Первая статья о белке была опубликована в 1745 г. итальянским ученым Я.-Б. Беккари. Объектом исследования была клейковина. полученная из пшеничной муки. В 1810 г. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар впервые определили элементный состав белковых веществ. В 1833 г. Ж. Гей-Люссак доказал, что в различных белках содержится одинаковое количество азота. В 1836 г. Т. Шванн открыл пепсин - фермент, расщепляющий белки. Немецкий химик Ю. Либих в 1841 г. предположил, что белки животного происхождения имеют аналоги среди растительных. аминокислот в составе белков впервые обнаружил в 1820 г. Французский химик А. Браконно. К концу 80-х гг. ХІХ в. из белковых гидролизатов было выделено уже 19 аминокислот. В 80-х гг. ХІХ в. русский биохимик А.Я. Данилевский обратил внимание на полимерный характер строения белковых молекул. Немецкий химик Э. Фишер создал пептидную теорию, за что был удостоен второй в истории химии Нобелевской премии. В 1962 г. английскому химику Ф. Сенгеру удалось расшифровать структуру и синтезировать гормон инсулин.
Строение и физико-химические свойства. Белки - это нерегулярные полимеры, построенные из остатков α-аминокислот. Белок может представлять собой как один полипептид, так и несколько полипептидов, образующих в результате ковалентных либо нековалентных взаимодействий в единый комплекс. Показано наличие во всех белках углерода (50-55%), кислорода (21-23%), азота (15-17%). водорода (6-7%), серы (0,3-2,5%). В составе отдельных белков обнаружены фосфор, йод, железо, цинк, медь, марганец, селен и др. Содержание основных химических элементов в белках может различаться, за исключением азота, концентрация которого составляет 16%.
В состав белков входят в значительных количествах только 20 α-аминокислот. Химическая природа радикалов R разнообразна: от атома водорода до азотсодержащих гетероциклических соединений. Именно радикалы определяют структурные и функциональные особенности аминокислот. В состав всех изученных в настоящее время белков входят только аминокислоты L-ряда, а остальные достаточно
разнообразные аминокислоты (например, цистин или гидроксипролин) образуются из этих 20 остатков аминокислот уже в составе белковой молекулы. Все аминокислоты могут быть разделены на две группы: ациклические (моноаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые, диаминомонокарбоновые) и циклические. Моноаминомонокарбоновые аминокислоты включают глицин, аланин, серин, треонин, цистеин и метионин, валин, лейцин и изолейцин. К моноаминодикарбоновым относятся аспарагиновая и глутаминовая кислоты, аспарагин и глутамин, а к диаминомонокарбоновым – лизин и аспарагин. Циклические аминокислоты – это фенилаланин, триптофан, гистидин.
Все белки имеют четыре уровня структурной организации: первичную, вторичную, третичную и некоторые четвертичную. Первичная структура белка - представляет собой линейную цепь аминокислот, расположенных в определенной последовательности и соединенных между собой пептидными связями. Главными элементами вторичной структуры белка являются α-спирали и В-складки, а некоторые аминокислоты присутствуют преимущественно в участках, лишенных периодической структуры. Третичная структура отражает полную укладку в пространстве всей полипептидной цепи, включая укладку боковых радикалов.
В соответствии с формой белковой молекулы, обусловленной третичной структурой, выделяют глобулярные и фибриллярные белки. В глобулярной структуре белков, обусловленной гидрофобными и гидрофильными взаимодействиями, в некоторых случаях отчетливо просматриваются домены две или более четко разделенные в пространстве части, связанные пептидными мостиками. К глобулярным белкам относят многие ферменты, иммуноглобулины, некоторые гормоны белковой природы и ряд других белков. Фибриллярные белки (коллаген. фиброин, а-креатин) выполняют в организме структурную функцию. Под четвертичной структурой белков (гемоглобин, иммуноглобулины, РНК-полимеразы глицинины и др.) подразумевают способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей.
