11
1 Codocenza IeFP Chimica in Cucina Lezione 2 Docenti di Chimica Venturini V. Neri S. 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE 2.1 Le proteine Le proteine sono composti quaternari, cioè molecole costituite principalmente da quattro elementi: C, H, O, N. Dato che contengono anche azoto (N), fanno parte della famiglia delle sostanze organiche azotate. Esse sono polimeri (lunghe catene) di monomeri (singoli “pezzettini”) chiamati amminoacidi. Ogni amminoacido presenta la seguente struttura generale (figura 1): Figura 1: Amminoacido Figura 2: Schema di una catena proteica Come si può notare, un amminoacido è costituito da un atomo di carbonio (C) centrale, legato a un atomo di idrogeno (H), a un gruppo amminico basico (-NH2), a un gruppo carbossilico acido (-COOH) e a una catena laterale (R), che varia a seconda del tipo di amminoacido. Si conoscono circa 20 amminoacidi, che combinandosi tra loro possono dare vita a migliaia di proteine diverse, proprio come le lettere del’alfabeto sono in grado di formare migliaia di parole. Il legame che si forma tra due amminoacidi si chiama legame peptidico e avviene tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico dell’altro amminoacido, con conseguente perdita di una molecola d’acqua, come mostrato in figura 3: Figura 3: Formazione del legame peptidico

2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

  • Upload
    lykhanh

  • View
    226

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

1

Codocenza IeFP Chimica in Cucina Lezione 2

Docenti di Chimica Venturini V. Neri S.

2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE

2.1 Le proteine Le proteine sono composti quaternari, cioè molecole costituite principalmente da quattro elementi: C, H, O, N. Dato che contengono anche azoto (N), fanno parte della famiglia delle sostanze organiche azotate. Esse sono polimeri (lunghe catene) di monomeri (singoli “pezzettini”) chiamati amminoacidi. Ogni amminoacido presenta la seguente struttura generale (figura 1):

Figura 1: Amminoacido Figura 2: Schema di una catena proteica

Come si può notare, un amminoacido è costituito da un atomo di carbonio (C) centrale, legato a un atomo di idrogeno (H), a un gruppo amminico basico (-NH2), a un gruppo carbossilico acido (-COOH) e a una catena laterale (R), che varia a seconda del tipo di amminoacido. Si conoscono circa 20 amminoacidi, che combinandosi tra loro possono dare vita a migliaia di proteine diverse, proprio come le lettere del’alfabeto sono in grado di formare migliaia di parole. Il legame che si forma tra due amminoacidi si chiama legame peptidico e avviene tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico dell’altro amminoacido, con conseguente perdita di una molecola d’acqua, come mostrato in figura 3:

Figura 3: Formazione del legame peptidico

Page 2: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

2

Essendo molecole molto grandi e complesse, le proteine si distinguono in quattro grandi livelli di organizzazione strutturale: struttura primaria: è data dalla sequenza degli amminoacidi che formano la proteina; struttura secondaria: considera la disposizione spaziale della catena (può essere a

elica o a foglietto ripiegato); struttura terziaria: è una struttura tridimensionale data dal ripiegamento della

catena in vari punti; struttura quaternaria: è data dall’associazione di più catene proteiche.

Figura 4: Struttura delle proteine

Per quanto riguarda l’alimentazione, la funzione principale delle proteine è quella plastica (o costruttrice), in quanto apportano al nostro organismo i “materiali da costruzione” (gli amminoacidi) per la crescita, la riparazione e il mantenimento della struttura delle cellule. Inoltre, quando l’introduzione di zuccheri risulta insufficiente, ad esempio durante uno sforzo muscolare, svolgono anche una funzione energetica: 1 g di proteine, infatti, è in grado di fornire 4 kcal di energia, come gli zuccheri.

Page 3: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

3

2.2 La denaturazione delle proteine La denaturazione delle proteine è un fenomeno chimico che consiste nel cambiamento della struttura proteica con conseguente perdita della funzione originaria della molecola. La denaturazione modifica la struttura secondaria, terziaria o quaternaria delle proteine senza modificare la composizione e la sequenza degli amminoacidi (non vengono rotti i legami peptidici).

Figura 5: Esempio di denaturazione di una proteina

In seguito alla denaturazione, le proteine possono rendere reattivi alcuni gruppi (il gruppo amminico o quello carbossilico) tramite i quali formano dei legami intramolecolari (tra molecole diverse) che possono causare l'aggregazione di più molecole proteiche. Questa trasformazione comporta vari fenomeni:

perdita dell’attività biologica (gli enzimi, che hanno struttura proteica, possono essere inattivati);

coagulazione e aggregazione, per esempio con formazione di schiume; aumento della digeribilità che si verifica solitamente con la cottura.

