การสูญเสียสภาพธรรมชาติของโปรตีน

การเปลี่ยนแปลงจากสภาพธรรมชาติของโปรตีน มีผลทำให้โครงสร้างทางเคมีเปลี่ยนไปแต่ไม่ทำลายพันธะเพปไทด์ (peptide bond) ซึ่งเป็นพันธะระหว่างกรดแอมิโน (amino acid) ในโมเลกุลของโปรตีน แต่มีพันธะไฮโดรเจนซึ่งทำให้เกิดโครงสร้างระดับต่างๆ ของโปรตีน (protein stucture) ถูกทำลาย โครงสร้างจึงเกิดการคลายตัว (unfolded) เปลี่ยนจากโครงสร้างเดิมตามธรรมชาติเป็นโครงสร้างใหม่

สาเหตุของการสูญเสียสภาพธรรมชาติ

การสูญเสียสภาพธรรมชาติด้วยความร้อน (thermal denaturation)

อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้พันธะไฮโดรเจนระหว่างสายพอลิเพปไทด์ถูกทำลาย โครงสร้างของโปรตีนจะถูกทำลายโดยเฉพาะพันธะระหว่างสายของโปรตีนกับโปรตีน หรือโปรตีนกับน้ำ หากอุณหภูมิไม่สูงมากนัก การเปลี่ยนแปลงสภาพธรรมชาติของโปรตีนอาจผันกลับคืนได้ (reversible) แต่หากอุณหภูมิสูงขึ้นถึงระดับหนึ่ง จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนสภาพตามธรรมชาติของโปรตีนแบบผันกลับไม่ได้ (irreversible)

ตัวอย่างของการเปลี่ยนสภาพธรรมชาติของโปรตีนด้วยความร้อน ได้แก่ การสุกของไข่ขาวด้วยความร้อน ทำให้ไข่ขาวที่เหลว แข็งตัว เกิดลักษณะเป็นเจล (gel) แข็ง ซึ่งจะย้อนกลับไม่ได้ ไข่ขาวสุกซึ่งการแข็งตัว มีสีขาวขุ่น ย่อยได้ง่ายกว่าไข่ขาวดิบ

การสุกของเนื้อสัตว์เนื่องจากความร้อน ทำให้โปรตีนไมโอซิน (myosin) ซึ่งเป็นส่วนประกอบของเส้นใยกล้ามเนื้อ (myofribil) เกิดการคลายตัว และตกตะกอน ทำให้เนื้อมีสีและเนื้อสัมผัสที่เปลี่ยนไป และผันกลับไม่ได้

การสูญเสียสภาพของไมโอโกลบิน เกิดจากการให้ความร้อน ระหว่างกระบวนการฆ่าเชื้อของปลาทูน่า ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสีของเนื้อเปลี่ยนเป็นสีเขียว ที่เรียกว่า greening โดยไมโอโกลบินจะเสียสภาพแล้วปล่อยหมู่ซัลฟ์ไฮดริลออกมาจากโครงสร้างโปรตีน ทำให้เกิดการเชื่อมโยงของหมู่ซัลฟ์ไฮดริลนี้กับหมู่ซัลฟ์ไฮดริลที่มาจาก กรดแอมิโน เช่น ซิสเตอีน (cysteine) โดยมี TMAO เป็นตัวออกซิไดซิง

การสูญเสียสภาพธรรมชาติด้วยการปรับ pH (pH denaturation) ค่า pH ของโปรตีนที่พบในธรรมชาติจะสูงกว่าจุดไอโซอิเล็กทริก (isoelectric point) ซึ่งทำให้พบโปรตีนในธรรมชาติ มีประจุรวมเป็นลบ (negative charge) ซึ่งประจุที่เหมือนกันจะเกิดแรงจะผลักกัน โปรตีนที่แขวนลอยในน้ำจะได้เป็นไฮโดรคอลลอยด์ (hydrocolloid) การปรับค่า pH ของโปรตีนด้วยกรดจะทำให้ค่า pH ลดลงจนมีค่า pH เท่ากับจุดไอโซอิเล็กทริก จะทำให้ประจุรวมของโปรตีนเป็นศูนย์ แรงผลักกันระหว่างประจุที่เหมือนกันจะลดลง ประจุบวกและลบที่มีอยู่เท่าๆ กัน ณ.จุดนี้จะดูดกัน มีผลให้โปรตีนเกิดการตกตะกอน (precipitation)

