 см³ молока, приливают 20 см³ рабочего раствора сине-черного красителя (готовится путем смешивания водного раствора красителя и кислого буферного раствора с добавлением поверхностно-активного вещества) и смесь интенсивно перемешивают. Выпавший осадок центрифугируют или отфильтровывают. Полученный фильтрат разводят в 100 раз и колориметрируют на фотоколориметре КФК-3 при длине волны 500-600 нм в кювете с рабочей длиной 10 мм.

Массовую долю белков в молоке устанавливают в процентах, пользуясь градуировочным графиком. Для построения графика в нескольких пробах молока (с массовой долей белков 2,5-3,5%) определяют содержание белков методом Кьельдаля и оптическую плотность фильтрата, полученного указанным способом.

Метод формольного титрования

Метод применяют при условии согласия с поставщиком.

Метод формольного титрования основан на нейтрализации карбоксильных групп моноаминодикарбоновых кислот белков раствором гидроксида натрия, количество которого, затраченное на нейтрализацию, пропорционально массовой доле белка в молоке. Для проведения подготавливают, согласно инструкции, рН-метр-термометр «Нитрон». Бюретку, вместимостью не менее 5 см 3 с ценой деления не более 0,05 см 3 заполняют раствором гидроксида натрия с молярной концентрацией 0,1 моль/дм 3 . Для определения поправки к результатам измерения массовой доли белка методом формольного титрования проводят одновременное измерение массовой доли белка в одном и том же образце молока методом формольного титрования и по ГОСТ 23327.

В стакан помещают 20 см 3 молока и стержень магнитной мешалки. Стакан устанавливают на магнитную мешалку, включают двигатель мешалки и погружают электроды потенциометрического анализатора в молоко. Титруют раствор гидроксида натрия в стакан с молоком до точки эквивалентности равной 9 единицам рН, подавая раствор по каплям начиная с рН 4 и делают 30-секундную выдержку после достижения точки эквивалентности. Определяют количество раствора щелочи, затраченной на нейтрализацию молока, до внесения формальдегида, и вносят в стакан 5 см 3 формальдегида.

По истечении 2-2,5 минут вновь титруют раствор гидроксида натрия в стакан с молоком до точки эквивалентности равной 9 единицам рН, подавая раствор по каплям начиная с рН равное 4 и деляют 30-секундную выдержку после достижения точки эквивалентности.

Параллельно проводят контрольный опыт по нейтрализации смеси 20 см 3 воды и 5 см 3 раствора формальдегида.

Массовую долю белка Х 7 (%) вычисляют по формуле:

Х 7 =(V 2 -V 1 -V 0) 0,96+Х 4 ;

где V 2 - общее количество раствора, израсходованное на нейтрализацию, см 3 ;

V 1 - количество раствора, израсходованное на нейтрализацию до внесения формальдегида (см 3);

V 0 - количество раствора, израсходованное на контрольный опыт (см 3);

0,96 - эмпирический коэффициент (%/ см 3);

Х 4 - поправка к результату измерения массовой доли белка (%).

Поправку Х 4 (%) вычисляют по формуле Х 4 =Х 5 -Х 6,

ГДЕ Х 5 - среднее арифметическое значение массовой доли белка, полученное по ГОСТ23327 (%);

Х 4 - среднее арифметическое значение массовой доли белка, полученное формольным титрованием (%).

Все вышеперечисленные методики определения белка имеют существенные недостатки: длительность определения, использование дорогостоящих реактивов, повышенная опасность для обслуживающего персонала.

Разработанный в последние годы электронный ультразвуковой анализатор молока «Клевер-2» лишен этих недостатков. Без применения химических реактивов прибор измеряет одновременно содержание массовой доли жира, сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО), плотность, белок, количество добавленной воды и температуру пробы.

Принцип действия прибора основан на измерении скорости распространения ультразвуковых колебаний в зависимости от температуры и состава молока.

Анализатор молока «Клевер-2» работает следующим образом. В режиме измерения дегазированную пробу молока заливают в пробозаборник прибора, где ее последовательно нагревают до двух заданных температур, при каждой из которой определяют скорость ультразвука. На основе полученных данных микропроцессор автоматических вычисляет массовые доли белка, жира, плотности, СОМО, количество добавленной воды и температуру пробы молока. Полученные значения отображаются на цифровом индикаторе прибора. Процесс измерения полностью автоматизирован.

Прибор прост в обслуживании и портативен. Температура пробы молока может быть от 10º до 30ºС. Время измерения три минуты.

Использование анализатора молока «Клевер-2» позволяет значительно сократить трудовые ресурсы на проведение анализа, исключить приготовление реактивов, характерных для традиционных методов, сократить площади лабораторий.

Анализаторы на основе ультразвукового метода компактны, просты в эксплуатации, имеют умеренную цену и перспективны как на мини-заводах, заводах средней мощности, так и на животноводческих фермах и в фермерских хозяйствах.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

методы Определения БЕЛКОВ

в пищевых продуктах

Методические указания

по курсу «Технология пищевых производств»

для студентов специальности 260601.65

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовс кого государственного технического университета

Саратов 2009

Цель работы : изучение методов определения белковых веществ в пищевых продуктах.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Белками или белковыми веществами называются сложные высокомолекулярные полимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот.

Аминокислота – это гетерофункциональное соединение. Простейшая формула аминокислоты: R-CH-COOH-NH2-. - NH2 – аминогруппа, обладает основными свойства белков; - COOH – карбоксильная группа – обладает кислотными свойствами; R – радикал, влияет на пространственную конфигурацию молекул белка. Остатки аминокислот в молекуле белка соединяются при помощи полипептидной связи – CO-NH-. Белки наиболее важные и сложные по химической структуре среди веществ, входящих в пищевые продукты. Полипептидные цепи белков строятся из десятков и сотен молекул, причем не одной, а разных аминокислот, образуя цепь они могут соединяться в различной последовательности, что приводит к огромному многообразию комбинаций аминокислотных остатков в полипептидных цепях.

Состав белков: содержание углерода – 50-55%; водорода – 6,5-7,3%; кислорода – 21,5-23,5%; азота – 15-18%. Также в состав белков входит селен, фосфор.

Классификация белков:

1) в зависимости от формы молекулы белка: глобулярные и фибриллярные;

2) по строению: простые (протеины) – при гидролизе распадаются до аминокислот и сложные (протеиды) – при гидролизе распадаются на аминокислоты и простетическую группу;

3) по растворимости: растворимые и не растворимые в солевых растворах;

4) по выполняемым функциям: белки выполняют каталитические функции (ферменты); регуляторные (гормоны); структурные (коллаген); двигательные; транспортные (гемоглобин); защитная (иммуноглобулин).

Их основное зна­чение заключается в незаменимости другими компонентами пи­щи. Белки составляют основу процессов жизнедеятельности орга­низма. Необходимость их постоянного обновления лежит в осно­ве обмена веществ.

Белки в организме выполняют структурную (построение тка­ней и клеточных компонентов) и функциональную (ферменты, гормоны, дыхательные пигменты и др.) роль.

Дефицит белка в пищевом рационе повышает восприимчи­вость организма к инфекционным заболеваниям, нарушает про­цессы «кроветворения», обмен липидов, витаминов и др. У детей при белковой недостаточности замедляются рост и умственное развитие.

Длительный избыток белка в питании также отрицательно сказывается на жизнедеятельности организма, вызывая перевозбудимость нервной системы, нарушение обменных процессов, пе­регрузку печени и почек.

В ежедневном рационе взрослого человека белки должны со­ставлять около 14% общей калорийности, сочетаясь в определен­ном соотношении с другими пищевыми веществами.

Известно, что растительные белки усваиваются организмом не полностью по сравнению с животными. Так, белки молока и яиц усваиваются на 96%, белки рыбы и мяса – на 95%, белки хлеба из муки пшеничной I и II сортов - на 85%, белки карто­феля, хлеба из обойной муки, бобовых - на 70%. Учитывая, что растительные белки менее полноценны по составу незаменимых аминокислот, чем животные, потребление определенного количе­ства животных белков совершенно необходимо. Для взрослого человека доля животных белков в среднем должна составлять около 55% общего количества белка в рационе.

Технологические свойства белков.

1. Белки – амфотерные соединения. При определенном значении ph=4,6-4,7 (изоэлектрическая точка белка) число положительных и отрицательных зарядов одинаково. Белки в данной точке электронейтральны, а их растворимость и вязкость наименьшая. Эту способность белка снижать растворимость при достижении электронейтральности широко используют в пищевой промышленности , например при производстве сыра и творога.

2. Гидратация белков. Белки присоединяют воду, то есть проявляют гидрофильные свойства, при этом они набухают, увеличивается их масса и объем, причем набухание может сопровождаться частичным растворением белков. На поверхности молекулы белка содержаться группы: карбоксинальная, аминная, пептидная, эти группы притягивают к себе молекулы воды и образуют защитную гидратную оболочку. В результате молекулы белков не могут соединяться друг с другом, то есть агрегироваться. В изоэлектрической точке данная оболочка разрушается, молекулы белков соединяются друг с другом, а эти агрегаты могут выпадать в осадок. При изменение среды макромолекулы белков становятся заряженными, их способность присоединять воду меняется, при ограниченном набухании белковые растворы образуют сложные смеси, называемые студнями. Набухший в воде белок пшеничной муки образует клейковину. Студни и клейковина обладают свойствами упругости и эластичности, пластичности и ползучести, т. е. свойствами твердого и жидкого тела. Свойство набухания играет большую роль в пищевой технологии (набухание зерна при замочке, муки при замесе теста).

3. Денатурация – это изменение пространственной ориентации белковой молекулы, не сопровождающееся разрывом ковалентных связей. Денатурация может вызываться повышением температуры, механическим и химическим воздействием, ультразвуком, ионизирующим облучением и другими факторами. При этом процессе изменяются физические свойства белка: уменьшается способность к гидратации, снижается растворимость, теряется его биологическая активность, меняется форма макромолекулы. Денатурация белков играет важную роль в технологических процессах, связанных с образованием структурных систем полуфабрикатов и готовых продуктов (хлеба, макаронных, кондитерских и других изделий).

4. Гидролиз белков. Протекает под действием ферментов ступенчато с образование промежуточных продуктов: пептонов, полипептидов, дипептидов, аминокислот. Процесс присоединения группы – OH - к карбоксильной группе.

5. Пенообразование – способность белков образовывать эмульсии в системе жидкость-газ, называемые пенами. Белки как пенообразователи широко используются при изготовлении многих кондитерских изделий.

