ساختار پروتئین‌های شیر

 جهت آشنایی با ساختار لیپیدهای شیر این مقاله از فودانت را مطالعه کنید. 

پروتئین های شیر:

پروتئین‌های شیر گاو همانند دیگر ترکیبات آن، موردمطالعه بیشتری در مقایسه با سایر گونه‌های شیری قرار گرفته است. پروتئین‌های شیر به ۲ گروه عمده کازئین و پروتئین‌های محلول در سرم شیر طبقه‌بندی می‌شوند که هر یک نیز به نوبه خود متشکل از گروه‌های کوچک‌تری هستند. پروتئین‌های شیر اکثر پستانداران مشابه شیر گاو (αs1کازئین، αs2کازئین، βکازئین و βلاکتوگلوبولین و α لاکتالبومین) است. حال‌آنکه هر گروه پروتئینی ازنظر ژنتیکی ویژگی‌هایی دارد که خاص گونه مربوطه می‌باشد. تا تاکنون، هیچ‌گونه‌ای که پروتئین‌های شیر آن شباهتی به یکی از گروه‌های پروتئینی مذکور نداشته باشد، یافت نشده است. لازم به ذکر است که در برخی از گروه‌های پروتئینی شیر گونه‌های مختلف، تفاوت فاحشی وجود دارد. برای مثال در الکتروفورز شیر بز هیچ جزئی با تحرک αs1 کازئین گاوی مشخص نشده است. به‌هرحال اطلاعات تجزیه‌ای اندکی راجع‌به گونه‌های دیگر به استثناء کازئین تام و میزان کل پروتئین‌های محلول در سرم شیر در دسترس می‌باشد. در مجموع فقدان بتا لاکتوگلوبولین و حضور میزان زیاد لاکتوفرین در شیر انسان و همچنین اختلاف نسبت کازئین به پروتئین‌های سرمی در ۲ شیر انسان و گاو قابل‌ذکر می‌باشد.

کازئین:

 کازئین‌ها گروه خاصی از پروتئین‌های شیر با مشخصاتی چون باندهای استری فسفات، مقدار بالای پرولین، سیستئین پایین یا فقدان آن و حلالیت کم در pH=4-5 را در برمی‌گیرد. میزان بالای پرولین که در سرتاسر ملکول‌های کازئین پخش شده است، به طور مؤثری مانع از تغییر شکل پروتئین می‌شود. به همین جهت، کازئین معمولاً به‌سادگی در برابر حرارت دناتوره نمی‌گردد. قطبیت مولکول‌های کازئین در برخی نقاط به‌واسطه در اختیار داشتن گروه‌های قابل یونیزه، بسیار بالا است. از طرفی در نقاط دیگری از مولکول به‌شدت آب‌گریز هستند.

کازئین شیر گاو تقریباً به‌صورت ذرات کروی شکلی رؤیت می‌شود. قطر میسل‌های کازئین از ۲۰ تا 300 نانومتر متغیر است. میسل‌ها خود از تعداد زیادی واحدهای فرعی تشکیل شده‌اند که قطری در حدود ۱۵ تا ۲۰ نانومتر دارند. این ساختمان‌های فرعی در ریز نگارهای الکترونی به‌صورت ناهمواری‌های تمشک مانندی قابل‌رؤیت هستند. میسل‌ها تا اندازه زیادی از پروتئین ساخته شده‌اند؛ اما به مقدار کم ولی ضروری حاوی مواد غیرآلی ازجمله کلسیم و فسفات به طور اهم هستند.

در سال ۱۹۸۰ محققی بنام Schmidt مطالبی راجع‌به  جنبه‌های کلوئیدی کازئین منتشر نمود. وی توجه خود را بیشتر به فسفات کلسیم کلوئیدی معطوف داشت. این ترکیب به‌صورت آمورف بوده، با منیزیم و کازئین پایدار شده است (جلوگیری از تبدیل آن به هیدروکسی آپاتیت متبلور و متعاقباً رسوب). فسفات کلوئیدی سبب اتصال ساختارهای فرعی میسل‌ها به یکدیگر شده، ذرات کروی شکل موردنظر (میسل کازئین) را به وجود می‌آورد. ساختارهای فرعی مرکب از αs1-کازئین، αs2-کازئین، بتا و کاپا کازئین با نسبت متوسط ۱:۳:۱:۳ هستند. گروه‌های آب‌گریز در بخش‌های درونی ساختارهای فرعی با گروه‌های باردار، بالاخص استرهای فسفات، محصور شده‌اند.

