Micelas de caseína: dos monômeros à estrutura supramolecular

Casein micelles: from the monomers to the supramolecular structure

Resumo

A importância primária das micelas de caseína reside no fato de que os processos empregados na transformação do leite em quaisquer de seus derivados dependem, direta ou indiretamente, de sua estabilidade ou de sua desestabilização controlada. Assim, o objetivo do presente trabalho é apresentar uma revisão atualizada sobre a organização estrutural das micelas de caseína. Em termos físico-químicos, as micelas de caseína podem ser definidas como agregados supramoleculares esféricos e porosos, altamente hidratados, carregados negativamente, com diâmetro médio de 200 nm, e que apresentam aproximadamente 10⁴ cadeias polipeptídicas. Além de água, as micelas são constituídas por quatro tipos de caseínas, chamadas de α_S1, α_S2, β, e κ-caseínas, que estão unidas por meio de interações hidrofóbicas e eletrostáticas, e pela presença de minerais, sobretudo sais de fosfato de cálcio, os quais são os principais responsáveis pela manutenção da estrutura micelar. A estabilidade das micelas de caseína é atribuída à presença de uma camada externa difusa, formada basicamente por κ-caseína. Apesar de as propriedades coloidais das micelas de caseína serem conhecidas, ainda não há consenso sobre como as moléculas de caseína estão estruturadas em seu interior. Portanto, os principais modelos que descrevem a organização interna das micelas de caseína são apresentados na parte final do artigo.

Palavras-chave:
Micela de caseína; Caseína; Fosfato de cálcio coloidal; Proteínas do leite; α_S1-caseína; α_S2-caseína; β-caseína; κ-caseína

Abstract

The most relevant aspect concerning casein micelles lies in the fact that all the procedures employed in the transformation of milk into dairy products depend, directly or indirectly, on their stability or their controlled destabilization. Thus, the present paper aimed to present an updated review of the structural organization of casein micelles. Physicochemically, casein micelles can be defined as spherical, porous supramolecular aggregates, highly hydrated, negatively charged, with a mean diameter of about 200 nm, and presenting approximately 10⁴polypeptide chains. Besides water, casein micelles are constituted of four types of casein molecule, namely α_S1, α_S2, β and κ-caseins, which are held together by means of hydrophobic and electrostatic interactions, and by the presence of minerals, mainly composed of calcium phosphate salts, which are considered the main factor responsible for maintaining the micellar structure. The stability of the casein micelles is attributed to the presence of an outer diffuse layer, basically composed of κ-casein. Although the colloidal properties of casein micelles are well known, there is still no consensus concerning their internal structure. Therefore, the main models describing the internal organization of casein micelles are presented in the final part of this article.

Keywords:
Casein micelle; Casein; Colloidal calcium phosphate; Milk proteins; α_S1-casein; α_S2-casein; β-casein; κ-casein

1 Introdução

As caseínas são as principais proteínas do leite de vaca (Bos taurus) e representam 80% do seu conteúdo proteico. Elas podem ser descritas como proteínas fosforiladas, de estrutura aberta e flexível, que atuam como nanoveículos para o transporte de minerais das fêmeas de mamíferos para suas proles, prevenindo a calcificação patológica da glândula mamária (Holt, 2016; Holt et al., 2013).

No leite, as caseínas estão presentes sob a forma de micelas de caseína (MC). As MC são partículas porosas, altamente hidratadas (~4,0 mL/g), com diâmetro médio de 200 nm (Dalgleish, 2011). Elas são constituídas basicamente por moléculas de caseína, água e minerais, sobretudo sais de fosfato de cálcio, os quais atuam como cimento na manutenção da estrutura micelar. As MC se caracterizam como estruturas supramoleculares dinâmicas, que se transformam em função das mudanças nas condições físico-químicas do meio, como pH, temperatura, força iônica, presença de enzimas, etc. (Dalgleish & Corredig, 2012; Kruif & Holt, 2003). Ainda não há consenso na comunidade científica sobre a organização interna das MC.

