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Proteínas: Solubilidad de las proteínas, efecto de sales, pH, disolventes y temperatura. Desnaturalización. Alteraciones de las proteínas; tratamientos a altas temperaturas, desulfuración, oxidación, racemización y formación de nuevos aminoácidos. Propiedades funcionales en alimentos.
Tipo: Resúmenes
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Tijuana, B.C. Abril 2020
Esto es el fundamento de muchos procedimientos de separación de unas proteínas de otras; en general, los pasos previos de una purificación de proteínas se hacen mediante precipitación diferencial con sales. En la práctica presente, a partir de una misma mezcla de proteínas vamos a ir tratando con diferentes concentraciones de sal. Por efecto de la respuesta diferencial de las distintas proteínas unas precipitarán y otras no; y lo pondremos en evidencia centrifugando el precipitado y determinando la concentración de proteínas en el sobrenadante por el método de Lowry. (Fennema,
En resumen:
como el NaCl y el KCl. Este efecto lo observamos en el siguiente grafico que muestra la solubilidad de la carboxihemoglobina en su punto isoeléctrico dependiendo de la fuerza iónica y del tipo de ion. S y S’ representan respectivamente las solubilidades de la proteína en la disolución de la sal y en el agua pura. (Venegas, 1999) La solubilización e insolubilización por salado, son procedimientos importantes para la separación de mezclas de proteínas, ya que las diferentes proteínas varían en su respuesta frente a la concentración de sales neutras. Las proteínas precipitadas por salado retienen su conformación nativa y pueden disolverse de nuevo, normalmente sin experimentar desnaturalización. El sulfato amónico es el preferido para precipitar las proteínas por salado, debido a su gran solubilidad en agua, lo que permite alcanzar fuerzas iónicas muy elevadas. pH La solubilidad de la mayor parte de las proteínas globulares se halla profundamente influida por el pH del sistema. La siguiente figura muestra que la solubilidad de la betalactoglobulina, una proteína de la leche, es mínima cuando el pH se encuentra entre 5,2 y 5,3, independientemente de la concentración de cloruro sódico presente. A
Disolventes y temperatura La adición de disolventes orgánicos neutros miscibles con el agua, particularmente etanol o acetona, disminuye la solubilidad de la mayor parte de las proteínas globulares en el agua, de tal manera que precipitan de su disolución. El estudio cuantitativo de este efecto muestra que la solubilidad de una proteína a un pH y fuerza iónica determinados está en función de la constante dieléctrica del medio. Puesto que el etanol posee una constante dieléctrica, menor que la del agua su adición a una disolución acuosa de proteína incrementa la fuerza de atracción entre las cargas opuestas, disminuyendo de este modo el grado de ionización de los grupos R de la proteína. Como resultado, las moléculas de proteína tienden a agregarse y precipitan En lo que respecta a la temperatura, Dentro de una fluctuación limitada entre los 0 y los 40ºC aproximadamente, la mayor parte de la solubilidad de las proteínas globulares aumenta al aumentar la temperatura, aunque existen algunas excepciones, como ocurre con los electrolitos sencillos. Por encima de los 40 y los 50ºC, la mayor parte de las proteínas aumentan en inestabilidad y comienzan a desnaturalizarse, generalmente con pérdida de solubilidad en la zona neutra de pH. (Venegas, 1999) Desnaturalización La estabilización de una macromolécula es un proceso cooperativo, es decir, está dada por la intervención de múltiples enlaces no covalentes, que son de baja energía, pero muy frecuentes en la estructura. El estudio de la termodinámica de este proceso implica lograr su realización de forma reversible, para lo cual se requiere que, una vez eliminado el agente desnaturalizan te, la proteína pueda regresar a su confirmación original. El estado nativo o activo de una proteína puede ser detectado gracias a diferentes técnicas que observan el estado en equilibrio de las moléculas de proteína. Pueden ser técnicas ópticas, como la dispersión óptica rotatoria, el dicroísmo circular o la absorción UV.1'ambién pueden utilizarse procesos de transponer como mediciones de Ja actividad o propiedades de una proteína y se utilizan la viscosidad, la sedimentación o la difusión, ya que los cambios en la forma de las proteínas por su desplegamiento o extensión, causados por la desnaturalización, afectan su comportamiento en cualquiera de estos procesos. Asimismo, puede utilizarse la resonancia magnética nuclear, debido a que los cambios en conformación modifican la