کاپا کازئین در سطح میسل تمرکز یافته است. فسفات کلوئیدی که سبب اتصال ساختارهای فرعی با یکدیگر می‌شود، خود به گروه‌های استری فسفات αs1 ، αs2 و βکازئین متصل شده‌است (با کاپا کازئین اتصالی ندارد). ساختارهای فرعی واجد میزان پایین کاپا کازئین در داخل میسل و انواع دارای مقادیر بالای آن در سطح میسل مستقر شده اند. این امر از رشد نامحدود میسل‌ها جلوگیری به عمل می‌آورد.

وزن مولکولی αs1کازئین، αs2کازئین، بتا و کاپا کازئین تقریبا به ترتیب ۲۳۶۰۰، ۲۵۱۵۰، ۲۴۰۰۰ و ۱۹۰۰۰  دالتون می‌باشد.

البته کازئین‌های دیگری نیز وجود دارد که از نظر ژنتیکی با یکدیگر متفاوت‌اند اجزایی چون , S,TS, Rγ کازئین به طور طبیعی از βکازئین مشتق شده، ولی کم‌تر موردتوجه قرار گرفته‌اند. حساسیت به هیدرولیز در حضور آنزیم کیموزین (رنین) یا لخته دادن به‌وسیله کلسیم از جمله خواص کازئین به شمار می‌رود. کیموزین به باند پپتیدی بین فنیل‌آلانین ۱۰۵ متیونین ۱۰۶ واقع در کاپا کازئین به‌سرعت حمله‌ور شده، آن را هیدرولیز می‌کند؛ درنتیجه کاپا کازئین قدرت تثبیت‌کنندگی خود را در قبال ممانعت از رسوب میسل‌های کازئین از دست داده، میسل‌ها در حضور کلسیم متراکم می‌شوند. قسمت پپتیدی حاوی اسیدهای آمینه‌ای ۱ تا ۱۰۵، پاراکاپا کازئین و بخش آمینواسیدی مابین ۱۰۵ تا ۱۶۹، گلیکوماکروپپتید نام دارد.

پروتئولیز αs1 کازئین و بتاکازئین خیلی کندتر انجام می‌شود. درحالی‌که αs2 کازئین غالباً در مقابل کیموزین مقاوم است. میزان حساسیت به رسوب توسط کلسیم در حضور گروه‌های فسفات افزایش می‌یابد. حساسیت به کلسیم از αs2 کازئین به‌ αs1 و از آن به بتاکازئین کاهش پیدا می‌کند. کاپا کازئین در حضور کلسیم ته‌نشین نمی‌شود.

شیر انسان فاقد αsکازئین بوده، بنابراین کاپا کازئین و کازئینی شبیه به بتاکازئین اجزای اصلی کازئین آن را تشکیل می‌دهند. گرچه αs کازئین در شیر غیر نشخوارکنندگان مشاهده نشده، ولی وجوه تشابهی مابین کاپا کازئین انسان و αs کازئین گاوی دیده شده‌است. کاپا کازئین گاو همچنین دارای مقادیر مختلفی کربوهیدرات در بخش گلیکوماکروپپتید می‌باشد. در این زمینه، تری و تترا ساکارید مرکب از اسید سیالیک، گالاکتوز و N استیل‌گالاکتوزآمین مشخص شده است. وجود هگزوزها، هگزوزآمین‌ها و اسیدسیالیک در کاپا کازئین‌های شیر انسان، بوفالو و بز نیز به اثبات رسیده است.