A importância primária das MC reside no fato de que a aptidão tecnológica do leite para sua transformação em derivados lácteos depende diretamente da estabilidade das MC (Kruif & Holt, 2003). Em produtos, como leite fluido (pasteurizado ou esterilizado), creme de leite, leite condensado e doce de leite, busca-se a estabilidade das MC. Em outros derivados lácteos, como leites fermentados e queijos, é a desestabilização controlada das MC que permite a fabricação de tais produtos. Adicionalmente, as MC são foco de numerosos estudos que buscam a otimização de suas propriedades tecnológicas e funcionais, como a estabilidade térmica e a aptidão para formação de géis, emulsões e espumas (Broyard & Gaucheron, 2015). Observa-se também número crescente de publicações que demonstram que as MC podem ser utilizadas como nanoveículos para o transporte de moléculas bioativas, de variadas propriedades químicas, incluindo vitaminas, compostos bioativos e medicamentos para o tratamento de doenças, como o câncer (Ranadheera et al., 2016).

O objetivo do presente trabalho é descrever de forma detalhada a estrutura das MC, com uma abordagem que se inicia pelos seus componentes primários culminando em sua estrutura supramolecular, haja vista o fato de que a literatura em português sobre esse tema é escassa.

2 Moléculas de caseína

As caseínas atuam primariamente como fonte de aminoácidos. Entretanto, sabe-se que elas apresentam funções biológicas específicas por atuarem (i) como vetores de cálcio, que passam das fêmeas de mamíferos para os neonatos (Holt et al., 2013); e (ii) como chaperonas, que evitam a formação de agregados proteicos insolúveis, conhecidos como fibrilas amiloides (Holt et al., 2013; Treweek et al., 2011), prevenindo o aparecimento de várias doenças (Rambaran & Serpell, 2008).

Historicamente, a palavra caseína foi usada para descrever uma classe de proteínas obtidas pela recuperação de precipitado formado após acidificação do leite em pH 4,6 a 20 °C (O’Mahony & Fox, 2014). Em termos estruturais, as caseínas são descritas como proteínas reomórficas, com conformação aberta e flexível. A ausência de estruturas globulares é explicada pelo alto teor de resíduos prolil (Holt & Sawyer, 1993). As quatro principais moléculas de caseína são α_S1, α_S2, β e κ-caseínas. As caseínas apresentam diferente composição de aminoácidos (Tabela 1) e uma grande heterogeneidade devido a duas modificações pós-tradução, chamadas de fosforilação e glicosilação (Holland & Boland, 2014).

Tabela 1
Composição de aminoácidos de variantes genéticas de α_S1-, α_S2-, β- e κ-caseínas (Huppertz, 2013).

Aminoácido	αs1-CN B-8P	αs2-CN A-11P	κ-CN A-1P	β-CN A2-5P
Asp	7	4	3	4
Asn	8	14	8	5
Thr	5	15	14	9
Ser	8	6	12	11
SerP	8	11	1	5
Glu	25	24	12	19
Gln	14	16	14	20
Pro	17	10	20	35
Gly	9	2	2	5
Ala	9	8	15	5
½ Cys	0	2	2	0
Val	11	14	11	19
Met	5	4	2	6
Ile	11	11	13	10
Leu	17	13	8	22
Tyr	10	12	9	4
Phe	8	6	4	9
Trp	2	2	1	1
Lys	14	24	9	11
His	5	3	3	5
Arg	6	6	5	4
Pyr or Glu	0	0	1	0
Total de resíduos	199	207	169	209

• As letras “A” ou “B” representam variantes genéticas, enquanto que o numeral que precede a letra “P” representa o número de grupamentos fosfato por molécula.

Todas as caseínas são fosforiladas. A fosforilação ocorre principalmente nos resíduos seril e, em menor frequência, em resíduos treonil (Holland & Boland, 2014; Huppertz, 2013). Como consequência da adição de grupamentos fosfato, as caseínas apresentam elevada afinidade por cátions bivalentes, como cálcio e magnésio.