6. Меланоидинообразование – это свойство объясняется взаимодействием аминогруппы белка с карбонильными группами сахаров. Эта реакция сопровождается образованием меланоидинов, то есть веществ, обладающих различным окрашиванием и ароматом.

Массовую долю белка в пищевых продуктах определяют по количеству общего азота методом Кьельдаля. С развитием фото - и спектрофотометрии были разработаны методы количественного определения белка, основанные на его способности давать окра­шенные соединения с некоторыми реагентами. Среди них следует отметить метод Лоури, биуретовый метод. Находят применение также физико-химические методы, в основу которых положены специфические свойства белка: образование различной степени помутнения в зависимости от концентрации белка в растворе сульфосалициловой кислоты (нефелометрический метод), способ­ность белка адсорбировать некоторые красители и другие свойства белка.

Все перечисленные методы могут быть отнесены к ускорен­ным. При относительно небольших затратах времени они харак­теризуются достаточно высокой точностью и простотой определе­ния. В настоящих методических указаниях изложены методы количест­венного определения белка: Кьельдаля, биуретовый, нефелометрический, рефрактометрический и метод формольного титрования.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Определение массовой доли белка методом Кьельдаля

Метод основан на минерализации навески продукта при нагревании с концентрированной серной кислотой в присутствии катализато­ров. При этом углерод и водород органических соединений окис­ляются до диоксида углерода и воды, азот, освобождаемый в ви­де аммиака , соединяется в колбе с серной кислотой, образуя сульфат аммония . Схематично происходящие реакции могут быть представлены следующим образом:

RCHNH2COOH +H2SO4 = СО2+ SO2 + H2O + NH3.

2NH3+ H2SO4-(NH4)2SO4.

На последующей стадии дистилляции раствор сульфата ам­мония обрабатывают концентрированным раствором гидроксида натрия, при этом аммиак освобождается и улавливается титро­ванным раствором серной кислоты. Избыток серной кислоты оттитровывают раствором гидроксида натрия. Метод Кьельдаля применяют в нескольких модификациях, отличающихся в основ­ном условиями минерализации. Для ускорения процесса вводят различные катализаторы: оксид меди, селен, свинец и другие, повышают температуру кипения серной кислоты добавлением со­лей, сульфата калия или натрия, сочетают добавление катализа­тора и солей при сжигании навески.

Методом Кьельдаля в любой модификации определяется ко­личество общего азота. Массовая доля белка вычисляется умно­жением полученной величины общего азота на переводной коэф­фициент 6,25, исходя из того, что в белках в среднем содержится 16% азота. Условность полученных результатов при таком пере­счете очевидна, так как не весь азот пищевого продукта находит­ся в форме белка и, кроме того, процентное содержание азота в белках подвержено колебаниям как в сторону повышения, так и в сторону понижения от 16%. В некоторых продуктах азотистые вещества небелкового характера достигают значительных коли­честв (мышечная ткань рыбы – 15%, мясо животных – 10–16% от общего количества азотистых веществ).

Следовательно, для получения более точных результатов не­обходимо либо при пересчете общего азота на белок использо­вать различные коэффициенты в зависимости от процентного со­держания азота в белках отдельных продуктов: мясо и овощи – 6,25; пшеница, рожь, горох и др. – 5,7; гречиха, рис – 6,0; моло­ко – 6,37 и т. д., либо белковый азот определять отдельно специ­альными методами.

Техника определения

В колбу Кьельдаля помещают последовательно несколько стеклянных бусинок или кусочков фарфора, около 10 г серно-кислого калия, 0,04 г серно-кислой меди. В бюксу с крышкой отмеривают 5 см3 молока, крышку закрывают и взвешивают. Молоко из бюксы переливают в колбу. Пустую бюксу вновь взвешивают и по разнице между массой бюксы с молоком и массой пустой бюксы устанавли­вают массу взятого молока. В колбу добавляют 20 см3 серной кислоты, вливая осторожно по стенкам колбы, смывая с них капли моло­ка. Колбу закрывают грушеобразной стеклянной пробкой и осторожно круговыми движениями перемешивают содержимое колбы.

Колбу ставят на нагревательный прибор в наклонном положении под углом 45° и осторожно нагревают.

Продолжают нагревание колбы до тех пор, пока не прекратится пенообразование и содержимое колбы не станет жидким.

Затем сжигание продолжают при более интенсивном нагрева­нии. Степень нагревания считают достаточной, когда кипящая кис­лота конденсируется в середине горловины колбы Кьельдаля.

Время от времени содержимое колбы перемешивают, смывая обуглившиеся частицы со стенок колбы. Нагревание продолжают до тех пор, пока жидкость не станет совершенно прозрачной и прак­тически бесцветной (при применении в качестве катализатора оки­си ртути) или слегка голубоватой (при применении и качестве катализатора серно-кислой меди).

После осветления раствора нагревание продолжают в течение 1,5 ч, после чего колбе дают остыть до комнатной температуры. Добавляют

150 см3 дистиллированной воды и несколько кусочков свежепрокаленной пемзы, перемешивают и снова охлаждают.

В коническую колбу отмеривают 50 см3 раствора борной кисло­ты, добавляют 4 капли индикатора и перемешивают. Коническую колбу соединяют с холодильником с помощью аллонжа и резино­вой пробки так, чтобы конец аллонжа был ниже поверхности раствора борной кислоты в конической колбе. Колбу Кьельдаля соеди­няют с холодильником при помощи каплеуловителя, проходящего через одну пробку с делительной воронкой. Градуированным ци­линдром отмеривают 80 см3 раствора гидроокиси натрия (при при­менении в качестве катализатора красной окиси ртути используют раствор гидроокиси натрия, содержащий сульфид натрия) и через делительную (или капельную) воронку вносят его в колбу Кьельдаля. Сразу же после выливания раствора закрывают кран делительной воронки для избежания потери образующегося аммиака.

Содержимое колбы Кьельдаля осторожно смешивают круговы­ми движениями и нагревают до кипения. При этом необходимо избегать пенообразования.

Продолжают перегонку до тех пор, пока жидкость не начнет вскипать толчками. При этом регулируют степень нагрева так, чтобы время дистилляции было не менее 20 мин. Убедиться в полноте перегонки аммиака можно путем дополнительной перегонки в новую порцию борной кислоты (20 см3) в течение 5 мин. Окраска раствора борной кислоты должна оставаться без изменения. При перегонке не допускают нагревание раствора борной кислоты в конической колбе. Слишком сильное охлаждение (ниже +10 °С) также нежелательно, так как оно может вызвать переброс жидкости из конической колбы в колбу Кьельдаля.

Перед окончанием перегонки опускают коническую колбу так, чтобы конец аллонжа оказался над поверхностью раствора борной кислоты, и продолжают перегонку в течение 1-2 мин.

Прекращают нагревание и отсоединяют аллонж. В коническую колбу смывают внешнюю и внутреннюю поверхности аллонжа не­большим количеством дистиллированной воды.

Титруют дистиллят раствором соляной кислоты до перехода зе­леного цвета в серый. При избытке титранта раствор приобретает фиолетовый цвет.

Параллельно проводят контрольный анализ так же, как и основ­ной, применяя 5 см3 дистиллированной воды вместо молока. Коли­чество повторностей контрольного анализа должно быть не ме­нее 5. Контрольный анализ проводится в каждой серии определе­ний количества белка и при каждой замене реактивов.

Проведение ускоренного анализа

В кварцевую пробирку помещают компоненты, указанные в пер­вом абзаце. Осторожно круговыми движениями перемешивают содержимое пробирки. Затем вносят в пробирку 20 см3 перекиси водорода, не допуская вспенивания.

Пробирку ставят в гнездо алюминиевого блока, помещенного на электроплитку. Устанавливают регулятор нагрева плитки в среднее положение. После прекращения вспенивания содержимого пробирки устанавливают регулятор нагрева плитки в положение, соответству­ющее максимуму. Нагревание продолжают до тех пор, пока жид­кость не станет прозрачной и бесцветной или слегка голубоватой. Затем пробирку охлаждают и присоединяют к перегонному аппара­ту (рис. 1).

https://pandia.ru/text/78/317/images/image002_143.gif" width="168" height="43 src=">,

где 1,4 – количество азота, эквивалентное 1 см3 раствора соляной кислоты с молярной концентрацией с (HCl)=0,1 моль/дм3, мг/см3; N – коэффициент, численно равный величине молярной концентрации раствора соляной кислоты, выраженный мг/см3; V1 – объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование дистиллята в основном анализе, см3;

V0 – объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование дистиллята в контрольном анализе, см3; 6,38 – коэффициент пересчета массовой доли общего азота на массовую долю общего белка; m – масса молока, взятая на анализ, г.

За окончательный результат испытания при анализе по Кьельдалю принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений, допускаемое расхождение между которыми не должно превышать 0,03%.

Определение массовой доли белка биуретовым методом

Спе­цифической реакцией на содержание белка является биуретовая реакция, так как ее дают полипептидные связи. Она получила свое название от производного мочевины - биурета, который об­разует в щелочном растворе медного купороса окрашенное комп­лексное соединение. Интенсивность окрашивания пропорциональ­на содержанию пептидных связей, а, следовательно, и концент­рации белка в растворе.

Биуретовую реакцию дают все белки, пептоны и полипепти­ды, начиная с тетрапептидов.

Эта реакция длительное время использовалась как качественная реакция на белок. В дальнейшем она стала применяться для количественного определения белка в различных объектах. Биуретовый метод применяют в различных модификациях, раз­личающихся условиями экстрагирования белка, способами вне­сения биуретового реактива и техникой колориметрирования.

Ниже приводится биуретовый метод определения массовой доли белка в муке в модификации Дженнингса, экспериментальная проверка которого выяви­ла ряд его преимуществ перед другими модификациями.

Биуретовый реактив – 15 см3 10 н. раствора КОН и 25 г сегнетовой соли, взятой с погрешностью ±0,01 г, растворяют примерно в 900 см3 дистиллирован­ной воды в мерной колбе вме­стимостью 1000 см3. Медленно добавляют при постоянном перемешивании 30 см3 4 %-ного раствора CuSO4, отмерен­ных цилиндром, и доводят объем колбы до метки дистил­лированной водой.

