4-Proteinler
advertisement
Prof. Dr. Mehmet Demirci Gıda Kimyası Proteinler, tüm hayati olayların gerçek temeli olarak çok büyük fizyolojik öneme sahip olan gıda bileşenleridir. Protein kelimesi birinci derecede önemli, ilk önce gelen, üstün anlamındaki proteios kelimesinden kaynaklanmıştır. Latince karşılığı yaşayan varlıklar için elzem azotlu öğedir. Proteinler, karbonhidrat ve yağlardan farklı olarak karbon, oksijen, hidrojenin yanında azot, bazen kükürt ve fosfor da içerirler. Azot içerdiklerinden dolayı proteinler literatürde genelde azotlu maddeler olarak da ifade edilirler. Gıda maddesi içerisinde azot içeren bileşikler, genelde protein olarak bilinmektedir. Proteinler temelde ortalama üzerinden %45-55 karbon, %6-8 hidrojen, %2025 oksijen, %15-17 azot, %0-3 kükürt ve %0-0,8 fosfor, bazı durumlarda demir, bakır gibi elementleri içerebilirler. Bitkiler, proteinleri havadan ve topraktan aldıkları karbondioksit, su ve nitratlardan, kükürtlü ve fosforlu anorganik bileşiklerden köklerinde veya fotosentez yolu ile ışık etkisinde yapraklarında sentezlerler. Bitkilerin yaprak, sap, kök ve yumrularında az miktarda protein bulunmasına karşın tohumlarında protein içeriği yüksektir. İnsan ve hayvan organizmaları anorganik azot kaynaklarını kullanamadıkları gibi vücut maddelerini sentez edebilmek için amino asit kaynağına bağlıdırlar. Dolayısıyla bitkiler tabiatın protein üreticileridir. İnsan ve hayvan organizmaları proteinleri bitkilerden ve/veya bitki ile beslenen diğer hayvanlardan aldıkları proteinlerin sindirim ürünleri ile vücut proteinlerini genlerinin kontrolünde sentezlerler. Her canlı kendine özgü proteinleri içerir, karbonhidrat ve lipidlerden en önemli farklılıkları da budur. Proteinler biyopolimerlerin en büyüklerindendir. Çeşitli sayıda ve değişik amino asitlerin birleşmesiyle oluşan, molekül ağırlıkları büyük, uzun zincirli, amfoter karakterli bileşiklerdir. Proteinler nişasta, selüloz ve glikojen gibi kolloidler sınıfına konulur. Proteinlerin her birinin üç boyutlu yapıları ve yine özgün biyolojik nitelikleri vardır. Bu yapı ve nitelikleri ise polimer zincirini meydana getiren monomer birimlerinin yani amino asitlerinin türleriyle, sayılarıyla ve diziliş sıralarıyla sağlanmıştır. Proteinlerin büyüklüğü yanında bir de biçimi (konformasyonu) vardır. Proteinlerin özellikleri bakımından çok önemli farklılıklar şu örneklerle daha iyi anlaşılabilir; yumurta akı proteini ısı ile denatürasyona uğrar, kolaylıkla reaksiyona girer. Keratin ise erimez, kimyasal reaksiyon kabiliyeti olmayan dayanıklı bir proteindir. Proteinlerin hayvansal ve bitkisel bütün canlı hücrelerin yapı taşı olmaları, birçok hormonun ve enzimin protein yapısında olması, metabolizma olaylarının düzenlenmesi, proteinlerin kanda birçok maddenin taşınmasını sağlaması, metabolizma olaylarında diğer bazı bileşiklerin sentezinde kullanılmaları vb. çok sayıda hayati olaylar proteinsiz bir yaşamın olamayacağının kanıtıdır. Proteinler genetik bilgilerin ifadelendiği moleküler araçlardır. Sudan sonra insan vücudunun toplam ağırlığının en büyük kısmını proteinler oluşturmaktadır. İnsan vücudunda en az 5000 farklı protein sentezinin yapıldığı tahmin edilmektedir. Gıda maddelerinde çeşit, miktar, kimyasal yapı ve kalite açısından oldukça farklılıklar gösteren proteinler bulunmaktadır. Biyolojik değeri yüksek proteinler beslenmede tercih edilir. 4.1.Gıdalarda Proteinlerin Varlığı Tüm canlı organizmalar ve ürünleri protein içermektedir. Bunun sonucu olarak proteinler az veya çok miktarlarda tüm hayvansal ve bitkisel gıdalarda bulunurlar (Çizelge 4.1). Fakat hazırlanması ve işlenmesi sırasında proteinlerin ayrıldığı çay, rafine şeker, bitkisel rafine yağlar gibi bazı gıdalar istisna teşkil ederler. Çizelge 4.1’de görüldüğü gibi protein oranları gıdalara göre farklılık göstermektedir. Protein içeriğine uygun olarak gıdalar iki gruba ayrılabilir; -Protein içeriği bakımından zengin gıdalar (fındık, peynir, et, soya fasulyesi vb.) -Protein içeriği bakımından fakir gıdalar (meyve, sebze vb.) Çizelge 4.1. Proteince Zengin Bazı Gıdaların Protein Oranları ve Biyolojik Değerleri 4 Gıda Hayvansal Kaynaklı Yumurta Süt Sığır Eti Sakatat (sığır) Tavuk Eti Balık Bitkisel Kaynaklı Patates Soya Bezelye Buğday Mercimek Su(%) Protein (%) Biyolojik Değerlik 74,0 87,3 61,0 74,0 66,0 74,0 12,4 3,5 17,7 16,0 20,0 18,8 93,7 84,5 74,3 74,3 76,0 78,0 8,0 11,0 12,0 11,4 2,0 38,0 22,5 12,2 24,2 66,7 72,8 63,7 64,7 44,6 4.2. Amino Asitlerin Kimyasal Yapısı Proteinler, nisbi olarak çok yüksek molekül ağırlığına sahip organik maddelerdir. Çok karışık ve değişik özelliklerde olmalarına rağmen, birer basit bileşik olan birçok amino asitin peptid (amid) bağları ile bağlanmalarından oluşurlar. Dolayısıyla tüm proteinlerin yapı taşları amino asitlerdir. Bazı proteinler ayrıca protein olmayan bileşikleri de içerirler. Bunlar prostetik grup olarak ifade edilir. Böyle proteinler literatürde proteidler olarak tanınmışlardır. Sadece amino asitlerden oluşmuş olanlar protein olarak ifade edilmişlerdir. Protein kelimesi yumurta akı maddelerinin toplam grubu için sinonim olarak kullanılmaktadır. Proteinlerin özelliklerini anlayabilmek için amino asitlerin özelliklerinin iyi bilinmesi gereklidir. Amino asitler, monokarboksilli organik asitlerin karbon zincirindeki metil grubu hidrojenlerinden birinin yerine amin (NH2) grubunun gelmesiyle meydana gelmiş organik bileşiklerdir. Tabiatta meydana gelen amino asitlerde amino grubu daima karboksil grubunun bitişiğinde bulunan α-karbon atomuna bağlandığından αamino asit ismini alırlar. Α-amino asitler karboksil ve amino grubu aynı karbon atomuna bağlı amino asitlerdir. Proteinlerde yapısında sadece bu amino asitler bulunur. Tabiatta az sayıda diğer amino asitler bulunur. Bazı peptitlerde β-amino asitler bulunmuştur (örneğin βalanin). Α-amino asitler birbirlerinden farklı R grupları (amino asitlerdeki değişken grup) ile ayrılırlar. R grubu hidrojen, uzun ya da kısa, düz ya da dallanmış zincirli alifatik grup, aromatik, heterosiklik ya da pirolidon halka olabilir. NH2 grubu baz ve COOH grubu ise asit özelliği gösterir. Bunun sonucu olarak amino asitler amfoterdir. Başka bir ifade ile hem asit hem de bazlarla reaksiyon verirler. Bir amino asit genel olarak şöyle gösterilebilir; R: Kalıntı H R C COOH NH2 Glisin (glikokol) amino asiti en basit yapıya sahiptir. R grubu sadece H içerir. CH2 NH2 Glisin COOH Bugüne kadar proteinlerin yapısında yaklaşık 20 amino asit belirlenmiştir. Proteinlerin işlevlerinin çok olması 20 amino asitin farklı sayıda ve düzende sıralanmasından kaynaklanmaktadır. Fakat hiçbir protein yapısında 20 amino asitin hepsini içermez. Proteinlerin yapısına hiç girmeyen, ancak tabiatta doğal olarak bulunan veya bazı reaksiyonların ara ürünleri olarak meydana gelen yaklaşık 150 amino asit veya amino asit benzeri bileşiğin varlığı belirlenmiştir. Amino asitlerin çoğu bir amino grubu ile bir karboksil grubu taşır ve genellikle nötral amino asitler adını alırlar. Bazıları ise molekülde ikinci bir amino grubu taşır ve bazik özellik gösterirler. İkinci bir karboksil grubu taşıyanlar asidik karakterdedir. Bazılarında amino grubu yerine imino grubu bulunur. Bunlar gerçekte imino asit (prolin ve hidroksi prolin) olmalarına karşın amino asit veya türevleri olarak kabul görürler. Amino asitler R kalıntısı 1. alifatik kalıntı veya 2. aromatik veya heterosiklik kalıntı olarak gruplandırılabilirler. 