PRÓTEIN

1. PRÓTEIN • Oftast blanda margra tegunda próteina í matvælum • Prótein eru gerð úr 20 mismunandi amónósýrum (a.s.) • Amínósýrur, að proline (Pro) og hydroxyproline (hy-Pro) undanskildum, eru allar eins að grunnbyggingu en mismunandi R-hópar (hliðarhópa) aðgreina þær • R-hópar sem greina að a.s. ráða mestu um eiginleika a.s. og próteina • Flestar amínósýrur eru á L-formi  stjórnar byggingu próteina

2. Fjórir flokkar amínósýra • 1. Óskautaðar • R hópur er óskautaður eða vatnsfælinn • Vatnsfælni er í réttu hlutfalli við lengd alifatískra hliðarhópsins • Dæmi: Ala, Ile, Leu, Met, Phe, Pro, Trp, Val • 2. Skautaðar, óhlaðnar • Geta myndað vetnistengi t.d. við H2O eða aðrar a.s. • Ser, Thr, Tyr (-OH hópar) • Asn, Gln (C=O og NH2 hópar) • Cys (-SH hópur, thiol) • Gly stundum flokkuð hér (erfitt að flokka Gly)

3. Fjórir flokkar amínósýra • Jákvætt hlaðnar: • Lys (NH2 hópur), Arg (guanidine hópur) • His (imidazole hópur) • His er 10% jónuð við pH=7 og 50% jónuð við pH=6 • Neikvætt hlaðnar (við pH=7): • Asp og Glu (-COOH hópur) Leysanleiki próteina er háður dreifingu hlaðinna/óhlaðinna R-hópa á yfirborði sameindanna Fríorka fyrir flutning 1 móls amínósýra úr vatnslausn í etanol (vatnsfælinn fasa):DG = DH - TDS

4. Bygging amínósýra

5. Lífsnauðsynlegar amínósýrur • isoleucine (Ile) I • leucine (Leu) L • lysine (Lys) K • methionine (Met) M • phenylalanine (Phe) F • threonine (Thr) T • tryptofan (Trp) W • valine (Val) V • histidine (His) H • arginine (Arg) R (Ekki alltaf talin með)

6. Amínósýrur sem eru ekki lífsnauðsynlegar • glutamate (Glu) E • glutamine (Gln) Q • proline (Pro) P • aspartate (Asp) D • asparagine (Asn) N • alanine (Ala) A • glycine (Gly) G • serine (Ser) S • tyrosine (Tyr) Y • cysteine (Cys) C

7. Lífsnauðsynlegar amínósýrur

8. Myndun peptíðtengja

9. Fjölpeptíðkeðjur

10. Alfa helix bygging í próteinum

11. Myóglóbín - bygging

12. Myndbygging próteinaEfnatengi Vetnistengi • Gegna lykil hlutverki í -helix, , 3° og 4° byggingu próteina • Hliðarkeðjur skautaðra og hlaðinna amínósýra (a.s.) mynda vetnistengi innan sameinda. • Hlaðnir hópar á yfirborði próteina mynda mörg vetnistengi við H2O

13. Myndbygging próteinaEfnatengi Vatnsfælin tengi (hrif) • Hliðarkeðjur vatnsfælinna a.s. eru óskautaðar  hvarfast ekki við H2O  raðast saman frá vatnsfasa • Vatnsfælin tengi eru mikilvæg innan sameinda og á milli þeirra. Vatnsfælnar a.s. mynda ekki tengi við vatn. Vatn fær meiri reglufestu í kringum vatnsfælnar sameindir sem leiðir til minnkunar í óreiðu (S) kerfisins saman ber: G= H -T S

14. Myndbygging próteina - Efnatengi Rafhrif Hliðarkeðjur a.s. eins og t.d. Asp, Glu, Tyr, Lys, Arg og Cys eru þátttakendur í rafhrifum. Aðdráttarkraftar og fráhrindikraftar myndast á milli hlaðinna og skautaðra hliðarkeðja. Á bæði við um hliðarkeðjur (R-hópa) og enda próteina. Jónunarhrif eru háð fjarlægð á milli hleðsla, nálægð við vatnsfælnar a.s. svo og möguleika a.s. á vetnistengjamyndun.

