Barbara Doli ska, Dominika Wo niak, Florian Ryszka Bia ka tka jaja

Barbara Doli ska, Dominika Wo niak, Florian Ryszka Bia ka tka jaja

&ARM0RZEGL.AUK†
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
"IAŒKA˜ÌŒTKAJAJAKURZEGOWŒAuCIWOuCIIZASTOSOWANIE
"ARBARA$OLIÊSKA$OMINIKA7OxNIAK&LORIAN2YSZKA
&ARMACEUTYCZNY:AKŒAD.AUKOWO†0RODUKCYJNY`"IOCHEFAn3OSNOWIEC
!PTEKA`n$’BROWA'ÌRNICZA
Streszczenie
Opisano właściwości i możliwości zastosowania w medycynie i farmacji białek żółtka jaja kurzego: foswityny
i liwetyny. Dzięki unikalnym właściwościom foswityny
może ona znaleźć zastosowanie jako emulgator, substancja przeciwdrobnoustrojowa, a produkty jej hydrolizy
jako nośniki wapnia w leczeniu osteoporozy. Również jej
właściwości antyoksydacyjne stwarzają perspektywy jej
zastosowania. Frakcja γ liwetyny (Ig Y) wyodrębniona
z żółtka jaja kurzego może zostać wykorzystana w terapii
wielu schorzeń oraz w immunochromatografii do izolacji
substancji bioaktywnych.
Abstract
The properties of hen’s egg yolk proteins: phosvitin
and livetin have been described in context of their applications in human medicine and pharmaceutical industry. Owing to the unique properties of phosvitin,
this protein can be used as emulsifier and antimicrobial
substance. The products of its hydrolysis can be used as
carriers of calcium in the treatment of osteoporosis. Its antioxidant properties show that they can as well be used for
pharmaceutical applications.
Key words: egg yolk, proteins, properties, use
Słowa kluczowe: żółtko jaja, białka, właściwości, zastosowanie
'˜ ւ
Jajo kurze jest bardzo cennym źródłem pełnowartościowego białka, składników odżywczych i mineralnych łącznie
z pierwiastkami śladowymi [1,2]. Najważniejszą częścią
jaja jest żółtko, które stanowi ~ 30% jego masy. Skład chemiczny żółtka zestawiono w tabeli I [2].
Żółtko w 50% swej masy składa się z wody i z 50%
suchej substancji. Do substancji białkowych żółtka należy:
foswityna (fosfowityna), liwetyna i lipoproteidy [1,2]. Frakcjonując żółtka jaj kurzych zmodyfikowaną metodą Lasso
i Nakai można otrzymać w sposób prosty, z dużą wydajnością surowe frakcje tych substancji białkowych [3].
W żółtku można wyróżnić 70% α- i β-lipowitelin, które
stanowią frakcję HDL o wysokiej gęstości. 12% stanowi
frakcja LDL o niskiej gęstości i 16% foswityna.
Lipowiteliny zawierają ~ 17-22% lipidów, a wśród nich
~ 40% triacylogliceroli i 60% fosfolipidów, głównie fosfatydylocholinę (lecytynę) i fosfatydyloetanoloaminę (kefalinę)
oraz sfingomelinę i lysylofosfolipidy [2,4,5].
Foswityna (fosfowityna) jest główną fosfoglikoproteiną, która stanowi 7% suchej masy żółtka. Powstaje z dużej
cząsteczki prekursorowej – witellogeniny [6,7]. Występuje
ona w naturalnym kompleksie z innym białkiem zwanym
Składnik
Woda
Substancja sucha:
Białka:
Żółtko
50,0
50,0
16,0
1.
Liwetyna
2,5
2.
Foswityna
3,5
3.
Lipoproteidy
10,0
Lipidy:
32,0
1.
Trójglicerydy
21,0
2.
Fosfolipidy
10,0
3. Sterole
Cukry
1,0
1,0
Sole mineralne
1,0
Tabela 1. Skład chemiczny żółtka [w %]
lipowiteliną. Stosunek molowy foswityny do lipowiteliny
wynosi 2:1, co odpowiada stosunkowi wagowemu 0,23:1.
Rozdzielenie tego kompleksu następowało przy użyciu
* Praca naukowa finansowana ze środków na realizację projektu rozwojowego „Chemiczna ekstrakcja frakcji proteinowofosfolipidowych żółtka jaja, ich enzymatyczna modyfikacja ukierunkowana na wykorzystanie biomedyczne oraz produkcję
suplementów diety” (nr R 05 021 03) w latach: 2007-2010.