orientación de los distintos grupos funcionales de las proteínas, lo que resulta en cambios en las señales requeridas para la medición. Otro método es la calorimetría, que permite analizar los cambios en absorción de calor ocasionados por los movimientos de los dominios en las moléculas proteínicas. (Baudi, 2006) Las proteínas se desnaturalizan, es decir, se despliegan y luego reaccionan entre sí. Los enlaces responsables de la formación del gel son -S-S- (o posiblemente otros enlaces covalentes), puentes salinos y/o interacciones hidrofóbicas. Para obtener geles rígidos se necesita una concentración bastante alta de proteína. Y que las proteínas se desnaturalizan parcialmente y, en el caso del café molido, pueden aparecer flavores a quemado. Por tanto, es necesario aplicar algún tipt) de refrigeración. En el caso de la carne esto se consigue procesándola en estado de congelación. En otras ocasiones, para enfriar la carne o el producto tratado, se añade hielo seco (o nieve carbónica). La nieve carbónica es preferible al hielo corriente ya que éste último llega a fundir y aumenta el contenido de agua del producto, mientras que el hielo seco se elimina en forma de dióxido de carbono y no modifica la composición del alimento. (Potter, 1995) La desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína: Cambios en las propiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta la viscosidad y disminuye el coeficiente de difusión Una drástica disminución de su solubilidad, ya que los residuos hidrofóbicos del interior aparecen en la superficie
La polaridad del disolvente La fuerza iónica El pH La temperatura Los efectos que puede causar la desnaturalización de las proteínas pueden ser: Cambio en la viscosidad Disminución de la solubilidad Perdidas de las propiedades biológicas Cambio en el aspecto (color, textura, flavor, el concepto de sabor y olor unidos) La carne es un ejemplo. Al cocinarla se torna más firme, más oscura, (esto se debe a la desnaturalización del colágeno y la elastina del tejido muscular). También en nuestro organismo ocurren procesos de desnaturalización, cuando el alimento va recorriendo los distintos sectores del tracto digestivo, ya sea por acción de las diversas enzimas, por acciones mecánicas, mezcla a nivel de estómago; también por variaciones de PH y concentraciones. La desnaturalización de las proteínas facilita la digestión pues hace que los alimentos sean más fácilmente digeribles. Alteraciones de las proteínas Durante el almacenamiento la relación de estos dos polipéptidos sufre alteraciones que se reflejan en una disminución de la viscosidad. La ovomucina es responsable en gran medida de las propiedades funcionales de Ja clara, como es la capacidad de espumado, y se considera que tiene una actividad biológica contra varios virus. La lisozima es una glucoproteína de 129 aminoácidos con actividad enzimética, de N- acetilmuramida-glucana-hidrolasa, también conocida como muramidasa (EC 3.2.1.17). Es una de las pocas proteínas con un punto isoeléctrico alcalino debido a su elevado contenido de aminoácidos básicos. La estructura tridimensional de la lisozima resulta con técnicas de cristalización y difracción de rayos X, y constituye uno de los ejemplos más explorados para el análisis es01Jctural de proteínas. Se trata de una molécula muy estable, debido a que existen cuatro enlaces disulfuro intramoleculares. La lisozima (figura 3.19) actúa como antimicrobiano ya que causa la lisis de las células de bacterias
