Биохимия_3курс


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Санкт-Петербургский
государственный университет сервиса и экономики»
Кафедра «Товароведение и экспертиза потребительских товаров»
А.М. МИРЗОЕВ, А.К. АЛИЕВА
БИОХИМИЯ
Учебное пособие
для студентов направления 100800.62 «Товароведение»
Санкт-Петербург
2013
Одобрено на заседании кафедры «Товароведение и экспертиза потребтельских товаров», протокол № от 2013г.
Одобрено и рекомендовано к изданию Учебно-методическим Советом СПбГУСЭ, протокол № от 2013г.
Мирзоев А.М. Биохимия. Учебное пособие для студентов направления 100800.62 « Товароведение» / А.М. Мирзоев, А.К. Алиева. – Спб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2013.- 166 с.
Учебное пособие предназначено для студентов направления подготовки 100800.62 «Товароведение», изучающих биохимию. Может использоваться также студентами направления 260800.62 «Технология продукции и организация общественного питания».
В учебном пособии рассматриваются вопросы обмена основных пищевых веществ в организме человека, биохимические процессы при хранении и переработке пищевых продуктов растительного и животного происхождения.
Рецензенты: профессор ФГБОУ ВПО «СПбГАВМ», д-р биол. наук Л.М. Белова
профессор ФГБОУ ВПО «СПбГУСЭ», д-р биол. наук А.В. Зачиняева
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики
2013
ВВЕДЕНИЕ

Биохимия - это наука о веществах, из которых построены живые организмы, и о химических процессах, протекающих в живых организмах. Она является базой для основательного понимания всего, что происходит на более высоких уровнях организации живой материи и в первую очередь в клетках и живых организмах.
Биологическая химия изучает состав разнообразных живых систем и изменения этих веществ в процессе их жизнедеятельности. Выявление функционального значения веществ, составляющих живой организм – одна из центральных задач современной биохимии.
Значение биохимии как науки для человеческого общества определяется тем, что она является одной из теоретических основ медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, генетической инженерии и ряда отраслей промышленности. В основе многих патологических состояний человека лежат нарушения отдельных биохимических процессов. Известно более ста заболеваний, обусловленных нарушением деятельности ферментативных систем, отсутствием отдельных ферментов вследствие наследственных дефектов. Для некоторых заболеваний характерны изменения в химической структуре ряда высокомолекулярных соединений. Успехи биохимии определяют и стратегию создания новых лекарственных препаратов. Большой интерес в этом отношении представляет широкое использование ферментов при лечении некоторых заболеваний.
Биохимические процессы лежат в основе технологий пищевой промышленности: сыроварения, виноделия, хлебопечения, пивоварения, производства чая, жиров и масел, переработки молока, мяса и рыбы, плодов и овощей, производства крахмала и патоки. Биохимические знания необходимы при организации кожевенного производства, при изготовлении меховых изделий, обработке натурального шелка, хлопчатобумажных тканей. Широкое распространение получили такие биохимические производства, как изготовление антибиотиков, витаминов, органических кислот, кормового белка. Знания, полученные в изучении обмена веществ растений и животных, дали возможность получения больших урожаев с высоким качеством. Эффективно в этом отношении применение в сельском хозяйстве разнообразных химических препаратов: гербицидов, фунгицидов, кормовых витаминов, белков и антибиотиков, дефолиантов и дессикантов, инсектицидов, репеллентов и т.д.
В зависимости от объектов исследования различают биохимию человека и животных, биохимию растений, биохимию микроорганизмов. Биохимию делят на статическую биохимию, которая изучает химический состав и свойства веществ живых организмов, и динамическую биохимию, которая изучает превращения веществ в процессе жизнедеятельности. Выделяют разделы биохимии по направленности исследований.
Техническая биохимия разрабатывает биохимические основы тех отраслей промышленности, где перерабатываются сырье и материалы биологического происхождения (хлебопечение, сыроварение, виноделие и т.д.).
Медицинская биохимия изучает биохимические процессы в организме человека в норме и при патологии.
Эволюционная биохимия сопоставляет состав и пути превращения веществ и энергии различных систематических групп живых организмов в эволюционном плане.
Квантовая биохимия исследует свойства, функции и пути превращения различных веществ живых организмов в связи с электронными характеристиками этих веществ, полученными с помощью квантово-механических расчетов.
Энзимология изучает структуру, свойства и механизм действия энзимов (ферментов) – биологических катализаторов.
Биохимия – основа науки о питании. Использование биохимических знаний приводит к развитию новой культуры питания. Теория «сбалансированного» пищевого рациона исходит из представлений о рекомендуемых дозах основных пищевых веществ, витаминов и микроэлементов на основе современных знаний о роли отдельных веществ в обмене и потребности в них у здорового человека в различных условиях труда и быта.
В зависимости от уровня цивилизации эти требования до некоторой степени меняются; снижается потребление продуктов, создающих калорийность насыщенного организма, при этом иногда потребление биологически активных веществ уменьшается. Теория «сбалансированного» питания исходит из необходимого количества биологически активных веществ, покрывающих затраты организма на различные физиологические процессы и другие проявления жизнедеятельности при сохранении определенного веса и достаточно высокого уровня обмена веществ. Применение рассматриваемого принципа означает изменение структуры производства пищи, что при современном укладе жизни осуществляет предприятия общественного питания.
Из истории развития биохимии. Ещё в древности при изготовлении различных пищевых продуктов (молочнокислых, хлебобулочных), дублении кожи, пивоварении, виноделии и других использовались биохимические процессы. В средние века биохимические знания изучались в таких науках, как химия и физиология. Предпосылкой к выделению биохимии как самостоятельной дисциплины были исследования Либиха и его школы, уделявшего большое значение многим вопросам биохимии в особенности питания растений. Также интересны исследования русского ученого Кирхгофа (1764-1833), установившего ферментативный характер распада и синтеза крахмала в растениях, и Велера (1800-1882), который сумел искусственно получить мочевину из неорганического вещества как органическое соединение, образующееся в процессе жизнедеятельности животных организмов. Единство органической и неорганической материи было окончательно подтверждено исследованиями А.М. Бутлерова (1828-1886), осуществившего синтез углеводов, Бертло (1827-1907), открывшего синтез жиров, А.Я. Данилевского (1839-1923), синтезировавшего вне организма с помощью ферментов белковоподобные вещества из продуктов их расщепления.
Биологическая химия отделилась от органической химии после того, как был издан первый учебник физиологической химии А.И. Ходневым (1847), а в 1862 г. в России, в Казанском университете, А.Я. Данилевским была организована первая кафедра медицинской химии. Учение Пастера процессов брожения, их отношения к дыханию помогли выявить особую роль ферментов в жизнедеятельности организмов.
Однако наибольший расцвет биохимии связан с исследованиями, проводившимися в начале ХХ столетия. К этому периоду относятся работы Э. Фишера по аминокислотам и углеводам, И.П. Павлова – по ферментативным и гормональным механизмам пищеварения, Мишера по нуклеиновым кислотам. В это же время были открыты витамины. Наиболее выдающимися следует считать работы О. Варбурга, А. Сент-Дьерьи, В.И. Палладина, А.Н. Баха, В.А. Энгельгардта, обосновавших современную теорию биологического окисления и энергетику этого процесса, исследования Хефиши и Шонхеймера по применению радиоактивных изотопов в изучении обмена веществ. Исследования по структуре белка связаны с именами Санджера, Кендрью, Перутца, а расшифровка нуклеиновых кислот - Чартгафа, Уотсона, Крика, Белозерского и др. Эти исследования положили начало новому направлению в биохимии, получившему название молекулярной биологии.
В нашей стране продолжают активно развиваться различные направления биохимических исследований. В МГУ многие годы под руководством академика С. Е. Северина плодотворно проводились работы по биохимии дыхания. Крупные работы приоритетного характера по биоэнергетике выполняются в МГУ В. П. Скулачевым. Большие успехи достигнуты коллективом Института биохимии, особенно в области энзимологии (И. В. Березин), биологической фиксации азота воздуха и азотного обмена растений, технической биохимии (В. Л. Кретович), биохимии и биофизики фотосинтеза (А. А. Красновский). Ряд интереснейших открытий в области биосинтеза белков и их структуры сделаны в Институте белка (А. С. Спирин), по исследованию структуры и функций нуклеиновых кислот, некоторым энзимологическим проблемам — в Институте молекулярной биологии (В. А. Энгельгардт, А. Е. Браунштейн, А. А. Баев, Г. П. Георгиев). Широкое признание в нашей стране и за рубежом получили исследования структуры и свойств мембран Ю. А. Овчинниковым (Институт биоорганической химии). Кроме перечисленных институтов, интенсивные и успешные работы в области биохимии проводятся в Институте медицинской и биологической химии, Институте биохимии и физиологии микроорганизмов, Институте фотосинтеза, Институте биофизики, а также в ряде институтов ВАСХНИЛ (ныне РАСХН).
Роль биохимии в подготовке специалистов торговли и общественного питания. Биохимия глубоко проникла в процессы, происходящие в растениях, организме человека и животных, микроорганизмах. Соответственно возникли и различные отрасли биохимии: биохимия животных, биохимия растений, биохимия микроорганизмов, а также техническая биохимия, целью которой является изучение биохимических процессов, возникающих в сырье при его хранении и переработке.
Программа курса биохимии для товароведов-продовольственников и технологов общественного питания состоит из двух частей: 1) биохимия человека и 2) биохимические процессы при хранении и переработке пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья (техническая биохимия).
При изучении биохимии человека студенты усваивают биохимические свойства и обменные процессы основных пищевых веществ продовольственных товаров – белков, жиров , углеводов, роль витаминов , ферментов, минеральных веществ и гормонов в метаболических процессах в организме человека.
Во второй части студенты изучают вопросы влияния отдельных пищевых веществ продовольственных товаров и сельхозсырья на их технологические достоинства, качество и сохраняемость, что имеет важное значение при их переработке в пищевой промышленности и общественном питании, а также для организации их надлежащего хранения. Здесь же рассматриваются вопросы влияния ферментов на качество получаемых при переработке сырья пищевых продуктов. При этом рассматриваются как положительные стороны участия ферментов в формировании качества пищевых продуктов при их получении, так и отрицательные стороны. В этой же части рассматриваются и вопросы использования ферментов в пищевой промышленности.
Так, например, окислительно-восстановительные ферменты (тирозиназа, полифенолоксидаза, аскорбинатоксидаза, липоксигеназа) , как правило, негативно влияют на качество пищевых продуктов при их получении и хранении. Тирозиназа, окисляя аминокислоту тирозин, приводит к образованию темноокрашенных соединений ферментативной природы – меланинов. что имеет место, в частности, при чистке картофеля. Полифенолоксидаза, окисляя фенольные соединения, вызывает образование окрашенных соединений, известных под названием флобафены. Все это приводит к ухудшению качества сырья и получаемых из него продуктов питания и блюд.
Ряд гидролитических ферментов в определенных пределах приводит к улучшению качества и технологических свойств продуктов. Так, например, протеолитические ферменты активно участвуют в процессах созревания мяса при использовании его в мясной отрасли и общественном питании. Пектолитические и амилолитические ферменты участвуют в созревании свежих плодов. Фитаза повышает биологическую ценность хлеба.
Некоторые пищевые производства по сути своей являются биохимическими. К ним относится, в частности, производство чая.
Выше мы говорили о собственных ферментах, содержащихся в сельхозсырье и получаемых из них пищевых продуктах. Однако в производстве и хранении продовольственных товаров и кулинарных блюд велико значение ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Хотя в пищевой промышленности и общественном питании используются и ферменты, получаемые из растительного и животного пищевого сырья (реннин, папаин, фицин, бромелин), однако доминирующее значение имеют ферменты, получаемые из микроорганизмов. Возможности животного и растительного сырья как источника ферментов для пищевых производств весьма ограничены как в качественном отношении, так и количественном отношении.
Таким образом, биохимическая подготовка товароведов-продовольственников и технологов общественного питания является неотъемлемой органической частью их профессиональной подготовки. Биохимия является базовой дисциплиной при изучении студентами этих специальностей микробиологии, экологии, физиологии питания, товароведения и экспертизы продовольственных товаров, технологии продукции общественного питания, технологии хранения продовольственных товаров и др.

1. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ.
ОБЩАЯ БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Все живые системы состоят из разнообразных веществ, которые представляют собой различнообразное сочетание атомов каких-либо элементов. Исходя из данных Сиборга и Веленса, тело человека (весом 70 кг) включает в себя следующие элементы: кислород – 45 кг, углерод – 12,6; водород – 7,0; азот – 2,1; кальций – 1,4; фосфор – 0,7кг. Калий, сера, натрий, хлор, магний, железо, фтор, кремний в сумме составляют 0,7 кг. Кобальт, молибден, барий, цинк, марганец, медь, олово содержатся в теле человека в очень маленьком количестве и поэтому их называют микроэлементами.
Изучение разнообразных живых систем показало, что в них встречаются одни и те же элементы в сходных количествах (табл. 1).
Таблица 1. Элементарный состав живых систем
Элементы Содержание, % Соединения и системы, в которые входит элемент
О, Н, С
N,Ca
P, Si, K
Na, Cl, Mg, Fe
Br, I, Mn, Zn, Cu, Co, Mo, B 10 и более
1-10
0.1
0,01-0,1
0,001-0,01 Н2О и почти все органические соединения
С – все органические соединения
N – в составе белка, нуклеиновых кислот, некоторых углеводов и липидов
Са – в составе скелета животных, раковин моллюсков
S- в белках
Р – в составе фосфорорганических соединений
Si- в опорных тканях простейших и растений
К – во всех клетках, особенно много в растительных
Na, Cl – главные элементы, обусловливающие осмотическое давление в клетках
Mg – в хлорофилле растений
Fe – в гемоглобине крови и многих ферментах
Вся группа микроэлементов входит в состав ферментных систем
Из приведенных данных можно видеть роль отдельных элементов, входящих в состав живых систем. Однако, помимо перечисленных, обнаружен и ряд других элементов (около 40), биологическая роль которых до настоящего времени не выявлена. Не исключена возможность, что присутствие их в живых системах обусловлено механическим поступлением вместе с необходимыми веществами пищи.
При более детальном исследовании живых систем было найдено, что важнейшие соединения, т.е. молекулы, из которых построены живые организмы, практически одни и те же у самых разнообразных организмов. Это дает основание для утверждения общего принципа единства биохимического строения живых систем.
Если рассмотреть химический состав клеток живых систем с количественной стороны, то подсчет молекул активной цитоплазмы покажет, что наибольшее их количество принадлежит воде и растворенным в ней неорганическим веществам (табл. 2).
Таблица 2. Состав и относительное число молекул в цитоплазме (по де Робертису)
Вещество % от сырого веса цитоплазмы Средний молекулярный вес Относительное число молекул
Вода
Белок
Липиды
Углеводы и другие вещества
Неорганические вещества 85-90
7-10
1-2
1,0-1,5
1,5 18
36000
700
250
55 18000
1
10
20
100
Органические вещества по числу молекул занимают меньший удельный вес, чем неорганические, но их биологическая роль огромна. Это особенно относится к белкам и нуклеиновым кислотам, присутствие которых характерно для всех живых систем и с которыми связаны все стороны проявления жизни. В последние годы, кроме крахмала и гликогена, выявлен ряд весьма важных полисахаридов, играющих ведущую роль в процессах проницаемости, иммунитета и др.
Среди молекул органического происхождения, имеющих относительно небольшой размер, но выполняющих важные биологические функции, следует назвать сахара (моно- и дисахариды), липиды, витамины, гормоны, некоторые азотистые и фосфорорганические соединения и другие многочисленные продукты синтеза и распада основных органических веществ, находящих в составе клеток всех живых систем.
1.1. Биологические структуры
Живые системы, даже самые простые, характеризуются высокой упорядоченностью, значительно превосходящей любые неживые системы.
Появление микроскопа привело к открытию клетки - структурной единицы каждой ткани всех живых организмов. Основные черты строения клетки, определяющие возможность осуществления упорядоченных процессов, составляющих основу жизни, одинаковы для животных, растений и микроорганизмов.
Клетка - это внешне простая система, состоящая из цитоплазмы и ядра. Однако в ней сосредоточены важнейшие проявления жизни: синтез белка, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других веществ, что дает основание считать ее сложнейшей химической системой.
1339215421005С развитием электронномикроскопической техники в клетке были открыты структуры, о которых ранее не было известно (рис. 1).
Рис. 1. Схема строения клетки животного: 1- ядро; 2 - ядрышко; 3 - ядерная мембрана; 4 - цитоплазма; 5 - аппарат Гольджи; 6 - митохондрии; 7 - лизосома; 8 - эндоилазматическая.
Стало видно, что цитоплазма клеток дифференцированна и содержит следующие компоненты: митохондрии, в которых происходят окислительные реакции, снабжающие клетку энергией; эндоплазматический ретикулум – систему канальцев, пронизывающих цитоплазму, связывающую ее с ядром; ядро, содержащее хромосомы, в молекулярных структурах которых записана генетическая информация; ядрышко – место скопления рибонуклеиновых кислот; центросому – орган, определяющий плоскость деления клетки; рибосомы, в которых синтезируется белок; _аппарат Гольджи, найденный почти во всех клетках. Снаружи, клетка покрыта оболочкой, состоящей из наружного защитного слоя
1.2. Основные особенности метаболических процессов
Обмен веществ (метаболизм) клетки складывается в из двух потоков реакций — катаболических и анаболических.
Катаболические пути — это процессы деградации, диссимиляции. К ним относятся различные реакции расщепления (гидролиз, фосфоролиз) и окисления. Крупные органические молекулы расщепляются до простых веществ с выделением содержащейся в них свободной химической энергии. Энергия запасается организмом в форме АТФ и в других соединениях, а затем используется на процессы жизнедеятельности.
Анаболические пути — процессы синтеза, ассимиляции. При этом из простых молекул строятся сложные органические соединения. Такие пути часто включают в себя восстановительные реакции и осуществляются с затратой энергии.
1177290560070Из-за разной локализации ферментов катаболизма и анаболизма такие противоположные метаболические процессы протекают в клетке одновременно. Их связывают центральные, или амфиболические, процессы (рис. 2).
Рис. 2. Связь катаболических и анаболических путей: Фн — ортофосфорная кислота, ФФН — пирофосфорная кислота.
Связь между анаболизмом и катаболизмом проявляется на трех уровнях.
Уровнь источников углерода: продукты катаболизма могут быть исходными субстратами анаболических реакций.
Энергетический уровне: в процессе катаболизма образуются АТФ и другие высокоэнергетические соединения; анаболические процессы протекают с их потреблением.
Уровнь восстановительных эквивалентов: реакции катаболизма являются в основном окислительными; процессы анаболизма, наоборот, потребляют восстановительные эквиваленты.
Основные биохимические реакции, их последовательность сходна у всех живых форм. Возникли на ранних этапах эволюции, и к моменту, когда началось видообразование, достигли совершенства. Сходны центральные метаболические пути.
В процессе метаболизма осуществляются четыре специфические функции.
Извлечение энергии из окружающей среды (в форме энергии органических веществ или в форме энергии солнечного света).
Превращение экзогенных веществ в «строительные блоки», т. е. в предшественники биополимеров.
Сборка белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и других клеточных компонентов из этих строительных блоков.
Разрушение «устаревших» биомолекул, уже выполнивших в клетке свои функции.
С химической точки зрения, метаболизм представляет собой совокупность огромного числа разнообразных реакций: окисления, восстановления, расщепления, объединения молекул, межмолекулярного переноса групп и т. д. Специфичным для обмена веществ живого организма является скоординированность отдельных реакций во времени и пространстве. Протоплазма клетки обладает сложной внутренней организацией, структурой. Биохимические процессы локализованы в определенных участках клетки, органеллах, мембранных образованиях. Синтез белка происходит в рибосомах, получение энергии в легко используемой форме — в митохондриях, анаэробная фаза дыхания, гликолиз — в цитоплазме, фотосинтез растений — в хлоропластах и т. д. Мембраны делят клетку на отделы, отсеки, компартменты (от англ. compartment), поэтому разнообразные биохимические реакции, зачастую противоположного характера, идут в клетке одновременно, не мешая друг другу, вследствие пространственного разделения — компартментализации. В этом и выражается пространственная скоординированность биохимических реакций.
В клетке отдельные биохимические реакции протекают в строго определенной временной последовательности, образуя длинные цепи взаимосвязанных реакций. Например, гликолиз углеводов протекает в 11 реакций, строго следующих одна за другой, при этом каждая предыдущая создает условия для осуществления следующей. Эта пространственная и временная скоординированность, гармоничность биохимических реакций направлены на достижение одной цели: самовозобновление, самосохранение данной живой системы — организма, клетки. Это характерно для любого живого организма, даже микроскопического.
Поглощая питательные вещества из внешней среды, живые организмы получают энергию, и строительный материал; конечные продукты обмена веществ выводятся в среду. Такие системы, в которых непрерывно происходит поступление и удаление веществ и обмен со энергией средой, называются открытыми системами. Их характерная особенность заключается в отсутствии равновесия с внешней средой.
При термодинамическом равновесии системы все параметры постоянны во времени, нет никаких стационарных потоков за счет действия внешних источников. Энтропия термодинамического равновесия максимальна, свободная энергия равна нулю. В отличие от термодинамического равновесия в биосистемах существует стационарное состояние, при котором скорость переноса вещества и энергии из среды в систему точно соответствует скорости переноса вещества и энергии из системы. Один из ведущих специалистов в области биоэнергетики А. Ленинджер называл живую клетку «неравновесной открытой системой, машиной для извлечения из внешней среды свободной энергии; в результате чего происходит возрастание энтропии среды». В живой клетке как открытой системы в стационарном состоянии отражается важнейшее свойство всего живого — постоянный обмен веществ с окружающей средой.
Живой организм как открытая стационарная система хорошо объясняет явление гомеостаза — постоянства состава внутренней среды организма, устойчивость и стабильность биохимических параметров.
Живая клетка не только потребляет вещества, но и экскретирует продукты распада, является открытой системой. Между поступлением питательных веществ в организм и выделением отработанных продуктов существует сложная, часто разветвленная система промежуточных реакций. Если скорости образования и распада промежуточных продуктов равны, устанавливается стационарное состояние. Но в окружающей среде содержание некоторых питательных веществ может резко увеличиться или уменьшиться, вследствие этого изменится скорость их поступления в клетку. Под влияием различных факторов может увеличиваться или уменьшаться скорость той или иной промежуточной реакции, скорость выведения веществ из клетки. В связи с этим значительно изменяются стационарные концентрации компонентов системы.
Как в живой клетке, так и в организме есть многочисленные чувствительные механизмы, которые «выявляют» сдвиги концентраций и компенсируют их, возвращая к норме. При изменении условий стационарного состояния в открытой системе развиваются процессы, направленные на сохранение свойств системы, — динамическая стабилизация стационарного состояния. В большинстве случаев эти механизмы функционируют по принципу обратной связи. При снижении содержания глюкозы в крови (например, вследствие голодания) происходит возбуждение определенного центра в головном мозгу, в результате чего начинает действовать сложный гормонально-ферментативный механизм расщепления запасного углевода гликогена в печени до глюкозы, которая поступает в кровь. Как только ее содержание в крови поднимается до нормы, соответствующий центр головного мозга перестает возбуждаться, механизм расщепления гликогена выключается. Это один из многочисленных примеров функционирования живого организма как саморегулирующейся системы.
Таким образом, относительное постоянство биохимических параметров живого организма не статическое, пассивное, а активное, динамическое. В организм непрерывно поступают вещества из среды, они ассимилируются, из них образуются вещества самого организма, вместе с тем постепенно «стареют» молекулы ранее имевшихся в организме соединений, идут реакции катаболизма, диссимиляции, продукты расщепления удаляются. Эти реакции находятся под контролем генетического аппарата организма, поэтому вновь образующиеся в нем вещества соответствуют признакам наследственности.
За короткое время внешние признаки организма могут не измениться, а его вещества существенно обновятся. Методом меченых атомов установлено, что половина всех белков обновляется за 80 дней, а полное обновление воды происходит за 30 дней. Виднейший английский исследователь и прогрессивный общественный деятель Дж. Бернал писал: «Молекулы в нашем теле и во всяком организме находятся в состоянии непрерывного восстановления, и атомы протекают через него почти непрерывным потоком. Вероятно, что никто из нас не сохранил больше чем несколько атомов, с которыми мы начали свою жизнь и что, будучи взрослыми, мы меняем большую часть материала нашего тела всего за несколько месяцев». Коротко эту мысль так выразил Гераклит: «Наши тела текут как ручьи, вещество в них возобновляется как вода в потоке». В постоянном обновлении веществ живого организма проявляется диалектический закон отрицания: новое отрицает старое, затем оно само становится старым и тоже отрицается новым.
Особенностью всех биохимических реакций является их большая скорость, обусловленная присутствием ферментов — биологических катализаторов. Те же реакции вне организма при участии химических катализаторов обладают скоростью на несколько порядков меньше: Ферменты как катализаторы значительно более совершенны, чем химические катализаторы.
Для метаболических процессов характерны ступенчатость и сопряженность. Многие реакции в клетке идут через ряд промежуточных этапов, ступеней. Например, окисление углеводов (клетчатка, крахмал и т. д.) в процессе сгорания вне организма протекает одноэтапно — присоединяется кислород и сразу образуются конечные продукты окисления углекислый газ и вода.
В живом организме окисление углеводов в процессе дыхания до С02 и Н20 происходит ступенчато, более чем через 20 промежуточных реакций. Часто проявляется сопряженность отдельных реакций, взаимозависимость друг от друга. Так, многие реакции биосинтеза, являясь энергопотребляющими, сопряжены обычно с экзэргоническими, в процессе которых свободная энергия выделяется в легко используемой форме. Сопряженность хорошо выражена и в многоэтапных цепных процессах, где продукты каждой предыдущей реакции являются исходными соединениями для последующей.
В жидкокристаллическом состоянии вещество единовременно имеет свойства и жидкости (способность течь, образовывать капли), и твердого тела (строгая упорядоченность кристаллической структуры). Вместе с тем у жидких кристаллов есть свойства, характерные только для них: способность образовывать монокристаллы во внешнем электромагнитном поле, крайне большая оптическая активность и др.. Для понимания биохимических явлений очень важна чрезвычайная чувствительность жидких кристаллов ко многим внешним воздействиям. Жидкие кристаллы, для которых характерна одно- или двумерная упорядоченность, способны к самоорганизации, спонтанному образованию упорядоченной структуры и ее воспроизведению. Что представляет большой интерес при исследовании и объяснении структурообразования в живых клетках.
Ни одна из перечисленных особенностей метаболических процессов не может являеться единственным фактором, придающим системе свойство живого. Жизнь как самая сложная форма движения материи может быть понята и объяснена с позиций совокупного рассмотрения всех особенностей этой формы существования белковых тел с ее постоянным обменом веществ с окружающей средой.
1.3. Источники энергии для живых организмов, высокоэнергетические соединения.
Все живые организмы делят на две большие группы в зависимости от того, в какой химической форме они получают углерод из окружающей среды. Автотрофы (от греч. авто — само, трофе — пища) — самостоятельно питающиеся — используются в качестве единственного источника углерода оксид углерода (IV) С02, из которого они способны образовывать все свои углеродсодержащие соединения. К автотрофам относятся растения, фотосинтезирующие и хемосинтезирующие бактерии. Процесс хемосинтеза, т. е. ассимиляции углекислого газа за счет энергии, выделяемой при окислении неорганических соединений, впервые открыт С. Н. Виноградским.
Гетеротрофы (от греч. гетерос — другой, трофе — пища) получают углерод в виде готовых, достаточно сложных органических соединений (например, углеводов). Сюда относятся животные и большинство микроорганизмов. Все гетеротрофные организмы ассимилируют небольшие количества углекислого газа. Однако при этом углекислый газ связывается путем карбоксилирования уже присутствующих в клетке карбоновых кетокислот, т. е. гетеротрофный организм нуждается в готовых органических соединениях.
Живые организмы классифицируют по источникам получения энергии. Для большой группы фототрофов непосредственным энергетическим ресурсом является свет. Фототрофы используют энергию солнечного света для образования высокоэнергетических соединений, служащие своеобразными аккумуляторами энергии. К ним относятся высшие растения, водоросли, фотосинтезирующие бактерии.
Хемотрофы как источник энергии используют окислительно-восстановительные реакции. Хемотрофами являются животные, большая часть микроорганизмов. Такой способ получения энергии присущ и нефотосинтезирующим клеткам растений. И фототрофы, и хемотрофы можно разделить на группы в зависимости от того, какие вещества являются донорами электронов в окислительно-восстановительных процессах. У литотрофов ими служат неорганические соединения, у органотрофов — органические. Таким образом, в зависимости от используемых источников энергии и доноров электронов можно выделить четыре основных типа организмов (табл. 3).
Таблица 3. Классификация организмов, зависящих от используемых источников энергии и доноров электронов.
Типы организмов Источник энергии Доноры электронов Клеточные акцепторы электронов Примеры организма
Фотолитотрофы
Фотоорганотроы
Хемолитотрофы
Хемоорганотрофы Свет
Свет
Окислительновосстанови-тельные реакции
Окислительно – восстанови-тельные реакции Неорганические соединеня (H2O, H2S, S)
Органические соединения Неорганические соединения (2S, H2, S, Fe2+, NH3)
Органические соединения (например, глюкоза) -
-
O2,CO2, SO4
О2 и органические соединения Зеленые клетки высших растений, синезеленые фодоросли, цианобактерии, большинство пурпурных и зеленых серобактерий.
Несерные пурпурные бактерии, галобактерии Тионовые, сульфатвостанавливающие, водородные, железные, метанобразующие и денитрифицирующие бактерии.
Все высшие животные, большая часть бактерий, грибы, нефотосинтезирующие клетки растений.
Организмы могут существовать в аэробных и в анаэробных условиях. В аэробных условиях они используют в качестве акцептора электронов кислород, т. е. осуществляют процесс дыхания. В анаэробных условиях акцепторами электронов у них служат органические вещества, происходит брожение. Такие организмы называют факультативными анаэробами. К ним относится большинство органотрофных клеток (дрожжи, клетки высших организмов). При наличии в среде кислорода они предпочитают использовать его. Анаэробы, не способные использовать кислород, называются облигатными анаэробами, кислород для них ядовит. Весь свободный кислород, содержащийся в атмосфере Земли, образовался в результате процесса фотосинтеза, очевидно, что анаэробный тип энергетики является более древним, чем аэробный. Отсюда следует, что брожение — процесс более древний, чем дыхание.
Высокоэнергетические соединения. Высокоэнергетическими соединениями являются аденозинтрифосфорная кислота и вещества, способные образовывать АТФ в ферментативных реакциях переноса групп без участия окислительных процессов. Эти соединения содержат в своей молекуле связи, при гидролизе которых высвобождается большое количество свободной энергии. Реакции протекают при различных условиях, оказывающих влияние на величину изменения свободной энергии. Поэтому в биохимии используют термин изменение стандартной свободной энергии — AG°. Под ним понимают изменение свободной энергии при стандартных условиях: давление 1 атм , исходные концентрации субстратов — 1 М, температура 25°С. AGо при рН 7,0 обозначают AGо. Величину AGо применяют для количественной характеристики как метаболических цепей, так и отдельных химических реакций; как и в термодинамике, знаком «минус» обозначается отдача энергии, а знаком «плюс» — ее принятие.
Реакции и процессы, при которых происходит уменьшение свободной энергии (∆G<0), называются экзергоническими. Эти реакции обычно сопровождаются выделением тепла, или переходом части химической энергии в тепловую энергию. Экзергонические реакции, например, окисление, сопровождаются возрастанием энтропии. Реакции и процессы, идущие с увеличением свободной энергии (∆G > 0), называются эндергоническими и могут совершаться при поглощении энергии извне. Такие реакции сопровождаются поглощением тепла.
Изменение свободной энергии зависит не только от изменения внутренней энергии и энтропии, но также от температуры и концентрации реагирующих веществ. Расчет величины ∆У в биохимии проводят для определенных, стандартных условий, когда концентрация реагирующих веществ составляет 1 моль на литр, температура 25˚С (298,15˚К). Величину ∆G данной реакции, для таких условий, обозначают символом ∆G˚ и называют стандартным изменением свободной энергии, или стандартным изменением химического потенциала.
Если величина стандартной свободной энергии гидролиза высокоэнергетических связей превышает —21 кДж-моль-1 (табл. 4), такие связи обозначают знаком ~.
Таблица 4. Стандартная свободная энергия гидролиза некоторых соединений
(в кДж ˖моль -1)
Соединение Продукты (рН 7,0)
Фосфоенолпируват3- Пируват" + HPO42- -61,9
1, 3-Дифосфоглицерат4- 3-Фосфоглицерат3- + HPO42-+ Н+ - 54,5
Креатинфосфат- Креатин +НРО42-- - 43,1
Ацетил фocфaт2- Ацетат" + НРО42- + Н+ -47,7
Фocфoapгинин- Аргинин++ HPO42- -38,1
АТФ4- АДФ3-+ НРО42-+ Н+ - 34,5
Глюкозо-1 -фосфат2- Глюкоза + HPO42- -20,9
α-D-Глюкозо-6-фосфат2- α-D-Глюкоза + НРО42- -13,8
Глицерофосфат2- Глицерин + HPO42- -9,2
Различают пять основных типов высокоэнергетических соединений: рибонуклеозид-5'-дифосфаты и трифосфаты (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ, АДФ и др.), карбоксилфосфаты (например, ацетилфосфат), ацилтиоловые эфиры (например, ацетилкоэнзим А), фосфорамидные соединения (креатинфосфат), енолфосфаты (фосфоенолпировиноградная кислота).
В центре энергетического обмена клетки стоит аденилатная система: АТФ и продукты ее гидролиза — АДФ, АМФ, Фш ФФн. Она похожа на аккумулятор, который заряжается энергией от разных генераторов и снабжает ею множество машин и аппаратов (в живом организме им соответствуют органы, ткани, биохимические реакции). В этом плане «зарядка аккумулятора» состоит в синтезе АТФ:
АДФ + ФнЕ1АТФ + Н20 «разрядка аккумулятора» сопровождается гидролизом АТФ: АТФ + Н20 + АДФ + Фн где E1 и Е2 — ферменты, катализирующие соответствующие реакции.
АТФ по величине свободной энергии гидролиза занимает промежуточное положение между высокоэнергетическими и низкоэнергетическими фосфатсодержащими соединениями. В этом заключается уникальность АТФ, которая служит посредником-переносчиком фосфорильных групп и энергии. Все живые организмы улавливают энергию внешних энергетических ресурсов с помощью систем аккумуляции энергии и преобразуют ее в энергию высокоэнергетических соединений. Системы аккумуляции энергии делятся на два типа, отличающиеся принципами энергетического сопряжения. Первый тип — реакции фосфорилирования, не требующие нерастворимых мембранных структур,— субстратное (или немембранное) фосфорилирование. Образование АТФ при этом происходит путем переноса активного фосфорила с продукта окисления субстрата на АДФ. Например, образование АТФ при гликолизе и брожении. Второй тип — реакции фосфорилирования, протекающие в сопрягающих мембранах, называется мембранное фосфорилирование. Образование АТФ происходит путем фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом за счет энергии электрохимического потенциала ионов водорода на мембране. Например, образование АТФ при фотосинтезе или в аэробной фазе дыхания. Мембранное фосфорилирование протекает во внутренней мембране митохондрий, в мембранах тилакоидов хлоропластов, в хроматофорах фотосинтезирующих бактерий, в цитоплазматической мембране бактерий. Мембраны, несущие ферменты переноса электронов и протекающего рядом с ним фосфорилирования, называются сопрягающими мембранами.