4.2.1. Alifatik amino asitler: R kalıntısı düz veya dallı bir karbon zinciri olan amino asitlerdir. Bu zincir ya homojen ya da ek grupludur. Dolayısıyla iki gruba ayrılabilirler. Homojen olanlar bir karboksil grup ve bir amino grup, iki karboksil grup, iki amino grup içerenler olarak alt gruplara ayrılırlar. Ek gruplular ise kükürtlü, hidroksi gruplu ve guanido gruplu amino asitleri kapsamaktadır. A) Homojen olan alifatik amino asitler a) Bir karboksil grup ve bir amino grup içerenler (monoaminomonokarboksilli amino asitler) Bu gruba örnek olarak glisin (glikokol), alanin (αaminopropiyonik asit), valin (α-aminoizovalerik asit), lösin (αamino-γ-metilvalerik asit) ve izolösin (α-amino-β-metilvalerik asit) verilebilir. Bunların içerisinden valin amino asitinin kimyasal yapısı aşağıda gösterilmiştir. Çözeltideki reaksiyon özellikleri bakımından nötr amino asitlerdir. CH3 CH CH CH3 NH2 Valin COOH b) Bir amino grup ve iki karboksil grup içerenler (monoaminodikarboksilli amino asitler) Bu grup içerisinde aspartik asit (α-aminosüksinik asit) ve glutamik asit (α-amino glutarik asit) bulunur. Çözeltideki reaksiyon özellikleri bakımından asidik amino asitlerdir. HOOC CH2 CH2 CH NH2 Glutamik asit COOH c) İki amino grup ve bir karboksil grup içerenler (diaminomonokarboksilli amino asitler) Bu grup içerisinde lisin (α-ε-diamino kaproikasit) ve hidroksilisin bulunur. Çözeltideki reaksiyon özellikleri bakımından bazik amino asitlerdir. CH2 CH2 CH2 CH2 CH NH2 NH2 Lisin COOH B) Ek gruplu olan alifatik amino asitler a) Hidroksi amino asitler Hidroksil grubu (OH) içeren amino asitlerdir. Bunlar serin (αamino-β-hidroksipropionik asit) ve treonin (α-amino-βhidroksibütirik asit) amino asitlerdir. Çözeltideki reaksiyon özellikleri bakımından nötral amino asitlerdir. CH3 CH CH OH NH2 Treonin COOH b) Kükürtlü amino asitler Kükürt grubu (SH) içeren amino asitlerdir. Sistein (α-amino-βmerkaptopropionik asit), sistin ve metionin (α-amino-γmetiltiobütirik asit) bu gruba dahildir. CH2 CH SH NH2 Sistein COOH c) Guanido gruplu amino asitler Bu grupta arginin (α-amino-δ-guanidino pentanoik asit) amino asiti yer alır. Çözeltideki reaksiyon özellikleri bakımından bazik amino asittir. CH2 CH2 CH2 NH2 NH C CH NH2 NH2 Arginin COOH 3.2.2. Aromatik veya heterosiklik amino asitleri: Bu gruptaki amino asitlerin R kalıntısı halka formunda (bunlar benzen, pirolidon, imidazol, indol halkalı) amino asitlerdir. a) Aromatik amino asitler Yapılarında benzol (benzen) halkası bulunan amino asitlerdir. Bu gruba fenilalanin (α-amino-β-fenilpropionik asit) ve tirozin (αamino-β-(ρ-hidroksifenol)propionik asit) dâhildir. CH2 CH COOH NH2 Fenilalanin CH2 HO CH NH2 Tirozin COOH b)Hetorosiklik amino asitler Yapılarında değişik atomlardan kurulmuş halka yapısı (heterosiklik halka) bulunan amino asitlerdir. Bu grupta indol halkalı triptofan (α– amino-β-(3-indolil)-propionik asit), imidazol halkalı histidin (α-aminoβ-imidazolpropionik), pirolidon halkalılar prolin (2-pirolidin karboksilik asit) ve hidroksiprolin (4-hidroksi-2-pirolidin karboksilik asit) yer alır. Amino asitler; molekül kalıntısının (R) kimyasal karakterine göre, aynı şekilde ortaya çıkan fonksiyonel grupların cins ve sayılarına göre ayırt edilirler. R kalıntısında polar –SH veya –OH gruplarını da taşıyanlar bulunur. Amino asitler karbon iskeleti bakımından zincirde 6 karbon atomundan fazla bulunmaz. CH2 CH NH2 N H Triptofan COOH 4.2.3. Amino Asitlerin D- ve L- Serisine Mensup Olmaları Glisin (glikokol) amino asiti dışında hepsi asimetrik karbon atomu taşımaktadır. Bu yüzden düzlemsel polarize ışığı sağa veya sola çevirirler, yani optikçe etkindirler. Amino asitlerin α-karbon atomu asimetrik merkez olarak tanımlanır. Molekülde iki veya daha çok asimetrik karbon atomu bulunursa, karbonhidratlarda biçimlenme koordinasyonu en yüksek rakamlı asimetrik karbon atomunun biçimlenmesine göre yapılırken, amino asitlerde ilke olarak α-amino grubuna göre olur. Bunun için amino asit karboksil grubu yukarıya ve R grubu aşağıya gelecek şekilde yazılır. Bir amino asit ikinci bir asimetrik karbon atomuna sahipse D- ve L-konfigürasyonlarının tekrar iki ayrı izomeri ortaya çıkmaktadır. İzolösin ve treoninde iki asimetrik karbon atomu ve her birinin dört izomeri bulunur COOH H2N C H R L--aminoasit COOH H C NH2 R D--aminoasit Bitkilerin, hayvanların ve mikroorganizmaların hemen hemen tüm karbonhidratları D-konfigürasyonuna sahip oldukları halde, proteinler L-konfigürasyonuna sahiptirler ve bazı istisnalar olmakla birlikte vücut sadece L-izomeri kullanır. D-amino asitler doğal olmayan (atipik) amino asitler olarak bilinir. D-amino asitler bakterilerin hücre duvarlarında ve mikroorganizmaların metabolizma ürünlerinde (bazı peptit antibiyotiklerde) bulunur. Bütün canlıların enzim sistemleri L- ve D-aminoasitler üzerine farklı etkiler gösterir. Proteinler alkali hidrolizle parçalandığında amino asitlerin D- ve L- izomerlerinin karışımı (rasemat) elde edilir. Dolayısıyla asit hidroliz tercih edilir. Çeşitli amino asitlerin sembolleri, molekül ağırlıkları, kimyasal isimleri ve formülleri Çizelge 4.2’de verilmiştir. Amino asitlerin sembolleri, proteinlerdeki amino asitlerin kompozisyonunu ve sırasını göstermek için stenografi olarak kullanılır. Amino asitler üç harfli kısaltmalar ve tek harfli sembollerle gösterilebilir. Örneğin insulin adlı protein molekülü (pankreatik bir hormon) 2 farklı zincir halinde 51 amino asitten oluşmuş olup sıralamaları aşağıda verilmiştir. A zinciri; Gly, Ile, Val, Glu, Gln, Cys, Cys, Thr, Ser, Ile, Cys, Ser, ……… şeklinde devam eder ve 21 amino asitten oluşmuştur. B zinciri; Val, Asn, Glu, His, Leu, Cys, Gly, Ser, His, Leu, Val, Glü, ……. şeklinde devam eder ve 30 amino asitten oluşmuştur. Bu arada insuline göre zıt etki gösteren ve yine pankreatik bir hormon olan glukagon protein molekülü 29 amino asit kalıntısı içerir. Omurgalı kas yapısında bulunan ve tek polipeptid zincirli olan titin protein molekülü yaklaşık 27 000 amino asit kalıntısı içerir. 