I principali metodi di denaturazione delle proteine sono: denaturazione chimica che avviene per trattamento delle proteine con sostanze

chimiche (acidi, alcol, sali…); denaturazione termica mediante calore o raffreddamento; denaturazione meccanica mediante agitazione.

Nella maggior parte dei casi, la denaturazione è irreversibile, ovvero non è più possibile riportare la proteina alla forma originaria dopo che è stata denaturata. I tipi di denaturazione che prenderemo in considerazione sono i seguenti:

1. denaturazione chimica mediante sostanze acide; 2. denaturazione termica mediante il calore; 3. denaturazione meccanica; 4. denaturazione chimica mediante alcol etilico (etanolo); 5. denaturazione chimica mediante cloruro di sodio (NaCl, sale da cucina).

Page 4: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

4

2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide

Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine del latte o del siero del latte mediante l’aggiunta di sostanze acide, che sono esattamente i processi utilizzati per la produzione del formaggio e della ricotta! Il latte è un alimento ricco di proteine ad alto valore biologico, perché contenenti molti amminoacidi essenziali, cioè quelli che l’organismo umano

non è in grado di produrre e deve, pertanto, assumere tramite l’alimentazione. Le principali proteine del latte sono quelle mostrate nello schema seguente: La caseina è una proteina prodotta dalla ghiandola mammaria dei mammiferi ed è una proteina coniugata (cioè formata dall’unione di varie parti) e contenente C, H, O, N; S e anche P che si trova in parte nelle unità α, β e γ dove forma sali di Ca e Mg e in parte sotto forma di un composto chiamato apatite, che unisce tra loro le unità di α, β, γ e k di caseina.

Figura 6: Struttura della caseina

PROTEINE DEL LATTE

CASEINE (80%) PROTEINE DEL SIERO

Caseina α (50%) Caseina β (30%) Caseina K (15%) Caseina γ (5%)

Lattoalbumina Lattoglobulina Immunoglobuline

Page 5: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

5

La caseina non coagula con il calore, infatti non viene modificata con i trattamenti di pastorizzazione o sterilizzazione del latte, ma coagula per acidificazione, cioè per aggiunta di una sostanza acida. L’acidità di una sostanza viene misurata mediante un parametro, il pH, che indica la concentrazione degli ioni H+ all’interno di una sostanza, responsabili dell’acidità. Il pH può assumere valori da 0 a 14. Le sostanze acide hanno pH inferiore a 7, quelle con pH superiore a 7 sono dette basiche.

Per misurare il pH di una sostanza si può usare la cartina al tornasole, una carta chimica speciale che si colora di rosso se a contatto con le sostanze acide, di blu se a contatto con le sostanze basiche e rimane gialla se a contatto con le sostanze neutre (pH=7).

Figura 7: Cartina al tornasole

Figura 8: Scala dell’acidità

Esperimento 1: riscaldare leggermente il latte fino a farlo diventare tiepido e misurare il pH con la

cartina al tornasole; versare il latte in un bicchiere e aggiungere un po’ di succo di limone o aceto (sostanze

acide, misurare il pH); mescolare tutto per qualche minuto con un cucchiaino; lascia riposare il bicchiere per circa 5 minuti; con un colino filtrare il contenuto del bicchiere.

Cosa notiamo? Nel colino si raccoglieranno dei “fiocchi” solidi, che sono le proteine del latte denaturate. La caseina coagulata può essere lavata con acqua corrente, strizzata e lasciata asciugare… assomiglierà al formaggio! Dal punto di vista chimico è avvenuto il seguente processo: al valore di pH del latte (6.5-6.7) la caseina è deprotonata, cioè l’ultimo amminoacido della catena ha perso un H+ (protone) dal gruppo carbossilico (-COOH). In questo modo le molecole di caseina hanno carica negativa e si respingono tra loro, risultando insolubili (figura 9).

Page 6: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

6

Figura 9: Repulsione tra molecole di caseina caricate negativamente

Aggiungendo acido il pH del latte si abbassa: al valore di 4.6 si raggiunge il punto isoelettrico della caseina, che è il valore di pH al quale il gruppo carbossilico perde un protone e il gruppo amminico ne acquista uno, come mostrato in figura 10. Le cariche positive risultano uguali a quelle negative e si verifica un’attrazione elettrostatica tra cariche opposte di molecole di caseina vicine (figura 11).