&ARM0RZEGL.AUK
roztworów siarczanu magnezu lub rozpuszczalników organicznych [2]. Charakterystyczną cechą tego białka jest duża
zawartość seryny - 54% oraz brak metioniny, tryptofanu czy
tyrozyny [2,8]. Jest kwaśnym białkiem bogatym w fosfor
[2]. Fosfor w foswitynie związany jest głównie przez serynę. Dwie foswityny zawierają 3% α- i 10% β-fosforu, który
stanowi około 80% całego fosforu żółtka [12]. Fosfor jest
obecny jako kwas fosforowy powiązany z resztami serylowymi, około 96% reszt serylowych jest ufosforylowanych
[13]. Wysoka zawartość fosforu w foswitynie decyduje
o dużym powinowactwie do jonów metali, szczególnie żelaza. 95% żelaza z żółtka jest związane przez foswitynę.
W roztworach o małej sile jonowej i niskim pH tworzy kompleksy z jonami metali: Ca2+, Mg2+, Mn2+, Co2+, Fe2+, Fe3+.
Z tego też powodu foswitynę uważa się za nośnik Ca2+
i Fe2+. Wiąże prawie całe żelazo zawarte w żółtku, nawet po
jego ogrzewaniu. Kompleksy żelazowe są silne i stabilne,
a żelazawe są słabe i z łatwością dysocjują [9].
Foswityna to mieszanka dwóch złożonych polipeptydów:
α-foswityny o masie cząsteczkowej 160 kDa i β-foswityny
o masie 190 kDa [10]. α-foswityna zawiera trzy lub cztery podjednostki o masie cząsteczkowej od 35 do 40 kDa,
a β-foswityna - cztery lub pięć podjednostek o masie cząsteczkowej 45 kDa. W α-foswitynie jest około 6% węglowodanów, w tym: 2,5% heksozy, 1% heksozaminy i 2% kwasu
sialowego. W β-foswitynie jest tylko 2% węglowodanów,
głównie heksoza [11]. W neutralnym pH foswityna istnieje
w przypadkowej, spiralnej konformacji. β-konformacja
przeważa w środowisku kwaśnym [14].
Zawarta w granulach żółtka foswityna to białko o właściwościach antyoksydacyjnych. Właściwości te są bardzo
pożądane gdyż, procesy oksydacyjne w produktach spożywczych wykazują negatywne skutki zdrowotne prowadzące
nawet do chorób nowotworowych. Foswityna nie wychwytuje wolnych rodników, tylko wiąże metale: żelazo, miedź,
które z kolei katalizują procesy oksydacyjne. Jest białkiem
stosunkowo mało znanym, ale interesującym gdyż, rozpuszcza się zarówno w wodzie, jak i w tłuszczu. Ze względu
na właściwości antyoksydacyjne foswityny zastosowano ją
jako naturalny antyutleniacz do hamowania procesów oksydacji w margarynach. Jest alternatywą dla antyoksykantów
chemicznych, które mogą wykazywać właściwości toksyczne [15,16].
Wykazano także, że foswityna skutecznie hamuje utlenianie fosfolipidów katalizowane przez Fe2+ i Cu2+. Nie działa jednak jako antyoksydant w przypadku heminy. Białko to
ma też wpływ na hamowanie procesu oksydacji w emulsji
lipidowej z dodatkiem kationów miedzi, ale jedynie w stężeniu poniżej 5 μM Cu2+ [16,17]. Wykazano także ochronne
właściwości foswityny przed światłem UV, które indukuje
dodatkowo peroksydację lipidów w obecności jonów żelaza
[18]. Oksydacja kwasu linolowego katalizowana przez Fe2+
jest silnie hamowana przez foswitynę. Także degradacja
DNA katalizowana przez Fe2+ w obecności H2O2 jest hamowana przez foswitynę [19]. Jest skutecznym antyoksydantem w przedziale wartości pH od 5,6 do 7,8. Obniżenie wartości pH do 3,8 powoduje zmniejszenie tych właściwości
foswityny. Potwierdzono także jej właściwości emulgujące
i zdolności stabilizowania emulsji w stężeniu 0,5% [20,21].
Właściwości te były 2-3 krotnie wyższe niż innych białek
np. albuminy wołowej, stosowanych w żywności. Stwierdzono, że N− i C−terminalne fragmenty peptydu i reszty fosforanowe są kluczowe dla jej właściwości emulgujących [1].