Техника определения

Взвешивают около 1,5 г муки с погрешностью ±0,001 г и помещают в сухую коническую колбу вместимостью 250-300 см3, снабженную пробкой. Отмеривают цилиндром с ценой деления 0,1 см3 под тягой 2 см3 четыреххлористого углерода для извлечения жира из образца, добавляют пи­петкой 100 см3 биуретового реактива. Закрытую пробкой колбу встряхивают на механическом встряхивателе в течение 60 мин. Далее вытяжку центрифугируют в течение 10 мин при частоте вращения

4500 мин-1. Прозрачный центрифугат помещают в кю­веты фотоэлектроколориметра с толщиной слоя раствора 5 мм. Измерение оптической плотности производят при длине волны 550 нм.

По величине оптической плотности белковой вытяжки опреде­ляют содержание белка в навеске (мг) с помощью калибровоч­ной кривой

(рис. 2). Рассчитывают массовую долю белка (в %) на сухие вещест­ва муки.

Запись в лабораторном журнале

Масса муки (m)……………………………………..г

Величина оптической плотности (D )

(по калибровочной кривой)(n/1000)………………г

Массовая доля белка в муке (M 1 )………………….. %

Массовая доля белка в 100 г сухих веществ(М)…%

Заключение

Построение калибровочной кривой – для по­строения калибровочной кривой подбирают образцы муки с раз­личной массовой долей белка в диапазоне, встречающемся в реальных условиях (от 8 до 20%). Интервал в содержании белка образцов должен находиться в пределах не более 1%. Количест­во образцов не должно быть менее 10. С увеличением их числа точность определений возрастает.

Затем приведенным выше методом Дженнингса определяют оптическую плотность белковых вытяжек всех образцов.

При построении кривой на оси абсцисс откладывают величи­ны оптической плотности, а на оси ординат – содержание белка в навеске в мг.

https://pandia.ru/text/78/317/images/image004_98.gif" width="412" height="341 src=">

Рис. 3. Калибровочная кривая (нефелометрический метод)

Рефрактометрический метод

Метод основан на установлении разности показателей преломления исследуемого вещества и раствора, полученного после осаждения белков раствором хлористого кальция при кипячении.

Техника определения

Отмеривают пипеткой 5 мл исследуемого вещества (молока) в пробирку, добавляют 5-6 капель 4%-ного раствора хлористого кальция. Пробирку закрывают пробкой и помещают в баню с кипящей водой на

10 мин. Затем содержимое фильтруют через складчатый фильтр. В прозрачном фильтрате, а также в исходном молоке определяют на рефрактометре показатель преломления при 200С. Содержание белка в молоке (в %) рассчитывают по формуле

,

0,002045 – коэффициент, позволяющий выразить полученную разность показателей преломления, % от общего белка.

Метод формольного титрования

Сущность реакции формалина на белок заключается в том, что альдегидная группа формалина взаимодействует с аминогруппой белка, которая теряет свои основные свойства, в связи с чем кислые свойства белка усиливаются. Количество титруемых карбоксильных групп будет эквивалентно количеству связанных формальдегидом аминных групп.

Схематично эти реакции могут быть представлены в следующем виде:

https://pandia.ru/text/78/317/images/image009_62.gif" width="564" height="156">

Образующаяся в этой реакции метиленаминокислота является сильной кислотой. Процесс титрования этой является сильной кислотой. Процесс титрования этой кислоты щелочью протекает таким образом:

https://pandia.ru/text/78/317/images/image011_54.gif" width="456" height="144">

Техника определения

Отмеривают пипеткой 10 мл исследуемого молока и вносят его в коническую колбу вместимостью 100 мл, добавляют 10-12 капель 1%-ного спиртового раствора фенолфталеина и титруют 0,1 н. раствором NaOH до слабо-розового окрашивания, не исчезающего при взбалтывании. После этого в колбу приливают из бюретки 2 мл 30-40%-ного раствора формалина, свежее нейтрализованного щелочью до слабо-розового окрашивания по фенолфталеину.

Содержимое колбы взбалтывают, молоко обесцвечивается, записывают показание бюретки и продолжают титрование до окраски жидкости, соответствующей окраске молока до прибавления формалина.

Показания бюретки вновь записывают и устанавливают количество миллилитров щелочи, пошедшее на второе титрование. Затем рассчитывают содержание белка в молоке.

V1 – количество 0,1 н. раствора NaOH, израсходованное до прибавления формалина, мл;

V2 – общее количество 0,1 н. раствора NaOH, израсходованное после прибавления формалина, мл;

(V2-V1) – количество 0,1 н. раствора NaOH, пошедшее на нейтрализацию карбоксильных групп, мл;

(V2-V1)·1,92 – общее количество белка в молоке, %;

(V2-V1)·1,51 – содержание казеина в молоке, %.

Примечание. 1,92 и 1,51 – экспериментально установленные коэффициенты для пересчета оттитрованных карбоксильных групп на процентное содержание белка в молоке.

Отчет о лабораторной работе оформляется каждым студентом. Текст пишется темными чернилами, эскизы могут выполняться карандашом, графики результатов экспериментов строятся в масштабе.

Название работы, цель работы, краткое содержание;

Краткие выводы по работе.

Законченные и оформленные отчеты студенты предъявляют преподавателю до начала выполнения следующей работы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каково значение белков для организма человека. Их классификация.

2. Свойства белков.

3. Каков принцип определения, белка по методу Кьельдаля и каковы его достоинства и недостатки?

4. В чем заключается принцип биуретового метода определения белка?

5. В чем заключается принцип нефелометрического метода определения белка?

6. В чем заключается принцип нефелометрического метода определения белка?

7. В чем заключается принцип рефрактометрического метода определения белка?

8. Методика определения белков в молоке методом формольного титрования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пищевая химия: Лабораторный практикум: учеб. пособие для вузов /

И др. СПб.: ГИОРД, 20с.

2. Лабораторный практикум по общей технологии пищевых производств / под ред. . М.: Агропромиздат,

3. Фалунина практикум по общей технологии пищевых продуктов / . М.: Пищевая промышленность, 19с.

4. Назаров технология пищевых производств /

М.: Легкая и пищевая технология, 19с.

5. Пищевая химия / , и

др.; под ред. . 4-е изд., исправ. и доп. СПб.: ГИОРД,

6. Руководство по методам анализа качества и безопасности пищевых продуктов / под ред. , . М.: Брандес, Медицина, 19с.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЕЛКОВ

В ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

Составили: РАМАЗАЕВА Людмила Федоровна

ПОЗДЕЕВА Марина Геннадьевна

ПАЧИНА Ольга Владимировна

Пищевой белок: Как определить недостаток белка?

Красота напрямую зависит от здоровья, и многие познания о влиянии тех или иных веществ на наш внешний вид мы впитали еще из детства. Так для ногтей, например, важен не только кальций, но и белок. Поэтому если вы хотите, чтобы ваш маникюр вызывал исключительно восхищение, стоит задуматься о том, нет ли недостатка белка в вашем рационе. Также от того, сколько пищевого белка в вашей тарелке, будет зависеть и состояние ваших волос, поэтому, пожалуй, стоит отнестись к вопросу серьезно.

Недостаток белка в организме

Белки являются одними из самых необходимых веществ в организме человека. Если о дефиците витаминов и минералов мы вспоминаем практически каждую весну, списывая хандру и усталость на «авитаминоз», то о том, что многие проблемы здоровья могут быть связаны с дефицитом качественного белка, мы задумываемся мало.

Многие говорят о том, что белок - это тяжелый продукт, и есть его надо ограниченно. А некоторые и вовсе его не едят - и вроде ничего плохого не происходит. Однако белок в организме выполняет жизненно важные функции, взять на себя которые не сможет ни один другой элемент. Для чего служит белок в организме человека?

Зачем нужны белки?

Белок является основой для строительства тела. Из белков состоят мышцы, ткани, внутренние органы, кровяные клетки, иммунные тела, а также волосы, ногти и клетки и белки кожи.

Пищевые белки в организме в кишечнике разбираются до «кирпичиков» аминокислот. Аминокислоты отправляются в печень для построения и синтеза собственных белков тела, но в организме есть часть аминокислот, которые тело может произвести само, а часть должны только поступать извне. Это незаменимые кислоты, но содержат их только животные белки, в растительных белках набор аминокислот беднее, поэтому они не считаются полноценными.

Еще одной важной функцией белка является его ферментная и обменная функция. Большая часть ферментов и гормонов - это чистый белок или соединение белка с другими веществами (ионами металлов, жирами, витаминами). При нехватке белков могут страдать некоторые виды обмена, особенно это заметно при ограничительных низкобелковых диетах.

Кроме того, белки выполняют транспортную функцию, то есть они переносят в клетки и из клеток важные вещества - ионы, питательные и другие вещества. Белки защищают наш организм от инфекций, так как антитела и защитные белки слизистых - это белковые молекулы.

Белки поддерживают нашу молодость и красоту - и это происходит благодаря своевременному обновлению молекул коллагена и эластина, которые не дают обезвоживаться, стареть нашей коже, препятствуют образованию морщинок.

Как определить у себя дефицит белка?

1. Посмотрите на себя в зеркало. Если у вас дряблые мышцы, отвисшая кожа, на лице есть морщинки, а вам еще нет тридцати - проблемы с белковым обменом у вас точно есть. Если вы активно тренируетесь, при этом практически не потребляете белков, соблюдая пост или низкобелковые диеты - у вас также есть проблемы с белковым обменом. Вам следует пересмотреть свое питание, если ваш вес более чем на 25% выше нормы, а если есть ожирение - и подавно. При недостатке белка обмен веществ замедляется, что снижает активность ферментов и гормонов, а это в итоге приводит к потере мышечной массы и набору вместо нее жировой.

2. Рассмотрите свои кожу, ногти и волосы, каково их состояние? Они практически полностью имеют белковое происхождение, и при его недостатке серьезно страдают. Если организм живет в условиях хронического дефицита белка, появляется дряблость и бледность кожи, ее дефекты, хрупкие волосы, слоящиеся и плохо отрастающие ногти.

3. Проблемы иммунитета - частые простуды, аллергии, дерматиты и гнойничковые высыпания. В основном они тоже связаны с дефицитом белков, иммунные клетки и антитела просто не из чего строить.

4. Могут быть расстройства пищеварения, запоры, общее недомогание, быстрая утомляемость, низкая устойчивость к стрессам.

Как пополнить запасы белка

Для того чтобы избежать проблем с белковым голоданием и нарушений, связанных с нехваткой белка в организме, необходимо провести ряд превентивных мер, прежде всего, касающихся питания и образа жизни.