2. БЕЛКИ
2.1. Общая характеристика
В настоящее время установлено, что в живой природе не существует небелковых организмов. При этом термин «белки» следует понимать в широком смысле, включая сюда и сложные белки, в частности нуклеопротеины — комплексы белков с нуклеиновыми кислотами.
Белки — это высокомолекулярные полимерные соединения, образующие при гидролизе аминокислоты. Иногда их называют протеинами. Для живых организмов они являются первенствующими и по содержанию, и, особенно, по значению. В организме животных белков содержится до 40—50% и более на сухую массу, меньше у растений — до 20—35%.
Функции белков.
Строительная, структурная функция. Белки образуют основу протоплазмы любой живой клетки, в комплексе с липидами являются основным структурным материалом всех клеточных мембран, всех органелл.
Каталитическая функция. Ферменты являются белками, простыми или сложными. Биохимические реакции катализируются белками-ферментами.
Двигательная функция. Все формы движения в живой природе (работа мышц, движение ресничек и жгутиков у простейших, движение протоплазмы в клетке и т. д.) проводятся белковыми структурами клеток.
Транспортная функция. Белок крови гемоглобин транспортирует кислород от легких к тканям и органам. Перенос жирных кислот по организму происходит с участием другого белка крови — альбумина. Есть белки крови, транспортирующие липиды, железо, стероидные гормоны. Перенос многих веществ через клеточные мембраны осуществляют особые белки-переносчики.
Защитная функция. Белки являются важнейшими факторами иммунитета (антитела и система комплемента). Процесс свертывания крови, защищающий организм от ее потери, основан на превращениях белка крови — фибриногена. Эти превращения осуществляются с участием белка тромбина и большого числа других факторов свертывания, тоже являющихся белками. Внутренние стенки пищевода, желудка выстланы защитным слоем слизистых белков — муцинов. Токсины многих видов организмов, защищающих их в борьбе за существование, тоже являются белками -змеиные яды, бактериальные токсины. Основу кожи, предохраняющей тело животных от многих внешних воздействий, составляет белок коллаген. Кератин — белок волосяного защитного покрова.
Гормональная функция. Ряд гормонов по строению относится к белкам -инсулин или пептидам -адренокортикотропный гормон, окситоцин, вазопрессин и др..
Запасная функция. Способны образовывать запасные отложения овальбумин яиц, казеин молока, многие белки семян растений.
Опорная функция. Сухожилия, суставные сочленения, кости скелета, копыта образованы в большей части белками.
Рецепторная функция. Многие белки (особенно гликопротеины, лектины) осуществляют функцию избирательного узнавания и присоединения отдельных веществ.
Вышеизложенные функции белков не передают все их многообразие. Регуляторное действие белков не заканчивается только каталитическим и гормональным. Изучена очень важная группа белков-регуляторов активности генома. Некоторые полипептиды играют роль ингибиторов ферментов и таким путем регулируют их действие. Очень интересны исследования так называемых мозгоспецифических белков (МСБ). Иммунохимические методы их анализа в спинномозговой жидкости и крови позволили установить наличие корреляции между содержанием отдельных групп МСБ и поведением, некоторыми сторонами психики.
Белки имеют большое народнохозяйственное значение т.к. являются важнейшими компонентами пищи человека и сельскохозяйственных животных. Массовые эпидемии, небольшая средняя продолжительность жизни населения некоторых бывших колониальных стран связаны с хроническим белковым голоданием (недостатком животных белков). От содержания белков в корме зависит продуктивность сельскохозяйственных животных. Технология многих производств строится на переработке белков, изменении их свойств: в кожевенной промышленности, при выделке мехов, натурального шелка. В хлебопекарном производстве важную роль играют свойства белков муки.
Первостепенная роль белков в жизнедеятельности всех организмов, их большое народнохозяйственное значение объясняют большой интерес, который проявляется к ним в биохимии, определяют центральное место белков в биохимических исследованиях.
Рассмотрение строения и свойств белков удобнее начинать с характеристики их структурных элементов — аминокислот.
2.2. Аминокислоты
Определение и классификация. Аминокислоты можно рассматривать как производные карбоноых кислот, в которых один из водородов углеродной цепи замещен на группу NН2.
У большинства природных аминокислот аминогруппа находится в α-положении по отношению к карбоксилу:
NH2
I
R—С—СООН
I
H
Значительно реже в живых организмах встречаются аминокислоты с β- или γ- положением аминогрупп (β-аминопропионовая, γ-аминомасляная).
В зависимости от характера боковых цепей (R-группы) аминокислоты делят на .ациклические (алифатические) и циклические (гомо- и гетероциклические).
По числу аминных и карбоксильных групп аминокислоты разделяются на:
1) моноаминомонокарбоновые - глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин, цистеин, метионин, триптофан, тирозин, фенилаланин;
2) диаминомонокарбоновые - лизин, аргинин, цитруллин;
3) моноаминодикарбоновые - аспарагиновая и глутаминовая кислоты;
4) диаминодикарбоновые - цистин.
По характеру заряженности боковых радикалов, их полярности аминокислоты классифицируют на:
1) неполярные, гидрофобные - глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фенилаланин, триптофан, метионин;
2) полярные, но незаряженные - серин, треонин, аспарагин, глутамин;
3) полярные с отрицательным -аспарагиновая и глутаминовая кислоты, цистеин, тирозин или положительным - лизин, аргинин, гистидин зарядами.
Характеристика отдельных аминокислот, входящих в белки
Моноаминомонокарбоновые аминокислоты.
Глицин - гликокол, α-аминоуксусная кислота
NH2
I
Н—С—СООН
I
Н
Единственная оптически неактивная аминокислота. Имеет сладкий привкус и является одной из самых распространенных. Особенно много ее в желатине. Является предшественником при биосинтезе пуринов, порфириновой части гемоглобина, хлорофилла, геминовых ферментов. Участвует в образовании клеточных стенок бактерий. Функционирует как тормозной медиатор в спинном мозге и в большинстве структур ствола мозга, где находится в высоких концентрациях.
L-Аланин -α-аминопропионовая кислота
NH2
I
Н3С—С—СООН
I
H
Содержится практически во всех белках. Играет большую роль в обмене азотистых соединений. Может быть исходным продуктом для синтеза каротиноидов, каучука, жиров и углеводов.
L-Валин - α-аминоизовалериановая кислота
СН3 NH2
II
H3C—CH—С—СООН
I
H
Обладает способностью к гидрофобным взаимодействиям, что важно при создании и стабилизации структуры белковой молекулы. Содержится во многих белках, но обычно в небольших количествах. Участвует в синтезе алкалоидов, некоторых циклопептидов, пантотеновой кислоты, пенициллина.
L-Лейцин - α-аминоизокапроновая кислота
СН3 NH2
II
Н3С—СН—СН2—C—СООН
I
Н
L-Изолейцин - α~амино-β-этил~β-метилпропионовая кислота
NH2
I
Н3С—СН2—СН—С—СООН
I I
CH3 H
Обе аминокислоты плохо растворимы в воде. В белках содержатся в незначительных количествах, способны к гидрофобным взаимодействиям. Являются источником сивушных масел при брожении.
L-Серин - α-амино-β-оксипропионовая кислота
NH3
I
НО—СН2— С—СООН
I
H
Играет большую роль в обмене веществ любого организма. Входит в состав фосфолипидов (фосфатидилсерины), полипептидов брадикинина и каллидина, участвует в построении активного центра некоторых протеолитических ферментов, синтезе аминоспирта сфингозина (компонент сфинголипидов). В некоторых белках, таких, как казеин молока или вителлин яичного желтка, содержится в виде сложного эфира - так называемой серинфосфорной кислоты, которая играет важную роль в метаболизме молодого растущего животного организма. У растений образуется в ходе фотодыхания из глицина.
L-Треонин - α-амино-β-оксимасляная кислота
NH2
I
Н3С—СН— С—СООН
I I
ОН Н
Участвует в синтезе витамина B12, антибиотика актиномицина D.
L-Цистеин - α-амино-β-меркаптопропионовая кислота
NH2
I
HS—СН2—С—COOH
I
H
Учавствует в обмене веществ растений и животных как источник серы, а также в связи с наличием сульфгидрильной SH-группы, являющейся восстанавливающим агентом. Входит в состав трипептида глютатиона, в виде амина в кофермент А, присутствует в активном центре многих ферментов. В молекулах белков и пептидов (инсулин, АКТГ и др.) принимает участие в образовании дисульфидных связей между полипептидными цепями или внутри одной цепи, отсюда его важная роль в образовании третичной структуры белковой молекулы. Является тем соединением, в виде которого некоторые микроорганизмы и растения метаболизируют сероводород. Из двух молекул цистеина при их окислении получается цистин. Столь же легко происходит и обратный переход. Таким путем образуется одна из важнейших окислительно-восстановительных систем живых организмов
В белках цистин преобладает над цистеином. В больших количествах он содержится в белках волос, рогов, копыт.
L-Метионин - α-амино-γ-метилтиомасляная кислота
NH2
I
Н3С—S—СН2—СН2—С—СООН
I
H
Один из основных доноров метильных групп при синтезе углеводов клеточной стенки растений, холина, адреналина, креатина, стеринов и источником серы при образовании тиамина. Много метионина в белке молока — казеине. Как липотропный фактор, является лечебным препаратом при атеросклерозе.
Диаминомонокарбоновые аминокислоты.
L-Лизин - α, ε-диаминокапроновая кислота
NH2
I
H2N—CH2—СН2—СН2—СН2—С—СООН
I
H
Находится почти во всех белках, особенно много в белках молок рыб, относящихся к протаминам и гистонам. Является исходным продуктом при синтезе алкалоидов (анабазин, никотин, лупанин, кониин). Участвует своей ε-аминогруппой в образовании комплекса между белковой частью фермента и коферментом, например в биотин-зависимых ферментах.
Содержится в незначительных количествах в белках семян злаковых, особенно кукурузы, что существенно обесценивает кормовые свойства последней.
L-Аргинин - α-амино-δ~гуанидил-n~валериановая кислота.
NH2
I
H2N—С—NH—СН2—СН2—СН2—С—СООН
II I
NH Н
Содержится во всех белках. Входит в большом количестве в состав основных белков-гистонов и протаминов, в связи с чем его много в белках рыбьих молок. Играет большую роль в белковом обмене, участвуя в синтезе мочевины, креатина. В виде фосфоаргинина в мышцах беспозвоночных выполняет функцию, аналогичную функции фосфокреатина у высших животных.
Моноаминодикарбоновые аминокислоты.
L-Acnaрагиновая кислота, аспартат - α-аминоянтарная кислота
NH2
I
НООС—СН2—С-СООН
I
H
Плохо растворима в воде, раствор имеет кислую реакцию. Содержится в больших количествах во всех растительных белках и играет важную роль в обмене веществ у растений и животных, в частности, принимая участие в реакциях переаминирования, образовании мочевины, креатина, циклопептидов. При ее декарбоксилировании образуется α- или β-аланин, необходимый для синтеза карнозина, ансерина и коэнзима А (КоА). Амид аспарагиновой кислоты — аспарагин накапливается в очень больших количествах при прорастании семян бобовых растений, особенно в темноте, из-за отсутствия углеводов или при избытке аммиака. Аспарагин обнаружен в плазме крови и в составе некоторых животных белков (инсулин, гемоглобин, миоглобин и др.). У человека и животных аспарагин, как и аспарагиновая кислота, активно участвует в реакциях переаминирования, служит предшественником при синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, никотиновой кислоты, у растений является запасной и транспортной формой азота.
L-Глутаминовая кислота - глутамат, α-аминоглутаровая кислота
NH2
I
НООС—СН2—СН2—С—СООН
I
Н
В водных растворах дает кислую реакцию. Содержится в больших количествах во всех белках. Входит в состав фолиевой кислоты, глутатиона. Наряду с аспарагиновой кислотой играет первостепенную роль в аминокислотном обмене, активно участвуя в реакциях переаминирования, дезаминирования, прямого аминирования. При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется γ-аминомасляная кислота, имеющая большое значение в метаболизме мозга, усиливающая, в частности, процессы торможения, и δ-аминолевулиновая кислота, участвующая в синтезе порфиринов. Амид глутаминовой кислоты — глутамин, является транспортной формой азота у животных и растений, исходным соединением при синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, никотиновой кислоты. Мононатриевая соль глутаминовой кислоты служит вкусовой приправой, обладая вкусом и запахом куриного бульона.
Циклические аминокислоты.
L- Фенилаланин - α-амино-β-фенилпропионовая кислота
Содержится во всех белках. Участвует в биосинтезе флавоноидов, алкалоидов. Обладает способностью к гидрофобным взаимодействиям. Обусловливает ксантопротеиновую реакцию на белки. В состав молекулы грамицидина и антибиотика тироцидина входит D-фенилаланин, который в свободном виде в природе не обнаружен.
L-Тирозин - α-амино-β-гидроксифенилпропионовая кислота
1024890142875Одна из наиболее распространенных в природе аминокислот; содержится во всех белках, кроме некоторых протаминов. Является исходным субстратом для синтеза гормонов (тироксин, норадреналин, адреналин), алкалоидов (морфин, кодеин, папаверин). Окисление тирозина под влиянием тирозиназы приводит к образованию меланинов (пигмент кожи, волос, перьев).
L-Триптофан - α-амино-β-индолилпропионовая кислота
Находится почти во всех белках. Бедны триптофаном семена злаков. При кислотном гидролизе белков распадается. Триптофан служит исходным продуктом для синтеза никотиновой кислоты (витамин РР), гетероауксина.
L-Гистидин - α-амино-β-имидазолпропионовая кислота
Принадлежит к группе основных аминокислот — в водных растворах дает щелочную реакцию. Значительное количество гистидина содержится в глобине — белковом компоненте гемоглобина крови. Входит в активные центры некоторых протеолитических ферментов.
L-Пролин - пирролидин-α-карбоновая кислота
Является аминокислотой. Хорошо растворим в спирте. Особенно велико содержание пролина в белках семян злаков (проламины), в коллагене, эластине и белке эмали зубов. Входит в состав ряда антибиотиков циклопептидов — грамицидина, лихениформина, актиномицина D.
L-Оксипролин
Является производным L-пролина. Значительные его количества обнаружены в белках клеточных оболочек, желатине, коллагене.
2.3. Физико-химические свойства белков
Выделение и очистка белков. Первым этапом выделения и очистки белков является извлечение их из клеток. Для этого клетки разрушают, т. е. превращают в шмогенат (разрушают клеточные оболочки, наружные мембраны, цитоплазматические структуры). Существуют различные методы гомогенизации клеток и тканей, и выбор того или иного метода определяется свойствами, составом, прочностью исходного объекта. Большинство животных клеток разрушается легко, однако при работе с растительными и бактериальными клетками встречаются трудности, обусловленные наличием клеточных оболочек.
Для разрушения клеток также используют специальные приборы — ультразвуковые дезинтеграторы. Существуют методы разрушения клеток с помощью осмотического шока, попеременного замораживания и оттаивания, обработки органическими растворителями (охлажденный ацетон, толуол), автолиза. Для удаления оболочек растительных и бактериальных клеток могут быть применены ферментативные препараты — лизоцим, комплекс целлюлолитических ферментов, хитиназа.
На всех этапах выделения и очистки белков следует учитывать их большую неустойчивость, лабильность, склонность к потере природных, нативных свойств, т. е. к денатурации. Белки чувствительны к действию многих химических реагентов (кислот, щелочей, органических растворителей), денатурируют при нагревании.
В большинстве случаев процесс разрушения клеток сопровождается выделением тепла, поэтому все процедуры по дезинтеграции клеток и выделению клеточных органелл с целью предотвращения тепловой денатурации следует проводить при пониженных температурах (около +4°С) в термостатированных холодных комнатах. Чтобы устранить воздействие ионов тяжелых металлов, которые могут попасть с водой и реактивами при гомогенизации, используют комплексообразователи — ЭДТА (этилендиаминтетраацетат), егонатриевую соль — трилон Б и др.
HOOC - H2C CH2 – COOH
\ /
N – CH2 - CH2 – N
/ \
HOOC – H2C CH2 – COOH
ЭДТА (версен)
Для предотвращения окисления сульфгидрильных групп в белках в среду выделения добавляют восстановители, например цистеин, β-меркаптоэтанол, дитиотреитол и некоторые другие.
HS – CH2 – CH2 – OH
Меркаптоэтанол
CH2 – CH – CH – CH2
I I I I
SH OH OH SH
Известно, что многие белки локализованы в клеточных органеллах. Для их выделения гомогенат, полученный после разрушения клеток, подвергают центрифугированию. В зависимости от величины центробежного ускорения в осадке получают те или иные органеллы, с которыми затем проводят работу по выделению белка. Методом центрифугирования можно также отделить твердые частицы-обломки клеточных структур. Надосадочная жидкость (экстракт) представляет собой водный раствор различных органических и неорганических соединений — компонентов клетки и среды солюбилизации (растворения).
176593545085Додецилсульфат натрия
Неионные детергенты, такие, как дезоксихолат натрия, тритон Х-100, широко применяющиеся для солюбилизации мембранных белков, ослабляют гидрофобные белково-липидные и белок-белковые взаимодействия, в результате чего белки высвобождаются из мембран. Анионные и катионные детергенты дестабилизируют также и ионные связи между заряженными группами компонентов мембран. Примером анионного детергента, использующегося для выделения белков мембран, является додецилсульфат натрия (ДСН, SDS).
После гомогенизации материала производится экстрагирование из него белков. В качестве растворителей в зависимости от свойств выделяемого белка и целей исследований применяют воду, солевые растворы, разнообразные буферные смеси, органические реагенты, водно-спиртовые растворы, слабые кислоты или щелочи. Очень часто экстракцию белков осуществляют в процессе гомогенизации материала.
Выделенные препараты белка должны быть проверены на гомогенность. Прямых методов оценки чистоты белков не существует, гомогенность образца оценивают по отсутствию примесей. Вещество считают чистым, если ни один из методов определения гомогенности не выявит наличие примесей. С этой целью применяют обязательно несколько методов, основанных на разных принципах. Гомогенность образца по молекулярной массе устанавливают ультрацентрифугированием, по величине заряда — электрофорезом в ПААГ, ИЭФ. Чистое вещество дает только один симметричный пик при ультрацентрифугировании. Инъекция гомогенного вещества вызывает образование антител одного вида, а гетерогенного — нескольких видов.
Выделенный и очищенный белок должен храниться при пониженной температуре. Если белок кристаллизуется из раствора сульфата аммония, его можно хранить в этом растворе в виде суспензии. Чаще всего белки хранят в высушенном состоянии; сушку производят под высоким вакуумом из замороженного состояния (лиофилизация).
Молекулярная масса белков и методы ее определения. Молекулярная масса белков может быть определена физическими методами, наиболее часто используют гравитационный, гельфильтрационный и электрофоретический. Современные методы позволяют определять молекулярные массы с погрешностью, не превышающей 5%, что составляет несколько тысяч, а иногда и сотен дальтон. Выяснение первичной структуры многих индивидуальных белков дало возможность рассчитать их молекулярную массу с высокой точностью.
Молекулярные массы различных белков колеблются в широких пределах: от 6 тыс. до нескольких миллионов дальтон. Ниже приведены молекулярные массы некоторых белков.
БелокМолекулярная масса
Инсулин…………………………………5 700
Рибонуклеаза……………………………14 000
Пепсин…………………………………..35 500
Сывороточный альбумин………………66 500
Каталаза…………………………………250 000
Уреаза……………………………………480 000
Гемоцианин……………………………..2 800 000
Амфотерные свойства белков. Белки являются амфотерными электролитами, так как в их молекуле присутствуют как кислотные, так и основные группировки. Кислотно-основные свойства белков определяются главным образом боковыми радикалами аминокислот, способными к ионизации. Вклад концевых NH2- и СООН-групп крайне незначителен. Величины рК боковых радикалов аминокислот в составе белков несколько отличаются от таковых в свободных аминокислотах, поскольку степень ионизации групп в белках зависит от природы соседних боковых радикалов т. е. от электростатического окружения.
Присутствие диссоциирующих группировок в белках обусловливает определенный суммарный заряд молекулы, зависящий от рН среды. Большинство природных белков относится к кислым белкам благодаря значительному содержанию дикарбоновых кислот и поэтому при рН, близких к нейтральным, имеет, как и цитоплазма, в целом, отрицательный заряд.
Аминокислоты с диссоциирующими боковыми радикалами вхдят в состав всех белков, где они преимущественно располагаются на поверхности глобулы и тем самым определяют гидрофильность молекулы в целом, а также ряд других физико-химических свойста белковых молекул. Распределение заряда на поверхности молекулы неравномерно, различные участки ее могут иметь противоположные заряды, стабилизированные диполями воды. Сдвиг рН среды приводит к изменению характера диссоциации радикалов перераспределению зарядов на поверхности молекулы, следствием чего является изменение пространственной структуры белков и степени их биологической активности.
Для каждого белка существует такое значение активной реакции среды, при котором положительные и отрицательные заряды в молекуле скомпенсированы. Значение рН, при котором белок не несет суммарного заряда и не движется в электрическом поле, называют изоэлектрической точкой (ИЭТ) и обозначают как pI. Величина ИЭТ может быть определена по кривым, полученным при кислотно-основном титровании белкового раствора, а также при изоэлектрофокусировании белка. Ниже приведены изоэлектрические точки некоторых белков.
Белокpl
Пепсин…………………………………………. 1,0
Уреаза…………………………………………... 5,1
Каталаза………………………………………… 5,6
Рибонуклеаза…………………………………… 7,8
Лизоцим………………………………………… 11,0
Значение рН, отвечающее ИЭТ белка, определяется числом его ионогенных групп и величинами их констант диссоциации (рК). ИЭТ выше 7, если белок содержит большое число остатков основных аминокислот, и менее 7 при преимущественном содержании кислых аминокислот. Для большинства глобулярных белков ИЭТ лежат в кислой области (4,5—6,5). Есть и исключения. Например, фермент пепсин, функционирующий в сильно кислой среде желудка, имеет ИЭТ около 1, а протамины — около 12.
Растворимость белков. Большинство белков – гидрофильные вещества, хорошо растворимы в водных растворах. Растворимость их, как и других высокомолекулярных веществ, определяется природой тех групп, которые оказываются на поверхности молекулы при ее пространственной укладке в нативную конформацию. Большая часть белковой молекулы образована группами, способными гидратироваться. Под гидратацией понимают связывание диполей воды с ионами и полярными группами.
В растворах белки обладают коллоидными свойствами: они медленно диффундируют, не проходят через полупроницаемую мембрану, рассеивают свет, характеризуются высокой вязкостью. Однако следует иметь в виду, что белковые растворы не являются типичными коллоидными растворами, так как белки диспергированы до единичных молекул и образуют гомогенный раствор. В отличие от них типичные коллоидные растворы гетерогенны, двухфазны (растворенное вещество и растворитель), коллоидные частицы (мицеллы) растворенного вещества состоят из нескольких молекул. Сходство белковых и истинных коллоидных растворов в том, что молекулы белков имеют размеры, приближающиеся к размеру мицелл коллоидного раствора.
Образование коллоидных растворов белками и другими биологическими макромолекулами обусловливает многие физико-химические явления, наблюдающиеся в биологических жидкостях и организмах в целом. Растворы белков, как и все коллоидные растворы, могут при определенных условиях терять свою текучесть и образовывать гели, или студни. Гели возникают в результате объединения молекул в виде сетки, внутреннее пространство которой заполнено большим количеством растворителя, при этом разделения на жидкую и твердую фазы, как в случае коагуляции, не происходит. Полагают, что в ряде растительных и животных тканей белки находятся не только в виде растворов, но и гелей (в протоплазме клеток хрусталике глаза, соединительной ткани и др.). В состояние геля белковые растворы, например молоко, могут переходить под воздействием ферментов микроорганизмов, результатом чего является образование простокваши, кефира. При подготовке растений к зимнему периоду жизни, в процессе так называемого осеннего «закаливания» происходит переход части белков из растворенного состояния в гелеобразное.
Гели по истечени времени стареют, отслаивают воду и делятся на две фазы: уплотненный гель и разведенный золь. Этот процесс получил название синерезиса, он протекает, например, при стоянии кефира. Одним из свойств гелей является их способность к набуханию — увеличению объема за счет связывания большого количества воды. Такой процесс происходит, например, при прорастании семян. Белки соединительных тканей животных, поглощая воду, осуществляют тем самым ее запасание организмом. Набухание играет большую роль в технологии кожевенной промышленности, хлебопечении.
В растворах белков и других высокомолекулярных соединений может наблюдаться явление коацервации — слияния водных оболочек нескольких частиц без объединения самих частиц. Коацерваты возникают при ограниченной растворимости компонентов раствора, это служит причиной появления коацерватных капель. Коацерваты образуются, например, из белков с противоположными зарядами. Им придают большое значение в теории происхождения жизни, однако в отличие от биологических неравновесных структур коацерваты термодинамически равновесны.
Благодаря гидрофильным и гидрофобным группировкам белки могут влиять на растворимость других веществ, выступая в роли эмульгаторов — веществ, стабилизирующих эмульсию, которую образуют взаимно нерастворимые жидкости (вода — масло). В организме человека в эмульгированном состоянии находятся жиры в крови и лимфе. Белок образует на поверхности капелек жира тонкую пленку, которая притягивает воду и препятствует слипанию жировых частичек. Одной из причин образования мочевых и желчных камней может быть недостаток в организме муцинов — слизистых гликопротеинов, обволакивающих гидрофобные микрочастицы и способствующих тем самым их выведению из организма.
Денатурация белков. Под денатурацией белка понимают нарушение нативной пространственной структуры белковой молекулы, приводящее к уменьшению или полной потере ее растворимости, изменению других физико-химических свойств белка, утрате специфической биологической активности. Денатурация сопровождается разрывом ковалентных связей в остове полипептидной цепи. Дисульфидне мостики расщепляют, гидрофобные, ионные, водородные связи. В результате нарушается нативная третичная структура и в значительной мере вторичная. Денатурацию белковых молекул вызывают как некоторые химические соединения, так и физические факторы. Механизм денатурирующего воздействия химических агентов определяется их строением. Например, мочевина, гуанидинхлорид, формамид благодаря наличию амидной группировки конкурируют с пептидными группировками белка за водородные связи, переключая их на себя. Эти реагенты нарушают также гидрофобные взаимодействия. Максимальное денатурирующее влияние мочевина и другие амиды проявляют в больших концентрациях (6М-10М).
Денатурирующее действие умеренно полярных органических растворителей (низшие спирты, этиленгликоль, диоксан, диметилсульфоксид и др.) связано с резким уменьшением диэлектрической константы водных растворов белков, вследствие чего увеличиваются электростатические силы взаимодействия между заряженными-группами. Образование прочных внутри- и межмолекулярных ионных связей и приводит к денатурации белков. Ионные детергенты, например додецилсульфат натрия, соединяются с противоположно заряженными группами белка. Электростатическое отталкивание оставшихся в пептидной цепи одноименно заряженных групп приводит к разрыву водородных связей и других слабых взаимодействий, стабилизирующих нативную конформацию белка.
Денатурирующими агентами являются также катионы тяжелых металлов и анионы иода, тиоцианата. Эти вещества, повидимому, образуют достаточно прочные соединения с полярными группами белков, искажая систему ионных и водородных связей.
Многие белки денатурируют при сильном подкислении (рН<2—3) или подщелачивании (рН>10—11).
Из физических факторов денатурации наиболее общим является нагревание. Усиление теплового движения полипептидных цепей приводит к разрыву водородных связей и нарушению гидрофобных взаимодействий. Скорость тепловой денатурации существенно зависит от активной реакции среды, присутствия солей, их концентрации. Тепловая денатурация сопровождается агрегацией белков, выпадением их в осадок, что представляет собой уже вторичное явление.
Существуют многочисленные данные о том, что у термофильных микроорганизмов большинство белков обладает повышенной термостабильностью. При нагревании до 60°С они не денатурируют, претерпевают лишь небольшие конформационные изменения, в то время как у белков мезофиллов (организмы, обитающие при обычных, средних температурах) при +60°С наблюдается существенная денатурация. У мезофиллов лишь редкие белки обладают повышенной термостабильностыо.
Белки денатурируют и при многих механических воздействиях: высоком давлении (5000—10 000 атм), растирании сухих препаратов, энергичном встряхивании растворов, облучении звуковыми волнами высокой частоты. Все это следует учитывать при биохимических исследованиях белков. При лиофилизации большинство белков не денатурирует, это позволяет использовать этот способ сушки для получения белковых препаратов длительного хранения.
Физическими факторами денатурации белков являются ультрафиолетовый свет (особенно в границах 260—310 нм), ионизирующее излучение. Денатурация белка происходит при распределении его на границе раздела двух фаз, такая поверхностная денатурация наблюдается при вспенивании белковых растворов в процессе выделения белков и при образовании пены на поверхности водоемов.
При денатурации белков изменяются многие физико-химические свойства белка: растворимость, константа седиментации, вязкость, оптические свойства и др. В процессе денатурации белков с четвертичной структурой может происходить их диссоциация на субъединицы. В белке существенно уменьшается количество участков с регулярными типами вторичной структуры, снижается количество внутримолекулярных водородных связей и возрастает число этих связей между белком и водой. Поскольку при денатурации происходит нарушение гидрофобных взаимодействий в процессе развертывания белковой молекулы и гидрофобные группы оказываются на поверхности молекулы, это вызывает потерю растворимости и набухаемости белков в водных растворах.
При денатурации белка выявляются реактивные группы, которые в нативном белке не полностью доступны для обнаружения обычными методами (сульфгидрильные, фенольные, имидазольные и др.). Изменение числа реактивных групп при денатурации проявляется и в изменении ИЭТ белков. Как правило, изоэлектрическая точка смещается в сторону щелочных значений рН. Денатурация белков сопровождается возрастанием отрицательной оптической активности
Превращение компактной молекулы в беспорядочный клубок, происходящее при денатурации, приводит к тому, что большинство пептидных связей становится доступным действию протеолитических ферментов. В связи с этим протеолиз денатурированных белков протекает с большей скоростью, чем нативных.
Медленная денатурация белков происходит при длительном хранении семян, в результате чего у них уменьшается набухаемость и, как следствие, снижается интенсивность прорастания.
Полная денатурация белка в большинстве случаев необратима, однако при подборе соответствующих условий иногда удается ренатурировать белки. Способность к ренатурации после нагревания показана, например, для фермента трипсина. Необходимым условием его ренатурации является очень медленное охлаждение белка до комнатной температуры («отжиг»), при этом восстанавливается нативная конформация и специфическая биологическая функция трипсина.
Оптические свойства. Все белки, поглощают ультрафиолетовый (УФ) свет в трех областях. Поглощение при длинах волн (λ) более 250 нм с максимумом около 280 нм обусловлено присутствием исключительно ароматических аминокислот — триптофана, тирозина и фенилаланина. Интенсивность поглощения в этой области меняется в основном в зависимости от количества α-спиральных структур в белке.
Спектрофотометрия позволяет также устанавливать зависимость оптической плотности растворов от длины волны поглощаемого света, т. е. получать спектры поглощения, и, кроме того, используется для определения пространственного расположения ароматических аминокислот в белковой глобуле (внутри или снаружи). Метод дифференциальной спектрофотометрии позволяет установить и степень полярности окружения ароматической аминокислоты, находящейся внутри глобулы. В видимом диапазоне спектра (380—760 нм) способностью поглощать свет обладают только окрашенные белки, так называемые хромопротеины — гемоглобины, цитохромы, флавопротеины, «голубой белок» из Pseudomonas, интенсивно поглощающий свет с длиной волны около 600 нм, и некоторые другие.
В инфракрасной (ИК) области спектра (760—10 000 нм) поглощают свет все белки. ИК-спектроскопию широко используют для определения относительного содержания α-спиралей, β-структур и аморфных участков в белковой молекуле.
Белковые растворы обладают способностью флуоресцировать — испускать квант света при переходе из электронно-возбужденного состояния в основное. На этом свойстве белков основана флуоресцентная спектроскопия — измерение интенсивности испускаемого света при возбуждении образца (поглощение им кванта света при облучении УФ- светом). Спектр флуоресценции всегда бывает смещен относительно спектра поглощения в длинноволновую область, так как при переходе из возбужденного состояния в основное молекула теряет энергию.
Флуоресцирующими аминокислотными остатками в белках являются триптофан, тирозин и фенилаланин. Флуоресценцию каждого из них можно отличить по длине волны, при которой она наблюдается. Измерение флуоресценции дает сведения о конформационных перестройках белков, местах связывания лигандов, взаимодействиях с растворителем, степени гибкости молекулы, межмолекулярных расстояниях и др.
2.4. Строение белковой молекулы
Полипептидное строение белков. Первые белковые вещества выделили более 250 лет назад, а во второй половине 18 — начале 19 вв. уже неоднократно описывали белковые вещества растений и животных.
В настоящее время хорошо известен химический элементарный состав белков. Они обычно содержат 50—55% С, 21—23% 02, 15—17% N2, около 7% Н2, от 0 до 3% S. В сложные белки, кроме того, могут входить Р и некоторые металлы.
По современным данным, наиболее часто в составе различных белков обнаруживают 20 видов аминокислот. Именно для 20 аминокислот существует генетический код в виде триплетов (тройки нуклеотидов в ДНК). Иногда в белках присутствуют и другие аминокислоты, они образуются в результате модификации белков уже после их биосинтеза, являются некодируемыми (цистин, гидроксипролин, гидроксилизин и некоторые другие). В составе белков обнаружены только α-аминокислоты, в подавляющем большинстве в L-конфигурации.
Аминокислоты соединяются друг с другом ковалентной пептидной или амидной связью. Образование ее происходит за счет аминогруппы (NH2) одной аминокислоты и карбоксильной группы (—СООН) другой с выделением молекулы воды.
О R2 OR2
II I III
H2N—СН—С—ОН + Н—N—СН—СООН →H2N—СН—С—N—CH—СООН + Н20
I I I I
R1 H R1 H
Транспептиднаясвязь
В природе распространена транспептидная связь, реже встречается менее устойчивая цис-пептидная связь. Пептидная связь является частично двойной, частично одинарной, между этими структурами есть взаимный переход. Время жизни одинарной связи несколько больше, чем двойной (6:4), пептидная связь на 60% одинарна и на 40% двойная.
15411451048385В результате явления резонанса образуется флуктуирующая, динамическая связь, которую невозможно описать на основе одной валентной структуры. Так как вращение вокруг двойной связи заторможено, все атомы пептидной связи оказываются расположенными примерно в одной плоскости, т. е. она планарна, только вокруг атома азота связи отчасти сохраняют пирамидальный характер. В настоящее время установлены все валентные углы и длины связей в пептидных группировках (рис. 3).
Рис. 3. Межатомные растояния (нм) и углы в пептидной связи. Все атомы внутри рамки находятся примерно в одной плоскости.
Образованные аминокислотами полимеры называют пептидами или белками в зависимости от числа входящих в них структурных единиц. Условно принято, что пептиды, содержащие до 20 аминокислотных остатков, относятся к олигопептидам, среди них различают ди-, три-, тетрапептиды и т. д. Полипептиды имеют в молекуле от 20 до 50 аминокислотных остатков. Пептидные цепи, объединяющие более 50 аминокислот и имеющие молекулярную массу свыше 6 тыс., относятся к белкам.
Самый низкомолекулярный белок — гормон инсулин, состоящий из 51 аминокислотного остатка. Число аминокислотных звеньев в белке может доходить до нескольких сотен и даже тысяч. Количество видов белков в природе огромно, их разнообразие связано с различным набором аминокислот, входящих в белок, и порядком их чередования в молекуле. Так, уже из трех аминокислот можно получить 6 различных трипептидов, из четырех – 24 тетрапептида, пяти — 120 пентапептидов, из 11—40 млн. изомеров, а из 20 разных аминокислот, каждая из которых встречается только один раз, теоретически может образовываться астрономическое число (2·1018) изомеров. Однако в живой природе реализуется только малая доля возможных изомеров.
Для описания строения белковых молекул были введены понятия о первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах.
Первичная структура. Под первичной структурой белковой молекулы понимают порядок чередования аминокислот в полипепдептидной цепи (или цепях) и местоположение дисульфидных связей. Полипептидная цепь содержит на одном конце свободную аминогруппу (N-конец), на другом — карбоксильную группу (С-конец). За начало цепи принимается ее N-конец, именно отсюда начинается отсчет аминокислот. Это совпадает с направлением синтеза полипептидной цепи на рибосоме, которое в свою очередь отвечает направлению 5'—3´ мРНК.
185737534290Аминогруппа на N-конце полипептидной цепи может быть иногда ацетилированной, присоединившей остаток уксусной кислоты (СНз—СО—NH). Блокированные за счет ацетилирования N-концы характерны также для белков оболочки многих растительных вирусов, некоторых вирусов животных и бактерий.
На С-конце встречается либо свободная карбоксильная группа (у большинства белков), либо амидированная (некоторые гормоны, пчелиный яд). Модификации С-конца более редки по сравнению с N-концевыми модификациями.
Названия отдельных пептидов образуются в соответствии с составляющими их аминокислотными остатками, начиная с N-конца. При этом в названиях всех аминокислот, за исключением последней, меняется окончание на «ил». Например, L-аланил-L-цистеил-L-метионин. Полная аминокислотная последовательность белков указывается в виде сокращенных названий аминокислот. Принято трехбуквенное и однобуквенное обозначение аминокислот (табл. 5).
260985287020Таблица 5. Обозначения аминокислотных остатков
Основная связь первичной структуры белков – пептидная связь. Эта связь достаточно жесткая и поэтому конформационная подвижность ее ограничена.
Различия в структуре гомологичных белков также дают ценную информацию о роли отдельных аминокислотных остатков в функционировании молекулы. Остатки, находящиеся в активных участках или определяющие конформацию полипептидной цепи, не могут быть изменены генетически или путем химической модификации без влияния на функцию. Так, известные в настоящее время вариации первичной структуры в цитохроме с разных видов живых организмов не связаны со значительными изменениями функциональных свойств белка, поскольку наименее изменяемыми являются участки вблизи связывания гема, а также участки, ответственные за пространственную укладку
цепи.
359410-140970 Рис. 4. Первичная структура белка
Установление чередования аминокислот в белках показало также, что в процессе эволюции происходило удвоение и слияние генов. С дупликации соответствующих генов обычно начинается дифференциация белков.
Вторичная структура. Вторичная структура — это упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи без учета типа и конформации боковых радикалов аминокислот. Она образуется за счет замыкания водородных связей между пептидными группами. Вторичная структура представлена в основном такими регулярными структурами как α-спираль, складчатые слои (β-структура), β-изгиб. Часть полипептидной цепи не имеет упорядоченного строения, такие участки называют аморфными или бесструктурными областями.
В α-спиральных участках и участках с β-складчатой структурой все последовательно расположенные пептидные звенья полипептидной цепи имеют идентичные взаимные ориентации, поскольку все торсионные углы φ и все углы ψ у Сα одинаковы. В таком случае участок полипептидной цепи имеет линейную структуру, которая формируется из линейных групп.
Линейная группа представляет собой виток спирали, параметры которой (смещение вдоль оси, приходящееся на повторяющийся элемент, число элементов на виток, радиус и др.) зависят от величины углов ф и ψ. Спираль с числом элементов в витке менее двух невозможна. В белках обнаружено несколько типов линейных групп, не имеющих стерических затруднений; они стабилизированы водородными связями либо в пределах одного участка полипептидной цепи (спираль), либо между соседними участками (β-складчатая структура).
1252855189865
Рис. 5. Антипараллельная β-структура белка.
Складчатые слои могут образовываться не только одной полипептидной цепью (при этом водородные связи будут внутри данной цепи), но и группой близко расположенных полипептидных цепей в молекуле (водородные связи будут замыкаться между цепями). β-Структура второго типа характерна для таких фибриллярных белков, как фиброин шелка, кератин волос, состоящих из нескольких полипептидных цепей. У глобулярных белков в формировании β-складчатой структуры принимает участие обычно около 15% аминокислотных остатков полипептидной цепи. Большинство складчатых слоев содержит менее шести цепей. Как правило, складчатые слои не являются плоскими, для них характерна небольшая левая закрученность.
21590699135Третичная структура. Третичная структура характеризует пространственное расположение упорядоченных и аморфных участков в полипептидной цепи в целом, которое достигается за счет взаимодействия боковых радикалов и зависит от их типа и конформации. Таким образом, третичная структура описывает пространственную укладку всей молекулы белка, если она образована одной полипептидной цепью. Третичная структура имеет прямое отношение к форме молекул белка, которая может быть различной: от шарообразной до нитевидной. Таким образом, у глобулярных белков третичная структура характеризуется достаточно плотной упаковкой полипептидной цепи в виде клубкообразной молекулы, приближающейся по форме к шару. В поддержании третичной структуры глобулярных белков, ее закреплении принимают участие различные типы связей ковалентные, ионные, или солевые, водородные и гидрофобные взаимодействия (указаны в порядке убывания энергии связи). Преимущественную роль в формировании третичной структуры отводят гидрофобным взаимодействиям, возникающим между неполярными боковыми радикалами аминокислот.
Фибриллярные белки выполняют в организме, в основном, структурную функцию. Это плохо растворимые или нерастворимые белки, отличающиеся высоким содержанием неполярных аминокислот. К ним принадлежат, например, белки соединительных и сократительных тканей, волос, кожи, некоторые белки клеточных оболочек растений, водорослей и ряд других белков.
4558665819785Четвертичная структура. Четвертичную структуру имеют те белки, молекула которых состоит из двух и более полипептидных цепей, связанных нековалентно. Четвертичная структура характерна, как правило, для белков, относительная молекулярная масса которых больше 50 000—100 000. Белки, имеющие четвертичную структуру, называются олигомерными.
Под четвертичной структурой понимают способ взаимного расположения в пространстве отдельных полипептидных цепей в молекуле, характер связей между ними. К белкам с четвертичной структурой относят иногда и сложные надмолекулярные белковые структуры, в которых объединяются до нескольких сотен субъединиц, например, жгутики бактерий, головки вирусов и т. д.
2.5. Классификация, характеристика, представители
Все белки принято делить на две группы: простые, или протеины (состоят только из аминокислот), и сложные, или протеиды (в их молекуле помимо белковой части содержится и небелковая часть). Внутри каждой из этих групп существует деление на подгруппы. Простые белки подразделяют в соответствии с их растворимостью в различных веществах, а сложные белки классифицируют по химизму небелковой части молекулы. Следует сразу заметить, что классификация простых белков весьма условна и несовершенна, так как основана на сравнении относительно несущественных признаков. Многие белки, ранее отнесенные в группу простых белков (например, глобулины крови), по результатам исследований строения их молекул оказались двухкомпонентными.
Природные пептиды. В живых организмах обнаружено несколько сотен свободных пептидов. К ним принадлежат некоторые гормоны, токсины, антибиотики, нейропептиды, а также ряд других биологически активных веществ.
Глутатион(γ-глутаминилцистеинилглицин, глу-цис-глц G-SH).
НООС—СН—СН2—СН2—СО—NH—СН—СО—NH—СН2—СООН
│ │
NH2 СН2

SH
Обнаружен в клетках животных и человека (особенно его много в мозге, хрусталике глаза), бактериях, дрожжах, грибах, зеленых растениях. Принимает активное участие в окислительно-восстановительных процессах:
- 2Н
2G─SH ⇆G—S—S—О
+2Н
Основная функция глутатиона в клетках заключается в защите сульфгидрильных групп белков от окисления. Он служит также коферментом в ряде ферментативных реакций. У животных и человека глутатион принимает участие в разложении Н202, образующегося в эритроцитах в результате обменных процессов или аутоокисления лекарственных препаратов. Он участвует в детоксикации ряда чужеродных для живой клетки соединений (галогенсодержащие алифатические или ароматические углеводороды), переводя их в водорастворимую, способную к выделению почками, форму.
Грамицидин S — антибиотик, активно синтезируется бактериями Вас. brevis, по своему химизму является циклическим декапептидом, в составе которого, кроме белковых аминокислот, есть орнитин.
Пептидные антибиотики типа грамицидинов являются ионофорами, они действуют на биологические мембраны, образуя комплексы с ионами металлов, чем нарушают регуляцию ионной проницаемости в мембранах бактерий.
Аманитины — токсичные октапептиды ядовитых грибов рода Amanita. Типичным представителем аманитинов является α-аманитин. Он блокирует синтез белка в клетке эукариот на стадии транскрипции. Замена в молекуле α-аманитина диоксиизолейцина на лейцин приводит к образованию нетоксичного соединения.
В амантинах содержится ряд токсичных гептапептидов — фаллоидинов, имеющих сходное с аманитинами строение (бициклическое). Фаллоидины необратимо поражают печень млекопитающих. Роль противоядия фаллоидинам выполняет циклический декапептид — антаманид, содержащийся в тех же грибах, что и токсин. Он уплотняет мембраны клеток печени и понижает их проницаемость по отношению к токсинам. Антаманид является ионофором, связывающим Na+ или Са2+, сорбированные на поверхности мембраны, и тем самым покрывает определенные участки мембраны, уплотняя ее и меняя ее свойства, в частности, проницаемость. В Amanita muscaria обнаружен другой токсичный для человека пептид — мускарин.
Фолиевая кислота, являющаяся по своей биологической функции витамином, также может быть отнесена к пептидам. В ее составе содержится до 7 остатков глутамина в виде γ-глутаминилпептида (т. е. соединение глутаминовых остатков происходит за счет γ-карбоксильных, а не α-групп).
Помимо перечисленных, пептиды выполняют ряд других, очень интересных и важных функций. Открыты гормоны, ответственные за индукцию сна. Некоторые специфические пептиды, возможно, являются веществами, участвующими в явлениях памяти, выработке условных рефлексов. Не исключено, что долговременная память связана с синтезом в определенных нейронах этих пептидов.
Протеины (простые белки). Ниже представлены группы простых белков, классификация которых основана на растворимости этих соединений в различных растворителях.
Альбумины. Это водорастворимые белки, осаждающиеся при насыщении растворов нейтральными солями, например (NH4)2S04. Добавление одной соли обычно не приводит к осаждению белков (за исключением, (NH4)2S04 требуется смесь солей, преимущественно одно- и двухвалентных катионов (NaCl и MgS04 или Na2S04 и MgCl2). Сульфат аммония начинает осаждать альбумины при 65% насыщения, а полное осаждение наступает при 100% насыщения.
Альбумины широко распространены в природе. Они составляют около 50% всех белков плазмы крови человека. Высоко содержание альбумина в белке яиц (до 50%). Белок, обладающий сходной растворимостью и получивший название лактальбумин, выделен из молока; богаты альбуминами и растения.
Глобулины. Растворимы в слабых растворах нейтральных солей, однако высокие концентрации последних осаждают глобулины. (NH4)2 S04 высаливает глобулины уже при 50% насыщения, хотя надо иметь в виду, что полного разделения альбуминов и глобулинов как при этой концентрации сульфата аммония, так и при других не происходит. В воде глобулины нерастворимы, поэтому выпадают в осадок при отделении солей диализом. Глобулины составляют большую часть белков семян многих растений, особенно бобовых и масличных, например легумин в семенах гороха, фазеолин — фасоли, эдестин — конопли.
Проламины. Хорошо растворимы в 60—80%-ном этиловом спирте, в их составе много аминокислоты пролина, а также глутаминовой кислоты. В очень незначительном количестве в эти белки входят лизин, аргинин, глицин. Проламины характерны исключительно для семян злаков, где выполняют роль запасных белков: в семенах пшеницы и ржи — белок глиадин, в семенах ячменя — гордеин, кукурузы — зеин. Все указанные проламины представляют собой комплексы белков, различающихся по составу и молекулярной массе.
Глютелины. Хорошо растворимы в щелочных растворах (0,2—2% NaOH). Это белки растений, содержатся в семенах злаков и других культур, а также в зеленых частях растений. Комплекс щелочерастворимых белков семян пшеницы получил название глютенин, риса — оризенин. Глиадин семян пшеницы в соединении е глютенином образует клейковину, свойства которой в значительной мере определяют технологические качества муки и теста.
Гистоны. Представляют собой щелочные белки с молекулярной массой 12 000—30 000, на долю основных кислот в них приходится 20—30%. Гистоны растворимы в слабых кислотах (0,2 н. НС1), осаждаются аммиаком, спиртом. Они не содержат триптофана и, в большинстве случаев, цистеина, цистина. Гистоны присутствуют главным образом в ядрах клеток животных, растений и играют важную роль в структуре хроматина, так как количественно преобладают среди белков хромосом.
Гистоны — сравнительно консервативные в эволюционном плане белки. Показано, что гистоны животных и растений характеризуются близкими величинами отношения аргинина к лизину и содержат довольно сходный набор фракций.
Протамины. Это сильно основные белки с низкой молекулярной массой (до 12 000), благодаря чему некоторые из них проходят через целлофан при диализе. Протамины растворимы в слабых кислотах, не осаждаются при кипячении; в их молекуле содержание щелочных аминокислот составляет около 80%, особенно много аргинин. В протаминах нет цистеина, триптофана и аспаргина, очень часто отсутствуют тирозин, фенилаланин, поэтому они не дают многих цветных реакций на белок. Благодаря высокой концентрации в молекуле протаминов основных аминокислот, она представляет собой поливалентный органический катион и легко реагирует с молекулами, имеющими избыток отрицательно заряженных групп, в частности нуклеиновыми кислотами.
Протамины широко распространены в природе. Они содержатся в половых клетках животных и человека и составляют основную массу белков хроматина этого типа. Протамины придают ДНК биохимическую инертность, что является необходимым условием сохранения наследственных свойств организма. Показано, что синтез протаминов происходит в процессе сперматогенеза в цитоплазме половой клетки, после этого протамины фосфорилируются, проникают в клеточное ядро и по мере созревания спермы вытесняют гистоны из нуклеопротеина, образуя прочный комплекс с ДНК. В результате такого взаимодействия наследственные свойства организма оказываются защищенными от неблагоприятных воздействий. Протамины в большом количестве встречаются в сперме рыб; наиболее хорошо из них изучены сальмин из лососевых рыб, клупеин из сельди. Протамины обнаружены и у представителей растительного царства — они выделены из спор плауна.
Протеиноиды. Трудно растворимые белки, для них характерно высокое содержание серы. К протеиноидам относятся фибриллярные белки: фиброин — белок шелка, кератины — белки волос, рогов, копыт, коллагены — белки соединительной ткани, спонгин — белок морских губок и др.
Сложные белки ( протеиды). Липопротеиды. Простетической группой в этих сложных белках являются липиды. Связь между компонентами липопротеидов может быть различной степени прочности. Полагают, что основной вклад в стабилизацию комплексов дают силы слабого взаимодействия (гидрофобные, ионные, водородные), роль ковалентных связей незначительна.
В составе липопротеидов обнаружены как полярные, так и нейтральные липиды, а также холестерин и его эфиры. Липопротеины широко распространены в природе, они встречаются у всех представителей живых организмов. Являются обязательными компонентами всех клеточных мембран, где их небелковая часть представлена, в основном, полярными липидами — фосфолипидами, гликолипидами. Липопротеины всегда присутствуют в крови.
Фосфопротеиды. Характерной особенностью фосфопротеинов является присутствие в значительных количествах ортофосфорной кислоты, которая связана обычно с оксигруппой серин, реже треонин сложноэфирной связью. Другие оксиаминокислоты (тирозин, гидроксипролин) не образуют фосфорные эфиры.
К фосфопротеидам относятся многие белки, играющие важную роль в питании молодых организмов. Это основной белок молока казеин, осаждающийся при створаживании, яичного желтка — вителлин и фосвитин, икры рыб — ихтулин. Они содержат 1—10% фосфора. Фосфопротеины обнаруженны в мозге.
Металлопротеиды. Комплексы ионов металлов с белками, в которых ионы металлов присоединены к белку непосредственно, являясь составной частью структуры белковых молекул, называются металлопротеинами.
В составе металлопротеинов часто встречаются такие металлы, как Сu, Fe, Zn, Mo и др. Типичными металлопротеинами являются некоторые ферменты, содержащие перечисленные металлы, а также Mn, Ni, Se, Са и др.
К медьсодержащим белкам относятся, например, цитохромоксидаза, пластопианин (переносчики электронов), белок крови церулоплазмин; к железосодержащим — лактоферрин (белок молока), трансферрин (белок крови), ферритин и др. В сыворотке крови найден специфический никельсодержащий белок класса макроглобулинов, названный никелеплазмином.
Обнаружены белки — селенопротеины, в которых селен, вероятнее всего, ковалентно присоединен к ароматической или гетероциклической (гем) группе. Один из селенопротеинов содержится в мышцах животных.
У некоторых морских животных обнаружен белок, содержащий ванадий,— ванадохром, являющийся, вероятнее всего, переносчиком кислорода.
Гликопротеиды. Это сложные белки, в составе которых имеется углеводный компонент. Белок в данных соединениях является своеобразной основой, к нему прикрепляются углеводные группировки. Общепризнанная и устоявшаяся классификация этих белков отсутствует. В соответствии с особенностями химического строения гликопротеины могут быть подразделены на истинные гликопротеины и протеогликаны (гликозаминопротеогликаны).
Хромопротеиды. К хромопротеинам относятся сложные белки, у которых небелковой частью являются окрашенные соединения, принадлежащие к различным классам органических веществ: порфириновые структуры, флавинадениндинуклеотид (ФАД), флавинаденинмононуклеотид (ФМН) и др.
Гемоглобин и другие дыхательные пигменты. Гемоглобин (сокращенное обозначение — Нb) составляет молекулярную основу дыхательной функции крови, т. е. способности транспортировать 02 и С02.
Первые подробные исследования строения гемоглобина были выполнены в 1896—1901 гг. профессором Петербургского института экспериментальной медицины М. В. Ненцким. Он же впервые предложил структурную формулу небелкового компонента гемоглобина, в основе которой лежали 4 пиррольных цикла, расположенные вокруг атома железа, что правильно отражает основные структурные особенности небелковой части молекулы. К настоящему времени установлено, что гемоглобины различных видов состоят из белка глобина и гема (ферропротопорфирина), нековалентно связанных между собой. Отличия в свойствах гемоглобинов у разных видов животных обусловлены, в основном, глобиновым компонентом.
2.6 Влияние белков на технологические свойства, качество и сохраняемость пищевых продуктов
Белки составляют существенную часть сухой массы многих пищевых продуктов и продовольственного сырья. Особенно значительно содержание белков в таких продуктах, как бобовые, семена подсолнечника, арахиса, различных видах муки, круп, мясе и мясопродуктах, рыбе и рыбопродуктах, твороге и творожных изделиях, сухом молоке, яйце и яйцепродуктах.
Высокое содержание свободной воды в белоксодержащих продуктах делает многие продукты особо скоропортящимися. Условия и сроки хранения этих продуктов регламентированы Санитарными правилами и нормами СанПиН 42-123-4117-86 «Условия, сроки хранения особо скоропортящихся продуктов».
Влияние белков на технологические достоинства продовольственного сырья в ряде случаев весьма высоко. Это, в первую очередь, касается зерна и продуктов его переработки, хлеба, мяса убойных животных.
Ценность зерна для производства муки и затем хлеба и макаронных изделий, главным образом, определяется содержанием общего белка и клейковинных белков, а также качеством самой клейковины. Белки, наряду с углеводами, влияют на кулинарно-технологические свойства круп.
Окоченение и созревание мяса убойных животных и рыбы также определяются состоянием белков и биохимическими процессами, которым подвергаются белки.
Назначение некоторых видов сырья определяется количеством в нем белков. Так, например, ячмень бывает пивоваренный и крупяной. Его принадлежность к одному из этих видов определяется в том числе и тем, сколько в нем белков. В крупяных сортах ячменя белка больше, чем в пивоваренных. А по крахмалу положение обратное.
Количество и качество белков клейковины определяют газоудерживающую способность теста. В пшеничном тесте они образуют тот растяжимый, эластичный каркас, в котором накапливаются пузырьки углекислого газа, поднимающие тесто.
Этот белковый каркас во время брожения теста постепенно расширяется. При выпечке происходит коагуляция белков и образуется белковый каркас готового хлеба. Достигнутый в результате брожения теста объем как бы фиксируется, закрепляется. Газоудерживающая способность ржаного теста также зависит от количества и физических свойств белков. Отметим также сахароаминные реакции, в которых участвуют белки в том числе. При этом, как известно, образуются вещества, формирующие аромат и вкус хлеба и некоторых других продуктов питания, в том числе при их обработке в общественном питании.
Белки играют также и негативную роль в формировании качества некоторых видов продовольственных товаров. В частности, известно отрицательное влияние значительных количеств белков в табаке на качество курительных изделий.
В соках и винах, наряду с пектиновыми веществами, они создают мути, для избавления от которой требуются специальные обработки.
3. ФЕРМЕНТЫ (ЭНЗИМЫ)
Ферменты, или энзимы, — это катализаторы белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах (фермент от лат. fermentum — закваска; энзим от греч. эн — в, внутри, зиме — закваска). Происхождение терминов связано с тем, что первоначально ферментативные процессы были открыты и изучены в бродильном производстве.
В настоящее время большое внимание уделяют исследованию строения, механизма функционирования ферментов, путей регуляции ферментативной активности. Такой интерес к биологическим катализаторам не случаен. Ферменты являются важнейшими компонентами клетки, они теснейшим образом связаны с разнообразными процессами жизнедеятельности. Совокупность биохимических реакций, катализируемых ферментами, составляет сущность обмена веществ, являющегося отличительной чертой всех живых организмов. Через ферментативный аппарат, регуляцию его активности происходит и регуляция скорости метаболических реакций, их направленности.
Изучение ферментов важно для медицины, сельского хозяйства, но и для различных отраслей пищевой и легкой промышленности, общественного питания, продовольственной торговли.
Общие и специфические свойства ферментов
Являясь катализаторами — веществами, ускоряющими реакции, ферменты имеют ряд общих свойств с химическими, небиологическимн катализаторами.
1.Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из реакции в первоначальном виде. Они не расходуются в процессе катализа.
2.Ферменты не могут возбудить реакций, противоречащих законам термодинамики, они ускоряют только те реакции, которые могут протекать и без них.
3. Ферменты, как правило, не смещают положения равновесия реакции, а лишь ускоряют его достижение.
Для ферментов характерны и специфические свойства, отличающие их от химических катализаторов, выражающих их биологическую природу.
1.По химическому строению молекулы все ферменты являются белками.
2.Эффективность ферментов выше, чем небиологических катализаторов (скорость протекания реакции при участии фермента на несколько порядков выше, чем при участии химических катализаторов).
3.Ферменты обладают узкой специфичностью, избирательностью действия на субстраты, т. е. на вещества, превращение которых они катализируют.
4.Одним из важнейших свойств ферментов как биокатализаторов является их регулируемость. Через регуляцию ферментативного аппарата осуществляется скоординированность всех метаболических процессов во времени и пространстве, направленная на воспроизведение живой материи, поддержание постоянства внутриклеточной среды, на приспособление к меняющимся внешним условиям.
5.При ферментативных реакциях в отличие от неферментативных наблюдаются лишь незначительные побочные процессы, для ферментативных реакций характерен почти 100% выход продуктов.
3.2. Общие принципы строения ферментов
До начала 20 столетия сведений относительно химической природы ферментов было очень мало, но уже тогда высказывались предположения о белковой природе ферментов. Такой точки зрения придерживался профессор Московского университета Н. Е. Лясковский, позднее аналогичное мнение высказывали академик И. П. Павлов, немецкий химик Э. Фишер и др., однако экспериментального подтверждения эти предположения не имели. Иной взгляд был у известного немецкого химика Р. Вильштеттера, добившегося больших успехов в выделении и очистке ферментов. Изучая свойства выделенных ферментов, Р. Вильштеттер пришел к выводу, что они относятся к особому классу веществ и состоят из двух компонентов: низкомолекулярной активной части (агон) и высокомолекулярного носителя (ферон).
В 20—30-х годах XX столетия стало появляться все больше данных, свидетельствующих о том, что ферменты — это белки. В 1926 г. Д. Самнером (США) из семян канавалии был выделен фермент уреаза в виде кристаллического белка. Несколько позже в 1931 г. Д. Нортроп (США) получил кристаллический пепсин. Этими работами была доказана белковая природа ферментов. Признанием больших заслуг Д. Самнера и Д. Нортропа в области энзимологии было присуждение им в 1946 г. Нобелевской премии.
Относительная молекулярная масса белков, обладающих ферментативными свойствами, колеблется от 15 тысяч до нескольких миллионов. Для ферментативных белков характерны те же физико-химические свойства, что и для белков, не наделенных этими функциями. Ферменты являются глобулярными белками, их молекулы могут быть представлены как простыми, так и сложными белками. В первом случае ферменты называют однокомпонентными, во втором — двухкомпонентными.
Белковая часть двухкомпонентных ферментов называется апоферментом, а молекула в целом — холоферментом. Небелковые компоненты, легко диссоциирующие из комплекса с ферментативным белком, принято называть коферментами. Они действуют как акцепторы (или доноры) атомов или функциональных групп, удаляющихся от субстрата (или присоединяющихся к нему).
Если небелковая часть фермента прочно связана с белком и в цикле биохимических реакций не отсоединяется от него, ее принято называть простетической группой. Однако резкой границы между коферментами и простетическими группами не существует, степень прочности связи ферментативных белков с небелковыми компонентами широко варьирует.
Небелковые компоненты ферментативной молекулы принято называть также кофакторами. Соединение белковой части фермента и небелковой может осуществляться за счет ионных, водородных связей, гидрофобных взаимодействий, реже — с помощью ковалентных связей.
Функциями коферментов и простетических групп являются:
1) участие в акте катализа,
2) осуществление контакта между ферментативным белком и субстратом,
3) стабилизация апофермента.
Апофермент, в свою очередь, усиливает каталитическую активность небелковой части и, кроме того, определяет специфичность действия ферментов, поскольку одна и та же по химизму небелковая часть может функционировать в составе различных ферментов. Например, НАД+ является коферментом многих дегидрогеназ — лактатдегидрогеназы (ЛДГ), малатдегидрогеназы (МДГ) и др. они отличаются апоферментной, белковой частью молекулы.
Активный центр образуется определенными боковыми радикалами аминокислотных остатков полипептидной цепи, а в двухкомпонентных ферментах в него входят и некоторые группировки небелковой части. У ферментов, имеющих четвертичную структуру, число активных центров, как правило, совпадает с числом субъединиц
Активный центр функционально неоднороден, в нем условно выделяют несколько зон. Те группировки активного центра, которые контактируют с подвергающимися превращению фрагментами молекул субстрата, т. е. принимают непосредственное участие в синтезе или расщеплении связи субстрата, входят в каталитическую зону. Группировки, контактирующие с непревращаемыми фрагментами субстрата, и укрепляющие его в активном центре, относятся к зоне связывания.
Связывание субстрата, как правило, многоточечное, оно осуществляется при участии нескольких группировок ферментативной молекулы и субстрата. В молекуле фермента существуют также остатки аминокислот, которые не имеют прямых контактов с субстратом, но способствуют катализу, фиксируя группировки каталитической зоны в активном состоянии.
Наиболее часто в состав активных центров входят такие аминокислоты, как серин, гистидин, треонин, цистеин, глутамин, аспарагин, аргинин. Аминокислоты, образующие активный центр, по длине полипептидной цепи находятся далеко друг от друга и оказываются сближенными при формировании пространственной структуры. Например, в активный центр химотрипсина входят гистидин — 57, аспарагин — 102, серин — 195, всего фермент состоит из 246 аминокислотных остатков.
Индивидуальные особенности строения активных центров различных ферментов обусловливают специфичность их действия. Специфичность ферментов может быть абсолютной и относительной. В случае абсолютной специфичности ферменты катализируют превращение только одного вещества, в случае относительной — небольшой группы близких по свойствам веществ. Примерами ферментов с абсолютной специфичностью являются уреаза, сукцинатдегидрогеназа (СДГ):
О
│ Уреаза
H2N—С—NH2 + Н20 → 2NH3 + СОа
Мочевина
К ферментам с относительной специфичностью относятся эстеразы, расщепляющие обширный ряд эфиров карбоновых кислот; некоторые фосфатазы, действующие на эфиры фосфорной кислоты; пептидазы и протеиназы, гидролизующие пептиды и белки.
3.3. Строение и функции отдельных коферментов и простетических групп
В качестве небелковых частей ферментов может функционировать большое число органических и неорганических (ионы металлов) веществ. Все их разнообразие принято условно делить на группы. Существует несколько различных принципов классификации небелковых частей.
По химизму они могут быть условно подразделены на 4 группы:
1) нуклеотидного типа строения,
2) витамины и их производные,
3) металлы и металлсодержащие небелковые части,
4) другие небелковые части.
Небелковые компоненты ферментов имеют сравнительно небольшую молекулярную массу и в отличие от апофермента являются гермостабильными.
Небелковые части нуклеотидного типа строения.10140951005205 Никотинамидные коферменты. К никотинамидным коферментам относятся НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Молекулы НАД+ и НАДФ+ состоят из двух гетероциклов — пиридинового и пуринового, соединенных цепочкой из двух остатков моносахарида рибозы и остатка пирофосфорной кислоты.
В составе этих коферментов содержится витамин РР, поэтому они могут быть отнесены и к группе коферментов — производных витаминов. НАДФ+ отличается от НАД+ тем, что содержит еще один остаток ортофосфата, связанный с С—2 рибозы аденозиновой части. НАД+ и НАДФ+ — типичные коферменты, так как непрочно связаны с белком и в цикле биохимических реакций переходят от одного фермента к другому.
Никотинамидные коферменты функционируют в составе большого числа дегидрогеназ. Кофермент связан с белком за счет электростатических связей и гидрофобных взаимодействий. НАД+ и НАДФ+ - содержащие дегидрогеназы катализируют перенос гидридиона (Н~) от субстрата к никотинамидной части молекулы кофермента, при этом в среду переходит протон:
79756042545Восстановленные НАД и НАДФ не имеют заряда на азоте пиридинового кольца и содержат присоединенный от субстрата водород в пиридиновом кольце в положении 4. Образовавшиеся в результате переноса гидридиона НАДН и НАДФН теряют сродство к апоферменту и отделяются от дегидрогеназы. Восстановленные коферменты затем окисляются путем переноса электронов и протонов к акцептору, связанному со вторым ферментом. Таким образом, НАД+ и НАДН, так же как НАДФ+ и НАДФН, функционируют циклически и участвуют в дисмутациях, т. е. в восставлении одного метаболита другим.
В живых организмах большая часть НАД находится в окисленной форме, а НАДФ — в восстановленной, что связано с различной ролью этих коферментов в метаболизме. Окислительно-восстановительные ферменты, участвующие в снабжении клетки энергией, являются НАД+ - зависимыми, а ферменты, катализирующие реакции восстановительных синтезов, используют НАДФН. НАДФН требуется для восстановительного биосинтеза большинства клеточных компонентов; в растениях он участвует и в синтезе глюкозы из С02 за счет световой энергии. Меньшую роль в процессах биосинтеза играет НАДН.
Переход НАД+ и НАДФ+ в восстановленное состояние сопровождается изменением спектра поглощения в УФ-области. Если окисленные формы коферментов имеют одну узкую полосу поглощения с максимумом при 260 нм, то у восстановленных появляется еще один пик с максимумом при 340 нм. На этом свойстве никотинамидных коферментов основан широко распространенный метод спектрофотометрического определения активности НАД+- и НАДФ+ -зависимых дегидрогеназ.
Хорошо изученными к настоящему времени дегидрогеназами являются ЛДГ (лактатдегидрогеназа), МДГ (малатдегидрогеназа), АДГ (алкогольдегидрогеназа), глицеральдегидфосфатдегидрогеназа.
В настоящее время показано, что НАД+ как кофермент участвует и в таких реакциях, где не используются его окислительно-восстановительные свойства, например, он необходим при работе ДНК-лигазы из Е. coli, катализирующей образование фосфодиэфирной связи.
Флавиновые простетические группы. К этой группе принадлежат ФМН (флавинмононуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид). Оба эти соединения можно одновременно рассматривать и как производные витамина В2 (рибофлавин).
ФМН не является типичным нуклеотидом, так как содержит не рибозу, а спирт рибит, не образующий гликозидной связи. Азотистым основанием служит демитилизоаллоксазин, неотносящийся к производным пурина или пиримидина. Оба флавиновых нуклеотида прочно связаны с белковыми частями ферментов, иногда даже ковалентно, поэтому их называют простатическими группами.
ФМН и ФАД функционируют в составе ряда окислительно-восстановительных ферментов (флавопротеинов). В настоящее время известно около 80 флавиновых ферментов, большинство из них в качестве небелковой части содержит ФАД. Рабочей частью флавинов является изоаллоксазиновое кольцо, способное в окисленной форме принимать на себя два атома водорода.
55943595250Окисленные флавопротеины имеют три максимума поглощения: при 280, 350—380 и 450 нм. При восстановлении почти полностью исчезает полоса поглощения в видимой области спектра (450 нм), обусловливающая желтую окраску флавопротеинов, кроме того, происходит частичное уменьшение поглощения при 280 и 350— 380 нм.
Глюкозооксидаза, как и некоторые другие флавопротеины, аутооксидабельна, т. е. способна передавать отщепляемый от субстрата водород непосредственно на молекулярный кислород, минуя цепь переноса электронов с образованием пероксида воророда, такие ферменты относятся к оксидазам.
Образующийся Н202 или используется в качестве окислителя несколькими пероксидазами или расщепляется каталазой.
Нуклеозидтрифосфаты и НДФС. АТФ и другие нуклеозидтрифосфаты (ГТФ, УТФ, ЦТФ) являются коферментами фосфотрансфераз, которые катализирут перенос фосфатного остатка от нуклеозидтрифосфатов на другие соединения с активацией последних. В некоторых случаях активация осуществляется путем переноса пирофосфатной, аденозиновой или аденозинмонофосфатной части молекулы АТФ. Например, перенос пирофосфата — двух фосфатных остатков от АТФ — имеет место при образовании тиаминдифосфата (ТДФ) — фосфорилированной формы витамина В1, перенос аденозинмонофосфата (АМФ) — в процессе активации аминокислот при биосинтезе белка, перенос аденозильного остатка (аденин — рибоза) осуществляется на соединения типа R — S — СНз, в частности, на аминокислоту метионин. Последняя реакция приводит к синтезу активной формы метионина: S-аденозилметионина, у которого метальная группа обладает повышенной реакционной способностью.
НООС—CHNH2 -(CH2)2-S-CH3 + АТФ + Н20
Метионин
НООС—CHNH2 - (CH2)2—S+—СН3 + Н3РО4 + Н4Р2О7
аденозин
S-Аденозилметионин
Нуклеозиддифосфатсахара (НДФС) участвуют как коферменты гликозилтрансфераз в реакциях переноса моносахаридных остатков при биосинтезе олиго- и полисахаридов.
Нуклеотидная часть в КоА служит «ручкой», с помощью которой кофермент присоединяется к белку, другая часть молекулы, имеющая длину 1,9 нм, оканчивается важной для функционирования SH-группой.
Для КоА наиболее характерно участие в реакциях активации и переноса ацетильных групп, однако он может осуществлять перенос и других кислотных групп, поэтому его еще называют коферментом ацилирования. Ацильные группы присоединяются к сере в составе КоА, богатой энергией тиоэфирной связью. Кислотный остаток при этом активируется. Синтез ацетилкоэнзима А (ацетил-КоА) из ацетата и КоА происходит у млекопитающих в печени и нервной ткани за счет энергии АТФ, при участии фермента ацетаттиокиназы.
КоА входит в состав пируватдегидрогеназной и α-кетоглутарат-дегидрогеназной систем, катализирующих процесс окислительного декарбоксилирования соответствующих кетокислот. Как кофермент КоА действует и в составе тиокиназы жирных кислот, осуществляющей реакцию их активации перед β-расщеплением Ацетил-КоА в свою очередь является коферментом ацетилтрансфераз, катализирующих реакции биологического ацетилирования, присоединения ацетильных групп (СН3СО—) к другим молекулам. Ацетил-КоА участвует в таких биохимических процессах, как синтез жирных кислот и стероидов из углеводов, осуществляет ацетилирование при синтезе ацетилхолина и ацетиламиносахаров,
494030737870Другие небелковые части ферментов. Липоевая кислота. Как кофермент липоевая кислота участвует в окислительном декарбоксилировании α-кетокислот. Липоевая кислота ковалентно связана амидной связью с ε-NH2-rpynnoй лизин в составе апофермента.
-666751498600Глутатион. Данный трипептид служит коферментом для ряда изомераз непредельных соединений и выполняет эту роль при внутримолекулярном переносе водорода (дисмутация). Глутатион участвует, например, в реакции изомеризации производных малеиновой кислоты в производные фумаровой кислоты, т. е. осуществляет процесс цис-транс-изомеризации. Глутатион является также коферментом при окислении формальдегида в формиат. Этот трипептид входит в состав ДДТ-дехлоргидразы, отщепляющей НСl от инсектицида и участвующей в его детоксикации. Высокая активность данного фермента характерна для насекомых.
3.4. Механизм ферментативного катализа
Для протекания любой реакции необходимо, чтобы реагирующие молекулы пришли в контакт друг с другом. Однако не каждое столкновение молекул сопровождается их взаимодействием, реакция протекает только в том случае, если молекулы обладают достаточным запасом кинетической энергии. Совокупность молекул любого вещества представляет собой статистический набор молекул с различной кинетической энергией. Энергию, необходимую для достижения активированного (переходного) состояния, или тот избыток энергии по сравнению со средней энергией молекул при данной температуре, которым они должны обладать, чтобы вступить в реакцию, называют энергией активации (Еа). В случае ферментативных реакций энергетический барьер снижается благодаря образованию ферментсубстратного комплекса, а чем меньше энергия активации, тем быстрее протекают реакции, так как вступить во взаимодействие могут молекулы с меньшим запасом энергии .
при ферментативной и неферментативной реакциях для достижения переходного состояния молекулы исходных веществ активируются, приобретают более высокий запас энергии, только после этого они могут претерпевать превращение в продукты реакции, но (Еа) в случае ферментативной реакции ниже.
Таким образом, большие скорости ферментативных реакций являются в конечном счете результатом снижения энергии активации катализируемых реакций. Именно благодаря тому, что биологические катализаторы снижают энергию активации, ферментативные реакции протекают с высокой скоростью при относительно низкой температуре.
Снижение энергии активации при ферментативном катализе имеет некоторую связь с многостадийностью этих реакций. Они протекают не в один этап, а ступенчато, через несколько промежуточных реакций. Активационный барьер реакции при этом разбивается на несколько более низких барьеров каждой промежуточной реакции, преодолеть которые реагирующим молекулам легче, чем один большой барьер.
Ферментативный катализ имеет признаки как гомогенного, так и гетерогенного катализа, протекающего на границе раздела двух фаз. В каталитическом действии ферментов можно выделить 3 стадии: 1) присоединение молекулы субстрата (S) к ферменту (Е), 2) превращение субстрата, 3) отделение конечных продуктов реакции (Р) от фермента. Простейшая схема ферментативной реакции записывается следующим образом.
E + S ⇆ ES → E + P
Наиболее быстрой обычно является первая стадия реакции, медленной — вторая. На 1-й стадии реакции происходит образование фермент-субстратного комплекса (ЈS, ФСК), в результате чего структура и свойства молекулы субстрата меняются, образуются его переходные формы. Это является главной предпосылкой ускорения процесса его превращения в катализируемой реакции.
Образование ФСК создает предпосылки высокой каталитической активности. Установлено, что при образовании ФСК молекулы фермента и субстрата не только сближаются, но и определенным образом ориентируются друг относительно друга. Между структурой субстрата и активного центра фермента кроме стерического соответствия существует и топохимическое, при котором обеспечивается взаимодействие узнающих групп фермента (связывающая зона) и узнаваемых групп субстрата. Связывание фермента и субстрата обычно многоточечное и при этом - чем выше специфичность фермента, тем больше точек узнавания.
Немаловажным фактором, вносящим определенный вклад в возрастание скорости ферментативных реакций, является увеличение на несколько порядков времени контакта реагирующих молекул в результате многоточечного связывания субстрата (ов) ферментом. Время, в течение которого длится контакт молекул при столкновении в случае чисто химической реакции, равно приблизилотельно периоду тепловых колебаний молекул (1013—1012 с). За это время не всегда успевает произойти химическая реакция.
При оптимальном связывании субстрата с ферментом образуется продуктивный ферментсубстратный комплекс, т. е. такой комплекс, который через ряд промежуточных стадий дает продукт (ы) реакции. Эти процессы протекают на 2-й стадии ферментативной реакции. Быстрому протеканию ферментативной реакции способствует то, что при взаимодействии субстрата с ферментом индуцируется напряжение разрываемых связей в субстрате (деформация или дестабилизация их), т. е. разрываемые связи становятся менее стабильными, чем в свободном субстрате.
Увеличение скорости реакции под влиянием ферментов происходит и благодаря большей гидрофобности среды активного центра по сравнению с окружающим раствором, в такой среде наблюдается десольватация заряженного субстрата, приводящая к дестабилизации разрываемой связи.
Важной особенностью ферментативных реакций является и то, что превращение субстрата протекает как полифункциональный катализ. Полифункциональность обеспечивается разнообразием аминокислотных остатков белковой части фермента и групп кофакторов в активном центре; на превращающуюся химическую связь субстрата одновременно или в результате серии последовательных атак воздействует несколько групп фермента. В результате этого происходит поляризация превращающейся связи и затем ее разрыв.
Многие группы в активных центрах ферментов функционируют как обобщенные кислоты или основания, воздействуют на субстрат, активируют его и тем самым увеличивают скорость катализа. Обобщенные кислоты, согласно Бренстеду,— это любые доноры протонов, а основания — акцепторы протонов. Особенно эффективен обобщенный кислотно-основной катализ. Он дает увеличение скорости в 10—100 раз. В качестве обобщенных кислотно-основных катализаторов функционируют в активном центре боковые радикалы таких аминокислот, как, например, глутамин, аспарган, гистидин, лизин, тирозин и др. В протонированной форме они являются кислотными катализаторами, в непротонированной — основными.
Нуклеофильные группы ферментов вступают в реакции нуклеофильного замещения, что приводит к образованию ковалентных промежуточных соединений, — ковалентный катализ. Нуклеофильная группа становится на место замещаемой группы, образуется ковалентный интермедиат; он неустойчив и легко распадается на продукты реакции. Сильным нуклеофилом является имидазольная группа гистидин, поэтому химическая модификация гистидин в составе активного центра приводит к инактивации ферментов. К нуклеофильным группам относятся также ОН-группа серин, SH-группа цистеин. Примерами электрофильных групп являются ионы металлов, например, Zn2+