A glicosilação ocorre apenas com as κ-caseínas e envolve principalmente os resíduos treonil e, em menor extensão, os resíduos seril, localizados na extremidade C-terminal (Kanamori et al., 1980). Os carboidratos envolvidos na glicosilação são galactose, N-acetil-galactosamina e ácido neuramínico, que estão presentes como di, tri ou tetrassacarídeos (Saito & Itoh, 1992; Tran & Baker, 1970).

2.1 α_S1-caseínas

As α_S1-caseínas representam 40% do total de caseínas (Huppertz, 2013). Existem duas principais variantes genéticas, B e C, que se assemelham quanto às cadeias de aminoácidos e se diferem em seu grau de fosforilação (Mercier et al., 1971).

A referência para a família α_S1 é a variante α_S1-CN B-8P (Farrell Junior et al., 2004), sendo a letra B indicativo da sua variante genética e 8P indicativo da presença de oito fosfatos. Ela possui 199 resíduos de aminoácidos, não apresenta resíduo cisteinil e tem massa molar (MM) de 23.615 Da (Farrell Junior et al., 2004). Possui carga de -21 mV em pH 6,6 e ponto isoelétrico (pI) de 4,91 (baseado na estrutura primária) e de 4,42, incluindo as fosforilações (Farrell Junior et al., 2004; Huppertz, 2013). As α_S1-caseínas são sensíveis ao cálcio e precipitam na presença de 3-8 mM CaCl₂ em pH 7,0 (Aoki et al., 1985).

2.2 α_S2-caseínas

As α_s2-caseínas correspondem a 10% do total de caseínas e possuem níveis variados de fosforilação (10-13 resíduos fosfosseril por molécula) (Huppertz, 2013). A referência é a α_s2-CN A-11P (Farrell Junior et al., 2004), que possui uma ponte dissulfeto interna (cisteína) (Rasmussen et al., 1994). Esta caseína possui 207 aminoácidos, MM de 25.226 Da (Farrell Junior et al., 2004), sendo a mais hidrofílica das caseínas (Swaisgood, 2003). Seu pI, baseado na sua estrutura primária, é de 4,91, e incluindo as fosforilações, é de 4,42 (Huppertz, 2013). Como as α_s2-caseínas são as mais fosforiladas, elas são as mais sensíveis ao cálcio. Apenas 2 mM de CaCl₂ provocam a precipitação de 90% das α_s2-caseínas em pH 7,0 (Aoki et al., 1985).

2.3 β-caseínas

A família das β-caseínas representa 35% das caseínas, com 0-5 resíduos fosfosseril por molécula (Swaisgood, 2003). A referência é a β-CN A²-5P, mas vinte variantes genéticas já foram identificadas (Farrell Junior et al., 2004). Ela contém 209 resíduos, sua MM é 23.983 Da (Dumas et al., 1972). Seu pI, baseado na estrutura primária, é 5,13, e incluindo as fosforilações, é 4,65 (Huppertz, 2013). A β-caseína é a mais hidrofóbica das caseínas, sendo fortemente anfifílica (Farrell Junior, 2011; Swaisgood, 2003), o que explica sua tendência a formar agregados micelares em solução (Leclerc & Calmettes, 1997).

As β-caseínas são menos sensíveis à precipitação na presença de íons Ca que as α_s1- e α_s2-caseínas. A precipitação depende da temperatura: 20 mM CaCl₂ induzem a precipitação a 20 °C, enquanto 4 mM CaCl₂ têm o mesmo efeito a 40 °C (Dalgleish & Parker, 1980).