Figura 10: Amminoacido al punto isoelettrico Figura 11: Attrazione tra molecole di caseina La stessa reazione chimica è utilizzata per la produzione del formaggio: in questo caso la sostanza acida che viene aggiunta si chiama caglio (o presame), una miscela di proteine estratte dallo stomaco di vitello (o ovini o caprini) e che contiene rennina, un enzima che permette la digestione delle proteine del latte. Al posto del caglio possono essere usate anche sostanze estratte da alcuni tipi di muffe o sostanze di origine vegetale (ad esempio il lattice che fuoriesce dalle parti verdi della pianta del fico). Lo stesso processo si verifica nella preparazione dello yogurt: in questo caso la sostanza acida è l’acido l’attico prodotto reazione di fermentazione lattica operata dai batteri del genere Lactobacillus (già incontrati nella lezione sulla lievitazione!).

Page 7: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

7

Può essere effettuata, con lo stesso procedimento, anche la coagulazione delle proteine contenute nel siero del latte, che è la parte acquosa del latte stesso, separata della parte grassa mediante la cagliata. In questo caso, il prodotto della coagulazione sarà la ricotta. La coagulazione in ambiente acido non riguarda solo la caseina contenuta nel latte, ma anche altre proteine, tra cui quelle contenute in alcuni legumi, ad esempio la soia. Dalla soia si può ottenere una bevanda dal colore biancastro, chiamata “latte di soia” per la somiglianza con il latte, ma che non ha niente a che vedere con esso dal punto di vista chimico. La proteina più abbondante contenuta nella soia è la glicinina (circa 35%): è una proteina con valore biologico inferiore alle proteine animali, perché priva dell’amminoacido metionina, che influisce sull’utilizzo degli altri amminoacidi nel processo di sintesi proteica che avviene all’interno delle cellule animali. Le sostanze principalmente usate come caglio per provocare la coagulazione delle proteine del latte di soia sono: solfato di calcio (CaSO4) o cloruro di calcio (CaCl2), cloruro di magnesio (MgCl2), glucono delta lattone (GDL, un acido organico naturale) oppure succo di limone (contenente acido citrico). Il caglio si scioglie in acqua e poi si mescola al latte di soia portato a ebollizione, finchè l’impasto non coagula in una forma morbida: il tofu.

2.2.2 Denaturazione termica mediante il calore A partire da 60°C le proteine si denaturano, ovvero perdono irreversibilmente la propria struttura spaziale, in quanto viene modificata la struttura quaternaria, terziaria o secondaria. Questo avviene attraverso la rottura dei legami idrogeno, dei ponti disolfuro o di altre interazioni ad esempio di tipo ionico, che sono le interazioni responsabili della disposizione spaziale della proteina. A temperature superiori ai 60°C le proteine idrolizzano, cioè avviene la rottura dei legami peptidici. La cottura dei cibi causa la denaturazione termica delle proteine e il fenomeno è facilmente osservabile in base ai cambiamenti di consistenza e colore. La denaturazione termica può avvenire anche a temperature molto basse: questo processo di solito è reversibile, infatti, aumentando successivamente la temperatura, le proteine recuperano la struttura iniziale. Come esempio di denaturazione termica delle proteine prenderemo in considerazione le proteine contenute nell’uovo.

Un uovo di gallina è costituito da acqua (74%), proteine (12%), grassi (11%) e tracce di vitamine e sali minerali. Il grasso si trova nel tuorlo, mentre l’albume è una soluzione di proteine in acqua al 10% m/m circa. Come abbiamo visto, le proteine assomigliano a dei “gomitoli di lana”, che nel caso dell’albume, sono sospesi acqua. Aumentando la temperatura, alcune proteine cominciano a denaturarsi e quindi a “srotolarsi”. Le proteine denaturate, se si incontrano, si possono legare tra loro formando un reticolo tridimensionale solido che

intrappola le molecole di acqua al suo interno: è avvenuta la coagulazione. Se però questa procede troppo a lungo, il reticolo proteico diventa molto fitto ed espelle le molecole di acqua: se questo si verifica, l’albume assume una consistenza gommosa e il tuorlo diventa secco e dall’aspetto sabbioso. A 100°C sia albume che tuorlo coagulano, ma il tuorlo cuoce più lentamente perchè più interno. A seconda della consistenza desiderata, il tempo di cottura varia da 2-3 minuti (uovo alla coque) a 10 minuti (uovo sodo), dal momento in cui l’uovo viene deposto nell’acqua bollente. Una volta tolte dall’acqua bollente, le uova possono essere bagnate con acqua fredda per bloccare la cottura che altrimenti continuerebbe anche fuori

