Substrate

4.1.3.1 Gluten

Als Gluten bezeichnet man die Speicherproteine einiger Getreidearten wie z.B. Weizen, Roggen, Gerste und Hafer. Sie bilden bei der Teigzubereitung (Anteigung) ein dreidimensionales Netzwerk aus und sind für die Elastizität des Teiges verantwortlich, sowie nachfolgend für das Aufgehen des Teiges beim Backen und den Formerhalt des fertigen Gebäcks. Dem Gluten gehören die beiden Osbornfraktionen Prolamine (in Weizen als Gliadine bezeichnet) und Gluteline (in Weizen als Glutenine bezeichnet) an. Viele Mitglieder der Gliadine sind auch als Allergene bekannt.

Die tetraploide bzw. hexaploide Genetik des Kulturweizens, der starke Polymorphismus der entsprechenden Gene, sowie die von Weizenkultivar zu Weizenkultivar unterschiedliche Transkriptionsaktivtät der einzelnen Genloci sorgen in den verschiedenen Sorten für Mischungen mit unterschiedlicher Gewichtung der einzelnen Glutenfraktionen, die die Eignung für verschiedene Getreideprodukte bestimmen (Falcão-Rodrigues et al.

2005; Khatkar et al. 1995; Pedersen und Jørgensen 2007). Glutenine bilden durch intermolekulare Disulfidbrücken große Makromoleküle, die für die Dehnbarkeit der aus ihnen hergestellten Teigwaren verantwortlich sind. Gliadine sind generell unvernetzt und bedingen die Viskosität des Teiges. Allerdings können sie auch Teil eines von Gluteninen gebildeten Makromolekül werden, wobei sie, aufgrund der Einschränkung nur eine Disulfidbrücke ausbilden zu können, für einen Kettenabbruch im entsprechenden Zweig des Makromoleküls sorgen. Das Größenspektrum der Proteine, die unter dem Begriff Gluten zusammengefasst werden, liegt zwischen 35 kDa und 10.000 kDa (Veraverbeke und Delcour 2002; Wrigley 1996).

Glutenine werden in die High Molecular Weight Glutenin Subunits (HMW GS) (Xu et al.

2005) und die Low Molecular Weight Glutenin Subunits (LMW GS) (Anjum et al. 2007;

Wellner et al. 2005) eingeteilt. Die flankierenden Sequenzen am N- und C-Terminus der HMW GS werden von einer Folge nichtrepetitiver Aminosäuren gebildet. Dazwischen liegt ein Bereich, der sich aus sich wiederholenden Aminosäuresequenzen aufbaut, die aus einer Aneinanderreihung von Trimeren, Hexameren oder Nonameren bestehen können (Shewry et al. 1992). N- und C-Terminus sind im Vergleich zum mittleren Bereich des Proteins beinhalten mehr geladene und hydrophob Aminosäuren sowie Cysteinreste. Die Cysteinreste dienen dem Aufbau von intra- und intermolekularen Disulfidbrücken und sind die Basis für die Bildung von Glutenmakromolekülen (Shewry et al. 1986). Die repetitiven Bereiche sind im Gegensatz dazu eher hydrophil und werden hauptsächlich aus Prolin, Glutamin, Glutamat und Glycin gebildet.

Gliadine werden in α-, β-, γ- und ω-Gliadine unterteilt. Die Aufteilung ist auf die zurückgelegte Strecke der einzelnen Gliadine im SDS-PAGE zurückzuführen (Banc et al.

2009; Wieser 2007). α- und β-Gliadine ähneln sich in ihrer Primärstruktur stark, so dass sie von manchen Autoren auch zusammengefasst werden (Zilić et al. 2011). In ihrer Struktur und Aminosäureverteilung stehen sie den γ-Gliadinen nahe. Das Molekulargewicht von α-, β- und γ-Gliadinen liegt in einem Bereich von 31 bis 35 kDa (Fido et al. 1997). Sie verfügen über einen hohen Gehalt an schwefelhaltigen Aminosäuren (Shewry et al. 1986), von denen die Cysteinreste meistens in gerader Anzahl vorkommen. Durch intramolekulare Disulfidbrückenbindungen wird eine globuläre Tertiärstruktur vorgegeben (Hamer und van Vliet 2000). Gliadine, die über eine ungerade Anzahl an Cysteinresten verfügen, können auch kovalente Disulfidbrückenbindungen zu Makromolekülen eingehen und in diesen einen Kettenabbruch bewirken (Muccilli et al. 2010). Des Weiteren stehen sie untereinander in schwachen Wechselwirkungen (van der Waals- und hydrophobe Wechselwirkungen) und sind so an der Viskosität des aus Weizenmehl hergestellten Teiges beteiligt (Wellner et al. 2003).

ω-Gliadine verfügen im Gegensatz zu den α-, β- und γ-Gliadinen kaum über schwefelhaltige Aminosäuren und können deshalb keine Disulfidbrückenbindungen ausbilden. Der globuläre Aufbau der α-, β- und γ-Gliadine ist bei ihnen nicht zu finden (Ang et al. 2010), ebensowenig kommen sie als Teil der Glutaminmakromoleküle vor. Sie bestehen zu 80% aus den Aminosäuren Prolin, Glutamin und Phenylalanin (Hsia und Anderson 2001). Die in Gliadinen vorkommenden sauren Aminosäuren Aspartat und Glutamat liegen generell zu einem hohen Prozentsatz in ihrer amidierten Form vor (Ewart 1983), was auch mit ihrer Aufgabe als Stickstoffquelle für den Keimling zu tun hat.