2.4 κ-caseínas

As κ-caseínas representam 15% das proteínas do leite e se diferenciam das outras caseínas por serem glicosiladas (Swaisgood, 2003). A família da κ-CN apresenta 11 variantes genéticas com diferentes graus de fosforilação (0-3) e glicosilação (Farrell Junior et al., 2004; Huppertz, 2013). A proteína de referência desta família é a κ-CN A-1P (Farrell Junior et al., 2004). Ela possui 169 aminoácidos, dois resíduos cisteinil, MM de 19.052 Da e pI de 5,6 (incluindo as fosforilações) (Jollès et al., 1972a, 1972b; Mercier et al., 1972, 1973). No leite, as κ-caseínas estão presentes como polímeros, de dímeros a octâmeros, que são atribuídos à formação de ligações dissulfeto entre os resíduos cisteinil (Rasmussen et al., 1994). Cerca de 36% das moléculas de κ-caseínas não são glicosiladas e os 64% restantes possuem de 1 a 10 carboidratos por molécula de κ-caseína (Vreeman et al., 1986). As κ-caseínas são fortemente anfifílicas devido à separação entre a extremidade N-terminal (1-105) hidrofóbica e a extremidade hidrofílica C-terminal (106-169) (Hill & Wake, 1969), em que os resíduos glicosilados e/ou fosforilados estão presentes. Sua solubilidade não depende da presença de cálcio, o que é resultado do baixo nível de fosforilação (Swaisgood, 2003).

3 Minerais

A composição de minerais do leite é complexa e depende de fatores genéticos, estágio de lactação, alimentação e saúde dos animais (Gaucheron, 2004). Os principais minerais do leite estão apresentados Tabela 2. Apesar de ser uma molécula orgânica, o citrato está incluído na composição mineral do leite por participar de seu equilíbrio iônico.

Tabela 2
Composição aproximada de sais no leite, incluindo a distribuição entre frações coloidal e solúvel (Gaucheron, 2005; Lucey & Horne, 2009).

Elementos	Concentração (mM)	Coloidal (%)	Solúvel (%)
Cátions
Cálcio	26-32	69	31
Magnésio	4-6	47	53
Potássio	31-43	6	94
Sódio	17-28	5	95
Ânions
Cloreto	22-34	5	95
Citrato	7-11	14	86
Fósforo	29-32	65	35

Os minerais do leite podem ser agrupados em duas frações: (i) fração solúvel, representada pelos sais e íons presentes na fase contínua do leite; e (ii) fração coloidal, que inclui os minerais que estão associados às MC (Tabela 2).

3.1 Fração solúvel

Conhecendo-se a composição da fase contínua do leite e as constantes de associação intrínseca entre os íons presentes, é possível calcular a concentração de sais e íons livres que compõem a fração solúvel do leite, conforme apresentado na Tabela 3.

Tabela 3
Concentrações calculadas de íons e sais presentes na fração solúvel de leite.

Ânions (mM)	Íons livres	Cátions (mM)
		Ca2+	Mg2+	Na+	K+
H2Cit-	+	+	+	+	+
Hcit2-	0,04	0,01	+	+	+
Cit3-	0,26	6,96	2,02	0,03	0,04
H2PO4-	7,50	0,07	0,04	0,10	0,18
HPO42-	2,65	0,59	0,34	0,39	0,52
PO43-	+	0,01	+	+	+
Cl-	30,9	0,26	0,07	0,39	0,68
Íons livres		2,00	0,81	20,92	36,29

• Resumido e adaptado de Holt et al. (1981). (+) concentração menor que 0,005 mM.

3.2 Fração coloidal

A fração coloidal compreende dois principais tipos de sais: (i) cátions e ânions ligados diretamente aos resíduos de aminoácidos das caseínas; e (ii) fosfato de cálcio coloidal. Quanto ao tipo (i), pode-se afirmar que as caseínas têm alta afinidade por cátions bivalentes, principalmente cálcio, o que é atribuído à presença dos resíduos glutamil, aspartil e, principalmente, aos resíduos fosfosseril. Como regra geral, quanto mais fosforilada for uma molécula de caseína, maior será sua capacidade de se ligar ao cálcio (Dalgleish & Parker, 1980; Holt et al., 1981; Parker & Dalgleish, 1981; White & Davies, 1958). Antes de abordar o tipo (ii), é necessário considerar a baixa solubilidade do fosfato de cálcio (CaHPO₄), que é de 0,59 mM no pH do leite (pH 6,7) (Gaucheron, 2004). Portanto, durante a síntese do leite na glândula mamária, a fase contínua fica supersaturada em CaHPO₄ (Holt, 1981). Consequentemente, o estado termodinâmico mais estável é alcançado pela nucleação e precipitação dos sais supersaturados (Walstra, 2002). Kruif & Holt (2003) postularam que a nucleação ocorre sobre as sequências de resíduos fosfosseril das caseínas devido à sua afinidade química pelos sais precipitados. Estes precipitados são chamados de fosfato de cálcio coloidal (FCC) (Kruif & Holt, 2003; Holt et al., 1998). Para que ocorra a formação de FCC, é necessária a presença de uma sequência de pelo menos três resíduos fosfosseril por molécula de caseína (Aoki et al., 1992).