1. Критически пересмотрите свое питание

Вам может казаться, что вы едите много мясного, но по факту эти продукты содержат очень мало качественного пищевого белка (а то и не содержат вовсе). Относительно причисляются к мясу и мясным продуктам такие традиционные продукты нашего стола как:

Вареные или копченые колбасы, сардельки и сосиски, даже сделанные по ГОСТу. Белка в них критически мало для полноценного обеспечения организма.

Полуфабрикаты с «мясом», магазинные котлеты, пельмени. Роль мяса там играют соевые белки и ароматизаторы.

Копченые окорока, рульки, рулеты и т.д. Мясо там проходит термические или маринадные обработки, качество его также страдает. Неизвестно также, где, как и из какого мяса это готовили, соблюдались ли элементарные санитарные нормы.

В качестве разнообразия изредка можно полакомиться этими продуктами, но использовать их часто не стоит - тем более как источник белка!

2. Выбирайте постные сорта мяса и нежирную рыбу

Жиры мешают полноценному усвоению белка. Самыми жирными являются семга, сом, гусь и утка, печень трески, свинина и говяжья грудинка. Самыми лучшими источниками белка являются курица без кожи, говядина, кролик, индейка, яйца, хотя растительным белком в виде бобовых, орехов и гречневой крупы также следует разнообразить свой рацион.

При этом самыми полезными способами приготовления мяса являются запекание в фольге, гриль, шашлык, приготовление на пару, тушение. Жарка мяса - самый вредный способ приготовления.

3. Ешьте белок отдельно

Белковую пищу следует есть отдельно от картофеля, крупы и без хлеба, так они усваиваются плохо. Лучше комбинировать мясо с овощами - свежими или тушеными, они помогут усвоить белок. Употребляйте белковую пищу до 6 вечера, так как переваривание ее в ночное время затруднено.

При этом не стоит перегружать организм белком, так как избыток белка приводит к процессам гниения в кишечнике и интоксикации продуктами метаболизма, запорам и чувству тяжести в животе.

Белки (синоним протеины ) - высокомолекулярные азотистые органические соединения, являющиеся полимерами аминокислот. Белки - основная и необходимая составная часть всех организмов.

Сухое вещество большинства органов и тканей человека и животных, а также большая часть микроорганизмов состоят главным образом из белков. Белковые вещества лежат в основе важнейших процессов жизнедеятельности. Так, например, процессы обмена веществ (пищеварение, дыхание, выделение и др.) обеспечиваются деятельностью ферментов (см.), являющихся по своей природе белками. К белкам относятся и сократительные структуры, лежащие в основе движения, напр, сократительный белок мышц (актомиозин), опорные ткани организма (коллаген костей, хрящей, сухожилий), покровы организма (кожа, волосы, ногти и т. п.), состоящие главным образом из коллагенов, эластинов, кератинов, а также токсины, антигены и антитела, многие гормоны и другие биологически важные вещества.

Роль белков в живом организме подчеркивается уже самим их названием «протеины» (греческий protos первый, первичный), предложенным Мульдером (G. J. Mulder, 1838), который обнаружил, что в тканях животных и растений содержатся вещества, напоминающие по своим свойствам яичный белок. Постепенно было установлено, что белки представляют собой обширный класс разнообразных веществ, построенных по одинаковому плану. Отмечая первостепенное значение белков для процессов жизнедеятельности, Энгельс определил, что жизнь есть способ существовании белковых тел, заключающийся в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел.

Химический состав и структура белков

Белки содержат в среднем около 16% азота. При полном гидролизе белки распадаются с присоединением воды до аминокислот (см.). Молекулы белков представляют собой полимеры, которые состоят из остатков около 20 различных аминокислот, относящихся к природному L-ряду, то есть имеющих одинаковую конфигурацию альфа-углеродного атома, хотя их оптическое вращение может быть неодинаковым и не всегда направленным в одну сторону. Аминокислотный состав разных белков неодинаков и служит важнейшей характеристикой каждого белка, а также критерием его ценности в питании (см. раздел Белки в питании). Некоторые белки могут быть лишены тех или иных аминокислот. Например, белки кукурузы- зеин не содержит лизина и триптофана. Другие белки, напротив, очень богаты отдельными аминокислотами. Так, протамин лосося - сальмин содержит свыше 80% аргинина, фиброин шелка - около 40% глицина (аминокислотный состав некоторых белков представлен в табл. 1).

Таблица 1. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ НЕКОТОРЫХ БЕЛКОВ (в весовых процентах аминокислот белка)

При неполном (обычно ферментативном) гидролизе белков, помимо свободных аминокислот, образуется ряд веществ с относительно небольшими молекулярными весами, называемых пептидами (см.) и полипептидами. В белках и пептидах аминокислотные остатки соединены между собой так называемой пептидной (кислотно-амидной) связью, образуемой карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты:

В зависимости от числа аминокислот такие соединения называют ди-, три-, тетрапептидами и т. д., например:

Длинные пептидные цепи (полипептиды), состоящие из десятков и сотен аминокислотных остатков, образуют основу структуры белковой молекулы. Многие белки состоят из одной полипептидной цепи, в других белках имеется две или более полипептидных цепей, соединенных между собой и образующих более сложную структуру. Длинные полипептидные цепи одинакового аминокислотного состава могут давать огромное число изомеров за счет различной последовательности отдельных аминокислотных остатков (подобно тому как из 20 букв алфавита можно составить множество различных слов и их сочетаний). Поскольку различные аминокислоты могут входить в состав полипептидов в разных соотношениях, число возможных изомеров становится практически бесконечным, и для каждого индивидуального белка последовательность аминокислот в полипептидных цепях является характерной и уникальной. Эта последовательность аминокислот определяет первичную структуру белка, которая в свою очередь определяется соответствующей последовательностью дезоксирибонуклеотидов в структурных генах ДНК данного организма. К настоящему времени изучена первичная структура многих белков, главным образом белковых гормонов, ферментов и некоторых других биологически активных белков. Последовательность аминокислот определяют путем ферментативного гидролиза беков и получения так называемых пептидных карт при помощи двухмерной хроматографии (см.) и электрофореза (см.). Каждый пептид исследуется на концевые аминокислоты до и после обработки аминополипептидазой - специфическим ферментом, последовательно отщепляющим аминоконцевые (N-концевые) аминокислоты, и карбоксиполипептидазой, отщепляющей карбоксиконцевые (С-концевые) аминокислоты. Для определения N-концевых аминокислот применяют реактивы, соединяющиеся со свободной аминогруппой концевой аминокислоты. Обычно используют динитрофторбензол (1-фтор-2,4-динитробензол), дающий динитрофенильное производное с N-концевой аминокислотой, которое затем может быть идентифицировано после гидролиза и хроматографического разделения гидролизата. Наряду с динитрофторбензолом, предложенным Сангером (F. Sanger), применяется также обработка фенилизотиоцианатом по Эдману (P. Edman). При этом с концевой аминокислотой образуется фенилтиогидантоин, который легко отщепляется от полипептидной цепи и может быть идентифицирован. Для определения С-концевых аминокислот применяют нагревание пептида в уксусном ангидриде с тиоцианатом аммония. В результате конденсации получается кольцо тиогидантоина, включающее радикал концевой аминокислоты, который затем легко отщепить от пептида и установить характер С-концевой аминокислоты. Последовательность аминокислот в белке устанавливают на основании последовательности пептидов, полученных с применением разных ферментов и с учетом специфичности каждого фермента, расщепляющего белок по пептидной связи, образованной определенной аминокислотой. Таким образом, определение первичной структуры белка представляет собой весьма кропотливую и длительную работу. Нашли успешное применение различные методы прямого определения последовательности аминокислот при помощи рентгеноструктурного анализа (см.) или путем масс-спектрометрии (см.) производных пептидов, получаемых при гидролизе белка разными ферментами.

Пространственно полипептидные цепи часто образуют спиральные конфигурации, удерживаемые при помощи водородных связей и образующие вторичную структуру белка. Чаще всего встречается так называемая а-спираль, в которой на один виток приходится 3,7 аминокислотных остатков.

Отдельные аминокислотные остатки в одной и той же или в разных полипептидных цепях могут быть соединены между собой при помощи дисульфидных или эфирных связей. Так, в молекуле мономера инсулина (рис. 1) дисульфидными связями соединены между собой 6 и 11-й остатки цистеина А-цепи и 7 и 20-й остатки цистеина А-цепи соответственно с 7 и 19-м остатками цистеина В-цепи. Такие связи придают полипептидной цепи, имеющей обычно спирализованные и неспирализованные участки, определенную конформацию, называемую третичной структурой белка.

Рис. 1. Схема аминокислотной последовательности в молекуле мономера инсулина быка. Вверху- цепь А, внизу- цепь В. Жирными линиями обозначены дисульфидные связи; в кружках - сокращенные названия аминокислот.

Под четвертичной структурой белка подразумевают образование комплексов из мономерных белковых молекул. Так, например, молекула гемоглобина состоит из четырех мономеров (двух альфа-цепей и двух бета-цепей). Четвертичная структура фермента лактатдегидрогеназы представляет собой тетрамер, состоящий из 4 мономерных молекул. Эти мономеры бывают двух типов: Н, характерный для сердечной мышцы, и М, характерный для скелетных мышц. Соответственно встречается 5 разных изоферментов лактатдегидрогеназы, представляющих собой тетрамеры из разных сочетаний этих двух мономеров - НННН, НННМ, ННММ, НМММ и ММММ. Структура белка определяет его биологические свойства, и даже небольшое нарушение конформации может весьма существенно отразиться на ферментативной активности или других биологических свойствах белка. Тем не менее наиболее важное значение имеет первичная структура белка, определяемая генетически и в свою очередь часто определяющая высшие структуры данного белка. Замена даже одного аминокислотного остатка в полипептидной цепи, состоящей из сотен аминокислот, может весьма существенно изменить свойства данного белка и даже полностью лишить его биологической активности. Так, например, гемоглобин, встречающийся в эритроцитах при серповидноклеточной анемии, отличается от нормального гемоглобина А лишь заменой остатка глутаминовой кислоты в 6-м положении р-цепи на остаток валина, то есть заменой лишь одной из 287 аминокислот. Однако этой замены достаточно для того, чтобы измененный гемоглобин обладал резко нарушенной растворимостью и в значительной мере утратил свою основную функцию переноса кислорода к тканям. С другой стороны, в строго определенной структуре инсулина (рис. 1) характер аминокислотных остатков в 8, 9 и 10-м положениях цепи А (между двумя остатками цистеина), по-видимому, не имеет существенного значения, поскольку эти три остатка обладают видовой специфичностью; в инсулине быка они представлены последовательностью ала-сер-вал, у овцы - ала-гли-вал, у лошади - тре-гли-иле, а в инсулине человека, свиньи и кита - тре-сер-иле.