Badano wpływ obecności reszt fosforanowych w foswitynie na jej emulgujące właściwości. Stwierdzono, że
aktywność emulgująca i stabilizująca emulsję foswityny
bardzo się zmniejsza przy częściowym usunięciu fosforanu
przez fosfatazę, a także przy całkowitym usunięciu fosforanu w zasadowych warunkach. Również jeśli do roztworu
foswityny dodać jony wapnia, to znacznie pogarszają się jej
właściwości emulgujące. Optymalne właściwości foswityny
w układach dyspersyjnych są widoczne przy jej 0,5% dodatku [2,22,23]. Foswityna wykazuje właściwości emulgujące,
ale ich mechanizm nie jest jasny do końca i pozostaje przedmiotem dalszych badań [2,17,24-28].
Foswityna jest stabilna podczas pasteryzacji w temp.
61oC przez 3,5 minuty, ale ulega denaturacji podczas gotowania i sterylizacji [2].
Badania nad foswityną w stężeniu 0,l mg/ml wykazały
także niezwykły jej antybakteryjny efekt przeciw E. coli pod
wpływem stresu termicznego w temperaturze 50oC [29].
Stwierdzono także, że foswityna wydłuża całkowity czas
krzepnięcia krwi w krwi kurczaków in vitro [30]. Badania
na zwierzętach wykazały, że dieta wzbogacona o foswitynę znakomicie zwiększa wbudowywanie wapnia do kości
[1,31].
W plazmie znajdują się także frakcje rozpuszczalne
w wodzie określane jako liwetyna Liwetyna stanowi ok. 10%
całej masy żółtka [2,3]. Liwetynę rozdzielono na 3 frakcje α,
β i γ. Liwetyny α i β zawierają po 14,3% azotu, a ta ostatnia
zawiera też 7% glukozy. γ-liwetyna zawiera 15,6% azotu,
2,6% glukozy i 1,8% glukozaminy [2]. Wykazano, że stosunek frakcji α, β i γ wynosi odpowiednio 2:5:3. α-liwetyna
– albumina jest alergenem obecnym w żółtku jaja oraz
w surowicy krwi kurcząt (albumina surowicy). Została ona
zidentyfikowana jako czynnik często alergizujący osoby
dorosłe. Może być przyczyną występowania objawów ze
strony dróg oddechowych oraz przewodu pokarmowego.
Opisano przypadki astmy oskrzelowej i alergicznego zapalenia pęcherzyków płucnych u pracowników serowarni [1].
Alergen ten jest również odpowiedzialny za występowanie
alergii krzyżowej związanej z uczuleniem na alergeny ptasie
i jaja (ang. bird-egg syndrom) [32]. Z tego też względu należałoby liwetynę oddzielić lub zdenaturować.
α-2-glikoproteina jest głównym składnikiem β-liwetyny.
Prowadzono badania nad trzema różnymi fenotypami
β-liwetyny. Fenotypy te są kontrolowane przez dwa autosomalne allele w pojedynczym locus. Z frakcji liwetynowej
wyodrębniono transferynę, białko o różowym zabarwieniu,
które wiąże żelazo znajdowane w surowicy krwi ptaków,
analogiczne do konalbuminy. Liwetyna jest białkiem bardzo
złożonym i nie jest jeszcze w pełni poznana. Szczególnym
zainteresowaniem przemysłu żywnościowego i farmaceutycznego cieszy się frakcja γ-liwetyny. Frakcja ta posiada
aktywność immunologiczną identyczną jak immunoglobulina G (IgG). Od angielskiego określenia żółtka (yolk) nazwaną ją immunoglobuliną Y(Ig Y) [2]. Rozcieńczona plazma
zawierająca frakcję liwetyn i LDL lipoprotein wykorzystywana jest do otrzymywania preparatu immunoglobuliny
żółtka [1].
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
Podstawową rolą immunoglobulin, przetransportowanych do żółtka z surowicy krwi, jest wywołanie biernej
odporności u zarodka aż do momentu, gdy sam będzie
w stanie wytwarzać w pełni funkcjonalne przeciwciała.