Белки могут быть разделены на простые (протеины), включающие в свой состав лишь полипептидные цепи, и сложные (протеиды), в которых наряду с собственно полипептидной частью имеется также небелковая часть, так называемая простетическая группа. Важнейшими среди сложных белков являются нуклеопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды, хромопротеиды, металлопротеиды и фосфопротеиды, простетические группы в которых образуют соответственно нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, пигменты, металлы и фосфорная кислота.
Роль белка в питании. Ферменты как белковые биокатализаторы играют важнейшую роль в поддержании гомеостаза. Структурные белки осуществляют в организме опорно-механическую функцию. Двигательно-сократительная функция представлена группой белков, способных за счет гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ) сокращаться, вызывая различные виды механического движения. Большое число специфических белков выполняют функции защиты организма от инфекций, чужеродных веществ, вирусов и раковых клеток. Регуляторная функция обеспечивается в организме обширным классом белков и пептидов, обладающих гормональной активностью. Значительное число белков являются транспортерами, переносящими вещества внутрь клетки или выводящими оттуда продукты метаболизма, кислород к органам и тканям. Рецепторная функция белков состоит в связывании ими различных низкомолекулярных лигандов.
Белки составляют около 15-20% сырой массы тканей организма, являясь ключевыми компонентами клетки, и наряду с фосфолипидами составляют структурную основу биологических мембран. Они постоянно обновляются вследствие непрерывно протекающих в организме процессов распада и синтеза. Распаду подвергается около 70 г аминокислот в сутки: при этом освобождается большое количество высокотоксичного аммиака. Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в мозге, сетчатке, почках и мышцах является биосинтез глутамина (и, возможно, аспарагина). Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является биосинтез мочевины (протекающий в основном в печени).
Необходимо постоянное пополнение запаса (фонда) аминокислот, используемого для построения (или обновления) молекул белков, из пищи. Энергетическая ценность белка, т.е. количество энергии, выделяющейся при его биологическом окислении, составляет 17,2 кДж (4,1 ккал/г). 10-14% энергетической ценности сбалансированного рациона обеспечивается за счет белка. Использование белков в качестве источника энергии значительно усиливается при голодании, относительном дефиците в рационе углеводов и жиров. Постоянное обновление (турновер) белка является ключевым звеном в регуляции метаболических процессов и стержневым понятием нутриметаболомики. В процессе старения снижается интенсивность самообновления белков, что усугубляет возрастные изменения обмена веществ.
Качество пищевого белка, т.е. его способность использоваться не только в качестве источника энергии, но и с пластическими целями, характеризуется понятием биологической ценности, определяемой в первую очередь содержанием и соотношением в составе белка так называемых незаменимых аминокислот. Недостаточное потребление белка нарушает обмен веществ, сдвигая его в сторону преобладания распада собственных белков организма, вызывающего серьезные структурные и Функциональные нарушения. В первую очередь страдают органы и ткани, характеризующиеся высокой скоростью обновления белков (кишечник и кроветворные органы)..
Обеспеченность пищевым белком. Дефицит пищевого белка приводит к нарушению роста, физического и нервно-психического развития детей. У детей первого года жизни белковая недостаточность (БН), особенно ее легкие стертые формы, может возникать при недостаточном количестве молока у матери; искусственном вскармливании смесями с низким уровнем белка или с его плохой усвояемостью: кишечной мальабсорбцией: несвоевременном и нерациональном введении прикорма.
В более старшем возрасте вследствие недостаточного поступления белков с пищей, низкой энергетической ценности рациона, в результате различных заболеваний, сопровождающихся нарушением переваривания и всасывания белков и аминокислот в желудочно кишечный тракт, усилением процессов распада собственных белков организма (кишечная мальабсорбция в результате хронических энтеритов, энтероколитов; туберкулез и другие хронические инфекции: ожоговая болезнь; обширные хирургические вмешательства и травмы; злокачественные новообразования и пр.). Нарушение биосинтеза белка в костном мозге, сниженная абсорбция железа и ряда витаминов в кишечнике вызывают угнетение кроветворения и развитие анемии. Снижение интенсивности антителообразования ведет к ослаблению сопротивляемости организма инфекциям, что усугубляет состояние белкового дефицита.