15. Myndbygging próteina - Efnatengi Tvísúlfíð tengi - samgild tengi Auka stöðugleika próteina (t.d. gagnvart pH og T) -SH + -SH = S-S + H2 Cys1-S-S-Cys2 + Cys3S- Cys-S-S-Cys3 + Cys2S- Auk þess koma til sögunnar í myndbyggingu próteina: Van der Waals kraftar Veikir kraftar, sterkastir í ákveðinni fjarlægð (dipole) Sterískar hindranir Stórar hliðarkeðjur a.s. taka mikið pláss og hindra oft frjálsan snúning (rotation) og samvöðlun próteina

16. Áhrif sýrustigs á prótein pH Við lágt pH  aukast katjónískir eiginleikar próteina Við hátt pH  aukast anjónískir “ “  pH breyting á dreifingu katjónískra, anjónískra og ójónískra svæða í próteininu  hefur áhrif á H2O-prótein og prótein-prótein tengsl

17. Áhrif sýrustigs á myndbyggingu pIÍsóelektrískum punkti próteina er náð þegar sýrustig (pH) er þannig að próteinið er óhlaðið útávið þ.e. jafn margar plúshlaðnar og mínushlaðnar amínósýrur eru til staðar. Þetta er pH próteinlausna þegar meðalhleðsla próteins er núll og engar aðrar jónir eru í lausninni. Við pI skreppur próteinið saman vegna hámarks rafhrifa á milli hlaðinna hópa innan próteinsins  minni tilhneiging til að tengjast H2O  bundið vatn minnkar. Hvert prótein hefur sérstakt pI gildi Við pI eru vötnun, bólnun og leysanleiki próteina í lágmarki

18. Eðlissvipting próteina Þættir, sem valda eðlissviptingu: Hiti (T) er lang algengasti áhrifaþátturinn í eðlissviptingu próteina en hraðinn er háður T. Ef t.d. T hækkar um 10°C getur hraðinn aukist 600 falt Lítil orka er í hverju tengi 2, 3 og 4 stigs byggingar próteina en tengin eru mörg. Hraði eðlissviptingar er einnig háður gerð próteins, styrk þess, aw, pH, jónastyrk og tegund jónar

19. Eðlissvipting próteina Afleiðingar eðlissviptingar próteina: Leysanleiki próteina minnkar, vatnsbindieiginleikar breytast, líffræðileg virkni breytist, seigja eykst, viðkvæmni gagnvart próteinkljúfandi ensímum eykst, rof S-S tengja  H2S myndun  breytt bragð og minnkað næringargildi

20. Niðurbrotsferlar a.s.

21. Eðlissvipting próteina Áhrifaþættir: • Hiti • Kuldi- t.d. sojaprótein og glíadín • Sýrustigsöfgar • Mekanísk meðhöndlun og þrýstingur • Geislun: Háð bylgjulengd () og orku- uv: Trp, Tyr, Phe hópar gleypa  eðlissvipting- : Breytt bygging, oxun, rof samgildra tengja, jónun, radikalar, fjölliðun

22. Virkjunarorka eðlissviptingar • Eðlissvipting er ýmist afturkræf eða óafturkræf • Arrheníusar jafnan er notuð til að lýsa eðlissviptingu: K= Ea ¯ ∆G/RT þar sem: • Ea = virkjunarorka • k = hraðafasti • R = gasfasti • T = absolute hitastig • Ea er hátt fyrir eðlissviptingu próteina (200-800 kJ/mól)

23. Eðlissvipting - Efnafræðilegir þættir Öfgar í sýrustigi (pH) af völdum sýra og basa leiða til eðlissviptingar vegna hleðslubreytinga á a.s. Fráhrindikraftar aukast en við það verður afmyndun Málmar eins og t.d. Cu, Fe, Hg geta einnig valdið eðlissviptinguMálmarnir mynda komplexa við -SH hópa a.s.Einnig verða útskipti Ca+2, Zn+2 o.fl. jóna, sem eru hluti próteina  minni stöðugleiki  eðlissvipting

24. Eðlissvipting - Efnafræðilegir þættir • Lífrænir leysar breyta tvískautsgildi (dielectric constant) • Óskautaðir lífrænir leysar þrýstast inn í vatnsfælin svæði próteina  rof vatnsfælinna tengja og próteinið raknar upp (eðlissvipting) • Vatnslausnir lífrænna sambanda valda eðlissviptinguT.d. valda urea og guanidine sölt rofi vetnistengjaEinnig valda SDS, afoxunarmiðlar, -ME og DTT eðlissviptingu

