Správa o trendoch v potravinárskej chémii - Hellwig - 2020 - Chemické správy - Wiley Online Library
Abstrakt
V prípade oxidácie bielkovín nie sú dôležité iba mechanizmy a produkty reakcie, ale aj to, ako ovplyvňujú funkčné a senzorické vlastnosti potravín. Hmotnostná spektrometria čoraz viac nahrádza nešpecifickú UV a fluorescenčnú spektroskopiu. A pomocou cielených proteomických prístupov je možné určiť nielen jednotlivé oxidované aminokyseliny, ale aj selektívne oxidované tryptické peptidy.
Život v kyslíkovej atmosfére so sebou prináša nežiaduce oxidácie, ktoré menia štruktúru a funkčnosť biomolekúl. Tieto reakcie spúšťajú reaktívne formy kyslíka (ROS), ktoré zahŕňajú superoxidový radikál, peroxid vodíka a obzvlášť reaktívny hydroxylový radikál. V živých bunkách spôsobujú antioxidačné enzýmy ako kataláza alebo superoxiddismutáza ROS neškodným, takže existuje rovnováha medzi tvorbou a degradáciou ROS. Ak sa rovnováha posunie v prospech tvorby ROS, hovorí sa o oxidačnom strese. 1)
Potraviny sú vystavené podmienkam, ktoré sa odchyľujú od fyziologickej normy, pokiaľ ide o teplotu, hodnotu pH alebo okolité prostredie. Preto sa vyskytujú reakcie pri spracovaní a skladovaní potravín, z ktorých mnohé sú stále neznáme. Ich poznanie môže pomôcť pochopiť funkčné zmeny proteínov vyvolané oxidáciou. Týmto spôsobom sa dajú navyše rozpoznať vzťahy štruktúra-efekt.
Vznikajú radikály
Rovnako ako pri peroxidácii lipidov je možné pre radikálnu oxidáciu proteínov definovať reakcie na začiatku reťazca, pri ktorých sa tvoria radikály proteínov (obrázok 1). 2) V alifatických bočných reťazcoch sa môže k týmto radikálom pridať kyslík a vzniknúť tak peroxylové radikály, ktoré ďalej reagujú za vzniku hydroperoxidov. Počas propagácie môžu byť radikály prenášané v proteíne. Hydroperoxidy sú stabilné až niekoľko hodín, ale nakoniec sa degradujú na hydroxylové alebo keto zlúčeniny (obrázok 2).
Hydroxyzlúčeniny sa tvoria aj počas oxidácie vedľajších reťazcov aromatických aminokyselín, ako napríklad vo fenylalaníne, tyrozíne alebo tryptofáne. Dimerizácia proteínových radikálov vedie k zosieťovaniu. Okrem radikálov prebiehajú oxidácie 2 - elektrónov, napríklad na metioníne, pričom sa tvoria metionín sulfoxid a metionín sulfón (obrázok 2). 2) Niektoré oxidované aminokyseliny sa vyskytujú ako medziprodukty v biochemicky relevantných metabolických dráhach, ako je napríklad aromatická aminokyselina kynurenín, metabolický medziprodukt pri štiepení tryptofánu.
V posledných rokoch sa práce na jednotlivých výrobkoch zameriavali na oxidáciou indukované zosieťovanie, pričom štruktúry, ako je napríklad histidínový zosieťovací produkt uvedený na obrázku 2, boli odvodené predovšetkým z hmotnostných spektrometrických údajov. 3) Syntéza a charakterizácia látok stále nie sú k dispozícii. Okrem toho sú opísané nové reakčné cesty, ako napríklad katalytická úloha metionínu v reakciách štiepenia peptidov, pri ktorých tioéterová skupina prenáša oxidačné poškodenie na hlavný reťazec proteínu (obrázok 3). 4)
Účinky oxidácie bielkovín v potravinách
Potraviny poškodené peroxidáciou lipidov možno spoznať podľa ich senzorických vlastností: Chutia po žuchnutí. Produkty oxidácie bielkovín sú oveľa menej viditeľné pre zmysly, ale tiež môžu zmeniť arómu. Napríklad mlieko a pivo chutia ako ľahké, keď sú tieto potraviny vystavené slnečnému žiareniu. Fotooxidácia metionínu uvoľňuje medziproduktytylové radikály, ktoré sa môžu dimerizovať na dimetyldisulfid (obrázok 4). 5) V pive môže prchavý 3-metylbut-2-én-1-tiol vznikať po reakcii s degradačnými produktmi chmeľových látok. 5)
V niektorých krajinách EÚ, ale nie v Nemecku, môžu byť ryby a hydina konzervované ionizujúcim žiarením. Tak vzniká dimetyltrisulfid, ktorý vzniká pri štiepení aminokyselín obsahujúcich síru. 6) Vydáva zápach opísaný ako „hnilobný“.