Физико-химические свойства

Молекулярный вес большинства белков составляет от 10-15 тысяч до 100 тысяч, однако имеются белки с молекулярным весом 5-10 тысяч и несколько миллионов. Условно полипептиды с молекулярным весом ниже 5 тысяч относят к пептидам. Большинство белковых жидкостей и тканей организма (например, белки крови, яиц и др.) растворимы в воде или в растворах солей. Белки обычно дают опалесцирующие растворы, которые ведут себя как коллоидные. Имея в своем составе много гидрофильных групп, белки легко связывают молекулы воды и находятся в тканях в гидратированном состоянии, образуя растворы или гели. Многие белки богаты гидрофобными остатками и нерастворимы в обычных растворителях белков. Такие белки (например, коллаген и эластин соединительной ткани, фиброин шелка, кератины волос и ногтей) имеют фибриллярный характер, и их молекулы вытянуты в длинные волокна. Растворимые белки обычно представлены молекулами клубкообразной, глобулярной, формы. Однако разделение белков па глобулярные и фибриллярные не абсолютно, поскольку некоторые белки (например, актин мышц) способны обратимо превращаться из глобулярной конфигурации в фибриллярную в зависимости от условий среды.

Подобно аминокислотам белки являются типичными амфотерными электролитами (см. Амфолиты), то есть меняют свой электрический заряд в зависимости от pH среды. В электрическом поле белки движутся к аноду или к катоду в зависимости от знака электрического заряда молекулы, который определяется как свойствами данного белка, так и pH среды. Это движение в электрическом поле, называемое электрофорезом, применяют для аналитического и препаративного разделения белка, как правило различающихся по своей электрофоретической подвижности. При определенном pH, называемом изоэлектрической точкой (см.), неодинаковом для разных белков, число положительных и отрицательных зарядов молекулы равно друг другу, и молекула в целом электронейтральна и не движется в электрическом поле. Это свойство белка используется для их выделения и очистки методом изоэлектрической фокусировки, заключающемся в электрофорезе белка в градиенте pH, создаваемом системой буферных растворов. При этом можно подобрать такое значение pH, при котором нужный белок выпадает в осадок (поскольку растворимость белка в изоэлектрической точке наименьшая), а большинство «загрязняющих» белков останется в растворе.

Помимо pH, растворимость белков существенно зависит от присутствии и концентрации солей в растворе. Высокие концентрации солей одновалентных катионов (чаще всего применяют сернокислый аммоний) осаждают большинство белков. Механизм такого осаждения (высаливания) заключается в связывании ионами солей воды, образующей гидратную оболочку белковых молекул. Вследствие дегидратации растворимость белков понижается и они выпадают в осадок. Таков же механизм осаждения белков спиртами и ацетоном. Осаждение белков высаливанием или органическими жидкостями, смешивающимися с водой, применяют для разделения и выделения белков с сохранением их природных (нативных) свойств. При определенных условиях осаждения белки можно получить в кристаллическом виде и хорошо очистить от других белков и небелковых примесей. Ряд процедур такого рода применяют для получения кристаллических препаратов многих ферментов или других белков. Нагревание растворов белков до высокой температуры, а также осаждение белка солями тяжелых металлов или концентрированными кислотами, особенно трихлоруксусной, сульфосалициловой, хлорной, приводит к коагуляции (свертыванию) белка и образованию нерастворимого осадка. При таких воздействиях лабильные молекулы белка денатурируют, теряют свои биологические свойства, в частности ферментативную активность, становятся нерастворимыми в исходном растворителе. При денатурации нарушается нативная конфигурация белковой молекулы, и полипептидные цепи образуют беспорядочные клубки.

При ультрацентрифугировании белки осаждаются в поле ускорения центробежной силы со скоростью, зависящей главным образом от размеров белковых частиц. Соответственно для определения молекулярных весов белков применяют определение констант седиментации в ультрацентрифуге, а также скорости диффузии белков, фильтрование их через молекулярные сита, определение электрофоретической подвижности при электрофорезе в специальных условиях и некоторые другие методы.

Методы обнаружения и определения белков

Качественные реакции на белках основаны на их физико-химических свойствах или на реакциях определенных химических групп в молекуле белка. Однако, поскольку в состав молекулы белка входит большое количество разнообразных химических группировок, реакционная способность белков очень велика и ни одна из качественных реакций на белки не является строго специфичной. Заключение о присутствии белка может быть сделано лишь на основании совокупности ряда реакций. При анализе биологических жидкостей, например мочи, где могут появляться лишь определенные белки и известно, какие вещества могут мешать реакции, бывает достаточно даже одной реакции для установления присутствия или отсутствия белков. Реакции на белки подразделяют на реакции осаждения и цветные реакции. К первым относится осаждение концентрированными кислотами, причем в клинической практике чаще всего применяют осаждение азотной кислотой. Характерной реакцией является также осаждение белков сульфо-салициловой или трихлоруксусной кислотами (последняя часто применяется не только для обнаружения белков, но и для освобождения жидкостей от белков). Присутствие белков может быть обнаружено также но свертыванию при кипячении в слабокислой среде, осаждением спиртом, ацетоном и рядом других реактивов. Из цветных реакций весьма характерна биуретовая реакция (см.) - фиолетовое окрашивание с ионами меди в щелочной среде. Эта реакция зависит от присутствия в белках пептидных связей, образующих с медью окрашенное комплексное соединение. Название биуретовой реакции происходит от продукта нагревания мочевины биурета (H 2 N-CO-NH-CO-NH 2), являющегося простейшим соединением, дающим эту реакцию. Ксантопротеиновая реакция (см.) заключается в желтом окрашивании осадка белков при воздействии концентрированной азотной кислотой. Окрашивание появляется вследствие образования продуктов нитрования ароматических аминокислот, входящих в состав белковой молекулы. Реакция Миллона дает ярко-красное окрашивание с солями ртути и азотистой кислотой в кислой среде. На практике обычно используют азотную кислоту, которая всегда содержит небольшую примесь азотистой. Реакция специфична для фенольного радикала тирозина и поэтому получается только с белков, содержащими тирозин. Реакция Адамкевича обусловлена радикалом триптофана. Она дает фиолетовое окрашивание в концентрированной серной кислоте с уксусной к-той (см. Адамкевича реакция). Реакция получается при замене уксусной кислоты на различные альдегиды. При использовании уксусной кислоты реакция обусловлена глиоксиловой кислотой, содержащейся в уксусной как примесь. Количественно белки определяют обычно по белковому азоту, то есть по содержанию общего азота в осадке белков, отмытом от низкомолекулярных веществ, растворимых в осадителе. Азот в биохимических исследованиях и при клинических анализах обычно определяют методом Кьельдаля (см. Кьельдаля метод). Общее содержание белка в жидкостях часто определяют колориметрическими методами, в основе которых лежат разные модификации биуретовой реакции. Часто пользуются методом Лаури, в котором применяется реактив Фолина на тирозин в сочетании с биуретовой реакцией (см. Лаури метод).

Классификация белков

Из-за относительно больших размеров белковых молекул, сложности их строения и отсутствия достаточно точных данных о структуре большинства белков еще нет рациональной химической классификации белков. Существующая классификация в значительной мере условна и построена главным образом на основании физико-химических свойств белков, источников их получения, биологической активности и других, нередко случайных, признаков. Так, по физико-химическим свойствам белки делят на фибриллярные и глобулярные, на гидрофильные (растворимые) и гидрофобные (нерастворимые) и т. п. По источнику получения белки подразделяют на животные, растительные и бактериальные; на белки мышечные, нервной ткани, кровяной сыворотки и т. п.; по биологической активности - на белки-ферменты. белки-гормоны, структурные. Белки, сократительные белки, антитела и т. д. Следует, однако, иметь в виду, что из-за несовершенства самой классификации, а также вследствие исключительного многообразия белков многие из отдельных белков не могут быть отнесены ни к одной из описываемых здесь групп.

Все белки принято делить на простые, или протеины (собственно белки), и сложные, или протеиды (комплексы белков с небелковыми соединениями). Простые белки являются полимерами только аминокислот; сложные, помимо остатков аминокислот, содержат также небелковые, так называемые простетические группы.

Среди простых белков (протеинов) различают альбумины (см.), глобулины (см.) и ряд других белков.

Альбумины - легко растворимые глобулярные белки (например, альбумины сыворотки крови или яичного белка); растворяются в воде и солевых растворах с выпадением в осадок лишь при насыщении раствора сульфатом аммония.

Глобулины отличаются от альбуминов нерастворимостью в воде и выпадением в осадок при полунасыщении раствора сульфатом аммония. Глобулины обладают более высоким, чем альбумины, молекулярным весом и иногда содержат в своем составе углеводные группировки.

К протеинам относятся и растительные белки - проламины (см.), встречающиеся обычно совместно с глютелинами (см.) в семенах злаков (рожь, пшеница, ячмень и др.), образуя основную массу клейковины. Эти белки растворимы в 70-80% спирте и нерастворимы в воде; они богаты остатками пролина и глутаминовой кислоты. К проламинам относятся также глиадин пшеницы, зеин кукурузы, гордеин ячменя.

Склеропротеины (протеинонды, альбуминоиды) - структурные белки, нерастворимые в воде, в разведенных щелочах, кислотах и солевых растворах. К ним относятся фибриллярные белки главным образом животного происхождения, весьма устойчивые к перевариванию пищеварительными ферментами. Эти белки подразделяют на белки соединительной ткани: коллаген (см.) и эластин (см.); белки покровов - волос, ногтей и копыт, эпидермиса- кератины (см.), для которых характерно высокое содержание серы в виде остатка аминокислоты - цистина; белки коконов и других секретов шелкоотделительных желез насекомых (например, паутины) - фиброин (см.), состоящие более чем наполовину из остатков глицина и аланина.

Особую группу протеинов составляют протамины (см.) - сравнительно низкомолекулярные белки основного характера (в отличие от альбуминов, глобулинов и других тканевых белков, имеющих изоэлектрическую точку обычно в слабокислой среде). Протамины встречаются в сперме некоторых рыб и других животных и состоят более чем наполовину из диаминомонокарбоновых кислот. Так, протамины сельди - клупеин и лосося - сальмин содержат около 80% аргинина. Другие протамины содержат, помимо аргинина, также лизин или лизин и гистидин.