Page 8: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

8

dall’acqua. Dato che l’albume dell’uovo contiene diverse proteine e che queste coagulano a temperature diverse, una buona cottura dell’uovo dovrebbe essere effettuata a temperatura controllata. Tutte le proteine, infatti, coagulano a temperatura inferiore a 100°C. In particolare, le proteine delle quali andrebbe controllata la temperatura per effettuare una corretta coagulazione sono: ovotransferrina: inizia a coagulare a 62°C e l’albume assume una consistenza morbida

a 65°C; ovalbumina: coagula a 85°C e l’albume diventa più compatto.

Il tuorlo inspessisce a 65°C e solidifica a 70°C. Un eccessivo riscaldamento dell’uovo durante la cottura provoca la formazione di un composto verdastro tra tuorlo e albume: il solfuro ferroso (FeS). Esso viene prodotto dalla reazione chimica tra il ferro (Fe) legato a una proteina del tuorlo chiamata fosvitina e l’acido solfidrico (H2S) presente nell’albume: ecco perché appare nel punto di contatto tra i due. L’alta temperatura degrada le proteine dell’albume che liberano zolfo (S) e la fosvitina del tuorlo che libera ferro (Fe). Il risultato è la formazione del solfuro ferroso, un composto dal colore nero che a contatto con il giallo del tuorlo determina una colorazione verdastra. La tossicità del solfuro ferroso è comparabile a quella del’acido solfidrico di partenza, quindi la sostanza non è pericolosa, ma comporta una diminuzione della disponibilità di ferro che, quindi, viene assimilato in minore quantità.

2.2.3 Denaturazione meccanica Per capire la denaturazione meccanica delle proteine, considereremo quelle contenute nell’albume dell’uovo. Come abbiamo detto precedentemente, possiamo paragonare le proteine dell’albume a gomitoli di lana sospesi in acqua. Questi “gomitoli” hanno delle parti idrofobe (che temono l’acqua) e delle parti idrofile (che amano l’acqua). Quando l’albume viene sbattuto energicamente con una frusta, ha la capacità di trasformarsi da sostanza liquida a schiuma (miscuglio eterogeneo tra un liquido e un gas) densa e spessa: per effetto dell’agitazione meccanica, l’albume incorpora aria e le proteine si srotolano e si dispongono intorno alle bolle d’aria. La parte idrofila delle proteine rimane nell’albume, mentre la parte idrofoba entra nelle bolle d’aria: in questo modo le bolle d’aria rimangono intrappolate all’interno di una rete costituita dalle proteine srotolate mediante l’azione meccanica (figura 12). Una volta formate le prime bolle è più facile per l’aria successiva venire inglobata, allargando le bolle esistenti. Continuando a sbattere gli albumi, sempre più proteine si denaturano e le bolle cominciano a suddividersi in bolle sempre più piccole. Il volume finale della schiuma può essere anche otto volte il volume iniziale degli albumi, ma è una struttura instabile, che entro poche decine di minuti comincia a rilasciare liquido e a sgonfiarsi. E’ quindi necessario solidificare la schiuma con la cottura.

Page 9: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

9

Figura 12: Interazione dell’albumina con l’aria e la parte acquosa dell’albume

La montatura dell’albume non è un’operazione difficile, ma richiede alcuni accorgimenti, in quanto influenzata da alcuni fattori, tra cui i principali sono: invecchiamento delle uova: sia il tuorlo che l’albume diventano basici con il passare

del tempo, perché l’uovo perde anidride carbonica (CO2) sotto forma di acido carbonico (H2CO3) disciolto in acqua, che passa attraverso i pori del guscio e fuoriesce. Più è basso il pH più stabile risulterà la schiuma;

pH: l’aggiunta di acidi, come l’acido citrico contenuto nel succo di limone favorisce la montatura perché permette alle proteine, cariche negativamente, di avvicinarsi. Inoltre, l’acido citrico mantiene bianca la schiuma perché si lega a eventuali ioni metallici presenti che potrebbero modificare la colorazione;

temperatura: a temperatura ambiente la denaturazione è più veloce rispetto a temperature più basse: è quindi preferibile non montare gli albumi appena tolti dal frigorifero;

acqua: può essere aggiunta per aumentare il volume e ottenere una schiuma meno densa, poiché la stabilità della schiuma diminuisce leggermente;

zucchero: ritarda la formazione della schiuma, in particolare se aggiunto all’inizio della battitura, e riduce il volume formando una schiuma più densa;

tuorlo e sostanze grasse: diminuiscono notevolmente il volume; cloruro di sodio (NaCl, sale da cucina): favorisce la montatura solo nella fase iniziale

perché il sodio (Na), si lega alle proteine cariche negativamente favorendo il loro contatto, ma riduce la stabilità della schiuma e aumenta le perdite di liquido perché è molto igroscopico (ha una forte capacità di assorbire acqua).