25. Mikilvægir eiginleikar matvælapróteina • 1. Vötnun • Prótein-H2O tengslBinding, vatnsheldni, dreifing, breytanleiki, bólnun, seigja, leysanleiki • 2. Prótein-prótein tengsl • Botnfelling, gelmyndun o.fl. (t.d. deig, trefjar) • 3. Yfirborðseiginleikar • Yfirborðsspenna, froðumyndun og ýrumyndun 1, 2 og 3 eru ekki óháðir eiginleikar, gelmyndun og seigja eru t.d. háð bæði prót-prót tengslum og prót-H2O tenglsum

26. Vötnun Vötnun er háð: Styrk próteina, pH, T, jónum o.fl. • Við pI  aukast prót-prót tengsl  vötnun og bólgnun minnka • Ef T hækkar  minnkar vatnsbinding vegna áhrifa á vetnistengi  eðlissvipting  aukin samloðun  minnkuð vatnsbinding • Undantekning ef prótein eru mjög þétt þá koma grafnar hlaðnar eða pólar a.s í ljós með hitun • Vatnsbinding og vatnsheldni próteina í matvælum hafa megin áhrif á áferð (texture) t.d. kjöts og bökunarafurða.

27. Áhrif salta á prótein Samkeppni salta og vatns  salting out • Við lágan saltstyrk hvarfast jónir salta við hliðarkeðjur próteina • Við háan saltstyrk breytast eiginleikar leysiefnis og sölt fara að keppa um vatn við prótein  minna vatn til reiðu fyrir leysni próteina  prót-prót tengsl aukast • Öll prótein hafa ákveðið “salting-out”gildi. Þetta gildi miðast við þann styrk salts þar sem próteinið fellur út

28. Salting in/out Salt - tegund og styrkur • Við lágan saltstyrk getur vötnun próteina aukist - Þetta fyrirbæri nefnist salting in • Við háan saltstyrk aukast H2O-salt tengsl en við þetta afvatnast prótein vegna minnkaðra H2O-prót tengsla. Þetta fyrirbæri nefnist salting out

29. Leysanleiki próteina • Oft er mikilvægt að þekkja leysanleikaferil próteina, t.d. við pI eða við hlutlaust pH gildi (7,0). Dæmi: drykkjarvörur • Leysanleika gildi (index) er haft til viðmiðunar varðandi notagildi próteina • Mælingar á leysanleika- NSI (nitrogen solubility index)- Leysanleikaferill sem fall af: T, pH, jónastyrk

30. Leysanleiki próteina • Aukning í T  leysanleiki minnkar (óafturkræft) • Hitameðhöndlun próteina er þó oft nauðsynleg t.d. til að fækka örverum, losna við rokgjörn efni o.fl. • Mikilvægir eiginleikar fyrir ýru, froðu og gelmyndun • Góð dreifing próteinsameinda í lausn • Yfirborðseiginleikar próteina • Leysanleiki próteina er ekki eingöngu háður vatnsbindigetu þeirra. Hann er einnig háður ýmsum varmafræðilegum eiginleikum

31. Leysanleiki próteina • Vatnsheldni er mikilvægari eiginleiki í matvælum en vatnsbinding • Vatnsheldni: Tenging próteins við vatn og geta þess til að halda í vatnið gegn togkrafti (g) í prótein netju eins og t.d. í próteingeli og kjöt- eða fiskvöðva. • Þetta vatn er summan af: • Bundnu vatni + hydrodynamísku vatni + heftu vatni • Heft vatn (entrapped) leggur lang mest til vatnsheldni, mun meira en hinir tveir þættirnir. Áferð (texture) er því mjög háð þessum þætti

32. Sýrustig og leysanleiki próteina • Fráhrindikraftar á milli eins hlaðinna hliðarkeðja a.s. og vötnun hlaðinna hópa a.s. stuðla að leysanleika próteina. • Leysni er minnst við pI þar sem fráhrindikraftar á mill hliðarkeðja a.s. eru í lágmarki. • Flest matvælaprótein eru súr þ.e. summa neikvætt hlaðinna a.s. (Asp og Glu) er hærri en summa jákvætt hlaðinna a.s. (Lys, Arg og His), sem gefur neikvæða nettó hleðslu. Þessi prótein hafa minnsta leysni við pH 4-5 (hafa pI á þessu bili) en mesta leysni við hátt sýrustig pH hærra eða jafnt og 7. • Flest prótein eru dregin út úr vef við pH 8-9 og eru síðan botnfelld við pH 4.5-5.