Одна из функций, которую выполняют металлы в ферментах, заключается в том, что они выступают в роли электрофильных агентов. Так, в активном центре карбоксипептидазы А, содержащем ион Zn2+, последний представляет собой электрофильный агент, оттягивающий электроны от пептидной связи субстрата, облегчая ее гидролиз.
3.5. Типы ферментативных реакций. Ферментативные реакции по числу участников делятся на односубстратные и двухсубстратные. С большим числом субстратов реакции встречаются достаточно редко. Самым распространенным типом ферментативной реакции является двухсубстратная реакция с образованием двух продуктов: A+B ⇆ C + D. К этому типу относится примерно 60% всех известных реакций и прежде всего реакции переноса групп.
Редко встречаются односубстратные — однопродуктные реакции, примерами их являются реакции изомеризации, в частности глюкозо-1-фосфат ⇆ глюкозо-6-фосфат. Однако многие реакции по своим свойствам близки к односубстратным. Это наблюдается в тех случаях, когда из двух субстратов варьирует концентрация только одного. Например, гидролитические реакции можно рассматривать как односубстратные, так как концентрацию 2-го субстрата — воды — можно считать постоянной, в процессе реакции она уменьшается несущественно.
Реакции с одним субстратом по существу являются мономолекулярными химическими реакциями (А—P). Большинство из них относится к реакциям 1-го порядка, поскольку скорость реакции пропорциональна концентрации только одного реагирующего веществаПорядок реакции определяется характером ее зависимости от концентрации субстрата. Скорость мономолекулярной реакции может не зависеть от концентрации субстрата (при его избытке), тогда порядок реакции будет нулевым (V=ko, где k0 — константа скорости реакции нулевого порядка).
К реакциям 1-го порядка будут относиться и бимолекулярные (двухсубстратные) реакции. Это происходит в том случае, если концентрация одного из субстратов очень высока по сравнению с концентрацией другого, как, например, в случае реакций гидролиза. Большинство бимолекулярных реакций является реакциями 2-го порядка, поскольку их скорость пропорциональна концентрации двух реагирующих веществ или реже квадрату концентрации субстрата.

3.6. Множественные молекулярные формы ферментов и изоферменты.
Под множественными молекулярными формами ферментов (ММФФ) понимают группу ферментов, выполняющих идентичную каталитическую функцию у одного биологического вида, но отличающихся по структуре и ряду физико-химических свойств. Для разделения ММФФ наиболее часто используют различные варианты метода электрофореза с последующим специфическим выявлением зон, обладающих одинаковой ферментативной активностью. На электрофореграммах зоны активности ММФФ обозначают арабскими цифрами в порядке уменьшения анодной подвижности.
Все ММФФ делят на шесть классов.
1. Генетически независимые белки. Это ферменты, синтезирующиеся на разных генах. У многоклеточных организмов они часто характеризуются различной внутриклеточной, тканевой локализацией: например, пируваткиназа, енолаза, фруктозодифосфатальдолаза в тканях мышц и печени, малатдегидрогеназа и ряд аминотрансфераз — в митохондриях и цитозоле.
2. Гетерополимеры (гибриды) двух и более полипептидных цепей, связанных нековалентно. Примерами молекулярных форм ферментов этого класса являются ЛДГ, алкогольдегидрогеназа, креатинкиназа.
3. Генетические варианты (аллелозимы). Аллелозимы встречаются у организмов, гетерозиготных по генам, кодирующим данный фермент. В этот класс входят мутантные формы ферментов. Это очень многочисленный класс молекулярных форм ферменов, сюда относятся, например, глюкозо-6-фосфат — дегидрогеназа человека, аденозиндезаминаза и многие другие.
4. Сопряженные или производные белки. К этому классу ММФФ принадлежат формы ферментов, образующиеся в результате ковалентного присоединения или отщепления специфических групп к (от) белку. Такие модификации, как правило, сопровождаются изменениями ферментативной активности и некоторых физико-химических свойств фермента. Модификация может заключаться в фосфорилировании — дефосфорилировании (гликоген-фосфорилаза, гликоген-синтаза, фруктозо-дифосфатаза), аденилировании — деаденилировании (глутамин-синтетаза из Е. coli), окислении сульфгидрильных групп (ксантиноксидаза, липоилдегидрогеназа), гликозилировании (варьирование числа углеводных остатков показано для β-глюкуронидазы из печени быка, глюкозооксидазы из Penicilliumvitale, ДНКазы и РНКазы из поджелудочной железы быка), амидировании остатков аспаргин и глутамин (неодинаковая степень амидирования обнаружена у щелочной протеазы из Streptomycesrectus), расщеплении пептидных связей протеазами (альдолаза).
5. Олигомеры единственной субъединицы. При наличии у фермента четвертичной структуры различные молекулярные формы могут возникать за счет объединения в четвертичную структуру разного числа одинаковых полипептидных цепей. Так, β-глюкозидаза активна в виде моно-, ди-, тетра- и октамера. Различная степень олигомерности как причина появления ММФФ была установлена для глутаматдегидрогеназы, холинэстеразы и ряда других ферментов.
6. Конформационно различающиеся формы (конфорнеры). Конформерами называют белки, отличающиеся по конформации при одной и той же аминокислотной последовательности. Различия в пространственной структуре белка, связанные с числом заряженных групп на поверхности молекулы, приводят к неодинаковой электрофоретической подвижности. К 6-му классу будут относиться и все аллостерически модифицируемые ферменты.
Итак, термин ММФФ может быть использован как наиболее общий для группы ферментов, встречающихся у одного биологического вида и обладающих одинаковой специфичностью действия. Его следует использовать независимо от причины их появления. Термин изофермент, или изоэнзим, применим только к тем ММФФ, появление которых связано с генетически детерминированными различиями в первичной структуре (классы 1—3), а не с теми, которые обусловлены другими причинами при однаковой первичной структуре (классы 4—6).
3.7. Локализация ферментов и их сравнительная активность в отдельных органах и тканях
Все организмы, отдельные органы и ткани многоклеточных организмов отличаются друг от друга не только по морфологическим и анатомическим признакам, химическому составу, но и характеру метаболических процессов, который определяется «набором» ферментов и их активностью. Например, ферменты метаболизма зеленых пигментов характерны только для фотосинтезирующих организмов, а ферменты тромбин и плазмин — для человека и животных.
Внутри клетки индивидуальные ферменты, как правило, содержатся и действуют в строго определенных ее органеллах, компартментах. Внутриклеточная локализация ферментов непосредственно связана с той функцией, которую выполняет данный участок клетки. Установлено, что почти все ферменты гликолиза обнаруживаются в цитоплазме, ферменты ЦТК, β-окисления жирных кислот — в матриксе митохондрий, ферменты окислительного фосфорилирования — во внутренней мембране митохондрий. Ферменты орнитинового цикла присутствуют в митохондриях и цитоплазме, причем одни из них (орнитин-карбамоилтрансфераза, большая часть карбаматкиназы) локализованы в митохондриях, а другие (аргининосукцинат-синтетаза, аргининосукцинатлиаза) — в цитоплазме.
В ядрах сосредоточено небольшое число ферментов, в основном это ферменты синтеза нуклеиновых кислот, типичными представителями их являются α- и β-ДНК-полимеразы, РНК-полимераза. Очень богаты по набору ферментов лизосомы, в них широко представлены гидролитические ферменты. Лизосомы участвуют в «переваривании» содержимого фагоцитарных пузырьков, которые при этом сливаются с лизосомами. Такие объединенные образования остаются отделенными мембраной от остальных внутриклеточных компонентов, что и защищает последние от гидролиза. Вместе с тем при автолизе и некрозе тканей ферменты лизосом участвуют непосредственно в расщеплении компонентов самой клетки. У животных и человека лизосомы присутствуют в различных клетках, особенно много их содержится в лейкоцитах.В пероксисомах сосредоточены ферменты метаболизма гликолевой кислоты и утилизации пероксида водорода. Мембранные структуры микросом богаты цитохромом Р-450, катализирующий ряд реакций биологического гидроксилирования и других окислительных процессов. В строме хлоропластов содержится рибулозобисфосфат-карбоксилаза и другие ферменты, участвующие в синтезе углеводов из С02. В мембраны хлоропластов встроены АТФазы и переносчики электронов, функционирующие в процессе фотосинтеза. Четкая пространственная локализация ферментов в клетке обеспечивает их согласованную деятельность.
Многие биологические катализаторы благодаря их строгому расположению в клетке используют как маркеры тех или иных внутриклеточных структур. Например, при исследовании печени крыс показано, что кислая фосфатаза локализована в лизосомах, каталаза, оксидаза D-аминокислот — в пероксисомах, аденилатциклаза — в плазматической мембране, глюкозо-6-фосфатаза, НАДФН-цитохром с — редуктаза — в ЭПР, лактатдегидрогеназа — в цитоплазме галактозилтрансферазы — в аппарате Гольджи. Однако распределение ряда ферментов внутри клетки может быть неоднотипным у различных представителей живой природы. Так, фосфоенолпируват-карбоксилаза в печени крыс обнаруженна в цитоплазме, кролика — в митохондриях, а морской свинки — и в митохондриях, и в цитоплазме.
Отдельные ткани и органы животных и растений отличаются не только по набору ферментов, но и по их активности. Так, почти во всех тканях млекопитающих содержатся ферменты гликолиза, ЦТК, но активности их существенно отличаются в разных по специфичности клетках. Наибольшая активность ферментов гликолиза, а также креатинкиназы характерна для скелетных мышц, ферментов орнитинового цикла — для печени, РНКазы — для поджелудочной железы, глутаминазы — для мозга, β-глюкуронидазы — для селезенки. Такую особенность тканей используют в клинике при диагностике некоторых заболеваний. В частности, возрастание активности креатинкиназы в сыворотке крови является одним из показателей повреждения мышечной ткани.
Существуют также возрастные изменения в активности и наборе ферментов в тканях, которые наиболее четко заметны в период эмбрионального развития при дифференцировке тканей. Так, у неоплодотворенного куриного яйца обнаруживаются лишь следы лактатдегидрогеназной активности; она существенно возрастает с началом развития эмбриона.
Классификация и номенклатура ферментов. Согласно классификации, разработанной Международной комиссией по ферментам и принятой в 1961 г., все ферменты разделяют на шесть классов в соответствии с характером катализируемых ими реакций. Классы делятся на подклассы, а последние — на подподклассы или группы, внутри которых ферментам присвоен порядковый номер. Каждый фермент имеет свой индивидуальный четырехзначный шифр. Например, шифр фермента глюкозооксидазы КФ. 1.1.3.4, т. е. она относится к первому классу, первому подклассу внутри этого класса и к третьему подподклассу, где имеет порядковый номер 4. Деление на классы осуществляется следующим образом.
1. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции.
2. Трансферазы. Катализируют реакции переноса группировок с одного соединения на другое: XR + Z ⇆ X + RZ.
3. Гидролазы. Ускоряют гидролитическое расщепление веществ:
XY+H20 = XOH + YH.
4. Лиазы. Катализируют реакции негидролитического расщепления с образованием двойных связей или реакции присоединения по двойным связям.
5. Изомеразы. Катализируют реакции изомеризации соединений.
6. Лигазы (синтетазы). Ускоряют реакции синтеза с использованием энергии макроэргических соединений.
Рациональные, или систематические, названия ферментов, предложенные Международной комиссией, включают названия субстратов и характер катализируемых реакций. Рациональные названия довольно громоздки, поэтому за ферментами сохраняются и рабочие (тривиальные) названия. Например, фермент, катализирующий реакцию: АТФ + гексоза = гексозо-б-фосфат+ АДФ, имеет рабочее название гексокиназа.
1-й класс. Оксидоредуктазы. Систематическое название ферментов этого класса составляют по схеме: донор водорода: акцептор оксидоредуктаза. Оксидоредуктазы, катализирующие перенос водорода, имеют тривиальное название дегидрогеназы: R'H2+R" = R"H2 + R'.
Оксидоредуктазы подразделяют на 17 подклассов главным образом в зависимости от того, какие группировки подвергаются окислению, т. е. в зависимости от природы доноров водорода. В основу деления на подклассы, или группы, положен химизм акцептора водорода.
2-й класс. Трансферазы. Систематическое название ферментов этого класса образуется следующим образом: донор: акцептор — транспортируемая группа — трансфераза. Часто используют и цифровую приставку для указания положения, к которому присоединяется переносимая группа. Деление на подклассы идет по химизму переносимых групп, всего выделено восемь подклассов.
3-й класс. Гидролазы. Систематическое название ферментов класса гидролаз составляется из названия субстрата и через тире слова гидролаза. Отщепляемые группы могут быть указаны после названия субстрата, например аденозин — аминогидролаза. Класс гидролаз делится на одиннадцать подклассов.
4-й класс. Лиазы. Систематические названия ферментов этого класса образуют из названия субстрата, затем указывают отщепляемую группу и через дефис добавляют слово лиаза. Класс делят на семь подкласов.
5-й класс. Изомеразы. Систематическое название ферментов этого класса образуют по схеме: субстрат-тип реакции изомеризации-изомераза. При внутримолекулярном переносе групп ферменты имеют тривальные названия мутазы, а в реакциях инверсии групп у хиральных центров—рацемазы и эпимеразы. В 5-м классе выделено шесть подклассов.
6-й класс. Лигазы (синтетазы). Систематическое название образуется по схеме: А : В лигаза (образующая АДФ), где А и В — соединяющиеся молекулы, в скобках указывается продукт расщепления нуклеозидтрифосфата, который использовался в данной реакции как источник энергии. Весь класс делится на пять подклассов в зависимости от того, между какими атомами образуются связи.
3.8. Влияние ферментов на технологические свойства, качество и сохраняемость продовольственного сырья и пищевых продуктов
Велика роль ферментов при хранении и переработке пищевых продуктов, особенно свежих плодов, ягод, грибов, овощей, муки, крупы, макаронных изделий, мяса, рыбы, молока, яиц, в производстве растительных масел и хранении масличных семян.
Ферменты, оказывающие влияние на технологические свойства продовольственного сырья, качество и сохраняемость пищевых продуктов, принадлежат преимущественно к двум классам: классу оксидоредуктаз и классу гидролаз.
Ферменты класса оксидоредуктаз. Из них наиболее важны полифенолоксидаза, аскорбинатоксидаза, липоксигеназа, тирозиназа
Полифенолоксидаза содержится в грибах и высших растениях. Представляет собой медьсодержащий белок. Действием полифенолоксидазы объясняется потемнение поверхности разрезанного яблока или картофельного клубня. Она участвует в окислении полифенолов и дубильных веществ, происходящем при скручивании и завяливании чайного листа; ее действием объясняется также потемнение плодов и овощей при сушке.
Система полифенолоксидазы, полифенолов и соответствующих хинонов может окислять аскорбиновую кислоту в дегидроаскорбиновую.
В растениях имеется и особая оксидаза, осуществляющая превращение аскорбиновой кислоты в дегидроаскорбиновую. Называется она аскорбинатоксидаза, также являющаяся медьсодержащим белком. Высокой активностью отличается аскорбинатоксидаза в тыкве, капусте и кабачках.
Тирозиназа окисляет тирозин с образованием темноокрашенных соединений, называемых меланинами.
Активная тирозиназа содержится в грибах и ржаной муке. Темный цвет ржаного хлеба объясняют действием именно тирозиназы. Каталитическое действие тирозиназы является причиной потемнения макарон при сушке. Поэтому макаронную муку проверяют на тирозиназную активность. Мука с высокой тирозиназной активностью является нежелательным для производства макаронных изделий.
В некоторых видах продовольственного сырья присутствует фермент липоксигеназа, катализирующий окисление кислородом воздуха некоторых ненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот в свободном и связанном состоянии.
Липоксигеназа не содержит ни меди, ни железа. Это – белок-глобулин. Наиболее активна липоксигеназа в семенах сои; семена других бобовых культур и злаков содержат значительно менее активную липоксигеназу.
Из всех ненасыщенных жирных кислот липоксигеназа окисляет с достаточной скоростью лишь линолевую и линоленовую кислоты.
Окисление таких жирных кислот приводит к образованию гидроперекисей. Они, в свою очередь, обладая весьма высокой окислительной способностью, могут окислять далее новые порции ненасыщенных жирных кислот, каротиноиды, витамин А, аминокислоты, хлорофилл, аскорбиновую кислоту. Так как липоксигеназа катализирует вторичное окисление каротиноидов, сопровождающееся потерей характерной для них желтой ( кремовой) окраски, ее применяют для отбеливания пшеничной муки.
Липоксигеназа играет важную роль при разрушении каротина в процессе сушки и хранения различных пищевых продуктов. Отметим также, что липоксигеназа играет существенную роль в процессах прогоркания муки и крупы при хранении.
Ферменты класса гидролаз. Триацилглицероллипаза, или просто липаза, катализирует гидролиз сложноэфирных связей в молекулах моно-, ди- и триацилглицеролов.
Липазы различного происхождения весьма существенно различаются между собой по свойствам и характеру действия.
В организме животных и человека наиболее активная липаза содержится в соке, выделяемом поджелудочной железой, а также в печени.
В растениях и микроорганизмах липаза содержится в двух формах- в растворимом и нерастворимом. Нерастворимая липаза содержится в семенах клещевины.
Липаза, содержащаяся в семенах злаков, многих масличных культур и в микроорганизмах, в противоположность клещевинной липазе является растворимой.
Липаза имеет большое значение при хранении муки и крупы, особенно содержащих значительные количества жира (например, пшена). При повышенной влажности этих продуктов и высокой температуре хранения липаза быстро расщепляет жиры с образованием свободных жирных кислот, что увеличивает кислотное число (кислотность) продукта и приводит к быстрому прогорканию.
Пектаза (пектинэстераза) – один из ферментов, осуществляющих гидролиз пектиновых веществ. Как известно, растворимый пектин - сложный эфир полигалактуроновой кислоты и метилового спирта. Именно эту сложноэфирную связь и расщепляет пектаза с образованием свободной полигалактуроновой кислоты и метилового спирта. Пектазы много в картофеле, плодах цитрусовых растений.
Фермент миросульфатаза гидролитически расщепляет гликозид синигрин семян черной горчицы с образованием бисульфата калия.
Фитаза – фермент, отщепляющий остатки фосфорной кислоты от инозитфосфорной кислоты, которая в виде кальций-магниевой соли представляет собой фитин. Активная фитаза содержится в дрожжах и семенах, в том числе злаковых. Фитаза играет большую роль в качестве фактора пищевой ценности хлеба. Инозитфосфорная кислота, образуя нерастворимые соли с кальцием,препятствует его усвоению организмом. Поэтому фитаза дрожжей и муки , расщепляющая в процессе брожения теста большую часть содержащейся в нем инозитфосфорной кислоты, способствует лучшему усвоению солей кальция.
Амилазы – ферменты, под действием которых происходит гидролиз крахмала с образованием декстринов и мальтозы. Наиболее активные амилазы содержатся в слюне, в соке поджелудочной железы человека и животных, в плесневых грибах, в проросшем зерне.
Амилазы гидролизуют как неизмельченные крахмальные зерна. так и клейстер. Однако действие амилазы на неизмененные или даже механически поврежденные крахмальные зерна является весьма слабым по сравнению с их действием на оклейстеренный крахмал. Поэтому в отраслях пищевой промышленности осахаривание крахмала солодом как источником активной амилазы производится лишь после заваривания муки или измельченного картофеля. Амилазы представлены тремя ферментами –α-амилазой, β-амилазой и глюкоамилазой.
Ни α-амилаза, ни β-амилаза в отдельности не могут полностью гидролизовать крахмал или гликоген с образованием мальтозы. В проросшем зерне пщеницы и ржи содержится весьма активная α-амилаза. Поэтому в процессе брожения теста из муки, полученной из проросшего зерна, в нем накапливается значительное количество декстринов, придающих мякишу хлеба плохую эластичность, заминаемость, недостаточную пористость и неприятный вкус. Поскольку α-амилаза весьма чувствительна к высокой кислотности и резко снижается при этом ее активность, то тесто из муки, полученной из проросшего зерна, замешивают обычно на так называемых жидких дрожжах или молочнокислых заквасках. Таким образом обеспечивают накопление в тесте повышенного количества молочной кислоты, угнетающей а-амилазу и образование декстринов.
Глюкоамилаза гидролизует крахмал с образованием преимущественно глюкозы и небольшого количества декстринов. Поэтому с его помощью получают глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу.
Протопектиназа – фермент, расщепляющий протопектин. В результате образуется растворимый пектин.
Препараты,содержащие ферменты, гидролитически расщепляющие пектиновые вещества, получают из плесневых грибов. Эти препараты применяются в пищевой промышленности для осветления фруктовых соков, а также плодовых и виноградных вин, в которых обычно содержится большое количество растворимого пектина, затрудняющего фильтрование и являющегося причиной их недостаточной прозрачности.
Протеазы – это ферменты, катализирующие гидролиз белков и пептидов. Их еще называют пептид-гидролазами. Протеазы обычно делят на пептидазы и протеиназы. Велика роль протеаз в процессах послеубойных изменений мяса, особенно говядины. В частности, такое явление, как созревание мяса, во многом связано с действием протеолитических ферментов, т.е. протеаз.
Из лиаз отметим лизиндекарбоксилазу, катализирующую декарбоксилирование лизина с образованием пентаметилендиамина, больше известного под названием кадаверин ( трупный яд). Трупный яд образуется при гниении белков мяса и других видов. При ферментативном декарбоксилировании орнитина образуется тетраметилендиамин, известный еще как путресцин (гнойный яд). Микроорганизмы вызывают гниение белковых веществ в больших масштабах, особенно при хранении скоропортящихся животных продуктов из-за высокого содержания в них (продуцирования) соответствующих ферментов.

3.9. Использование ферментов в пищевой промышленности

Главными свойствами ферментов, на которых основывается эффективность практического применения ферментных препаратов, является их специфичность и высокая лабильность. Возможность осуществить необходимые химические изменения одного вещества, не затронув остальных составных частей обрабатываемого материала, дает большие преимущества при переработке различных видов пищевого сырья.
Так как наибольшее практическое применение получили гидролитические ферменты, правомерно сравнить ферментативный гидролиз с кислотным гидролизом того же сырья.
Особое значение приобретает замена кислотного гидролиза ферментативной обработкой в отраслях продовольственного комплекса, когда требуется удалить или расщепить те или иные составные части сырья, полупродуктов и даже готовых продуктов, не изменив при этом вкуса и аромата.
Потребность в широком использовании в пищевой промышленности ферментов, особенно получаемых из микроорганизмов, связана с возможностью осуществления необходимых химических изменений, не прибегая к сильнодействующим реактивам и высоким температурам.
Ферменты невозможно получить при помощи химического синтеза, поэтому стоит вопрос об экономической целесообразности того или иного вида сырья для получения ферментов. Ферменты содержатся во всех без исключения растительных и животных организмах и клетках микроорганизмов, однако использование их для извлечения ферментов становится возможным, когда в материале содержится достаточно большое количество ферментов и их выход будет достаточно высоким.
Из всех видов сырья животного происхождения богаты ферментами поджелудочная железа и слизистая оболочка желудка животных, что и позволило использовать эти по сути своей отходы мясной промышленности для извлечения ферментов. При этом получают ферментный препарат панкреатин, содержащий амилазу, протеиназы, липазу и некоторые другие ферменты. Из этих же видов сырья получают высокоочищенные пепсины, трипсины, хемотрипсины и липазу.
Однако для широкого использования в отраслях продовольственного комплекса животные протеазы малодоступны из-за ограниченных ресурсов сырья.
Важное промышленное значение имеет сычужный фермент, или ренин, выделяемый из четвертого отдела желудка телят и ягнят. Этот фермент используется в сыроделии и отличается от пепсина тем, что, обладая высокой свертывающей сполсобностью, не вызывает глубокого протеолиза казеина. Высушенные желудки телят и ягнят измельчают и экстрагируют фермент солевыми растворами. Добавлением дополнительного количества соли фермент выделяют и доводят до требуемых кондиций.
Важную роль играет и липаза. Пикантный и характерный вкус итальянских сыров обусловлен действием добавленной в молоко преджелудочной эстеразы.
Проводятся работы по замене реннина микробными протеиназами, однако они имеют те же недостатки, что и пепсин.
В пищевой промышленности также находят применение ферменты растительного происхождения. Широко известны такие растительные протеиназы, как папаин, бромелин и фицин.
Папаин получают из млечного сока плодов дынного дерева – папайи. На плодах дынного дерева, достигших определенной величины, делают продольные насечки и собирают вытекающий млечный сок. После серии обработок получают преперат папаина, пригодный для использования в пищевой промышленности. Он широко применяется в некоторых странах для мягчения мяса. Скорость мягчения при этом возрастает в десятки раз по сравнению с автолитическим путем такого мягчения. Ферментативной обработке рекомендуется подвергать такие части говяжьей туши, которые полноценны по своему белковому составу, но непригодны для использования при приготовлении натуральных полуфабрикатов из-за повышенной жесткости.
В некоторых странах для мягчения мяса применяют препараты протеиназ, полученные из плесневых грибов.
Препараты протеолитических ферментов применяют также с целью ускорения созревания рыбы, в частности сельди.
Бромелин получают из стеблей ананаса, фицин – из сока деревьев и листьев рода Ficus ( инжирное дерево). Фицин также применяют для мягчения мяса.
В некоторых странах применяются ферментные препараты, полученные из солода, используемые для улучшения качества хлеба. В нашей стране такое производство считается экономически невыгодным.
В последнее время в общественном питании и домашней кулинарии находит применение киви как богатый источник протеолитических ферментов. Его назначение также – мягчение мяса.
Препараты липоксигеназы успешно используются в пищевой промышленности, в частности для придания муке очень белого цвета. Это достигается путем обесцвечивания каротина его биохимическим окислением.
Однако, в целом следует отметить, что даже перечисленные виды растительного и животного сырья не могут служить основой для создания крупного промышленного производства ферментов, которое могло бы удовлетворить потребности пищевой и других отраслей экономики и социальной сферы.
Поэтому основным источником для получения ферментов являются культуры микроорганизмов. Микроорганизмы представляют собой неограниченный источник сырья для получения ферментов.
Очень важно, что большинство микроорганизмов, из которых выделяют ферменты, способны расти на относительно простых и дешевых питательных средах.
Добавление ферментных препаратов, полученных из микроорганизмов, к пшеничной муке сокращает процесс хлебопечения и улучшает вкус хлеба.
При переработке плодов и овощей применение ферментов или ферментных препаратов позволяет увеличить выход соков, вин, овощных пюре, облегчает процесс осветления соков и вин, улучшает качество продуктов. Увеличение выхода сока из растительных тканей связано с интенсификацией таких процессов, как гидролиз целлюлозы, гемицеллюлоз, протопектина, пектина и других веществ. Для этих целей используются целлюлазы,, протопектиназы, пектинэстеразы, полигалактуроназы и другие ферменты.
Вкус соков нередко ухудшается из-за присутствия в плодах полифенолов. Этот недостаток можно устранить использованием некоторых оксидаз.
Для того, чтобы хорошо осветлить соки и избежать их помутнения при хранении, важно полностью прогидролизовать содержащиеся в них белки, что достигается использованием протеаз.
В производстве соков чаще используются не индивидуальные ферменты, а концентрированные ферментные препараты, содержащие различные гидролазы, расщепляющие компоненты, обусловливающие мутность.
Липазы микроорганизмов в сочетании с другими ферментами используются для биологической очистки сточных вод. Кислая липаза применяется в хлебопечении, что содействует отдалению черствения хлеба. Липолитические ферменты в промышленных масштабах применяются для ферментации яичного желтка, улучшения его эмульгирующих и структурных свойств.
Ферментативные технологии стали настоящим масложировой отрасли. Энзимно переэтерифицированные масла имеют не только улучшенные органолептические свойства, но и большую усвояемость. Маргарины, полученные методом энзимной переэтерификации, имеют более низкие значения перекисного числа, чем маргарины химической переэтерификации. Низкие значения перекисных чисел переэтерифицированных с использованием ферментов жиров позволяют получать на их основе продукты, отличающиеся более высокими сроками годности.
Целлюлазу и протеазы используют для извлечения масел из копры, грецких и кедровых орехов вот уже более 80 лет. Начиная с 1971 года, комплекс ферментов используется для обработки жмыхов и шротов для увеличения выхода масла и повышения их пищевой ценности.
В отечественной практике запатентован способ извлечения масла из высокомасличного сырья с предварительной ступенчатой обработкой ферментами.
В связи с интенсивным развитием биотехнологий области применения ферментных препаратов и ферментов в отраслях продовольственного комплекса расширяются и имеют большие перспективы.

4. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Открытие нуклеиновых кислот и их биологическая роль
В 1868 г. швейцарский исследователь Ф. Мишер впервые выделил из ядер лейкоцитов человека соединения нового типа, ранее неизвестные, которые он назвал нуклеинами (от лат. nucleus — ядро). Вскоре сотрудники лаборатории Ф. Гоппе-Зейлера, в которой работал Ф. Мишер, в том числе и наш соотечественник Н. Любавин, выделили нуклеины из эритроцитов птиц, рептилий, из дрожжевых клеток и ряда других объектов. Позднее Ф. Мишер установил, что нуклеин — это сложное соединение, состоящее из кислого компонента с высоким содержанием фосфора (в 1889 г. этот компонент назвали нуклеиновой кислотой) и белкового компонента. Так были открыты нуклеиновые кислоты и новая группа сложных белков, содержащая их, — нуклеопротеины. Долгое время считали, что белковые компоненты нуклеопротеинов представлены только белками основного характера — гистонами и протаминами. В 1936 г. одним из основателей молекулярной биологии в нашей стране акад. А. Н. Белозерским и его сотрудниками в растительных нуклеопротеинах были обнаружены кислые белки типа альбуминов и глобулинов.
К середине 80-х годов XIX в. нуклеин был найден в составе хромосом, в связи с чем сформировались первые представления о его важной роли в передаче наследственных свойств. Однако позднее эти представления не получили развития, передачу наследственных свойств стали связывать с молекулами белка. В 40— 50-х годах XX в. были получены экспериментальные доказательства важнейшей роли дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК в явлениях наследственности у микроорганизмов. Первое доказательство принадлежит О. Эвери, К. Мак-Леоду и М. Мак-Карти, определившим в 1944 г. химическую природу трансформирующего агента.
Явление генетической трансформации было открыто Ф. Гриффитсом в 1928 г. Он сумел перенести свойство патогенности от одного штамма пневмококка Diplococcus pneumoniae другому штамму, заражая мышей смесью живых клеток непатогенного штамма и убитых клеток патогенного штамма. О. Эвери и его сотрудники показали, что свойство патогенности можно передать, используя ДНК, выделенную из убитых клеток. В настоящее время явление трансформации широко используют для генетического анализа у бактерий. Установлено, что можно осуществить также трансформацию клеток высших организмов.
Вторым важным доказательством генетической роли ДНК было выяснение механизма размножения бактериофага Т2 в клетках Е. coll. В 1952 г. А. Херши и М. Чейз показали, что ДНК бактериофага проникает внутрь бактериальной клетки и вводит туда «программу» для синтеза новых фаговых частиц. Подавляющая часть белка бактериофага остается на поверхности бактериальной клетки. Таким образом, именно ДНК, а не белок отвечает за передачу наследственной информации у бактерий и бактериофагов.
Таким образом, было доказано, что нуклеиновые кислоты — это важнейший компонент всех живых организмов, всех живых клеток. С участием нуклеиновых кислот происходит образование белков, являющихся материальной основой всех жизненных процессов. Каждый живой организм содержит свои специфические белки, которыми он отличается от других организмов. Информация, определяющая особенности структуры белков, «записана» в ДНК и передается в ряду поколений молекулами ДНК.
Нуклеиновые кислоты другого типа рибонуклеиновые кислоты (РНК) — являются обязательными и первостепенными участниками самого механизма биосинтеза белков. В связи с этим организм содержит РНК особенно много в тех тканях, в которых интенсивно образуются белки. Активное участие РНК в биосинтезе белков, определяет их важное значение в процессе морфогенеза, поскольку без интенсивного синтеза белков не мыслимо появление любого органа. В процессе эмбрионального развития до стадии гаструляции прирост содержания РНК у эмбриона идет медленно. Начало морфогенеза совпадает с резким повышением количества РНК - особенно в тех участках, где образуются органы. Самым высоким содержанием РНК характеризуется дорсальная губа бластопора — «организатор» морфогенеза. Первостепенная роль РНК в биосинтезе белков объясняет и ее большое значение в процессе регенерации тканей и органов, для которой прежде всего необходимо новообразование белков.
Следует иметь в виду, что мономерные звенья нуклеиновых кислот — нуклеотиды — играют самостоятельную важную роль в метаболизме: некоторые из них — коферменты, другие — аккумуляторы энергии в клетке, третьи — циклические нуклеотиды-регуляторы обмена веществ.
4.1.Общая характеристика строения нуклеиновых кислот
Компоненты нуклеиновых кислот. При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, моносахарид пентоза (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота.
Все нуклеиновые кислоты делятся на два типа в зависимости от того, какой моносахарид входит в их состав. Нуклеиновая кислота называется рибонуклеиновой (РНК), если в ее состав входит рибоза, или дезоксирибонуклеиновой (ДНК), если в ее состав входит дезоксирибоза.
Пентозы в нуклеиновых кислотах присутствуют всегда в β-D-фуранозной форме:
103441534290
β-D-Рибофураноза β-2-Дезокси-D-рибофураноза
(рибоза) (дезоксирибоза)
Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, являются производными ароматических гетероциклических соединений — пурина и пиримидина. Молекула пурина состоит из двух конденсированных колец: пиримидина и имидазола. Среди пуриновых азотистых оснований главную роль играют аденин (А) и гуанин (Г), а среди пиримидиновых оснований— цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т; 5-метилурацил):
60579060960
В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин, тимин; в РНК вместо тимина присутствует урацил. Ниже приведены одинаковыеи отличающиеся компоненты ДНК и РНК.
Одинаковые компоненты Отличающиеся компоненты
Аденин ДНК РНК
Гуанин Дезоксирибоза Рибоза
Цитозин Тимин Урацил
8629651939290Кроме главных азотистых оснований в нуклеиновых кислотах присутствуют в небольших количествах необычные — минорные основания. Так, в состав ДНК высших организмов входит 5-метилцитозин, содержание которого у высших растений намного превышает его содержание у животных. В ДНК ряда бактерий встречаются небольшие количества 6-метиладенина и 5-метилцитозина. Эти метилированные основания защищают «свои» ДНК от расщепления ферментами — ДНКазами. В ДНК Т-четных фагов Е. coli цитозин заменен на 5-гидроксиметилцитозин. В некоторых случаях его гидроксиметильная группа соединена с глюкозой. Особенно много минорных компонентов содержится в транспортных РНК: тиоурацил, дигидроурацил, псевдоуридин, ксантин (2,6-диоксипурин), гипоксантин (6-оксипурин), ацетилцитозин, оротовая кислота и другие, всего около 60.
Трехмерная структура различных пуриновых и пиримидиновых оснований была исследована методом рентгеноструктурного анализа. Молекулы пиримидинов имеют плоское строение, а молекулы пуринов — почти плоское. Все они, кроме аденина, существуют в таутомерных формах. Так, урацил может находиться в форме или лактима, или лактама:
113919089535 В составе нуклеиновых кислот все оксопроизводные азотистые основания присутствуют в форме лактамов. Азотистые основания поглощают свет в ультрафиолетовой области спектра с длинами волн 200—300 нм и максимумом около 260 нм. Это свойство используют при количественном определении нуклеиновых кислот.
В процессе обмена веществ растений и животных пуриновые основания образуют ряд продуктов: мочевую кислоту, кофеин, теобромин. В последние годы некоторые синтетические пиримидины широко используют в качестве биологически активных соединений.
Нуклеозиды и нуклеотиды. В нуклеиновых кислотах пуриновые авотистые основания через 9-й атом, а пиримидиновые — через 1-й образуют N-гликозидную связь с пентозой рибозой или 2'-дезоксирибозой.
Такие соединения, в которых азотистые основания связаны с рибозой или дезоксирибозой, называются нуклеозидами, а их фосфорные эфиры — нуклеотидами. Если аденин присоединяется к рибозе, то получается нуклеозид аденозин. Если к аденозину присоединяется остаток фосфорной кислоты в 5'-положении, то образуется 5'-адениловая кислота, или аденозин-5'-монофосфат, если в З'-положении — то .З'-адениловая кислота, или аденозин-З'-монофосфат. Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов приведена в табл. 6. Фосфат может этерифицировать сахар также в 2'- или З'-положении.
Все нуклеотиды — сильные кислоты, так как остаток фосфорной кислоты легко диссоциирует. К нуклеозидмонофосфату могут присоединиться посредством фосфоангидридной связи еще один или два остатка фосфорной кислоты. При этом образуются нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфаты. Если в состав нуклеозида входит дезоксирибоза, то перед названием соответствующего нуклеотида ставится приставка дезокси, например, д-АТФ-дезоксиаденозин-5'-трифосфат.
Строение полинуклеотидной цепи. Нуклеотиды — это повторяющиеся мономерные единицы олигонуклеотидов и полинуклеотидов. Олигонуклеотиды построены из нескольких мономеров, полинуклеотиды — из многих. Нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды, построенные из мономеров — нуклеотидов, число которых колеблется от 7 десятков до сотен миллионов.
Молекулы нуклеиновых кислот всех типов живых организмов — линейные полимеры, не имеющие разветвлений, что доказано с помощью ряда методов (химических, ферментативных, электронной микроскопии). Наличие так называемых палиндромных шпилек, образующих своеобразные боковые отростки от линейной цепи ДНК, не следует считать нарушением ее линейности,
Таблица 6. Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов
Азотистые основания Нуклеозиды Нуклеотиды
Полное название Сокращенное название
Адениен
Гуанин
Цитозин
Урацил
Тимин Аденозин
Гуанозин
Цитидин
Уридин
Тимидин Адениловая кислота, аденозинмонофосфат
Гуаниловая кислота, гуанозинмонофосфат
Цитидиловая кислота, цитидинмонофосфат
Уридиловая кислота, уридилмонофосфат
Тимидиловая кислота, тимидинмонофосфат АМФ
ГМФ
ЦМФ
УМФ
ТМФ
-41910592455так как в пределах каждой шпильки линейность структуры сохраняется. При суперспирализации ДНК также могут возникать своеобразные структуры, однако это тоже будут различные изгибы непрерывно продолжающейся линейной цепи. Роль мостика между нуклеотидами выполняет 3', 5'-фосфодиэфирная связь, соединяющая С-3' D-рибозы (или З'-дезоксирибозы) одного нуклеотида и С-5' другого.
В связи с этим полинуклеотидная цепь имеет определенное направление. На одном ее конце остается свободной 5'-ОН-группа (начало цепи), на другом — 3'-ОН-группа (конец цепи). Концевые гидроксильные группы могут быть этерифицированы фосфатом. Полное написание полинуклеотидных цепей сложно и громоздко, поэтому применяют схематическое изображение.
Полинуклеотидная цепь несет множество фосфатных групп, которые легко диссоциируют, вследствие чего она приобретает отрицательный заряд. В связи с этим нуклеиновые кислоты в клетке во многих случаях связываются с основными белками, образуя нуклеопротеины. РНК входят в состав рибонуклео протеинов (РНП), ДНК — дезоксирибонуклеопротеинов (ДНП).
-4381565405 В препаратах ДНК обнаруживаются в малых количествах Si, Mg, Са, Sr и ряд других микроэлементов, которые, по-видимому, участвуют в стабилизации структуры. Есть предположение, что кремний в форме кремниевой кислоты может в некоторых случаях заменять фосфатные остатки в молекуле ДНК.
Дезоксирибонуклеиновые кислоты
Первичная структура ДНК.
ДНК, подобно белкам, имеет первичную, вторичную и третичную структуры. Последовательность чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК составляет ее первичную структуру. Определение первичной структуры ДНК оказалось крайне сложной и трудной задачей, так как размеры молекулы огромны, а нуклеотиды бывают всего четырех видов. Больших успехов в изучении структуры ДНК достигли Э. Чаргафф и сотрудники его лаборатории, которые, используя метод хроматографии, впервые (1950) определили нуклеотидный состав ДНК, выделенной из разных объектов. Они установили, что соотношение в ДНК азотистых оснований подчиняется универсальным закономерностям, которые получили название правила Чаргаффа.
Эти исследования на огромном экспериментальном материале показали, что внутри ряда систематических групп нуклеотидный состав ДНК специфичен для каждого вида. Установлено, что у большинства животных преобладает АТ-тип строения ДНК. У бактерий наблюдается разброс нуклеотидного состава от сильно выраженного ГЦ-типа до АТ-типа. Нуклеотидный состав ДНК бактерий используют в настоящее время как один из систематических признаков в исследованиях по таксономии. Этот признак позволяет уточнять родство отдельных бактериальных видов, решать спорные вопросы классификации. Однако даже при одинаковом количественном соотношении А, Т, Г, Ц строение ДНК может быть различным, поскольку оно обусловлено также последовательностью расположения нуклеотидов.
Вторичная структура ДНК. В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик установили, что ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух антипараллельньгх полинуклеотидных цепей. Это заключение явилось результатом большого числа экспериментальных данных и первичных обобщений. К ним относятся работы. Э. Чаргаффа и его сотрудников, которые показали, что нуклеотидный состав ДНК жестко сбалансирован. Они свидетельствуют о том, что полинуклеотидная цепь ДНК расположена в форме спирали с периодом идентичности (шагом) 3,4 нм и расстоянием между плоскостями оснований 0,34 нм. Физико-химическими исследованиями было установлено, что в молекуле ДНК между амино- и кетогруппами азотистых оснований образуются водородные связи.
80962521590
Рис. 6. Спаривание аденина с тимином и гуанина с цитозином в молекуле ДНК.
водородные связи показаны пунктиром
Расстояния между гликозидными связями одинаковы для каждой пары нуклеотидов— 1,085 нм. Цепи ДНК направлены противоположно друг другу, т. е. антипараллелъны. Стабильность двойной спирали определяется в основном взаимодействием расположенных друг над другом, как стопка монет, азотистых оснований. Расстояние между плоскостями оснований (0,34 нм) примерно эквивалентно сумме ван-дер-ваальсовых радиусов ароматических колец. При этом создаются условия для возникновения особого рода ван-дер-ваальсовых сил — стэкинг-взаимодействий.
4.3. Физико-химические свойства ДНК. Хромосомы животных, бактерий, вирусов содержат по одной непрерывной ДНК-спирали огромной длины по сравнению с размерами ядра (табл. 7).
Таблица 7. Размер различных молекул ДНК (по В. А. Ратнеру)
Объект Длина хеликса, мкм Размер, кб1 Форма
Онкогенный вирус SV40 Фаг ΨХ174
Фаг λ
Хромосома E.coli
Хромосомы дрожжей
Х-Хромосома дрозофилы Средняя хромосома мыши 1,7
1,8
17,0
1500
50—750
1042
3,4×104 5,2
5,5
48,0
(2—3) ×103
1,5х102— 2,2×103
З×104 11,З×104 Двухцепочечная кольцевая Одноцепочечная
Двухцепочечная линейная
Молекулярная масса ДНК определена с помощью ряда методов. Классический метод ультрацентрифугирования позволяет определять размеры ДНК в пределах М = 2×105 — 1×109. Более длинные молекулы разрываются ДНК. при ультрацентрифугировании, поэтому их молекулярную массу определяют по вязкости.
Все внешние факторы, которые нарушают водородные связи или ослабляют стэкинг-взаимодействия, вызывают денатурацию ДНК. К ним относятся реагенты, подобные формамиду и мочевине, резкое изменение рН и ионной силы раствора повышение температуры выше 80°С. Денатурация ДНК — это любые изменения пространственного расположения цепей ДНК без разрыва ковалентных связей. Обычно при денатурации происходит нарушение водородных связей, или стэкинг-взаимодействий, или тех и других. Двойная спираль ДНК при этом полностью или частично разделяется на составляющие ее цепи.
Полная денатурация ДНК — это расхождение комплементарных цепей. При быстром охлаждении раствора денатурированной ДНК цепи остаются в разделенном состоянии. Однако если охлаждение проводить медленно, поддерживая в течение некоторого времени температуру немного ниже ТПл (этот прием называют отжигом), может восстановиться нативная структура. Восстановление первоначальной структуры нуклеиновой кислоты с более или менее полным восстановлением физических показателей и биологических свойств получило название ренатурации. Это процесс, противоположный денатурации.
Резкое подкисление или подщелачивание разрушает двухспиральную структуру ДНК, так как изменяется ионизация амино- и кетогрупп азотистых оснований, вследствие чего разрываются водородные связи. Растворы нативной ДНК оптически активны, обладают сильным правым вращением поляризованного света, которое уменьшается при денатурации.
Денатурация и ренатурация ДНК непрерывно протекают в клетке в процессе репликации ДНК, в процессе транскрипции. Проведение их в лаборатории позволяет изучать многие свойства молекул ДНК.
Третичная структура ДНК бактерий и вирусов. В частицах вирусов, клетках бактерий, как и в ядрах высших организмов, ДНК плотно «упакована», образует сложные структуры. Например, в хромосоме Е.сoli содержится ДНК длиной более 1 мм, хотя длина клетки не превышает 5 мкм. Одна из самых мелких молекул ДНК — вирусная, однако если ее вытянуть, то она будет во много раз длиннее, чем сам вирус
Цитоплазматическая ДНК. В цитоплазме эукариот содержится небольшое количество ДНК (менее 1% всей ДНК клетки). Она получила название цитоплазматической и отличается от ядерной ДНК по нуклеотидному составу и молекулярной массе. Заключенная в ней генетическая информация обусловливает цитоплазматическую наследственность. Цитоплазматические гены находятся в митохондриях и хлоропластах.
Наиболее полно изучена митохондриальная ДНК (мтДНК). В клетках животных она представлена двухцепочечными, обычно кольцевыми молекулами, длиной по окружности от 5 до 30 мкм. Молекулярная масса мтДНК у дрожжей, грибов, простейших (3—4) × 107, у высших животных до 107. В одной митохондрии может содержаться от 2 до 10 молекул ДНК, обычно они находятся в матриксе.
Все гены в мтДНК млекопитающих расположены исключительно компактно, почти без промежуточных нуклеотидных последовательностей, в то же время в дрожжевой мтДНК между генами находятся повторяющиеся некодирующие участки. МтДНК кодирует две рРНК митохондриальных рибосом, полный набор тРНК, необходимых для синтеза белка, и ограниченное число полипептидов, синтезируемых на полисомах в митохондриях. Полипептиды представляют собой субъединицы ферментативных комплексов внутренней мембраны митохондрий. Например, митохондриальную природу имеют в зависимости от объекта одна, две, а у дрожжей — три субъединицы АТФ-синтетазного комплекса, три субъединицы цитохромоксидазы и апофермент цитохрома 6. Остальные субъединицы этих комплексов кодируются ядерными генами и синтезируются в цитоплазме.
Бактериальные плазмиды. В цитоплазме многих бактерий кроме хромосомной ДНК содержатся добавочные маленькие кольцевые молекулы ДНК, присутствие которых необязательно для жизни клетки. Они получили название плазмид. Плазмиды способны автономно размножаться, стабильно наследуются, т. е. сохраняются без специальной селекции во внехромосомном состоянии. Некоторые плазмиды могут включаться в хромосому бактерии, они называются эписомами.
Плазмиды обладают как общими, так и специальными функциями. Всем плазмидам свойственна, например, способность к автономной репликации, а также свойство несовместимости (две близкородственные плазмиды не могут существовать в одной клетке).
Биологическая роль плазмид велика: они обеспечивают бактериям селективные преимущества в меняющихся условиях внешней среды. Благодаря способности к переносу и автономной репликации плазмиды широко используются в генетической инженерии.
Кроме бактерий, плазмиды иногда содержат синезеленые водоросли, а из эукариотических организмов — дрожжи.
Рибонуклеиновые кислоты
Гетерогенность молекул РНК. Содержащиеся в клетке РНК различаются размером, составом, функциями и локализацией. В цитоплазме содержится стабильная РНК нескольких видов: транспортная РНК (тРНК), матричная, или информационная (мРНК, или иРНК), рибосомная (рРНК). В ядре локализована ядерная РНК (яРНК), количестве которой составляет от 4 до 10% от суммарной клеточной РНК. В состав яРНК входит большое число молекул, различающихся по размерам и нуклеотидный последовательностям, существенно превышающее число различных молекул цитоплазматических мРНК.
Наряду с основными видами РНК из зараженных вирусами клеток можно выделить геномные РНК вирусов растений, некоторых вирусов бактерий (например, бактериофаг Q (3 кишечной палочки) и некоторых вирусов животных (вирус полиомиелита). Геномные РНК хранят и передают следующему поколению соответствующую генетическую информацию. Они относятся к самым крупным: их молекулярная масса достигает нескольких миллионов, а число нуклеотидов — десятков тысяч.
Молекула РНК в отличие от ДНК состоит (за редким исключением) из одной полинуклеотидной цепи. Полинуклеотидная цепь РНК, закручиваясь на себя, образует в палиндромных участках короткие двухспиральные «шпильки», в которых азотистые основания образуют комплементарные пары: Г с Ц, А с У. Это довольно прочные структуры, которые видны под электронным микроскопом.
Транспортная РНК. Транспортные РНК — самые мелкие молекулы РНК. Они включают в себя от 75 до 90 нуклеотидных единиц, М-23 000—30 000. тРНК составляют 10—20% суммарной РНК клетки. Их функция состоит в том, чтобы транспортировать аминокислоты в рибосомы и ставить их в определенные участки полипептидной цепи при ее биосинтезе. Таким образом, тРНК участвует в процессе трансляции, причем играет роль адаптора, т. е. своеобразного переводчика: переводит последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислотных остатков белковой молекулы. Каждой из 20 аминокислот соответствует своя тРНК. Для некоторых аминокислот известно несколько тРНК. Например, существует пять различных тРНК, переносящих лей, и пять различных тРНК, переносящих сер. В то же время каждый вид тРНК переносит в рибосому только один вид аминокислоты, «свою» аминокислоту. В клетке присутствует до 60 разных видов тРНК.Кроме четырех обычных рибонуклеотидов (А, Г, Ц и У) в тРНК содержится много (8—19%) минорных нуклеотидов. Список минорных компонентов тРНК включает до 60 названий: различные метилированные аденины и гуанины, метилированные пиримидины (тимин,5-метилцитозин) и др. Не все они встречаются в какой-либо одной молекуле тРНК, но универсальными и наиболее распространенными являются псевдоуридин и дигидроуридин.
Молекула тРНК представляет собой одиночную полинуклеотидную цепь, закрученную «на себя». Она образует сложную пространственную структуру.
Вторичная структура тРНК характеризуется частичной спирализацией молекулы. В центре молекулы находится неспирализованная область. 3'- и 5'-Концы полинуклеотидной цепи спарены, образуют акцептирующий стебель. Это самый длинный спирализованный участок (7 пар). Он завершается на З'-конце в большинстве случаев неспаренной последовательностью ЦЦА. К 3'- или 2/-ОН-группе концевого аденозинового остатка присоединяется соответствующая аминокислота через свою СООН-группу, образуется аминоацил-тРНК.
22479087630Рис. 7. Структура транспортных РНК: / — общая схема строения, // — третичная структура
Метилированные и другие модифицированные нуклеотиды располагаются в тРНК в участках, не вовлеченных в образование водородных связей. Возможно, они играют некоторую роль в образовании третичной структуры тРНК.
Матричная (информационная) РНК. Матричная РНК образуется в процессе транскрипции. Она несет точную копию генетической информации, закодированной в определенном участке ДНК, а именно информации о последовательности аминокислот в белках. У прокариот матричные РНК (мРНК) образуются сразу в процессе транскрипции. В эукариотических клетках в процессе транскрипции вначале образуются про-мРНК. Затем протекает процессинг, в ходе которого первичные транскрипты превращаются в мРНК. Свое название матричная РНК получила в связи с той функцией, которую она выполняет в клетке: она служит матрицей, на которой синтезируется полипептидная цепь в рибосоме. Каждой аминокислоте соответствует в мРНК определенная тройка (триплет) нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты. Последовательность кодонов в цепи мРНК определяет последовательность аминокислот в белке. Поскольку мРНК несет наследственную информацию о первичной структуре белка, нередко ее называют информационной РНК (иРНК).
Структура рибосом и рибосомной РНК. Рибосомная (рибосомальная) РНК (рРНК) — это та основа, на которой располагаются белки, образуя рибосому. На электронных микрофотографиях рибосомы видны как плотные округлые гранулы приблизительно сферической формы. Число рибосом в клетке очень велико: у бактерий в среднем 104, в эукариотических клетках— 106. Рибосомы локализуются главным образом в цитоплазме, кроме того,— в ядре (особенно в ядрышке), митохондриях и хлоропластах.
По размерам и молекулярной массе все изученные до сих пор рибосомы делят на три группы. Первую группу образуют относительно мелкие (30x30x20 нм) бактериальные рибосомы.
Вторую группу образуют крупные (40×40×20 нм) рибосомы эукариотических клеток. Они имеют константу седиментации 80S и М≈4,5х106. Как и рибосомы первой группы, они состоят из двух субчастиц. Малая 405-субчастица содержит 18S РНК и 30 белков. Большая 60S-субчастица содержит 28S РНК, 5S РНК и 5,8S РНК, а также 41 белок (табл. 8).
Таблица 8. Размеры рибосомных РНК
Объект исследования Константа седиментации, S Молекулярная масса Число нуклеотидов
E.coli
Печень крысы 23
16
5
28
18
5,8
5 1,1 ×106
0,56 ×106
4,1 ×104
1,7 ×106
0,65 ×106
5 ×104
4 ×104 3200
1600
120
5000
1900
155
121
Третью группу составляют рибосомы митохондрий и хлоропластов эукариотических клеток. Рибосомы митохондрий в общем относятся к классу 70S. Однако они различаются по коэффициентам седиментации у разных групп эукариот. Так, у грибов и эвгленовых коэффициент седиментации митохондриальных рибосом составляет 70—74S, у высших животных — 55—60S, у высших растений — около 80S. Рибосомы хлоропластов, напротив, более однородны по этому признаку, коэффициент их седиментации равен 67—70S.
При синтезе белка определенное число рибосом (от 3 до 80— 100) прикрепляется к длинным нитевидным молекулам мРНК, образуя полисомы. Каждая рибосома в полисоме
способна синтезировать полную полипептидную цепь. Образование групп рибосом повышает эффективность использования мРНК, поскольку на ней может одновременно синтезироваться несколько идентичных полипептидных цепей. Полисомы находятся или в свободном состоянии, или в тесной связи с мембранами эндоплазматической сети. мРНК, кодирующие внутриклеточные белки, содержатся преимущественно в свободных полисомах, а мРНК, кодирующие секреторные белки,— в мембраносвязанных.
4.5. Биосинтез нуклеотидов
Пути синтеза мононуклеотидов. Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды могут синтезироваться de novo, т. е. из простых предшественников, а также непосредственно из готовых пуриновых и пиримидиновых оснований. Относительное значение этих двух путей существенно отличается для разных клеток. Так, в тканях млекопитающих нуклеотиды преимущественно синтезируются de novo, хотя в быстро растущих тканях образуются обоими путями. Напротив, для нормального роста и развития многих видов бактерий необходимо наличие в питательной среде готовых молекул пуринов или пиримидинов.
Биосинтез пуриновых нуклеотидов. Биосинтез пуринового кольца de novo протекает одинаково у разных видов живых существ: у бактерий, дрожжей, птиц, человека. Это один из многих примеров единства ряда основных биохимических процессов всего живого. Эксперименты с использованием изотопов позволили установить, из какого предшественника поступает каждый атом пуринового кольца (рис. 8).
97726553340Рис. 8. Происхождение атомов пуринового кольца
Таким образом, синтезируется не свободное азотистое основание, а его нуклеотид — инозиновая кислота. Инозиновая кислота служит предшественником всех остальных пуриновых нуклеотидов. Так, адениловая кислота (АМФ) образуется в результате аминирования ИМФ, аминогруппа поставляется аспарагиновой кислотой. Образование гуаниловой кислоты (ГМФ) из ИМФ является двухстадийной реакцией. Первая стадия состоит в окислении ИМФ до ксантозин-5'-фосфата (КМФ). Затем происходит его аминирование, и образуется ГМФ. Донор аминогруппы, повидимому, различен у ряда организмов: у птиц и млекопитающих донором служит глицин, в бактериальных системах — NH3.
Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов. Применение метода изотопов позволило выяснить происхождение отдельных звеньев пиримидинового ядра.
Первым этапом в синтезе пиримидиновых нуклеотидов является образование карбамоилфосфата из NH3 и СО2. Карбамоилфосфат вступает в реакцию с аспаргин и под действием аспартат-карбамоилтрансферазы превращается в карбамоиласпартат. Последний подвергается циклизации и окислению, в результате чего образуется оротовая кислота, т. е. завершается формирование пиримидинового кольца.
Превращение урацила в цитозин происходит на уровне нуклеозидтрифосфатов. Оно осуществляется под действием фермента ЦТФ-синтетазы: УТФ + NН3+АТФ→ЦТФ+АДФ + Фн. Тиминовые нуклеотиды образуются в результате метилирования дезоксиуридинмонофосфата. Реакция катализируется ферментной системой, которую часто называют тимидилат-синтазой. Процесс весьма сложен и протекает в несколько стадий. Источником одноуглеродного фрагмента при С-5 служит кофермент N5,N10-метилентетрагидрофолиевая кислота.
Биосинтез дезоксирибонуклеотидов. Превращение рибозы в дезоксирибозу происходит на нуклеотидном уровне. Механизм этого процесса был выяснен при изучении восстановления рибонуклеотидов в экстрактах Е. coli. Фермент рибонуклеозид-дифосфатредуктаза катализирует восстановление всех четырех рибонуклеозиддифосфатов — АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ в их дезоксипроизводные дАДФ, дГДФ, дЦДФ, дУДФ. Источник восстанавливающей способности фермента in vivo неизвестен.
In vitro активны два донора водорода. Один из них — низкомолекулярный серосодержащий белок тиоредоскин, две SH-группы которого окисляются с образованием дисульфидного мостика. Вторым донором водорода может служить восстановленный глутатион. Редуктазные системы, выделенные из различных животных клеток, сходны с описанной системой Е. coli.
4.6 Ферменты синтеза и превращений нуклеиновых кислот
ДНК-полимеразы. В бактериальных клетках содержится несколько ДНК-полимераз. ДНК-полимераза I была открыта первой в экстрактах Е. coli группой А. Корнберга (1956). Этот фермент катализирует полимеризацию нуклеотидов на одноцепочечной матрице. Для синтеза необходима ДНК-затравка (праймер). Полимеризация протекает путем присоединения мононуклеотидов к 3'-ОН-группе ДНК-затравки. Матрица определяет выбор ферментом нуклеотида соответственно правилам комплементарности: А спаривается с Т, Г — с Ц. Рост цепи происходит в направлении 5'→3'. ДНК-полимераза специфически нуждается в 5'-трифосфатах дезоксирибонуклеозидов, 5'-дифосфаты и 5'-монофосфаты неактивны. Неактивны также 5'-трифосфаты рибонуклеозидов. Для реакции требуются ионы Mg2+.
В процессе репликации ДНК синтетическая активность ДНК-полимеразы I играет вспомогательную роль — этот фермент «застраивает» бреши, образующиеся между фрагментами ДНК после удаления РНК-затравок. ДНК-полимераза I выполняет также функцию коррекции, т. е. отщепляет неправильно включенные в ДНК нуклеотиды. В этом случае фермент проявляет 3'→5'-экзонуклеазную активность.
ДНК-полимераза I играет важную роль в репарации, т. е. в устранении повреждений участков ДНК. В отличие от других ДНК-полимераз ДНК-полимераза I может вести синтез ДНК на матрице, имеющей несколько разрывов. Это связано с присущей ей 5'-3' - экзонуклеазной активностью: ДНК-полимераза I проводит отщепление ряда нуклеотидов, увеличивает размер бреши до величины, при которой она может служить «стартовой площадкой» для синтеза.
Важная роль принадлежит ДНК-полимеразе I в вырезании тиминовых димеров, образующихся в результате ультрафиолетового облучения клеток, и в застройке образовавшихся пробелов. Катализируя одновременно включение нуклеотида по З'-концу и удаление нуклеотида с 5'-конца, ДНК-полимераза I вызывает продвижение однонитевого разрыва вдоль молекулы ДНК. Такое перемещение разрыва или «трансляция ника» (от англ. nick — насечка), по-видимому, происходит и при репарации повреждений, возникающих в результате ультрафиолетового облучения клеток- Таким образом, роль в клетке ДНК-полимеразы I очень велика.
В клетках Е. coli содержится также ДНК-полимераза II. Роль ее сводится к восстановлению повреждений в участках молекулы ДНК. Если в ДНК существует пробел в 2—100 нуклеотидов, то ДНК-полимераза II заполняет его путем встраивания нуклеотидов с 3'-ОН-конца пробела. Если пробел больших размеров, то ДНК-полимераза II не может проводить репарацию, или проводит ее частично. Если в клетке отсутствует ДНК-полимераза I, то ДНК-полимераза II достраивает фрагменты ДНК, образующиеся при репликации ДНК.
В 1972 г. Т. Корнберг и сотрудники выделили из клеток Е. coli ДНК-полимеразу III. Она играет главную роль в репликации ДНК. Как и другие полимеразы, фермент проводит полимеризацию только в 5'-3'-направлении. Матрицей in vitro служит двухцепочечная молекула ДНК, имеющая большое число коротких пробелов и в связи с этим свободных З'-ОН-концов. Однако активный комплекс ДНК-полимеразы III с двумя специфическими белками в присутствии кополимеразы III работает только на длинной матрице. Активность ДНК-полимеразы III в 15 раз выше, чем ДНК-полимеразы /, и в 300 раз выше, чем ДНК-полимеразы II.
Эукариотические клетки, так же как и клетки Е. coli и других прокариот, содержат несколько ДНК-полимераз. В отличие от прокариотических, эукариотические ДНК-полимеразы не обладают экзонуклеазной активностью, поэтому они не могут выполнять функцию коррекции. Преобладающий фермент называется α-ДНК-полимераза. Особенно часто она встречается в быстро растущих клетках, осуществляет репликацию ядерной ДНК. Второй фермент — β-ДНК-полимераза — участвует в репарации ядерной ДНК, не встречается у низших эукариот (дрожжи, низшие растения). Третья — γ-ДНК-полимераза обнаружена в митохондриях. Она отличается от α- и β-ферментов по свойствам и, видимо, катализирует репликацию митохондриальной ДНК.
ДНК-зависимая РНК-полимераза. Все типы РНК в клетке — матричная, рибосомная, транспортная — синтезируются на матрице ДНК. Они образуются благодаря действию ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Последовательность дезоксирибонуклеотидов цепи ДНК при этом транскрибируется, как бы переписывается буквами другого языка, поэтому сам процесс называется транкрипцией, в последовательность рибонуклеотидов в РНК.
Мононуклеотиды присоединяются по принципу комплементарности один за другим к З'-гидроксильному концу цепи РНК, цепь растет в направлении 5'→3', нуклеотиды связываются 3'→5'- фосфодиэфирными связями. Для реакции нужны все четыре вида рибонуклеозидтрифосфатов и ионы Mg или Мn. Хотя обычно матрицей служит двухцепочечная ДНК, транскрибируется одна ее цепочка, несущая антикодоновые последовательности, так что образующаяся мРНК содержит кодоны. Обычно копируется только определенный участок ДНК, кодирующий один определенный фермент или группу ферментов.
РНК-полимеразы найдены в животных, растительных и бактериальных клетках. Кроме транскрипционной РНК-полимеразы у Е. coli существует еще одна РНК-полимераза. Ее функция — синтез коротких РНК-затравок, необходимых для инициации репликации и синтеза фрагментов ДНК. В клетках прокариот обнаружены также мелкие РНК-полимеразы фагов. Они синтезируют мРНК, кодирующие фаговые белки, на матрицах ДНК фагов.
У всех эукариот, от дрожжей до млекопитающих, обнаружена система множественных РНК-полимераз. РНК-полимеразы эукариотических клеток выделены из тимуса теленка, культуры клеток человека, печени крысы и дрожжей. В каждом объекте обнаружено три различных фермента: высокомолекулярные белковые комплексы, содержащие сложный набор субъединиц. Все они являются ядерными ферментами.
РНК-полимераза 1 обнаружена в ядрышке и катализирует синтез рибосомных РНК. Этот фермент существует в двух формах, одна из которых состоит из 5—6 субъединиц, другая содержит на одну субъединицу меньше. РНК-полимераза II присутствует в нук-леоплазме, транскрибирует все гены эукариот, кодирующие белки, а также основные гены вирусов животных. Состоит из пяти субъединиц. РНК-полимераза III также локализована в нуклеоплазме, считается, что она отвечает за синтез 5S РНК и тРНК; состоит из 10 и более субъединиц. Молекулярная масса субъединиц перечисленных РНК-полимераз колеблется в широких границах.
Митохондрии эукариот имеют самостоятельный аппарат для матричного синтеза. Из них выделена самая простая из известных РНК-полимераз — мономер с М≈64 000.
Обратная транскриптаза. Необычное внимание привлекала к себе обратная транскриптаза, или ревертаза, или РНК-зависимая ДНК-полимераза. Она была обнаружена в составе РНК-содержащих онкогенных вирусов саркомы Рауса, птичьего миелобластоза, лейкемии Раушера, в ряде опухолей человека. До ее открытия полагали, что генетическая информация передается только с ДНК на РНК (транскрипция). Этот фермент синтезирует ДНК на РНК, переносит генетическую информацию с РНК на ДНК, в связи с чем получил название обратной транскриптазы или ревертазы, Ревертаза обладает тремя ферментативными активностями.
Первая из них — РНК-зависимая ДНК-полимеразная. Она обеспечивает синтез одноцепочечной комплементарной ДНК (кДНК) по матрице РНК; требует затравки, которой может служить гомо- или гетерополимер длиной от 4 до 200 нуклеотидов, построенный либо из рибо-, либо из дезоксирибонуклеотидов, т. е. обязательно содержащий З'-ОН-группу.
Вторая активность — ДНК-зависимая ДНК-полимеразная, обеспечивающая синтез второй цепи ДНК (анти- кДНК) и отвечающая за превращение одноцепочечной ДНК в двухцепочечную форму на матрице ДНК. Третья — активность РНКазы Н, гидролизирующей РНК в составе РНК-ДНК-гибрида. Сначала обратная транскриптаза синтезирует на матрице РНК комплементарную цепь ДНК, в результате чего образуется двухцепочечная гибридная молекула РНК-ДНК. Исходная молекула РНК разрушается. На оставшейся цепи ДНК обратная транскриптаза достраивает вторую цепь ДНК, получается двухцепочечная молекула.
Образовавшаяся таким образом двухцепочечная вирусная ДНК может встраиваться в геном (хромосому) клетки хозяина. В дальнейшем это приводит либо к размножению онкорнавируса (РНК-овый онкогенный вирус), либо к образованию опухоли. Ген, кодирующий синтез обратной транскриптазы, содержится в геноме онкорнавируса.
Изучение свойств обратной транскриптазы показало, что она не обладает избирательностью в отношении матрицы и затравки. Это позволило использовать фермент в генетической инженерии для синтеза генов, для изучения разных участков вирусных геномов, а также числа генов в эукариотических клетках, их первичной структуры, процессинга РНК.
ДНК-лигазы. Единичные разрывы в цепи ДНК устраняются ферментами RHK-лигазами. Они катализируют образование фосфодиэфирной связи между З'-ОН и 5'-фосфорилом, между фрагментами ДНК, сближенными на расстояние одного нуклеотидного звена. Синтез происходит сопряженно с расщеплением пирофосфатной связи в НАД+ (Е. coli и другие прокариоты) или Атф (эукариоты). Так образуются ковалентно замкнутые нити ДНК.
При этом от НАД+ отщепляется НМН (никотинамидмононуклеотид), а от АТФ — Н4Р207. Образующийся в обоих случаях АМФ присоединяется сначала к ферменту, а затем к сшиваемому 5'-концу ДНК, активируя его и выделяясь после завершения лигазной реакции. Лигазы играют важную роль в метаболизме нуклеиновых кислот, участвуют в процессах репликации, репарации и рекомбинации. В генетической инженерии лигазы используют для «сшивания» молекул ДНК.
Репликаза. Репликацию РНК РНК-содержащих вирусов проводит РНК-зависимая РНК-полимераза (РНК-репликаза). Образование этого фермента в зараженной вирусом клетке индуцирует вирусная РНК. Репликаза использует нуклеозидтрифосфаты для синтеза одноцепочечной вирусной РНК. На первой стадии синтеза фермент образует на матрице РНК вируса комплементарную РНК с противоположной полярностью (репликативная форма). На второй стадии эта цепь служит матрицей для синтеза множества новых вирусных цепей РНК. Обе стадии синтеза катализируются одним и тем же ферментом, но в каждой из них участвуют различные белковые факторы.
Полинуклеотидфосфорилаза. Полинуклеотидфосфорилаза катализирует синтез РНК из рибонуклеозиддифосфатов: PHKn+ НДФ⇆РНКn+1 + Фn. Для синтеза требуется затравочная цепь РНК со свободной 3'-ОН-группой, к которой присоединяются мононуклеотиды. Состав продукта полностью определяется соотношением рибонуклеозиддифосфатов в исходной смеси, что позволяет получить in vitro полимеры с заданным нуклеотидным составом. В связи с этим полинуклеотидфосфорилаза была использована для построения матриц с целью расшифровки генетического кода. Поскольку реакция, катализируемая полинуклеотид-фосфорилазой, обратима, считают, что в клетке с ее помощью происходит разрушение короткоживущих мРНК.
ДНК-(цитозин-5)-метилтрансферазы (ДНК-метилазы). Известно, что в ДНК наряду с основными азотистыми основаниями содержатся минорные компоненты — метилированные, глюкозилированные и иным образом модифицированные основания. Они наряду с особенностями первичной структуры обеспечивают видовую специфичность ДНК. Модификация обычных азотистых оснований протекает после того, как цепи ДНК уже построены. Например, метилируются 6-аминогруппа аденина и С-5 цитозина. Метильная группа с S-аденозилметионина переносится на адениновый или ци-тозиновый остаток в цепи ДНК. Процесс катализирует фермент ДНК-метилаза. Метилирование происходит в строго определенных точках молекулы ДНК, где находятся специфические последовательности нуклеотидов. Метилирование защищает ДНК от расщепляющего действия ДНК-рестрикционных ферментов.
Нуклеазы. Ферменты, расщепляющие фосфодиэфирные связи в молекулах нуклеиновых кислот, называются нуклеазами. Расщепление фосфодиэфирной связи может осуществляться двумя способами: в одном случае образуются продукты, фосфорилированные на 5'-конце, в другом — на 3'-конце. Различают эндонуклеазы и экзонуклеазы. Эндонуклеазы гидролизуют фосфодиэфирные связи внутри молекулы одновременно во многих точках с образованием обломков различной величины. Экзонуклеазы отделяют один нуклеотид за другим от одного из концов полинуклеотидной цепи. В зависимости от специфичности к субстрату нуклеазы делят на две группы: рибонуклеазы (РНКазы) и дезоксирибонуклеазы (ДНК-азы).
Функции РНКаз в клетке разнообразны. Например, РНКаза I расщепляет РНК разных типов до мононуклеотидов, которые используются впоследствии для синтеза новых РНК. РНКазы II, III, IV, Р участвуют в процессинге мРНК, рРНК, тРНК, которые образуются сначала в виде молекул-предшественников. РНКаза специфически расщепляет РНК в ДНК-РНК гибридных комплексах. Она может участвовать в расщеплении РНК-затравок при синтезе ДНК, а также в расщеплении РНК при работе обратной транскриптазы.
С помощью рестриктаз бактерии могут разрушать чужеродные ДНК, попавшие в клетку в результате конъюгации или вирусной инфекции. Таким образом, рестриктазы защищают бактериальную клетку от внедрившейся в нее чужеродной ДНК. Чтобы остаться в клетке нерасщепленной, чужеродная ДНК должна быть определенным образом метилированной.
Рестриктазы обладают специфичностью к:
1) узнаваемой последовательности,
2) месту рестрикции (расщепление),
3) метилированию оснований узнаваемой последовательности.
Название рестриктаз трехбуквенное, его образуют первая буква названия рода микроорганизма-продуцента и первые две буквы названия вида. Если рестриктаза кодируется геном плазмиды или фага, то указывают символ этого нехромосомного элемента, например EcoR. Если штамм содержит несколько рестриктаз, то они обозначаются римскими цифрами: Hind I, Hind II, Hind III. Если несколько штаммов бактерий одного вида содержат разные рестриктазы, то к трем буквам названия добавляют цифровое или буквенное обозначение штамма: Есо В, Есо К.
Рестриктазы II типа состоят из двух отдельных белков — собственно рестриктазы и метилазы. Эти ферменты «узнают» определенную последовательность в ДНК, которая обычно представляет собой палиндром из 4 или 6 пар нуклеотидов. Рестриктаза, имеющая небольшую молекулярную массу (около 60 000), «разрезает» либо эту последовательность, либо последовательность, расположенную рядом. Например, EcoR 1-эндонуклеаза узнает гексануклеотидную последовательность и разрезает ее в точках, указанных стрелками (звездочками указаны места метилирования);

5'—Г—А*─ А—Т—Т─Ц-3'
3'—Ц─Т—Т─А—А*─Г—5'

Участки расщепления представляют собой палиндромы. EcoR I-эндонуклеаза расщепляет две цепи ДНК в разных точках; поэтому продукты расщепления имеют «липкие» концы.
Эндонуклеаза Hind II (рестриктаза бактерии Hemophilus influenzae) расщепляет ДНК, образуя «тупые» концы, в следующих участках:

5'—Г—Т—Пир—Пур-А—Ц—3
3'—Ц—А—Пур—Пир—Т—Г—5'