Żółtko zawiera 8–20 mg/ml immunoglobulin Y, które powstają po 5–6 dniach od pojawienia się antygenu. IgY są
ewolucyjnymi prekursorami IgG i IgE swoistych dla ssaków, stąd mają podobną do nich budowę. Charakteryzują
się niską masą – około 180 kDa. Zawierają dwa ciężkie
łańcuchy o masie cząsteczkowej 65–70 kDa i dwa lekkie
o masie - 19–21 kDa. Łańcuchy ciężkie mają jeden zmienny
i cztery stałe obszary domen. Immunoglobuliny Y są stabilne w szerokim zakresie pH 4–9 i dobrze znoszą wysoką
temperaturę. IgY wyodrębniona z żółtka jest stosowana jako
dodatek do żywności zapobiegający biegunkom i gorączce
podróżniczej wywoływanych przez rotawirusy, albo stosowanego profilaktycznie w żywności dla dzieci [1,2,33].
|J˜¥u|ª-ylR
Szybki rozwój nauk biochemicznych doprowadził do
poznania poszczególnych składników żółtka jaja kurzego.
Opublikowane w ostatnich latach wyniki badań w renomowanej literaturze , w tym medycznej dowodzą możliwości
wykorzystania tych składników w przemyśle farmaceutycznym. Szerokie możliwości otwierają się przed foswityną. Pełni ona funkcję emulgatora o działaniu przeciwutleniającym. Udowodniono jej właściwości emulgujące
i zdolność do stabilizowania emulsji. Daje to ogromne szanse
do wykorzystania foswityny jako związku umożliwiającego
powstanie emulsji oraz zapewnienie jej trwałości. Foswityna może być także składnikiem liposomów a fosfopeptydy
otrzymywane z foswityny mogą zwiększać przyswajalność
wapnia w przewodzie pokarmowym człowieka. Stąd foswityna jako źródło fosfopeptydów może mieć zastosowanie
w leczeniu osteoporozy. Być może dzięki właściwościom
przeciwbakteryjnym foswityna będzie kojarzona z syntetycznymi lekami w celu zwiększenia skuteczności terapii.
Frakcja γ liwetyny (Ig Y) wyodrębniona z żółtka jaja kurzego może zostać wykorzystana w terapii wielu schorzeń
oraz w immunochromatografii do izolacji substancji bioaktywnych.
Piśmiennictwo
1. Gołąb K, Warwas M. Białka jaja kurzego– właściwości
biochemiczne i zastosowania. Adv Clin Exp Med 2005;
5: 1001–1010.
2. Trziszka T. Jajczarstwo. Wydawnictwo Akademii Rolniczej we Wrocławiu. Wrocław 2000.
3. Ryszka F, Dolińska B, Leszczyńska L, Trziszka T. Rozdział białek żółtka jaja kurzego. Farm. Przegląd Naukowy 2009 (przyjęte do druku).
4. Ipatova O M, Prozorovskaia N N, Torkhovskaia T I, Baranova VS. Biological effects of the soybean phospholipids. Biomed Khim 2004; 50: 436-50.
5. Kawaguchi E, Shimokawa K, Ishii F. Physicochemical
properties of structured phosphatidylcholine in drug carrier lipid emulsions for drug delivery systems. Colloids
Surf B Biointerfaces 2008; 62: 130-5.
6. Finn R N. Vertebrate yolk complexes and the functional
implications of phosvitins and other subdomains in vitellogenins. Biol Reprod 2007; 76: 926-35.
7. Goulas A, Triplett E L, Taborsky G. Oligophosphopeptides of varied structural complexity derived from the
egg phosphoprotein, phosvitin. J Protein Chem 1996;
15: 1-9.
8. Renugopalakrishnan V, Horowitz P M, Glimcher M J.
Structural studies of phosvitin in solution and in the solid
state. J Biol Chem 1985; 260: 11406-13.
9. Taborsky G. Iron binding by phosvitin and its conformational consequences. J Biol Chem 1980; 255: 2976-84.
10. Ito Y, Fujii T. Chemical composition of the egg-yolk lipoproteins. J Biochem 1962; 52: 221-2.
11. Itoh T, Abe Y, Adachi S. Comparative studies on the α
and β-phosvitin from hen‘s egg yolk. J Food Sci 1983;
48: 1755-1757.
12. Joubert F J, Cook W H Preparation and characterization
of phosvitin from hen egg yolk. Can J Biochem Physiol
1958; 36: 399-408.
13. Byrne B M, van het Schip A D, van de Klundert J A.
Amino acid sequence of phosvitin derived from the
nucleotide sequence of part of the chicken vitellogenin
gene. Biochemistry 1984; 23: 4275-9.
14. Damodaran S, Xu S. The role of electrostatic forces
in anomalous adsorption behavior of phosvitin at the
air/water interface. J Colloid Interface Sci 1996; 178:
426-435.
