CC BY
41G
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 664.38:557.11
Борисенко А. А.
Borisenko A. A.
МОЛЕКУЛЯРНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ГИДРАТАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ПИЩЕВЫХ БИОПОЛИМЕРОВ
MOLECULAR PREDICTION OF HYDRATION ABILITY OF FOOD BIOPOLYMERS
Широко используемые в пищевых отраслях сухие бе-локсодержащие добавки требуют предварительной гидратации, которая является одним из важнейших процессов, влияющих на потребительские свойства продуктов. Окружающая белковые молекулы гидратная оболочка придает устойчивость белкосодержащим системам, что в дальнейшем обеспечивает формирование необходимых структур и их свойств.
Проведены молекулярное моделирование и квантово-химические расчеты фрагмента молекулы биополимера (на примере желатина). Установлено, что области с высокой электронной плотностью локализуются на концевых атомах кислорода аминокислотных остатков. Выявлены аминокислотные остатки с высокой электронной плотностью, которые инициируют образование гидратной оболочки - глутами-новая кислота, глицин и аргинин. На карте распределения электростатического потенциала определены активные области, подвергающиеся атакам электрофильных и ну-клеофильных реагентов, установлена величина дипольно-го момента для исследуемого фрагмента желатина - 40,78 Дебай. Сделан вывод о наличии достаточно широкого задела для увеличения гидрационной способности желатина за счет повышения электрической симметрии его молекулы.
Анализ построенной компьютерной модели вторичной структуры желатина позволил установить, что ионогенные высокополярные боковые группы находятся на поверхности молекул белка, а малополярные углеводородные радикалы располагаются во внутренней сфере надмолекулярных структур. Это повышает поверхностную активность молекул желатина и чувствительность вторичных надмолекулярных структур к изменению рН.
На основании проведенных исследований определены условия повышения гидратации биополимеров и сделан вывод о том, что целенаправленный сдвиг рН и дополнительная энергия активации дисперсионной среды коллоидного раствора белка позволяют осуществить регулирование его гидратационной способности.
Ключевые слова: гидратация, молекулярное моделирование, желатин, заряд молекулы, электронная плотность, электростатический потенциал, водородный показатель.
Dry protein supplements, widely used in food industries, in need of hydration which is one of the most important processes affecting the consumer properties of products. The hydration shell surrounding the protein molecules gives stability to a systems containing protein what ensures formation of the required structures and their properties.
Implemented molecular modeling and quantum chemical calculations of the fragment molecule of the biopolymer, made using gelatin. It is established that areas of high electron density located on the end oxygen atoms of amino acid residues. The identified amino acid residues with a high electron density, which initiate the formation of the hydration shell - glutamic acid, glycine and arginine. On a map of electrostatic potential distribution defined active area exposed to the attack of electrophilic and nucleophilic reagents, determined the value of the dipole moment for the investigated gelatin fragment - 40,78 Debye. It is concluded that there are ample opportunities to increase of hydration ability of gelatin by increasing the electrical symmetry of its molecule.
Analysis of the obtained computer model of the secondary structure of gelatin was allowed to establish, that the ionic high-polarity side groups are located on the surface of protein molecules and low-polarity hydrocarbon radicals are located in the domestic sphere supramolecular structures. This increases the surface activity of gelatin molecules and the sensitivity of secondary supramolecular structures to changes in pH.
On the basis of the conducted study the conditions for improving the hydration of biopolymers and it is concluded that purposeful change of pH and additional activation energy of the dispersion medium of the colloidal solution of protein allows regulating its hydration ability.
Key words: hydratation, molecular modeling, gelatine, the charge on the molecule, electron density, electrostatic potential, hydrogen index.
Борисенко Александр Алексеевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры товароведения и технологии общественного питания Ставропольский институт кооперации (филиал Белгородского университета кооперации, экономики и права) г. Ставрополь Тел.: 8(918) 772-48-77 E-mail: borisenko@list.ru
Borisenko Aleksandr Alekseevich -
Ph.D in Technical, docent at the department of Commodity research and technology catering, Stavropol Institute of Cooperation (branch of Belgorod cooperative University, Economics and law) Stavropol
Tel.: 8(918) 772-48-77 E-mail: borisenko@list.ru
Одним из важнейших взаимодействий, оказывающих значительное влияние на потребительские свойства пищевых продуктов, является гидратация пищевых биополимеров (белков). Гидратацией, как известно, называют способность белков прочно связывать определенное количество влаги.