33. Sýrustig og leysanleiki próteina • Óleysanleg prótein hafa takmarkað notagildi í matvælaiðnaði • Virknieiginleikar svo sem þykking, froðumyndun, ýrumyndun og geljun eru háðir leysanleika: • Leysanleiki: Jafnvægi á milli prótein-prótein og prótein-leysis tengsla þar sem vatnsfælin tengsl og jónísk tengsl eru í jafnvægi • prótein-prótein + leysir-leysir+ prótein-leysir

34. Mælingar á vötnunareiginleikum próteina • Ýmsar mæliaðferðir eru notaðar: • Rakamæling • Bólgnun í Baumann tæki • Mæling á ofgnótt vatns • Mettun

35. Seigja • Þvermál próteinsameinda skiptir miklu máli varðandi seigju • Þvermál próteinsameinda er háð: • Mólþunga, stærð, byggingu, rúmmáli, hleðslu, pH og T

36. Gelmyndun • Tenging afmyndaðra próteinsameinda  gelmyndun • Lítil dreifing próteina í lausn hentar vel fyrir: samloðun, fjölliðun, botnfellingu o.fl. • Gel- Mjólkurafurðir, eggjahvíta, gelatín, brauðdeig • Mikilvægt fyrir:- Aukna vatnsbindingu, þykkingu, ýrun • Þættir sem stuðla að gelmyndun próteina:- Hækkun á T er oftast nauðsynlegt - afmyndun (einnig hægt að nota sýru og sölt, t.d. Ca+2)- Leysanleiki er ekki nauðsynlegur

37. Kraftar að verki við gelmyndun • Breytilegt eftir próteinum en algengust eru: • Vatnsfælin tengi, vetnistengi, saltbrýr, S-S tengi • Prótein geta myndað gel með öðrum próteinum eða fjölsykrum • T.d. gelatín (+ hleðsla) + alginöt (- hleðsla)  sterk gel með hátt BM • Gelmyndun:prótein + H2O + hitun  sundrun 4° byggingar (afturkræf)  meiri hitun  sundrun 2° og 3° byggingar • Áhrif á byggingu próteina vatnsfælnir hópar a.s. koma í ljós prót-prót tengsl aukast

38. Gelmyndun Einnig stuðla: hár Mfi, S-S tengi, -SH hópar og Ca+2 brýr að gelmyndun Dæmi um gelmyndun: Egg albúmín: Lágr styrkur próteins og hækkað T  hitabotnfelling Hár styrkur próteins og hækkað T  mjólkurlit gel Gelatín: Lágr styrkur próteins og hækkað T  uppleyst prótein Hár styrkur próteins og hækkað T  tær gel (afturkr. með T)

39. Gel • Gel er millistig á milli fasts efnis og vökva • Gel eru krosstengdar fjölliður sem tengdar eru saman ýmist með samgildum eða ósamgildum tengjum. • Fjölliðurnar mynda net sem heftir vatn og önnur efni með lágan mólþunga

40. Geljun próteina • Gel myndast við ákveðnar aðstæður t.d. Við hitun, með ensímum eða með tvígildum jónum. Flest gel sem mynduð eru úr matvælapróteinun eru mynduð við hitun: Prótein  Progel 1  Progel 2  Gel (hitun í sérhverju skrefi) Stig 1: Sol stig Stig 2: Eðlissvipt afmyndað prótein - seigfljótandi vökvaform prótein fjölliða Stig 3: Afmynduð prótein fjölliða þar sem virkir hópar koma í ljós t.d. vetnistengjamyndandi og vatnsfælnar a.s.