Рис. 2. Общая схема биосинтеза белка. Аминокислоты (1), взаимодействуя с АТФ, активируются, образуя аминоациладенилаты (2); последние под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы соединяются с транспортными РНК, или тРНК (3), и в виде комплекса аминоацил-тРНК (4) поступают в рибосомы, соединенные с мРНК, или полисомы (5). Полисомы образуются путем присоединения к мРНК сначала малой субчастицы (6), а затем и большой субчастицы (7) рибосом. В рибосоме (8), соединенной с мРНК, к мРНК присоединяются две аминоацил-тРНК, в результате чего между ними образуется пептидная связь. Таким образом происходит рост полипептидной цепи (9), которая освобождается по завершении ее синтеза (10) и далее трансформируется в белок (11).

Биосинтез белков протекает во всех клетках живых организмов и обеспечивает обновленце белков организма, процессы обмена веществ и их регуляцию, а также рост и дифференцировку органов и тканей. Белки синтезируются в тканях из свободных аминокислот при участии нуклеиновых кислот (см.). Процесс биосинтеза белков протекает с потреблением энергии, аккумулированной в виде АТФ (см. Аденозинфосфорные кислоты). При биосинтезе белков обеспечивается образование определенных белков строго специфической структуры, которая закодирована в структурных генах (цистронах) дезоксирибонуклеиновой кислоты, находящейся главным образом в хроматине ядер клеток (см. Генетический код). Информация, определяющая первичную структуру белков, передается на особый тип рибонуклеиновых кислот (РНК), называемых информационными, или матричными, РНК (мРНК), в виде комплементарной последовательности нуклеотидов. Этот процесс получил название транскрипции. мРНК соединяется с рибосомами (см.), представляющими собой рибонуклеопротеидные гранулы, более чем наполовину состоящие из особой рибосомной РНК (рРНК), синтезируемой также на специальных цистронах (генах) ДНК. Рибосомы состоят из двух субчастиц, на которые они способны обратимо диссоциировать при понижении концентрации ионов магния. Большая и малая субчастицы рибосом содержат но одной молекуле РНК с молекулярной массой соответственно около 1,7×10 6 и 0,7×10 6 и по нескольку десятков молекул белков. Соединившись с рибосомами, мРНК образует полирибосомы, или полисомы, на которых и происходит синтез полипептидных цепочек, образующих первичную структуру белков. Прежде чем соединиться с рибосомами аминокислоты активируются, затем соединяются с низкополимерными РНК-переносчиками, или транспортными РНК (тРНК) в виде комплексов, с которыми они и поступают в рибосомы. Общая схема биосинтеза белков представлена на рис. 2.

Активация аминокислот происходит при взаимодействии их с АТФ с образованием аминоациладенилата и освобождением пирофосфата: аминокислота + АТФ = аминоациладенилат + пирофосфат. Аминоациладенилат представляет собой смешанный ангидрид, образованный остатком фосфорной к-ты аденозинмонофосфата и карбоксильной группой аминокислоты, и является активированной формой аминокислоты. С аминоациладенилата остаток аминокислоты переносится на тРНК, специфичную для каждой аминокислоты, и в виде аминоацил-тРНК поступает в рибосомы. Образование аминоациладенилата и перенос аминокислотного остатка на тРНК катализируются одним и тем же ферментом (аминоациладенилатсинтетазой, или аминоацил-тРНК-синтетазой), строго специфичным для каждой аминокислоты и каждой тРНК. Все тРНК имеют сравнительно небольшой молекулярный вес (около 25 000) и содержат около 80 нуклеотидов. Они имеют крестообразную конфигурацию, напоминающую клеверный лист, причем нуклеотидная цепь образует двунитчатую структуру, удерживаемую комплементарными основаниями, и переходит в однонитчатую только в области петель. Начало нуклеотидной цепи, обычно представленное 5"-гуаниловым нуклеотидом, находится вблизи концевой, часто обменивающейся группировки из двух остатков цитидиловой кислоты и аденозина со свободной 3"-OH-группой, к которой и присоединяется остаток аминокислоты. На петле, находящейся у противоположного конца молекулы тРНК, имеется триплет оснований, комплементарный к триплету, кодирующему данную аминокислоту (кодону), и называемый антикодоном. Нуклеотидная последовательность многих тРНК уже установлена, известна и их полная структура.

Определенная последовательность аминокислот в первичной структуре синтезируемой полипептидной цепи обеспечивается информацией, записанной в последовательности нуклеотидов мРНК, отражающей соответствующую последовательность в цистронах ДНК. Каждая аминокислота кодируется определенными триплетами нуклеотидов мРНК. Эти триплеты (кодоны) представлены в табл. 2. Их расшифровка позволила установить нуклеотидный код РНК, или аминокислотный код, то есть способ, при помощи которого происходит трансляция, или перевод информации, записанной в последовательности нуклеотидов РНК в первичную структуру белков, или последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Таблица 2. РНК-АМИНОКИСЛОТНЫЙ КОД

Примечание: У - уридиловая кислота, Ц - цитидиловая кислота, А - адениловая кислота, Г - гуаниловая кислота. Три буквы обозначают соответствующий аминокислотный остаток: напр.. Фен - фенилаланин. Иле - изолейцин, Глу - глутаминовая кислота, Глн - глутамин и т. п. Триплеты УАА, УАГ, УГА не кодируют аминокислот, но определяют терминацию полипептидной цепи.

Как видно из таблицы, из 64 возможных триплетов (61 кодируют определенные аминокислоты, то есть являются «смысловыми». Три триплета - УДА, УАГ и УГА - не кодируют аминокислот, однако их роль заключается в завершении (терминации) синтеза растущей полипептидной цепочки. Код является вырожденным, то есть почти все аминокислоты кодируются более чем одним триплетом нуклеотидов. Так, 3 аминокислоты - лейцин, аргинин и серии - кодируются шестью кодонами, 2 - метионин и триптофан - имеют только по одному кодону, а остальные 15 - от 2 до 4. Процесс трансляции осуществляется при помощи тРНК, нагруженных аминокислотами. Аминоацил-тРНК присоединяется своим комплементарным триплетом (антикодоном) к кодону мРНК в рибосоме. К соседнему кодону мРНК присоединяется другая аминоацил-тРНК. Первая тРНК при этом присоединяет свой аминокислотный остаток карбоксильным концом к аминогруппе второй аминокислоты, с образованием дипептида, а сама освобождается и отделяется от рибосомы. Далее, по мере продвижения рибосомы но цепи мРНК от 5"-конца к З"-концу, присоединяется третья аминоацил-РНК; происходит соединение дипептида карбоксильным концом с аминогруппой третьей аминокислоты с образованием трипептида и освобождением второй тРНК и так до тех пор, пока рибосома не пройдет весь участок, кодирующий данный белок на мРНК, соответствующий цистрону ДНК. Затем происходит терминация синтеза белков, и образовавшийся полипептид освобождается от рибосомы. За первой рибосомой в полисоме следует вторая, третья и т. д., которые последовательно считывают информацию на одной и той же нити мРНК в полисоме. Таким образом, рост полипептидной цепи происходит с N-конца к карбоксильному (С-) концу. Если подавить синтез белков, например, при помощи антибиотика пуромицина, то можно получить недостроенные полипептидные цепи с незавершенным на разных этапах С-концом. Аминоацил-тРНК присоединяется сначала к малой рибосомной субчастице, а затем переносится на большую субчастицу, на которой и происходит рост полипептидной цепочки. Согласно гипотезе А. С. Спирина во время работы рибосомы при биосинтезе белков происходит повторяющееся смыкание и размыкание субчастиц рибосом. Для воспроизведения синтеза белков вне организма, помимо рибосом, мРНК и аминоацил-тРНК, необходимо присутствие гуанозинтрифосфата (ГТФ), который расщепляется до ГДФ и снова регенерирует в процессе роста поли пептидной цепи. Необходимо также присутствие нескольких белковых факторов, выполняющих, по-видимому, ферментативную роль. Эти так называемые трансферные факторы взаимодействуют друг с другом и для своей активности требуют присутствия сульфгидрильных групп и ионов магния. Помимо собственно трансляции (то есть роста полипептидной цепи в определенной последовательности, соответствующей структурному гену ДНК и передаваемой последовательностью нуклеотидов в мРНК), особую роль играет начало (или инициация) трансляции и завершение (или терминация) ее. Инициация белкового синтеза в рибосоме, по крайней мере в бактериях, начинается с особых кодонов - инициаторов в мРНК - АУГ и ГУГ. Сначала с таким кодоном связывается малая субчастица рибосомы затем к ней присоединяется формилметионил-тРНК, с которой и начинается синтез полипептидной цепи. В силу особых свойств этой аминоацил-тРНК она способна переноситься на большую субчастнцуг подобно пептидил-тРНК, и таким образом начинать рост полипептидной цепи. Для инициации необходимы ГТФ и белковые факторы инициации (известно три). Терминация роста полипептидной цепи происходит на «бессмысленных» кодонах УАА, УАГ или УГА. По-видимому, эти кодоны связываются с особым белковым фактором терминации, который в присутствии еще одного фактора способствует освобождению полипептида.

Компоненты системы биосинтеза белков синтезируются главным образом в клеточном ядре. На матрице ДНК в процессе транскрипции происходит синтез всех типов РНК. участвующих: в этом процессе: рРНК, мРНК и тРНК. Так, рРНК и мРНК синтезируются в виде очень больших молекул и еще в клеточном ядре проходят процесс «созревания», в ходе которого часть (весьма значительная для мРНК) молекул отщепляется и подвергается распаду, не выходя в цитоплазму, а функционирующие молекулы, являющиеся частью первоначально синтезированных, поступают в цитоплазму к местам белкового синтеза. Прежде чем попасть в состав полисом, мРНК, по-видимому, с момента синтеза связывается с особыми белковыми частицами, «информоферами», и в виде рибонуклеопротеидного комплекса переносится к рибосомам. Рибосомы, очевидно, также «дозревают» в цитоплазме, часть белков присоединяется к предшественникам рибосом, выходящим из ядра, уже в цитоплазме. Следует отметить, что у низших, безъядерных организмов (прокариотов), к которым относятся бактерии, сине-зеленые водоросли и вирусы, имеются некоторые отличия от высших организмов в компонентах системы биосинтеза белков, и в особенности в его регуляции. Рибосомы у прокариотов несколько меньше по размерам и отличаются по составу, процесс транскрипции и трансляции непосредственно связан в одно целое. Вместе с тем у высших ядерных организмов (эукариотов) образование РНК происходит и в органеллах цитоплазмы, митохондриях и хлоропластах (у растений), обладающих собственной системой синтеза белка и собственной генетической информацией в виде ДНК. По своему устройству система белкового синтеза в митохондриях и хлоропластах аналогична таковой у прокариотов и существенно отличается от системы, имеющейся в ядре и цитоплазме высших животных и растений.