С целью прогнозирования гидратационной способности пищевых биополимеров проведено молекулярное моделирование и квантово-химические расчеты молекулы белка, на примере желатина.
Внедрение воды в межмолекулярное пространство желатина и адсорбция ее на полярных группах белка, расположенных на участ-
в
:№ 3(23), 2016
Агроинженерия
11
ках со специфической спиральной структурой, приводит к образованию гидратной оболочки вокруг них, являющейся важным условием образования устойчивого геля [1,2], отражающего степень качества пищевого продукта.
От конформации молекулы зависит энергия ее внутримолекулярных взаимодействий, поэтому на предварительном этапе молекулярно-динамических экспериментов была проведена оптимизация геометрии молекулы желатина. Поиск оптимальной (энергетически выгодной в данных условиях) конформации молекулы и квантово-химические расчеты реализованы с использованием программы HyperChem, которая моделирует комплекс воздействий, участвующих в процессе самоорганизации белковой молекулы: силы Ван-дер-Ваальса; водородные связи; электростатические и гидрофобные взаимодействия.
С целью геометрической оптимизации молекулы желатина в программе HyperChem использован метод молекулярной механики AMBER, рекомендуемый для белков и нуклеиновых кислот. В качестве алгоритма оптимизации выбран метод сопряженных градиентов Полака-Рибири [3].
На основании анализа международной базы данных последовательностей белков «UniProt» (Universal Protein Resource) [4] для проведения исследований была выделена характерная для
молекулы желатина последовательность, состоящая из 18 аминокислотных остатков, результат геометрической оптимизации которой представлен на рисунке 1.
В результате моделирования автором получена расчетная величина суммарной энергии фрагмента молекулы желатина в вакууме, которая составила - 95,981 кДж/моль, при достаточно малом численном значении среднеквадратичного градиента - 0,415 кДжДА-моль). Процедура минимизации энергии системы выполнена эффективно, так как рекомендуемый диапазон значений среднеквадратичного градиента, характеризующего силовые воздействия на атомы молекулы, составляет от 0,004 до 0,42 кДжДА-моль)) [5].
Для выполнения расчета частичных зарядов на атомах исследуемого фрагмента молекулы желатина, использован полуэмпирический квантово-химический метод CNDO (Complete Neglect of Differential Overlap) [5], который используют для расчетов основного состояния электронных характеристик систем с открытой и закрытой оболочками, оптимизации геометрических характеристик и расчета полной энергии молекул белков. Результат расчета зарядов атомов фрагмента молекулы желатина представлен на рисунке 2.
Рисунок 1 - Результат геометрической оптимизации исследуемого фрагмента молекулы желатина
0.176 С'17"
Ay.-,™
' o.i вв
0.189 Й.488
0.025 7МЙ119 0.02# 012 О.ОЙ004
Рисунок 2 - Результат расчета частичных зарядов фрагмента желатина методом €N00
12
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
Рассчитанные заряды на атомах отражают электронные заселенности атомных орбита-лей по Малликену [5], т.е. показывают расчетное число электронов на определенной атомной орбитали, которая центрирована на атоме.
В результате геометрической оптимизации, с учетом частичных зарядов на атомах аминокислотных остатков (рисунок 2), потенциальная энергия фрагмента желатина составила - 134,004 кДж/моль, среднеквадратичный градиент - 0,373 кДж/(Амоль), а длина пептидной связи между аминокислотными остатками белка, в том числе между разнозаряженными, имеет близкие значения и лежит в интервале (1,301-1,311)А.
Поскольку потенциальная энергия биополимеров способна быстро изменять их свойства, например, более компактно упаковывать составные части молекул, то по изменению ее численных значений можно судить о информационных перестройках самих молекул. Зафиксированное изменение величины потенциальной энергии в результате проведенной геометрической оптимизации отражает наличие перехода молекулы желатина в более устойчивую конформацию.
Для оценки реакционной способности фрагмента белка определено распределение в нем электронной плотности и электростатического потенциала. Результаты расчета распределения электронной плотности фрагмента белка представлены на рисунке 3.