Gram positivas (estafilococos y estreptococos) y de algunas negativas al hidrolizar el enlace P·(l,4) entre el ácido N-acetilmurámico y la 2-acetamido-2-desoxi-D-glucosa de los mucopolisacáridos de la pared celular; aunque también se han identificado decapéptidos en algunos dominios con actividad bactericida independiente a la de la muramidasa. (Baudi, 2006) Tratamientos a altas temperaturas Durante la industrialización y preparación de muchos alimentos, por lo general se emplean distintos tratamientos térmicos como la pasteurización, la esterilización, el cocimiento, el horneado, el freído, etc. Cada uno se efectúa en distintas condiciones de temperatura, lo que favorece divets0s cambios químicos. De igual manera, debido a la complejidad de las características y composición de los alimentos (pH, actividad acuosa, potencial de oxidorreducción, disponibilidad de reactantes, etc.), durante su calentamiento se generan muchas sustancias orgánicas cíclicas, por ejemplo, pirazinas. pirimidinas, furanos, derivados del antraceno, etc. Muchas de estas reacciones son responsables del aroma y el sabor de los alimentos, pero otras están asociadas con la producción del cáncer; en efecto, algunas son las mismas que se generan al fumar y a las cuales se les ha atribuido el efecto dañino del cigarro. (Baudi, 2006) El proceso mediante el cual la proteína desnaturalizada recupera su estructura nativa se llama renaturalización. Como en algunos casos el fenómeno de la desnaturalización es reversible, es posible precipitar proteínas de manera selectiva mediante cambios en: la polaridad del disolvente. la fuerza iónica. (Venegas, 1999)
Algunas de las características estructurales que protegen a proteína de desnaturalización térmica: Tamaño: Proteínas pequeñas más resistentes que grandes Puentes disulfuro: Interacciones covalentes y poco afectados por incremento de temperatura) confieren rigidez a la estructura de la proteína) Hidrofobicidad: Proteínas con más residuos hidrofóbicos (Phe, Val, Ala, Thr) más estables a cambios de temperatura que otras ricas en aminoácidos polares o iónicos. Fuerzas iónicas: son de muy corto alcance se debilitan al aumentar temperatura. Desulfuración Una fase de la producción de marrasquino y cerezas confitadas es la decoloración de antocianinas con S02 a elevadas concentraciones (0,8-1,5%). El efecto decolorante puede ser reversible o irreversible. Se produce un ejemplo de decoloración reversible cuando las frutas que contienen antocianinas se protegen contra la alteración microbiana introduciéndolas en una disolución que contiene 500-2.000 ppm de S0 2. Durante el almacenamiento, la fruta pierde su color, pero éste se puede restablecer por «desulfuración» (lavado intenso) antes del procesado posterior. En la reacción reversible se forma primero un complejo incoloro. Esta reacción ha sido ampliamente estudiada y se cree que comprende la fijación de S0 2 en la posición C-4 (Fig. 26). La razón por la cual se sugiere la participación de la posición C-4 es que el S02 en esta posición produce la pérdida de color. La constante de velocidad (k) de la reacción de decoloración del cianidín 3-glucósido se ha calculado que es de 25.
μ Amps. (Fennema, 2000)
Oxidación Muchos constituyentes de los alimentos pueden verse afectados negativamente por el oxígeno del aire. Este es el caso de grasas, aceites, y compuestos lipídicos del flavor que se enrancian si se someten a una exposición al aire excesiva. Los carotenos, que rinden vitamina A y el ácido ascórbico, o vitamina C, también pierden su actividad vitamínica por efecto del oxígeno. El oxígeno es un oxidante y causa la oxidación de estos compuestos. En los alimentos y a su alrededor hay siempre oxígeno si bien su efecto se minimiza con el envasado en nitrógeno o a vacío. Ciertos metales, como el cobre y el hierro, son fuertes promotores o catalizadores de la oxidación. Esta es una de las razones por las que ambos han sido reemplazados en los equipos de procesado de los alimentos por acero inoxidable. Sin embargo, muchos alimentos naturales, tienen trazas de cobre y de hierro, pero también contienen antioxidantes. (Potter, 1995) Un ejemplo de esto, pueden ser las aceitunas negras, ya que el color de las aceitunas negras se debe en parte a productos oxidativos de los flavonoides. Uno de los flavonoides implicados es el luteolín 7-glucósido. La oxidación de este compuesto y la formación del color negro ocurre durante la fermentación y subsiguiente almacenamiento. Otra función muy importante de los flavonoides de los alimentos son sus propiedades antioxidantes y su contribución a los flavores, particularmente el amargor. (Fennema, 2000) En el área de panificación, de las aceitunas negras se debe en parte a productos oxidativos de los flavonoides. Uno de los flavonoides implicados es luteolín-glucósido. La oxidación de este compuesto y la formación del color negro ocurre durante la