 پروتئین‌های محلول در سرم شیر:

 پروتئین‌های محلول در سرم شیر عبارت از ترکیبات پروتئینی‌ای غیر از آنزیم‌ها هستند که بعد از رسوب کازئین در حضور اسید(pH=4.6) و یا رنین در سرم شیر باقی می‌مانند. آن‌ها اغلب شامل پروتئوزپپتون‌ها (ترکیبات پروتئینی با وزن مولکولی کم‌تر از پروتئین‌ها) می‌باشند. این پروتئین‌ها با کازئین‌ها، از نظر ساختار و خواص تفاوت دارند :

در مقایسه با کازئین دارای حالت میسل مانند نبوده بلکه واجد ساختمان‌های ثانویه و ثالثی هستند که  موجب حساسیت پذیری آن‌ها نسبت‌به دناتوراسیون حرارتی می‌گردد.  از جمله این پروتئین‌ها بتالاکتوگلوبولین و آلفا لاکتالبومین در غدد پستانی سنتز می‌شوند، درحالی‌که سرم آلبومین و ایمونوگلوبولین ها مستقیما از خون به شیر راه می‌یابند.

 بتالاکتوگلوبولین‌ها:

بتالاکتوگلوبولین‌ها به میزان بیشتری نسبت به دیگر پروتئین‌های سرمی در شیر پستانداران نشخوارکننده وجود دارد. بتالاکتوگلوبولین‌های مشابهی در شیر گاو، بز، بوفالوی آبی و گوسفند یافت شده است، درحالی‌که شیر انسان فاقد این ترکیب می‌باشد. انواع ژنتیکی بتالاکتوگلوبولین‌های گاوی عبارت‌اند از: Α,Β,C,D و Dr. زیر واحدهای منومر بتالاکتوگلوبولین‌ گاوی در محدوده ایزوالکتریکpH=5.1-5.6 و احتمالاً در شیر طبیعی (pH=6.7) نیز تشکیل دیمرهای پایداری می‌دهد. دیمرها در pH کم‌تر از ۳ بیشتر از ۸ به مونومرهایی با وزن مولکولی تقریباً ۱۸ هزار دالتون تجزیه می‌شوند. اکتامرها در درجه حرارت پایین و غلظت بالای پروpH= 3.8-5.1  تشکیل می‌شوند. با وجود مشخص‌شدن برهم‌کنش بتالاکتوگلوبولین‌ با کاپا کازئین در حین حرارت دادن شیر، مکانیسم دقیق چنین پدیده درمورد سایر پروتئین‌های محلول در سرم شیر و همچنین نقش آن‌ها در این زمینه هنوز آشکار نشده است.

 آلفالاکتالبومین:

آلفالاکتالبومین با وزن مولکولی تقریبی ۱۴۲۰۰، یکی از‌ دو پروتئین تشکیل‌دهنده آنزیم مولد لاکتوز (لاکتوز سنتتاز) می‌باشد. آلفالاکتالبومین به‌تنهایی هیچ نقشی در فعل‌وانفعالات شیمیایی ندارد، بلکه به‌عنوان یک تصریح‌کننده هماهنگ با آنزیم گالاکتوزیل ترانسفراز عمل می‌کند. آنزیم اخیر در حضور آلفالاکتالبومین، گالاکتوز را از UDP-گالاکتوز به N-استیل گلوکز آمین منتقل می‌نماید. به‌هرحال انتقال UDP-گالاکتوز به گلوکز در حضور آلفالاکتالبومین در غدد پستانی منجر به تشکیل لاکتوز می‌شود. آلفالاکتالبومین در شیر تمام گونه‌هایی که عمده‌ترین قند آن‌ها لاکتوز می‌باشد مشاهده شده است. بنا بر مقایسه بر روی نمونه‌های شیر پستانداران مختلف مشخص شده است که مقدار آلفالاکتالبومین به میزان لاکتوز بستگی دارد. براین‌اساس که  شیر انسان ازنظر لاکتوز غنی است می‌توان چنین پیش‌بینی کرد که این شیر باید حاوی مقدار بالایی آلفالاکتالبومین باشد (۱۷ درصد از کل پروتئین شیر). شیر اسب نیز که میزان لاکتوز بالایی دارد محتوای ۱۶٫۷ درصد آلفالاکتالبومین از کل پروتئین می‌باشد.

سرم آلبومین:

آلبومینی که از هر نظر مطابق با آلبومین سرم خون گاو باشد، از شیر گاو جدا شده است. شیر سایر گونه‌ها نیز حاوی اجزایی است که تحرک الکتروفورزی مشابهی با سرم آلبومین خون آن‌ها دارد. وزن مولکولی سرم آلبومین گاوی در حدود ۶۶ هزار دالتون می‌باشد.