Os minerais presentes na fase coloidal do leite estão em equilíbrio dinâmico com os minerais em sua fase contínua (Figura 1). Este equilíbrio é dependente de condições físico-químicas do meio, como temperatura, pH e força iônica.

Figura 1
Equilíbrio dinâmico dos minerais de leite entre as fases contínua e coloidal. As concentrações são mostradas em mM, logo abaixo das espécies iônicas. Imagem reproduzida de Philippe et al. (2005), com permissão de Elsevier.

3.2.1 Fosfato de Cálcio Coloidal (FCC)

O FCC é constituído principalmente por fósforo e cálcio, mas também apresenta concentrações significativas de citrato e magnésio. A razão molar aproximada de Ca/P é de ~1,61, citrato/P de ~0,097 e Mg/P de 0,044 (Holt, 1982). A natureza física do FCC continua controversa e já foi descrita como sendo básica, tipo apatita (Ca₃(PO₄) (Pyne & McGann, 1960), ou mais ácida, como bruchita (CaHPO₄) (Holt et al., 1982), e ainda como um precipitado amorfo (McGann et al., 1983). Recentemente, foi descoberta uma nova estrutura de fosfato de cálcio no interior das MC (Hindmarsh & Watkinson, 2017). Essa nova forma ainda não foi descrita na literatura, mas os resultados indicam ligações entre resíduos fosfosseril intermediadas por cálcio.

Segundo Kruif & Holt (2003), a fórmula química do FCC é (Equação 1):

$${\left[C{a}_{\mathrm{13,2}}{\left(Pi\right)}_{\mathrm{6,5}}M{g}_{\mathrm{1,0}}Ci{t}_{\mathrm{1,3}}Ser{P}_{4}Cas\right]}_{49}$$ (1)

em que SerP₄ é um peptídeo fosforilado e Cit é citrato.

Holt et al. (1998) analisaram o FCC por espalhamento de raios X e nêutrons, e propuseram um modelo no qual o FCC é constituído por um núcleo esférico de 2,31 nm, envolto por 50 moléculas de caseínas, formando uma capa com raio de 4,04 nm. Análise por criomicroscopia eletrônica (Marchin et al., 2007) revelou o FCC como regiões eletronicamente densas de aproximadamente 3 nm, distribuídas no interior das MC (Figura 2). Segundo Kruif & Holt (2003) e Kruif et al. (2012), uma MC típica contém algumas centenas de núcleos de FCC.

Figura 2
Criomicroscopia eletrônica de micelas de caseína. A escala da barra é de 50 nm. As setas apontam para núcleos de fosfato de cálcio coloidal. Imagem reproduzida de Marchin et al. (2007), com permissão de AIP Publishing.

4 Micelas de Caseína (MC)

4.1 Características gerais das MC

No leite, as MC estão naturalmente presentes como partículas polidispersas, de aproximadamente 200 nm de diâmetro, constituídas de moléculas de caseínas, sais (principalmente fosfato de cálcio) e água. Elas são altamente hidratadas (4,0 g H₂O g^-1 proteína), sua composição mineral representa 6% a 8% da matéria seca e elas contêm ~10⁴ moléculas de caseínas por MC (Dalgleish, 2011; Kruif & Holt, 2003). De acordo com (Jones et al., 2012) (Recomendações - IUPAC 2013), as MC podem ser descritas como agregados supramoleculares que são mantidos juntos pela ação de interações intermoleculares (não covalentes). As principais características das MC estão descritas na Tabela 4.