41. Áferð • Prótein í matvælum eru oftast sá þáttur sem hefur mest áhrif á áferð sbr. Kjöt, fiskur og deig • Hægt er að stilla áferð á unnum próteinum - áferðastilling • Stilling t.d. með hita (coagulation) - samloðun og filmumyndun. • Dæmi: tromluþurrkun soyapróteina - kaka myndast sem er pressuð eða skorin • Trefjaspuni (fiberspinning) • Thermoplastic extrusion en hár MÞ og leysanleiki skipta máli hér

42. Deigmyndun Glúten = Glútenín + Glíadín • Þættir sem eru mikilvægir fyrir deigmyndun: • Már Mfi • Pólar (hlaðnar, skautaðar) a.s. minnka deigmyndun • Leysanleiki próteina í vatni minnkar deigmyndun • Jölgun OH hópa í a.s.  vetnistengi aukast • Aukning í vatnsfælnum a.s.  samloðun eykst (betra) • Fjölgun í S-S tengjum  aukin deigmyndun

43. Deigmyndun GlútenínBer ábyrgð á teygjanleika, samloðun og blöndun deigs Glíadín Ber ábyrgð á flæðni og þenjanleika  rúmmál eykst Glúten er notað sem bindiprótein í kjötafurðir Glycolípíð eru mikilvæg fyrir myndun deignetju þau auka möguleika á myndun vetnistengja og vatnsfælinna tengja

44. Ýrumyndun Ýrur eru t.d. rjómi, mjólk, majones • Prótein eru ekki góðir ýrugjafar en geta þó hjálpað til • Ýrumyndun - þarf mekaníska orku • Stöðugleiki ýra - þarf sameindir sem geta setið að hluta til í vatnsfasa og hluta til í fitufasa. Prótein eru oft vatnssækin  sitja frekar í vatnsfasa. Þess vegna eru þau ekki góðir ýrugjafar • NaCl, pH 4-8, eykur ýruhæfni próteina

45. Froðueiginleikar Froða: dreifing loftbóla í vökva sem inniheldur yfirborðsvirkt efni (prótein) • Mismunandi áferð froðu:T.d. marenge, þeyttur rjómi, soufflé, brauð, ís (flókin froða: ýra, froða og ískristallar) Froðumyndun • Þarf mekaníska orku eins og ýrumyndun • Dreifing leysanlegs próteins að mörkum vatns og lofts  unfolding • Sveigjanleg prótein t.d. casein - góðir yfirborðseiginleikar

46. Stöðugleiki froðu • Leysanleiki próteina er mikilvægur fyrir froðumyndun en óleysanleg prótein auka stöðugleika froðu. Próteinfilma umhverfis loftbólur þarf að vera: þykk, samloðandi, teygjanleg og samfelld • Flestar froður myndast við pH fjarri pI. Hámarks froðueiginleikar eggjahvítu eru t.d. við pH 8-9 og 4-5

47. Stöðugleiki froðu • Viðbót NaCl í froður  froða minnkar • Viðbót Ca+2 froða eykst • Viðbót súkrósa  froðuþensla minnkar en stöðugleiki froðu eykst vegna aukinnar seigju • Viðbót lípíða (fitu), jafnvel örlítils magns  mikil minnkun froðu . Ástæðan er sú að lípíðar setjast að á mörkum lofts og H2O og eyðileggja próteinfilmur

48. Stöðugleiki froðu Við háan próteinstyrk er stöðugleiki froðu mikill en rúmmál froðu breytist minna Þeyting þarf að vera nægilega mikil til að afmynda próteinin og til þess að ásog próteins að mörkum lofts/vatns verði sem mest Ofþeyting getur hins vegar valdið samloðun próteina (coaguleringu) og eyðileggingu froðu

49. Froða Stöðugleiki froðu byggist á: • Lækkun á spennu milli fasa (loft/vatn) • Aukningu á seigju vökva • Sterkum teygjanlegum filmum ásogaðra próteina Orsakir óstöðugleika • Leki, P eða uppgufun • Samruni loftbóla, litlar verða að stórum • Rof “liquid lamaella” sem aðskilur loftbólur  loftbólur falla saman

50. Froða Prótein með góða froðueiginleika: Eggjahvíta, Hb, globular hluti BSA, gelatín, mysuprótein, casein misellur, -casein, glútenín o.fl. Ekki eru bein tengsl á milli froðu- og ýrumyndunareiginleika próteina