Okrem arómy sa funkčné vlastnosti menia oxidáciou bielkovín: Zosieťovanie vyvolané oxidáciou, predovšetkým vďaka cystínu, znižuje jemnosť a šťavnatosť svaloviny. 7)
Enzymatické systémy s antioxidačným účinkom sú zvyčajne v potravinách oveľa menej aktívne ako v živých systémoch alebo sú deaktivované spracovaním (tepelné ošetrenie, zmeny pH). Bielkoviny v spracovaných potravinách sú teda náchylnejšie na oxidačnú degradáciu ako za fyziologických podmienok. Aby sa zabránilo peroxidácii lipidov, sú k dispozícii antioxidanty, ktoré vďaka svojej podobnej štruktúre reagujú s ROS tak rýchlo ako lipidy a vytvárajú mezomérne stabilizované radikály. Pretože však niektoré subštruktúrne prvky proteínov, ako sú tiolové alebo tioéterové skupiny, reagujú s ROS rýchlejšie, ako reagujú väčšinou v tukoch rozpustné antioxidanty, 9) antioxidanty pre lipidy nemôžu zabrániť oxidácii proteínov.
Kvôli nízkym senzorickým účinkom oxidácie proteínov v porovnaní s peroxidáciou lipidov môžu byť tieto reakcie užitočné: Oxidáciou vyvolané sieťovacie reakcie, ktoré sú nežiaduce v mäsových výrobkoch, majú emulzný a gélový stabilizačný účinok v potravinách, ako je jogurt. Napríklad oxidácia bielkovín zlepšuje štruktúru vegánskych a vegetariánskych bielkovinových produktov. 10)
Oxidácia bielkovín: odbúravajte a pracujte
K dispozícii je málo údajov o koncentráciách produktov oxidácie bielkovín v potravinách. Už niekoľko rokov rastie záujem o jednotlivé oxidované aminokyseliny a skupiny látok v potravinách, väčšinou pomocou metód z analýzy oxidácie proteínov in vivo. Doteraz boli jednotlivé štruktúry zaznamenané väčšinou iba s malým počtom vzoriek. 11,12) Pre spoľahlivé odhady expozície by bolo potrebné rozšírenie databázy.
Pre informatívnu hodnotu analýz oxidácie proteínov je rozhodujúca metóda spracovania. Aby bolo možné analyzovať jednotlivé oxidované aminokyseliny, je potrebné ich odstrániť z proteínovej zostavy hydrolýzou (obrázok 5). To sa zvyčajne uskutočňuje pomocou enzymatickej hydrolýzy alebo kyseliny chlorovodíkovej.
Najmä pri použití metód z fyziologickej chémie na analýzy potravín musia byť metódy pre príslušné matice validované. To je obzvlášť ťažké pri skúmaní potravín so silne odlišnými matricovými vplyvmi. Napríklad potravinové proteíny, ktoré sa spracúvajú pri vysokých teplotách a alkalických hodnotách pH, majú tendenciu kovalentne sa zosieťovať. Tu enzymatické hydrolyzy dosahujú svoje hranice.
Niektoré oxidačné produkty nie sú stabilné voči kyselinám, takže pre tieto produkty nie sú vhodné štandardné postupy, ako je hydrolýza kyselinou chlorovodíkovou. Hydrolýza kyseliny chlorovodíkovej môže zavádzať jej reakčné produkty, ako je metionín sulfoxid z metionínu.