Установлено, что в исследуемом фрагменте молекулы желатина области с высокой электронной плотностью локализуются на концевых участках аминокислотных остатков. Наибольшая электронная плотность характерна для концевых участков с атомами кислорода глу-таминовой кислоты с величиной заряда равной (-0,594), глицина (-0,494) и аргинина (-0,422). Выявленные аминокислотные остатки с высокой электронной плотностью инициируют образование гидратной оболочки за счет ион-
дипольного взаимодействия с диполями воды [6]. Полученные данные позволяют прогнозировать возможность регулирования гидрата-ционных свойств белковой молекулы желатина за счет внешних (физико-химических и/или энергетических) воздействий на исследуемые показатели.
Молекулярный электростатический потенциал характеризует энергию электростатического взаимодействия между молекулярным (положительным и отрицательным) распределением заряда и единичным положительным бесконечно малым зарядом и позволяет определить активные центры взаимодействующих молекул [3,5]. Распределение электростатического потенциала более информативно при анализе свойств молекул, чем заряды на атомах. Карта распределения электростатического потенциала фрагмента молекулы желатина представлена на рисунке 4.
На карте распределения электростатического потенциала (рисунок 4) отчетливо видны выраженные отрицательно и положительно заряженные области молекулы соответственно с избытком (окрашено белым цветом) и дефицитом (окрашено серым цветом) электронной плотности, являющиеся ее активными центрами, которые в водных растворах, предположительно в первую очередь, подвергаются атакам соответственно электрофильных и ну-клеофильных агентов, что и приводит к образованию вокруг них устойчивой гидратной оболочки [3,6]. При этом установленная величина дипольного момента для исследуемого фрагмента желатина (40,78 Дебай) определяет достаточно широкий задел для увеличения его гидрационной способности за счет повышения электрической симметрии молекулы, что и является целью технологических приемов реги-дратации сухих белковых препаратов.
Известно, что ионогенные группы белков обладают тем или иным зарядом, а при измене-
Рисунок 3 - Карта распределения электронной плотности фрагмента молекулы желатина
в
:№ 3(23), 2016
Агроинженерия
13
Рисунок 4 - Трехмерная карта распределения электростатического потенциала фрагмента
молекулы желатина
нии рН среды степень диссоциации, у одних из них снижается, у других увеличивается и в зависимости от этого заряд молекулы изменяется [7, 8]. От среднего заряда белковых молекул зависит растворимость белка, его биологическая активность, электрофоретическая подвижность и другие показатели. Кислотно-основные свойства аминокислот, входящих в состав белковых молекул, вследствие их диполярности также напрямую зависят от показателя рН среды. В области рН больше 4,5 все аминокислоты ведут себя как основания, т. е. являются акцепторами протонов [9]. Ионизированные группы макромолекул специфически связывают протоны, при этом константа равновесия реакции определяет степень связывания воды. По имеющимся данным [10] каждый катионный участок удерживает около 4-х молекул обычной воды, каждый анионный - около 6-ти, каждый полярный (атомы N или О) - одну молекулу.
Молекулярное моделирование вторичной структуры желатина позволило установить, что ионогенные высокополярные боковые группы находятся на поверхности его молекул, а малополярные углеводородные радикалы располагаются во внутренней сфере надмолекулярных структур. Это повышает поверхностную активность молекул желатина и чувствительность вторичных надмолекулярных структур к изменению рН [3].
Известно, что изменение значения рН дисперсионной среды оказывает влияние на перераспределение зарядов коллоидных частиц, так как водородные и гидроксильные ионы
имеют высокую способность к адсорбции. Первые - из-за малого радиуса, позволяющего им близко подходить к поверхности молекулы белка, вторые - благодаря большому дипольному моменту. Исходя из полученных результатов, можно утверждать, что при увеличении значения рН среды, благодаря атаке нуклеофильных агентов (например, гидроксильных ионов), направленной на положительно заряженные концевые группы аминокислотных остатков молекулы желатина, произойдет усиление центров с высокой электронной плотностью и повышение электрической симметрии молекулы. Следовательно, целенаправленный сдвиг рН и дополнительная энергия активации дисперсионной среды коллоидного раствора белка может позволить достичь поставленной цели - максимально возможной степени его гидратации прочно связанной влагой.