Метилазы модифицируют основания ДНК в этих же специфических участках.
Наиболее отчетливая разница между ферментами I и III типов, с одной стороны, и II типа, с другой, проявляется в природе продуктов расщепления. В результате действия на ДНК рестриктаз типа I образуются гетерогенные продукты, а типа III— продукты неполного расщепления субстрата. Только рестриктазы II типа специфично и полно расщепляют ДНК на фрагменты, соответствующие по длине расстояниям между узнаваемыми последовательностями. Поэтому именно рестриктазы II типа широко используют в генетической инженерии. Поскольку рестриктазы расщепляют цепи ДНК в участках, имеющих строго специфичную последовательность нуклеотидов, их используют в экспериментах по определению первичной структуры ДНК.
Топоизомеразы. ДНК-топоизомеразы — это ферменты, изменяющие число супервитков в кольцевой замкнутой ДНК. Известны топоизомеразы, воздействующие на одноцепочечные и на двухцепочечные молекулы ДНК. Среди них обнаружены ферменты, которые объединяют две или более молекул ДНК в катенаны (зацепленные кольца). ТопоизомеразаI разрывает одну из цепей кольцевой суперспирализованной ДНК, тогда цепи раскручиваются, уменьшается число супервитков, затем этот же фермент устраняет разрыв.
К этому же классу ферментов относится фермент гираза (топоизомераза II). Гираза превращает расслабленную несверхспирализованную замкнутую кольцевую ДНК в суперспираль, т. е. проявляет действие, противоположное топоизомеразе I. На эту реакцию затрачивается большое количество АТФ. Если вывести из строя гиразу, то в клетке нарушаются самые важные процессы, в частности репликация ДНК.
4.7. Синтез ДНК
Полуконсервативная репликация ДНК. Д. Уотсон и Ф. Крик предложили гипотезу механизма синтеза ДНК путем удвоения (репликации). Согласно этому механизму двухцепочечная молекула ДНК сначала разделяется вдоль, две ее цепи расходятся. На каждой старой цепи образуется новая цепь. При этом нуклеотиды новых цепей спариваются комплементарно с нуклеотидами старых цепей, так что старые цепи служат матрицами. Так образуются две дочерние двухцепочечные молекулы ДНК, совершенно одинаковые, идентичные родительской молекуле. В каждой дочерней молекуле одна цепь получена от родительской ДНК, а вторая синтезирована заново. Этот путь синтеза получил название полуконсервативной репликации.
Однако теоретически возможны еще два механизма разделения ДНК между дочерними клетками поровну, получившие название консервативной и дисперсной репликации. При консервативной репликации на двух цепях родительской молекулы ДНК, без их разделения, синтезируется новая молекула ДНК. Дисперсный механизм предполагает дробление молекул ДНК, в результате которого каждая отдельная цепь новых дочерних молекул содержит в себе участки как старой, так и новой цепи ДНК (рис.9).
112585594615
Рис. 9. Возможные способы воспроизведения ДНК: / — консервативный, // — полуконсервативный, /// — дисперсный
М. Месельсон и Ф. Сталь (1958) в опытах с Е. coli доказали, что в клетке репликация ДНК происходит полуконсервативным способом. Они выращивали Е. coli на синтетической среде, содержащей глюкозу и соли. Источник азота NH4C1 вместо обычного легкого азота 14N содержал тяжелый 15N, так что все азотсодержащие вещества бактерий, в том числе и ДНК, становились «тяжелыми». Затем бактериальные клетки отмывали и переносили на «легкую» питательную среду, содержащую изотоп азота 14N, где происходил их дальнейший рост. Через различные промежутки времени из бактерий выделяли ДНК и центрифугировали ее в градиенте плотности CsCl. Для нулевого поколения была получена единственная полоса,соответствующая 15N-ДНК. После кратковременного роста, в течение которого число клеток удваивалось, в градиенте появилась другая, более легкая полоса. Плотность ее соответствовала гибридной молекуле ДНК, которая содержит равное количество 15N и 14N. По-видимому, цепи с 14N были вновь синтезированными. Это именно тот результат, которого следовало ожидать, исходя из полуконсервативного механизма. После репликации ДНК, завершения двух циклов деления бактерий, в градиенте плотности обнаруживали две полосы ДНК разной плотности. Одна из этих полос соответствовала гибридной ДНК, содержащей 15N и 14N, вторая — ДНК, содержащей обе цепи с 14N. Эти данные убедительно доказывают, что синтез ДНК происходит полуконсервативным способом.
Репликация ДНК как многоступенчатый процесс. Для того чтобы ДНК могла реплицироваться полуконсервативным способом, она должна разделиться на составляющие ее цепи. Установлено, что цепи ДНК раскручиваются не по всей длине, а на коротком участке. Здесь образуется вилка репликации — место удвоения ДНК. Перемещение репликационной вилки возможно только при раскручивании двухспиральной ДНК (хеликса) и закручивании двух дочерних молекул. Конформацию хеликса изменяет ряд ферментов; их делят на три группы.
Первую группу составляют хеликазы — белки, расплетающие двойную спираль и удерживающие одиночные цепи от воссоединения. К ним у Е. coli относятся связывающий белок и гер-белок.
Вторая группа—свивелазы (топоизомераз I, или релаксирующие белки). С их помощью устраняется суперспирализация ДНК (т. е. они выполняют функцию шарнира). Свивелазы вносят в одну из цепей ДНК разрыв, благодаря чему делается возможным раскручивание этой цепи с последующим замыканием разрыва. Третью группу составляют жиразы (гиразы) — топоизомеразы II. Они вызывают негативную суперспирализацию в кольцевой ДНК путем разрыва одной связи, вращения цепи и замыкания связи. Фактически тоже выполняют функцию шарнира.
Геномы фагов и бактерий реплицируются как единое целое. Они представляют собой организованные единицы репликации, так называемые репликоны. Репликон имеет начало — ori (от англ. origin— начало), ориентированное направление и иногда терминальный участок— ter.
Репликация начинается в участке ori. Здесь цепи ДНК расходятся, образуются две репликационные вилки, в которых синтезируются новые цепи ДНК. Если ДНК имеет кольцевую форму, то репликационные вилки передвигаются навстречу друг другу до тех пор, пока ДНК не будет скопирована полностью (или до точки ter). У некоторых плазмид обнаружена однонаправленная репликация, при которой одна репликационная вилка движется в определенном направлении.
Процесс репликации ДНК делится на три основных этапа: 1) инициация, 2) элонгация, или рост цепи, 3) терминация. Согласно электронно-микроскопическим, радиоавтографическим и генетическим данным, в репликационной вилке с большой скоростью осуществляется синтез двух противоположно ориентированных цепей ДНК. Синтез ДНК проводят ДНК-полимеразы, праймерами для которых in vivo служат фрагменты РНК.
Важную роль в инициации репликации в точке ori играет белок В. После расплетания двойной спирали В-белок связывается в участке ori. с матрицей лидирующей цепи; инициирует ее праймер, затем перемещается в противоположном направлении и обеспечивает инициацию праймеров запаздывающей цепи. Таким образом, B-белок выполняет у Е.coli функции «мобильного промотора», т. е. участка инициации транскрипции.
Механизмы терминации репликации исследованы недостаточно. В ДНК Е. coli для терминации существует специальный участок — терминатор. В геноме ряда бактериофагов терминаторы отсутствуют, двусторонняя репликация завершается, видимо, после встречи двух вилок и реплицирующих комплексов.
Детали репликации хромосом эукариот изучены недостаточно, однако общие черты процесса можно представить следующим образом. Хромосома эукариот — это полирепликонная структура, т. е. в ней есть множество независимых репликонов, каждый из которых содержит начало и терминатор. Смежные репликоны ориентированы противоположно, после завершения репликации их реплики, т. е. синтезированные комплементарные нити, сливаются. Размеры репликонов составляют от 10 до 100 мкм, что отвечает 3 х 104—3 х105 нуклеотидных пар. Высокая скорость репликации обеспечивается образованием большого числа репликационных вилок.
Репликация геномов вирусов и фагов часто осуществляется путем использования ферментов клетки хозяина. Однако она может быть организована иначе, чем у бактерий.
В инфицированных плазмидами бактериях нередко обнаруживаются олигомерные геномы плазмид. Образование таких форм объясняет модель репликации ДНК, получившая название «катящегося кольца». Согласно этой модели, одна цепь двухспиральной кольцевой молекулы ДНК разрывается, и ее 5'-конец прикрепляется к мембране клеточной стенки. Затем происходит полуконсервативная репликация, в ходе которой вторая цепь сохраняет кольцевую форму: она как бы «катится», представляя собой бесконечную матрицу. Если репликация завершится в той же точке, откуда она началась, то будет синтезирован геном-мономер, если же кольцо «покатится» дальше, то появятся олигомеры, содержащие несколько геномов. Такие продукты репликации могут мономеризоваться и приобретать кольцевую форму за счет рекомбинации.
4.8. Синтез РНК
Транскрипция. Транскрипция у прокариот. Транскрипция — процесс, посредством которого заключенная в ДНК генетическая информация «переписывается» в одиночные цепи РНК. Впоследствии РНК переносится к рибосомам.
Единицы процесса транскрипции несут информацию о структуре одного или нескольких белков. Участок ДНК, в котором заключена информация о структуре одного белка, называется цистроном или структурным геном. Регуляция транскрипции осуществляется благодаря наличию в ДНК специальных регуляторных участков. Регуляторная зона включает в себя промотор, оператор, а нередко и другие участки управления.
ДНК-зависимый синтез РНК можно разбить на несколько стадий, которые в целом составляют цикл транскрипции. Они подробно изучены на прокариотических объектах. Первая стадия транскрипции — инициация — включает взаимодействие РНК-полимеразы с матричной ДНК. РНК-полимераза может связываться с любым участком ДНК, при этом образуется неспецифический слабый комплекс с коротким периодом полураспада. Через серию актов ассоциации — диссоциации на случайных последовательностях ДНК РНК-полимераза находит промотор. В области промотора образуется сначала закрытый стабильный комплекс ДНК и РНК-полимеразы. Затем происходит локальная денатурация ДНК. РНК-полимераза получает прямой доступ к основаниям ДНК, образуется открытый комплекс.
Если имеются соответствующие рибонуклеозидтрифосфаты, то начинается синтез РНК. Первыми нуклеотидами при инициации транскрипции почти всегда бывают А или Г. Образуется трехкомпонентный комплекс ДНК-РНК-полимераза-растущая цепь РНК. Промотор не транскрибируется. Оператор в некоторых случаях частично транскрибируется.
Элонгация (рост цепи) РНК происходит в направлении 5'→3'. Рибонуклеотиды присоединяются к З'-ОН-концу последовательно, один за другим, соответственно матрице ДНК. Скорость процесса элонгации в клетках Е. coli in vivo составляет 45—50 нуклеотидов при 37°С в 1 с.
Терминацию синтеза РНК вызывает последовательность нуклеотидов в ДНК — терминатор или стоп-сигнал. Структура терминаторов полностью не выяснена. Известно, что в их состав входят длинные блоки обнаружены стоп-сигналы другого типа, которые действуют только в присутствии белка, называемогор-фактором. Этот белок с М = 50 000, обычно не связанный с РНК-полимеразой. При его участии цепь РНК освобождается от матрицы ДНК, но фермент еще остается связанным с ДНК. Для высвобождения фермента нужны некоторые дополнительные факторы. Выделен еще один белок, участвующий в терминации,— каппа-частица.
1456690784860В клетках бактерий к готовому, начинающему отделяться от матрицы участку мРНК присоединяются рибосомы. Они способствуют отделению мРНК от матрицы и начинают синтез белка. Так образуется единый транскрипционно - трансляционный комплекс, который удалось обнаружить методом электронной микроскопии (рис. 10).
Рис. 10. Транскрипция и трансляция в клетках E.coli
ферментные системы, считывающие информацию с генома про- и эукариот, и этапы превращений первичных продуктов транскрипции в зрелые молекулы мРНК.
Процессинг мРНК. В эукариотических клетках первичные транскрипты превращаются в мРНК в ходе процессинга. Пре-мРНК составляют основную фракцию гетерогенной ядерной РНК (гяРНК), которую выделили впервые в 1961 г. Г. П. Георгиев и сотрудники. Пре-мРНК содержит от 5 000 до 50 000 нуклеотидов, в то время как мРНК относительно коротки, их средний размер составляет около 2000 нуклеотидов. Одна мРНК кодирует одну полипептидную цепь, т. е. является моноцистронной. Каждая молекула пре-мРНК обычно дает начало только одной молекуле мРНК, при этом большая часть цепи пре-мРНК (иногда до 90% и более), соответствующая некодирующей зоне ДНК, подвергается ферментативному расщеплению до свободных нуклеотидов и в цитоплазму не поступает. Эти изменения представляют собой часть процессинга.
Процессинг (посттранскрипционная модификация) включает в себя:
1) отрезание «лишних» концевых последовательностей,
2) расщепление длинных первичных транскриптов, «вырезание» из них участков, транскрибированных с интронов,
3) добавление нук-леотидов к 3'-концу транскрипта,
4) добавление нуклеотидов к 5'-концу в транскриптал
5) модификацию оснований в транскрипте.
Процессинг протекает в ядре. К 3'-концу пре-мРНК присоединяется (с участием специального фермента) последовательность из 150—200 адениловых нуклеотидов — поли (А)-фрагмент, к 5'-концу присоединяется кэп. Вырезание интронов из первичного транскрипта сопровождается сплайсингом. Механизм сплайсинга точно не выяснен. Предполагают, что в нем участвуют особая UI-РНК и некоторый фермент. UI-РНК узнает места соединения интронов и экзонов, она взаимодействует с ними по принципу комплементарности, образуя гибрид пре-мРНК — комплекс UI-РНК-фермент.
Это приводит к сближению двух участков пре-мРНК, транскрибированных с соседних экзонов. Участок, транскрибированный с нитрона, образует петлю. Образовавшиеся гибриды могут быть местами атак РНКаз, специфичных для двухнитевых участков РНК. После вырезания «лишнего» участка, т. е. транскрибированного с интрона, специальные лигазы сшивают два конца разрезанной молекулы пре-мРНК.
В результате процессинга из пре-мРНК получается молекула мРНК, имеющая 5'~кэп-, универсальный 3'-поли (А) блок и одну кодирующую последовательность. Для прокариотичеоких клеток процессинг не характерен. Сплайсинг протекает в эукариотических клетках при биосинтезе как мРНК, так и тРНК, рРНК. Например, сплайсингу подвергаются некоторые тРНК дрожжей, хотя их интроны очень малы по размерам. У дрозофилы гены рРНК также содержат интрон.
Рибонуклеопротеиновые комплексы (РНП-комплекеы). Молекулы РНК сразу же после транскрипции соединяются с белками, образуя компактные структуры. РНП-комплексы, содержащие гяРНК, называются ядерными информосомами (гяРНП). Отношение белок: РНК составляет в них 4:1.
Кроме гяРНК в составе гяРНП обнаружены низкомолекулярные стабильные РНК, имеющие коэффициенты седиментации от 4,5 S до 6,5 S. Они тесно связаны как с самими молекулами гяРНК, так и с белками РНП-частиц.
Общую схему строения гяРНП можно представить следующим образом. Вдоль цепи гяРНК формируются многочисленные моночастицы, расположенные нестрого регулярно. Эти 30—40S частицы состоят из белковой глобулы (информофера), на поверхности которой некоторым образом «накручен» небольшой (600 нуклеотидов) участок цепи гяРНК. Моночастицы чередуются с гетерогенными (30—200S) РНП-комплексами. Такие структуры обнаруживаются при электронной микроскопии в виде отходящих от хроматина фибрилл со множеством повторяющихся РНП-частиц.
Предполагают, что определенные третичная и четвертичная структуры гяРНК, обусловленные взаимодействием с белками, способствуют точному протеканию процессинга и сплайсинга. Установлено, что процессинг гяРНК протекает в составе РНП-частиц. В цитоплазме мРНП появляются после процессинга гяРНП. Здесь обнаруживаются свободные мРНП-частицы (цитоплазматические информосомы), или мРНП, связанные с полисомами (поли-сомные информосомы). В них отношение белка и РНК по массе составляет 3: 1—4: 1. В состав мРНП-частиц входят молекулы мРНК разных размеров. Связанные с полисомами мРНК активно транслируются. В полисомных и свободных цитоплазматических информосомах содержится не более 15—20 различных белков.
В полисомных информосомах обнаруживаются два основных белка. В свободных информосомах содержится больше белков, среди них — ингибирующие трансляцию белки. Белки мРНП существенно отличаются от белков гяРНП. Переход из ядра в цитоплазму сопровождается сменой белкового компонента РНП-частиц. Белки, связывающиеся с информосомами, маскируют мРНК и обеспечивают ее хранение в цитоплазме в нетранслируемом состоянии. Переход мРНП из информосом в полисомы должен сопровождаться изменением в составе белков: отщеплением или модификацией репрессорных и связыванием активаторных белков (факторы инициации и др.).
Таким образом, в эукариотических клетках мРНК всегда находится в комплексе с белками. РНП-комплекс — это единственная форма существования мРНК в животной и растительной клетке, от момента синтеза пре-мРНК в ядре до распада мРНК в цитоплазме.
Синтез рибосомных и транспортных РНК. Все рибосомные и транспортные РНК синтезируются на матрице ДНК. У Е. coli рибосомные РНК образуются в виде большого предшественника 30 S. Он дает начало всем рРНК—16S, 23S, 5S. При созревании рРНК интенсивно метилируются. Транспортные РНК у прокариот также транскрибируются в виде предшественников, содержащих одну или более тРНК. Например, гены фага Т4 кодируют предшественник сразу двух тРНК — пролиновой и сериновой. Он «нарезается» на мономеры, от которых отщепляются «лишние» участки. Если у продуктов расщепления отсутствует ЦЦА-последовательность, то она достраивается специальным ферментом.
В эукариотических клетках рРНК кодируются областью хромосомы, которая образует ядрышко — ядрышковый организатор. Здесь несколько сотен раз повторяется участок, который кодирует 28 S, 18 S, 5,8 S рРНК. На транскрибируемой области РНК-полимераза / образует крупный предшественник. От него чрезвычайно быстро удаляется несколько сотен нуклеотидов, находящихся на 5'-конце. Оставшийся предшественник подвергается процессингу. В клетках млекопитающих обнаружено 8 различных по размеру пре-рРНК (от 45 S до 12 S), поэтому предполагают, что существуют, по крайней мере три пути процессинга. Места разрывов предшественника (45 S РНК) одинаковы во всех случаях, мест разрывов всего пять, но порядок расщепления может отличаться. Обычно 45 S расщепляется на две части эндонуклеазой. Затем другие ферменты удаляют спейсеры (разделяющие последовательности). Из одной половины образуется 18 S рРНК, из другой — 28 S и 5,8 S рРНК, связанные водородными связями.
4.9. Генетическая инженерия. Давней мечтой генетиков и биохимиков было получение живых организмов с заранее известными наследственными свойствами, с определенным обменом веществ. Эту задачу ставит перед собой новое направление в науке — генетическая инженерия. Ее основная цель — получение рекомбинантных молекул ДНК in vitro, их размножение и введение в организм с целью получения новых наследственных свойств. В основе генетической инженерии лежит универсальность свойств генетического материала, что позволяет создавать рекомбинантные молекулы ДНК из молекул ДНК разных организмов, например из клеток бактерий и клеток эукариот, и вводить такие рекомбинантные молекулы в живые клетки. Генная инженерия открывает путь для создания в короткие сроки высокопродуктивных промышленных штаммов бактерий, повышения урожайности растений и лечения генетических заболеваний человека. На ее основе разработан ряд проектов, имеющих практическое значение, например включение в клетки сельскохозяйственных растений генов, ответственных за фиксацию атмосферного азота. Другой проект — введение нормальных генов в клетки людей, страдающих наследственными заболеваниями.
В настоящее время методы генетической инженерии успешно применяют для создания бактериальных штаммов — продуцентов биологически активных соединений, в том числе гормонов (инсулина, соматостатина), противовирусного препарата интерферона.
Для проведения работ по генетической инженерии требуется прежде всего получение определенных фрагментов ДНК, т. е. генов. С этой целью используют ряд методов. Первые гены были синтезированы химическим путем. В 1969 г. группа X. Кораны синтезировала ген аланиновой тРНК дрожжей, в котором была к тому времени полностью расшифрована последовательность из 77 нуклеотидов. Химическим путем синтезировали мелкие фрагменты ДНК (от 4 до 13 пар нуклеотидов), а затем соединяли их в нужном порядке с помощью лигазы. Полученный ген не имел регуляторных участков и был функционально неактивным.
Группа Г. Бойера синтезировала химическим путем ген гормона соматостатина. Синтез проводили, учитывая последовательность аминокислот в полипептиде. Соответствующие аминокислотам триплеты синтезировали и соединяли химическим путем. Полученную двухспиральную ДНК — ген вводили в геном Е. coli рядом с геном β-галактозидазы. В результате бактерия стала вырабатывать белок, в котором одна часть была β-галактозидазой, другая — соматoстатином. Эти блестящие результаты показали возможность создания химическим путем генов, не отличимых от природных.
Позднее для синтеза генов стали применять менее трудоемкий и более быстрый метод — синтез при помощи обратной транскриптазы. Изучение этого фермента показало, что матрицей для образования ДНК может служить любая РНК, даже синтетический полирибонуклеотид. Это открыло путь для синтеза разнообразных генов по матричным РНК. Работу начинают с очистки мРНК определенного гена. На мРНК обратная транскриптаза синтезирует ДНК-копию (кДНК).
Этим способом в лабораториях разных стран, синтезированы гены, кодирующие глобины человека, кролика, мыши, белок хрусталика быка, гены вируса осповакцины, некоторых бактериофагов. Широко используют выделение природных генов из генома. С этой целью ДНК расщепляют, интересующий фрагмент ДНК включают в состав вектора, с помощью которого нужный фрагмент ДНК может быть размножен во многих экземплярах и введен в клетки-реципиенты.
Вектор — это молекула ДНК, способная переносить в клетку чужеродную ДНК любого происхождения и обеспечивать там ее умножение. Широко применяются векторы, способные к автономной репликации. Ими служат умеренные бактериофаги или чаще всего плазмиды. Такие векторы позволяют получать многочисленные копии чужеродного гена. Их используют с целью клонирования, т. е. получения гомогенной популяции молекул ДНК. Включение чужеродного фрагмента ДНК в плазмиду проводят in vitro. Сначала оба объекта переводят в линейную форму. ДНК высшего организма фрагментируют чаще всего с помощью ферментов — рестриктаз. Некоторые рестриктазы образуют фрагменты ДНК с «липкими» концами. Комплементарность оснований в «липких» концах позволяет соединять друг с другом любые фрагменты ДНК, полученные при помощи одной рестриктазы. Это дает возможность включить фрагмент ДНК в вектор. Если фрагмент ДНК имеет «тупые» концы, то с помощью фермента полинуклеотидтрансферазы к ним можно пристроить последовательности адениловых и тимидиловых нуклеотидов. Длина этих «липких» поли (А) и поли (Т) равна 50—100 нуклеотидов, что достаточно для образования гибридных структур двумя разными ДНК.
1696085872490В зависимости от задач и целей экспериментов в генетической инженерии используют разные плазмиды, но в большинстве случаев их конструируют in vitro из фрагментов плазмид различного происхождения. Были отобраны такие плазмиды, которые расщепляются определенной рестриктазой только в одном участке и быстро размножаются, давая 1000—3000 копий на клетку.
Рис. 11. Схема опыта по генетической инженерии (по С. Г. Инге-Вечтомову): 1 — плазмида, обработанная рестриктазой, 2 — фрагменты ДНК, обработанные той же рестриктазой, 3 — химерная плазмида, 4 —трансформированная бактерия, 5 — трансформированные дочерние клетки
С помощью этих плазмид получаются специфические фрагменты ДНК высокой чистоты и в больших (миллиграммовых) количествах (рис. 11). Полученную рекомбинантную молекулу ДНК вводят в специально обработанные бактерии. Чтобы отобрать бактерии, получившие вектор, последний метят, вводя в него ген антибиотикорезистентности.
Можно отыскать клон, несущий ДНК изучаемого гена, по способности нуклеиновых кислот к гибридизации. С этой целью нередко используют мРНК, синтезируемую на данном гене.
Последний этап в работах по генетической инженерии — адаптация введенного гена в новом для него генетическом и физиологическом окружении и его экспрессия, т. е. синтез специфического белка. При введении ДНКэукариот в геном бактериальной клетки возникает ряд затруднений. Чтобы обеспечить функционирование встроенного гена, в плазмиду включают впереди него «сильный», высокоэффективный промотор. Другой метод, использованный еще X. Кораной, — слияние генов. На границах между генами «вырезают» знаки начала и конца генов. При этом сливаются любые гены, объединяются их продукты. Образованные полипептиды укладываются в третичную структуру, как правило, самостоятельно, и пептидный мостик, объединяющий продукты разных генов, можно расщепить каким-либо способом.
Предпринимаются попытки использования в генетической инженерии новых векторов. Так, нашли применение рекомбинантные векторы, обеспечивающие интеграцию чужеродного фрагмента ДНК непосредственно в хромосому хозяина. К ним относятся некоторые фрагменты хромосомной ДНК Вас. subtilis, а также фрагмент умеренного фага к кодирующий синтез интеграционного фермента. При использовании этих векторов сразу появляются трансформированные клетки, что чрезвычайно важно; однако количество этих клеток невелико.
Синтез интерферона человека типа α-F штаммами Е. coli, полученными генно-инженерным путем, явился результатом огромной работы, проведенной Ю.А. Овчинниковым и его сотрудниками. Суммарная мРНК интерферона была выделена из лейкоцитов человеческой крови (из 10 клеток лейкоцитов получали 400 мкг мРНК). Эту мРНК использовали в качестве матрицы для обратной транскрипции, возникала однонитевая ДНК длиной 650—900 нуклеотидов.
У клубеньковых бактерий способность к азотфиксации определяет геном плазмид (и только частичный контроль — хромосомой), специфичность родства к растению-хозяину — тоже плазмидой. Методами генетической инженерии, для которой плазмиды являются удобным объектом, в последние годы удалось существенно увеличить способность к азотфиксации Rhizobium, вызывать образование клубеньков у сельскохозяйственных растений, которым раньше это не было свойственно.
ОБМЕН БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ
5.1. Фиксация молекулярного азота воздуха
Подсчитано, что на Земле содержится около 3,8 ×1015 т азота (в расчете на элементарный). Основную часть его составляет молекулярный азот атмосферы — N2. Однако человек, животные и высшие растения не способны самостоятельно усваивать такой азот. Тем не менее, все живые организмы для нормального функционирования должны потреблять азот в большом количестве; азотсодержащие соединения — белки и аминокислоты — являются важнейшими компонентами пищевого рациона человека и животных, столь же важны и необходимы минеральные соли азота для питания высших растений.
Обеспечение населения пищевым белком — одна из наиболее острых проблем, стоящих в настоящее время перед человечеством, особенно в развивающихся, бывших колониальных странах. Этой проблеме уделяется столь большое внимание, что при Организации Объединенных Наций создан специальный комитет по всестороннему изучению проблемы белковых ресурсов и разработке практических рекомендаций по предотвращению белкового голода. Д. И. Менделеев, оценивая эту проблему, писал, что вопрос о способах превращения азота воздуха в почвенные азотистые соединения или в ассимилируемый азот, способный поглощаться растениями и давать в них сложные (белковые) вещества, составляет один из таких вопросов, которые представляют великий теоретический и практический интерес. По мнению акад. С. П. Костычева, азотное голодание является тем фактором, который преимущественно перед всеми остальными ограничивает развитие жизни на Земле и задерживает размножение организмов.
При производстве азотных минеральных удобрений азот воздуха превращают промышленным путем в аммиак или азотную кислоту. Однако этот азот составляет только 2—3% от азота, содержащегося в урожае сельскохозяйственных растений всей Земли. Практически почти весь азот, находящийся в живых организмах нашей планеты, имеет своим источником азот атмосферы, фиксированный микроорганизмами, ибо только они способны к самостоятельному усвоению молекулярного азота.
Некоторые высшие растения фиксируют атмосферный азот, вступая в симбиотические отношения с бактериями своих корневых клубеньков, и таким путем вносят значительный вклад в общее усвоение молекулярного азота. Считают, что из известных 13 000 видов бобовых растений большинство способно симбиотически фиксировать азот, причем в значительных количествах, особенно это относится к культурным бобовым растениям (горох, соя и др.). Примерно 250 видов других семейств, небобовых, тоже способны к симбиотичеокой фиксации азота (например, ольха, лисохвост, облепиха).
Бактерии клубеньковых бобовых растений принадлежат в основном к роду Rhizobium. Из свободноживущих бактерий фиксируют молекулярный азот почвенные бактерии рода Azotobacter (аэроб), Clostridium (анаэроб) и некоторые факультативные анаэробы, а также все фотосинтезирующие бактерии. На долю сине-зеленых водорослей приходится 10—15% всего количества фиксируемого N2 атмосферы.
При промышленном получении аммиака из N2 затрачивается большое количество энергии, даже в присутствии катализаторов требуется повышение температуры до +500°С и давления до 300— 350 атм. Поэтому не может не восхищать способность микроорганизмов осуществлять практически тот же процесс при обычном атмосферном давлении и невысоких температурах. Основной «секрет» этой способности — наличие у микроорганизмов особой ферментативной системы фиксации азота. Поэтому не удивительно, что во многих лабораториях мира в настоящее время очень активно исследуют фиксацию N2, и крайне заманчивой, интересной и важной является попытка решить вопрос об имитации в промышленных условиях ферментативных процессов, протекающих у азотфиксирующих микроорганизмов.
Все самые разнообразные азотфиксирующие микроорганизмы содержат одинаковую ферментативную систему, катализирующую превращение молекулярного азота в аммиак. Эта система получила название нитрогеназы. Кроме того, для фиксации N2 необходимы сильные восстановители (поток электронов), АТФ и Mg2+. Природа доноров электронов различна у разных микроорганизмов. У аэробных бактерий (Azotobacter, Rhizobium) необходимые для фиксации N2 восстановители и АТФ образуются в ходе углеводного обмена, в реакциях с участием НАДФ. Фотосинтетические бактерии и сине-зеленые водоросли способны к фотохимическому образованию сильных восстановителей.
В процессе фиксации АТФ взаимодействует с азоферредоксцном. При этом выделяется АДФ, а азоферредоксин претерпевает конформационную перестройку, вследствие чего его окислительно-восстановительный потенциал понижается с —280 до —400 мВ. Азоферредоксин становится сильным восстановителем, передает электроны на молибдоферредоксин, где и осуществляется восстановление N2 до NH3. Суммарно, процесс фиксации азота можно выразить реакцией
N2 + 6е- + 12АТФ + 12Н20 →2NH4+ + 12АДФ + 12Н3Р04 + 4Н+
Нитрогеназа обладает широкой субстратной специфичностью, кроме N2 она может восстанавливать цианиды, закись азота, ацетилен и др. Нитрогеназа при участии АТФ катализирует также восстановление ионов водорода с образованием молекулярного водорода. У некоторых азотфиксаторов этот процесс протекает одновременно с азотфиксацией. Предполагают, что данное свойство азотфиксирующих микроорганизмов в будущем можно будет использовать для получения дешевого топлива в виде молекулярного водорода.
Для азотфиксации очень важен молибден, функции его в этом процессе разнообразны. Он поддерживает определенную конформацию молекулы нитрогеназы, участвует в связывании азота и переносе электронов, индуцирует синтез нитрогеназы. Молекула газообразного азота очень прочна, для разрыва трех связей, соединяющих ее атомы, требуется около 940 кДж/моль.
Существенным вопросом в процессе азотфиксации является потребление достаточно большого количества энергии, необходимой для разрыва прочных внутримолекулярных связей N2 при его восстановлении до аммиака. Azotobacter, например, для связывания 15 мг азота расходует на дыхание 1 г сахара, a Clostridium pasteurianum еще больше (5—6 г сахара). У клубеньковых бактерий энергетическим материалом являются продукты фотосинтеза, поступающие в корневую систему из листьев. Часть этих ассимилятов может перерабатываться и откладываться в запас в бактероидах в форме поли-β-гидроксимасляной кислоты (ПОМ).
Способность бактероидов к азотфиксации связана и с особенностями их окислительно-восстановительных систем, в частности с присутствием особого гемопротеина — легоглобина. Предполагают, что он, подобно гемоглобину животных, выполняет роль переносчика кислорода к бактероидам, находящимся в клубеньке в условиях затрудненного доступа кислорода. Образовавшийся в результате азотфиксации аммиак в дальнейшем ассимилируется в основном в растительной ткани клубенька. Первый этап этой ассимиляции заключается в связывании аммиака кетокислотами с образованием аминокислот.
5.2. Биосинтез аминокислот
Источники азота и углерода для биосинтеза аминокислот.
Биосинтез аминокислот из простых предшественников представляет собой не менее важный процесс в биосфере, чем образование углеводов при фотосинтезе, хотя и уступает последнему в количественном отношении. Этот процесс абсолютно необходим для всех форм жизни, поскольку аминокислоты служат строительными блоками белков и предшественниками многих биомолекул, выполняющих различные специализированные функции. Однако организмы из разных систематических групп значительно различаются как по способности синтезировать те или иные аминокислоты, так и по потребностям в определенных формах азота для этой цели.
Человек и животные способны синтезировать только 10 из 20 аминокислот, необходимых им для синтеза белка. Остальные, так называемые незаменимые или обязательные аминокислоты они должны получать с пищей. Для синтеза заменимых аминокислот человеку и животным необходимы только аммонийные соединения азота, а не нитриты, нитраты или N2. Жвачные животные могут использовать для этой цели нитриты и нитраты, которые должны быть сначала восстановлены до аммиака бактериями, живущими у жвачных животных в рубце — одном из отделов желудка.
Характерной особенностью высших растений, отличающей их от животных, является способность синтезировать все аминокислоты, используя в качестве источника азота аммиак, нитраты и нитриты. При этом источником углерода у зеленых растений служит С02. Таким образом, они синтезируют аминокислоты, а из них и белки целиком из неорганических соединений. Этой же способностью обладают бактерии — фотосинтетики и хемосинтетики. Все другие лишенные хлорофилла микроорганизмы и гетеротрофные ткани высших растений требуют для синтеза аминокислот кроме источника азота готовые углеродсодержащие органические вещества (углеводы, органические кислоты). Высшие растения, способные к симбиозу с клубеньковыми бактериями, фиксируют также молекулярный азот атмосферы, превращая его в NH3 и затем используя на синтез аминокислот.
Среди бактерий одни могут синтезировать все необходимые им аминокислоты (Е. coli), другие не растут, если в среде отсутствуют требующиеся для роста аминокислоты. Например, для золотистого стафилококка (вызывает образование гнойных ран) обязательно наличие в питательной среде двух аминокислот — три и цис; для молочнокислой бактерии Lactobacillus casei необходимы 16 аминокислот, а для гемолитического стрептококка— 17.
Бактерии и грибы при питании органическими азотистыми соединениями, как правило, расщепляют их, превращая содержащийся в них азот в аммиак и используя его затем для биосинтеза аминокислот. Большинство микроорганизмов используют азот в восстановленной, т. е. аммиачной форме, но есть бактерии и грибы, способные утилизировать нитриты и нитраты.
Свободный NH3 ядовит для живых организмов, поэтому при питании аммонийными солями растения и микроорганизмы не накапливают его, а сразу используют для синтеза аминокислот и других азотсодержащих органических веществ. Нитраты же могут накапливаться в растительных тканях, иногда в достаточно больших количествах (гречиха, табак). При использовании нитратов в качестве источника N для синтеза аминокислот у растений и микроорганизмов происходит их восстановление до NH3. Этот процесс двухстадийный: NO3-→NO2-→…→NH4+.
Первая стадия катализируется нитратредуктазой, происходит двухэлектронное восстановление нитратов до нитритов. У растений и бактерий донором электронов при этом служит НАДН, а у грибов НАДФН: N03- +НАДН + Н+→НАД+ +NO+Н20. Нитратредуктазы являются металлофлавопротеинами, содержащими Мо. Синтез нитратредуктазы индуцируется нитратами и подавляется NH4+.
На второй стадии с участием нитритредуктазы происходит шестиэлектронное восстановление нитритов до аммиака: NO2-+8Н++ 6е-→NH4+ + 2H20. Простетическими группами нитритредуктазы являются ФМН, ФАД, Fe2S2 и сирогем (железотетрагидропорфиин). Последний функционирует как непосредственный восстановитель нитритов. У высших растений и водорослей восстановителем при действии нитритредуктазы служит ферредоксин.
Помимо первичного синтеза аминокислот de novo растения могут усваивать и готовые аминокислоты. Особенно типично это для насекомоядных растений и растений-паразитов. При выращивании растений в условиях стерильных культур, когда исключена возможность развития микроорганизмов, установлено, что, в принципе, все высшие растения через корневую систему могут усваивать аминокислоты и некоторые другие органические азотистые соединения.
Первичная ассимиляция аммиака. Первичное усвоение NH3 у всех живых организмов происходит в результате трех главных реакций, приводящих к образованию: 1) глутаминовой кислоты, 2) глутамина и 3) карбамоилфосфата. Однако если азот карбамоилфосфата используется только для синтеза пиримидинов и аргинина, то аминогруппа глутамата или амидная группа глутамина прямо или косвенно являются источником практически всех атомов азота, входящих в состав аминокислот и других азотсодержащих соединений (только в редких случаях вместо глутамина используется аммиак).
Включение NH3 в глутамат происходит в результате восстановительного аминирования.
α-Кетоглутарат + NН4+ + [НАДН или НАДФН] ⇆ Глутамат-+ [НАД+ или НАДФ+]+Н20. Эту реакцию катализируют глутамат-дегидрогеназы, которые в различных организмах существенно отличаются по числу входящих в молекулу фермента субъединиц и по своей специфичности к НАД+ или НАДФ+. Данная реакция имеет огромное значение в биосинтезе всех аминокислот у всех организмов, так как трансаминирование α-кетокислот с использованием глутаминовой кислоты в качестве донора аминогруппы является основным путем введения α-аминогруппы при биосинтезе других аминокислот.
У некоторых растений, бактерий и дрожжей аналогичным путем происходит прямое восстановительное аминирование пирувата и оксалоацетата с образованием соответственно аланина и аспартата. Образовавшийся глутамат может использоваться для фиксации второй молекулы NH3 по реакции
Глутамин-
Глутамат + NH3 + АТФ → Глутамин + АДФ + Фн
синтетаза
Фермент глутаминсинтетаза, катализирующий эту реакцию, является регуляторным, имеющим четвертичную структуру.
В условиях, при которых количество NH3 ограничено, его усвоение может происходить при сопряжении предыдущей реакции со следующей:
Глутамат-
α - Кетоглутарат + Глутамин + НАДФН + Н+ → 2 Глутамат + НАДФ+
синтаза
Подобная реакция синтеза глутамата имеет место у бактерий, а также у высших растений.
Образование карбамоилфосфата, катализируемое карбамоил-фосфатсинтазой, является третьим путем усвоения аммиака:
NH2 + С02 + 2АТФ + Н20 → H2N—СО—О—Р02Н2 + 2АДФ + Фн
Карбамоилфосфат
Для образования карбамоилфосфата может использоваться и глутамин. Это происходит при биосинтезе пиримидинов:
Глутамин + С02 + 2АТФ -→ Глутамат + Карбамоилфосфат + 2АДФ+Фн
Основные пути биосинтеза аминокислот. В результате прямого аминирования образуется сравнительно небольшое число аминокислот и соединений, в составе которых фиксируется аммиак. Все остальные аминокислоты синтезируются в ходе процессов различной сложности, описываемых как одиночными, так и многостадийными реакциями. В целом можно говорить о трех основных путях биосинтеза аминокислот:
1) прямого аминирования α-кетокислот или ненасыщенных органических кислот;
2) реакций транс-аминирования (переаминирование) аминокислот и α-кетокислот;
3) ферментативных взаимопревращений отдельных аминокислот.
Установлено, что донорами аминогрупп в реакции переаминирования могут служить также аспарагин и глутамин. Аминотрансферазы, катализирующие эти реакции, найдены у микроорганизмов, растений и животных.
Очень часто образование любой аминокислоты начинается с прямого восстановительного аминирования α-кетоглутарата, в результате чего синтезируется глутаминовая кислота, которая, вступая затем в реакции переаминирования с другими кетокислотами, дает новые аминокислоты.
Дезаминирование аминокислот также часто идет через глутаминовую кислоту. Сначала любая аминокислота при переаминировании с α-кетоглутаратом образует глутамат, который передает аммиак в орнитиновый цикл образования мочевины путем переаминирования с оксалоацетатом или дезаминируется.
Новые аминокислоты могут образовываться путем ферментативных взаимопревращений: аргинин→орнитин; глутамат→пролин; серин→глицин; ??фенилаланин→тирозин.
В путях биосинтеза незаменимых и заменимых аминокислот есть определенные отличия: биосинтез незаменимых аминокислот включает большое число стадий — от 5 до 15, а заменимых — меньше пяти; первые еще более сложны и в том отношении, что промежуточные продукты их образования являются предшественниками многих других типов биомолекул.
Биосинтез заменимых аминокислот. При последовательном восстановлении фосфорилированного глутамата, замыкании его в цикл и повторного восстановления образуется пролин. Восстановление глутамата тормозится по типу обратной связи самим пролином.
Орнитин может легко синтезироваться из аргинина. В свою очередь, орнитин может превращаться в пролин под действием орнитинциклазы в ходе реакций, включающих в себя окислительное дезаминирование, циклизацию и восстановление орнитина.
Тирозин образуется из незаменимой аминокислоты фенилаланина путем ее гидроксилирования под действием оксигеназы (фенилаланин — 4-гидроксилаза) за счет прямого присоединения кислорода.
Цистеин у млекопитающих образуется из метионина (донора серы) и серина (углеродная цепь и аминогруппа). В результате ряда реакций происходит замена ОН-группы серина на сульфгидрильную группу гомоцистеина, образующегося из метионина. В реакциях принимают участие АТФ и ряд ферментов, два из которых являются пиридоксальфосфатзависимыми.
У микроорганизмов и растений цистеин образуется из серина с использованием в качестве источника серы H2S.
Серин у животных главным образом синтезируется из промежуточного продукта гликолиза — 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). У растений серин образуется в процессе фотосинтеза.
СООН СООН СООН СООН
│ НАД+ │ Переаминирование│ -Н3РО4 │
СНОН ⇆ С=О ⇆ СНNН3 → СНNН2
│ НАДН+Н+ │ с глутаматом │ │
СН2ОРО3Н2 СН2ОРО3Н2 СН2ОРО3Н2 СН2ОН

Глицин синтезируется путем удаления β-углерода серина. В результате этого процесса образуется не только глицин, но и активные одноуглеродные соединения (на уровнях окисления СН3ОН, НСНО или НСООН). В реакции участвует кофермент — тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК), производное фолиевой кислоты, которая осуществляет перенос одноуглеродного фрагмента, присоединяя его в форме метиленового остатка к N-5 и N-10 путем замещения водорода:
COOHСООН
| + ТГФК |
CHNH2 → CH2NH2 +N5, N10 - Метилентетрагидрофолат + Н20
│ +2Н
СН2ОН
СерииГлицин
Биосинтез незаменимых аминокислот. Неспособность животных синтезировать некоторые аминокислоты (незаменимые) объясняется тем, что в их организме не образуются кетокислоты, аминирование которых приводит к образованию соответствующих незаменимых аминокислот. Большинство бактерий и высших растений активно синтезируют эти аминокислоты, пути их биосинтеза идентичны или близки.
Метионин и треонин синтезируются из аспарагиновой кислоты с участием АТФ, НАДН+ и ряда ферментов, среди которых есть пиридоксальфосфатзависимые, а также ферменты, содержащие в качестве простетической группы восстановленное производное кобаламина (витамин В12). Метильную группу при биосинтезе метионина поставляет N5 -метилтетрагидрофолат.
Лизин у бактерий и высших растений синтезируется в результате конденсации аспартата с пируватом через диаминопимелиновую кислоту.
У плесневых грибов лизин образуется из α-кетоглутарата и ацетил-КоА через α-аминоадипиновую кислоту.
Валин, лейцин, изолейцин имеют общую черту: разветвленную алифатическую группировку. Синтез всех трех аминокислот начинается с пирувата, из которого образуется активная ацетальдегидная группа, которая конденсируется со 2-й молекулой α-кетокислоты (пируватом, α-кетоизовалератом или α-кетобутиратом); в результате длительных превращений образуется α-кетокислота — аналог данной аминокислоты, на последнем этапе происходит переаминирование с глутаматом.
Изолейцин, кроме того, легко образуется из треонина.
Аргинин может синтезироваться млекопитающими из орнитина в цикле образования мочевины, но в очень малых количествах, так как, во-первых, он быстро гидролизуется ферментом аргиназой с образованием мочевины; во-вторых, орнитина содержится мало: только в каталитических количествах. У бактерий и растений гуанидиновая группировка аргинина включает в себя один атом азота из карбамоилфосфата и два, в конечном счете, от глутамата (через аспартат и орнитин).
Гистидин образуется сложным путем, включающим девять реакций. Исходными веществами служат АТФ, 5-фосфорибозил-1-пнрофосфат и глутамин. В ходе реакций происходит раскрытие пуринового кольца АМФ. Атом азота на заключительном этапе поступает от глутамина (амидный азот). В последовательности реакций существует несколько точек метаболического контроля. В частности, первая реакция, катализируемая АТФ: фосфорибозилтрансферазой, специфически ингибируется гистидином.
Фенилаланин и триптофан являются продуктами превращения циклических органических кислот. Пути биосинтеза фенилаланина и триптофана установлены в опытах с мутантами Е. coll, ауксотрофными по этим аминокислотам (не способны их синтезировать). Обнаружено, что шикимовая кислота, которая часто встречается у растений, поддерживает рост таких мутантов. На основании этого сделан вывод, что эта кислота является предшественником фенилаланина и триптофана. В свою очередь, поставщиками углеродных атомов ароматического кольца и боковой цепи шикимата служат эритрозо-4-фосфат и фосфоенолпируват. Дальнейшее превращение шикимовой кислоты приводит к образованию хоризмовой кислоты, на стадии которой происходит разветвление путей синтеза ароматических аминокислот. Образование антранилата ведет к биосинтезу триптофана, а префенат является предшественником фенилаланина и тирозина.
Регуляция биосинтеза аминокислот. Поскольку доступные для биологических систем формы азота довольно скудны в неживой природе, большинство живых организмов стремится к экономному использованию восстановленных форм азота для нужд метаболизма. Биосинтез аминокислот постоянно регулируется по принципу обратной связи (ретроингибирование) благодаря функционированию регуляторных ферментов. При этом синтезируемая аминокислота действует как ингибитор на одну из первых реакций в длинной цепи процесса биосинтеза данной аминокислоты. Регулируется и синтез ферментов, катализирующих образование аминокислот, путем репрессии и дерепрессии соответствующих цистронов ДНК.
Первый механизм обеспечивает «тонкую регулировку», так как способен быстро изменить скорость биосинтеза любой аминокислоты в зависимости от ее стационарной концентрации в данный момент. Второй, регуляторный механизм имеет характер «грубой регулировки» и используется в тех случаях, когда клетка обильно снабжается аминокислотами из экзогенных источников. Обе эти формы регуляции — выражение характерной экономичности синтеза и использования аминокислот в биологических системах. Ни одна из аминокислот не образуется в норме в избыточном количестве. В процессе эволюции сформировался совершенный механизм, благодаря которому в клетке находится сбалансированное количество каждой из двадцати аминокислот,
5.3.Синтез белка
Стадии. Синтез белков в клетке. Генетическая информация. Важнейшим процессом ассимиляции в клетке является синтез белков. Так как белки выполняют в организме целый ряд функций, то необходимо синтезировать тысячи различных белков, тем более, что большинство белков имеют ограниченный срок функционирования и синтез таких белков (компонентов мембран, гормонов, ферментов) не прекращается ни на минуту. Так, например, за сутки в организме человека распадается около 40 г различных белков, следовательно, такую же массу нужно синтезировать снова.
Каждый вид живых существ имеет свой собственный, строго определенный набор белков. Белки являются основой уникальности каждого вида, хотя некоторые белки, выполняющие одну и ту же функцию в разных организмах, могут быть похожими и даже одинаковыми.
С другой стороны, все особи одного вида хоть немного, но отличаются друг от друга. На Земле нет, например, двух абсолютно одинаковых людей или амеб. Индивидуальную неповторимость каждой особи определяют различия в структуре белков.
Свойства белков определяются прежде всего их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в молекуле белка. Наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекулах двуцепочечной ДНК. Следовательно, информация о строении и жизнедеятельности как каждой клетки, так и всего многоклеточного организма в целом заключена в нуклеотидной последовательности ДНК. Эта информация получила название генетической информации, а участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном.
Генетический код. Каждой аминокислоте белка соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов ДНК — триплет, или кодон. К настоящему времени составлена карта генетического кода, т. е. известно, какие триплеты в ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков, Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Число сочетаний из 4 по 3 составляет 43 = 64, т. е. ДНК может кодировать 64 аминокислоты. Однако всего кодируется только 20 аминокислот, Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько кодонов. Предполагается, что такое свойство генетического кода — вырожденность — повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона — ЦГА, ЦГГ, ЦГТ и ЦГЦ. Получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде кодона не сможет привести к изменениям в структуре белка — все равно это будет кодон аланина.
Примечание: первый нуклеотид триплета берут из левого вертикального ряда, второй — из горизонтального ряда, третий — из правого вертикального.
Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками препинания» и обозначающие начало или конец того или иного гена.
Очень важное свойство генетического кода — специфичность, т. е. один триплет всегда кодирует только одну аминокислоту. Генетический код универсален для всех живых организмов от бактерии до человека.
Транскрипция. Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в клеточном ядре. Сам же синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (иРНК). Для того чтобы синтезировать иРНК, участок двуцепочечной ДНК раскручивается, а затем на одной из цепочек ДНК по принципу комплементарности синтезируется молекула иРНК. Это происходит следующим образом: против, например, Г молекулы ДНК становится Ц молекулы РНК, против А молекулы ДНК — У молекулы РНК (вспомните, что вместо тимина РНК несет урапил, или У), против Т молекулы ДНК — А молекулы РНК и против Ц молекулы ДНК — Г молекулы РНК. Таким образом, формируется цепочка иРНК, представляющая собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина включен урацил). Так информация о последовательности аминокислот в белке переводится с «языка ДНК» на «язык РНК». Этот процесс получил название транскрипции.
Для транскрипции, т. е. для синтеза иРНК, необходим особый фермент — РНК-полимераза. Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре иРНК будет записана информация о белке, которого нет в природе и который, конечно же, клетке не нужен. Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая про мотором. РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места. Фермент продолжает синтезировать иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдет до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК — терминатора. Это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить.
У прокариот синтезированные молекулы иРНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков. У эукариот иРНК синтезируется в ядре, поэтому сначала она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через ядерную мембрану в цитоплазму.
В цитоплазме обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, а некоторые могут синтезироваться в самом организме,
Необходимо помнить, что любая аминокислота может попасть в рибосому, только прикрепившись к специальной транспортной
Трансляция. В цитоплазме происходит процесс синтеза белка, который подругому называют трансляцией. Трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка. С тем концом иРНК, с которого должен начаться синтез белка, взаимодействует рибосома. При этом начало будущего белка обозначается триплетом АУГ, который является знаком начала трансляции. Так как этот кодон кодирует аминокислоту метионин, то все белки (за исключением специальных случаев) начинаются с метионина. После связывания рибосома начинает двигаться по иРНК, задерживаясь на каждом ее участке, который включает в себя два кодона (т. е. 3 + 3 = 6 нуклеотидов). Время задержки составляет всего 0,2 с. За это время молекула тРНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Та аминокислота, которая была связана с этой тРНК, отделяется от «черешка» и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая тРНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК, и следующая аминокислота, принесенная этой тРНК, включается в растущую цепочку. После этого рибосома сдвигается по иРНК, задерживается на следующих нуклеотидах, и все повторяется сначала. Наконец, рибосома доходит до одного из так называемых стоп-кодонов (УАА, УАГ или У Г А), Эти кодоны не кодируют аминокислот, они только лишь показывают, что синтез белка должен быть завершен. Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуры.
Все описываемые реакции происходят за очень маленькие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез крупной молекулы белка уходит всего около двух минут.
Клетке необходима не одна, а много молекул каждого белка. Поэтому как только рибосома, первой начавшая синтез белка на молекуле иРНК, продвигается вперед, тут же на эту иРНК нанизывается вторая рибосома, которая начинает синтезировать такой же белок. На ту же иРНК может быть нанизана и третья, и четвертая рибосома, и т. д. Все рибосомы, синтезирующие белок на одной молекуле иРНК, называются полисомой. Когда синтез белка окончен, рибосома может связаться с другой молекулой иРНК и начать синтезировать новый белок, закодированный в этой молекуле иРНК. Таким образом, последовательность аминокислот в первичной структуре белка не зависит от рибосом, а определяется только последовательностью нуклеотидов иРНК.
Таким образом, трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.
5.4. Регуляция биосинтеза белка.
В живых организмах происходит избирательный синтез белков, различные белки образуются с неодинаковой скоростью. Например, у Е. coli содержание одних белков не превышает 10 молекул на клетку, у других достигает 500 тыс.; наиболее велико количество рибосомных белков. Соматические клетки всех тканей и органов многоклеточного организма имеют одинаковую генетическую информацию, но отличаются друг от друга по содержанию тех или иных белков. Так, для клеток эритроцитов характерно высокое содержание гемоглобина, кожи — коллагена, клетки поджелудочной железы вырабатывают много ферментативных белков. В отдельных клетках, тканях и органах содержание разных белков меняется с возрастом, с фазой развития. Все это свидетельствует о том, что в живых организмах существуют механизмы регуляции скорости белкового синтеза. Они функционируют под действием внутренних и внешних факторов на каждой из стадий сложного процесса синтеза белка. Количество белка может изменяться в результате специфического увеличения числа некоторых генов, регуляции на стадии транскрипции, процессинга мРНК. Скорость белкового синтеза определяется и временем жизни мРНК, регуляцией синтеза на уровне трансляции, посттрансляционной модификации белков.
У прокариотических организмов механизмы регуляции белкового синтеза наиболее хорошо изучены на стадии транскрипции. На этой стадии происходит, в частности, регуляция синтеза индуцибельных ферментов у бактерий, т. е. таких ферментов, количество которых резко возрастает при добавлении в питательную среду субстрата этих- ферментов (индуктора). Например, у Е. coli усиленный синтез ферментов метаболизма лактозы происходит только на среде с лактозой, когда она является единственным источником углерода и энергии. В ее отсутствие содержание этих ферментов в клетках очень мало. Индукция их синтеза у Е. coli подробно исследована Ф. Жакобом и Ж. Моно. Синтез этих ферментов происходит на лактозном опероне (ас-оперон).
Лактозный оперон Е. coli объединяет три структурных цистрона, кодирующих три фермента: галактозидпермеазу, β-галактозидазу и тиогалактозид-ацетилтрансферазу. Фермент галактозидпермеаза участвует в переносе лактозы через мембрану внутрь клетки; (З-галактозидаза непосредственно осуществляет расщепление лактозы на глюкозу и галактозу; роль тиогалактозид-ацетилтрансферазы пока исследована недостаточно. В настоящее время известна полностью первичная структура lас-оперона Е. coli, число и порядок чередования нуклеотидных пар в каждом функциональном его участке.
В большинстве исследованных случаев индуцибельными являются опероны, ответственные за синтез ферментов, катализирующих катаболические реакции (сбраживание сахаров, распад аминокислот и др.). Индукторами таких оперонов, переводящими активный репрессор в неактивную форму, являются субстраты этих катаболических ферментов. Репрессируемые опероны, как правило, системы синтеза анаболических ферментов, катализирующих реакции синтеза аминокислот, азотистых оснований и т. д. В качестве корепрессора, активирующего репрессор, выступают продукты, синтезируемые ферментами данного оперона.
Если ген-регулятор располагается перед группой оперонов, кодирующих ферменты, ответственные за разные промежуточные реакции синтеза одного и того же соединения, то он контролирует работу всех оперонов с участием единственного репрессора.
Помимо индуцибельных и репрессируемых ферментов в клетках существуют и конститутивные белки и в том числе конститутивные ферменты. Это такие белки и ферменты, количество которых несущественно изменяется в процессе жизнедеятельности организма. Они постоянно синтезируются клеткой, на скорость их синтеза существенно не влияет состав среды. Уровень конститутивного синтеза зависит от скорости синтеза мРНК, скорости прикрепления к ней рибосом, считывания матрицы и времени жизни мРНК. К конститутивным белкам относятся, например, ферменты, участвующие в расщеплении глюкозы у Е. coli. Оперон, отвечающий за синтез конститутивного белка, не содержит активно действующего оператора. Потеря активности оператором может произойти в принципе у любого оперона вследствие мутации. В таком случае действие репрессоров блокируется и идет неконтролируемый синтез белков.
В ядрах дифференцированных клеток эукариот большинство генов находится в репрессированном состоянии: одновременно транскрибируется в среднем только около 10% генов. Точное число активно работающих структурных генов различно в разных тканях и органах и на разных стадиях развития. Например, в ретикулоцитах, где идет синтез глобинов, число копий глобиновых мРНК превосходит 150 000 на клетку, а в других клетках того же организма их либо крайне мало, либо совсем не удается обнаружить.
Все структурные гены эукариот предлагают условно разделять на три типа;
1) гены, функционирующие во всех клетках организма (например, гены, кодирующие ферменты энергетического обмена);
2)гены, функционирующие только в тканях одного типа (в частности, гены, определяющие синтез миозина в мышечной ткани);
3)гены, нужные для выполнения клетками узких функций (например, гены, кодирующие синтез белка хрусталика).
ДНК эукариот ассоциирована с гистонами и другими белками, которые могут выполнять регуляторную функцию, влияя на РНК-полимеразную реакцию. Сродство гистонов к ДНК зависит от степени их фосфорилирования, метилирования и ацетилирования. Усиление этих процессов ведет к уменьшению способности гистонов связываться с ДНК, что приводит к увеличению ее активности. Предполагают, что такую модификацию гистонов катализируют кислые белки, обладающие ферментативной активностью. С помощью гистонов у эукариотических организмов осуществляется в значительной мере групповая репрессия работы генов — одновременное групповое подавление активности генов во всем ядре, в целой хромосоме или в большом ее участке.
Активация биосинтеза белка в хлоропластах у растений может происходить под действием света как в результате того, что некоторые репрессирующие системы хлоропласта являются фоточувствительными, так и в связи с увеличением активности РНК-полимеразы.
У эукариот существует и такой механизм, обеспечивающий детерминированное направление развития групп клеток, как отбор и избирательное размножение клеток, продуцирующих нужный белок (например, клонирование клеток, синтезирующих антитела).
Структура антител, механизм их образования. Появление белков-антител в сыворотке и тканях человека и позвоночных животных в ответ на введение генетически чужеродных соединений (антигены) является основой гуморальной иммунной реакции. Антигенами называются вещества, которые несут признаки генетической чужеродности и при введении в организм вызывают развитие специфических иммунологических реакций. Типичными антигенами являются чужеродные белки, полисахариды микроорганизмов.
Антигенные свойства могут проявлять нуклеиновые кислоты, сложные липиды, некоторые низкомолекулярные вещества (ряд гормонов, лекарств), химически синтезированные соединения, если они связаны с носителем-белком, полисахаридом и др. Такие вещества получили название гаптенов. Наименьшая молекулярная масса веществ, против которых удалось получить антитела без их присоединения к другим крупным молекулам, составляет около 1000 (например, олигопептиды, содержащие более 8 аминокислотных остатков).
Антитела — вещества гликопротеиновой природы, образующиеся в ответ на введение в организм антигена и обладающие способностью к специфической реакции с антигеном. Кроме сыворотки крови антитела обнаружены в экскреторных жидкостях (молоко, выделения слезных желез, слюна и др.), а также па поверхности некоторых типов клеток лимфатической системы. Встреча антигена с соответствующим антителом приводит к образованию комплекса. При выпадении этого комплекса в осадок происходит реакция преципитации. Если антитела, взаимодействуя с антигенами, вызывают склеивание клеток, их называют агглютининами, если же они вызывают лизис, их называют лизинами.
Антитела обнаруживают высокую специфичность в отношении чужеродных белков, вызвавших их образование. Различные белки одного и того же организма вызывают образование различных антител. Так, если иммунизировать кролика гемоглобином лошади, то образовавшиеся при этом антитела не способны реагировать с другими белками лошади. Неодинаковы в иммунологическом отношении гомологичные белки разных организмов. Примером могут служить гемоглобины. Антитела, образовавшиеся в организме кролика в ответ на введение гемоглобина лошади, реагируют наиболее активно с гемоглобином лошади и значительно слабее с гемоглобинами других млекопитающих.
Антитела представляют собой растворимые белки плазмы, относящиеся к иммуноглобулинам (преимущественно к γ~глобулинам). По седиментационным и электрофоретическим характеристикам, а также по появлению в очень больших количествах при некоторых состояниях организма иммуноглобулины человека подразделяют на пять классов; IgG, IgM, IgA, IgD и IgE. Первые три представлены количественно более существенно, два последних называются минорными классами. Содержание IgG, IgM и IgA (относительно общего содержания иммуноглобулинов) в крови здорового человека составляет 70—80, 5—10 и 10—20% соответственно.
Будучи гликопротеинами, иммуноглобулины всегда содержат углеводы, количество которых по отношению к общей массе колеблется от 2—3% в IgG до 10—12% в IgA и IgM.
В состав иммуноглобулинов человека могут входить L-цепи одного из двух типов: ϰ (каппа) либо λ(ламбда). Тяжелых цепей антител существует пять типов: α, γ, δ, ε, μ. Они определяют классы антител: в IgM входит μ-цепь, в IgG—γ, в IgD — δ, в IgE — ε, в IgA — α. Каждая тяжелая цепь может вступать в ассоциацию с любой из легких цепей. В сыворотке крови здорового человека содержится смесь множества различных иммуноглобулинов. Их исключительно большая гетерогенность не позволяет выделить из смеси и исследовать структуру какого-либо одного индивидуального иммуноглобулина.
Рис. 12. Схема молекулы Ig человека
Определение аминокислотной последовательности иммуноглобулинов показало, что молекулу антитела можно разделить на участки, или домены. Одни из них характеризуются постоянной последовательностью аминокислот, они называются константными участками (С), у других — сильно различающиеся последовательности, это — вариабельные участки (V). Константные участки антител функционируют при связывании комплемента, обеспечивают перенос антител через плацентарный барьер (у человека и некоторых млекопитающих иммунитет от матери к ребенку может передаваться в процессе внутриутробного развития в результате переноса антител из крови матери через плаценту).Всего в молекуле IgG 12 доменов: по 4 на тяжелых и по 2 на легких цепях. Молекулярная масса каждого домена примерно одинакова — около 12 500. Первые домены (Vl и Vн) составлены из вариабельных участков легких и тяжелых цепей, остальные — из константных участков легких или тяжелых цепей — Сl и СH. Активные центры антител формируются доменами вариабельных участков. В этом участвует от 4 до 8 аминокислотных остатков с широкой вариабельностью по видам аминокислот и их сочетаниям. Эти участки называются гипервариабельными областями легких и тяжелых цепей.
Синтез иммуноглобулинов осуществляется обычными механизмами белкового синтеза, но L- и Н-цепи образуются двумя различными типами полирибосом. В процессе синтеза антител наблюдается кооперативное взаимодействие клеток трех типов, которые образуются в костном мозге: В-лимфоцитов, T-лимфоцитов и макрофагов.
По современным представлениям, иммунная система способна отличить друг от друга около 105—107 различных антигенов.
При взаимодействии антигенов с антителами происходит включение системы комплемента. Она состоит из нескольких (около 10) сывороточных белков крови. Каскадный механизм их активации запускается в результате образования комплекса антиген — антитело. В итоге действие комплемента приводит к лизису чужеродных веществ и к активации лейкоцитов. Таким образом, комплемент вместе с антителами и специализированными клетками участвует в защите организма хозяина от инфекций.
Организм на протяжении своей жизни встречается с разными бактериями и антигенами, поэтому в норме плазма содержит огромное число различных антител. В частности, иммунитет к определенным бактериям или вирусам обусловлен присутствием соответствующих «своих» специфических антител. Искусственный активный иммунитет получают путем введения в организм убитых бактерий, а также токсоидов — обработанных формальдегидом (поэтому обезвреженных) токсинов дифтерийной или столбнячной палочки. В результате прививок таким путем полученными вакцинами у человека вырабатываются специфические антитела, способные реагировать с определенным видом живых бактерий или естественным токсином, т. е. возникает иммунитет.
Наиболее активными в создании прочного искусственного иммунитета являются вакцины из живых ослабленных микробов. Их получают путем выращивания патогенных микроорганизмов при воздействии неблагоприятных факторов (прогревание при субоптимальных температурах, добавление в питательную среду некоторых веществ и т.д.). Против ряда инфекций живые вакцины являются практически единственным средством специфической профилактики (сибирская язва, туляремия, чума). Широко применяют живые вакцины против оспы, бешенства, полиомиелита и многих других заболеваний. В последнее время стали использовать также химические вакцины, которые готовят путем экстрагирования антигенных фракций из культур соответствующих микроорганизмов. Успешно проводят исследования по химическому синтезу антигенов, значительно более простых по структуре, чем природные. Все более реальным становится получение синтетических вакцин.
Временный пассивный иммунитет создается в результате введения антител, выработанных другим, иммунным организмом какогото животного. Для лечения дифтерии и столбняка, например, используют плазму иммунизированных лошадей, которая содержит антитела к соответствующим токсинам.
Антитела образуются только у позвоночных животных, однако это не означает, что беспозвоночные не обладают иммунитетом. Иммунная система развилась из распознавания клеток друг другом при помощи комплементарных поверхностных рецепторов, различения «своего» и «чужого». Так как иммунная система функционирует во взаимодействии с комплексом гистосовместимости, их эволюция должна рассматриваться совместно.
У морских звезд и кольчецов происходит отторжение пересаженной ткани, ее разрушение. У членистоногих имеются неиндуцируемые механизмы агглютинации чужеродных веществ. Тимус и селезенка, а с ними и антитела появляются только у позвоночных. Строение цепей антител изменялось в процессе эволюции позвочночных животных. Бесчелюстные (или круглоротые, куда относятся миноги и миксины) содержат иммуноглобулины с μ-подобными тяжелыми цепями.
5.5. Диссимиляция белков
Расщепление белков в процессе пищеварения. Роль белков в питании. В организме человека и животных непрерывно происходит разрушение клеток, расщепление и расходование белков: распад «устаревших» молекул белка всех тканей, шелушение эпителия, рост ногтей, рогов, копыт, расход пищеварительных и других ферментов, расход гормонов, образование антител и т. д. Восполнение непрерывно расходующихся белков во всех этих процессах возможно лишь при поступлении достаточного количества их с пищей. Суточная потребность человека в белках составляет 80—100 г, а для людей физического труда — до 120—150 г, белков животного происхождения из них должно быть не менее 50—70 г. При недостатке белков быстро нарушается функционирование щитовидной железы, надпочечников, половых желез. Особенно чувствительна к белковому голоданию центральная нервная система, в первую очередь кора головного мозга. Даже при полном голодании человека мозг и сердце долго не теряют в массе, обновляют свои белки за счет их распада в мышцах, печени.
Различают белки пищи полноценные и неполноценные. Полноценные белки содержат все 10 незаменимых аминокислот, которые животные и человек в отличие от растений и микроорганизмов не способны синтезировать. В процессе эволюции утратилась способность к их синтезу, так как эти аминокислоты поступали в организм в достаточных количествах с растениями, микроорганизмами, другими животными.
К незаменимым аминокислотам относятся лизин, аргинин, гистидин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан. Этот перечень требует некоторых примечаний. Аргинин может синтезироваться в организме человека и других животных, но происходит это в очень небольших количествах. Поскольку тирозин образуется непосредственно из фенилаланина в одну стадию, потребность в фенилаланине является фактически потребностью в этих обеих аминокислотах, и тирозин можно отнести
к незаменимым аминокислотам. По этой же причине цистеин — заменимая аминокислота только в том случае, когда в пище есть метионин. Глицин, являющийся заменимой аминокислотой для всех животных, незаменим для цыплят.
В неполноценных белках отсутствует одна или несколько незаменимых аминокислот. К полноценным белкам относят казеин молока, альбумин яйца, молочный альбумин, глутамин пшеницы, к неполноценным — многие растительные белки (зеин -кукурузы, легумин - бобовых), они обычно бедны лизином, метионином, триптофаном. Недостатком растительных белков является также то, что в растительных продуктах содержание белков сравнительно невелико, поэтому при вегетарианском питании (только растительными продуктами) употребить их нужно очень много, чтобы покрыть суточную потребность организма в белках. Кроме того, некоторые растительные белки плохо перевариваются.
Животные продукты содержат большие количества белков, и их нужно сравнительно немного для обеспечения организма (особенно важно, что животные белки являются обычно полноценными). Все это объясняет, почему в суточном рационе более половины белков должно быть животного происхождения.
Одним из продуктов распада является мочевая кислота, которая при избытке откладывается в суставах (заболевание подагрой). Эти кислые вредные продукты нейтрализуются и выводятся из организма в соединении со щелочными минеральными веществами, которых много в растительной пище — овощах, фруктах. Этим в первую очередь и объясняется полезность сопровождения мясных блюд растительными гарнирами, в чем люди на жизненном опыте убедились с давних времен. Кроме того, избыточное одностороннее питание животными белками вызывает в кишечнике усиленные гнилостные процессы с образованием токсических веществ. Молочно-растительная пища благоприятно действует на кишечную микрофлору, задерживает гнилостные процессы.
Тканевые протеиназы животных. Во всех животных тканях обнаружены активные протеолитические ферменты как типа протеиназ (эндопептидазы, пептидил-пептидгидролазы), так и пептидаз. Особенно большая их активность отмечается обычно в интенсивно растущих или делящихся клетках, а также в клетках желез и других органов, характеризующихся высоким уровнем скорости белкового синтеза. Это объясняется тем, что синтез тканевых белков в значительной мере идет за счет аминокислот, образующихся при диссимиляции устаревших белковых молекул. Наряду с доставкой пластического материала для биосинтетических реакций внутриклеточный протеолиз может играть роль в специфических процессах: внутриклеточного переваривания в ходе морфогенеза у насекомых и позвоночных, в реакциях естественного иммунитета, образовании и распаде физиологически активных веществ (ферменты, гормоны).
Внутриклеточный протеолиз находится в основном в лизосомах, содержащих большой набор активных гидролаз, в том числе и кислых протеиназ. Внутриклеточные протеиназы, гидролизующие белки в слабокислой области рН, называются катепсинами. В настоящее время различают пять достаточно хорошо охарактеризованных типов катепсинов, которые обозначают буквами А, В, С, D, Е. Они отличаются оптимумом рН, субстратной специфичностью и рядом других свойств. На долю катепсина D у некоторых животных приходится около 2/3 общей протеолитической активности гомогенатов селезенки, почек. В отличие от катепсинов В и С он не относится к сульфгидрильным протеиназам, не ингибируется реагентами на сульфгидрильные группы. Катепсин Е по субстратной специфичности и другим свойствам близок к катепсину D.
Кроме катепсинов, являющихся кислыми тканевыми протеиназами, в различных органах и тканях обнаружены нейтральные и щелочные протеиназы (в эритроцитах, легких, скелетных мышцах, мозге). Их биологические функции и каталитические свойства исследованы пока недостаточно. Особую группу внутриклеточных протеиназ, имеющих оптимум в щелочной области рН, составляют калликреины, широко распространенные в тканях и жидкостях организма. Особенно активны они в крови, слюнных железах, поджелудочной железе. Под действием калликреина плазмы образуется брадикинин, а калликреинов поджелудочной и других желез — каллидин, превращаемый в крови аминопептидазой в брадикинин.
Протеиназы высших растений в большинстве случаев относятся к сульфгидрильному типу, активируются цистеином, глутатионом и другими восстановителями. Оптимальная зона их действия находится в слабокислом, нейтральном и слабощелочном рН и во многом зависит от природы субстрата. Типичный представитель — папайи из сока плодов дынного дерева (Carica papaya). Значительно реже встречаются растительные протеиназы, не активируемые восстановителями. Протеиназы насекомоядных растений (росянка, непентес) имеют резко кислый оптимум рН 3—3,5.
Микроорганизмы образуют в основном секретируемые протеиназы (экзоцеллюлярные), которые обеспечивают их низкомолекулярными продуктами распада белков окружающей среды. Внутриклеточными являются в основном пептидазы, которые расщепляют пептиды, проникшие в клетку из внешней среды. Значительно реже обнаруживаются внутриклеточные протеиназы. Широкой субстратной специфичностью обладают протеазы актиномицетов, гидролизирующие как глобулярные, так и фибриллярные белки.
Хорошо исследованы и широко используют в лабораторной практике и промышленности щелочные протеиназы Вас. subtilis — субтилизины, поскольку они гидролизуют белки глубже и с большей скоростью, чем многие другие протеиназы (в том числе пепсин и трипсин). Это типичные сериновые протеиназы, по строению активного центра очень близкие к химотрипсину.
Конечные продукты азотного обмена, эволюционные и экологические аспекты. В результате диссимиляции аминокислот у всех живых организмов образуется аммиак. Однако, будучи токсичным даже в самых малых концентрациях, он не накапливается в клетке, а быстро удаляется либо путем выведения во внешнюю среду, либо путем превращения в нетоксичные соединения. У многих организмов первичное связывание аммиака в клетках происходит путем образования амидов — глутамина и аспарагина. Как показал выдающийся агрохимик Н. Д. Прянишников, этот путь особенно характерен для растительных тканей, у которых в форме указанных амидов запасается постоянно дефицитный для растений азот. Однако и у животных образование глутамина (в несколько меньшей мере аспарагина) широко представлено, обнаружено в мышцах, мозге, печени, почках млекопитающих, жировом теле и гемолимфе насекомых.
У животных и человека образующийся в разных тканях и органах глутамин поступает в кровь, а затем в печень и почки, т. е. является своеобразной транспортной формой аммиака и временным его хранилищем. В последние годы обнаружено, что аспарагиновая и глутаминовая кислоты могут амидироваться, находясь в составе белковой молекулы, т. е. возможно амидирование белков.
У человека, а также всех млекопитающих, амфибий и ряда других животных основным конечным продуктом азотного обмена, выводимым из организма, является мочевина.
В 30-х годах Г. Кребс, подробно исследуя цепь реакций образования мочевины, нашел, что эта цепь имеет циклический характер и существенную роль в процессе играет орнитин. В связи с последним весь процесс биосинтеза мочевины получил название орнитинового цикла.
В первой реакции цикла взаимодействуют NH3, С02, две молекулы АТФ с образованием карбомоилфосфата, Фермент карбамоилфосфатсинтаза локализован в митохондриях печени, донором азота для этого фермента может служить только NH3. Карбамоилфосфат отдает свою карбамоильную группу орнитину, в результате образуется цитруллин. Эта реакция катализируется орнитинкарбамоилтрансферазой:
ОН NH2
I | Орнитин-карбамоил-
H2N—С—О~Р-ОН + H2N~CH2-CH2-CH2—СН-СООН ⇆
║ ║ трансфераза
О О
КарбамоилфосфатОрнитин
⇆ H2N—С—NH—СН2—СН2—СН2—СН—СООН + Н3Р04