ایمونوگلوبین‌ها:

 ایمونوگلوبین‌ها گلیکوپروتئین‌های با وزن مولکولی بالا (بین ۱۵ هزار تا ۱ میلیون دالتون) و دارای فعالیت‌های پادتنی ویژه‌ای هستند. شیر حاوی ۳ دسته ایمونوگلوبین به شرح زیر است:

1.     IgG(IgG1, IgG2)

2.     IgΑ

3.     IgM

 نوع غالب در شیر گاو IgG1 می‌باشد و به نظر می‌رسد که این نوع گلبولین‌ها به طور انتخابی از سرم خون به شیر منتقل شده باشند. در کلستروم گاو، گلبولین‌های مزبور حدود ۸۰ درصد از پروتئین‌های سرم شیر را به خود اختصاص می‌دهند، درصورتی‌که در کلسترول و شیر انسان نوع IgΑ غالب می‌باشد. IgM اهمیت خاصی در صنعت لبنی داشته، توجه متخصصین فن را به خود جلب نموده است. این گلبولین به عمل خوشه‌ای شدن گلبول‌های چربی کمک می‌نماید.

پروتئوزپپتون:

این جز با حرارت دادن شیر در دمای ۹۰ تا ۱۰۰ درجه به مدت ۲۰ دقیقه و در پی آن کاهشpH به  ۴٫۷ رسوب می‌نماید، ولی در مجاورت محلول ۱۲ درصد تری کلرو استیک اسید ته‌نشین می‌شود. پروتئوزپپتون خودش از ۴ ترکیب اصلی تشکیل شده‌است:

1.     PP3

2.     PP5

3.     کند-PP8

4.     سریع-PP8

وزن مولکولی اجزای فوق را با توجه به خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن‌ها در حدود ۴ هزار تا ۴۰ هزار تعیین کرده‌اند. PP3 بزرگ‌ترین این اجزا بوده، گلیکوپروتئینی است که منحصراً از سرم شیر جدا می‌شود.PP5 و PP8 سریع، قسمت‌های N انتهای بتاکازئین هستند که در اثر پروتئولیز درون‌مولکولی حاصل می‌گردند.

لاکتوفرین:

این پروتئین آهن‌دار، یکی از عمده‌ترین پروتئین‌های سرم شیر انسان بشمار می‌آید و تنها به مقدار بسیار کمی در شیر گاو به چشم می‌خورد. لاکتوفرین در کتب قدیمی تحت عناوین مختلفی ازجمله پروتئین قرمز، لاکتوسیدوفیلین و لاکتوترانسفرین خوانده‌شده است. لاکتوفرین، گلیکوپروتئینی با زنجیره خطی می‌باشد که تا حدی با Fe3+ اشباع و هر مولکول آن قابلیت اتصال با ۲ اتم آهن را دارا است. قندهای مختلفی همانند گالاکتوز، مانوز، فوکوز، N-استیل گلوکز آمین و N-استیل نورامینیک اسید در ساختمان این پروتئین به‌کاررفته است.

در ادامه به توضیح آنزیم‌های موجود در شیر میپردازیم.

 آنزیم‌های شیر:

آنزیم‌های مهمی نظیر کاتالاز، لیپاز، آمیلاز و لیزوزیم موجود در شیر انسان در مقایسه با همتاهای خود در شیر گاو از فعالیت بیشتری برخوردار هستند، درصورتی‌که پروکسیداز، فسفاتاز قلیایی و گزانتین‌اکسیداز به‌خصوص در شیر گاو فعال هستند. بعضی از آنزیم‌های شیر به‌عنوان‌مثال فسفاتاز قلیایی و گزانتین‌اکسیداز، در غشای گلبول‌های چربی دیده می‌شود و در حین سانتریفیوژ کردن، همراه با گلبول‌های چربی از شیر جدا می‌شوند. درحالی‌که سایر آنزیم‌ها مانند لیپاز و لیزوزیم طی فرایند اخیر در شیر پس چرخ جمع‌آوری می‌گردند.

جهت مطالعه در مورد برهم‌کنش‌های پروتئین‌های شیر در طول تولید شیر خشک بدون چربی، به این مقاله از فودانت سر بزنید.