Tabela 4
Características gerais das micelas de caseínas extraídas e adaptadas de (McMahon & Brown, 1984).

Características	Valores
Diâmetro	200 nm (50-500 nm)
Área superficial	8 x 10-10 cm2
Volume	2,1 x 10-15 cm3
Densidade (hidratada)	1,0632 g cm3
Massa	2,2 x 10-15 g
Conteúdo de água	63%
Hidratação	3,7 g H2O g-1
Voluminosidade	4,4 cm3 g-1
Massa molar (hidratada)	1,3 x 109 Da
Massa molar (desidratada)	5 x 108 Da
Número de cadeias peptídicas	5 x 103
Número de partículas por mL de leite	1014-1016
Superfície das micelas por mL de leite	5 x 104 cm2
Distância média livre	240 nm

4.2 Tamanho das MC

O uso de técnicas não invasivas, como o espalhamento de luz, permitiu uma estimativa correta do tamanho e da polidispersidade das MC. Kruif (1998) observou que as MC apresentam uma distribuição log-normal, com diâmetro variando de ~80 a 550 nm e diâmetro médio de 200 nm. Assumindo uma distribuição Gaussiana, as MC exibiram uma polidispersidade de 50%. Embora as MC sejam frequentemente descritas como partículas polidispersas, quando o leite é oriundo de uma única vaca, as MC são quase monodispersas; observe-se que seu diâmetro não é influenciado pelo período de lactação e por lactações consecutivas (Kruif & Huppertz, 2012).

4.3 Voluminosidade das MC

Voluminosidade é o volume hidrodinâmico ocupado por unidade de massa da partícula. Em sistemas não diluídos, em que as partículas estão interagindo, como no caso do leite, a voluminosidade das MC pode ser obtida pela equação de Krieger-Dougherty (Krieger & Dougherty, 1959) (Equação 2):

$\eta ={\eta }_s{\left(1-\raisebox{1ex}{$\phi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\phi }_{max}$}\right.\right)}^{[\mathrm{2,5}]{\phi }_{max}}$ (2)

em que η é a viscosidade da suspensão, η_s é a viscosidade do solvente e φ_max é a fração de volume máxima que se pode atingir, que é ~0,78 para suspensão de MC (Bouchoux et al., 2009). Utilizando esta equação, a voluminosidade das MC está em torno de 4-5 mL.g^-1 (Nöbel et al., 2012, 2016).

4.4 Superfície das MC e localização da κ-caseína

Microscopias de força atômica (Ouanezar et al., 2012) e eletrônica de varredura (Dalgleish et al., 2004) permitiram obter uma visão detalhada da superfície das MC. Por meio dessas técnicas, as MC são vistas como partículas esféricas, variando de ~80 a 400 nm de diâmetro, que exibem superfície irregular e rugosa (Figura 3).

Figura 3
(Esquerda) (A), (B), (C) são imagens de microscopia de força atômica de micelas de caseína em pH 6,7; (D) imagem tridimensional da imagem C. A barra de escala é de 100 nm. Imagens reproduzidas de Ouanezar et al. (2012), com permissão de American Chemical Society. (Direita) Imagem de microscopia eletrônica de varredura de micelas de caseína em pH 7,0. A barra de escala corresponde a 200 nm. Imagem reproduzida de Dalgleish et al. (2004), com permissão de Elsevier.