О
Цитруллин
Вторая NH2-группа будущей молекулы мочевины включается в цикл с помощью аспарагиновой кислоты, образующейся за счет переаминирования между глутаминовой кислотой и оксалоацетатом. Превращение глутаминовой кислоты в аспарагиновую катализируется ферментом аспартатаминотрансферазой. Аминогруппа аспарагиновой кислоты конденсируется с карбамильной группой цитруллина. Реакция протекает в присутствии АТФ, катализируется аргининосукцинатсинтетазой. В результате образуется аргининосукцинат, который затем обратимо расщепляется до аргинина и фумарата.
Аргинин расщепляется аргиназой до мочевины и орнитина, который снова входит в цикл. Количество выделяемой из организма мочевины находится в зависимости от количества белков в пище и у взрослого человека в норме составляет 25—35 г/сут.
Таблица 9. Основные конечные продукты азотного обмена у разных групп животных
Животные Главный конечный продукт белкового обмена Животные Главный конечный продукт белкового обмена
Водные беспозвоночные
Костистые рыбы
Пластинчатожаберные Крокодилы
Эмбрионы амфибий
Взрослые амфибии Млекопитающие Аммиак
Аммиак, некоторое количество мочевины Мочевина
Аммиак, некоторое количество мочевой кислоты Аммиак
Мочевина Черепахи
Насекомые
Наземные брюхоногие моллюски Ящерицы
Змеи Птицы Мочевина и мочевая кислота Мочевая кислота

Далеко не у всех систематических групп животных основным конечным продуктом белкового обмена является мочевина. Таким образом, конкретные формы конечных продуктов азотного обмена определяются и уровнем эволюционного развития, и условиями внешней среды (среди последних главную роль играет обеспеченность водой).
В значительной мере аммониотелическими животными являются также пресноводные костистые рыбы, система химического связывания аммиака у них развита еще слабо. У костистых морских рыб на долю аммонийных солей приходится 40—60% суммарного азота мочи. Кроме того, у них довольно много выделяется триметиламиноксида 0 = N ==(СН3)3. Его образование связано, видимо, с окислительным расщеплением холина.
Небольшое количество аммонийных солей (3—6% общего азота мочи) обнаруживается и в моче человека, позвоночных животных. Однако для них это нетипичный конечный продукт азотного обмена. При некоторых заболеваниях (например, при диабете) в организме накапливаются кислые продукты метаболизма, наступает ацидоз. В таких случаях количество аммонийных солей в моче резко возрастает, NH3 используется для нейтрализации кислот. При этом организм экономит расходование других, полезных для него катионов (К, Mg и др.), поддерживает нормальное солевое равновесие.
Большинство наземных позвоночных животных — млекопитающие, амфибии (во взрослом состоянии), хрящевые рыбы — образуют группу уреотелических животных, основным конечным продуктом азотного обмена у них является хорошо растворимая в воде мочевина. Птицы и наземные пресмыкающиеся потребляют ограниченное количество воды, у летающих птиц она создает перегрузку массы, наземные рептилии обитают часто в засушливых местах. У них моча представляет собой полужидкую массу, содержащую кристаллы плохо растворимой в воде мочевой кислоты. Такие организмы называют урикотелическими. Кроме птиц и наземных рептилий к ним относятся насекомые.
Образование мочевой кислоты, происходящее в печени и отчасти в слизистой кишечника, представляет собой сложный процесс, поскольку ему предшествует образование пуриновых циклов. При этом два атома азота пурина дают амидные группы глутамина, один атом азота — аспартат и один — глицин.
На образование конечных продуктов азотного обмена у птиц и рептилий большое влияние оказывают условия их эмбрионального развития — замкнутое пространство яйца, окруженного оболочками, непроницаемыми для воды. Количество воды в яйце очень небольшое, образование токсичных аммонийных солей быстро привело бы к гибели эмбриона. Синтез мочевины имел бы последствием резкое повышение осмотической концентрации, что тоже отрицательно сказалось бы на развитии эмбриона. И только образование малорастворимой в воде мочевой кислоты не влияет на развитие эмбриона, она образует осадок, выключается из обмена. Интересно, что в самый первый период развития эмбрион птиц выделяет в среду аммонийные соли, затем мочевину и, наконец, далее — мочевую кислоту, что сохраняется в течение всего постэмбрионального пути. Таким образом, здесь наблюдается своеобразное биохимическое выражение известного биогенетического закона Мюллера — Геккеля повторения филогенеза в онтогенезе.
У человека и млекопитающих уреотелический тип азотного обмена устанавливается уже во время эмбриогенеза. Образующаяся у них мочевина поступает через плаценту в кровь матери и затем почками удаляется из организма.
У большинства млекопитающих мочевая кислота, образующаяся в небольших количествах как конечный продукт обмена пуриновых оснований, в дальнейшем окисляется с участием фермента печени уратоксидазы до аллонтоина.
У собак, например, почти весь пуриновый азот выделяется с мочой в форме аллантоина. У человека, приматов и птиц нет уратоксидазы, поэтому мочевая кислота у них сама является конечным продуктом пуринового обмена. Свиньи кроме аллантоина выделяют с мочой гуанин, так как у них мала активность гуаниндезамияазы. В связи с этим у свиней описаны случаи гуаниновой подагры, при которой кристаллы гуанина откладываются в суставах. Гуанин является конечным продуктом метаболизма у пауков. Креатин в моче взрослого человека обычно отсутствует или содержится в очень небольших количествах. Однако существует прямая зависимость между содержанием креатина (и креатинфосфата) в мышцах и креатинина в моче. Особенно устойчиво коррелирует содержание креатинина в моче с мышечной массой данного человека.
Выделение самого креатина с мочой достаточно часто наблюдается в детском возрасте. Появление его в моче взрослых (креатинурия) является следствием той или иной патологии: различные формы мышечной дистрофии, миозит (воспаление скелетных мышц), диабет, гипертиреоз, авитаминоз Е. У женщин креатинурия бывает при беременности и в раннем послеродовом периоде.
У беспозвоночных животных вместо креатинина в моче присутствует аргинин, креатинин же обнаруживается крайне редко.
В моче человека также всегда содержится некоторое количество (0,1—2 г в суточном объеме) гиппуровой кислоты. Очень много ее в моче травоядных животных, так как она образуется из бензойной кислоты, продукта расщепления ароматических соединений растительных тканей.
63436566675 Гиппуровая кислота
Биохимические процессы сформировались на достаточно ранних этапах эволюции до разделения единого потока живой материи по отдельным руслам. В дальнейшем ходе эволюции разные таксономические группы, занимая определенные экологические ниши, формировали специфические особенности белкового метаболизма, которые способствовали их выживанию в конкретных сочетаниях условий жизнеобитания, помогали полнее использовать эти условия.
Высшие растения с их неподвижным образом жизни быстро используют соли азота в зоне корневой системы, поэтому эволюция их азотного обмена шла в направлении экономного использования азота в условиях строго ограниченного его поступления в организм. Поэтому растения не экскретируют продукты обезвреживания аммиака во внешнюю среду. Аспарагин и глутамин являются у них запасными формами азота. Кроме детоксикации аммиака и запасания азота аспарагин и глутамин важны так же, как резервные формы дикарбоновых аминокислот, необходимых для многих метаболических процессов. Содержание амидов в белках растений достигает очень больших величин: в белках семян кукурузы и пшеницы количество дикарбоновых кислот составляет 35—45%, причем большая часть — в форме амидов.
У растений, отличающихся высоким содержанием органических кислот в тканях (щавель, ревень), обезвреживание аммиака происходит путем образования аммиачных солей органических кислот. В тканях некоторых высших растений обнаружена и мочевина, синтезирующаяся в орнитиновом цикле. Большие количества мочевины накапливают некоторые грибы (шампиньоны — до 13%).
5.6. Алкалоиды
К алкалоидам принадлежат вещества растительного происхождения, содержащие азот в составе цикла и являющиеся органическими основаниями. В растениях они образуют соли с органическими кислотами, хорошо растворимые в воде.
Общим свойством для всех алкалоидов является способность оказывать сильное физиологическое действие на организм человека и животных. Большинство алкалоидов в малых дозах оказывают возбуждающее действие на нервную систему, а в больших — угнетающее. Многие из них являются сильными ядами (кураре).
В процессе жизнедеятельности растений алкалоиды подвергаются активным ферментативным превращениям и не инертны в обмене веществ, как предполагали ранее. Они являются, видимо, определенной промежуточной формой в ходе превращения азотистых соединений в растениях, в которой азотистые продукты обмена веществ обезвреживаются и сохраняются. Установлена роль некоторых алкалоидов табака (например, никотина) как исходного материала для синтеза пиридиновых дегидрогеназ. По своему строению алкалоиды весьма разнообразны, их делят на группы в зависимости от химической природы азотистого гетероцикла.
Важнейшим представителем группы производных хинолина является хинин. Он содержится в коре хинного дерева и применяется в медицине при лечении малярии.
Морфин и кодеин, представители группы изохинолиновых алкалоидов, содержатся в опии — млечном соке опийного мака. К группе алкалоидов — производных индола — относится стрихнин, содержащийся в семенах чилибухи. Большие дозы стрихнина вызывают появление сильных судорог и смерть от паралича дыхания.
Одним из представителей алкалоидов группы тропана является атропин, содержащийся в растениях семейства пасленовых: красавке, белене, различных видах дурмана. Широко применяется в медицине.
В молекуле никотина соединены между собой пиридин и пирролидин. Никотин — бесцветная, маслянистая жидкость, действует на центральную и периферическую нервную систему. При отравлении им наступает смерть от паралича дыхания.
6.УГЛЕВОДЫ
6.1. Строение, классификация, роль в живой природе
Углеводами называют альдегиды и кетоны многоатомных спиртов и полимеры этих соединений. Появление термина «углеводы» связано с тем, что первые исследованные представители этого класса оказались как бы соединением углерода с водой и имели формулу Сn(Н20)n. По мере открытия новых углеводов обнаружили, что не все они удовлетворяют этой формуле: в состав некоторых из них С, Н и О входят в иных соотношениях, а иногда присутствуют N, S, Р. В то же время некоторые представители других классов обладают такой же формулой, например уксусная кислота С2Н4О2.
В биосфере углеводов больше, чем всех других органических соединений, вместе взятых. В растительном мире на их долю приходится 80—90% из расчета на сухое вещество. В животном организме углеводов содержится около 2% массы тела, но значение их одинаково велико для всех живых организмов, о чем свидетельствуют те важные функции, которые они выполняют. Углеводы являются теми продуктами, которые образуются первично в зеленом растении из С02 и Н20 за счет энергии солнечного света и дают начало другим органическим веществам живых организмов. Функции углеводов разнообразны и важны.
Энергетическая. Окисляясь в процессе дыхания, углеводы выделяют заключенную в них энергию и обеспечивают значительную часть потребности организма в ней. При окислении 1 г углеводов выделяется 16,9 кДж энергии.
Пластическая. Углеводы используются на синтез многих важных для организма веществ: нуклеиновых кислот, органических кислот, а из них — аминокислот и далее белков, липидов и т. д.
Защитная. Углеводы — основные компоненты оболочек растительных тканей, они участвуют в построении наружного скелета насекомых и ракообразных, в образовании клеточных стенок бактерий и клеточных мембран всех живых организмов. Опорная. Целлюлоза и другие полисахариды оболочек растительных клеток не только защищают клетки от внешних воздействий, но и образуют прочный остов растения, его механические, опорные ткани. В комплексе с белками углеводы входят в состав хрящевых тканей (хондроитинсульфаты) и других соединительнотканных образований, выполняющих опорные функции у человека и животных.
Регуляторная. Клетчатка, вызывая механическое раздражение кишечника, способствует его перистальтике (движение) и тем самым улучшает пищеварение. Взаимопревращения крахмала и сахаров в замыкающих клетках устьиц растений регулируют движение последних, т. е. замыкание и раскрытие устьиц. Моносахариды играют существенную роль в регуляции осмотических процессов.
Интересны специфические функции углеводов. Углеводсодержащие соединения служат маркерами в процессах узнавания молекулами и клетками друг друга, определяют антигенную специфичность, обусловливают различия групп крови. Некоторые углеводсодержащие биополимеры являются рецепторами для связывания различных токсинов, бактериальных клеток, вирусов, гормонов. Изучены рецепторные функции углеводсодержащих соединений в нервной ткани. В мембранах нервных окончаний обнаружено сравнительно высокое содержание гликопротеинов, которые участвуют в проведении нервного импульса и служат рецепторами для некоторых фармакологически активных соединений.
Углеводы выполняют также функцию запасных питательных веществ. Они способны откладываться в организме в виде гликогена (у человека и животных), крахмала и фруктозанов— (у растений), которые расходуются по мере надобности. Так, в печени регулярно питающегося животного может накапливаться гликоген до 10% от массы ткани; содержание его при голодании снижается до 0,2%.
Углеводы обычно подразделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды (гликаны).
К моносахаридам относятся углеводы и их производные, которые не способны расщепляться без потери основных углеводных свойств.
Олигосахариды (полисахариды I порядка) гидролизуются с образованием небольшого числа моносахаридов (от 2 до 10).
Полисахариды I порядка (гликаны) представляют собой высокомолекулярные полимеры моносахаридов и их производных с различным составом и строением. Число остатков моносахаридных единиц в них от 10 до нескольких тысяч.
6.2. Моносахариды
Классификация и номенклатура, строение молекулы. Существует несколько принципов классификации моносахаридов: моносахариды делят на альдозы и кетозы в зависимости от наличия в них альдегидной или кетонной группы; возможно деление по числу углеродных атомов, входящих в состав молекулы (триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы и т. д.).
Моносахариды, содержащие более семи углеродных атомов, называют высшими сахарами. По химической природе все моносахариды делят на нейтральные (содержат только карбонильные и спиртовые группы); кислые (содержат еще и карбоксильные группы) и аминосахара, в которых кроме карбонильных и спиртовых групп есть еще и аминогруппа, обусловливающая основные свойства этих соединений. Известны также полифункциональные сахара, содержащие в своем составе помимо карбонильных и гидроксильных групп одновременно и карбоксильную и аминогруппы.
В основу наименований моносахаридов в большинстве случаев используются названия нейтральных сахаров (ксилоза, рибоза, глюкоза, фруктоза). От них производятся наименования аминосахаров (глюкозамин, галактозамин) и карбоксилсодержащих сахаров (глюкуроновая кислота, манноновая кислота, галактаровая кислота). Тривиальные названия моносахаридов обычно складываются из двух частей: корень указывает на какое-либо свойство данного сахара или его происхождение, а окончание -оза — на его принадлежность к углеводам. Например, название «фруктоза» указывает на содержание этого моносахарида во фруктах.
Наименованиям кетоз придается окончание -улоза, например, кетоза С4 — тетрулоза, кетоза С5 — пентулоза. Часто в названиях моносахаридов сочетаются два принципа — указывается как наличие альдегидной или кетонной группировки, так и число атомов углерода: альдопентоза, кетогексоза. Для обозначения разнообразных производных моносахаридов нумеруют атомы углерода, начиная от альдегидной группы или с того конца, к которому ближе кетогруппа, и положение заместителей указывают цифрой, а также тот атом, с которым связан заместитель, если он не связан непосредственно с углеродом. Например: 2-дезокси-2-амино-3,4-ди-0-метилглюкоза.
О
//
(1)С
│ \Н
Н─(2)С─NH2

Н3С─О─(3)С─Н

Н─(4)С─О─СН3

Н─(5)С─ОН

(6)СН2ОН
Всем моносахаридам, начиная с триоз, свойственна стереоизомерия, они существуют в двух энантиомерных формах: D и L. Принадлежность моносахарида к D- или L-ряду определяется по расположению ОН-группы у последнего (считая от альдегидной или кето-группы) хирального, относят как к энантиомерам (две зеркально отраженные молекулы, которые не накладываются друг на друга) атома углерода. Если она расположена справа от углеродной цепи, то молекулу относят к D-ряду, если слева — к L-ряду. Обозначения D и L не служат указанием на направление вращения плоскости поляризации. Некоторые моносахариды, отнесенные к D-ряду, являются левовращающими, а многие представители L-ряда — правовращающими. Чтобы указать и принадлежность моносахарида к D- или L-ряду и направление вращения плоскости поляризации, после символов D или L перед названием сахара в скобках ставят знак ( + ) или (—), обозначающий правое или левое вращение.
В настоящее время твердо установлено, что в природе только небольшая часть молекул пентоз и гексоз содержит открытую цепь, большинство молекул находится в виде циклических структур. Образование последних становится понятным, если вспомнить, что четыре ковалентные связи углерода образуют тетраэдр, поэтому углеродная цепь не представляет собой прямую, а существенно изогнута, что способствует взаимодействию между карбонильной и гидроксильной группами с образованием цикла. Такая реакция характерна для всех моносахаридов с числом углеродных атомов больше четырех. При замыкании молекулы моносахарида в цикл происходит внутримолекулярная реакция образования полуацеталя или полукеталя.
ОН
// /
R—С + НО—СН2—R1→ R—С—ОН
\ \\
Н О─СН2─R1
АльдегидСпиртПолуацеталь
626745106045
В зависимости от того, гидроксильная группа какого из углеродных атомов принимает участие в образовании полуацеталя или полукеталя, могут получаться пятичленные циклы (из четырех атомов С и одного атома О) или шестичленные (из пяти атомов С и одного атома О). Эти структуры называются, соответственно, фуранозными или пиранозными, по аналогии с известными органическими соединениями — фураном или пираном.
Для моносахаридов ряда пентоз обычно характерен фуранозный цикл, в то время как большинство гексоз находится в пиранозной форме. Образование семичленных колец у гексоз наблюдается редко из-за значительного напряжения связей в таком цикле.
У кетогексоз в образовании полукеталя принимает участие карбонильная группа и гидроксил у C-5 или С-6 в результате чего также образуется фуранозная или пиранозная формы сахара. Пиранозные формы гексоз и пентоз значительно более устойчивы, чем фуранозные, поэтому в растворе всегда существенно преобладают первые. Однако в составе олиго- и полисахаридов гексозы могут присутствовать и в фуранозиой форме (например, фруктофураноза в молекуле сахарозы). Естественная тенденция гексоз и пентоз к циклизации обеспечивает образование устойчивых полимеров из чрезвычайно реакционноспособных неустойчивых мономеров.
804545424815Образование моносахаридами циклических форм объясняет «аномалии» в их поведении как альдегидов или кетонов.
Рис. 13. Взаимопревращения различных форм глюкозы в водном растворе.
1.В циклической форме у сахаров нет свободной карбонильной группы, поэтому они не дают некоторые цветные реакции на альдегиды.
2.Полуацетальный и полукетальный гидроксилы в отличие от других гидроксилов в молекуле сахара образуют со спиртами легко гидролизуемые простые эфиры.
3.D- и L-Формы каждого моносахарида существуют в виде α- и β-изомеров, поэтому образуется не 2, а 4 ряда производных.
4.α- и β - Формы моносахаридов, обладающие разной величиной оптического вращения, в процессе растворения в воде взаимно переходят друг в друга, поэтому удельное вращение меняется до установления равновесия.
Физические и химические свойства. Моносахариды — твердые, бесцветные, кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и плохо растворимые (или даже совсем нерастворимые) в органических растворителях (спирт, эфир). Всем им присущ сладкий вкус, но сладость сахаров неодинакова. Если сладкий вкус сахарозы принять за 100%, то у фруктозы он будет равен 173%, глюкозы — 74, ксилозы — 40, лактозы — 16%. Растворы моносахаридов обладают нейтральной реакцией.
655955-28575-D-РибозаФурфурол

СН2ОН
111696526670 Н ОН
β-D-Глюкоза5-Оксиметилфурфурол
Действие кислот и оснований на моносахариды. Моносахариды устойчивы в горячих разбавленных растворах неорганических кислот, что позволяет количественно вцделять их в неизмененном виде при гидролизе полисахаридов. Под действием концентрированных кислот моносахариды дегидратируются и дают циклические альдегиды — фурфурали. При этом из гексоз образуется гидроксиметилфурфурол, а из пентоз — фурфурол.
Образующиеся фурфурали могут вступать с фенолами или их производными в реакцию конденсации, давая окрашенные продукты. Это свойство положено в основу некоторых цветных реакций на сахара.
При нагревании с разбавленными щелочами или при высоких их концентрациях свободные моносахариды подвергаются внутримолекулярным перегруппировкам, фрагментации и конденсации. При конденсации сахаров образуются окрашенные продукты (от желтых до темно-коричневых), причем интенсивность окраски зависит от концентрации углевода. Это свойство используют для количественного определения сахаров в моче по Альтгаузену.
Окисление сахаров. При окислении альдоз в кислой среде образуется три класса сахарных кислот: альдоновые, альдаровые и альдуроновые.
В присутствии слабых окислителей (гипоиодит натрия, бромная вода) или под действием специфических ферментов у альдоз окисляется альдегид и образуются альдоновые кислоты (например, из глюкозы — глюконовая, из маннозы — манноновая).
Восстановление моносахаридов. Карбонильная группа моносахарида может быть восстановлена газообразным водородом или амальгамой натрия в воде с образованием соответствующих многоатомных спиртов (иногда называются сахароспиртами). Из D-глюкозы образуется спирт сорбит, а D-манноза дает маннит.
Производные моносахаридов. Гликозиды образуются по типу простых эфиров при взаимодействии полуацетального или полукетального (гликозидного) гидроксила с гидроксильной группой другого соединения. Так, D-глюкоза дает с метанолом метил-α-D-глюкозид и метил-β-D-глюкозид. «Несахарная» часть гликозида называется агликоном.
Своеобразными гликозидами являются также олигосахариды и полисахариды, которые образуются при взаимодействии полуацетальных или полукетальных гидроксилов одних моносахаридов с гидроксилами других моносахаридов. Однако под термином «гликозиды» принято прежде всего понимать соединения сахаров со спиртами-агликонами.
В природе встречается большое разнообразие гликозидов. Многие из них обладают своеобразным (часто горьким) вкусом или специфическим ароматом (синигрин горчицы, глюкованилин), поэтому играют важную роль в пищевой промышленности. Другие находят применение в медицине, например сердечные гликозиды, содержащиеся в растениях родов Strophanthus и Digitalis.
О-Метильные производные. Если ОН-группа при аномерном атоме легко реагирует в кислой среде с метанолом давая метил-гликозиды, то метилирование остальных ОН-групп моносахаридов требует более жестких условий. В этом случае вместо метилацеталей образуются метиловые эфиры, которые в отличие от метилгликозидов не гидролизуются при кипячении с кислотой. Метилирование всех свободных гидроксильных групп углевода называют исчерпывающим метилированием.
Гликозиды метилированных сахаров, благодаря летучести в высоком вакууме, используют для газожидкостной хроматографии и масс-спектрометрии углеводов.
О-Ацильные производные. При замещении атомов водорода гидроксильных групп углеводов остатками кислот получаются вещества типа сложных эфиров.
Аминосахара. Замещение гидроксильной группы при С-2 на аминогруппу приводит к образованию аминосахаров. Широко распространены в природе два аминосахара — D-глюкозамин и D-raлактозамин.
OO
////
C C
│ \ H │ \H
HCNH2 HCNH2
│ │
HOCH HOCH
│ │
HOCH HOCH
│ │
CH2OH CH2OH
D-Глюкозамин D-Галактозамин

Аминосахара входят в состав многих гликопротеинов и гликолипидов, чаще в форме N-ацетильных производных.
Мурамовая и нейраминовая кислоты. Эти производные сахаров играют ведущую роль в качестве строительных блоков структурных полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок бактерий (N-ацетилмурамовая кислота) и плазматических мембран клеток животных (N-ацетилнейраминовая кислота). В молекуле N-ацетилмурамовой кислоты ацетилированный D-глюкозамин связан эфирной связью с молочной кислотой. N-Ацетилнейраминовая кислота содержит остатки ацетилированного D-маннозамина и пировиноградной кислоты. Все О- и N-ацильные производные нейраминовой кислоты имеют общее название — сиаловые кислоты.
Нейраминовая и сиаловая кислоты являются составными компонентами мембран нервной ткани. Однако сиалсодержащие гликолипиды обнаружены и в других тканях. Они выполняют механические, иммунохимические и другие функции, могут восстанавливать электровозбудимость мозговой ткани, специфически связывать или инактивировать некоторые бактериальные токсины.
Отдельные представители моносахаридов. Триозы (С3Н6Оз). Основными представителями являются глицеральдегид и дигидроксиацетон, в свободном виде они обычно не встречаются.
Фосфорные эфиры триоз образуются в организме животных, растений и бактерий как промежуточные продукты превращений более сложных моносахаридов, а также в процессе фотосинтеза у растений и хемосинтеза у бактерий.
Тетрозы (С4Н8О4). Из этой группы моносахаридов заслуживает внимания D-эритроза, которая образуется в качестве промежуточного продукта при фотосинтезе и в пентозофосфатном цикле окисления углеводов в виде 4-фосфорного эфира. Продукт восстановления эритрозы — спирт эритрит — обнаружен у водорослей, лишайников.
Пентозы (С5Н10О5). Представители пентоз в свободном виде встречаются очень редко (в моче, в листьях некоторых растений), чаще они входят в состав более сложных углеводов и других органических соединений; образуются и в качестве промежуточных продуктов в процессе метаболизма углеводов.
L-Арабиноза широко распространена в природе в составе гемицеллюлоз, пектиновых веществ, слизей, гумми. Обнаруживается в свободном виде в моче после употребления больших количеств фруктов или их соков (алиментарная пентозурия). D-Арабиноза входит в состав полисахаридов ряда бактерий, является компонентом некоторых растительных гликозидов.
D-Ксилоза — древесный сахар — обнаруживается у растений в свободной форме, но в значительно большем количестве в составе гемицеллюлоз, растительных слизей. Много ксилозы содержится в соломе, отрубях, древесине, хлопковой шелухе и особенно много (до 12%) в кукурузных кочерыжках, откуда ее и получают для кондитерской промышленности. Образующийся из ксилозы спирт ксилит используют вместо сахарозы в питании больных диабетом и ожирением. У человека, животных и микроорганизмов ксилоза входит в состав гликопротеинов.
D-Рибоза и D-2-дезоксирибоза содержатся в нуклеиновых кислотах и свободных нуклеотидах. Продукт восстановления рибозы — спирт рибитол — составная часть некоторых витаминов, простетических групп ферментов.
В зеленых растениях, в микроорганизмах и тканях животных обнаруженны кетопентозы — D-рибулоза и L-ксилулоза. Фосфорные эфиры этих Сахаров играют важную роль в качестве промежуточных продуктов цикла Кальвина и пентозофосфатного пути окисления углеводов.
Гексозы (С6Н12О6). Многие представители этой группы моносахаридов находятся в природе в свободном виде и играют важную роль в жизни всех организмов.
D-Глюкоза (виноградный сахар, декстроза) присутствует в свободном виде в зеленых частях растений, в семенах, различных фруктах и ягодах, меде, в крови человека и животных. У здорового человека в крови содержится от 0,07 до 0,11% глюкозы. Кроме того, она входит в состав большого числа полисахаридов, многих гликозидов.
D-Фруктоза (плодовый сахар, левулеза). Содержится в свободном виде в зеленых частях растений, в нектаре цветов, плодах, меде.
D-Галактоза входит в состав дисахаридов лактозы и мелибиозы, трисахарида рафинозы, олигосахаридов стахиозы, вербаскозы и целого ряда полисахаридов // порядка как растительного, так и животного происхождения.
D-Манноза встречается в растениях в составе высокомолекулярных полисахаридов — слизей, гемицеллюлоз. В организме животных и человека манноза найдена в гликопротеинах, углеводных цепях протеогликанов. Найдена манноза и у микроорганизмов, в частности в составе некоторых капсулярных полисахаридов и О-антигенных детерминант у грамотрицательных бактерий.
Монодезоксигексозы и их производные известны как структурные компоненты сердечных гликозидов. Ряд 6-дезоксисахаров обнаружен в составе гликолипидов бактерий, а также некоторых антибиотиков. Наиболее широко распространены L-фукоза, L-рамноза и их метильные моно- и диэфиры. Так, L-фукоза является структурным компонентом олигосахаридов молока, специфических полисахаридов групповых веществ крови, бактериальных клеточных стенок.
Дидезоксигексозы и их производные часто встречаются в сердечных гликозидах (например, D-дигитоксоза), Источником 2,6- и 2,4-дидезоксисахаров оказались также некоторые антибиотики. 3,6-Дидезоксисахара были выделены из микробного материала (абеквоза, колитоза и др.); они входят в состав специфических полисахаридов грамотрицательных бактерий и составляют в среднем 10—15% от бактериальных полисахаридов. Значение их велико, поскольку в полисахаридах эти сахара являются терминальными группами, определяющими антигенную специфичность. Известна также 2,3,6-тридезоксигексоза — амицетоза, выделенная из антибиотиков,
Гептозы (С7Н14О7) и другие высшие сахара обнаружены в природе в различных видах. Так, из растений выделены D-седогептулоза, D-манногептулоза и др. Седогептулоза в виде фосфорного эфира образуется в процессе фотосинтеза в качестве промежуточного продукта, а также в пентозофосфатном цикле. Из бактерий изолированы D-глицеро-D-манногептоза, D-глицеро-D-глюкогептоза и другие высшие сахара.
6.3. Олигосахариды (полисахариды / порядка)
Номенклатура. Олигосахариды содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидной связью. Они хорошо растворимы в воде, обладают сладким вкусом. В зависимости от числа молекул простых Сахаров, вводящих в состав олигосахарида, различают: дисахариды, трисахариды, тетрасахариды и т. д. По составу моносахаридных остатков, их делят на гомоолигосахариды (содержат одинаковые мономеры) и гетероолигосахариды (содержат разные звенья моносахаридов). По строению молекулы олигосахаридов могут быть разветвленными или линейными.
Cуществует более краткая система обозначения строения олигосахаридов, подобная обозначению белков и пептидов. Ее часто используют для обозначения высших олигосахаридов, с большим числом звеньев. Каждый моносахаридный остаток обозначают двумя-тремя латинскими буквами. Конфигурацию (D или L) и характер кольца также обозначают буквами (р — пираноза, f — фураноза). Цифрами указывают атомы, через которые осуществляется связь, а стрелкой — направление этой связи. Однако в практике чаще употребляют рабочие, тривиальные названия олигосахаридов, многие из которых указывают или на происхождение данного сахара, или на его свойство, как и в случае моносахаридов, с добавлением окончания -оза.
Ниже приводятся тривиальные названия некоторых олигосахаридов и их наименования по трем изложенным системам:
Лактоза 1) 4-0-(β-D-галактопиранозил)-D-глюкопираноза;
2)β-D-галактопиранозил- (1→4) -D-глкжопираноза;??
3)β-D-Galp (l→4)—Glp
Сахароза 1) 2-0-(α-D-глюкопиранозил)-β-D-фруктофуранозид;
2)α-D-глюкопиранозил- (1→2) -β-D-фруктофуранозид;
3)α-D-Glp (1→2) β-D-Fruf.
Характеристика отдельных олигосахаридов. Из олигосахаридов наиболее широко распространены в природе дисахариды. В молекулу дисахарида могут соединяться две гексозы, две пентозы или гексоза и пентоза. Некоторые дисахариды содержат одинаковые моносахаридные остатки.
Дисахариды типа мальтозы. У этого типа дисахаридов связь между двумя остатками моносахаридов осуществляется за счет полуацетального гидроксила одной молекулы и гидроксилов, находящихся в других положениях (чаще всего в 4-м или 6-м) другого моносахарида. Такие дисахариды содержат один свободный полуадетальный гидроксил, а потому способны восстанавливать фелингову жидкость. В водных растворах обнаруживают мутаротацию. Молекула дисахарида типа мальтозы существует в растворе в виде смеси α- и β-форм, в кристаллическом виде эти формы можно получить раздельно. Основными представителями этого типа являются мальтоза, изомальтоза, целлобиоза, лактоза, мелибиоза, гентиобиоза.
1139190931545Мальтоза (α-D-глюкопиранозил- (1—>4) -D-глюкопираноза) образуется при гидролизе крахмала под действием β-амилазы. Содержится в большом количестве в солоде и солодовых экстрактах, отсюда и получила свое название — солодовый сахар. Вопрос об обнаружении у растений in vivo — дискуссионен. Преобладающей является β-форма.
α-Мальтоза
Целлобиоза (β-D-глюкопиранозил- (1→4) -D-глюкопираноза) представляет собой основную структурную единицу клетчатки (целлюлозы). В составе клетчатки находится в β-форме.
Лактоза (β-D-галактопиранозил- (1→4) -D-глюкопираноза) содержится в больших количествах только в молоке (молочный сахар), из которого ее и получают. Так, в коровьем молоке на ее долю приходится 4—5,5%, а в женском — 5,5—8,4%.
13011151905000Дисахариды типа сахарозы. У дисахаридов такого типа нет восстанавливающей способности и способности к мутаротации. Так как гликозидная связь образуется за счет полуацетальных гидроксилов обоих моносахаридных компонентов. Основными представителями дисахаридов этого типа являются сахароза и трегалоза. Сахароза (α-0-глюкопиранозил- (1→2)-β-D-фруктофуранозид) чрезвычайно широко распространена в растениях. Встречается в листьях, стеблях, корнях, фруктах, ягодах, клубнях. Является транспортной формой углеводов большинства растительных организмов и запасной формой у таких растений, как сахарная свекла и сахарный тростник, которые и служат сырьем для ее получения. Сахароза очень легко гидролизуется в кислой среде, что связано с наличием в ее молекуле фуранозной формы фруктозы. Скорость ее гидролиза примерно в 1000 раз больше, чем скорость гидролиза других дисахаридов при тех же условиях.
CH2OH CH2OH
Сахароза
В процессе кислотного гидролиза или при действии фермента инвертазы (β-D-фруктофуранозидаза) из сахарозы образуется равное количество α-D-глюкозы и β-D-фруктозы. При этом наблюдается смена правого вращения плоскости поляризации на левое. Это явление называется инверсией, а образующийся продукт — инвертным сахаром, или инвертом. Мед является природным инвертным сахаром, так как в основном состоит из равных количеств глюкозы и фруктозы.
Трегалоза (α-D-глюкопиранозил- (1→1) -α-D-глюкопиранозид) содержится в грибах, водорослях, рожках спорыньи. Этот дисахарид является главным углеводом гемолимфы многих насекомых.
Трисахариды и другие олигосахара. Из трисахаридов в природе встречаются рафиноза, генцианоза и мелецитоза. Они в основном выполняют функцию резервных углеводов растений, служат транспортной формой сахаров у некоторых растений (рафиноза) или являются экскретами тлей и других сосущих насекомых на листьях растений (мелецитоза).
Рафиноза (α-D-галактопиранозил- (1→6) α-D-глюкопиранозил-(1→2)-β-D-фруктофуранозид) содержит моносахаридные остатки, связанные за счет полуацетальных гидроксилов, поэтому не обладает редуцирующими свойствами и мутаротацией.
Во многих растениях содержится тетрасахарид стахиоза. У ясеня она является транспортной формой углеводов.
6.4. Полисахариды II порядка (гликаны)
Основная масса углеводов, встречающихся в природе, представлена высокомолекулярными соединениями — полисахаридами II порядка, или гликанами. При гидролизе они образуют большое число остатков моносахаридов (до нескольких десятков тысяч).
Классификация и номенклатура. Различают гомополисахариды (гомогликаны) и гетерополисахариды (гетерогликаны). Первые состоят из моносахаридных единиц одного типа, вторые содержат единицы двух и более типов. В зависимости от биологической функции гликанов их делят на резервные и структурные. По характеру полигликозидной цепи полисахариды II порядка могут быть линейными и разветвленными. По источнику выделения различают зоогликаны, фитогликаны и полисахариды микробов.
Систематической номенклатуры полисахаридов не существует. Однако часто применяют рациональный принцип: за основу берется название основного моносахарида (или моносахаридов) и окончание -оза заменяется окончанием -ан. Например: D-глюкан (состоит из остатков глюкозы), L-арабино-D-галактаны (состоят из остатков L-арабинозы и D-галактозы). Наряду с этими названиями используют и другие. Так, полимеры уроновых кислот называют полиуронидами, полисахариды, сопровождающие целлюлозу,— гемицеллюлозами. Для многих представителей до сих пор применяют давно возникшие названия: крахмал, гликоген, гепарин, хондроитин и т. д.
В отличие от моносахаридов и олигосахаридов гликаны или нерастворимы в воде, или дают очень вязкие коллоидные растворы; не имеют сладкого вкуса, гликаны очень трудно поддаются выделению из тканей и часто в процессе выделения претерпевают различные изменения (деполимеризация, окисление), что сильно затрудняет изучение их строения.
Отдельные представители гомо- и гетерополисахаридов
Крахмал. Не является химически индивидуальным веществом: на 96,1—97,6% состоит из полисахаридов (амилоза и амилопектин), от 0,2 до 0,7% составляют минеральные вещества, в основном фосфаты. В крахмале найдены жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая и другие, содержание которых достигает 0,6%. Они адсорбированы на полисахаридной фракции крахмала и могут быть удалены экстракцией нейтральными органическими растворителями (например, метанолом).
В растениях крахмал является резервным питательным веществом и находится в них в виде крахмальных зерен, различающихся по форме, размерам, химическому составу и свойствам у различных видов и даже разных органов одного растения.
α-Aмилоза представляет собой длинные, как правило, неразветвленные цепи, в которых остатки D-глюкопиранозы соединены α(1→4)-связями. Амилоза легко растворяется в теплой воде и дает растворы со сравнительно невысокой вязкостью. Растворы амилозы нестойкие, при стоянии могут образовывать осадки.
Молекулярная масса амилозы картофеля около 400 000, семян кукурузы и риса —100 000—200 000. Раствором иода амилоза окрашивается в синий цвет, обусловленный образованием комплексного химического соединения. При этом молекулы иода располагаются внутри спирально закрученных цепочек амилозы.
Амилопектин состоит из сильно разветвленных цепей, (рис. 14).
690245-17145АБВ
Рис. 14. Строение молекул амилозы (А), амилопектина (Б) и гликогена (В)
Молекулярная масса амилопектина может достигать 20 ∙ 106. Сине-фиолетовое окрашивание иодом, является результатом образования как комплексных, так и адсорбционных соединений. Вследствие малой прочности соединений углеводных компонентов крахмала с иодом они легко распадаются при нагревании или добавлении щелочи, при этом синяя окраска исчезает.
Соотношение количества амилозы и амилопектина в крахмале различных видов растений различно (табл. 10).