Page 10: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

10

Nella tabella seguente sono riassunte le caratteristiche principali delle proteine contenute nell’uovo:

Proteina % T

denaturazione (°C)

Proprietà

Ovalbumina 54 84.5 Denatura e coagula per battitura Relativamente resistente al calore

Ovotransferrina (Conalbumina) 12 61.5

Meno resistente al calore, ma più resistente alla battitura. E’ la prima proteina a coagulare. Legata a ioni metallici diventa

più stabile.

Ovomucoide 11 79 Stabile al calore Denatura ma non coagula.

Globuline G2 e G3 8 92.5 Montano facilmente

Lisozima 3.4 75 Stabilizza la schiuma formando complessi con le altre proteine

Ovomucina 3.5 Stabilizza la schiuma. Stabile al calore

Gli stessi principi possono essere applicati alla degradazione meccanica delle proteine del latte contenute nella panna, per ottenere la panna montata.

Page 11: 2 LA DENATURAZIONE DELLE PROTEINE · 2.2.1 Denaturazione chimica mediante sostanze acide Come esempio per questo tipo di denaturazione, considereremo la coagulazione delle proteine

11

2.2.4 Denaturazione chimica mediante alcol etilico (etanolo)

Anche per quanto riguarda la denaturazione delle proteine mediante alcool etilico (etanolo), considereremo le proteine contenute nell’albume dell’uovo. L’alcol etilico produce una denaturazione chimica che consente di ottenere un effetto simile a quello della cottura, ma senza variazione dell’aroma dell’uovo: il risultato sarà un uovo “cotto” ma con il sapore di uovo crudo, perché non viene effettuata una vera e propria cottura, in quanto non si ha aumento di temperatura. L’alcol è solubile in acqua e riesce ad avvicinare i gomitoli proteici indebolendo la forza dell’acqua che cerca di mantenere le proteine nel loro stato naturale. Se la concentrazione alcolica è sufficiente, le proteine si srotolano (denaturazione) e assumono una nuova forma (coagulazione). L’alcol si comporta quindi come il calore e la coagulazione, che avviene a temperatura ambiente, è soprannominata “cagliata d’uovo”. Esperimento 2: sgusciare un uovo e sbatterlo con una forchetta (oppure utilizzare solo l’albume); versare lentamente l’alcol etilico a 95°, continuando a mescolare (per far coagulare un

uovo sono sufficienti circa 30 ml di alcol etilico); dopo 30-40 secondi di lavorazione, si può notare che l’uovo è coagulato; versare l’uovo coagulato in un colino e passarlo sotto un getto delicato d’acqua per

eliminare l’alcol in modo che il suo sapore non venga percepito; strizzare l’uovo per rimuovere tutto il liquido (alcol ed acqua).

2.2.5 Denaturazione chimica mediante cloruro di sodio (NaCl, sale da cucina) Il cloruro di sodio è una sostanza igroscopica, in grado, cioè, di assorbire acqua. In quest’ultimo caso, considereremo la sua interazione e il suo effetto sulle proteine presenti nell’uovo. Infatti, se il cloruro di sodio “cattura” l’acqua presente nell’albume e nel tuorlo, le proteine subiscono una denaturazione e una conseguente coagulazione, come nei casi precedenti. Come risultato si avrà una variazione della struttura dell’uovo, che apparirà più sodo e compatto all’esterno e più morbido all’interno. Esperimento 3:

1. sgusciare un uovo e disporlo in una ciotola contente cloruro di sodio; 2. ricoprire interamente l’uovo con altro sale; 4. lasciar riposare per 3 ore o più (il tempo dipende dalla consistenza finale che si vuole

ottenere: maggiore sarà il tempo di “marinatura”, maggiore sarà la consistenza); 5. rimuovere il sale; 6. lavare velocemente l’uovo in acqua per rimuovere completamente il sale.

Al posto del cloruro di sodio può essere usata anche una miscela al 50% di cloruro di sodio e zucchero da tavola (saccarosio), dato che anch’esso è igroscpico.