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Caseína
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¿Qué es la caseína?

La caseína es una proteína de la leche, del tipo fosfoproteína, que se separa de la leche por acidificación y forma una masa blanca.

Representa cerca del 77% al 82% de las proteínas de la leche.

Las caseínas son las principales proteínas de la leche. Se sintetizan exclusivamente en la glándula mamaria, y en la leche se encuentran en su mayor parte formando agregados multimoleculares conocidos como “micelas de caseína”. En la leche de vaca, la caseínas representan alrededor del 80% del total de proteínas, es decir, de 25 a 28 gramos por litro de leche. En la leche humana la presencia de proteínas del lactosuero es mucho mayor, de tal forma que las caseínas son solamente del orden de la mitad de las proteínas totales, entre 5 y 8 gramos por litro.

La palabra caseína proviene del latín caseus que significa "queso".

Se emplea para fabricar pinturas especiales y en el apresto de tejidos, la clarificación de vinos, la elaboración de preparados farmacéuticos y la fabricación de plásticos, caseína casera (para la elaboración de fórmulas hospitalarias).

Características

Las caseínas es un conjunto heterogéneo de aminoacidos, sin embargo, todas las proteínas englobadas en lo que se denomina caseína tienen una característica común: precipitan cuando se acidifica la leche a pH 4,6. Por ello, a la caseína también se le suele denominar proteína insoluble de la leche. Por otra parte, y aunque las proteínas que se denominan caseínas son específicas de cada especie, se clasifican en los siguientes grandes grupos de acuerdo con su movilidad electroforética: αs1-caseína, αs2-caseína, β-caseína y κ-caseína . Esta última es de especial interés en la industria quesera, ya que su hidrólisis enzimática por el cuajo (la enzima quimosina) genera una nueva proteína, denominada para-κ-caseína. Cuando esta última reacciona con el calcio genera paracaseinato de calcio. Durante el proceso de maduración del queso, y a partir de la para-κ-caseína, se forman unos macropéptidos denominados γ-caseínas, responsables de las características reológicas y organolépticas de los quesos.

Propiedades físicas y químicas

A diferencia de muchas otras proteínas, incluso del queso, las caseínas no precipita por acción del calor. Por el contrario, precipita por la acción de una enzima proteasa presente en el estómago de los mamíferos llamada renina y forma un precipitado denominado paracaseína.

Si la precipitación se realiza por la acción de ácidos, se le llama caseína ácida. En la elaboración de los quesos tienen lugar ambos tipos de precipitaciones.

Cuando se emplea la enzima tripsina, la caseína se hidroliza a una molécula fosfatada llamado pepto.

Cuando coagula con renina, es llamada paracaseína, y cuando coagula a través de la reducción del pH es llamada caseína ácida.

Cuando no está coagulada se le llama caseinógeno.

Las caseínas son relativamente poco solubles en agua y carecen de estructura secundaria o terciaria bien definidas. En la leche se encuentra como suspensión de partículas que asemeja a las micelas de surfactantes (pequeñas esferas hidrofílicas en el exterior e hidrófobicas en el interior). Estas micelas de caseína se estabilizan por iones de calcio e interacciones hidrofóbicas.

Otro dato interesante, utilizado para separar las caseínas del resto de las proteínas lácteas mediante su precipitación, es que su punto isoeléctrico (pI) promedio es de 4,6. A este pH, las caseínas se encuentra en su punto de menor solubilidad debido a que hay menos repulsiones intermoleculares, por lo que precipitan (vulgarmente se dice que coagulan y el precipitado es de color blanco parecido al queso de Burgos). Ahora bien, el pI es diferente para cada una de las fracciones caseínicas, ya que varía entre el 4,44-4.97 para la αs1-caseína y el 5,3-5,8 en la variante genética B de la κ-caseína.

Estructura

Las moléculas individuales de caseína se caracterizan en general por tener un tamaño mediano (unos 200 aminoácidos, siendo algo menor la caseína κ) contar con pocos tramos con estructura secundaria organizada, debido a la presencia de abundantes restos de prolina, y tener unidos covalentemente grupos fosfato a algunos de los restos de serina, y muy ocasionalmente a restos de treonina. La falta de organización de las moléculas de caseína ha hecho que hasta el momento ninguna haya podido cristalizarse para llevar a cabo estudios detallados de su estructura secundaria y terciaria.

Desde el punto de vista de la estructura, en la leche bovina (y en la mayoría de las leches de otras especies) existen cuatro caseínas, conocidas, entre otros nombres y por abeviar, como αs1, αs2, (la s del subfijo indica que son “sensibles” al calcio, es decir, que pueden precipitar al asociarse con él) β y κ. Las llamadas “caseínas γ” son simplemente fragmentos de la caseína β producidos por proteolisis por la plasmina. Todas las caseínas tienen variantes genéticas, producidas por sustitución de aminoácidos y en algunos casos por delección.