4.2.4. Amino Asitlerin Fizyolojik Olarak Sınıflandırılması Başka bir ifade ile insan organizması açısından önemlerine göre de amino asitler sınıflandırılabilir. İnsan organizması αamino asitlerden bir kısmını kendisi sentez edebilir. Fakat bazı αamino asitler vücutta sentezlenemez. Bunların günlük olarak gıda ile mutlaka alınması gereklidir. Dolayısıyla amino asitler biyolojik bakımdan esansiyel amino asitler (eksojen, vücutta sentez edilemeyenler) ve esansiyel olmayan amino asitler (endojen, vücutta sentez edilebilenler) olarak ayrılırlar. Protein molekülündeki esansiyel amino asit oranına uygun olarak proteinlerin biyolojik değerliklerinden söz edilir. Proteinlerin biyolojik değerleri amino asitlerinin analizi veya hayvanlar üzerinde yapılan deneylerle belirlenebilir. Esansiyel amino asitleri çok olan proteinler biyolojik değeri yüksek proteinlerdir, kazein ve birçok hayvansal proteinler böyledir. Esansiyel amino asitleri az olanlar ise biyolojik değeri düşük proteinlerdir, bitkisel proteinler gibi. Fakat bu bitkisel ağırlıklı bir beslenme ile protein ihtiyacı karşılanamaz demek değildir. Değişik kombinasyonlar ile hazırlanmış bir öğünde vejetaryenler esansiyel amino asitlerin çoğunluğunu alabilir. Fakat en uygunu hayvansal proteinlerle bitkisel proteinleri birlikte alarak proteinlerin biyolojik değerlerini daha da arttırmaktır. Örneğin patates ve yumurta karışımının biyolojik değeri yumurta proteininden daha yüksektir. Esansiyel ve esansiyel olmayan terimi, amino asitlerin metabolizmadaki önemini göstermez. Vücutta yapıldığından, esansiyel olmayan amino asitlerin azot dengesi ve büyümedeki görevlerini tamamlamak üzere esansiyel amino asitlerin dışarıdan alınması gerektiğini gösterir. Gerçekten de esansiyel olmayanlardan biri, örneğin alanin, trozin veya aspartik asit gibi amino asitler vücutta yapılmasa, insan metabolizmasında çok ciddi bozukluklar olur. Amino asitlerin fizyolojik olarak sınıflandırılmaları Çizelge 4.3’te verilmiştir. Çizelge 4.3. Amino Asitlerin Fizyolojik Olarak Sınıflandırılması 12 Esansiyel aminoasitler Valin Lösin İzolösin Lisin Metionin Treonin Fenilalanin Triptofan Arginin* Histidin* * Büyüme çağında esansiyeldir. Esansiyel olmayan aminoasitler Glisin (glikokol) Alanin Norlösin Serin Sistein Aspartik asit Glutamatik asit Hidroksi glutamik asit Trozin Prolin 4.2.5. Amino Asitlerde İzoelektrik Nokta Amino asitler yapılarında hem amino grubu (NH2) hem de karboksil grubu (-COOH) içerdiklerinden sulu çözeltilerinde çözeltinin pH değerine (H+ iyonu konsantrasyonuna) bağlı olarak asit veya baz özelliği (amfoter özellik) gösterirler. Amino asit molekülü alkali ortamda karboksil grubundan bir proton (H+ iyonu formunda) verir ve anyonlaşır (bazik özellik gösterir). - H R C + O C O NH 2 Asit ortamda amino asit molekülündeki amino grubu bir proton alır (H+ iyonu formunda) ve katyonlaşır (asit özellik gösterir). H R C + NH3 COOH Asidik ve bazik niteliklerinin yaklaşık olarak eşit olması nedeniyle, nötral amino asitler sulu çözeltilerinde nötral reaksiyon verirler. Burada amino asit aynı anda negatif (anyon) ve pozitif (katyon) yüklüdür. Dipolar iyon (iç tuz) oluşur ve buna dipolar iyonlaşma denir. Dipol (iç tuz) halinde amino asidin asit özelliği NH3+ grubuna, baz özelliği bir COO- grubuna dayanır. Her aminoasit kendine özgü bir pH noktasında eşit sayıda negatif ve pozitif yüke sahiptir. Amino asitlerin yüksüz formda bulundukları bu pH değerlerine izoelektrik nokta adı verilir. Bu durumda maksimum dipolar iyon meydana gelir. İzoelektrik nokta pH değerleri ile ölçülür ve her amino asit için farklı bir pH değerinde bulunmaktadır. İzoelektrik nokta PI olarak gösterilir. Örneğin, alaninde pH 6, lisinde pH 9,7 değerlerinde, nötral amino asitlerde 4,8–6,3 arasında, asidik amino asitlerde 2,7–3,2 arasında, bazik amino asitlerde 7,6–10,8 arasında bulunur. H R C COO - NH+ 3 Dipol (İç tuz) Proteinler ve amino asitler izoelektrik noktada en az çözünürlük gösterirler. Bu nokta dışında, üstünde veya altında daha çok çözünürler. Hidrojen iyonları konsantrasyonunun değişmesi ile iyon sayıları yükselmektedir ve böylece amino asitlerin çözünürlüğü de artmaktadır. Bu durum proteinlerin özellikleri için çok büyük öneme sahiptir. Saf proteinlerin tanımlanması izoelektrik nokta ile yapılır. Proteinlerin erime noktası ve kaynama noktası gibi sabitleri bulunmaz, bu yüzden belirlenmelerinde yararlanılamaz. Bunun yanı sıra izoelektrik nokta, proteinlerin yapısal özelliklerinin ve gıdalardaki çeşitli interaksiyonlarının belirlenmesi açısından önem taşımaktadır. Örneğin sütteki kazein gibi bazı proteinler, çözelti pH değerinin bu proteinin izoelektrik noktasına getirilmesi ile çökeltilir. Bu özellikten süt endüstrisinde fermente süt ürünleri üretiminde yararlanılır. Protein kimyası bakımından pH değişiminin etkisi çok önemlidir. Çünkü pH değerindeki küçük bir değişiklikte dahi molekülün yükü değişir. Sonuç olarak protein molekülünün çevre ile etkileşimi dolayısıyla davranışı etkilenir. Amino asitlerde iyonlaşabilen gruplar amino (NH2) ve karboksil (COOH) grublarda bulunmasına karşın bazı aminoasitlerde (arginin, lisin, tirozin gibi) R uçlarında da iyonlaşabilecek gruplar bulunur. Bu nedenlerle proteinler polielektrolitler olarak kabul edilir. Bazı proteinlerin izoelektrik noktaları Çizelge 4.4’te verilmiştir. Çizelge 4.4. Bazı Proteinlerin İzoelektrik Noktaları 4 Protein çeşidi Yumurta albumini Serum albumini (sığır) Jelatin (dana) α-Kazein (İnek sütü) β-Kazein (İnek sütü) Globin (insan) İzoelektrik nokta Protein çeşidi 4,8-4,9 4,3-4,9 4,8 4 4,5 7,5 Albumin (tahıl) Gliadin (buğday) Edestin (kenevir) İnsülin (sığır) Tripsin (sığır) İzoelektrik nokta 5,8 6,5 5,5-6,0 5,3 5,0-8,0 4.3. Proteinlerin Kimyasal Yapısı Amino asitler, α karbonlarındaki amino (H2N-) ve karboksil (COOH) grupları ile reaksiyona girerek peptid bağlarını (amid bağları, -CO-NH-) oluştururlar. Peptid oluşumunda bir amino asidin karboksil grubundan –OH, diğer amino asidin amino grubundan H ayrılır (H2O şeklinde). Peptid bağı kovalent bir bağdır. Oluşan zincire peptid