15. Ishikawa S, Yano Y, Arihara K, Itoh M. Egg yolk phosvitin inhibits hydroxyl radical formation from the fenton reaction. Biosci Biotechnol Biochem 2004; 68:
1324-31.
16. Lu C L, Baker R C. Characteristics of egg yolk phosvitin as an antioxidant for inhibiting metal- catalyzed phospholipid oxidations. Poult Sci 1986; 65:
2065-70.
17. Lu C L, Baker R C. Effect of pH and food ingredients on
the stability of egg yolk phospholipids and the metal-chelator antioxidant activity of phosvitin. J Food Sci 1987;
52: 613-616.
18. Ishikawa S, Ohtsuki S, Tomita K. Protective effect of
egg yolk phosvitin against ultraviolet- light-induced lipid peroxidation in the presence of iron ions. Biol Trace
Elem Res 2005; 105: 249-56.
19. Maheswari S U, Ramadoss C S, Krishnaswamy P R. Inhibition of Fe(II) catalyzed linoleic acid oxidation and
DNA damage by phosvitin. Mol Cell Biochem 1997;
177: 47-51.
20. Nakamura S, Ogawa M, Nakai S. Antioxidant Activity of a Maillard-Type Phosvitin−Galactomannan Conjugate with Emulsifying Properties and Heat Stability.
J Agric Food Chem 1998; 46: 3958–3963.
21. Kahn M A, Babiker E E, Azakami H. Molecular mechanism of the excellent emulsifying properties of phosvitin-galactomannan conjugate. J Agric Food Chem 1999;
47: 2262-6.
22. Kato A, Miyazaki S, Kawamoto A. Effects of Phosphate
Residues on the Excellent Emulsifying Properties of
Phosphoglycoprotein Phosvitin. Agricultural and Biological Chemistry 1987; 51: 2989-2994.
&ARM0RZEGL.AUK
23. Chung S L, Ferrier L K. Conditions affecting emulsifying properties of egg yolk phosvitin. J Food Sci 1991;
56: 1259-1262.
24. Anton M, Le Denmat M, Gandemer G. Thermostability of Hen Egg Yolk Granules: Contribution of Native
Structure of Granules. Journal of Food Sci 2000; 65:
581-584.
25. Belhomme C, David-Briand E, Guérin-Dubiard C.
Phosvitin-calcium aggregation and organization at the
air-water interface. Colloids Surf B Biointerfaces 2008;
63: 12-20.
26. Rotimi E, Aluko E, Yoshinori M. Competitive Adsorption of Hen‘s Egg Yolk Granule Lipoproteins and Phosvitin in Oil-in-Water Emulsions J Agric Food Chem
1997; 45: 4564–4570.
27. Nilsson L, Osmark P, Fernandez C. Competitive Adsorption of Proteins from Total Hen Egg Yolk during Emulsification. J Agric Food Chem 2007; 55: 6746–6753.
28. Castellani O, Belhomme C, David-Briand E. The role
of metal ions in emulsion characteristics and flocculation behaviour of phosvitin-stabilised emulsions. Food
Hydrocolloids 2008; 22: 1243-1253.
29. Sattar Khan M A, Nakamura S, Ogawa M. Bactericidal action of egg yolk phosvitin against Escherichia
coliunder thermal stress. J Agric Food Chem 2000; 48:
1503-6.
30. Sato K, Homma K, Gotoh J. Anticlotting activity of
phosvitin on chicken blood in vitro. Am J Physiol 1962;
203: 1170-1172.
31. Choi I, Jung Ch, Choi H. Effectiveness of phosvitin
peptides on enhancing bioavailability of calcium and
its accumulation in bones. Food Chemistry 2005; 93:
577-583.
32. Quirce S, Maranon F, Umpierrez A. Chicken serum albumin (Gal d5) is a partially heat-labile inhalant and food
allergen implicated in the bird-egg syndrome. Allergy
2001; 56: 754-762.
33. Tini M, Jewell U R, Camenisch G. Generation and application of chicken egg−yolk antibodies. Comp Bioch
Phys Part A 2001; 131: 569–574.
Adres do korespondencji:
Dr hab. n. farm. Barbara Dolińska
Farmaceutyczny Zakład Naukowo-Produkcyjny „Biochefa”, 41-205 Sosnowiec, Kasztanowa 3
Tel.: 0-32/ 291-69-68
e-mail: [email protected]