Existen diferencias en la proporción que representa cada tipo en el total de las caseínas. De entre las especies más comunes, las mayores diferencias se encuentran en el contenido de caseína κ que representa el 3% de las caseínas de leche de búfala, el 13% de las de la leche de vaca y el 26% de las de la leche humana.

Estructura de las micelas de caseína

Las caseínas interaccionan entre sí formando una dispersión coloidal que consiste en partículas esféricas llamadas micelas con un diámetro que suele variar entre 60 a 450nm poseyendo un promedio de 130nm.

Se han propuesto diversos modelos fisicoquímicos de organización de las micelas, en los que estas se encuentran a su vez constituidas por subunidades (submicelas), con un diámetro de entre 10 y 20nm. En tales modelos se considera que las subunidades se enlazan entre sí gracias a los iones de calcio. Se sugiere que el fosfato de calcio se une a los grupos NH2- de la lisina; el calcio interacciona con el grupo carboxilo ionizado (COO-). Las submicelas se constituyen a partir de la interacción constante entre las caseínas α, β y κ. Hay que resaltar la función de la κ-caseína para estabilizar las micelas, especialmente contra la precipitación de las otras fracciones proteínicas por la acción del calcio o de los enzimas. En todos estos se establece que las unidades hidrófobas entre las moléculas de proteínas aseguran la estabilidad de la micela.

Las micelas de caseína son partículas de un tamaño entre 50 y 500 nanometros, formadas por la asociación de moléculas de caseína junto con fosfato cálcico en forma coloidal. El componente “mineral” representa alrededor del 7% del peso de la caseína. La estructura interna de las micelas de caseína, si es que realmente puede hablarse de una estructura organizada, está en discusión. Por una parte, según el modelo más aceptado, las micelas estarían formadas por la agregación de otras partículas menores, las llamadas “submicelas”, unidas entre sí a través de puentes de fosfato y por interacciones hidrofóbicas. Las moléculas individuales de de caseína se unirían dentro de las submicelas fundamentalmente a través de enlaces hidrofóbicos.

Ahora bien, las “submicelas” son probablemente estructuras menos definidas de lo que se ha supuesto hasta el momento, y parece probable que el interior de las micelas tenga una estructura menos organizada, con asociaciones de moléculas de caseína producidas por su interacción con partículas de fosfato cálcico coloidal de tamaño nanométrico. De hecho, el otro modelo de micela de caseína propuesto implica la existencia de nanoclusters de fosfato cálcico distribuido dentro de una partícula más o menos homogénea formada por la asociación de caseínas individuales.

La superficie exterior de la micela sería también cambiante, especialmente sensible a las modificaciones del medio que alteraran la hidratación de las moléculas.

La fosfoserina, que es una pieza esencial en el mantenimiento de la estructura de cualquier modelo de micela de caseína, puede formar puentes con iones de calcio.

El fosfato de calcio se encuentra en las caseínas como “fosfato coloidal”, en forma no cristalina. Las partículas de fosfato amorfo o coloidal dentro de la caseínas tienen un tamaño del orden de 2,5 nanometros, y están formadas por un núcleo de fosfato cálcico recubierto de una capa de proteína de un espesor de alrededor de 1,5 nanometros, unida al fosfato cálcico mediante puentes a través de las fosfoserinas.

Estabilidad de las micelas de caseína

En condiciones normales de pH y concentración de sales, las micelas de caseínas se encuentra muy hidratadas, teniendo ligados alrededor de 3,7 gramos de agua por gramo de proteína.

Las micelas de caseína se desestabilizan fundamentalmente por dos procesos: Por la acidez, y por la proteolisis de la caseína κ.

La acidez tiene dos efectos: En primer lugar, según va bajando el pH se van rompiendo los enlaces entre los grupos fosfato y el ion calcio, al reducirse la ionización de los fosfatos. En segundo lugar, las repulsiones entre las micelas se reducen, al acercarse el pH al punto isoeléctrico de las caseínas. A un pH de alrededor de 4,5 (y a una temperatura superior a 20ºC) las caseínas se agregan, formando una cuajada poco mineralizada.

En el tratamiento con quimosina, la caseína κ pierde por proteolisis sus región hidrófila, dirigida hacia el exterior de las micelas. La reducción de la hidrofilicidad facilita la agregación.

A temperaturas bajas, de refrigeración, las fuerzas hidrofóbicas que mantienen unidas a las moléculas de caseína se debilitan, e incluso una parte de la caseína sale de la micela. La gran mayoría permanece, pero unida menos fuertemente. En particular, las fuerzas que actúan sobre la región hidrofóbica de la caseína β se debilitan, haciendo que esta exponga más hacia el exterior su región hidrófila. Esto aumenta la hidratación y voluminosidad de la micela. Como consecuencia, a temperaturas de refrigeración no se produce la agregación de la caseína ni por la acción de la acidez ni por la de la quimosina.