zinciri ve bu amino asit bileşiklerine de peptidler denilir. Peptidler, serbest karboksil grubu taşıyan amino asitlerin türevleri olarak adlandırılır. Böylece iki α-amino asit birleşirse reaksiyon ürünü dipeptid adını alır. Aşağıda görüldüğü üzere, peptid zincirine amino asitlerin sadece α-karbonları, taşıdığı karboksil ve amino grupları ile girerler. α-karbona bağlı olan R kalıntı kısmı ise zincirin dışında kalan yan çıkıntılar oluşturur. R1 O R2 H2N-C-C-OH + H-N-C-COOH H HH Aminoasit + Aminoasit R1 O R2 H2N C C N C H H Dipeptid COOH + H2O H + Su Amino asitlerin oluşturduğu peptid bağları, biüret reaksiyonu ile ispatlanabilir. Peptid bağları bazik bir ortamda CuSO4 (bakır sülfat) ile reaksiyona girdiğinde mavi-menekşe renk verir. Bu renk, farklı peptid bağlarında bulunan dört N atomunun Cu++ ile yaptığı kompleks sonucu oluşur. Tüm proteinler bu reaksiyonu gösterir. Bir peptid zincirinin zıt uçlarında serbest bir amino grubu ve yine serbest karboksil grubu bulunduğundan üçüncü bir α-amino asitle peptidleşerek tripeptidi oluşturabilir. Bu prensibin ilerletilmesiyle tetrapeptid, pentapeptid ve devamında oligopeptitler, polipeptitler, makropeptitler (peptonlar) meydana gelir (Çizelge 4.5). 5-10 amino asitli peptidlere genel bir terimle oligopeptidler, daha çok sayıda amino asit içerenlere ise polipeptidler denilir. Yaklaşık olarak 100’ün üzerinde amino asitten oluşan peptidlere ise makropeptidler (peptonlar) veya proteinler denilir. Bunlar amino asitlerin polimerleridir. Çizelge 4.5. Proteinlerin Yapısı 1 Proteinlerin Yapı Dereceleri Amino Asit Molekül Sayısı Dipeptidler Tripeptidler Tetrapeptidler Oligopeptidler Polipeptidler Makropeptidler (peptonlar) 2 3 4 5–10 11–100 >100 Peptid zincirlerini tek bağlar oluşturur. Fakat iki amino asit arasındaki peptid bağında birbirine bağlanmış C-N atomları, tek bağ ile bağlı olmalarına rağmen, bağ etrafında bağımsız rotasyon yapamazlar. Çünkü karbonun çift bağlı oksijeni, C-N arası tek bağa da çift bağ karakteri kazandırır. Tek bağ ile birbirine bağlı atomlar, bağları etrafında bağımsız rotasyon yapabilir. Fakat çift bağ içerenlerde ise bu şekilde rotasyonlar yapılamaz. Bu durumda tüm peptid bağları tek düzlemde durur. Böylece, C-N atomlarının H ve O atomları da aynı düzlemde, ancak ters yönde yer almış olurlar. Başka bir ifade ile bağı oluşturan amino grubunun hidrojeni ile karboksil grubunun oksijeni trans pozisyondadır. Cis konfigürasyon mümkün olsa da tabiatta bulunan peptidler ve proteinler daha ziyade trans konfigürasyondadır. O H O C N Peptid bağı (İmkansız konum) C N H Peptid bağı (Gerçek konum) Polipeptid zincirleri protein molekülünün bel kemiğini teşkil eder. Hem moleküle giren amino asit sayısının, hem de moleküldeki diziliş şekillerinin değişmesi bir protein molekülü için sınırsız dizilim imkanı sağlar. Bu şekilde birbirinden çok farklı peptidlerin ve proteinlerin oluşumu gerçekleşir. Fakat tabiatta meydana gelen protein moleküllerinin gelişi güzel olduğu düşünülmemelidir. Aksine her organizmaya özgü, belirli kurallar çerçevesinde, çeşitli diziliş biçimleri vardır. Eğer polipeptidin yapısında n tane farklı amino asit varsa, n tane diziliş ve dolayısıyla da izomer mümkün olmaktadır. Örneğin, glisin ve alaninden oluşmuş bir dipeptidin glisil-alanin ve alanil-glisin olarak iki izomeri olur. Üç tane farklı amino asit 6 şekilde birleşebilir. 12 farklı amino asidi ve bunların dizilişinden 288 amino asit kalıntısı olan bir proteinin 1030 izomeri bulunur. Polipeptidlerdeki amino asitlerin dizilişlerinin bilinmesi önemlidir, fakat belirlenmesi oldukça zahmetli bir iştir. Bu yüzden de az sayıda ve oranda düşük molekül ağırlıklı bazı proteinler ile bazı önemli polipeptidler incelenebilmiştir. Birçok proteinin kendine özgü amino asit dizilimi son yıllarda aydınlatılabilmiştir. Peptidler serbest amino grubu içeren amino asit kalıntısının sonundaki –in eki yerine –il eki yazılarak ve diğer amino asidin adı aynı olacak şekilde isimlendirilir. Örneğin, glisin (birinci amino asit) ve alaninden (ikinci amino asit) oluşmuş bir dipeptidin adı glisil-alanindir. Alanin, serin ve glisin amino asitlerinden oluşmuş ise verilen sıra ile alanil-seril-glisin isimlendirmesi kullanılır. En sondaki amino asidin adı aynen yazılır. Protein n sayıda amino asitten oluşmuş ise (n-1) adet peptid bağı içerir. Her bir amino asidin kimyasal yapısı sebebiyle, polipeptid zincirinin bir yönü vardır. İfade edildiği üzere, polipeptid zincirde bir amino ve bir karboksil olarak iki farklı serbest uç vardır. Serbest amino grubu olan uç amino ucu (N ucu, N terminali) olarak adlandırılır ve bir polipeptid zincirinin başlangıcı olarak ele alınır. Amino asitlerin sırası bu amino uç biriminden başlayarak yazılır. Polipeptid zincirinin serbest bir karboksil grubuna sahip olan ucu ise karboksil uç (C ucu, C terminali) olarak adlandırılır. Proteinler, bir polipeptit zincirinden oluştuğu gibi çok sayıda polipeptid zincirinden de oluşabilir. Örneğin myoglobin tek bir polipeptid zincirinden oluşurken hemoglobin (dört polipeptid zincirli) gibi bazıları da birbirinin aynı veya farklı olan iki veya daha fazla polipeptidlerden oluşabilir. Amino asit molekülünün kalıntıları, aşağıda görüldüğü gibi yan zincirleri oluştururlar. Başka bir ifade ile peptidlerde ve proteinlerde temel yapıyı oluşturan NH2………COOH sıralanışında bazı yan zincirler bulunabilmektedir. Yan zincirler proteinlerin kimyasal, fiziksel ve biyolojik özelliklerini önemli ölçüde belirler. H O R2 H O N C CH N C CH N C CH R1 H O R3 4.4. Proteinlerin Sınıflandırılması Proteinler diğer gıda bileşenlerine benzer olarak bitkisel proteinler ve hayvansal proteinler olarak sınıflandırılabilir. Proteinler konfigürasyonlarına göre de fibröz ve globüler proteinler olarak ikiye ayrılabilirler. Fibröz proteinler suda çözünmezler ve çubuk şeklindeki proteinlerdir. Makroskobik lifler oluştururlar, polipeptid zincirleri lifler doğrultusunda paraleldirler. Genel yapısı globüler proteinlerden daha basittir. Fibröz proteinlere kemiklerde bulunan kollajen, saç, tüy, deri, boynuz, tırnakta bulunan kreatin, bağ dokuda bulunan elastin ve ipek fibrini örnek olarak verilebilir. Globüler proteinler hemen hemen yuvarlak yapıdadırlar. Peptid zincirlerinde ya kısmi ya da tamamen bir helezonlaşma sözkonusudur. Antikorlar, enzimler, hemoglobin, hormonlar vb. globüler proteinlerdir. bakımından ise basit proteinler (homoproteinler) ve bileşik proteinler (heteroproteinler) olarak iki gruba ayrılabilirler. Basit proteinler sadece