Структура казеинов и механизм сычужного свертывания. 2

УДК 637.325:543.54
СТРУКТУРА КАЗЕИНОВ И МЕХАНИЗМ СЫЧУЖНОГО
СВЕРТЫВАНИЯ. 2. САМОСБОРКА И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА
КАЗЕИНОВЫХ МИЦЕЛЛ.
(Обзор литературы)
Ельчанинов В.В., к.т.н.
ГНУ Сибирский научно-исследовательский институт сыроделия Россельхозакадемии, Барнаул
Самосборка казеиновой мицеллы. В 1998 году, на основании данных
о топографии гидрофильных и гидрофобных блоков в молекулах казеинов и
о взаимодействии этих белков с гидрофобными поверхностями, D.S. Horne
предложил полимеризационную (поликонденсационную) схему самосборки
казеиновых мицелл [44]. Полимеризационная схема образования мицеллы
использует хорошо известные физико-химические свойства казеинов, но рассматривает их под необычным углом зрения. Модель строения казеиновой
мицеллы по D.S. Horne получила название "модели двойного связывания"
(dual-binding model).
На рисунке 1 представлены модели ассоциации индивидуальных казеинов и их смеси, в растворе, не содержащем дивалентные катионы (a,b,c,d) и
в присутствии ионов кальция (е). Гидрофобные участки индивидуальных казеинов выделены черным цветом, участки, несущие фосфосериловые кластеры выделены белым цветом, ионы кальция представлены как сферы черного
цвета. Во всех случаях агрегаты имеют большие размеры, тогда как на рисунке показана только небольшая часть агрегирующих молекул.
Согласно схеме, формирование мицелл предусматривает два пути связывания αs1-, αs2-, β-, и κ-казеинов. Первый – за счет сил гидрофобного притяжения между неполярными участками (гидрофобными блоками) не менее
чем двух различных молекул казеинов. Второй путь осуществляется при участии небольших кристаллов (нанокластеров) фосфата кальция. Нанокластеры
фосфата кальция (НФК) играют роль связывающих и нейтрализующих мостиков между двумя отрицательно заряженными фосфосериловыми кластерами (гидрофильными блоками) различных молекул αs1-, αs2- или βказеинов.
В данном случае, для роста гетерополимеров, также необходимо, чтобы
с одним НФК взаимодействовали не менее двух молекул казеинов. Если,
например, из двух молекул белков, связанных друг с другом через НФК, одна, это бэтта-казеин, то рост цепи продолжится только за счет гидрофобных
связей, поскольку свободным остается только гидрофобный блок. В случае
αs1- и αs2-казеинов, полимеризация продолжится как за счет нанокластерных
мостиков, так и за счет гидрофобных взаимодействий, но при этом возможно
ветвление цепи, что приводит к образованию трехмерной сетчатой структуры.
Рисунок 1 - Модели ассоциации (агрегации) казеинов [110].
Каппа-казеин может соединиться с молекулами αs1-, αs2- и β-казеинов
только за счет гидрофобных связей, так как его гидрофильный (макропептидный) участок не содержит фосфосериловых кластеров (отсутствие фосфосериловых кластеров является причиной того, что каппа-казеин не преципитирует в присутствии 2-15мМ Са2+). В месте присоединения κ-казеина, даль-
нейший рост гетероказеиновой цепи невозможен, поэтому в этой точке происходит ее терминация. Это означает, что, во-первых, - размер мицеллы лимитируется относительным содержанием каппа-казеина; во-вторых, - поскольку κ-казеин терминирует полимерную цепь, состоящую из αs1-, αs2- и
β-казеинов, он должен оказаться на поверхности мицеллы. В результате, мицелла приобретает κ-казеиновую оболочку, которая выполняет роль стерического (пространственного) стабилизатора [2,44].
Таким образом, сила, связывающая и удерживающая казеины в мицелле, являются результирующей множества локальных взаимодействий – сил
гидрофобного притяжения и сил электростатического отталкивания отрицательно заряженных фосфосериловых кластеров, которые одновременно
нейтрализуются ("экранируются") и связываются нанокластерами фосфата
кальция. Поддержание баланса этих сил критично для стабильности казеиновой мицеллы. Ослабление гидрофобных взаимодействий при понижении
температуры, или увеличение сил электростатического отталкивания, в результате растворения нанокластеров фосфата кальция (при поддержании постоянного значения рН), вызывает полную или частичную дезинтеграцию
мицелл [2].
Некоторые физико-химические свойства казеиновых мицелл. Почти все казеины молока, вместе со значительными количествами кальция и
неорганического фосфата, инкорпорированы в мицеллы. Средний диаметр
мицелл примерно 100 нм (диапазон значений от 50 до 600 нм), молекулярная
масса порядка 108 Да. Мицеллы представляют из себя "рыхлые" (открытые),
высоко гидратированные структуры. Степень гидратации мицелл, в зависимости от метода измерения, составляет 2-4 грамма H2O/грамм белка. Структура мицелл не "жесткая" (фиксированная), но "динамичная", способная изменяться в зависимости от различных физико-химических параметров [2].