ถึงแม้โปรตีนบางชนิดจะยังละลายได้ แต่ค่า pH ที่จุดนี้จะทำให้โปรตีนมีการละลายได้น้อยที่สุด ถ้าหากปรับค่า pH ของโปรตีนต่ำกว่าจุดไอโซอิเล็กทริกมาก จะทำให้โปรตีนมีประจุรวมเป็นบวก (positive charge) ถ้ามีประจุบวกมากแรงผลักกันระหว่างประจุก็จะมากขึ้น หากแรงผลักรุนแรง อาจทำให้โครงสร้างของโปรตีนเปลี่ยน สายของพอลิเพปไทด์ อาจเกิดการคลายตัว สูญเสียโครงสร้างตามธรรมชาติ ซึ่งจะมีผลคล้ายกับการสูญเสียสภาพธรรมชาติด้วยความร้อน ซึ่งหากเกิดรุนแรงอาจทำให้ผันกลับเป็นโครงสร้างแบบเดิมไม่ได้ ตัวอย่างของการเปลี่ยนสภาพธรรมชาติของโปรตีนด้วยการปรับค่า pH ได้แก่

• การตกตะกอนของโปรตีนเคซีน (casein) ในน้ำนม การปรับค่า pH ของน้ำนมให้เท่ากับจุดไอโซอิเล็กทริกจะทำให้โปรตีนเคซีนมีการละลายได้น้อยลง และตกตะกอนแยกออกมา

การเกิดเจลของไข่ขาวในไข่เยี่ยวม้า ด้วยด่าง

การสูญเสียสภาพธรรมชาติด้วยแรงกล (mechanical denaturation) ซึ่งจะมีผลรบกวนต่อ พันธะภายในระหว่างโมเลกุลของสายพอลิเพปไทด์ ทำให้เกิดการอ่อนแอ หรือถูกทำลาย เช่นเดียวกับการใช้ความร้อน อาจทำให้เกิดฟอง (foam) เช่น การตีปั่น (whipping) ไข่ขาว การทำให้เกิดฟองในน้ำนม เพื่อชงกาแฟลาเต้ (latte) หรือ ทำให้เกิดการแข็งตัว เช่น การใช้แรงดันสูง (high pressure) จะทำให้ไข่ขาวแข็งตัวได้เช่นเดียวกับการใช้ความร้อน

การสูญเสียธรรมชาติด้วยโลหะหนัก

โลหะหนักซึ่งหมายถึง โลหะที่มีความหนาแน่นมากกว่า 5 กรัม/ ลบ.ซม. เช่น ตะกั่ว (Pb)  แคดเมียม (Cd) และปรอท (Hg) ทำให้โปรตีนสูญเสียสภาพธรรมชาติได้ โดยโลหะจะไปการรวมกับโปรตีน ทำลายพันธะระหว่างโปรตีนกับโปรตีน หรือโปรตีนกับน้ำ มีผลให้โปรตีนตกตะกอน

ผลของการสูญเสียสภาพธรรมชาติของโปรตีนในอาหาร

• สูญเสียสมบัติทางชีววิทยาของโปรตีนที่เป็นเอนไซม์ การสูญเสียสภาพธรรมชาติของโปรตีนที่เป็นเอนไซม์ ทำให้โครงสร้างโมเลกุลของเอนไซม์เปลี่ยนแปลงไป จึงมีผลต่อการทำงานของเอนไซม์ หากการเปลี่ยนสภาพธรรมชาติเกิดขึ้นมาก ทำให้เอนไซม์มีโครงสร้างเปลี่ยนไปจากเดิมมาก จะทำให้เอนไซม์นั้นหยุดทำงาน (inactive) ไม่สามารถเร่งปฏิกิริยาได้ แต่หากเกิดไม่มาก อาจจะกระทบต่อการทำงานของเอนไซม์ เช่น อัตราการเร่งปฏิกิริยา ชนิดและความเข้มข้นของสารตั้งต้น (substrate) ตลอดจนสภาวะที่เหมาะสมกับการเกิดปฏิกิริยา เช่น ค่า pH และ อุณหภูมิ เป็นต้น

ในแง่ของการแปรรูปอาหาร การหยุดการทำงานของเอนไซม์ อาจมีประโยชน์ เพราะเป็นการหยุดการทำงานของเอนไซม์ที่เป็นสาเหตุของการเสื่อมเสียของอาหาร เช่น ปฏิกิริยาการเกิดสีน้ำตาลที่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์ (enzymatic browning reaction)

• การเสียสภาพธรรมชาติส่งผลให้สมบัติเชิงหน้าที่ของโปรตีน (functional properties of protein) เปลี่ยนไป