esas yapı taşları olan amino asitlerinden oluşmaktadır. Basit proteinler; albuminler, globulinler, prolaminler (gliadinler), glutelinler, skleroproteinler, histonlar, protaminler şeklinde gruplara ayrılırlar. Basit proteinler çözünürlük bakımından çözünen basit proteinler (globüler proteinler) ve çözünmeyen basit proteinler (fibröz proteinler, skleroproteinler) olarak iki alt gruba ayrılırlar. Bileşik proteinler için konjuge protein terimi de kullanılmakta olup amino asitlerin yanında başka organik veya inorganik yapı taşlarını (prostetik grup) içerirler. Prostetik grup olarak inorganik asitler, karbonhidratlar, renk maddeleri vb. yer alabilir. Prostetik grubun kimyasal yapısı temel alınarak bileşik proteinler (proteidler) fosfoproteidler, nükleoproteidler, glikoproteidler, kromoproteidler, lipoproteidler vb. şeklinde sınıflandırılabilir. Bu bileşik proteinlerin içerdikleri prostetik gruplar fosforik asit, fosfolipid, nötral yağ, kolesterol, RNA, galaktoz, mannoz, pigmentler ve Fe vb. elementler olabilir. Kimyasal yapıları Proteinlerin bazı fonksiyonel ve teknolojik özellikleri emülsiyon stabilitesi ve kapasitesi, su ve yağ bağlama kapasitesi, köpük oluşturma, jel kuvveti, çözünürlük vb. kriterlerin belirlenmesi ile ortaya konulur. Proteinler biyolojik işlevlerde çok fazla çeşitlilik gösterirler. Proteinler biyolojik işlevsel (fonksiyonel) özelliklerine göre şöyle sınıflandırılabilirler; katalitik proteinler (enzimler), yapısal proteinler (kollojen, kreatin, elastin), düzenleyici proteinler (hormonlar), taşıyıcı proteinler (hemoglobin, myoglobin, transferrin), antikorlar, depo proteinleri (ovalbumin, kazein, gliadin, zein), koruyucu proteinler (toksinler, alerjenler), kontraktil (kasılma, hareket) proteinler (myosin, aktin). Proteinlerin sınıflandırılması Şekil 4.2’de özet olarak verilmiştir. Proteinler, makromoleküllerden meydana geldiği için nisbi olarak yüksek molekül ağırlığına sahiptirler (Çizelge 4.8). Proteinlerin molekül ağırlıkları çeşidine göre değişmektedir. Proteinler molekül ağırlığı 12 000 dalton olan büyük polipeptitlerdir. Moleküler yapının büyüklüğü sebebiyle proteinler kolloidal özellik gösterirler. Çizelge 4.8. Bazı Proteinlerin Molekül Ağırlıkları 4 Proteinler Molekül Ağırlıkları, dalton Proteinler İnsulin Laktoalbumin Tripsin Pepsin Ribonükleaz 6 000 17 400 24 000 35 500 12 700 Yumurta albümini Serum albümini (sığır) 44 000 β-laktoglobulin (sığır) Hemoglobin (insan) Katalaz Üreaz Miyosin Glutamat dehidrojenaz 68 900 Titin Molekül Ağırlıkları, dalton 35 400 64 000 250 000 480 000 620 000 1 000 000 3 000 000 4.5. Protein Molekülerinin Konformasyonu Proteinlerin peptid zincirleri yapısında oldukları anlaşıldıktan sonra polipeptid zincirlerinin bir arada nasıl durdukları ve uzaydaki dizilişlerinin nasıl olduğu soruları çok sayıda araştırmacının çabaları sonucunda cevaplandırılmıştır. Her protein molekülünün karakteristik üç boyutlu doğal bir yapısı bulunmaktadır. Atomların ve atom gruplarının konfigürasyonlarının (konfigürasyon, bir kimyasal bileşiğin gruplarının üç boyutlu boşluk içerisindeki yerleşim düzenlerini belirtmektedir) ortaya getirdiği biçimlenmelerin toplamı, molekülün üç boyutlu biçiminin oluşmasını sağlar. Buna protein molekülünün konformasyonu (biçimlenme) denilir. Proteinlerin konformasyonları, kovalent bağları kırılmaksızın üç boyutlu boşluk içerisinde çok değişik pozisyonlarda bükülme, kıvrılma ve böylece farklı pozisyonlar alma ile oluşan bir yapısal durumdur. Proteinlerin çeşitli fizikokimyasal özelliklerini göstermesi ve biyolojik fonksiyonlarını yerine getirebilmesi ancak üç boyutlu konformasyonel yapılarını kazanmaları ile mümkündür. Bir proteinin kovalent iskeleti yüzlerce tek bağdan oluşmaktadır. C-N arası tek bağların çift bağ karakteri kazandığını ve bağlı atomların bağları etrafında bağımsız rotasyon yapamadıkları daha önce belirtmişti. Fakat iki peptid bağı arasındaki α-karbonunu peptid bağlarına bitiştiren iki tek bağın etrafında bağımsız rotasyon olabilir. Bu bağların etrafında bağımsız rotasyon mümkün olduğu için proteinin sınırsız sayıda konformasyonda bulunduğu düşünülebilir. Hâlbuki proteinlerde ancak bazı konformasyonlara rastlanmaktadır. Proteinlerin karakteristik üç boyutlu doğal yapılarının oluşumundan primer (birincil), sekonder (ikincil), tersiyer (üçüncül) ve kuarterner (dördüncül) olarak tanımlanan dört farklı yapı sorumludur (şekil 4.3). Tabiatta bulunan bütün proteinler, genelde sekonder ve tersiyer konformasyonel yapıda bulunur. Molekül ağırlığı 100000’ün üzerinde bulunan bir protein kuartener yapı prensibine sahip bulunur. A) Primer Yapı Primer (birincil) yapı, protein molekülünün en basit yapısı olup protein molekülünün omurgasını oluşturur ve söz konusu proteine özgüdür. Primer yapı, her proteinde yer almakta olup polipeptid zinciri üzerindeki amino asitlerin sayısı, çeşidi ve zincir üzerindeki sıralanışını belirler. Başka bir ifade ile belirli çeşitte, belirli sayıda ve belirli bir diziliş sırasında amino asitlerin peptit bağlarıyla polipeptid zincirlerini meydana getirmeleridir. Bu yapı protein molekülünün bir veya daha fazla sayıda polipeptid zincirinden oluşup oluşmadığı hakkında bilgi veren yapıdır. B) Sekonder Yapı Sekonder (ikincil) yapı terimi, polipeptidlerin belirli kısımlarının yerel konformasyonlarını ifade eder. Bu yapı zincir içi ve/veya zincirler arası bağların oluşması ile ortaya çıkar. Bu bağların oluşması ile primer yapıda ekseni boyunca kıvrımlar meydana gelir ve protein zinciri bir silindir etrafında sarılmış gibi bir pozisyon alır. Başka bir ifade ile polipeptit veya protein zincirinin bükülüp kıvrılarak heliks (yay) şeklinde bir yapı kazanmalarıdır (Şekil 4.3). Sekonder yapının özellikle birkaç tipi kararlıdır ve protein yapısında yaygın olarak bulunur. En yaygın olarak bulunanlar αheliks ve β-plakalı konformasyonlarıdır. α-heliks yapılarda amino asit kalıntısı imino grubu (–NH) komşu helezon kıvrımındaki dördüncü amino asit kalıntısının karbonil grubu (C=O) ile hidrojen köprüsü kurar ve noktalı çizgi ile gösterilir (-N-H … O=C-). Hidrojen köprüleri birçok kısımda molekül boyunca meydana gelir. Peptid omurgası kıvrımları sağdan sola olan bir vida biçiminde bükülmüştür. β-plakalı yapılarda peptid omurgasının bütün peptid bağlarının birbirleriyle hidrojen köprüleri ile bağlanması söz konusudur. Yapıdaki polipeptid zinciri α-heliks yapıdaki gibi sarmal şekilde değil, yayılmış durumda ve tabaka halindedir. β harfi, α-heliks yapıdan sonra bu yapı modeli ileri