Охлаждение парного молока с 370С до температур порядка 5-100С приводит к увеличению растворимости казеинов, которая растет в ряду: β-, κ-,
αs1-, αs2-казеин. В соответствии с этим "рядом растворимости" при понижении температуры, казеины выходят из мицелл в сыворотку. Процесс обратим
и при повышении температуры, растворенные казеины вновь инкорпорируются (встраиваются) в мицеллы. Растворение и встраивание казеинов в мицеллы также зависит от изменений рН [45]. Наиболее полной дезинтеграции
мицелл можно добиться обрабатывая их таким сильным хелатирующим агентом как ЭДТА (этилендиаминтетраацетат) [46] или внесением мочевины в
высокой концентрации [47]. Но даже при такого рода воздействиях, мицеллы
диссоциируют не до молекулярного уровня, а до частиц со средним диаметром 10-15 нм, которые, как и нативные мицеллы, имеют гетерогенный белковый состав [48]. Все экспериментально полученные данные о физикохимических свойствах мицелл, о характере их диссоциации в присутствии
различных реагентов, о поверхностной локализации κ-казеина, об обратном
соотношении между концентрацией κ-казеина и размером мицелл, следуют
из основных положений поликонденсационной схемы самосборки мицелл и
из модели двойного связывания [2].
Объясняя механизма химозин-индуцированной агрегации казеиновых
мицелл, модель двойного связывания D.S. Horne в значительной степени абстрагируется от внутренней структуры мицелл или рассматривает ее как не
имеющую особого влияния на процесс сычужного свертывания. При этом
совершенно очевидно, что события на уровне внутренней структуры мицеллы, происходящие в результате изменения рН, концентрации соли и температуры, в процессе технологической обработки молочного сгустка, чрезвычайно важны, поскольку в значительной степени влияют на его конечные свойства [2].
Стабильность мицелл. Систему казеиновых мицелл молока следует
рассматривать как коллоидную дисперсию. Стабильность такой системы
обеспечивается силами электростатического отталкивания, за счет отрицательно заряженной поверхности мицелл. Наличие отрицательного заряда
формирует на поверхности мицелл дзета-потенциал (ζ-потенциал) порядка 20 мВ, который, при обработке химозином (или другим молокосвертывающим ферментом) снижается примерно на 50% [2,49].
Предпринимались попытки объяснить стабильность казеиновых мицелл используя теорию DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) или теорию стабильности лиофобных коллоидов [2,79]. Согласно этой теории стабильность систем типа казеиновых мицелл в молоке определяется наличием
энергетического барьера между частицами, препятствующего их сближению
и агрегации. Сила отталкивания мицелл друг от друга определяется как разность между силами притяжения Ван дер Ваальса и силами электростатического отталкивания. Коагуляция коллоида происходит в случае, когда энергия притяжения частиц превышает энергию отталкивания.
Однако, расчеты, произведенные T.A.J. Payens в 1979 году, показали,
что такой энергетический барьер действует на очень коротких расстояниях,
порядка 0,1 нм, и является физически бессмысленным, поскольку располагается внутри шероховатостей, образуемых петлями и "хвостами" белковых
молекул на поверхности мицеллы [50]. Хотя в целом теория DLVO не подходит для всеобъемлющего объяснения стабильности интактных казеиновых
мицелл, сформулированная в её рамках концепция отталкивающего энергетического барьера оказалась правильной и получила дальнейшее развитие.
По современным представлениям, стабильность коллоидной дисперсии
молока, обеспечивается расположенными на поверхности мицелл молекулами κ-казеина, С-терминальные (макропептидные) участки которых выдвинуты (ориентированы, простираются) в сторону растворителя и образуют стерический стабилизирующий поверхностный слой (так называемый "волосковый слой"). Эффект взаимного отталкивания проявляется когда "волосковые
слои" разных мицелл вступают в контакт друг с другом [2,44,51].
Со списком литературы Вы можете ознакомиться, направив запрос по
электронной почте на имя автора, по адресу: [email protected]
Реферат
УДК 637.325:543.54
СТРУКТУРА КАЗЕИНОВ И МЕХАНИЗМ СЫЧУЖНОГО
СВЕРТЫВАНИЯ. 2. САМОСБОРКА И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА
КАЗЕИНОВЫХ МИЦЕЛЛ.
(Обзор литературы)
Ельчанинов В.В., к.т.н.
ГНУ Сибирский научно-исследовательский институт сыроделия Россельхозакадемии, Барнаул
Статья посвящена механизмам самоорганизации казеинов молока в Гетерогенные белковые агрегаты – казеиновые мицеллы. Обсуждается механизм самосборки казеиновых мицелл в рамках "модели двойного связывания" D.S. Horne. Представлены данные о физико-химических свойствах и
стабильности казеиновых мицелл. Рассмотрены факторы, влияющие на стабильность коллоидной системы молока