Согласно данным всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) белковая недостаточнось (БН) и белково-энергетическая недостаточность (БЭН) относятся к числу «глобальных алиментарных дефицитов». Избыточное поступление белков вызывает усиленную работу пищеварительного аппарата, значительную активацию обмена аминокислот и синтеза мочевины в печени, увеличивает нагрузку на почки. Повышенное поступление белков в организм грудных детей (за счет избытка заменителей женского молока и/или продуктов прикорма) является одной из причин развития избыточного веса младенцев (впоследствии - ожирения). При очень высоких уровнях потребления белка (2 г/кг МТ (масса тела) и более) резко возрастает нагрузка на печень (детоксикация избыточных количеств аммиака) и почек (выведение мочевины).
Ассимиляция белка зависит от его перевариваемости и усвояемости Усвояемость белков это степень использования организмом пищевого белка для пластических нужд и восполнения энергетических затрат. Перевариваемость- характеристика степени усвояемости белка, определяемая по его расщеплению в ЖКТ(желудочно кишечный тракт) и последующему всасыванию аминокислот.
Уже в ротовой полости на белок оказывают кратковременное воздействие протеазы слюны, протеазы желудка и тонкой кишки. Анализ исследований по количественной оценке переваривания и всасывания белка у человека свидетельствует, что эти процессы наиболее интенсивно протекают в проксимальной части тонкой кишки, а подвздошная кишка необходима для его завершения. В толстой кишке расщепление остаточных количеств экзогенных пептидных структур, избежавших полной деградации и всасывания в тонкой кишке, белков пищеварительных секретов, а также некоторых иммунных белков происходит преимущественно под действием ферментных систем кишечной микрофлоры. В тонкой кишке имеются три реакционные зоны гетерофазного пищеварения.
Основная масса белка утрачивает свои антигенные свойства, подвергаясь денатурации и протеолизу уже на ранних этапах пищеварения, предшествующих их поступлению в тонкую кишку. Во внутреннюю среду организма поступают в основном свободные аминокислоты и короткопепочечные пептиды, лишенные антигенных свойств. Помимо протеолиза, всасывание нерасщепленных белков в ЖКТ регули- руется реакциями местного иммунитета, эпителиальным барьером слизистой оболочки тонкой и толстой кишки, перистальтикой, состоянием кишечного микробиоценоза.
Следствием транспорта белковых макромолекул в норме является выработка местного гуморального иммунного ответа секреторных IgA-антител и индуциравание состояния системной иммунологической толерантности, формирующейся уже в ранний постнатальный период и поддерживающейся в течение жизни путем постоянного поступления пищи. Нарушение нормальной проницаемости кишечного барьера для белков пищи рассматривается как фактор риска сенсибилизации ребенка и развития у него состояния гиперчувствительности.
Биологическая ценность белков (БЦ). Под биологической ценностью понимают зависящую от аминокислот состава и других структурных особенностей белка степень задержки азота пищи в теле растущего организма и эффективность его утилизации для поддержания азотистого равновесия у взрослых. Содержание и соотношение незаменимых аминокислот определяют биологическую ценность. В ходе эволюции человек утратил способность синтезировать почти половину из 20 аминокислот, входящих в состав белков его организма. Такие аминокислоты называющиеся незаменимыми, включают фенилаланин, метионин, треонин, триптофан, валин, лизин, лейцин, изолейцин. Две аминокислоты (частично заменимые). аргинин и гистидин у взрослых образуются в достаточных количествах, однако Детям для нормального роста организма необходимо дополнительное поступление этих аминокислот с пищей. Две другие аминокислоты тирозин и цистеин условно заменимы (для их синтеза необходимы незаменимые фенилаланин и метионин).
Поскольку существует достаточно выраженное соответствие между аминокислотным составом белка и степенью его утилизации организмом, то максимальный анаболический эффект белка проявляется при оптимальном соотношении в нем незаменимых аминокислот. Дефицит любой аминокислоты в рационе (и соотношение суммы незаменимых аминокислот заменимых) ведет к снижению синтеза белков в организме.