sürüldüğü için kullanılmıştır. Sekonder yapıda polipeptid zincirlerinde sadece hidrojen bağları ile değil disülfit bağları (S-S) ile de elektrostatik ve hidrofobik etkileşimlerle bir arada tutulan kıvrımlar oluşabilir. Örneğin insülin yapısında disülfit bağları bulunmaktadır. α-heliks ve β-plakalı peptid konformasyonel yapı birimleri hem globüler hem de fibröz konformasyonel yapıya sahip proteinlerin yapısında bulunur. Fakat bunların her proteindeki oranları farklılık göstermektedir. Örneğin myglobin genelde α-heliks birimleri içerirken, proteinaz α-kimotripsin genelde β-plakalı birimleri içermektedir. Ancak pek çok protein yüksek oranlarda her iki yapıyı da içermektedir. C) Tersiyer Yapı Tersiyer yapı (üçüncül), polipeptit zincirinin çok daha ileri derecede bükülmesi, kıvrılması, yumaklaşması ve böylece kompleks ve sağlam bir yapı oluşturmasını ifade eder (Şekil 4.3). Bu yapı, polipeptid zincirlerinde hidrojen bağları, iyonik bağlar ve hidrofobik bağlar gibi kovalent olmayan bağlar ile van der Waals bağlar, polar bağlar, disülfit bağları gibi kovalent bağlar sonucu ortaya çıkar. Polipeptid zincirde meydana gelen katlanmalar sonucu yüzeyler arası mesafeler kısalır, primer yapıda birbirine uzakta olan bazı amino asitler karşı karşıya gelerek birbirlerine yaklaşır ve yoğunlaşmış protein molekülü meydana gelir. Bu yapı çoğunlukla globüler proteinlerde görülür. Myoglobin ve hemoglobinde tersiyer yapı gösterilmiştir. D) Kuarterner Yapı Kuarterner (dördüncül) yapı değişik protein birimlerinin birbirleri ile olan tutunmalarını ve bir arada bulunmalarını ifade eder. Bu yapı protein birden fazla polipeptid zinciri içerdiğinde uzaysal protein düzenlemesini tanımlar. Bu yapıda proteinin birkaç polipeptid zinciri birbirleriyle bağlanıp oligomerleşir. Bunlara oligomer proteinler de denilir. Biyolojik bakımdan önemli birçok protein dimer, trimer, tetramer vb. yapılarda bulunur. Örneğin fosforilaz b enzimi birbirinin aynı iki alt birimin (her bir alt birim için monomer ifadesi kullanılır) bir arada olup bir dimer oluşturması ile meydana gelmiştir. Fosforilasyon sonucu enzim tetramer formuna dönüşür (fosforilaz a). Bu birimler ayrı ayrı iken aktivite gösteremez. Birbirinin aynı olan birimlerden oluşan yapı homojen kuarterner yapı olarak adlandırılır. Yapı birbirine benzemeyen birimlerden oluşmuş ise bu yapı heterojen kuarterner yapıdır. Tütün virüs proteininin yapısı buna örnektir. 4.6. Proteinlerin Bazı Özellikleri 4.6.1. Proteinlerin Hidrolizi Proteinler, karbonhidrat ve yağlar gibi hidrolitik (hidroliz) yolla parçalanabilirler. Proteinlerin parçalanması enzimatik olarak meydana gelmektedir. Bazı proteinler, örneğin skleroproteinler sıcaklık etkisi altında asit hidrolizi ile de parçalanabilirler (jelatinin kemik ve kıkırdaktan elde edilmesi gibi). Basit proteinler belirli ara basamaklar üzerinden amino asitlerine kadar parçalanırlar. Bunun yanında birleşik proteinler amino asitlerine ve prostetik gruplara indirgenirler. Prostetik gruplar protein parçalayan enzimler (proteaz) ile daha fazla parçalanamazlar. 4.6.2. Proteinlerin Çözünürlükleri Proteinlerin çözünürlük özelliklerine göre sınıflandırma şekli, gıda bilimi ve teknolojisi açısından önemli olup çeşitli gıdaların kalite kontrolünde de kullanılır. Örneğin toplam protein miktarının belirlenmesi haricinde proteinlerin su, alkol veya tuzlu su içerisinde çözünebilme durumları dikkate alınarak bazı kalite kontrol analizleri yapılmaktadır. Proteinler çeşitli çözücülerde çözünürler (Çizelge 4.9). Farklı molekül yapılarından dolayı proteinler suya karşı ortak reaksiyon göstermezler. Bu farklılıktan belirli proteinlerin ayrılması ve ekstraksiyonunda yararlanılır. Çözünürlük, protein molekülündeki polar ve apolar gruplara bağlı olarak değişmektedir. Protein molekülleri amino asitlerine benzer amfoter özellik göstermektedir. Çünkü protein molekülerinde de serbest karboksil ve amino grupları mevcuttur. Dolayısıyla protein molekülleri iyon olarak ortaya çıkabilirler. Bazı proteinler (örneğin albuminler) suda kolloidal olarak çözünür. Buna karşılık diğerleri hiç çözünmezler (kollogen, keratinler gibi skleroproteinler). Molekül büyüklüğü nedeniyle proteinlerde hakiki çözelti meydana gelmez. Kolloidal bir protein çözeltisindeki protein molekülleri, su molekülleri tarafından kuşatılır. Hidratasyon olarak da ifade edilen bu olay katılan moleküllerin elektrostatik çekim kuvvetleriyle meydana gelmektedir. Su molekülünün dipol karakterinden dolayı (yük ağırlık noktası) protein moleküllerine su moleküllerinin (hidratasyon suyu) depolanması söz konusudur ve bununla hidratasyon meydana gelir. Tutulan suda diğer maddeler de çözünebilirler. Böylece protein molekülü tarafından absorbe edilirler ve proteinlerin hareketiyle taşınabilirler. Bu olay kanda gıda maddesi transportunun fizyolojik temelini oluşturmaktadır. Protein molekülünün büyüklüğü geçirgen bir membran içinde difüzyonu da düşürür. Bunun için sindirim sırasında protein molekülünün parçalanması zorunludur. Dolayısıyla proteinler aminoasitlere parçalandıktan sonra ince bağırsakta emilebilir (Şekil 4.4). (1)Protein molekülü (2)Su molekülleri (hidratasyon suyu) (3) Yarı geçirgen membran (4) Difüzyon yönü Şekil 4.4. Çözünmüş Molekülünün Gösterilişi 1 Kolloidal Protein Şematik Proteinlerin su bağlama kabiliyeti et işlemede ve hamur işleri yapımında çok büyük öneme sahiptir. Sosis yapımı için kesim sıcaklığındaki et uygundur. Çünkü uygun pH değerinden dolayı protein molekülü geniş ölçüde kendi orijinal formunda bulunur ve bununla yeterli miktarda su molekülü hidratasyon suyu olarak bağlanır. Bu da iyi bir işleme imkânı sağlar. Un proteinlerinin su alması ve bununla hamur randımanının yükselmesi hamur yapımında önemlidir. Proteinlerin suda çözünürlüğü, ilgili izoelektrik noktası tarafından belirlenir. İzoelektrik nokta genişliğinde proteinler suda çözünmezler. Bir protein çözeltisinin pH’sı izoelektrik noktasına ulaştığı anda protein topaklaşır, çökelir. Proteinler kuvvetli asitler, ağır metallerin tuzları, nötral tuzlar ve organik çözücüler (etanol, alkol) ilavesinde çökelir. Sulu bir protein çözeltisi 70oC’nin üzerine ısıtılır ise proteinler çökelir veya denatüre olur. Çözünürlük özelliği göstermeyen bazı proteinler örneğin jelatin iyi ve kolay şişme kabiliyetindedir. Bunlar protein molekülünün tersiyer strüktürü içinde su moleküllerini depolar. Böylece hacimleri büyür ve jel oluşur. Suda çözünmeyen proteinler kısmen seyreltik asitler, bazlar, tuz çözeltileri ve alkolde çözünürler. 