Таблица 10. Соотношение амилозы и амилопектина в крахмале
Вид растения Амилоза, % Амилопекхин, %
Картофель (клубни), пшеница и кукуруза обыч- 20—25 75—80
ная (семена) 0 Кукуруза восковидная (семена) 100
Яблоки (плоды) 100 0
При гидролизе крахмала нагреванием в присутствии минеральных кислот в качестве промежуточных продуктов образуются полисахариды разной молекулярной массы — декстрины.
1.Амилодекстрины — дают с иодом фиолетово-синее окрашивание, представляют собой белые порошки, растворимые в 25%-ном этаноле, но осаждаемые 40%-ным этанолом.
2.Эритродекстрины — окрашиваются иодом в красно-бурый цвет, растворяются в 55%-ном этаноле и осаждаются при 65%-ной его концентрации в виде сферокристаллов.
3.Ахродекстрины — иодом не окрашиваются, растворяются в 70%-ном этаноле.
4.Мальтодекстрины — не дают окраски с иодом и не осаждаются этанолом.
Крахмал находит широкое практическое применение в медицине и других отраслях промышленности: пищевой, текстильной, бумажной, кожевенной, фармацевтической и т. д. В промышленных масштабах крахмал получают в нашей стране из клубней картофеля и зерна кукурузы. Клубни картофеля в среднем содержат 15— 25% крахмала на сырую массу, семена отдельных зерновых культур — 40—60% крахмала.
Гликоген. Представляет собой главный энергетический и углеводный резерв человека и животных. Особенно велико его содержание в печени (до 10%) и мышцах (до 4%). Встречается также в грибах, некоторых высших растениях (сахарная кукуруза) и микроорганизмах. Гликоген — это разветвленный полимер, образованный остатками D-глюкопиранозы, которая в линейных участках молекулы соединена α-1,4-связями, а в точках ветвления — α-1,6-связями. В отличие от амилопектина, где число остатков глюкозы на одну точку ветвления в среднем равно 20, у гликогена одна связь α-1,6-типа приходится на 8—12 остатков D-глюкопиранозы. Большая степень ветвления молекул гликогена по сравнению с амилопектином придает им и большую компактность. Молекулярная масса гликогена колеблется в пределах от 3∙105 до 1∙108, форма молекулы приближается к сферической. При кислотном гидролизе образуются в основном α-глюкоза, α-мальтоза и α-изомальтоза.
Декстраны играют роль резервных полисахаридов у дрожжей и бактерий. Представляют собой полисахариды с разветвленными, как правило, цепями, состоящими из остатков α-D-глюкопиранозы, связанных (1→6)-связями. Различные декстраны отличаются друг от друга характером связей в точках ветвления, которые могут быть типа 1→2, 1→3 или 1→4. Молекулярные массы декстранов очень велики (М≈до 5∙108). Декстраны и их производные обладают антигенной специфичностью; они нашли широкое применение в качестве кровозаменителей, антикоагулянтов.
Продукты химической модификации декстранов — сефадексы и сефароза — широко используют в биохимических лабораториях при разделении смесей веществ.
Полифруктозаны. Являются резервными полисахаридами, особенно характерны для семейства сложноцветных, заменяя у них крахмал. Наиболее хорошо из них изучен инулин. Он содержится в клубнях земляной груши, георгина, артишока, где его количество достигает 50%. Обнаружен также в корнях одуванчика, коксагыза, цикория.
529590632460Целлюлоза (клетчатка). Наиболее широко распространенный структурный полисахарид растительного мира. На ее долю приходится более 50% всего органического углерода биосферы. Содержится также в бактериях и некоторых низших животных.
Схема водородных связей в сухой (Л) и увлажненной (Б) клетчатке
Древесина примерно на 50% состоит из целлюлозы, хлопок — почти на 100%. Целлюлоза представляет собой линейный полисахарид, состоящий из p-D-глюкопиранозных звеньев, соединенных 1→4-связями. Эти линейные молекулы обычно располагаются параллельно друг другу, между ними возникают водородные связи, образуются микрофибриллы.
Целлюлоза имеет очень большое практическое значение. Она составляет основную массу хлопчатобумажных тканей, бумаги, искусственного шелка, некоторых пластмасс и взрывчатых веществ, эмульгаторов, защитных коллоидов и т. д. В практике биохимических лабораторий широко применяют карбоксиметилцеллюлозу и ДЭАЭ-целлюлозу.
Хитин. Широко распространенный в природе структурный полисахарид. Он входит в состав кутикулы или наружного скелета членистоногих и некоторых других беспозвоночных животных, а также клеточных оболочек грибов. Хитин никогда не встречается в свободном состоянии. Он обычно связан с белками, неорганическими солями (СаСОз и др.), липидами, пигментами. По своей структуре хитин представляет собой линейный полимер, состоящий из остатков N-ацетилглюкозамина, соединенных β(1→4)-гликозидными связями. Хитин выполняет механическую, опорную и защитную функции в различных организмах.
Гемицеллюлозы. Это название объединяет большую группу полисахаридов, не растворяющихся в воде, но растворимых в щелочных растворах. Являются главными компонентами матрикса, цементирующего целлюлозные волокна в оболочках растительных клеток. Содержатся в значительном количестве в одревесневших частях растений: древесине, соломе, орехах, семенах, отрубях, кукурузных початках.
Кислотами гидролизуются легче, чем целлюлоза. Образуют при этом маннозу, галактозу, арабинозу, ксилозу, иногда глюкозу. В соответствии с продуктами гидролиза различают несколько групп гемицеллюлоз: маннаны, галактаны, ксиланы и др.
Пектиновые вещества. В растениях присутствуют в виде нерастворимого протопектина в межклеточном веществе и матриксе клеточной стенки, а также в виде растворимого пектина в соке плодов и овощей. Нерастворимый протопектин представляет собой метиловый эфир полигалактуроновой кислоты, соединенный с галактаном и арабаном клеточной стенки. Остатки L-арабинозы, D-галактозы и L-рамнозы участвуют наряду с D-галактуроновой кислотой в построении основной цепи. В образовании протопектина вместе с пектиновыми веществами участвуют целлюлоза, ионы Са, Mg и Н3Р04. Протопектин переходит в растворимый пектин после действия на него разбавленными кислотами или ферментом протопектиназой.
Превращение протопектина в растворимый пектин наблюдается при созревании плодов, что приводит к уменьшению жесткости плодов, улучшению их вкусовых качеств. Характерным и важным свойством растворимого пектина является его способность образовывать гели в присутствии сахара (65—70%-ный раствор) и кислоты (рН 3,1—3,5). В образующемся геле содержится 0,2—1,5% пектина. Это свойство широко используют в кондитерской промышленности при производстве желе, мармелада, джема, пастилы, фруктовых карамельных начинок.
Пектиновые вещества для человека весьма полезны. Они регулируют работу кишечника, обладают детоксикационными свойствами (например, при ртутных отравлениях).
Лихенин. Полисахарид лишайников. Особенно много его в исландском мхе (Cetraria islandica) ,у которого содержание лихенина достигает 45—50% на сухое вещество. Остатки α-D-глюкозы на 73% связаны 1→4-гликозидными связями и на 27% 1→3-связями. Организм человека не усваивает лихенин. Однако северные олени, для которых он является основным кормом, его усваивают благодаря наличию в их пищеварительном тракте соответствующих бактерий.
Агар-агар, Высокомолекулярный полисахарид, содержащийся в некоторых морских водорослях. В России его добывают из багряной водоросли анфельции, произрастающей в Белом, Баренцевом и Балтийском морях, а также в водоемах Дальнего Востока.
Агар-агар растворяется в воде при нагревании. Водные растворы его застывают в виде геля, поэтому он широко применяется в бактериологии для приготовления твердых питательных сред, а в кондитерской промышленности для изготовления желе, пастилы, мармелада. Представляет собой смесь агарозы и агаропектина. Агароза состоит из чередующихся остатков D-галактозы и 3,6-ангидро-L-галактозы, соединенных поочередно β(1→4)- и α(1→3) связями. Агаропектин содержит цепочки, образуемые остатками D-галактопиранозы, часть которых сульфатирована.
Гликозаминогликаны. Старое название — мукополисахариды. Содержат чередующиеся парные звенья, состоящие из остатков аминосахаров и гексуроновых кислот, реже моносахаридов, обладают большой молекулярной массой. В организме всегда связаны с белками. Образуют основное вещество внеклеточного матрикса соединительной ткани.
Гиалуроновая кислота. Содержится во многих видах соединительной ткани. Наибольшие ее количества найдены в пупочном канатике, стекловидном теле глаза, синовиальной (суставной) жидкости и коже. В тканях и жидкостях гиалуроновая кислота существует в свободном или ассоциированном с белками состоянии, образуя очень вязкие растворы, чем и определяется стойкость ткани к проникновению инфекции. Гиалуроновая кислота служит также смазкой в суставах.
Многие бактерии, особенно грамположительные, вырабатывают защитную капсулу из гиалуроновой кислоты, которая имеет прямое отношение к вирулентности (удаление капсулы у стрептококков группы С уменьшает их вирулентность в 100 000 раз). Повторяющейся единицей гиалуроновой кислоты служит дисахарид, состоящий из остатков β-D-глюкуроновой кислоты и β-N-ацетил-D-глюкозамина, соединенных (1→3) -связью. Дисахаридные единицы соединены (1→4) -связью линейно.
Хондроитинсульфаты. Служат основными структурными компонентами хрящевой ткани, сухожилий, роговицы глаз; содержатся также в костной ткани, коже. Различают несколько типов: хондроитин-4-сульфат (хондроитинсульфат A), хондроитин-6-сульфат (хондроитинсульфат С) и дерматансульфат (хондроитинсульфат В).
N-Лцетил-^-О- /f-D-Глюкуроноваяглюкозаминкислота
В дерматансульфате вместо остатков D-глюкуроновой кислоты присутствуют остатки L-идуроновой кислоты, связанные α(1→3) -гликозидной связью с сульфатированным N-ацетилгалактозамином. О биологической роли дерматансульфата сведений мало: обладает антикоагулянтным действием, стабилизирует волокна коллагена.
Кератансульфаты. Их цепи состоят из чередующихся дисахаридных фрагментов, состоящих из остатков D-галактозы и N-ацетилглюкозамин-6-сульфата, соединенных β(1→4) -связью. Дисахаридные единицы соединяются β(1→3) -связью. Остатки галактозы тоже могут быть сульфатированы. Иногда в молекуле есть сиаловая кислота, фукоза и манноза. Кератансульфаты присутствуют в основном веществе хряща, роговице глаз.
Гепарин и гепарансульфат. Обладают очень сходной структрой с другими типами гликозаминогликанов, однако отличаются от них по локализации и функции в животных тканях. Гепарин обычно присутствует на поверхности многих клеток, но является внутриклеточным веществом тучных клеток, в которых он синтезируется. Обнаружен впервые в печени, что и отражено в его названии. Содержится также в коже, легких, слизистой оболочке желудка.
Гепарин — важнейший естественный антикоагулянт; он принимает участие в обмене липидов, вызывая поступление в кровь липазы, влияет на холестериновый обмен. В медицинской практике его используют при лечении тромбозов, ожоговой болезни, сердечно-сосудистых заболеваний, а также в качестве стабилизатора крови при переливании.
Углеводную структуру этого полисахарида можно представить в виде повторяющегося тетрасахаридного фрагмента, состоящего из двух связанных α (1→4)-связью дисахаридов. Один из них содержит L-идуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин, сульфатированные в положении С-2, а второй — β-D-глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин, сульфатированный в положении С-6.
Клеточные стенки бактерий, их полисахариды. В состав клеточных стенок бактерий входят смешанные биополимеры, дающие при гидролизе кроме моносахаридов еще и другие вещества. Основным полимером такого рода является пептидогликан — муреин. Он образует каркас клеточных стенок как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Этот каркас составляет единое целое, поскольку образующий его муреин представляет собой одну гигантскую молекулу (M≈5∙1010).
Наиболее изучен муреин клеточной стенки Staphylococcus aureus.
Стенки бактериальных клеток помимо муреина содержат и другие компоненты, которые у разных видов бактерий варьируют. Так, для грамположительных бактерий характерны тейхоевые кислоты, полисахариды и полипептиды (или белки), которые сложным образом вплетены в муреиновую сеть. Тейхоевые кислоты представляют собой длинные цепи, состоящие из остатков глицерина или рибита, связанных друг с другом фосфодиэфирной связью. Свободные ОН-группы остова тейхоевых кислот могут быть заняты остатками D-аланина, D-глюкозы, D-галактозы, L-рамнозы, N-ацетил-D-глюко-замина и N-ацетилгалактозамина.
Сопутствующие муреину полисахариды представлены остатками рамнозы, глюкозы и галактозы (или их аминами), а также остатками маннозы. Как тейхоевые кислоты, так и полисахариды клеточных стенок грамположительных бактерий обладают антигенной активностью.
Все эти компоненты наделяют клетки грамотрицательных бактерий сложной антигенной специфичностью и акцепторной специфичностью по отношению к вирусам и бактериоцинам. Если клеточная стенка грамположительных бактерий — жесткий, хрупкий корпус клетки (вроде наружного скелета ракообразных), то клеточные стенки грамотрицательных бактерий обладают гладким мягким покрытием, богатым липидами и укрывающим лежащий под ними муреиновый скелет.
6.5.Образование углеводов в процессах фотосинтеза и хемосинтеза
1280795598170Фотосинтез. Фотосинтез — это совокупность процессов, в ходе которых запасается солнечная энергия в виде химических связей органических соединений, синтезируемых из неорганических веществ.
Рис. 15. Строение хлорофилла а: I—IV — пиррольные циклы; пунктиром показаны координационные связи
Фотосинтез состоит из двух фаз: световой (фотофизический и фотохимический этапы) и темновой. В ходе световой фазы происходит поглощение солнечной энергии хлорофиллом и передача ее в «реакционный центр», где в результате химических реакций, включающих транспорт электронов между различными переносчиками и сопряженного с ним фосфорилирования, образуются восстановительные и энергетические эквиваленты (НАДФН и АТФ). Для нормального функционирования реакций световой фазы кроме света необходимы хлорофилл и вода (или другой источник водорода). Различные хлорофиллы способны поглощать кванты света с определенной длиной волны и переходить при этом в возбужденное состояние. Переход в исходное состояние приводит к высвобождению энергии, которая через ряд промежуточных стадий запасается в форме АТФ и НАДФН.
Все известные в настоящее время фотосинтезирующие организмы содержат хлорофиллы — зеленые магнийпорфириновые пигменты. Известно свыше десяти их видов, различающихся природой химических группу присоединенных к пиррольным структурам порфиринового ядра, окраской, распространением среди живых организмов. Так, у всех зеленых растений содержатся хлорофиллы а и b (рис 17), в диатомовых водорослях — хлорофилл с, в красных водорослях — хлорофилл d. В клетках пурпурных бактерий обнаружены бактериохлорофиллы a и b, а в зеленых бактериях — бактериохлорофиллы с и d. Важным свойством молекул хлорофилла является их способность взаимодействовать с белками и друг с другом, образуя агрегированные формы с различными спектрами поглощения.
Наряду с зелеными пигментами в хлоропластах и хроматофорах содержатся каротиноиды — желтые и оранжевые пигменты
47244081915Структура β-каротина
изопреновой природы. Каротиноиды могут быть разделены на ряд групп по своему строению: собственно каротиноиды, гидроксилсодержащие каротиноиды и каротиноиды, содержащие карбонильные группы. Основными представителями у высших растений являются β-каротин и ксантофилл. Предполагают, что каротиноиды, используя лучи, не поглощаемые хлорофиллом, передают их энергию на молекулы хлорофилла. Существуют данные, что каротиноиды предохраняют молекулы хлорофилла от разрушения в процессе фотоокисления, а также играют определенную роль в половом процессе при прорастании пыльцы и росте пыльцевых трубок, у высших растений и при созревании половой клетки у водорослей и грибов.
Третья группа пигментов — фикобилины. Это красные и синие пигменты (фикоэритрины, фикоцианины), содержащиеся в хроматофорах некоторых водорослей. В основе химического строения фикобилинов лежит та же тетрапиррольная структура, но пиррольные группы расположены линейно. Фикобилины поглощают энергию света в зеленой и желтой областях спектра и передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется в процессе фотосинтеза. Наличие фикобилинов у водорослей — пример приспособления в ходе эволюции к поглощению тех лучей солнечного света, которые проникают через толщу морской воды.
Темновая фаза фотосинтеза — это фиксация и восстановление СО2 с образованием углеводов и других конечных продуктов фотосинтеза. На этой стадии свет не нужен, а используются образованные в световой фазе восстановительные и энергетические эквиваленты. Во время темновой фазы атомы водорода, поставляемые световыми реакциями, используются для восстановления СО2 до углеводов согласно общему уравнению фотосинтеза:
Свет
6С02 + 12Н20 → С6Н12О6 + 602 + 6Н20
Хлорофилл
При этом на каждый моль синтезированного углевода запасается ~160 кДж энергии.
Процесс восстановления СО2 начинается с его присоединения к пятиуглеродному акцептору рибулозо-1,5-бисфосфату (РуБФ). Образующееся шестиуглеродное соединение очень нестойко. Опытами М. Кальвина с меченым оксидом углерода (IV) установлено, что при длительности фотосинтеза 2 с первым фиксируемым меченым соединением является не С6-соединение, а 3-фосфоглицериновая кислота (ФГК), причем метка обнаруживается только в карбоксиле. Реакция карбоксилирования катализируется рибулозобисфосфат-карбоксилазой (РБФ-карбоксилаза). Затем образующаяся ФГК фосфорилируется при участии фермента фосфоглице-раткиназы с использованием АТФ и превращается в 1,3-бисфосфо-D-глицериновую кислоту, которая более реакционноспособна и легче восстанавливается в глицеральдегид-3-фосфат (ГАФ).
В реакции восстановления принимают участие образовавшийся в световой стадии НАДФН (никотинамидадениннуклеотид) и фермент глицеральдегидфосфатдегидрогеназа. Часть образовавшихся молекул ГАФ под действием фермента триозофосфатизомеразы превращается в дигидроксиацетонфосфат (ДГАФ). Эти два триозофосфата конденсируются под действием альдолазы. Сначала образуется фруктозо-1,6-дифосфат (ФДФ), далее — монофосфаты фруктозы (Ф6Ф) и глюкозы (Г6Ф) и, наконец, — сахароза и крахмал. Для того чтобы процесс фотосинтеза продолжался, необходима постоянная регенерация РуБФ, поэтому в одном обороте цикла участвуют 6 молекул РуБФ, которые фиксируют 6 молекул С02. Образующиеся 12 молекул ФГК, а после ее восстановления 12 молекул ГАФ расходуются следующим образом:
5ГАФ → 5ДГАФ
ЗГАФ + ЗДГАФ -+ ЗФДФ →ЗФ6Ф
2ГАФ + 2Ф6Ф-→2 Ксилулоза-5Ф + 2Эритрозо-4Ф
2ГАФ + 2 Седогептулозо-7Ф 2 Ксилулозо-5Ф + 2 Рибозо-5Ф
Таким образом, две молекулы глицеральдегид-3-фосфата образуют одну молекулу гексозы, которая выходит из цикла, а 10 идут на регенерацию шести молекул рибулозо-1,5 бисфосфата, и цикл замыкается.
У некоторых растений в качестве первичных продуктов фотосинтеза сначала образуются оксалоацетат и малат в результате карбоксилирования ФЕП под действием ФЕП-карбоксилазы. Поскольку первичные продукты в этом случае содержат четыре атома углерода, его называют С4-путь фотосинтеза в отличие от цикла Кальвина, где образующаяся ФГК содержит три атома углерода (С3-путь). С4-Путь фотосинтеза, в котором принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов, называется кооперативным.
Хемосинтез. Гетеротрофная фиксация С02. Известный русский микробиолог С. Н. Виноградский показал (1885—1895), что органические вещества синтезируются в природе не только путем фотосинтеза в зеленых растениях, но и бактериями, не содержащими хлорофилла. Энергию, необходимую для синтеза органических соединений, эти бактерии получают при окислении различных неорганических соединений: Fe, N, S, Н, Sb, Мn. Этот процесс называется хемосинтезом. Некоторые хемосинтетики используют в качестве доноров водорода простейшие органические вещества — метан, метанол и пр.
Исследование химизма ассимиляции меченого оксида углерода (IV) (14С02) различными хемосинтезирующими бактериями показало, что первым стойким продуктом хемосинтеза является фосфоглицериновая кислота, а присоединение СO2 к рибулозобисфосфату, т. е. цикл Кальвина, — основным механизмом ассимиляции СО2. У многих хемосинтезирующих бактерий цикл Кальвина — главный, но не единственный путь образования органических веществ.
Таким образом, процессы фотосинтеза и хемосинтеза — источники органического вещества на Земле.
А. Ф. Лебедевым еще в 1914 г. была высказана мысль, что гетеротрофные организмы могут частично ассимилировать углерод не только из готовых органических соединений, но и из СО2, связывая последний с некоторыми кетокислотами. В последние годы это получило экспериментальное подтверждение в исследованиях А. Л. Курсанова, Г. Вуда, С. Очоа и др.
Однако, как уже указывалось, между автотрофами и гетеротрофами существует коренное отличие: первые способны синтезировать органическое вещество полностью за счет неорганических веществ (СО2 и Н20), вторые усваивают СО2, используя готовое органическое соединение, например пируват.
6.6. Превращение углеводов в процессе пищеварения
Человек и животные не способны к первичному биосинтезу углеводов из неорганических веществ, они могут лишь образовывать их в процессе глюконеогенеза из других органических веществ (органических кислот, жиров, аминокислот), но главным источником углеводов является пища. Некоторые насекомые получают с пищей преимущественно одни углеводы (питающиеся древесиной, цветочным нектаром). Они настолько приспособились к подобному питанию, что погибают без углеводов. У ряда беспозвоночных животных существует хорошо выраженная сезонная периодичность содержания углеводов в организме. Так, у мидий и креветок осенью резко увеличивается количество углеводов, происходит запасание на зиму питательных веществ. Этому способствует и повышенное содержание углеводов в планктоне — пище мидий и креветок. Углеводы составляют существенную часть пищевого рациона человека и многих животных. На их долю приходится 60—70% общей суммы калорий пищи человека. Особенно много углеводов содержат крупы, лапша и макароны (65—75%), хлеб (около 50%), картофель (до 25%). Очень мало их в мясомолочных продуктах (0,5-2%).
Углеводы всасываются через слизистую оболочку кишечника только в виде моносахаридов. Даже хорошо растворимые дисахариды сахароза и лактоза не могут в неизмененном виде всасываться в кишечнике. Если их ввести в кровь, минуя желудочно-кишечный тракт, дисахариды не будут утилизироваться клетками различных тканей. Это еще в большей степени относится к нерастворимым в воде полисахаридам: крахмалу, гликогену. Таким образом, в процессе переваривания углеводов пищи должно происходить их расщепление до моносахаридов — той единственной формы, которая может всасываться и утилизироваться в организме.
Переваривание углеводов начинается в ротовой полости. В составе слюны содержатся два фермента: α-амилаза и мальтаза.
Специфической особенностью α-амилазы слюны (старое название — птиалин) является способность гидролитически расщеплять крахмал только тех пищевых продуктов, которые подвергались термической обработке при изготовлении пищи. «Сырой» крахмал во рту почти не гидролизуется, только при очень медленном жевании. α-Амилаза слюны млекопитающих в отличие от птиц высоко активна. Интересно, что у некоторых приматов (бабуины, резусы) этот фермент отсутствует, хотя у человека он очень активен.
Пища в ротовой полости находится недолго, после попадания ее в желудок постепенно пищевой комок пропитывается кислым желудочным соком. Низкие значения рН инактивируют α-амилазу слюны. Таким образом, ее гидролитическое действие осуществляется кратковременно, в ротовой полости расщепление крахмала и гликогена только начинается. В желудке амилолитические ферменты отсутствуют.
Основным местом переваривания крахмала и гликогена является тонкий кишечник, где на них действует α-амилаза поджелудочной железы. Она может расщеплять крахмал, не подвергшийся термической обработке при приготовлении пищи. Поэтому появление в кале непереваренных гранул крахмала — признак либо нарушения выделения, либо нарушения функции панкреатической α-амилазы. Установлено, что активность α-амилазы в кишечнике отдельных видов рыб зависит от типа питания: у видов, питающихся фитопланктоном, который богат крахмалом, она значительно выше, чем у потребляющих зоопланктон.
В поджелудочном соке содержится также фермент мальтаза, расщепляющий дисахарид мальтозу. Однако основная масса дисахаридов, образовавшихся в результате действия α-амилазы и поступивших с пищей, гидролизуется ферментами тонкого кишечника. Этот процесс происходит не в просвете кишечника, а в клетках слизистой оболочки. Там действуют мальтаза, изомальтаза и сахараза (инвертаза). Мальтаза и изомальтаза находятся обычно в прочном комплексе с инвертазой. Эти ферменты функционируют в щеточной кайме эпителия слизистой оболочки кишечника в количествах, обеспечивающих переваривание и усвоение пищи взрослого человека. Помимо перечисленных ферментов кишечный эпителий содержит β- галактозидазу с оптимумом рН 4,5, гетерогалактозидазу и лактазу.
В результате последовательного воздействия перечисленных ферментов углеводы превращаются в моносахариды. Они хорошо всасываются кишечной стенкой. Скорость их всасывания различна: наибольшая для галактозы, близка для глюкозы, примерно половину последней составляет для фруктозы, у маннозы и ксилозы около четверти от скорости всасывания глюкозы, самая малая у арабинозы. Пентозы и манноза проникают через эпителий путем облегченной диффузии, их поступление против градиента концентрации невозможно. Интенсивность всасывания пентоз и маннозы зависит поэтому от скорости удаления этих сахаров путем диффузии наружу, на серозную сторону клеток, откуда они быстро уносятся с током крови.
У человека и млекопитающих животных отсутствует фермент целлюлаза, вызывающий гидролиз клетчатки (целлюлозы). Не атакуются ферментами желудочно-кишечного тракта млекопитающих и растительные пентозаны. Только некоторые из них частично расщепляются бактериями в толстом кишечнике с образованием органических кислот, С02 и других веществ. Поскольку многие млекопитающие растительноядны, переваривание целлюлозы для них крайне необходимо. В связи с этим они имеют специализированный пищеварительный тракт, в высокой степени приспособленный для симбиотического переваривания целлюлозы. Так, у жвачных желудок состоит из нескольких отделов, первый и самый большой из которых называется рубцом. Он содержит в больших количествах бактерии и простейших типа инфузорий, продуцирующих фермент целлюлазу. Рубец можно сравнить с бродильным чаном, в котором пища, смешанная со слюной, подвергается интенсивной ферментации. Продукты брожения (главным образом масляная, уксусная и пропионовая кислоты), всасываются и используются организмом, С02 и СН4 выводятся с отрыжкой. Очень важно, что образовавшиеся из целлюлозы органические кислоты могут непосредственно использоваться на биосинтез жиров, они являются у жвачных главным источником энергии (у крупного рогатого скота доставляют до 70% всей необходимой организму энергии).
Реакция содержимого рубца у здорового животного при нормальной организации кормления постоянно поддерживается в пределах рН 6,5-7,4 и смещается в кислую сторону в период наиболее интенсивного сбраживания корма. В этот момент образование органических кислот брожения превалирует над их всасыванием и нейтрализацией.
Среда рубца чрезвычайно благоприятна для размножения микроорганизмов. рН находится в пределах 6,5-7,4, температура колеблется от 39 до 40 °С. Кислород, который токсичен для многих видов бактерий, в рубце почти отсутствует.
Интенсивность бродильных процессов в рубце очень велика. За сутки в нем образуется до 4 л летучих жирных кислот (ЛЖК). Общее количество ЛЖК и соотношение отдельных кислот зависит от структуры рациона. В большинстве случаев в рубце преобладает уксусная кислота. Наибольшее ее количество образуется при даче рационов, богатых клетчаткой. Обилие в рационе крахмалистых и сахаристых кормов благоприятствует образованию пропионовой кислоты.
В процессе жизнедеятельности микроорганизмов в рубце образуются также газы. Они необходимы для дальнейших реакций, в результате которых синтезируется ряд ценных питательных веществ. Количество и состав газов, образующихся через 2 - Зч после кормления, достигает у крупного рогатого скота до 25-35 л/ч. За сутки может образовываться до 700 л газов.
В рубце образуются аммиак, метан, двуокись углерода, азот, небольшое количество водорода, сероводорода и кислорода.
В итоге тельности микрофлоры рубца каждый день в нем вырабатывается до 2,5кг бактериального протеина (400 г азота). Этот бактериальный протеин переваривается в тонком кишечнике и служит главным источником аминокислот для коровы.
Улучшение переваривания растительного материала с помощью симбиотического микробного брожения встречается и у некоторых птиц, например у белой куропатки, которая несколько зимних месяцев питается в основном почками и молодыми ветками. У большинства птиц семейства куриных имеются две слепые кишки для сбраживания целлюлозы. Локализация этого процесса в заднем отделе кишечника менее выгодна, чем в рубце, так как исключается возможность дальнейшего переваривания пищи при прохождении кишечника. У многих грызунов, кроликов и зайцев это компенсируется капрофагией, поеданием кала.
6.7. Регуляция постоянства содержания глюкозы в крови
Всосавшиеся из кишечника моносахариды (преимущественно глюкоза) через воротную вену доставляются прежде всего в печень, где часть глюкозы используется на образование запасных отложений гликогена. Содержание последнего в печени человека и животных зависит от режима питания; чем больше углеводов в рационе, тем больше гликогена в печени. Синтез и распад гликогена катализируются различными ферментами и контролируются независимо. Часть глюкозы используется самой печенью для получения энергии, необходимой для многочисленных реакций, протекающих в ней. Кроме того, определенное количество глюкозы в печени превращается в жиры. Так, при нормальном смешанном питании только 3—5% глюкозы превращается в гликоген (его среднее содержание в печени колеблется от 5 до 7%), 30% глюкозы идет на образование жиров и 60—70% окисляется до С02 и Н20. При обильном углеводном питании 10% глюкозы откладывается в печени в виде гликогена, 40%—превращается в жиры и 50% окисляется.
Сахар в крови, лимфе, спинномозговой жидкости представлен глюкозой, уровень которой очень тонко регулируется. Содержание глюкозы в артериальной и капиллярной крови здорового человека составляет 54—96 мг/100 мл при определении глюкозооксидазным методом и 80—120 мг/100 мл при определении по Хагедорну и Иенсену (вторым методом кроме глюкозы определяются одновременно некоторые другие редуцирующие вещества в крови). В венозной крови содержится меньше глюкозы, так как она потребляется тканями из крови. Единственный орган, выделяющий глюкозу в общую циркуляцию, — печень.
Инсулин секретируется β-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы в форме проинсулина. Основным проявлением недостаточности инсулина является повышение уровня глюкозы в крови (гипергликемия), избыточное выведение глюкозы с мочой (глюкозурия) и понижение содержания гликогена в печени. Недостаточность инсулина подавляет биосинтез жирных кислот из глюкозы и ацетата, а также биосинтез белков; усиливает синтез ферментов, участвующих в глюконеогенезе; нарушает соотношение между гликолизом и глюконеогенезом.
Мышцы и печень при недостатке инсулина не способны использовать глюкозу даже при высоком ее содержании в крови. Недостаточность выделения инсулина лежит в основе возникновения заболевания— диабета. Многие последствия диабета напоминают эффект углеводного голодания, хотя содержание глюкозы в крови при этом заболевании резко повышается.
Глюкагон — гормон, продуцируемый α-клетками поджелудочной железы, активирует расщепление гликогена в печени, в результате чего освобождается глюкоза, поступающая в кровь.
Адреналин — гормон мозгового слоя надпочечников. Совместно с глюкагоном активирует гликоген-фосфорилазу печени и мышц, увеличивает содержание глюкозы в крови. Фермент встречается в двух формах — активной (фосфорилаза а) и неактивной (фосфорилаза b). Молекулярная масса фосфорилазы а составляет 380 000. Фосфорилаза а состоит из четырех субъединиц, каждая из которых содержит остаток фосфосерина и молекулу кофермента — пиридоксальфосфата, ковалентно связанную с остатком лизина. Фосфатаза фосфорилазы вызывает гидролитическое расщепление связи фосфатной группы с остатком серина и образование димеров.
Механизмы действия адреналина и глюкагона на поддержание уровня глюкозы в крови аналогичны.
Глюкокортикоиды (гормоны коркового слоя надпочечников) усиливают глюконеогенез — новообразование сахара из неуглеводов. Это приводит к увеличению количества глюкозы в крови и гликогена в печени. Соматотропный гормон гипофиза уменьшает утилизацию глюкозы периферическими тканями, усиливает глюконеогенез, угнетает продукцию инсулина, в итоге повышает содержание глюкозы в крови. Тироксин и трийодтиронин (гормоны щитовидной железы) в умеренных дозах усиливают всасывание моносахаридов в кишечнике. Избыток этих гормонов тормозит окислительное фосфорилирование и способствует повышению концентрации глюкозы в крови.
Содержание гормонов в крови находится под контролем центральной нервной системы, осуществляющей контроль за уровнем глюкозы в крови через эндокринную систему. Однако помимо опосредованного влияния на уровень глюкозы в крови центральная нервная система (ЦНС) осуществляет и прямое воздействие.
За счет контроля со стороны ЦНС и эндокринной системы в крови автоматически поддерживается постоянный уровень глюкозы, происходит саморегуляция, которая может осуществляться на различных уровнях. Так, например, кровь с избыточным содержанием глюкозы, достигая поджелудочной железы, непосредственно стимулирует выделение инсулина. Последний усиливает поглощение глюкозы тканями, использование ее на синтез гликогена, в результате концентрация глюкозы снижается до нормы.
6.8. Превращения углеводов, связанные с дыханием и брожением
Гликолиз
Стадии и реакции гликолиза. Гликолиз — это анаэробный процесс, приводящий к распаду одной молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты. При этом освобождается энергия, которую организм аккумулирует в форме АТФ. Реакции гликолиза протекают в цитозоле, без потребления кислорода. В анаэробных условиях гликолиз — единственный процесс в организме животных, растений и многих бактерий, поставляющий энергию.
При аэробном расщеплении глюкозы один из конечных продуктов гликолиза — пировиноградная кислота окисляется до С02 и Н20 в цикле трикарбоновых кислот. Реакция этого цикла осуществляется в митохондриях (у бактерий — в соответствующих мембранных образованиях) при участии кислорода.
Гликолиз протекает в две стадии.
Первая стадия — подготовительная, или собирательная. На этой стадии различные гексозы вовлекаются в гликолиз. Хотя в реакциях гликолиза окисляется главным образом глюкоза, наряду с ней могут вступить в этот процесс другие различные гексозы, например фруктоза, манноза. При этом инертные молекулы гексоз активируются, фосфорилируются за счет АТФ, превращаются в глюкозо-6-фосфат. Этот этап заканчивается образованием глицеральдегид-3-фосфата.
Вторая стадия — окислительная. Глицеральдегид-З-фосфат окисляется до пировиноградной кислоты (пируват) или молочной кислоты (лактат). Энергия окисления накапливается в АТФ, образуются восстановительные эквиваленты НАДН.
Гексокиназа
АТФ + Глюкоза → АДФ + Глюкозо-6-фосфат
Эту реакцию катализируют ферменты двух типов, различающиеся по своей специфичности в отношении cахаров, — гексокиназа и глюкокиназа. Гексокиназа играет основную роль, именно она функционирует в большинстве клеток. Гексокиназа способна катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но также и многих других гексоз, например D-фруктозы, D-маннозы и D-глюкозамина.
Глюкокиназа фосфорилирует только D-глюкозу, к тому же обладает к ней более низким сродством, чем гексокиназа. Глюкокиназа содержится в печени. Она вступает в действие только в том случае, когда концентрация глюкозы в крови очень высока. Обе киназы нуждаются в присутствии двухвалентных катионов (Mg24+ или Мп2+), которые связываются с АТФ, образуя истинные субстраты— MgАТФ2- или МnАТФ2-. В ходе гексокиназной реакции происходит значительное уменьшение свободной энергии, что обеспечивает необратимость этой реакции внутри клетки. Скорость реакции тормозится ее продуктом — глюкозо-6-фосфатом.
Вторая реакция — изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат:
Гексозофосфат-
Глюкозо-6-фосфат ⇆ фруктозо-6-фосфат
изомераза
Третья реакция — фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Это вторая пусковая реакция гликолиза, в ней используется вторая молекула АТФ:
6-Фосфофрукто-
АТФ + Фруктозо-6-фосфат → Фруктозо-1,6-дифосфат+АДФ
киназа, Mg2+
Реакция необратима, так как происходит значительное уменьшение свободной энергии. Она протекает при участии фермента фосфофруктокиназы в присутствии ионов Mg2+, необходимых, видимо, для образования истинного субстрата, т. е. МgАТФ2-. Это наиболее медленная реакция гликолиза, она определяет скорость процесса в целом, на ее уровне в основном осуществляется регуляция. Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических, или регуляторных, ферментов. Она ингибируется АТФ и лимонной кислотой, активируется АДФ и АМФ. В период покоя клетки при высоком отношении АТФ/АДФ активность фосфофруктокиназы понижается, гликолиз замедляется. При функциональной активности клетки количество АТФ уменьшается, и гликолиз ускоряется.
Четвертая реакция — расщепление фруктозо-1,6-дифосфата представляет собой обращенную альдольную конденсацию.
CH2O(P) O
│ //
C=O C─H CH2O(P)
│ Альдолаза │ │
HOCH ⇆ НСОН + С=О
│ │ │
НСОН СН2О(Р) СН2ОН
│ D-Глицераль- Дигидрокси-
НСОН дегид-3-фосфат ацетонфосфат

СН2О(Р)
Фруктозо-1,6-
дифосфат
Пятая реакция — изомеризация триозофосфатов. Из образовавшихся триозофосфатов в последующие реакции гликолиза непосредственно включается только один — глицеральдегид-3-фосфат. В него превращается дигидроксиацетонфосфат в обратимой реакции:
CH2O(P) O
│Триозофосфат //
C=O ⇆ C
│ изомераза │ \Н
CH2ОН НСОН

СН2О(Р)
Дигидроксиацетон-D-Глицеральдегид-
фосфат 3-фосфат
Образованием фосфотриоз завершается первая стадия гликолиза. Молекула глюкозы путем двух фосфорилирований и расщепления превратилась в две молекулы фосфотриоз.
Вторая стадия гликолиза включает окислительно-восстановительные реакции и реакции фосфорилирования, в процессе которых генерируется АТФ. На этой стадии окисляются обе молекулы фосфотриоз, т. е. две половины молекулы глюкозы. Поэтому во всех остальных реакциях впереди формулы субстрата следует поставить коэффициент 2.
Шестая реакция — центральный этап гликолиза — представляет собой окислительно-восстановительный процесс. Альдегидная группа глицеральдегид-3-фосфата окисляется в СООН-группу 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, НАД+ восстанавливается в НАДН. Освобождается энергия, за счет которой образуется высокоэнергетическая связь 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. Таким образом, в этой реакции происходит субстратное фосфорилирование. Суммарное уравнение реакции следующее:
О О
////
С С
│ \ Н Глицеральдегид │ \О~(Р)
НСОН + Н3РО4+НАД+ ⇆ НСОН+НАДН+Н6
│ Фосфатдегидрогенза │
СН2О(Р) СН2О(Р)
D-Глицеральдегид-3-фосфат 1,3-Дифосфоглицериновая кислота

Седьмая реакция — богатая энергией фосфорильная группа 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (находящаяся в положении 1) переносится на АДФ с образованием АТФ:
ОО
// //
С~О~(Р) С
│ Фосфаглицерат- │ \ОН
НСОН + АДФ ⇆ НСОН + АТФ
│ киназа │
СН2О(Р) СН2О(Р)
1,3-Дифосфоглицериновая кислота 3-фосфоглицериновая кислота

Восьмая реакция – фосфатная группа фосфоглицериновой кислоты переносится из положения 3 в положение 2:
О О
// //
С С
│ \ОН Фосфаглицеро- │ \ОН
НСОН ⇆ НС─О─(Р)
│ мутаза │
СН2О(Р) СН2О(Р)
3-Фосфоглицериновая кислота 2-Фосфоглицериновая кислота
Девятая реакция — внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс: степень окисления С-2 - 2-фосфоглицериновой кислоты увеличивается, а С-1—уменьшается. В результате образуется высокоэнергетическое соединение фосфоенолпировиноградная кислота. Таким образом, здесь также происходит субстратное фосфорилирование. Формально реакция представляет собой отщепление молекулы воды:
О О
// //
С С
│ \ОН Енолаза │ \ОН
НС─О─(Р) ⇆ НС─О~(Р) + Н2О
│ │
СН2ОН СН2
2-Фосфоглицериновая кислота Фосфоенолпировиноградная кислота
Десятая реакция — перенос фосфорильной группы вместе с высокоэнергетической связью от фосфоенолпировиноградной кислоты на АДФ:
О О
// //
С С
│ \ОН Лактатдегидро- │ \ОН
С=О +НАДН+Н+ ⇆ С=О +НАД+
║ геназа │
СН3 СН3
Фосфоенолпировиноградная кислота Пировиноградная кислота
Реакция экзергоническая, поэтому в клетке она практически необратима.
В одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты (ПВК) до молочной с участием НАДН:
О О
// //
С С
│ \ОН Пируваткиназа │ \ОН
С─О~(Р) +АДФ ⇆ С=О +АТФ
║ │
СН2 СН3
Пировиноградная кислотаМолочная кислота
Одиннадцатая реакция завершает процесс гликолиза. На ее уровне осуществляется регуляция гликолиза с помощью изоферментов лактатдегидрогеназы. Молочная кислота — это своеобразный тупик в метаболизме. В аэробных условиях она может превращаться путем обращения лактатдегидрогеназной реакции. В анаэробных условиях молочная кислота — конечный продукт гликолиза, например в мышцах при больших физических нагрузках. Тогда из мышц в кровь поступает большое количество молочной кислоты. В печени, а частично и в самих мышцах примерно одна пятая количества молочной кислоты окисляется до С02 и Н20 в аэробной фазе дыхания. Оставшиеся четыре пятых ресинтезируются в гликоген.
Образовавшийся при гликолизе в цитоплазме НАДН не может проникать внутрь митохондрий. В аэробных условиях он передает электроны и протон в дыхательную цепь митохондрий посредством глицерофосфатного челночного механизма. В цитоплазме НАДН реагирует с дигидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат, который легко проникает через мембрану митохондрий. Реакция катализируется цитоплазматической глицерол-3-фосфат — дегидрогеназой (НАД+):
Дигидроксиацетонфосфат + НАДН + Н+ ⇆ Глицерол-З-фосфат + НАД+
Внутри митохондрии глицерол-3-фосфат снова окисляется до дигидроксиацетонфосфата, но уже с помощью флавинового фермента— митохондриальной глицерол-3-фосфат — дегидрогеназы:
Глицерол-З-фосфат + ФАД⇆ Дигидроксиацетонфосфат + ФАДН2
Цитоплазматический НАДН восстанавливает щавелевоуксусную кислоту до яблочной, легко проникающей в митохондрии и там снова окисляющейся до щавелевоуксусной кислоты с передачей водорода в дыхательную цепь.
У растений в некоторых тканях гликолиз протекает даже при достаточном доступе кислорода. Особенно характерно такое однофазовое, «анаэробное дыхание» (или «аэробное брожение») для зародышевой ткани семян и внутренних тканей плодов растений вследствие недостатка в них кислорода. Гликолиз является основным путем катаболизма глюкозы гомоферментативных молочнокислых бактерий, дрожжей.
Брожение. Многие микроорганизмы (дрожжевые грибы, плесневые грибы, бактерии) получают энергию за счет брожения. Это наиболее примитивный способ получения энергии. Разнообразные брожения совпадают с гликолизом во многих своих стадиях.
Часто встречающийся тип брожения — молочнокислое. В результате гомоферментативного молочнокислого брожения из глюкозы образуется молочная кислота с почти 100%-ным выходом. Реакции этого процесса идентичны реакциям гликолиза. При гетероферментативном (смешанное) молочнокислом брожении из глюкозы кроме молочной кислоты образуются в значительном количестве другие продукты — уксусная кислота, этиловый спирт и оксид углерода (IV). Химизм этого процесса совершенно иной, в основе его лежит окисление глюкозы по пентозофосфатному пути.
Молочнокислое брожение протекает при силосовании кормов для сельскохозяйственных животных, квашении капусты. Образующаяся молочная кислота предотвращает развитие гнилостных бактерий, плесневых грибов, т. е. служит консервантом.
Пропионовая кислота представляет собой продукт сбраживания углеводов пропионовыми бактериями. Наряду с ней образуются уксусная кислота и оксид углерода (IV). На каждую молекулу ПВК, окисленную до уксусной кислоты и С02, приходится две молекулы ПВК, которые превращаются в пропионовую кислоту.
Уксуснокислые бактерии (рода Acetobacter) окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты. Эти бактерии способны окислять и другие спирты, в том числе предельные многоатомные. Такое явление называется неполным окислением.
6.9. Глюконеогенез.
Анаэробная фаза расщепления глюкозы — гликолиз — заканчивается образованием ПВК или молочной кислоты. Они при определенных условиях могут вновь ресинтезироваться в глюкозу. Из двух молекул молочной кислоты образуется одна молекула глюкозы, т. е. происходит как бы обращение гликолиза. Этот процесс называется глюконеогенезом. Если гликолиз — центральный путь катаболизма углеводов, то глюконеогенез — анаболический процесс, наиболее важный общий путь биосинтеза моносахаридов и полисахаридов у человека, животных, многих бактерий. У фотосинтезирующих организмов он играет обычно второстепенную роль.
Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакций гликолиза. Однако существуют три необратимые стадии гликолиза, протекающие с выделением значительного количества энергии, поэтому глюконеогенез идет в обход этих стадий.
6.10. Влияние углеводов на технологические свойства, качество и сохраняемость пищевых продуктов
Ни одно из основных пищевых веществ сырья и продовольственных товаров в такой степени не участвует в формировании ассортимента продовольственных товаров, как углеводы. Особенно велика их роль в бродильных производствах. Производство алкогольных изделий, пива, кваса, хлебобулочных изделий основано на способности углеводов к гидролизу и брожению. Практически за исключением питьевого молока и сливок огромный ассортимент молочных продуктов создан благодаря способности молочного сахара к брожению.
Велика роль углеводов в хлебопечении. Слово крахмал имеет немецкое происхождение и переводится как сильная мука (Kraft Mehl ). Cила крахмала заключается в его способности связывать большие количества воды (в несколько раз больше своей массы). Известно, что хлебопекарные свойства муки определяются газообразующей способностью муки и теста, а также его газоудерживающей способностью. При хорошем качестве дрожжей скорость образования в тесте углекислого газа зависит от количества сахара, имеющегося в муке и тесте. Однако того количества сахара, которое содержится в муке, недостаточно, чтобы процесс брожения теста шел достаточно долго. После расходования сахаров муки газообразующая способность определяется мальтозой, образующейся из крахмала под действием амилаз. Если мука имеет низкую амилолитическую активность, в тесте не появится в достаточном количестве мальтозы и глюкозы, брожение будет слабым и получится хлеб низкого качества, с недостаточно пористым, слабо разрыхленным, плотным мякишем.
Трудно переоценить роль реакций меланоидинообразования в формировании аромата и вкуса печеного хлеба. И в качестве обязательного исходного вещества в этих реакциях выступают углеводы.
Очень важно участие крахмала в процессах черствения хлеба. Черствение связано с так называемым процессом ретроградации крахмала, когда крахмал в условиях невысоких температур хранения хлеба теряет часть влаги. Эта влага остается в хлебе и повторный прогрев изделия может привести к связыванию выделившейся влаги и восстановлению свежести. Скорость ретроградации находится в зависимости от температуры клейстеризации крахмала зерна. Так, например, чем выше температура клейстеризации, тем меньше сроки хранения хлебобулочных изделий: Ржаной хлеб хранится более продолжительное время,чем пшеничный, так как крахмал пшеничной муки имеет более высокую температуру клейстеризации.
На технологические свойства ржи влияют также и слизистые вещества. Крахмал оказывает существенное влияние и на кулинарно-технологические свойства круп и макарон, в частности на увеличение объема при варке.
Крахмал из различных видов сырья сам по себе является самостоятельным сырьем для производства пищевых продуктов и изделий в кулинарии.
Гликоген (животный крахмал) оказывает существенное влияние на сроки хранения охлажденного мяса при хранении и косвенно на влагосвязывающую способность мяса и мясопродуктов. Это связано с тем, что при хранении при послеубойных изменениях часть гликогена превращается в молочную кислоту, которая, угнетая гнилостную микрофлору, продлевает сроки хранения мяса. Та же молочная кислота снижает рН мышечной ткани мяса до уровня изоэлектрической точки, что приводит белки в состояние окоченения и существенного снижения влагосвязывающей способности. Поэтому перед убоем животным создают условия, исключающие стресс для того, чтобы в полученном мясе содержалось достаточное количество гликогена.
Важным свойством сахарозы, имеющим большое практическое значение в отраслях пищевой промышленности, является карамелизация. При карамелизации образуются вещества различной степени конденсации, и соответственно, молекулярной массы и физических свойств. Самое низкомолекулярное – карамелан – имеет светло-коричневый цвет, карамелен характеризутся коричневой окраской потемнее. Наиболее темный из продуктов карамелизации – карамелин. Для карамелизации нужны очень высокие ( 160 и более градусов) температуры. В целом, карамелизация – сложный процесс, при котором образуются многие десятки различных веществ.
Одной из причин значительно меньших сроков хранения рыбы в охлажденном виде является меньшее содержание в ней гликогена.
Важная роль в формировании качества свежих плодов и овощей принадлежит пектиновым веществам. Протопектин укрепляет стенки плодов, делает их более устойчивыми при хранении, но малопригодными для потребления. Переход протопектина в пектин под влиянием ферментов переводит плоды из состояния съемной зрелости в потребительскую.
Характерным и важным свойством пектина является его способность давать студни в присутствии кислоты и сахара. Это свойство широко используется в кондитерской промышленности и общественном питании при производстве желе, джема, мармелада, пастилы и фруктовых карамельных начинок.
Содержание сахаров имеет существенное значение и для клубней картофеля. Накопление сахаров в значительных количествах делает картофель сладким и малопригодным для использования в общественном питании. Малопригоден такой картофель и для приготовления чипсов.
7. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ И БИОЭНЕРГЕТИКА
Митохондрии как внутриклеточные центры аэробного дыхания
Митохондрии — это особые органеллы клетки, внутриклеточные центры аэробного дыхания или «энергетические станции» клетки. Митохондрии обнаружены во всех клетках животных и растений, представляют собой овальные тельца размером примерно 0,5×З мкм. Форма митохондрий в разных клетках различна — от нитей до палочек, сфер и петель. Анализ серийных срезов одноклеточных организмов показывает, что митохондрии могут иметь гигантские размеры, почти равные самой клетке, неправильную разветвленную форму. Такие митохондрии обнаружены в клетках жгутиковых, в клетках мышц диафрагмы крысы, дрожжей.
Структура митохондрий изучена методом электронной микроскопии. В митохондриях различают две мембраны — наружную и внутреннюю, внутреннее пространство и межмембранное пространство. Внутреннее пространство заполнено так называемым матриксом — гелеобразной полужидкой массой. Внутренняя мембрана образует выпячивания, или кристы (рис. 18). Митохондриальные мембраны представляют собой липопротеиновые структуры толщиной 5—7 нм.
Наружная мембрана гладкая, хорошо проницаема для веществ, имеющих молекулярную массу менее 10 000. Для нее характерно высокое отношение количества фосфолипидов к белкам (примерно 1:1). В наружной мембране содержится ряд ферментов, участвующих в удлинении молекул насыщенных жирных кислот, а также белки, катализирующие окисление, не связанное с синтезом АТФ. Набор ферментов наружной мембраны различается в митохондриях разных организмов.
19621592710
Рис. 16 Схема митохондрии. Л — в разрезе; Б — внутренняя мембрана: / — внутренняя мембрана, 2 — наружная мембрана, 3 — кристы, 4 — межмембранное пространство, 5 — матрикс
Внутренняя мембрана митохондрий покрыта со стороны матрикса грибовидными выростами, или «элементарными тельцами», которые в основном являются АТФазой. При обработке внутренней мембраны ультразвуком образуются «вывернутые частицы», у них грибовидные тельца находятся снаружи. Внутренняя мембрана непроницаема для большинства веществ, а также для Н+ и ОН-. Проникают только кислород и нейтральные молекулы с молекулярной массой меньше 150. Отношение фосфолипидов к белкам низкое, примерно 1:3. Внутренняя мембрана во всех клетках выполняет одинаковую функцию: сопряжение окисления с синтезом АТФ, т. е. является сопрягающей мембраной. Она содержит ферменты дыхательной цепи и синтеза АТФ.
В межмембранном пространстве митохондрий найдены ферменты аденилаткиназа и нуклеозиддифосфаткиназа.
У бактерий нет митохондрий, аэробное окисление и фосфорилирование протекают в цитоплазматической мембране и в особых мембранных образованиях — мезосомах. Мезосомы представлены двумя основными формами — ламеллярной и везикулярной, различающимися между собой укладкой мембраны. Хорошо выражены мезосомы везикулярного типа у представителей сем. Bacillaceae. Мезосомы ламеллярного типа чаще встречаются у кокков.
7.2. Пути использования энергии в клетке. Любое проявление жизнедеятельности, связаны с преобразованием энергии — движение, дыхание, воспроизведение, рост, реакции на возбуждение. Прямым источником энергии для большинства эндергонических процессов служит АТФ. Потенциальная химическая энергия АТФ используется для синтеза белков, жирных кислот, нуклеиновых кислот, стероидов и ряда других соединений. Биосинтетические реакции сопряжены с реакцией расщепления АТФ. Активирование обычно происходит за счет энергии, высвобождаемой при отщеплении фосфорильной группы от АТФ. Но для того чтобы потенциал последней мог быть использован для протекания эндергонического метаболического процесса, должен существовать механизм сопряжения, или гидролиз АТФ в клетке будет приводить просто к выделению тепла.
Разнообразные биосинтетические процессы в живом организме начинаются, с взаимодействия АТФ и исходного для биосинтеза соединения. Получив энергию одной из высокоэнергетических связей АТФ, это соединение активируется и становится способным вступать в биосинтез. Так активируются аминокислоты при биосинтезе белков, образуя предварительно аминоациладенилаты. Биосинтез полисахаридов также начинается с образования нуклеозиддифосфатсахаров при участии АТФ или УТФ.
7.3. Регуляторное теплообразование и свободное окисление. Оксигеназы и оксидазы. В организме среднего взрослого человека, весящего около 70 кг, каждые 24 ч генерируется и высвобождается 8000 кДж энергии. За это время не изменяются существенно ни масса тела, ни его структура и состав. Ися эта энергия, за исключением количества, которое потребовалось для выполнения физической работы, выделяется в виде тепла. Она необратимо рассеивается в окружающей среде. Этот процесс обеспечивает организм теплом, необходимым для поддержания температуры тела на уровне около 37°С.
Свободное окисление может протекать во внутренней мембране митохондрий, например, в случае воздействия особых веществ — разобщителей окисления и фосфорилирования.
В микросомах содержатся активные оксигеназы — ферменты, непосредственно присоединяющие кислород к различным субстратам. Различают две группы этих ферментов. Диоксигеназы катализируют присоединение обоих атомов молекулярного кислорода к окисляемому субстрату. В качестве простетической группы содержат гем или негемовое железо. Монооксигеназы (гидроксилазы) присоединяют только один атом О с образованием ОН-группы субстрата, другой атом восстанавливается при этом до воды с участием НАДН или НАДФН.
Микросомальное окисление — основная детоксицирующая система в организме животных и человека.
Кроме детоксицирующей функции оксигеназы у человека и животных играют определенную роль в некоторых реакциях биосинтеза (стероидных гормонов, желчных кислот, простагландинов) и других метаболических процессах (например, превращение циклических аминокислот).
В бактериальных и дрожжевых клетках оксигеназы способствуют поступлению и усвоению пластического материала, окисляя углеродсодержащие вещества и облегчая их поступление в клетки. У растений окисление органических соединений в монооксигеназных реакциях используется в основном для синтеза биорегуляторов.
Фенолоксидазы представляют собой медьпротеины, встречающиеся чаще в цитоплазме растительных клеток. Эти ферменты окисляют монофенолы в дифенолы, а остальные — до хинонов. Действием фенолоксидаз объясняется самопроизвольное потемнение срезов растительных тканей (картофель, фрукты, грибы), оно вызывается образованием хинонов с последующей спонтанной реакцией между хинонами.
Широко распространена в растениях аскорбатоксидаза — медьпротеин, также сосредоточенный главным образом в цитоплазме клеток. В растениях содержатся дыхательные цепи, в которых фенолоксидазы и аскорбатоксидаза функционируют как терминальные оксидазы. Эти окислительные системы локализуются вне митохондрий.
Регуляция энергетического обмена. Примером регуляции и саморегуляции энергетического обмена в организме является ускорение генерирования АТФ в работающей мышце. В покоящейся мышце, так же как и в других тканях, АТФ расходуется на поддержание постоянства внутренней среды и на непрерывно протекающие анаболические процессы. Но при выполнении механической работы потребность мышцы в энергии в форме АТФ может мгновенно возрастать в 20—200 раз. В это же время количество АТФ, содержащейся в мышечной ткани, невелико, достаточно не более чем для 0,5 с интенсивной работы. Большой вклад в энергетику мышцы вносит креатинфосфат, его в 3— 8 раз больше, чем АТФ; но запасы креатинфосфата также невелики, его расход должен возмещаться синтезом АТФ в процессах гликолиза и окислительного фосфорилирования. В период работы мышцы окислительное фосфорилирование усиливается, однако предельно возможное поглощение кислорода гораздо меньше, чем это требуется для получения достаточного количества энергии. Поэтому внезапное возрастание потребности в АТФ удовлетворяется в основном за счет гликолиза, скорость которого увеличивается в сотни раз. При этом используется запас мышечного гликогена, а также глюкоза, поступающая из крови. Молочная кислота, образующаяся при сокращении мышцы, диффундирует в кровь и ресинтезируется в печени в глюкозу и гликоген. АДФ и Фн, освобождающиеся при сокращении мышцы, используются в окислительном фосфорилировании и в генерирующих энергию реакциях гликолиза, повышая скорость этих процессов.
Другой пример регуляции энергетического обмена — эффект Пастера. Известно, что в анаэробных условиях дрожжи извлекают энергию из молекул глюкозы посредством брожения. Л. Пастер открыл, что в присутствии кислорода воздуха клетки дрожжей потребляют меньше глюкозы на единицу массы, чем в анаэробных условиях, при этом уменьшается накопление молочной кислоты. Торможение гликолиза в присутствии кислорода аэробным дыханием получило название эффекта Пастера. Он характерен для факультативно анаэробных клеток, включая клетки высших организмов.
Известно, что при недостатке АДФ скорость аэробного дыхания тормозится (дыхательный контроль). Таким способом регулируется скорость окислительного фосфорилирования. Д. Е. Аткинсон предложил характеризовать энергетическое состояние клетки количественно, вычисляя «заполнение» системы АТФ-АДФ-АМФ высокоэнергетическими фосфатными связями. Если все содержащиеся в клетке аденозинфосфаты находятся в форме АТФ, то система энергетически заполнена до предела, т. е. ее энергетический заряд равен 1,0. Если аденозинфосфаты находятся в форме АМФ, то система не содержит высокоэнергетических связей, она энергетически «пуста», ее заряд равен 0. Энергетический заряд системы АТФ-АДФ-АМФ вычисляется по уравнению
1 [АДФ] + 2 [АТФ]
Энергетический заряд = ─ ──────────────.
2 [АМФ] + [АДФ] + [АТФ]
От величины энергетического заряда зависят скорости реакций цикла трикарбоновых кислот и скорости других реакций, связанных с образованием или потреблением энергии. Например, у дрожжей уменьшение отношения АТФ/АМФ вызывает активацию цикла трикарбоновых кислот за счет активирования цитрат-синтазы и изоцитратдегидрогеназы. Важную регуляторную роль в тканях животных выполняет отношение АТФ/АДФ,
ЛИПИДЫ
Общая характеристика и классификация
Липидами называются неоднородные в химическом отношении вещества, общим свойством которых является хорошая растворимость в неполярных органических растворителях: эфире, ацетоне, хлороформе, четыреххлористом углероде, бензоле и т. п. В составе ряда липидов кроме этих компонентов встречаются фосфорная кислота, азотистые основания или углеводы. В экстракте, полученном при обработке животных или растительных тканей органическими растворителями, присутствуют обычно высшие и полициклические спирты, жирорастворимые витамины, которые некоторые авторы также относят к классу липидов.
Липиды могут быть классифицированы следующим образом: 1) нейтральные жиры и свободные жирные кислоты; 2) фосфолипиды; 3) гликолипиды; 4) стероиды; 5) воска; 6) терпены. Функции этого класса соединений важны и разнообразны.
Прежде всего, липиды в виде комплекса с белками являются структурными элементами мембран клеток и клеточных органелл. В связи с этим они определяют транспорт веществ в клетки. а так же участвуют в ряде других процессов, связанных с функционированием мембран.
Липиды служат также энергетическим материалом для организма. При окислении 1 г жира выделяется 39 кДж энергии. Одновременно липиды являются запасными веществами, в форме которых депонируется метаболическое топливо. Определенное исключение в этом отношении составляют бактерии: у большинства из них накопление энергии осуществляется в нелипидной форме (гликоген) и только у некоторых видов — в форме поли-3-гидроксимасляной.
В связи с хорошо выраженными термоизоляционными свойствами липиды сохраняют тепло в организме, особенно у морских и полярных животных, выполняя тем самым защитную функцию. В виде жировой прокладки липиды предохраняют тело и органы животных от механического повреждения, служат жировой смазкой для кожи. Восковой налет который находится на листьях и плодах растений защищает от избыточного испарения и проникновения микроорганизмов. Липидные компоненты бактерий определяют их чувствительность или резистентность к антибиотикам. Известны липиды которые имеют отношение к иммунитету (гликолипиды).
Регуляторной активностью обладают простагландины, полипреноловые коферменты — переносчики. От свойств и структуры мембранных липидов зависит активность мембраносвязанных ферментов, особенности протекания процессов окислительного фосфорилирования.
Есть мнение, что одна из наиболее важных функций липидов в мембранах заключается в их способности служить «кофактором твердого состояния», обеспечивая высокоупорядоченное, ориентированное, гидрофобное окружение для определенных ферментативных реакций. Являясь важнейшими компонентами нервных тканей, гликолипиды оказывают существенное влияние на функционирование нервной системы.
Важнейшее значение липиды имеют у бактерий, где они определяют таксономическую индивидуальность, дифференциацию видов, тип патогенеза и многие другие особенности.
8.2. Нейтральные жиры и жирные кислоты.
В связи с рекомендацией Международной номенклатурной комиссии нейтральные жиры принято называть триацилглицеролами. Это сложные эфиры трехатомного спирта глицерола и высших жирных кислот. Их общая формула