A composição em moléculas de caseína não é homogênea do interior para o exterior das MC. Waugh & Von Hippel (1956) foram os primeiros a sugerir que as MC são estabilizadas por uma camada externa de κ-caseína, uma vez que essas caseínas são solúveis nas concentrações de cálcio encontradas no leite, e são prontamente hidrolisadas pela quimosina (enzima utilizada para coagulação do leite durante a produção de queijo). Outros estudos (Dalgleish et al., 1989; Donnelly et al., 1984) mostraram que quando as MC são fracionadas de acordo com seu tamanho, sua composição relativa em caseínas α_s1-, α_s2- e β permanece constante, enquanto que o conteúdo de κ-caseína é inversamente proporcional ao tamanho das MC. Estes resultados confirmaram que a κ-caseína está localizada na superfície, uma vez que a relação superfície/volume de uma esfera é inversamente proporcional ao seu raio.

4.5 Estabilidade das MC

Holt & Dalgleish (1986) propuseram que as MC são estabilizadas por uma camada externa difusa, composta pela extremidade N-terminal das κ-caseínas, cujo comprimento foi calculado como sendo de 12 nm (Figura 4B). Essa camada é responsável pela carga negativa das MC, apresentando valores de aproximadamente -20 mV na fase contínua do leite (Dalgleish, 2011; Darling & Dickson, 1979). A carga negativa é resultado da presença de resíduos aspartil e glutamil, e moléculas de ácido neuramínico ligadas à κ-caseína, que estão ionizados no pH do leite (Kruif & Holt, 2003; Swaisgood, 2003).

Figura 4
(A) Contribuição do potencial de interação [W(h) kT] entre duas micelas de caseína devido ao impedimento estérico, repulsão eletrostática e atração de van der Waals em função da distância (h) em pH 6,7. Imagem reproduzida de Tuinier & Kruif (2002), com permissão de AIP Publishing; (B) Representação das extremidades eletricamente carregadas de κ-caseínas (“salted brush”), com comprimento representado pela letra (H). Imagem reproduzida Kruif (1999), com permissão de Elsevier.

Embora as cargas negativas das MC contribuam para sua estabilidade, elas não são suficientes para prevenir a agregação entre micelas (Walstra, 2002). Segundo a teoria DLVO (de Derjaguin, Landau, Verwey e Overbeek), o potencial de interação entre duas partículas, separadas por uma distância d, pode ser estimado pela soma das repulsões eletrostáticas e forças atrativas de van der Waals (Mezzenga & Fischer, 2013). Tuinier & Kruif (2002) desenvolveram um modelo para predizer a estabilidade das MC considerando também a contribuição estérica da camada externa das κ-caseínas. Assim, o potencial de interação entre duas MC deve considerar o impedimento estérico (“brush repulsion”), a repulsão eletrostática e a atração de van der Waals (Figura 4A). Segundo os autores, a estabilidade das MC é atribuída principalmente à contribuição estérica da camada externa de κ-caseína, que foi descrita como extremidades eletricamente carregadas (“salted brush”) (Figura 4B).

5 Organização interna e modelos de MC

Desde os anos 1960, há um debate científico sobre a organização interna das MC. Neste trabalho, será apresentada uma breve retrospectiva dos principais modelos propostos para a estrutura interna das MC.

5.1 Modelo de submicelas

Inicialmente, o modelo de submicelas foi baseado na observação das MC por meio de microscopia eletrônica. Nesta técnica, as MC apresentam um formato esférico contendo subunidades de aproximadamente 20 nm, que foram interpretadas como submicelas (Buchheim & Welsch, 1973; Rose & Colvin, 1966; Shimmin & Hill, 1964). Segundo este modelo, a κ-caseína localiza-se na superfície das submicelas e o FCC atua como agente de ligação entre as submicelas (Morr, 1967; Slattery, 1976; Slattery & Evard, 1973). Estudos utilizando espalhamento de nêutrons a baixos ângulos (SANS) mostraram uma inflexão na curva de espalhamento, correspondendo a uma escala de comprimento de ~18 nm, que foi atribuída à existência das submicelas (Stothart, 1989; Stothart & Cebula, 1982). Walstra (1999) redesenhou o modelo de submicelas, adicionando os núcleos de FCC no centro das submicelas (Figura 5).

Figura 5
Modelo de submicelas proposto por Walstra (1999). Imagem reproduzida com permissão de Elsevier.