Регуляция биосинтеза белков представляет весьма сложную систему и позволяет клетке быстро и четко реагировать на изменения в окружающей клетку среде путем прекращения или индукции синтеза различных белков, часто обладающих ферментативной активностью. У бактерий подавление синтеза белков осуществляется главным образом при помощи особых белков - репрессоров (см. Оперон), синтезируемых специальными генами-регуляторами. Взаимодействие репрессора с метаболитом, поступающим из среды или синтезируемым в клетке, может подавить или, наоборот, активировать его, регулируя таким образом синтез одного белка или нескольких взаимосвязанных белков, в особенности ферментов, синтезирующихся также взаимосвязанно на одном опероне. У высших организмов в процессе дифференцировки ткани теряют способность к синтезу ряда белков и специализируются на синтезе меньшего числа белков, необходимых для функции данной ткани, например мышц. Такое блокирование синтеза ряда белков происходит, по-видимому, на уровне генома (см.) при помощи ядерных белков - гистонов (см.), связывающих нефункциональные участки ДНК. Однако при регенерации, злокачественном росте и других процессах, связанных с дедифференцировкой, такие заблокированные участки могут дерепрессироваться и поставлять мРНК для синтеза необычных для данной ткани белков. Тем не менее и у высших организмов имеет место регуляция синтеза белков в ответ на те или иные стимулы. Так, действие ряда гормонов заключается в индукции синтеза белков в ткани, являющейся «мишенью» данного гормона. Такая индукция, по-видимому, происходит путем связывания гормона с особым белком данной ткани и активацией гена посредством образованного комплекса.

Процесс биосинтеза белков и его регуляция требуют чрезвычайной четкости, точности и слаженности работы всех компонентов системы. Даже небольшие нарушения этой точности приводят к нарушению первичной структуры белков и тяжелым патологическим последствиям. Генетические нарушения, например, замена или потеря одного нуклеотида в структурном гене, приводят к синтезу измененного белка, нередко лишенного биологической активности. Такие изменения лежат в основе врожденных нарушений обмена веществ, к которым, по существу, относятся все наследственные болезни (см.). С другой стороны, целый ряд белков и ферментов может различаться не только у разных биологических видов, но и у разных индивидуумов, сохраняя при этом свою биологическую активность. Нередко такие белки обладают разными иммунологическими и электрофоретическими свойствами. В популяциях человека описаны многие примеры так называемого полиморфизма белков, когда у разных индивидуумов, а иногда и у одного и того же индивидуума можно обнаружить два или несколько неодинаковых белков, обладающих одной и той же функцией, как, например, гемоглобин (см.), гаптоглобин (см.) и некоторые другие.

Белки в питании

Среди многочисленных пищевых веществ белкам принадлежит наиболее важная роль. Они являются источниками незаменимых аминокислот и так называемого неспецифического азота, необходимых для синтеза белков человеческого организма. Выраженная недостаточность белков в питании приводит к тяжелым нарушениям функции организма (см. Алиментарная дистрофия). От уровня снабжения белками в большой степени зависит состояние здоровья, физического развития и- работоспособности человека, а у детей раннего возраста в определенной мере и умственное развитие. Если учесть все производимые для питания растительные и животные белки, то в среднем на каждого жителя Земли придется около 58 г в день. В действительности более половины населения, особенно развивающихся стран, не получает этого количества белка. Глобальный дефицит пищевого белка должен быть отнесен к числу наиболее острых экономических и социальных проблем современности (см. Кризис белковый). В связи с этим установление оптимальных уровней содержания белка в пищевых рационах приобретает первостепенную важность.

В наибольших количествах белки требуются в периоды интенсивного роста. Однако и в организме, достигшем зрелости, процессы жизнедеятельности связаны с непрерывной тратой белковых веществ и, следовательно, необходимостью воспол нения этих потерь с пищей. В соответствии с рекомендациями Экспертной группы ФАО/ВОЗ расчет потребности в белковом азоте следует проводить по формуле: R=1,1(U b +F b +S+G), где R - потребность в белковом азоте; U b - выделение азота с мочой; F b - выделение азота с калом; S - потеря азота за счет десквамации эпидермиса, роста волос, ногтей, выделения азота с потом при неинтенсивном потении; G - удержание азота в процессе роста (расчет ведется на 1 кг массы в день).

Коэффициент 1,1 отражает добавочные траты белков (в среднем 10%), возникающие в результате стрессовых реакций и неблагоприятных воздействий на организм. Границы индивидуальных вариаций потребностей в белках принимаются равными ±20%. Официальные рекомендации экспертной группы ФАО/ВОЗ отражены в табл. 3.

Таблица 3. СРЕДНЕСУТОЧНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В БЕЛКАХ (при условии его полного усвоения)*

• Величина потребности в азоте умножена на коэффициент 6,25.

Очевидно, что приведенные величины но соответствуют оптимальному снабжению человека белками и должны быть отнесены к минимальному уровню их содержания в рационе, при несоблюдении которого неизбежно сравнительно быстрое развитие серьезных последствий белковой недостаточности. Фактическое потребление белков в большинстве экономически развитых стран в 1,5 и даже 2 раза выше приведенных цифр. Согласно концепции сбалансированного питания, оптимальная потребность человека в белках зависит от многих факторов, включая физиологические особенности организма, качественную характеристику пищевых белков и содержание в рационе других пищевых веществ.

В СССР величины потребностей населения в белках зафиксированы в официально утверждаемых Министерством здравоохранения физиологических нормах питания, которые периодически пересматриваются и уточняются. Физиологические нормы питании являются средними ориентировочными величинами, отражающими оптимальные потребности отдельных групп населения в основных пищевых веществах и энергии (табл. 4).

В них предусматриваются дифференциация потребностей в белках, в зависимости от пола, возраста, характера труда и т. д. Рекомендуемые величины рассчитаны на основании изучения особенностей белкового обмена и азотистого баланса у соответствующих групп населения, причем они значительно выше минимальных потребностей в белках, необходимых для поддержания азотистого равновесия. Избыток белков необходим дли обеспечения дополнительных трат организма, связанных с физическими и нервными нагрузками, неблагоприятными воздействиями внешней среды, а также для поддержания оптимального иммунологического статуса. Специально выделены в нормах величины потребления наиболее ценных белков животного происхождения.

Физиологические нормы питания являются основой планирования производства тех или иных пищевых продуктов. При оценке полезности отдельных белковых продуктов учитывается их аминокислотный состав, степень перевариваемости ферментами пищеварительного тракта и интегральные показатели усвояемости, установленные в результате биологических экспериментов. На практике с определенной степенью условности белковые продукты делят на две группы. К первой относят продукты животного происхождения: молоко, мясо, яйца, рыбу, белки которых легко и полностью усваиваются организмом человека; ко второй - большинство продуктов растительного происхождения, в частности пшеницу, рис, кукурузу и другие злаковые, белки которых усваиваются организмом не полностью. Условность подобного деления подчеркивается высокой биологической ценностью ряда белков растительного происхождения (картофеля, гречихи, сои, подсолнечника) и низкой биологической ценностью белков некоторых животных продуктов (желатины, кожи, сухожилий и др.). Причины низкой усвояемости фибриллярных белков (кератина, эластина и коллагенов) заключаются в особенностях их третичной структуры и трудности переваривания ферментами пищеварительного тракта. С другой стороны, усвоение ряда белков растительного происхождения может зависеть от структуры растительных клеток и возникающих трудностей в контактировании белков с пищеварительными ферментами.

Полнота использования отдельных белков человеком или их биологическая ценность и первую очередь определяются степенью соответствия их аминокислотного состава дифферинцированным потребностям организма и в какой-то степени аминокислотному составу тела. Огромное разнообразие встречающихся в природе белков в основном построено из 20 аминокислот, 8 из них (триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин и фенилаланин) незаменимы для человека, так как не могут быть синтезированы в тканях организма (см. Аминокислоты). Дли маленьких детей девятой незаменимой аминокислотой является гистидин. Остальные аминокислоты относятся к числу заменимых и могут расцениваться в питании главным образом как поставщики неспецифического азота. Установлено, что лучшее усвоение белков пищи достигается при сбалансировании ее аминокислотного состава с «идеальными» аминокислотными шкалами. В качестве подобной шкалы в 1957 году была предложена так называемая предварительная аминокислотная шкала ФАО. Позднее было доказано, что содержание в ней ряда аминокислот, особенно триптофана и метионина, определено не вполне точно. В соответствии с результатами биологических исследований в качестве оптимальных в последние годы рекомендованы шкалы аминокислотного состава белков куриных яиц и женского молока. Белки этих двух продуктов самой природой предназначены для питания развивающихся организмов и практически полностью утилизируются как в опытах на экспериментальных животных, так и при использовании в питании детей раннего возраста.

Для определения соответствия аминокислотного состава белков потребностям человека предложен ряд индексов, каждый из которых имеет лишь ограниченную ценность. В их числе следует упомянуть индекс Н/О, отражающий отношение суммы незаменимых аминокислот (Н в мг) к общему содержанию азота белков (О в г), который помогает определению соотношении азота незаменимых, или эссенциальных, аминокислот и неспецифического азота. Чем ниже величина Н/О тем выше содержание неспецифического азота. Для белков молока и яиц этот индекс сравнительно высок - 3,1-3,25, для мяса - 2,79-2,94; для пшеницы - 2. Большое значение придается показателю аминокислотного скора, позволяющему получить более полное суждение о биологической ценности белка на основании его хим. состава.

Метод скора основан на подсчете в исследуемом продукте процента обеспечения каждой из незаменимых аминокислот по сравнению с идеальными аминокислотными шкалами.