Методы оценки биологической ценности белка
Метод аминокислотных шкал. В разное время различными авторами и международными организациями качестве идеальных предлагались белки яйца,
и молока или так называемые справочные аминокислотные шкалы. В природе не существует белка, аминограмма которого точно совпадала бы с предложенными
идеальными шкалами. В 1989 г. в совместном отчете ФАО/ВОЗ предложено временно использовать для всех возрастных групп, за исключением грудных детей, шкалу, предложенную в 1985 г. для детей дошкольного возраста (2-5 лет), для определения качества белков в пищевых продуктах, предназначенных для грудных детей возрастом менее одного года, основой для соответствующей шкалы должен служить состав материнского молока.
Фундаментальной основой для химического метода определения биологический ценности индивидуальных белков или белковых компонентов пищевого продукта является понятие химического (аминокислотного) скора, равного процентному отношению количества (мг) аминокислот в 1 г белка к количеству (мг) аминокислот в 1 г идеального белка. За химический скор испытуемого белка принимается наименьшее отношение, полученное для какой-либо из незаменимых аминокислот этого белка. Химический скор является критерием, который определяет уровень лимитирования белка незаменимыми аминокислот. В эталонном белке аминокислотный скор каждой из незаменимых аминокислот принимается за 100%.
Существует и ряд других, более сложных методов расчета биологический ценности, основанных на суммарной (средней) оценке отношений содержания каждой незаменимой аминокислот в исследуемом белке к ее количеству в стандартном белке.
Особенности структуры пищевого белка и его промышленной переработки суще- ственно влияют на его переваривание, всасывание, усвоение и утилизацию. Поэтому при оценке биологический ценности, основанной на определении аминокислотного состава белка, предложено учитывать его истинную усвояемость. Для этой цели введен показатель, получивший название “Скорректированный аминокислотный коэффициент усвояемости белка” (PDCAAS the protein digestibility-corrected amino acid score), равный аминокислотному скору, умноженному на истинную усвояемость, определяемую в балансовых исследованиях in vivo. Наивысшее значение PDCAAS равно 1,0. Классическая методика определения усвояемости белка in vivo основана на определении азотистого баланса у человека или животных, который является интегральным показателем состояния белкового обмена и представляет собой разность между потребленным азотом пищи и азотом, суммарно выделяемым организмом различными путями (с мочой, калом и суммарно другими путями). Вследствие методических сложностей на практике часто определяется кажущаяся усвояемость, представляющая долю абсорбированного азота от общего азота пищи.
Другим критерием биологический ценности белков, основанным на результатах балансовых исследований с использованием лабораторных животных или с привлечением добровольцев, является показатель чистой утилизации белка - ЧУБ (NPU). Он выражает в одной величине степень усвоения белка и его биологический ценности, т.е. показывает, какую часть (%) составляет азот, задержавшийся в организме, от азота принятой пищи. Этот же показатель может быть определен в экспериментальных условиях и так называемым каркасным методом разностью в содержании азота в теле животных до и после пребывания на исследуемой диете (% от количества потребленного белка).
Для оценки биологический ценности белка могут быть использованы и методы, основанные на оценке скорости роста, определяющие коэффициент эффективности белка или коэффициент чистой эффективности белка. Следует заметить, что вышеназванным методам определения биологический ценности белка присущ целый ряд недостатков. ограничивающих их применение.
Потребности организма человека в белке и аминокислот. Потребность в белке зависит от возраста, пола, характера трудовой деятельности, климатических и национальных особенностей и других факторов. При положительном азотистом балансе в периоды роста и развития организма, а также при интенсивных репаративных процессах потребность ребенка в белке на единицу массы тела выше, чем у взрослого здорового человека. Вопрос об оптимальной потребности детей в белке до настоящего времени остается предметом интенсивных дискуссий. Согласно «Нормам». физиологические потребности в белке детей до 1 года составляют 2,2-2,9 г/кг МТ(масса тела), а для детей старше 1 года - 36-87 г/сут.