ω-Gliadine gehören zu den mittelschweren Glutenproteinen und haben ein Molekulargewicht von 44 bis80 kDa (Shewry et al. 1986). Ihre Sequenz wird von einem Signalpeptid am N-Terminus angeführt, gefolgt von einer nichtrepetitiven Sequenz. Eine

weitere bildet den C-Terminus. Der Zwischenbereich wird von repetitiven Hexa- und Heptamersequenzen gebildet. Sowohl die repetitiven Bereiche der Glutenine als auch die der Gliadine bilden das Polyprolinhelix II Motiv aus (s.u.). Im Zusammenhang mit den oben erwähnten Unverträglichkeiten ist festzuhalten, dass ω-Gliadine bei von Zöliakie Betroffenen die entsprechenden Symptome auslösen (Darewicz et al. 2008; Molberg et al.

2001; Sollid 2000).

4.1.3.2 Casein

Caseine gehören zur Familie der secreted calcium (phosphate)-binding proteins (SCPP), die für den Transport von Calciumphosphat in Geweben zuständig sind (Dalgleish et al.

1989; Kawasaki 2009; Kawasaki und Weiss 2003). Mit ihnen ist es möglich, Calciumphosphat in Konzentrationen in Lösung zu halten, die weit über der Löslichkeitsgrenze liegen. Man findet sie in allen Körperflüssigkeiten wie z.B. Speichel, Blut, Urin und Milch. SCPPs sind ungefaltete Proteine, die hauptsächlich vom Strukturmotiv der Polyprolin II Helix geprägt sind (Holt et al. 2009; Kalmar et al. 2012).

Sie teilen sich in zwei Fraktionen auf, wobei die eine stabile Calciumphosphatcluster bildet und der Speicherung und dem Transport dient. Zu ihr gehören die Caseine. Die andere Fraktion bildet metastabile Calciumphosphatcluster und ist am Aufbau von Zähnen und Knochen beteiligt. Wichtig dabei ist, dass diese Fraktion dafür sorgt, dass Calciumphosphat nicht in weichen Gewebeteilen ausfällt wie etwa im Drüsengewebe der Brust. Gleichzeitig stellt es aber den Aufbau und Erhalt von festen Strukturen wie Zähnen und Knochen sicher.

Casein selbst wird in calciumsensitives Casein, zu denen αs1-Casein, αs2-Casein, und β-Casein gehören, und calciuminsensitives Casein, zu dem κ-Casein gehört, eingeteilt. Alle vier zusammen bilden eine Mizelle wobei αs1-Casein und αs2-Casein vor allem im inneren derselben lokalisiert sind und als Träger des Calciumphosphats dienen. Dies geschieht durch den Aufbau von Calciumphosphatclustern an phosphorylierten Serinresten. Die hohe Anzahl an phosphorylierten Serinresten ermöglicht es αs2-Casein Calciumphosphatcluster zu vernetzen. β-Casein kann durch seine geringere Zahl an phosphorylierten Serinresten nur an einzelne Cluster binden. Es scheint allerdings der Mizelle eine poröse Struktur zu verleihen, die einen schnellen Transport von Molekülen aus der Mizelle heraus oder in sie hinein möglich macht (Dalgleish 2011). κ-Casein ist an der Oberfläche der Mizelle lokalisiert (Dalgleish et al. 1989). Es stabilisiert die Mizelle nach außen, indem es haarartige Peptidketten, sogenannte C-terminal macropeptides, die in das umgebene Medium stehen, ausbildet. Diese dienen als Abstandshalter zu anderen Mizellen (Horne 1986; Kruif und Zhulina 1996). Chymosin hydrolysiert diese Domäne zwischen Phe105 und Met106 und führt so zu einem Aggregieren der Mizellen bei der Käseherstellung. Der genaue Aufbau der Caseinmizelle ist aber bis heute nicht eindeutig geklärt. Die bisherigen

Erkenntnisse beruhen auf einer Vielzahl von Experimenten, die eine Modellvorstellung stützen.

αs1-Casein und β-Casein wirken der Tendenz von αs2-Casein und κ-Casein amyloide Fibrillen zu bilden entgegen (Ecroyd et al. 2010; Treweek et al. 2011). Diese Tendenz ist bedingt durch die für die Funktion der Caseine essentielle Primärstruktur und das offene Faltungsmuster. Gleichzeitig beeinträchtigt sie aber die Funktionalität der übergeordneten Struktur, der Mizelle, die ein dynamisches offenes Gebilde ist, aus dem sowohl Calciumphosphat als auch, unter gewissen Milieubedingungen, Proteine ein- und ausströmen können. Die Bildung von amyloiden Fibrillen würde zu einer Aggregierung der Caseine führen und damit die dynamischen Eigenschaften der Micelle unterbinden. Casein hat die Eigenschaft, Calciumphosphat auch bei steigenden pH-Werten in der Lösung zu stabilisieren. Dies geschieht durch saure Aminosäurereste wie Aspartat, die in direkter Nachbarschaft zu den clusterbildenden Serinresten stehen und so ein saures Mikroklima schaffen.

Wie bei Gluten besteht bei den caseincodierenden Genen ein starker Polymorphismus über die verschiedenen Säugetierarten hinweg. Der Unterschied zwischen den Varianten der einzelnen Caseintypen ist groß genug, um bei einzelnen Personen zu Immunantworten und damit verbunden zu Unverträglichkeiten und Allergien gegenüber Casein zu führen.