4.6.3. Protein Denatürasyonu Denatüre olma sözcüğünden protein molekülünün strüktür (yapı) değişmesi anlaşılır. Sekonder, tersiyer ve kuarterner yapı olarak ifade edilen protein molekülünün doğal durumu yani üç boyutlu yapısı bozulur. Denatüre olma; protein molekülünün sekonder, tersiyer ve kuarterner yapılardaki bağların parçalanması anlamına gelir. Polipeptit zincirler gerilir, tesadüfî ve düzensiz bir yapı oluşur. Primer yapıda denatürasyon sırasında bir değişiklik olmaz. Proteinlerin kırılgan konfigürasyonu özellikle tersiyer yapıdan kaynaklanmaktadır. Denatürasyonun en belirgin göstergesi; proteinin sudaki çözünürlüklerinin azalması ve belirli biyolojik aktivitelerini yitirmelerdir. Doğal proteinlerin yüksek organize olmuş yapıları, denatürasyon olayından sonra organize olmayan ve kesinlikle rastlantısal bir yapı oluşturacak şekilde meydana gelir. Proteinlerin denatürasyonu çeşitli faktörlerin etkisiyle (sıcaklık, pH değerinin değişmesi, ışın, konsantre tuz çözeltisi vb.) hidrojen köprülerinin ve disülfit bağlarının çözülmesiyle, peptid zincirlerinin katlarının açılması ile meydana gelir. Çoğunlukla geri dönüşümsüzdür (tersinmez, irreversible), protein molekülünün doğal yapısı tekrar eski haline dönmez. Yalnız çok az istisna ile denatürasyon olayı tersinir yani dönüşümlüdür (örneğin et olgunlaşması olayı). Kesimden sonra pH değerinin 7,0-7,2’den (canlı kaslarda) 5,4-5,8’e (kesilmiş durumlarda) düşmesi görülmektedir ki, bununla etin protein molekülü denatüre olmaktadır. Canlılığın kaybolmasından sonra soğumayı takiben pH’nın yaklaşık 6,3 civarında bulunduğu sırada et olgunlaşması başlamaktadır. Kas proteini ve bağ doku enzimatik olaylarla arzu edilen şekilde gevşer. Denatürasyonun sonucu olarak, proteinin bazı fizikokimyasal özelliklerinin değişmesi ortaya çıkmaktadır. Böylece denatüre olmuş proteinler enzimatik olarak en iyi şekilde parçalanabilirler. Genel olarak, bugünkü anlamda denatüre protein ürünü, pıhtılaşmış, topaklaşmış veya koagüle olmuş protein olarak ifade edilir. Bunlar denatürasyonun sinonimi olarak kabul edilirler. Proteinlerin çökmesi her zaman bir denatürasyon değildir. Molekülün tersiyer yapısı korunarak da proteinler çöktürülebilir. Denatürasyon, proteinin hidrolizi ile karıştırılmamalıdır. Denatürasyonda protein molekülü yalnız strüktür değişmesine uğramasına karşılık, hidroliz sonucunda protein parçalanma ürünleri ortaya çıkar. Bu fark özellikle proteinlerin sindirimi sırasında birbirinden ayırt edilmesi bakımından önemlidir. Gıda üretiminde denatürasyon gıdalarda arzu edilen durum değişikliği olarak çeşitli metotlar ve teknolojilerin temelini teşkil eder. Denatüre protein en uygun yapıya sahip olduğu için kolay sindirilebilmekte ve en iyi şekilde işlenebilmektedir. Örneğin baklagillerdeki tripsin inhibitörleri ısıl işlem ile denatüre olmakta ve baklagil proteinlerinin sindirilebilirliği ve biyolojik değeri önemli düzeyde artmaktadır. Gıdalarda hem ısıtma hem de dondurma sırasında protein denatürasyonu söz konusudur. Dondurulduktan sonra balığın elastikiyetini yitirmesinin nedeni denatürasyondur. Süt kazein miselleri ısıtmaya dayanıklı iken dondurma sonucunda denatüre olur ve çökelirler. Isıtma genellikle proteinin tersiyer yapısını etkiler ve çoğu protein 55–75°C aralığında denatüre olur (süt kazeini ve jelatin bir istisnadır). Bazı proteinlerin koagülasyon sıcaklıkları Çizelge 4.10’da verilmiştir. Süt kazeininin termal kararlılığının nedeni sistein ve sistin içeriğinin yüksek olmasından ileri gelmektedir. Çizelge 4.10. Bazı Proteinlerin Termal Denatürasyon Sıcaklıkları 44 Protein Denatürasyon Sıcaklığı (°C) Protein Denatürasyon Sıcaklığı (°C) Yumurta albümini 56 Miyosin 47-56 Laktoalbumin 72 β-Laktoglobulin 70-75 Sığır serum albümini 67 Kazein 160-200 Proteinlerin denatüre olması fiziksel ve kimyasal faktörler etkisiyle mümkündür (Çizelge 4.11). Çizelge 4.11. Proteinlerin Denatüre Olması Üzerine Etki Eden Faktörler Fiziksel faktörler Kimyasal faktörler Sıcaklık UV ışınları Ultrases (ultrason) Mekanik işlemler (çalkalama, karıştırma, parçalama) Hidrostatik basınç Asitler Alkaliler Alkoller Metaller Organik çözücüler Deterjanlar Sıcaklık ile pıhtılaşma 60oC’den itibaren başlar. Ön işleme sırasında yüksek sıcaklığa maruz kalan gıdalardaki proteinler denatüre olurlar. Bu konu ile ilgili olarak aşağıda bazı örnekler verilmiştir; Yumurta yemekleri ve yumurtalı gıdaların hazırlanması: Proteinlerin pıhtılaşması mutfak pratiğinde kesilme olarak ifade edilir. Tavuk yumurtasında proteinin pıhtılaşma sıcaklığı 60oC’de başladığı için yumurta ve yumurta bileşenlerinin kullanıldığı bazı işlerde ilave sırasında doğru sıcaklığın seçilmesi gerekir. Örneğin bir çorba koyulaştırmak isteniyorsa yumurta sarısı ve kremadan meydana gelen karışım çorba piştikten sonra ilave edilebilir. Et, tavuk ve balık yemeklerinin yapılışı: Proteinler pıhtılaşır, (kas) gözenekler kapanır, hücre özsuyu muhafaza edilir, gıda kızarır ve bununla yenebilir hale gelir. Kızartma (pişirme) sıcaklığı 180oC-250oC arasında bulunur. Hamur işleri ve ekmeğin pişmesi: Unda bulunan gluten proteini (gliadin ve gluteninden meydana gelir) 72oC’de pıhtılaşır. Bu, fırın ürünlerinin yapısını oluşturur. Pastörizasyon ve sterilizasyon: Gıdaların konserve edilmesi metotlarından pastörizasyon ve sterilizasyon, proteinden meydana gelmiş olan mikroorganizmaların yapısında bulunan proteinlerin denatüre olması ve dolayısıyla uygun konserve sıcaklıklarında ölmeleri özelliğine dayanmaktadır. Sütün kaynatılması: Sütün kaynatılmasında da pıhtılaşma olayı meydana gelir. Görülen işaret sütün üst yüzeyinde ve pişirme kabının tabanında koagüle olmuş protein tabakasıdır (serum proteinleri). Pıhtılaşan protein miktarı azdır. Çünkü süt proteininin asıl önemli kısmi ısıtma sırasında denatüre olmayan kazeinden meydana gelmektedir. Asitlerle pıhtılaşma: Çözünür formda bulunan proteinlerin birçoğu asitlerin etkisi ile pıhtılaşır. Bu olay proteinin amfoter özelliğinden kaynaklanmaktadır. Protein molekülleri kendilerinin fonksiyonel gruplarından (-NH2-COOH) dolayı, amino asitler gibi katyon ve anyonlarına ayrışırlar (disosiyasyon). Bunun sonucu olarak tüm proteinler için ayrı bir izoelektrik nokta vardır. Asit etkisiyle proteinin izoelektrik noktasına erişilir ve burada pıhtılaşma meydana gelir. Asitle pıhtılaşma, fermente süt ürünleri (yoğurt, kefir), kuark ve starter kültür yapımının temelini oluşturur (Şekil 4.5). Sütün pıhtılaşması aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi genelleştirilmiş kompleks biyokimyasal olaylar içinde meydana gelir. Laktik asit bakterileri (starter kültür) laktaz enziminin yardımıyla süt şekerini laktik aside parçalar. Laktik asit, süt albuminine (laktoalbumin) etki etmezken süt globulinini (laktoglobulin) koagüle etmektedir ve bundan dolayı laktoalbumin peynir suyunda kalmaktadır. Sütün ana proteini kazeindir ve sütte kalsiyum kazeinat olarak bulunur. Suda çözünmeyen kazein, asit etkisiyle çöktüğü sırada, laktik asit kalsiyum ile birlikte kalsiyum laktat meydana getirir. Kazein Kalsiyum kazeinat Globulin Albumin a Laktoz Süt asidi bakterileri Süt asidi Kalsiyum laktat b a) Asitlik için gerekli bileşenlerin şematik olarak gösterilişi b) Sütün pıhtılaşması Şekil 4.5. Sütün Kesilmesi 1 Enzimlerle pıhtılaşma: Peynir mayasının ilavesiyle (buzağı şirden enzimi) süt pıhtılaşır (peynir yapımı). Havanın oksijeni ile pıhtılaşma: Hava oksijeninin katılmasıyla kanın protein bileşenleri koagüle olmaktadır (kan pıhtılaşması). Ağır metal tuzlarıyla denatürasyon: Ağır metal tuzları, protein ile birlikte çözünmeyen bileşikler oluştururlar (örneğin bazı metal zehirlenmelerinde hastaya derhal süt, yoğurt ve yumurta verilmesi). Alkolle denatürasyon: Konsantrasyonu çok yüksek etil alkol kan serum proteinini çökeltir, fazla miktarda alkol alınması kan pıhtılaşması sonucu ölüme yol açabilir. 4.6.4. Gıdaların Hazırlanması Sırasında Proteinlerin Uğradığı Diğer Bazı Değişiklikler Gıdaların depolanması ve işlenmesi sırasında gıdanın bileşimi ve proses şartlarına (pH, sıcaklık, nem, kurutma, kimyasal maddelerle muamele, fermentasyon, oksijen vb.) bağlı olarak bazı protein ve amino asit moleküllerinde kimyasal değişimler gerçekleşebilir. Bu reaksiyonlar sonucu; esansiyel aminoasitlerin parçalanması, esansiyel aminoasitlerin metabolize olmayan türevlere dönüşmesi ve/veya sindirilebilirliğin azalması gerçekleşir. Netice olarak çeşitli toksik bileşikler meydana geldiği gibi proteinin biyolojik değeri de düşme göstermektedir. Söz konusu reaksiyonlara bağlı olarak bazı amin içerikli ve toksikolojik, kanserojenik vb. özelliklere sahip bileşikler; heterosiklik aminler, nitrozaminler, biyojenaminler vb. Kanserojenik bileşiklerden olan nitrozaminler sekonder aminlerle nitritlerin reaksiyonu sonucu oluşur. Enzimatik olmayan esmerleşme reaksiyonu olarak tanımlanan Maillard reaksiyonu meydana gelebilir. Maillard reaksiyonu ürünlerinin tamamen yararlı veya zararlı olduğunu düşünenlerin sayısı oldukça azdır. Risk ve fayda birlikte bulunmaktadır. Maillard reaksiyonları esnasında akrilamid, polisiklik aromatik hidrokarbonlar, heterosiklik aminler gibi toksijenik, mutajenik ve kanserojenik bileşikler meydana gelmektedir. Hidrojen peroksit, benzol peroksit gibi çeşitli maddeler gıda sanayiinde bakterisidal, hububat unlarında ağartıcı vb. amaçlarla kullanılabilmektedir. Bu oksitleyici maddeler oksidasyona duyarlı amino asitler üzerinde olumsuz etkilere ve proteinlerin polimerizasyonuna sebep olabilmektedir. Gıdalardaki proteinler alkali pH değerinde ısıl işleme maruz bırakıldıklarında L-amino asitler D-amino aside çevrilir. Rasemizasyon denilen bu olay sonucu proteinlerin besleyici özellikleri kayba uğramaktadır. Çünkü D-amino asitlerin sindirim sisteminde emilmesi çok zor olduğu gibi bu amino asitler vücut proteinlerinde de kullanılamaz. Gıdalar yüksek ısıl işleme (200-250oC) maruz kaldıklarında proteinlerde prolize uğrarlar, mutajenik ve kanserojenik maddeler oluşur. Proses sırasında bazı etkilerle çeşitli enzimlerin inaktive olması gıda maddesinde renk, tat ve koku değişimlerine neden olabilir. Yukarıda bahsedilen reaksiyonlardan Maillard reaksiyonu ile ilgili bazı bilgiler Karbonhidratlar Bölümünde verilmiş olup burada bazı ek bilgiler yer almaktadır. 4.6.5. Maillard Reaksiyonu (enzimatik olmayan esmerleşme reaksiyonu) İndirgen şekerlerin aldehit ve keto grupları, aminoasitler, peptidler ve proteinler ile reaksiyona girerek melanoidinler (esmer renkli azotlu doymamış polimerler) diye adlandırılan kahverengi pigmentler meydana geldiği ve bu reaksiyonların gıda kimyası ve teknolojisi açısından çok önem taşıdığını karbonhidratlar bölümünde ifade edilmişti. Gıdaların işlenmesi sırasında gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar içerisinde en önemlisi Maillard Reaksiyonudur. Reaksiyon sonucu besin maddesinin rengi koyulaşır. Bu durum ekmek gibi bazı gıdalarda istenirken sütte istenmez. İndirgen şeker varlığında proteinler serbest NH2 grupları üzerinden aşağıdaki reaksiyon uyarınca glikosil aminleri verirler. Protein molekülünde N-terminal dışında serbest NH2 grubu lisin artıklarında (yan zincirde) bulunur. Dolayısıyla Maillard reaksiyonundan en fazla esansiyel bir amino asit olan lisin zarar görmektedir. Bu reaksiyonlar sonucu lisin bloke edildiğinden metabolizmada değerlendirilemez ve proteinin biyolojik değeri düşer. Maillard reaksiyonu lisin kaybı yanında gıdalarda istenmeyen renklenmelere ve kuru depolama veya ısıl işlemler (pastörizasyon, sterilizasyon veya koruma) sonucu aromada bozulmalara neden olur. Şekil 4.6. Maillard Reaksiyonunun Oluşumu 44 Maillard reaksiyonunu etkileyen parametreler Sıcaklık: Tüm kimyasal reaksiyonlar gibi Maillard reaksiyonu da sıcaklığın her 10C yükselmesi ile 2–3 kat hızlanır. Fakat fruktoz içeren gıdalarda bu 5–10 kat artar. Yüksek sıcaklıkta oluşan pigmentler daha koyulaşabilir. pH: pH alkali bölgeye kaydıkça Maillard reaksiyonu etkilidir. Yüksek pH'larda amino grubunun protonlaşmış olması yani serbest olmayışı önemli bir faktördür. R-NH2 + H+ R-NH3 Nem: Çok yüksek nem durumlarında Maillard reaksiyonu egemen değildir. Şekerin yapısı: Çözeltide açık zincir yapısında bulunan indirgen şekerler daha reaktiftir. Reaktivite sırası; pentozlar, heksozlar ve indirgen disakkaritler şeklindedir. Maillard reaksiyonunun önlenmesi Sıcaklık ve pH'nın olabildiğince düşürülmesi, su aktivitesinin kritik bölge dışında tutulması ve indirgen şekerler yerine indirgen olmayan şekerlerin kullanılmasıyla önemli ölçüde önlenir. Ancak kesin önlem inhibitör kullanımıdır. En etkin inhibitör ise kükürt dioksit (SO2)’dir. Bilindiği gibi aldehitler, bisülfit ile katılma reaksiyonu verirler ve bloke olurlar. Kükürt dioksitin Maillard reaksiyonu inhibitörü oluşu indirgen şekerlerle verdiği katılma ürününden çok amino şekerler ile reaksiyonu sonucu bunların melanoidinlere dönüşümünün engellenmesi esasına dayanır. Ürün formülasyonlarının ayarlanması ve farklı amino asitlerin ilavesi ile de bu reaksiyon önlenebilir.