С этой целью для каждой из эссенциальных аминокислот исследуемого белка рассчитывается величина I иссл, равная А иссл /Н иссл, отражающая отношение каждой незаменимой аминокислоты (А в мг) к сумме незаменимых аминокислот (Н в г); полученная цифра сопоставляется с величиной I ст, равной А ст /Н ст для той же аминокислоты, рассчитанной по стандартной шкале. В результате деления величин Iиссл на Iст и умножения на 100 получают показатель аминокислотного скора для каждой из незаменимых аминокислот. Лимитирующей биологическую ценность исследуемого белка является аминокислота, показатель аминокислотного скора для которой является наименьшим. В качестве стандартных шкал наряду с предварительной шкалой ФАО используют аминокислотные шкалы куриных яиц и женского молока (табл. 5).

Таблица 5. СТАНДАРТНЫЕ АМИНОКИСЛОТНЫЕ ШКАЛЫ

В соответствии с показателями аминокислотного скора (табл. 6) наименьшей биологической ценностью обладают белки ряда злаковых, особенно пшеницы (50%; лимитирующие аминокислоты - лизин и треонин); кукурузы (45%; лимитирующие аминокислоты - лизин и триптофан); проса (60%; лимитирующие аминокислоты - лизин и треонин); гороха (60%; лимитирующие аминокислоты - метионин и цистин). Показатель аминокислотного скора лимитирующей аминокислоты устанавливает предел использования азота данного вида белка для пластических целей. Избыток других содержащихся в белке аминокислот может использоваться только как источник неспецифического азота или для энергетических нужд организма. Метод изучения аминокислотного состава является одним из основных способов оценки качества белков. Обычно он позволяет получить показатели усвояемости, близкие по отношению к результатам более длительных и дорогостоящих методов биологического определения ценности белков. В то же время установление в ряде случаев достоверных расхождений между указанными показателями заставляет прибегать при исследовании новых белковых продуктов к интегральным методам биол. оценки как на лабораторных животных, так и непосредственно на людях. Эти методы основаны на изучении в балансовых опытах полноты использования отдельных белков растущими животными (показатель белковой эффективности рациона), соотношения удерживаемого организмом азота к азоту, адсорбированному из кишечника (показатель биол. ценности), отношения адсорбированного азота к общему азоту пищи (показатель истинной переваримости) и т. п. При постановке исследований по изучению биол, ценности белка обязательным является достаточно калорийное обеспечение рациона, его сбалансирование по всем незаменимым факторам питания(см. Сбалансированное питание) и сравнительно низкий уровень белков - в пределах 8- 10% от общей калорийности (см. Обмен веществ и энергии). Сопоставление показателей аминокислотного скора и утилизации белка, определенной в опытах на экспериментальных животных для некоторых продуктов, представлено в табл. 6.

Таблица 6. СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АМИНОКИСЛОТНОГО СКОРА И УТИЛИЗАЦИИ БЕЛКА

Важным преимуществом биологических методов оценки белков является их интегральность, дающая возможность учитывать весь комплекс свойств продуктов, влияющих на усвояемость входящих в них белков. Изучая биологическую ценность отдельных белков, не следует забывать, что практически во всех рационах питания используются не отдельные белки, а их комплексы, причем, как правило, различные белки взаимно дополняют друг друга, обеспечивая некоторые средние показатели усвоения белкового азота. При достаточно разнообразных смешанных диетах показатель переваримости белков рационов питания сравнительно постоянен и приближается к 85%, что нередко используется при проведении практических расчетов.

Рис. 2. Реакция Даниэлли на белки, содержащие тирозин, триптофан, гистидин в ушке сердца.

В основе гистохимических методов выявления белков лежат, как правило, биохимические методы, приспособленные для определения белков в тонких тканевых срезах. Следует иметь в виду, что биохимическая реакция может быть использована как гистохимическая в том случае, если продукт реакции имеет устойчивую цветную окраску, выпадает в осадок и не обладает выраженной склонностью к диффузии. Гистохимические методы выявления белков в тканях базируются на выявлении определенных аминокислот, входящих в состав белков (например, реакция Миллона на тирозин, реакция Сакагуши на аргинин, реакция Адамса на триптофан, реакция тетразониевого сочетания на гистидин, тирозин, триптофан и т. д.), на выявлении определенных химических групп (NH 2 =,COOH - ,SH=,SS = и т. п.), на применении некоторых физико-химических методов (цветн. рис. 1-3), определении изоэлектрической точки и т. д. Наконец, выяснить наличие в тканевом срезе некоторых аминокислот можно косвенным путем, определив наличие в тканях ферментов, связанных с этими аминокислотами (например, оксидазы D-аминокислот). Некоторые простые белки (коллаген, эластин, ретикулин, фибрин) выявляются в срезах с помощью многочисленных гистологических методов, среди которых предпочтительными являются так называемые полихромные методы (метод Маллори и его модификации, орсеинпикрофуксиновый метод Ромейса и др. Выявляются белки и при использовании методов люминесцентной микроскопии. Локализацию белков в тканях (миозинов, альбуминов, глобулинов, фибрина и т. д.) можно получить при помощи метода меченых антител по Кунсу и др. Эти методы и их модификации позволяют достаточно точно идентифицировать и определить локализацию отдельных белков, отличающихся друг от друга содержанием тех или иных аминокислот. Разрабатываются методы количественного определения белков, например, метод определения белков непрямой реакцией меченых антител, а также определения SH-групп по методу Барнетта и Зелигмана (см. Аминокислоты , гистохимические методы выявления аминокислот). Все упомянутые выше методы выявления белков в тканях обладают достаточной специфичностью и дают вполне достоверные результаты. Фиксация тканевого материала при использовании названных методов различна. Наиболее подходящими фиксаторами в большинстве случаев следует считать этиловый или метиловый спирт, обезвоженный ацетон, смесь этилового спирта с формалином, раствор трихлоруксусной кислоты на спирте, в некоторых случаях (для протеидов передней доли гипофиза) применяется формалин. Выбор фиксатора зависит от метода, время фиксации - от общего количества и характера ткани. Можно использовать криостатные или парафиновые срезы.

Радиоактивные белки

Радиоактивные белки - белковые вещества, в молекуле которых содержится один или несколько атомов радиоактивных изотопов каких-либо элементов. При радиоактивном мечении белков необходимо обеспечить прочность и возможно большую сохранность белковой молекулы. В качестве радиоактивной метки белков для биохимических экспериментальных исследований используются главным образом изотопы 3 Н и 14 С; при получении радиофармацевтических препаратов на основе белков применяют изотопы йода - 125 I и 131 I, а также изотопы 111 In, 113m In , 99м Tc и др. Введение изотопов йода в белки основано на электрофильном замещении водорода на йод в фенольном ядре тирозина молекулы белка или пептида. Меченый белок очищают от несвязанного йодида и других примесей (путем гельфильтрации, диализа, адсорбции, ионообмена, изоэлектрического осаждения и др.). Если белки не содержит тирозина, для проведения йодирования в него вводят содержащие радиоактивный йод заместители, или используют тирозинсодержащие аналоги, или же прибегают к метке другими радиоактивными изотопами (см.).

Радиоактивные белки имеют важное значение в изучении катаболизма и метаболизма белковых веществ в экспериментальных биохимических исследованиях. Кроме того, их используют в радиоизотопной диагностике in vivo и in vitro при изучении функционального состояния многих органов и систем организма в случае различных заболеваний. В исследованиях in vivo наибольшее применение находит альбумин сыворотки крови человека, меченный радиоактивными изотопами йода (125 I и 131 I), а также получаемые на его основе путем тепловой денатурации и агрегации с той же меткой микро-и макроагрегаты альбумина. С помощью меченого альбумина могут быть определены показатели гемодинамики и регионального кровообращения, объем циркулирующей крови и плазмы, произведено сканирование сердца и крупных сосудов (см. Сканирование), а также опухолей головного мозга. Микроагрегаты альбумина используют для сканирования печени и желудка, определения кровотока печени, а макроагрегаты - для сканирования легких.

Радиоактивные белки нашли широкое применение при определении микроколичеств гормонов, ферментов и других белковых веществ в тканях и средах организма животных и человека в исследованиях in vitro.

Библиография: Белки, под ред. Г. Нейрата и К. Бэйли, пер. с англ., т. 1-3, М., 1956 -1959, библиогр.; Биосинтез белка и нуклеиновых кислот, под ред. А. С. Спирина, М., 1965; Гауровнц Ф. Химия и функции белков, пер. с англ.. М., 1965; Ичас М. Биологический код, пер. с англ., М., 1971; Киселев Л. Л. и др. Молекулярные основы биосинтеза белков. М., 1971; Поглааов Б. Ф. Структура и функции сократительных белков, М., 1965; Спирин А. С. и Гаврилова Л. П. Рибосома, М., 1971; Химия и биохимия нуклеиновых кислот, под ред. И. Б. Збарского и С. С. Дебова, Л., 1968; Advances in protein chemistry, ed. by M. L. Anson a. J. T. Edsall, v. 1-28, N. Y., 1944-1974; Hess G. P. a. R up ley J. A. Structure and function of proteins, Ann. Rev. Biochcm., v. 40, p. 1013, 1971; In vitro procedures with radioisotopes in mcdlcinc, Proceedings of the symposium, Vienna, 1970; M a r g-l(n A. a. Nerrif ieldR.B. Chemical synthesis of peptides and proteins, Ann. Rev. Biochem.,v. 39,p. 841, 1970; Proteins, composition, structure, and function, ed. by H. Neurath, v. 1 - 5, N. Y.-L., 1963- 1970.

Б. в питании - Лавров Б. A. Учебник физиологии питания, с. 92, М., 1935; Молчанова О. П. Значение белка в питании для растущего и взрослого организма, в кн.: Вопр. пит., под ред. О. П. Молчановой, в. 2, с. 5, М., 1950; П о к р овский А. А. К вопросу о потребностях различных групп населения в энергии и основных пищевых веществах, Вестн. АМН СССР, № 10, с. 3, 1966, библиогр.; он же, Фиэиолого-биохимические основы разработки продуктов детского питания, М., 1972; Energy

Гистохимические методы выявления Б. в тканях - Кисели Д. Практическая микротехника и гистохимия, пер. с веягер., с. 119, 152, Будапешт» 1962; Л и л-л я р. Патогистологическая техника и Фактическая гистохимия, пер. с англ., с. 509, М., 1969; П и р с Э. Гистохимия, пер. е англ.. М., 1962; Принципы и методы гп-гго-цитохимического анализа в патологии, аод ред. А. П. Авцына и др., с. 238, JI., ".971; Р е а г s е A. G. Е. Histochemistry, т. 1-2, Edinburgh - L., 1969-1972.

И. Б. Збарский; А. А. Покровский (пит.), В. В. Седов (рад.), Р. А. Симакова (гист.).