Zmerajte proteínové karbonyly
V minulosti sa bielkovinové karbonyly stanovovali bez toho, aby sa dostatočne zohľadňovali limity ich analýzy. Stanovenie bielkovín karbonylov je založené na reakcii 2,4 - dinitrofenylhydrazínu (DNPH) s karbonylovými skupinami na bielkovine; jedná sa hlavne o produkty allyzín a γ - glutamylsemialdehyd (obrázok 2, s. 55). 13) Rozhodujúca výhoda karbonylačnej analýzy: Nie je potrebné hydrolyzovať proteín, ktorý môže spôsobiť artefakty. Do analýzy sú však zahrnuté iba rozpustné proteíny a karbonylačná analýza zahŕňa iba niektoré zmeny, ku ktorým dochádza v proteínoch v dôsledku oxidácie. Nie všetky oxidované aminokyseliny majú v skutočnosti karbonylovú štruktúru (obrázok 2).
Autori posledných publikácií preto čoraz častejšie zaznamenávajú jednotlivé oxidované aminokyseliny v potravinách. 11,14) Celkový obsah jednotlivých aminokyselín sa stanoví po hydrolýze proteínu a identifikujú sa jednotlivé oxidované bočné reťazce, ktoré sa ľahko oxidujú.
Ako ukazuje analýza jednotlivých oxidovaných aminokyselín, metionín sulfoxid je dominantnou oxidovanou aminokyselinou v potravinách; Oxidácia metionínu je za fyziologických podmienok výrazne nižšia. 11.14)
Môžu sa oxidovať až tri štvrtiny zvyškov metionínu v potravinách a krmivách. 2.12) Za fyziologických podmienok metionínsulfoxidreduktázy znižujú akumuláciu metionínsulfoxidu. Pravdepodobne kvôli takýmto enzýmom a kvôli podmienkam, ktorým sú potravinové bielkoviny vystavené počas spracovania, sa spektrum oxidovaných aminokyselín v potravinách výrazne líši od spektra živých systémov.
Proteomika
Ďalším spôsobom, ako analyzovať jednotlivé zlúčeniny, je použitie metód založených na proteomike. Proteíny sa enzymaticky hydrolyzujú na peptidy, napríklad trypsínom, oddelia sa kvapalinovou chromatografiou a identifikujú sa pomocou hmotnostnej spektrometrie s vysokým rozlíšením. Stupeň oxidácie peptidov je možné určiť pomocou bioinformatického vyhodnocovacieho softvéru, ako aj polohu oxidácie a tým aj jednotlivé oxidované aminokyseliny vo fragmentačnom spektre. 15)
Táto metóda sa väčšinou používa na mlieko, mliečne výrobky, mäso a mäsové výrobky. Ukázalo sa, že spektrum oxidovaných aminokyselín v potravinách je významne väčšie, ako sa predtým určovalo po úplnej hydrolýze bielkovín. 15)
Najnovší vývoj v redox proteomike kombinuje značenie karbonylových skupín a selektívnu izoláciu reakčných produktov metódami hmotnostnej spektrometrie s vysokým rozlíšením. 16,17) Okrem toho je možné detegovať oxidáciu jednotlivých proteínov, ak sa najskôr separujú elektroforeticky a potom prenesú na membránu technikou Western blot. Tam potom reagujú s dinitrofenylhydrazínom a výsledné hydrazóny viazané na proteín je možné detekovať vizuálne alebo imunochemicky.
Účinky na človeka
Rovnako ako pri mnohých chemických reakciách v potravinách, aj o oxidácii bielkovín sa diskutuje o tom, či predstavuje zdravotné riziká. Niektorí vedci tvrdia, že požitie produktov oxidácie bielkovín z potravy predstavuje „tichú hrozbu pre ľudské zdravie“. 18)
Oxidované bielkoviny v strave nemusia byť úplne stráviteľné a môžu preniesť oxidačné poškodenie na človeka. 2.18) Na vytvorenie vzťahov medzi štruktúrou a aktivitou je potrebné zistiť, koľko ľudí je vystavených jednotlivým oxidovaným proteínom a aminokyselinám. Patria sem oxidačné reakcie, ktoré prebiehajú iba v zažívacom trakte.