Таким образом, результаты проведенных исследований на молекулярном уровне раскрывают сущность механизма гидратации пищевых биополимеров (белков) и прогнозируют определяющие способы регулирования их гидратационной способности, заключающиеся в создании условий направленного изменения общего среднего заряда молекул белков, увеличения электрической симметрии молекул и количества разнозаряженных активных центров с различной электронной плотностью.
Результаты проведенных исследований легли в основу разработки автором новых способов регидратации белковых пищевых добавок для производства продуктов здорового питания.
Литература
1. Hermel H., Soeboth A. Water-dependent matrix orientation in thin gelatin layers // Thin Solid Films. 1993. Vol. 223. № 2. P. 371-374.
References
1. Hermel H., Soeboth A. Water-dependent matrix orientation in thin gelatin layers // Thin Solid Films. 1993. Vol. 223, № 2. P. 371-374.
14
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
2. Малолетов С. М. Фотоиндуцированные превращения соединений хрома и макромолекул желатины в бихроматсодержащих системах и регистрирующих средах : автореф. дис. ... канд. хим. наук. Киев, 1989. 24 с.
3. Андрианов А. М. Конформационный анализ белков: теория и приложения. Минск : Белорусская наука, 2013. 518 с.
4. Международная база данных последовательностей белков «Universal Protein Resource» / Европейский Институт Биоинформатики (Великобритания), Швейцарский Институт Биоинформатики, Джорджта-унский университет (США), 2002-2016. URL: http://www.uniprot.org (дата обращения: 12.12.2015).
5. Соловьев М. Е., Соловьев М. М. Компьютерная химия. М. : СОЛОН-Пресс, 2005. 536 с.
6. Брацихин А. А., Борисенко А. А., Борисен-ко Л. А. Молекулярное моделирование процесса кавитационной дезинтеграции растворов NaCl // Хранение и переработка сельхозсырья. 2009. № 9. С. 10-13.
7. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3-х т. / пер. с англ. ; под ред. В. А. Энгельгардта, Я. Н. Варшавского. М. : Мир, 1985. 956 с.
8. Технологические свойства активированной воды / А. С. Большаков, Л. А. Сарыче-ва, А. А. Борисенко, Т. П. Шаганова // Известия высший учебных заведений. Пищевая технология. 1992. № 2. С. 56-58.
9. Якубке Х. Д., Ешкайт Х. Аминокислоты. Пептиды. Белки / пер. с англ. ; под ред. Ю. В. Митина. М. : Мир, 1985. 455 с.
10. Вода в пищевых продуктах / пер. с англ. ; под ред. Р. Б. Дакуорта. М. : Пищевая промышленность, 1980. 376 с.
2. Maloletov S. M. Photoinduced transformations of chromium compounds and macromolecules gelatin in pyrometalurgy systems and recording environments: abstract of diss. ... cand. of chem. sci. Kiev, 1989. 24 p.
3. Andrianov A. M. Conformational analysis of proteins: theory and applications. Minsk: Be-larusian science, 2013. 518 p.
4. International database of protein sequences «Universal Protein Resource» // European Bioinformatics Institute (Great Britain), Swiss Institute of Bioinformatics, Georgetown University (USA), 2002-2016. URL: http://www. uniprot.org (accessed date: 12.12.2015).
5. Solov'ev M. E., Solov'ev M. M. Computational chemistry. M. : SOLON-Press, 2005. 536 p.
6. Bratsikhin A. A., Borisenko A. A., Borisen-ko L. A. Molecular modeling of the process of cavitation disintegration of NaCl solutions // Storage and processing of agricultural products. 2009. № 9. P. 10-13.
7. Leninger A. Fundamentals of biochemistry / transl. from eng.; edited by. V. A. Engelhardt, Y. N. Varshavsky. In 3 vol. M. : Mir. 1985. 956 p.
8. The technological properties of the activated water / A. S. Bol'shakov, L. A. Sarycheva, A. A. Borisenko, T. P. Shaganova // News of higher educational institutions. Food technology. 1992. № 2. P. 56-58.
9. Jakubke H. D., Escait Kh. Amino acids. Peptides. Proteins / transl. from eng.; edited by Y. V. Mitin. M. : Mir, 1985. 455 p.
10. Water in foods / transl. from eng.; edited by R. B. Duckworth. M. : Food industry, 1980. 376 p.