Для взрослого населения потребление белка дифференцировано по возрасту, полу, уровню физической активности. Физиологическая потребность в белке для взрослого населения варьирует от 65 до 117 г/сут для мужчин и от 58 до 87 г/сут для женщин. Учитываются дополнительные потребности для женщин в белке в период беременности и кормления ребенка. Нормирование белка животного происхождения объясняется тем, что он является основным источником незаменимых аминокислот в диетах европейского типа. Можно выделить два уровня удовлетворения физиологических потребностей человека в белке:
а) минимальный уровень потребления, обеспечивающий поддержание азотистого баланса. так называемый поддерживающий уровень;
б) оптимальный уровень потребления, обеспечивающий устойчивость взрослого человека к действию различных физических и психических нагрузок, стресса, неблагоприятных внешних факторов, а для детей адекватный рост и развитие.
Многочисленными исследованиями установлено, что азотистое равновесие у 95% популяции взрослых людей поддерживается при поступлении не менее 55-60 г белка (безопасный уровень), при этом не учитывается дополнительный расход белка в организме в случае стрессовых ситуаций, болезни, повышенной физической нагрузки и других условий. В связи с этим было определено, что оптимальная потребность в белке в среднем должна превышать минимальную (надежную, безопасную) в 1,5 раза, т.е. составлять не менее 85-90 г/сут.
Источники пищевого белка. В настоящее время и в краткосрочной перспективе основные пищевые белки это белки животного и растительного происхождения, а также белки рыб. Белки животного происхождения это белки с высокой биологической ценностью (мышечная ткань, субпродукты, молоко и куриное яйцо). Идеальная аминокислотная шкала для детей раннего возраста соответствует составу аминокислот в белке женского молока, а для взрослых аминокислотному составу белка куриного яйца. Содержание белка в мясных пищевых продуктах колеблется от 11 до 22%.
Использование в питании белков животного происхождения ограничено из-за избытка насыщенных жиров и холестерина, отрицательно влияющих на липидный обмен. При кулинарной обработке белков с высоким содержанием триптофана могут образовываться канцерогенные соединения, а с высоким содержанием лизина - нитрозамины. Рыбное сырье также является важным пищевым источником полноценного белка, количество которого определяется видом рыбы.
Растительные белки представлены в основном белками различных семян, корнеплодов и картофеля. Некоторые из растительных белков неполноценны (зеин кукурузы, содержащий очень мало триптофана, глютен пшеницы, бедный лизином). Другие растительные белки характеризуются сниженной перевариваемостью, так как содержат трудно перевариваемые комплексы с полисахаридами (например, белки грибов и дрожжей). Все они, за исключением овса, бедны лизином, а кроме риса и сорго - изолейцином. Наиболее сбалансированы по аминокислотному составy овес, рожь и рис. Искусственно созданное зерно Тритикале получено при скрещивании пшеницы (Triticum) и ржи (Secale), отличается высоким уровнем белка (11,7-22,5%) и улучшенным аминокислотным составом по сравнению с пшеницей.
Общее содержание белка в бобовых культурах высокое и составляет 20-40% от общей массы. Среди бобовых культур в качестве источника пищевого биологически ценного белка наибольшее значение имеют семена сои. Содержание белков в семенах масличных культур составляет 14-37% на сухое вещество. Существует возможность получения из масличного сырья концентратов белка и создания на их основе новых форм белковой пищи. Содержание азотистых веществ в картофеле (2%), овощах (1.0-2,0%) и плодах (0,4-1,0%) невелико. Однако вследствие высокого потребления в нашей стране картофеля с данным видом продукта удовлетворяется 6-8% общей суточной потребности человека в белке.
Основные принципы обогащения низкокачественных белков тесно связаны с понятием первой лимитирующей аминокислоты. Улучшение аминокислотного состава белков заключается в добавлении первой лимитирующей аминокислоты в таком количестве, при котором общее ее содержание в белке будет соответствовать выбранному стандарту. Ферментативные гидролизаты белков, которые далеко не всегда сбалансированы по аминокислотному составу, находят тем не менее широкое применение в составе специализированных продуктов, включая гипоаллергенные продукты с модифицированным аминокислотным составом, предназначенные для питания больных с врожденными нарушениями белкового обмена, нарушенной функцией пищеварения, а также для питания спортсменов.
В решении глобальной проблемы обеспечения населения нашей планеты пищевым белком важнейшая роль принадлежит рациональному использованию для этой цели природных ресурсов и аминокислотному балансированию пищевых белковых композиций.1