a la L-Cisteína (muy inestable). (Venegas, 1999) En lo que concierne a la oxidación de Triptófano, que se llevan a cabo con perácidos forma β-oxiindolilalanina y N-formilquinurenina, con dimetilsulfóxido ó N- bromosuccinimida forma β-oxiindolilalanina. Con periodato sódico u ozono por fotoxidación forma: N-formilquinurenina, β-carbolina, Hexahidropirrolindol, Quinazolina. Con peróxido de hidrógeno forma quinurenina (cancerígena). Los productos de degradación inhiben crecimiento de Fibroblastos: En presencia de RCOOOH, CH3, SOCH3 y En presencia de RCOOOH, NaIO4, O3 y O2 + hν
Estos tienen como efecto, la formación de β~carbolina, hexahidropirrolindol ycarbolina, hexahidropirrolindol y quinazolina, quinurenina y formilquinurenina no reemplazan a Triptofáno, velocidades oxidación diferentes: Metionina >Cisteína >Triptofáno. (Venegas, 1999) En la reacción con productos de la oxidación de lípidos se tiene los cambios en estructura y propiedades funcionales de proteínas / aminoácidos, donde los factores son la accesibilidad de aminoácidos reactivos sobre la superficie de la proteína y molécula de lípido, interacciones hidrofóbicas, enlace de hidrógeno, iniciadores de radicales en el sistema. Este mecanismo incluye la formación de radicales de proteína, entrecruzamiento de los radicales con lípidos, polimerización de lípidos-proteínas. Los aminoácidos con mayor susceptibilidad son la histidina, cisteína/cistina, metionina, lisina. Estos producen una gran variedad de productos como en la histidina, donde se generan radicales libres como la desanimación y descarboxilación, para producir ácido láctico imidazol y ácido acético imidazol.
en las proteínas que en los aminoácidos libres, lo que sugiere que la energía de activación de la racemización se ve reducida en las proteínas por fuerzas intramoleculares. Además de la racemización, el carbanión formado a pH alcalino puede sufrir una reacción de eliminación, para dar dehidroalanina. Los restos de cisteína y fosfoserina son más proclives a seguir esta ruta que otros aminoácidos, lo que explica por qué en las proteínas tratadas por los álcalis no se encuentra una cantidad significativa de 0-cisteína. (Fennema, 2000) La racemización y Ja formación de isopéptidos como Jisinoalanina {LAL), lantionina y ornitioalanina (figura 11.31) se realizan durante varios procesos alcalinos aplicados a los alimentos, como serla la nixtamalización del maíz para elaborar tortillas, o al tratar de mejorar las propiedades funcionales de las proteínas del suero de queso, otros procesos alcalinos se encuentran en la manufactura de algunos tipos de chocolates. La racemización de L-aminoácidos en condiciones alcalinas severas, se favorece por Ja formación de una molécula intermedia plana del tipo carbanión," para desviar el equilibrio de la forma biodisponible (L-amino ácido) hacia Ja forma no biodisponible (O- amino ácido). (Baudi, 2006) Propiedades funcionales en alimentos La funcionalidad de una sustancia en tecnología de alimentos se define como toda propiedad, nutricional o no, que interviene en su utilización. Este comportamiento depende de sus propiedades físicas y químicas, las que se afectan durante el
procesamiento, almacenamiento, preparación y consumo del alimento. Como ejemplo se pueden citar los productos de panadería, en los que la viscosidad y la capacidad de formar pastas se relacionan con las propiedades de las proteínas del gluten de trigo. Asimismo, las características de textura y suculencia de los productos cárnicos son dependientes de las proteínas musculares (actina, miosina, actinomiosina y proteínas de la carne solubles en agua). La textura y las propiedades de cuajado de los productos lácteos se deben a la estructura coloidal de las micelas de caseína y la estructura de algunos pasteles y las propiedades espumantes de algunos postres o productos de confitería dependen de las propiedades de espumado y gelificación de las proteínas de la clara de huevo. (Baudi, 2006) Las características sensoriales resultan más importantes para el consumidor que el valor nutrimental, que frecuentemente se altera para lograr buenas cualidades organolépticas; entre ellas están textura, sabor, color y apariencia, que a su vez son resultado de interacciones complejas entre los ingredientes. Las propiedades funcionales permiten el uso de las proteínas como ingredientes en alimentos. aunque por lo general se incorporan en mezclas complejas. El papel funcional de varias proteínas en diferentes alimentos se enlista en el cuadro 3.13.