Tipos

Caseína αs1

La caseína αs1 es la mayoritaria en la leche de vaca. La variante más común tiene 199 aminoácidos en su secuencia, con 8 ó 9 grupos fosfato. Desde el punto de vista estructural, está formada por tres regiones hidrofóbicas, con dos de ellas situadas en los extremos (aminoácidos 1-41, 90-113 y 132-199), y una zona muy polar (entre los aminoácidos 42 y 80), en la que se encuentran todos los grupos fosfato menos uno, lo que le da una carga neta negativa muy importante al pH de la leche (alrededor de 6,6). La caseína αs1 de vaca contiene 17 restos de prolina, distribuidos a lo largo de toda la cadena, lo que hace que tenga muy pocas zonas con estructura secundaria organizada. La asociación con otras moléculas de caseína se produce a través de interacciones hidrofóbicas en las que está implicada fundamentalmente la zona situada entre los aminoácidos 136 y 196.

Caseína αs2

Esta caseína está formada, en la vaca, por 207 aminoácidos Se conocen varias variantes genéticas, y también varias variantes en el grado de fosforilación. La máxima fosforilación afecta a 12 serinas y una treonina. Esta caseína tiene un puente disulfuro entre las cisteínas que ocupan las posiciones 36 y 40 de la secuencia, y es más hidrofílica que la caseína αs1, con tres regiones de carga neta negativa, una de ellas en el extremo N-terminal. En la zona del extremo C-terminal se sitúan aminoácidos hidrofóbicos y con carga neta positiva.

Caseína β

La caseína β es la caseína más hidrofóbica, y presenta además estructura particular, con una clara división en dos zonas. La que corresponde al extremo C-terminal es particularmente hidrofóbica, mientras que los aminoácidos más hidrofílicos, y todos los grupos fosfato unidos a serinas, se concentran en el extremo N-terminal. La variante genética más común en la vaca está formada por 209 aminoácidos, con cinco grupos fosfato.

Caseína κ

La caseína κ tiene una estructura claramente distinta de la de las otras caseínas. En primer lugar, es algo más pequeña, estando formada, en la vaca, por 169 aminoácidos. Además está muy poco fosforilada, teniendo solamente un grupo de fosfato. Esto hace que interaccione con el ión calcio mucho menos que las otras caseínas. Sin embargo, comparte con la caseína β la propiedad de tener zonas predominantemente hidrofílicas e hidrofóbicas bien marcadas y separadas.

Una particularidad de esta caseína es la presencia de una zona con carga neta positiva entre los aminoácidos 20 y 115. Esta zona con carga neta positiva permite la interacción de la caseína con polisacáridos como los carragenanos, que tienen carga negativa. También tiene en la cadena dos grupos de cisteína.

La caseina κ es la única caseína que tiene parte de las moléculas glicosiladas. El grupo glucídico está formado o bien por un trisacárido o bien por un tetrasacárido unido a un resto de treonina, o bien en la treonina que ocupa la posición 131, en la 133, o bien en otra más próxima aún al extremo carboxilo-terminal de la cadena. Dada la presencia de ácido N-acetil neuramínico, este grupo glucídico aporta carga neta a la caseína &kappa.

La caseína κ se rompe fácilmente por proteolisis en el enlace situado entre la fenilalanina 105 y la metionina 106, en una región rica en restos de prolina y probablemente fácilmente accesible. Cuando esta proteolisis se produce, el fragmento N-terminal 1-105 (para κ-caseína), que es fundamentalmente hidrofóbico, queda unido a las otras caseínas en la micela, mientras que el fragmento C-terminal 106-169 (caseino macropéptido), muy hidrofílico, y en el que está situado el resto glucídico en las moléculas glicosiladas, queda libre en solución.

La ruptura de la caseína κ produce la desestabilización de la micela, y (a temperaturas por encima de 20º C) su agregación. Este proceso es el que se produce en la fabricación de la gran mayoría de los quesos.

Caseína γ

Recibe el nombre de caseina γ un conjunto de fragmentos de la caseína β formados por la acción de la plasmina, una proteinasa presente en la leche. En condiciones normales, esta “caseína” representa alrededor del 3% del total de caseínas. Los fragmentos de caseína β más pequeños formados en este proceso proteolítico quedan en el lactosuero, y reciben el nombre de “fracción proteosa - peptona”.

Usos

Además de usarse directamente como adhesivo en la elaboración de productos alimentarios (derivados lácteos y cárnicos, panes y productos de repostería, etc.), la caseína se utiliza en la elaboración de productos no alimentarios: pegamentos y pinturas, cubiertas protectoras, plásticos.

Otros usos tecnológicos son la clarificación de vinos o como ingrediente en preparados de biología molecular y microbiología  en medios enriquecidos para el cultivo microbiano.

En la alimentación especial, la caseína sirve para la elaboración de preparados médicos y concentrados proteicos destinados a la alimentación de los deportistas, especialmente después de su entrenamiento. Así, se ha observado que la digestión de las caseínas es más lenta que la de las lactoproteínas solubles, también denominadas seroproteínas y, por ello, más apropiada para reparar el anabolismo de los aminoácidos durante el período que sigue a una comida.


Documentación

http://milksci.unizar.es
http://es.wikipedia.org/