5.2 Modelo de esponja

Bouchoux et al. (2010) propuseram um modelo de MC semelhante a uma estrutura de esponja (Figura 6). Estes autores usaram espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS) em amostras de concentrações crescentes de MC e observaram que as MC têm uma estrutura compressível, com três níveis hierárquicos em sua organização. O nível mais alto seria a própria MC, com dimensão superior a 100 nm, que pode ser comprimida sob estresse osmótico. O nível intermediário consistiria de regiões incompressíveis (densas), de 10 a 40 nm, distribuídas no interior das MC. O nível mais elementar corresponderia aos núcleos de FCC, de 4 a 5 nm, localizados dentro das regiões intermediárias. Posteriormente, Ingham et al. (2016) utilizaram SAXS e empregaram novos modelos matemáticos para interpretação dos dados. Os autores também observaram os três níveis hierárquicos propostos por Bouchoux et al. (2010). Estes resultados são consistentes com observações de MC por criotomografia eletrônica de transmissão (Trejo et al., 2011), nas quais foram detectados canais (> 5 nm) e cavidades (20-30 nm) preenchidas por água.

Figura 6
Modelo de esponja segundo Bouchoux et al. (2010). Imagem reproduzida com permissão de Elsevier.

5.3 Modelo de nanoclusters

O modelo de “nanoclusters” foi proposto por Kruif & Holt (2003), Kruif et al. (2012) e Kruif (2014). Segundo esse modelo, as MC são partículas com matriz proteica homogênea, nas quais os núcleos de FCC, i.e., “nanoclusters”, estão distribuídos aleatoriamente em seu interior, não havendo organização em submicelas (Figura 7).

Figura 7
Modelo de nanoclusters de acordo com Kruif et al. (2012). Os pontos escuros representam núcleos de fosfato de cálcio coloidal (FCC). Imagem reproduzida com permissão de Elsevier.

Segundo estudos de Holt, de Kruif e colaboradores (Kruif et al., 2012; Kruif & Holt, 2003; Holt et al., 1998; Tuinier & Kruif, 2002), a estrutura das MC pode ser descrita da seguinte forma: os núcleos de FCC são circundados por resíduos fosfosseril das α_S1, α_S2 e β-caseínas, formando as unidades básicas das MC. Desta forma, as MC são constituídas por várias unidades básicas, que estão conectadas por meio de interações fracas (interações hidrofóbicas, de hidrogênio e iônica, atração eletrostática e de van der Waals) entre as caudas de caseínas de diferentes unidades básicas. O processo de autoassociação entre as unidades básicas é finalizado quando as moléculas de κ-caseína se depositam sobre a superfície desses conglomerados, formando as MC.

Vale ressaltar que, independentemente do modelo, a estrutura interna das MC não depende de seu tamanho, nem das variantes genéticas das moléculas de caseína (Day et al., 2017), e que os dados da literatura são convergentes quanto à distribuição aleatória dos núcleos de FCC no interior da MC e à ausência desses componentes na camada externa de κ-caseína (Bouchoux et al., 2015).

6 Conclusão

As MC são estruturas dinâmicas que evoluem em função das condições físico-químicas do meio. Apesar de sua estrutura interna ser controversa, suas propriedades físico-químicas já foram devidamente elucidadas. O conhecimento da organização das MC é importante na medida em que permite que suas propriedades tecnológicas sejam positivamente modificadas pela indústria de alimentos, além de tornar possível seu uso como partícula nanotransportadora de componente bioativos.

• Cite as: Silva, N. N., Casanova, F., Pinto, M. S., Carvalho, A. F., & Gaucheron, F. (2019). Casein micelles: from the monomers to the supramolecular structure. Brazilian Journal of Food Technology, 22, e2018185. https://doi.org/10.1590/1981-6723.18518
• Financiamento: Nenhum.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  24 Out 2019
• Data do Fascículo
  2019

Histórico

• Recebido
  18 Set 2018
• Aceito
  06 Jun 2019