O
II
О СН2—О—С—R1
║ I
R2─C─O─CH O
I II
СН2—О—С—R3
R1, R2, R3 — остатки высших жирных кислот.
В молекуле глицерола могут быть этерифицированы как все три гидроксильные группы, так и две, и даже одна. Триацилглицеролы являются наиболее распространенной формой нейтральных жиров, хотя моно- и диацилглицеролы также встречаются в природе и играют важную роль в метаболизме липидов. Номенклатура нейтральных жиров основывается на названиях жирных кислот, входящих в их состав (например, тристеарин, олеодипальмитин).
Как запасные вещества триацилглицеролы обладают особыми преимуществами перед другими соединениями: углеводами, белками. Они не растворяются в воде и клеточном соке, не смешиваются с водой и поэтому не меняют физико-химические свойства цитоплазмы, до омыления ни в какие реакции в водной среде не вступают
Таблица 11. Природные жирные кислоты.
Тривиальное название Название по Женевской номенклатуре Структура
Насыщенные Лауриновая н-Додекановая СН3(СН2)10СООН
Миристиновая н- Тетрад екановая СН3 (СН2)12СООН
Пальмитиновая н-Гексадекановая СН3 (СН2)14СООН
Стеариновая н-Октадекановая Ненасыщенные СН3(СН2)16СООН
Пальмитоолеи новая 9-Гексадеценовая СН3 (СН2)5 СН=СН (СН2): COOH
Олеиновая Цис-9-октадеценовая СН3 (СН2)7-СН=СН (СН2)7 COOH
Линолевая Цис-цис-9,12-октадека-диеновая СН3 (CH2)4CH=CHCH2CH-CH (СН2)7 COOH
α-Линоленовая 9, 12, 15-октадекатрие-новая СН3СН2СН==СНСН2СН=СНСН2СН=СН (CH2)7 COOH
Арахидоновая 5, 8, 11,1 4-Эйкозантет-раеновая СН3 (СН2)4СН-СНСН2СН-СНСН2СН=СНСН2СН=СН(СН2)з COOH
Жирные кислоты, входящие в состав липидов высших растений и животных, обладают рядом общих свойств. Почти все они содержат четное число атомов углерода, но чаще всего встречаются жирные кислоты с 16—18 атомами углерода, как насыщенные, так и ненасыщенные. Содержание ненасыщенных жирных кислот выше, чем насыщенных.
Так как ненасыщенные жирные кислоты имеют более низкую температуру плавления и содержащие их нейтральные жиры остаются жидкими даже при температуре ниже 5°С. Ненасыщенные жирные кислоты преобладают и в растительных жирах (олеиновая, линолевая), называемых маслами.
В жирных кислотах растительного происхождения, содержащих более одной двойной связи, обнаружены сопряженные (конъюгированные) двойные связи: —СН = СН—СН = СН—, в то время как двойные связи в ненасыщенных жирных кислотах животных липидов обычно входят в дивинилметановую группировку —СН = СН— СН2—СН=СН—. Структурные свойства цепей жирных кислот имеют большое биологическое значение, особенно в мембранах.
Жирные кислоты, входящие в состав бактериальных липидов, характеризуются большим разнообразием. Установлено, что у большинства микроорганизмов длина цепи жирных кислот может достигать 26 углеродных атомов, но в основном это жирные кислоты, состоящие из 18 или меньшего числа углеродных атомов. Многие из насыщенных жирных кислот, от капроновой до стеариновой, в том числе и с нечетным числом атомов углерода, обнаруживаются почти у всех бактерий. Ненасыщенные жирные кислоты бактерий содержат чаще всего 16- или 18-углеродную молекулу с одной ненасыщенной связью. Жирные кислоты с двойной и более связью обнаруживаются в бактериальных клетках крайне редко.
Жиры играют важную роль в метаболизме живых организмов. Их широко исползуют в медицине. Из них получают мыло, олифу, масляные краски, основу для лекарственных мазей.
8.3. Фосфолипиды.
Молекула фосфолипидов образована остатками глицерина (или заменяющего его спирта сфингозина), жирных кислот, фосфорной кислоты, соединенной сложноэфирной связью с полярной группировкой (чаще азотсодержащей).
Фосфолипиды распространены в растительных и животных тканях, в микроорганизмах они являются преобладающей формой липидов. В отличие от нейтральных жиров фосфолипиды содержатся только в клеточных мембранах и очень редко в небольших количествах обнаруживаются в составе запасных отложений. Значительные количества фосфолипидов содержатся в сердце и печени животных, в семенах растений (например, в соевых бобах), в яйцах птиц. Особенно высоко содержание их в нервной ткани человека и позвоночных животных.
Фосфолипиды растворимы в органических растворителях, но избирательно: одни в этаноле, другие — в эфире, третьи — в бензоле. Большинство из них нерастворимо в ацетоне, это используют для отделения фосфолипидов от других липидов. Они нерастворимы в воде (но набухают); быстро окисляются на воздухе (из-за того что в молекуле есть ненасыщенные жирные кислоты), меняя при этом окраску от светло-желтой до коричневой.
Фосфолипиды легко образуют комплексы с белками, этим и объясняется преимущественное участие их в формировании клеточных оболочек и внутриклеточных мембран (составляют до 50% всех липидов биологических мембран). Благодаря особенностям химического строения (полярность молекулы) фосфолипиды обеспечивают одностороннюю проницаемость мембран. В соответствии с правилами Международной номенклатуры IUPAC класс фосфолипидов может быть разделен на глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды.
Глицеролфосфолипиды. Общая схема строения глицеролфосфолипидов имеет следующий вид:
о
II
О СН2—О—С—R1
II I
R2-C-О—СН ОН
│ │
СН2—О —Р—О—X

О
X —полярная группа; R1 и R2 — радикалы жирных кислот.
В молекуле глицеролфосфолипидов лежит фосфатидная кислота, представляющая собой глицерин, у которого две спиртовые группы этерифицированы жирными кислотами, а одна, в 3-м положении, фосфорной кислотой. У большинства природных глицеролфосфолипидов насыщенные жирные кислоты (с 16—18 углеродными атомами) находятся в положении С-1.
В зависимости от строения полярной группы глицеролфосфолипиды делятся на:
1) фосфатидилхолины (старое название лецитины не рекомендуется);
2) фосфатидилэтаноламины (старое название — кефалины);
3) фосфатидилсерины;
4) фосфатидилинозиты;
5) фосфатидилсахара;
6) фосфатидилглицерины;
7) фосфатидали, или плазмалогены.
В тканях животных и высших растений в больших количествах встречаются фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины.
Сфингофосфолипиды. Липиды, относящиеся к этой группе, содержат те же компоненты, что и глицерофосфолипиды (жирные кислоты, фосфат и Х-группу), только вместо глицерина они включают ненасыщенный аминоспирт сфингозин или его насыщенный аналог дигидросфингозин.
Н

Н3С─(СН2)12─ С = С─СНОН Н3С─(СН2)14─СНОН
│ │ I
Н Н - С—NH2 Н—С—NH2
I I
СН2ОН СН2ОН
Сфингозин (D-4-сфингенин) Дигидросфингозин (D-сфинганин)
Сфингофосфолипиды обнаружены в мембранах растительных и животных клеток. Их много в нервной ткани, в частности мозге, найдены и в составе липидов крови.
8.4. Гликолипиды. Гликолипиды содержат в составе молекулы углеводные остатки (чаще D-галактозы), фосфорная кислота в них отсутствует. Они находятся в основном в тканях мозга, есть также в клетках крови и других тканях; играют важную роль в функционировании биологических мембран. Представлены гликозилдиацилглицеринами и гликосфинголипидами.
СН2ОН
(R.1 и R2 -радикалы жирных кислот)
Гликозилдиацилглицерины. В их молекулу входит глицерин, этерифицированный двумя остатками жирных кислот, и одна или две молекулы моносахарида, связанных с глицерином β-гликозидной связью. В качестве углеводного компонента чаще всего встречается D-галактоза, реже D-глюкоза. Они составляют полярную голову липида. В отличие от фосфатидилсахаров в молекуле гликозилдиацилглицеринов нет фосфата. Представителями таких гликолипидов являются моногалактозилдиацилглицерин и дигалактозилдиацилглицерин. Они были выделены из листьев растений, где их концентрация приблизительно в 5 раз превышает концентрацию фосфолипидов из фотосинтезирующих бактерий.
Галактолипиды специфически связаны с хлоропластами. Ни один из перечисленных выше гликолипидов в животных тканях не обнаружен.
Гликосфинголипиды ганглиозиды, вовлечены в процесс приема сигналов, поступающих в клетки. Они активно участвуют в контроле и регуляции межклеточных контактов, рецепции пептидных гормонов, серотонина, некоторых вирусов и бактериальных токсинов. Структура ганглиозидов и их состав генетически контролируются гликозилтрансферазами, поэтому ганглиозиды обладают высокой тканевой специфичностью и выступают в роли антигенов клеточной поверхности.
1396365421640Стероиды. Стероиды — производные пергидроциклопентанфенантрена, имеющего следующую структуру:
Характерными особенностями почти всех природных стероидов является присутствие кислородсодержащего заместителя у С-3, наличие метильных групп, связанных с С-10 и С-13 и отсутствие двойных связей в циклах.
К стероидам относятся стеролы (или стерины), стериды, желчные кислоты, мужские и женские половые гормоны, гормоны надпочечников, витамины группы D, сердечные гликозиды, сапогенины, экдизоны, некоторые яды. В основе их классификации лежит структура заместителя, присоединяемого к 17-му углеродному атому ядра.
В клетках все стероиды присутствуют в следовых количествах, за исключением стеринов, содержание которых достаточно велико (до 2%).
8.5. Стерины (или стеролы)
К ним относятся стероиды, имеющие от 8 до 10 углеродных атомов в боковой цепи у С-17 и гидроксильную группу. Обнаружены в клетках животных (зоостерины), растений (фитостерины) и грибах (микостерины).
Одним из важнейших представителей зоостеринов является холестерин — одноатомный вторичный циклический спирт, относящийся к неомыляемым липидам. Он в значительном количестве содержится в липидах нервной ткани, где связан со структурными компонентами миелиновой оболочки, в липидах яиц и клеток спермы, в печени, надпочечниках кожном сале и в стенках эритроцитов.
12033251116965В животных тканях холестерин находится как в свободйом состоянии, так и в виде сложного эфира с жирными кислотами — холестерида. Чаще всего в составе холестеридов обнаруживаются ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая), а из насыщенных — пальмитиновая и стеариновая. В плазме крови только одна треть холестерина существует в виде свободного спирта, а две трети его этерифицировано жирными кислотами, переносчиком которых он и является. Образование эфиров происходит в стенках кишечника.
Холестерид ( R -радикал жирной кислоты)
Важнейшей биохимической функцией холестерина у позвоночных является его превращение в гормон прогестерон в плаценте, семенниках, желтом теле и надпочечниках, в результате чего открывается цепь биосинтеза стероидных половых гормонов и кортикостероидов. Другое направление метаболизма холестерина — образование желчных кислот и витамина D3. Кроме того, холестерин участвует в регулировании проницаемости клеточных мембран и предохраняет эритроциты крови от действия гемолитических ядов. Известно об активации холестерином ферментов цикла трикарбоновых кислот.
Холестерин преимущественно находится в животных тканях, некоторых водорослях и в очень небольшом количестве в пыльце и масле семян растений; из растительных продуктов выделен ряд фитостеролов. Весьма распространенной группой стеролов в растениях являются ситостерол С29Н49ОН и стигмастерол С29Н47ОН.
Большой интерес представляет наличие в высших растениях гормонов насекомых: ювенильного гормона и гормонов линьки — экдизонов, которых к настоящему времени выделено около 40. Их содержание в растениях достигает 2%, и все они обладают высокой биологической активностью. Экдизоны представляют собой полигидроксилированные стеролы.
Особенно велико содержание стеролов в дрожжах и плесневых грибах. Основным стеролом в них является эргостерол С28Н43ОН.
Стериды. Стериды представляют собой эфиры стеринов (стеролов) и высших жирных кислот. Из жирных кислот в составе стеридов обнаружены в основном пальмитиновая, стеариновая и олеиновая. Однако в стеридах ланолина (восковидное вещество кожи и волос животных) обнаружены миристиновая, арахидоновая, церотиновая кислоты, а также ланопальмитиновая и ланостеариновая — специфические высшие жирные кислоты с разветвленной цепью.
Все стериды, как и стеролы,— это твердые бесцветные вещества. В природе, особенно у животных, они встречаются обычно в форме комплексов с белками.
8.6. Воска.
Воска представляют собой сложные эфиры высших моноатомных спиртов жирного (реже ароматического) ряда и высших жирных кислот. Помимо таких эфиров воска содержат некоторое количество свободных высших спиртов с четным числом атомов (от C22 до С32), свободных высших жирных кислот с очень длинной цепью (от C14 до C34), а также немного насыщенных углеводородов с нечетным числом углеродных атомов (от C21 до C37), душистых и красящих веществ. Общее количество этих примесей может достигать 50%. Обнаружены воска как у животных, так и у растений и даже у некоторых микроорганизмов.
Воска выполняют в организме в основном защитную функцию. Они образуют защитную смазку на коже, шерсти и перьях, покрывают листья, стебли, плоды, семена, а также кутикулу наружного скелета у многих насекомых. Восковой налет предохраняет от смачивания, высыхания и проникновения микробов. Из опытов видно, что удаление воскового слоя с поверхности плодов приводит к более быстрой их порче при хранении. Воска также являются главным липидным компонентом многих видов морского планктона — источника пищи для океанской фауны.
В состав восков входят как обычные жирные кислоты, содержащиеся в жирах,— пальмитиновая, стеариновая, олеиновая и др., так и жирные кислоты, характерные только для восков, — карнаубовая C24H48O2, церотиновая С27Н54О2 и др.
Среди высокомолекулярных спиртов, входящих в состав воска, наиболее изучены цетиловый спирт CH3(CH2)14CH2OH, мирициловый спирт С31Н63ОН, n-гексакозанол СНз(СН2)24СН20Н и др. Среди животных восков наибольшее значение имеют спермацет, ланолин и пчелиный воск.
Спермацет добывается из головы кашалота, где он находится в большом фиброзном мешке в углублении костей черепа и служит кашалоту звукопроводом при эхолокации, является эфиром цетилового спирта и пальмитиновой кислоты.
Спермацет используют в парфюмерии как основу при изготовлении кремов, мазей, так как он очень хорошо всасывается через кожу, как и ланолин — смазочное вещество, покрывающее шерсть овец. По своему строению ланолин является стеридом. Он состоит из смеси эфиров двух стеринов — ланостерина и агностерина и жирных кислот ланолиновой, пальмитиновой, стеариновой и др.
Пчелиный воск вырабатывается специальными железами рабочих пчел. По своему химизму это преимущественно мирицилпальмитат, но в нем есть и другие сложные эфиры, а также свободные жирные кислоты, свободные высшие спирты (цериловый спирт и др.) и углеводороды. В его составе обнаруживаются вещества, обусловливающие цвет и запах, а также минеральные соединения.
Пчелиный воск находит применение в различных отраслях промышленности благодаря сочетанию пластичности с кислотоустойчивостью, водо- и электроизоляционными свойствами: литейной, кожевенной, автомобильной, авиационной, текстильной, электрической, радиотелефонной, пищевой, фармацевтической, стекольной, парфюмерной, гальванопластике и др.
С древних времен пчелиный воск используют и для медицинских нужд: для приготовления пластырей, мазей, он входит в состав питательных, вяжущих, очищающих, отбеливающих кремов и масок для лица. В отличие от нейтральных жиров воска более устойчивы к действию света, окислителей, нагреванию, хуже гидролизуются.
8.7. Терпены.
Общая характеристика терпенов. В основе терпеновых соединений лежат изопреновые остатки, чаще всего соединенные между собой «голова к хвосту», но иногда возможно апериодическое расположение изопреновых единиц - «хвост к хвосту».
СН3

(Голова) Н2С=С—СН=СН2 (Хвост)
Изопрен
К терпенам относятся эфирные масла (лимонен, пинен, гераниол, камфора, ментол), смоляные кислоты и каучук, различные растительные пигменты (каротины, ликопин и др.), а также витамин А и сквален из животных тканей. Химически родственны терпенам витамин Е, витамин К, кофермент Q.
В зависимости от числа изопреновых группировок все терпены делятся на монотерпены (2 группировки), сесквитерпены (3), дитерпены (4), тритерпены (6) и тетратерпены (8).
Эфирные масла, смоляные кислоты, гутта, каучук выполняют защитную функцию; пигменты принимают участие в одном из важнейших процессов растительного организма — фотосинтезе, а также придают окраску цветам и плодам; некоторые из терпенов являются витаминами. Сквален — тритерпен — главный компонент секрета сальных желез, основной липидный компонент вируса дифтерии птиц, жира акульей печени, а также промежуточный продукт в биосинтезе холестерина.
Некоторые монотерпены у членистоногих являются феромонами, которые представляют собой средство информации между насекомыми, в частности являются половыми аттрактантами. Основные компоненты феромонов — ненасыщенные углеводороды, а также высокомолекулярные спирты и их эфиры. Феромоны имеют огромное значение не только в плане теоретического изучения поведения насекомых, но и практического использования в медецине, сельском хозяйстве, лесном хозяйстве для борьбы с вредными насекомыми.
Эфирные масла и смоляные кислоты. Среди эфирных масел большое распространение имеют монотерпены С10Н16. Они могут быть как алифатического ряда, так и циклического. В природе больше распространены кислородные производные алифатических терпенов — альдегиды и спирты. Эфирным маслам присущ резкий и обычно приятный запах, летучесть (способность перегоняться с водяным паром), высокий коэффициент оптического преломления.
К производным терпенам можно отнести линалоол – жидкость с запахом ландыша. Обнаружен в кожице цитрусовых, в цветах ландыша. Применяется в парфюмерии сам и его эфиры.
Близки по строению к предыдущему гераниол и цитронеллол. Последний обладает запахом розы, в большом количестве содержится в розовом и гераниевом маслах. 80% всей мировой продукции розового масла добывают из одного вида Rosa damascena. Для получения 1 кг розового масла расходуется 35 млн. лепестков роз.
Из циклических монотерпенов большой интерес представляет ментол. На его долю приходится 70% в составе масла мяты. Ментол обладает свойством раздражать нервные окончания; оказывает легкое местное обезболивание и слабое антисептическое действие. Его применяют в составе сердечных средств (валидол, капли Зеленина), при насморке и других заболеваниях верхних дыхательных путей, при мигрени (ментоловый карандаш).
Среди бициклических монотерпенов важную роль играет пинен - главный компонент скипидара, получаемого из сосновой живицы. Широко применяется в качестве растворителя в лакокрасочной промышленности и в живописи. К этой же группе терпенов относится камфора. Очень высока концентрация камфоры в древесине и листьях камфарного лавра,
4396740123825126301579375 СН3 СН3
α-ПиненКамфораМентол
в некоторых видах полыни, откуда ее и получают. Для синтетического получения используют скипидар. Применяют в медицине для возбуждения центральной нервной системы, стимуляции дыхания и кровообращения. Камфора оказывает раздражающее и антисептическое действие, в связи с чем употребляется в виде мазей и втираний при воспалительных процессах и ревматизме. Используется как сырье в ряде отраслей химической промышленности.
Смоляные кислоты относятся к дитерпенам. Имеют формулу С20Н30О2 и составляют 4/5 смолы хвойных растений — терпентина (живица). При переработке живицы с водяным паром отгоняется скипидар, и остается твердый остаток — канифоль, основную массу которой составляют «смоляные кислоты», в частности абиетиновая кислота
1731010146685Абиетиновая кислота
Канифоль служит сырьем для многих отраслей химической промышленности (производство резин, пластмасс, искусственной кожи, линолеума, сургуча, лаков, красок, лыжной мази). Из нее получают электроизоляционные мастики и компаунды. Она служит флюсом при лужении и пайке металлов. Музыканты, играющие на смычковых инструментах, натирают ею смычок.
В состав выделяемых растениями смол кроме смоляных кислот входят также смоляные спирты, фенолы, углеводороды.
К дитерпенам относятся также фитол, витамин А, гиббереллины. Фитол в свободном виде в природе не встречается, а входит в качестве терпеновой части в состав хлорофилла, витаминов К и Е:
СН3 СН3 СН3 СН3
│ │ │ │
Н3С—СН—(СН2)2—СН—(СН2)3-СН—(СН2)3—С=СН—СН2ОН
Фитол
Каучук и гутта — политерпены. Главным источником каучука служит тропическое каучуконосное дерево гевея, а основные отечественные каучуконосы — кок-сагыз и тау-сагыз из семейства сложноцветных. Гуттаперченосом являются некоторые виды бересклета и эвкомия.
Каучук и гуттаперча находят широкое применение в резиновой промышленности, радио- и электропромышленности в качестве изоляционного материала, а также при изготовлении кислотоупорных и клеящих материалов.
Обмен липидов
Превращения липидов в процессе пищеварения и всасывание. Липиды — важная составная часть пищи. Взрослому человеку требуется от 70 до 145 г жира в сутки в зависимости от трудовой деятельности, пола, климатических условий. Причем необходимы как животные, так и растительные жиры. Липиды являются высокоэнергетическими веществами, поэтому за их счет удовлетворяется 25—30% потребности человеческого организма в энергетическом материале. Кроме того, в составе животных жиров в организм поступают жирорастворимые витамины A, D, К и Е, растительные жиры богаты непредельными жирными кислотами (витамин F), являющимися предшественниками простагландинов, исходным материалом для синтеза организмом фосфолипидов и других веществ.
Переваривание жира начинается в желудке, где находится фермент липаза. Но она расщепляет только эмульгированный жир, каким является жир молока, и поэтому этот процесс имеет значение главным образом у детей грудного возраста.
Существуют данные, что у молодняка жвачных животных и крыс липазная активность обнаруживается в слюне. Вполне возможно, что в некоторых случаях липолитическая активность желудка может быть обусловлена липазой, секретируемой в ротовой полости и попадающей в желудок вместе со слюной.
Основное расщепление липидов происходит в кишечнике, в первую очередь в двенадцатиперстной кишке. В этот отдел кишечника поступает сок поджелудочной железы, содержащий очень активную липазу. Сюда же поступает из желчного пузыря желчь, составные компоненты которой (желчные кислоты) необходимы для переваривания липидов. Это связано с тем, что желчные кислоты — холевая (преобладает в желчи человека), дезоксихолевая, литохолевая, хенодезоксихолевая, таурохолевая и гликохолевая — представляют собой поверхностно-активные вещества, способствующие эмульгированию жиров, что является важнейшим условием их последующего ферментативного расщепления.
Пройдя через барьер слизистой оболочки кишечника, желчные кислоты в связанном состоянии с липидами отделяются от последних и по венам кишечника через портальный кровоток возвращаются в печень, а затем с желчью в двенадцатиперстную кишку.
Образование эмульсии жиров в кишечнике может происходить и под влиянием мелких пузырьков СО2, выделяющегося при нейтрализации соляной кислоты пищевой кашицы бикарбонатами поджелудочного и кишечного сока. Способствуют эмульгированию и соли жирных кислот (мыла), возникающие при гидролизе липидов. Но основная роль в эмульгировании жиров принадлежит желчным кислотам.
В результате описанных процессов образуется очень тонкая жировая эмульсия, диаметр частиц которой не превышает 0,5 мкм. Такие эмульгированные жиры способны самостоятельно проходить через стенку кишечника и попадать в лимфатическую систему. Однако большая часть эмульгированного жира всасывается после гидролитического расщепления его панкреатическими липазами. Последние образуются в поджелудочной железе в виде неактивных проферментов, которые переходят в активную форму при участии желчных кислот.
Эти реакции осуществляют липазы, специфичные в отношении 1,3-эфирных связей триацилглицерина. Связи во 2-м положении гидролизуют другие липазы:
СН2ОН СН2ОН
│ Липаза │
СН─О─СО─С17Н35 + Н2О → СН─ОН+С17Н35СООН
│ │
СН2ОН СН2ОН
Кроме липаз в соке поджелудочной железы присутствуют эстеразы, гидролизующие преимущественно эфиры жирных кислот с короткой цепью (например, трибутирин) и эфиры холестерина. Эти эстеразы тоже активны только в присутствии желчных кислот.
Пищеварительные липазы кроме человека и млекопитающих животных обнаружены и исследованы у рыб, некоторых беспозвоночных. Однако, как правило, у большинства видов беспозвоночных и костистых рыб липолитическая активность в пищеварительных соках примерно в 1000 раз ниже, чем в панкреатическом соке млекопитающих.
Стериды, подвергаясь действию гидролитических ферментов типа холестераз, расщепляются в кишечнике с образованием спирта холестерола или эргостерола и соответствующей жирной кислоты. Холестеразы продуцируются поджелудочной железой и активны только в присутствии солей желчных кислот.
Таким образом, образующаяся в результате гидролиза липидов смесь содержит анионы жирных кислот, моно-, ди- и триацилглицерины, хорошо эмульгированные солями жирных кислот и мылами, глицерин, холин, этаноламин и другие полярные компоненты липидов. Исследования с мечеными триацилглицеринами показали, что около 40% жиров пищи гидролизуется полностью до глицерина и жирных кислот, 3—10% всасываются без гидролиза в форме триацилглицеринов, а остальные гидролизуются частично, главным образом до 2-моноацилглицеринов. Глицерин водорастворим и вместе с жирными кислотами, имеющими короткие углеродные цепи (С<10), уходит из кишечника через портальную систему кровообращения и поступает в печень. Такие жирные кислоты всасываются преимущественно в неэтерифицированной форме.
Биосинтез липидов. У большинства организмов биосинтез липидов — важное звено обмена веществ. В виде жирных кислот и триацилглицеринов в организме животных запасается в больших количествах энергетический материал, так как «запасающая емкость» для углеводов в организме невелика. В семенах растений также накапливается много триацилглицеринов, которые при прорастании используются как энергетический, так и пластический материал. Важным моментом в синтезе липидов является образование полярных липидов, входящих в состав мембран, поскольку в большинстве клеток они постоянно обновляются.
Биосинтез жирных кислот. Синтез насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот легко происходит в любом живом организме. Основным местом их синтеза в отличие от окисления, локализованного только в митохондриях, является цитоплазма. В некотором количестве жирные кислоты синтезируются так же с участием ферментов, локализованных в мембранах эндопламатической сети путем удлинения КоА-производных полиненасшценных жирных кислот. Известен и еще один тип синтеза, при котором происходит удлинение молекул жирных кислот в митохондриях. Особенно активно липогенез протекает в жировой ткани, молочной железе, печени. Сырьем для биосинтеза служит ацетил-КоА, который образуется из избыточной глюкозы пищи, не использованной на энергетические нужды, сохраняемых в резерве полисахаридов и аминокислот, не требующихся для других функций. В качестве восстановителя в биосинтезе жирных кислот расходуется НАДФН, образующийся в пентозофосфатном цикле.
Основной путь биосинтеза жирных кислот, протекающий в цитоплазме, катализируется особой синтетазной системой, состоящей из 7 ферментов. Конечный продукт этого пути — пальмитиновая кислота, представляющая собой источник всех других насыщенных и мопоиснасыщенпых жирных кислот млекопитающих и всех жирных кислот микроорганизмов.
Суммарная реакция биосинтеза жирных кислот в цитоплазме имеет следующий вид:
Ацетил-КоА + 7 Малонил-КоА + 14 НАДФН + 14 Н+ →
СН3(СН2)14СООН + 7 СО2 + 8 КоА + 14 НАДФ+ + 6Н20
Пальмитат
Как видно из реакции, для синтеза требуется единственная молекула ацетил-КоА, которая служит затравкой. Активную роль в биосинтезе жирных кислот играет особый ацилпереносящий белок (АПБ). У Е. coli он обладает небольшой молекулярной массой, относится к сложным белкам, простетической группой у него является 4-фосфопантотеновая кислота и тиоэтиламин с его сульфгидрильной группой. Пантотеновая часть молекулы АПБ действует как «рука», переносящая растущую цепь жирной кислоты от одного фермента к другому. Полагают, что у млекопитающих активность АПБ присуща определенным участкам отдельных полипептидных цепей, которые обладают также и другими активностями, требующимися для биосинтеза жирных кислот.
Человек и высшие животные содержат два основных источника пополнения пула жирных кислот: биосинтез пальмитиновой кислоты и поступление разнообразных жирных кислот с пищей. В печени из смеси находящихся там жирных кислот образуется тот их набор, который свойствен данному виду животного, хотя некоторое влияние на окончательный состав оказывает и диета.
Пальмитиновая и стеариновая кислоты служат предшественниками моноеновых (мононенасыщенных) жирных кислот (например, олеиновой). Введение двойной связи может происходить аэробным и анаэробным путями. У млекопитающих этот процесс осуществляется в результате переноса отщепляемого водорода на кислород с помощью ферментов десатураз (десатурация — получение ненасыщенного продукта), требующих для своего функционирования НАДН, Ог и участок микросомальной системы переноса электронов.
Разветвленные жирные кислоты синтезируются из продуктов деградации аминокислот с разветвленной цепью (валин, изолейцин и лейцин) через ацильные производные с КоА путем удлинения цепи и при участии АПБ.
Синтез триацилглицеролов. Свободные жирные кислоты не встречаются в значительных количествах в животных организмах. Они присутствуют обычно в виде сложных эфиров глицерола. Синтез триацилглицеролов происходит главным образом в печени и жировой ткани из КоА-производных жирных кислот через фосфатидную кисло Фосфорилирование глицерина осуществляется глицеролкиназой за счет АТФ. Глицерол-З-фосфат может образовываться и при восстановлении диоксиацетонфосфата.
Гидролиз фосфатидной кислоты фосфатазой приводит к образованию 1,2-диацилглицерина, который, реагируя с другой молекулой ацил-КоА, образует нейтральный триацилглицерин.
В слизистой оболочке кишечника триацилглицерины синтезируются из свободных жирных кислот, моно- и диацилглицеринов. Эта реакция свойственна только слизистой оболочке кишечника. Перенос остатка жирной кислоты происходит через ацильное производное КоА.
Влияние липидов на технологические свойства, качество и сохраняемость продовольственных товаров
К числу важнейших химических свойств жиров относится окисление. При этом на первом этапе окисления образуются перекисные соединения, а на втором этапе – альдегиды и кетоны. Перекисные соединения представляют серьезную опасность для здоровья человека, являясь канцерогенами. Всемирная организация здравоохранения опубликовала данные, свидетельствующие о том, что 90% раковых заболеваний желудочно-кишечного тракта вызываются перекисями, образующимися часто и в больших количествах при переработке и хранении жиров, особенно богатых ненасыщенными жирными кислотами. Альдегиды и кетоны вызывают прогоркание жиров и жиросодержащих продуктов. Они считаются причиной так называемого саломасного запаха и вкуса маргаринов. Прогоркание и осаливание многих пищевых продуктов (сухого молока, сливочного масла, орехов, масличных семян, круп, муки) связаны именно с химическими и биохимическими изменениями жиров. Для предотвращения быстрого окисления жиров следует предпринимать ряд мер, в том числе их хранение в темном помещении, герметической упаковке, в бескислородной среде, использование различных антиоксидантов, при высокотемпературной обработке в ходе дезодорации использовать вакуум, избегать прямого попадания солнечных лучей, для целей общественного питания не использовать в высоконенасыщенные жиры и т.д.
Токоферолы, каротиноиды, фосфолипиды, также являющимися липидами, обладают антиокислительными свойствами. Особенно сильны антиокислительные свойства токоферолов как естественных антиоксидантов. Однако в ходе переработки жиров они в значительной мере разрушаются, что может способствовать ускоренному окислению жиров при хранении и дальнейшем их использовании в пищевой промышленности и общественном питании. Поэтому многие производители обогащают жиры, чаще всего растительные масла, синтетическими токоферолами.
Окисление каротиноидов вызывает обесцвечивание некоторых пищевых продуктов при хранении. В качестве примеров отметим жиры животные топленые пищевые, пшеничную муку.
Высокое содержание свободных жирных кислот считается одним из критериев качества жиров и жиросодержащих продуктов. Численной харктеристикой содержания свободных жирных кислот в продуктах питания и сельхозсырье является кислотное число и относится к важнейшим физико-химическим показателям пищевых жиров. Оно особенно важно для жировых и богатых жирами продуктов. Следует отметить, что сами по себе свободные жирные кислоты неопасны для человеческого организма. Нежелательность их содержания в продовольственных товарах связана с тем, что они окисляются значительно быстрее, чем связанные жирные кислоты.
В производстве и переработке пищевых жиров есть специальные технологические операции, направленные на уменьшение содержания свободных жирных кислот. Такой операцией при рафинации растительных масел и топленых животных жиров является нейтрализация, т.е. обработка масел и жиров слабыми растворами щелочей с целью удаления свободных жирных кислот. Эта операция также называется щелочной рафинацией. От степени удаления свободных жирных кислот зависит товарный сорт рафинированного масла или жира. Качество нерафинированных масел также увязывают с содержанием в них свободных жирных кислот, т.е. с величиной кислотного числа.
Некоторые липиды, в частности госсипол хлопкового масла, являются токсичными, поэтому нежелательно использование в пищевой промышленности, общественном питании и домашней кулинарии сырого хлопкового масла с высоким содержанием госсипола и его производных.
9. ВИТАМИНЫ
9.1. Общая характеристика
Витамины — низкомолекулярные органические соединения, которые, присутствуя в пище в небольших количествах, являются незаменимыми ее компонентами, обеспечивают нормальное протекание биохимических и физиологических процессов путем участия в регуляции метаболизма. Витамины не включаются в структуру тканей человека и животных и не используются в качестве источника энергии.
В организме человека некоторые витамины не синтезируются вообще, другие — синтезируются кишечной микрофлорой и тканями в недостаточных количествах, поэтому витамины должны поступать с пищей. Некоторые микроорганизмы и низшие растения также нуждаются в определенных витаминах, служащих для них важнейшими факторами роста. Витамины и их производные — активные участники биохимических и физиологических процессов высших растений. Существует предположение, что отсутствие у человека и животных способности синтезировать витамины возникло в процессе эволюции как результат своеобразной «специализации и кооперирования» в биоценозах. Потеря этой способности была заменена пищевыми связями с участием растений и бактерий. Современные животные и человек унаследовали эту особенность обмена веществ своих далеких предков.
Многие витамины представляют собой исходный материал для биосинтеза коферментов и простетических групп ферментов. В этом состоит одна из основных причин необходимости витаминов для нормального протекания обменных процессов. Структура каждого коферментного витамина уникальна и, как правило, характеризуется наличием сопряженных связей, четко выраженных электроноакцепторных или электронодонорных свойств. Эти свойства обычно усиливаются, когда витамин становится коферментом, соединяется с металлом и апоферментом, входя в активный центр фермента. Ряд витаминов обладает регуляторными функциями, в частности участвует в регуляции проницаемости мембран, прохождения через них катионов.
С 1956 г. принята Международная химическая номенклатура, согласно которой витамины делят на: 1) растворимые в воде, 2) растворимые в жирах, 3) витаминоподобные соединения.
Несмотря на точное установление химического строения, витамины сохранили названия в виде букв латинского алфавита, отражающие хронологическую последовательность их открытия.
Для характеристики обеспеченности организма каким-либо витамином принято различать три ее формы: авитаминоз, гиповитаминоз, гипервитаминоз. Первый термин применяют в отношении комплекса симптомов, развивающихся в результате достаточно длительного, полного или почти полного отсутствия одного из витаминов. Совместная недостаточность нескольких витаминов называется полиавитаминозом.
Под гиповитаминозом понимают состояние, характеризующее частичную, но уже проявившуюся специфическим образом недостаточность витамина. Довольно распространено деление гиповитаминозов на две группы: пищевой гиповитаминоз как следствие длительного субнормального обеспечения организма витамином, и эндогенный гиповитаминоз, когда симптомы витаминной недостаточности возникают на фоне нормального поступления витамина, но ограниченно используемого вследствие каких-либо внутриорганизменных причин. В ряде случаев обнаружены антагонистические взаимоотношения между отдельными витаминами, когда один из них препятствует действию или всасыванию и ассимиляции другого. Такие состояния одни авторы склонны относить к разновидности гиповитаминозов, другие предлагают ввести термин — дисвитаминоз.
Гипервитаминоз — комплекс патофизиологических и биохимических нарушений, возникающих вследствие длительного избыточного введения в организм любого из витаминов. Термин гипервитаминоз не применим в отношении токсического действия однократно введенной большой дозы витамина.
9.2. Жирорастворимые витамины
Витамин А (антиксерофтальмический, ретинол, аксерофтол).
Ранним симптомом авитаминоза А является ослабление темновой адаптации, вплоть до полной утраты зрения в сумерках — куриная слепота. Повышенному ороговению подвергается и эпителий кожи, что способствует возникновению кожных болезней. Особенно опасны изменения эпителия, выстилающего слизистые оболочки дыхательных путей (бронхиты), кишечника (колиты).
При А-витаминной недостаточности ослабевают механизмы иммунитета. Избыточное введение витамина А может вызвать гипервитаминоз, интоксикацию. Особенно тяжело она протекает у детей. Основными источниками витамина А служат яйца, сливки, сметана, коровье молоко, сливочное масло, почки, печень крупного рогатого скота и печень трески. Рекомендуемое суточное потребление витамина А для взрослого человека — 1 мг. Витамин А в высших растениях и микроорганизмах не синтезируется, но у них образуются его предшественники — каротиноиды. Их особенно много в моркови, помидорах, шпинате, перце.
Витамин D(антирахатический, кальциферолы). Кальцеферолы объединяет группу родственных соединений, обладающих антирахитической активностью. Важнейшие среди них — холекальциферол (витамин D3), эргокальциферол (витамин D2), дигидроэргокальциферол (витамин D4).
Недостаток витамина D приводит к возникновению рахита. При этом заболевании задерживается зарастание швов между костями черепа, которые избыточно разрастаются; увеличиваются лобные бугры. Деформируются и другие кости. Вследствие недостаточного окостенения реберных хрящей грудная клетка приобретает неправильную форму. Кости ног под влиянием тяжести тела искривляются. Мышцы становятся дряблыми, их тонус понижается, увеличивается живот. Рахит тормозит общее развитие ребенка. Задерживается прорезывание зубов, а сами зубы легко разрушаются, часты желудочно-кишечные расстройства, развивается малокровие, ребенок становится легко подвержен различным заболеваниям.
Большие дозы витамина могут вызвать гипервитаминоз D, который проявляется в резком похудании, остановке роста, подъеме кровяного давления, повышении температуры, резких болях в суставах, судорогах, затруднении дыхания. Источниками витамина D в пище являются рыбий жир, печень трески, икра, яичные желтки, сливочное масло. Суточное потребление витамина D детьми до 6 лет должно составлять от 500 до 1000 ME, а в более старшем возрасте во взрослом состоянии— 100 ME.
Витамин- Е (антистерильный, токоферолы). К группе витамина Е относятся метальные производные токола и токотриенола. Нехватка витамина Е проявляется: резорбцией плодов при беременности; дегенерацией семенников у самцов; мышечная дистрофия; макроцитарная (крупноклеточная) анемия; повышенная чувствительность эритроцитов к перекисному гемолизу in vitro — одно из наиболее универсальных проявлений недостаточности витамина Е, характерное, видимо, для всех видов животных.
Наиболее богаты ими растительные масла (из пшеничных зародышей, кукурузное, хлопкое, подсолнечное). Суточная норма потребления здоровыми взрослыми людьми витамина Е составляет 15 мг.
Витамин К (антигеморрагический, филлохиноны, менахиноны). Витамины группы К широко распространены в природе и представлены двумя рядами хинонов — филлохинонами (витаминами K1-ряда) и менахинонами (витаминами К2-ряда). Основой молекулы тех и других является 1,4-нафтохинон.
При авитаминозе К появляются подкожные и внутримышечные кровоизлияния (геморрагии), снижается скорость свертывания крови. Дефицит витамина К нередко наблюдается у новорожденных детей из-за низкого его содержания в молоке и отсутствия в кишечнике синтезирующей его микрофлоры.
Вторичная недостаточность витамина К возникает вследствие болезней печени, особенно обтурдционной желтухи, хронических заболеваний кишечника, при лечении сульфаниламидами и антибиотиками, угнетающими кишечную микрофлору, а также под влиянием лечения препаратами, являющимися антагонистами витамина К. Богатые источники витамина К — зеленые растения, где он содержится в хлоропластах в виде филлохинона.
9.3. Водорастворимые витамины.
Витамин B1 (антиневритный, тиамин). Тиамин, или 4-метил-5-β-оксиэтил-N-тиазолий, синтезируется обычно в виде хлористо- или бромистоводородной соли. Авитаминоз B1 вызывает (болезнь бери-бери, B1-авитаминозный полиневрит). Источником витамина B1 служат как растительные продукты, так и мясные, рыбные и молочные. Особенно богаты им бобовые растения — фасоль, зеленый и сухой горох, чечевица, соя. Потребность в витамине B1 — 0,6 мг на 4,19 ×103 кДж (1000 ккал) суточного пищевого рациона.
Витамин В2 (рибофлавин). Кроме самого рибофлавина (6,7-диметил-9-0-рибитилизоаллоксазин) в природных источниках содержатся его коферментные производные: флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД). Эти коферментные формы витамина В2 количественно преобладают в большинстве животных и растительных тканей, а также в клетках микроорганизмов. Биогенез имеет очень сложный характер, исходным соединением является гуанозин. Синтез рибофлавина осуществляется зелеными растениями, большинством бактерий и грибов.
Авитаминоз В2 (арибофлавиноз) у человека характеризуется воспалительными явлениями слизистой оболочки ротовой полости; нарушением зрения: сначала отмечается быстрая утомляемость глаз, светобоязнь, резь в глазах, воспаление их слизистой, век, затем роговой оболочки глаз. Наряду с этим у больных отмечается малокровие, поражение кожи лица, ушей, груди. Витамин В2 необходим для нормального развития плода. Благодаря бактериальному биосинтезу рибофлавина в желудочно-кишечном тракте жвачные животные не нуждаются в поступлении рибофлавина с пищей.
Наибольшее количество рибофлавина (65—70%) человек получает за счет молочных, мясных продуктов и хлеба, 30—35% —за счет овощей й" фруктв. Суточная потребность в витамине В2 2 мг для взрослого и 1—2 мг для детей. Рибофлавин, всосавшийся в кишечнике, подвергается фосфорилированию. При этом образуются две коферментные формы — ФМН и ФАД. Все изученные флавопротеины — окислительно-восстановительные ферменты, выполняющие функцию транспорта водорода в процессе тканевого дыхания.
Витамин Вз (пантотеновая кислота). В химическом отношении природная пантотеновая кислота состоит из остатков D-α, γ-диокси-β, β-диметилмасляной кислоты и β-аланина, связанных между собой амидной связью.
Пантотеновая кислота исключительно широко распространена в природе. Она синтезируется зелеными растениями и микроорганизмами: дрожжами, многими бактериями, в том числе кишечной микрофлорой млекопитающих, грибками. Ткани животных не способны к синтезу пантотеновой кислоты, но синтезируют из нее КоА. Пантотеновая кислота содержится практически во всех продуктах животного или растительного происхождения. Особенно значительно ее содержание в печени животных, почках, яичном желтке, икре, мясе. Из овощей более богаты пантотеновой кислотой цветная капуста, картофель, помидоры. Очень высока концентрация пантотеновой кислоты в маточном молочке пчел и пивных дрожжах. Суточная потребность человека в пантотеновой кислоте составляет 10 мг. Пантотеновая кислота поступает в организм человека и животных с пищей. Кроме того, в кишечнике млекопитающих и человека происходит синтез пантотеновой кислоты кишечной микрофлорой, особенно Е. coli.
Витамин В5 (антипеллагрический, никотинамид, РР, никотиновая кислота, ниацин). В природе витамин РР встречается в двух формах — в виде никотиновой кислоты и никотинамида. Никотиновая кислота является пиридин-3-карбоновой кислотой, а никотинамид — ее амидом. Превращение триптофана в мононуклеотид никотиновой кислоты происходит у человека и животных. У зеленых растений и микроорганизмов исходными соединениями в биогенезе витамина РР является аспартат и производные триоз.
Недостаточность витамина РР вызывает заболевание пеллагрой (от итал. pelle agra — шершавая кожа).
Растения и большинство микроорганизмов синтезируют никотиновую кислоту и не нуждаются в экзогенном ее получении. Ею наиболее богаты сухие пивные дрожжи, пекарские прессованные дрожжи. Значительное количество никотиновой кислоты находится в зерновых продуктах. Суточная потребность в витамине РР 6,5 мг на 4,19×103 кДж (1000 ккал).
Витамин B6 (антидерматитный, пиридоксин, пиридоксаль, пиридоксамин).
Авитаминоз B6 проявляется в угнетении выработки эритроцитов, дерматите, воспалительных процессах кожи, замедлении роста животных, нарушении обмена триптофана. Витамин В6 синтезируется многими видами микроорганизмо из продуктов гликолиза: глицеральдегид-3-фосфата, дигидроксиацетонфосфата или пирувата. Наиболее богатыми источниками витамина В6 являются сухие пивные дрожжи, мясо, рыба, цельное зерно злаков и особенно отруби злаков. У животных много его находится в ткани печени, сердца, почек. Суточная потребность в витамине B6 — 2 мг для взрослых людей при условии получения с пищей не менее 100 г белка. Биохимические функции пиридоксальфосфата:
1) транспортная — участие в процессе активного переноса некоторых аминокислот через клеточные мембраны;
2) каталитическая — участие в качестве кофермента широком круге ферментативных реакций (переаминирование, декарбоксилирование, рацемизация аминокислот и др.), катализируемых пиридоксальфосфатсодержащими, или «пиридоксалевыми», ферментами;
3) функция регулятора скорости оборота пиридоксалевых ферментов — удлинение времени полураспада в тканях некоторых пиридоксальных апоферментов при их насыщении пиридоксальфосфатом, повышающим устойчивость апоферментов к тепловой денатурации и действию специфических протеиназ.
Витамин Вс (антианемический фактор, фолиевая кислота, фолацин, птероилглутаминовая кислота). Фолиевая кислота — основной представитель обширной группы родственных соединений, объединяемых общим названием фолацин.
Фолацин в организме человека связан с гемопоэзом (кроветворением), это — противоанемический фактор.
Основные источники фолатов — салат, шпинат, капуста, морковь, помидоры, зеленый лук. Из продуктов животного происхождения наиболее богаты фолатами печень, почки, яичный желток, сыр. Суточная потребность взрослого человека в фолиевой кислоте 100—200 мкг.
Витамин В12 (кобаламин). Кобаламины — групповое название соединений, обладающих В12-витаминной активностью.
Гипо- и авитаминоз B12 у человека может развиваться вследствие как экзогенной недостаточности содержания витамина (пища), так и различных условий эндогенного порядка. Различают две формы эндогенного авитаминоза: гастрогенный и энтерогенный.
Витамин В12 единственный из витаминов, который синтезируется исключительно микроорганизмами. Главная роль принадлежит бактериям, актиномицетам и синезеленым водорослям. Последние являются основным источником значительного накопления витамина B12 в теле моллюсков, рыб и разных видов водных животных. Самыми богатыми природными источниками витамина В12 служат говяжья печень, почки. Суточная потребность в витамине B12 составляет 2—2,5 мкг.
Витамин Н (биотин). Биотин образуется из олеиновой кислоты, которая на первом этапе в результате обычных реакций β-окисления дает пимелоил-КоА. Затем присоединяется аланин и происходит замыкание цикла. Источник атома S в кольце пока неизвестен.
Биотин широко распространен в природе. Он обнаружен у микроорганизмов, растений, животных. Биосинтез биотина осуществляют все зеленые растения, некоторые бактерии и грибы путем постепенного усложнения молекулы пимелиновой кислоты. Содержание его определено в различных систематических группах животных. Наиболее высокий уровень биотина обнаружен в личинках насекомых, наименьший — у пресмыкающихся. Человек полностью удовлетворяет свою потребность в биотине за счет синтеза его микробной флорой кишечника. Особенно богаты витамином свиная, говяжья печень, почки, сердце быка, яичный желток, из продуктов растительного происхождения — бобы, рисовые отруби, пшеничная мука, цветная капуста. Минимальная ежедневная доза биотина для человека — около 150—200 мкг.
Витамин С (антискорбутный, аскорбиновая кислота). Аскорбиновая кислота по своему строению может быть отнесена к производным углеводов. Она представляет собой лактон гексоновой кислоты, содержащий диенольную группу.
Аскорбиновая кислота — один из наиболее широко распространенных в природе витаминов. Она синтезируется растениями и подавляющим большинством животных. Семена высших растений лишены витамина С, однако он появляется в них с первых дней прорастания. Богаты витамином С листья, плоды, несколько беднее корнеплоды. Потребность в витамине С для взрослых людей составляет 70-120 мг/сут.
Витамин Р (полифенолы, биофлавоноиды).
Биофлавоноиды принадлежат к фенольным соединениям. Исходным продуктом для их синтеза служит шикимовая кислота. Основной точкой приложения действия биофлавоноидов являются устойчивость и проницаемость капилляров. Недостаточность витамина Р проявляется в ломкости стенок кровеносных сосудов, повышенной проницаемости капилляров, мелкоточечных кровоизлияниях.
Полифенолы с Р-витаминной активностью широко распространены в растениях. Особенно много их содержится в черноплодной рябине, черной смородине, щавеле, крыжовнике, темной черешне, персиках, грушах, винограде, яблоках, грейпфрутах. Влияние биофлавоноидов на сосудистую стенку осуществляется через эндокринные железы. Полифенолы предохраняют от окисления адреналин, который стимулирует деятельность гипофиза, а последний, в свою очередь,— секрецию кортикостероидов. Кроме того, биофлавоноиды влияют на сосудистую проницаемость, воздействуя на систему гиалуроновая кислота — гиалуронидаза, ингибируя гиалуронидазу. Р-Витаминные вещества предохраняют аскорбиновую кислоту от окисления. Механизм антиокислительного действия биофлавоноидов заключается в блокировании ими каталитического действия тяжелых металлов, путем связывания их в стабильные комплексы.
9.4 Изменение витаминов при хранении и переработке пищевых продуктов
Сохраняемость витаминов при хранении и переработке пищевых продуктов зависит от ряда факторов, в том числе от температуры хранения и переработки, реакции среды (рН), длительности хранения и обработки продукта, особенностей строения самого витамина, использования факторов, способных синтезировать витамины, а в некоторых случаях и от ферментативной активности сельхозсырья и продуктов питания, особенностей технологии приготовления тех или иных блюд на предприятиях общественного питания.
Содержание витамина С при хранении плодов и овощей меняется значительно. Заметнее всего уменьшается количество аскорбиновой кислоты в клубнях картофеля в течение первых месяцев после уборки. Этим и объясняется большой разброс цифр по содержанию аскорбиновой кислоты в картофеле – от 5 до 40 мг на 100 г продукта. При этом установлено, что, чем выше содержание витамина С, тем больше его потери при хранении клубней картофеля. Более лежкие сорта картофеля характеризуются лучшей сохраняемостью этого витамина при хранении .
В части влияния температуры хранения в литературе имеются противоречивые сведения. Существенных различий в сохраняемости аскорбиновой кислоты в промежутке температур от 1 до 5 градусов не отмечается. Однако высокие температуры хранения могут вызвать ускоренное перезревание плодов и овощей, что может привести к потерям витамина С.
При хранении цитрусовых плодов потери аскорбиновой кислоты в основном наблюдаются в кожуре. В мякоти ее содержание практически не меняется.
Иногда при хранении плодов и овощей наблюдается увеличение количеств этого витамина. Предполагают, что это происходит за счет освобождения аскорбиновой кислоты из связанного состояния, а также за счет возможного ее новообразования.
Остальные плоды и овощи по потерям витамина С при хранении занимают промежуточное положение между картофелем и цитрусовыми плодами.
Существенны потери витамина С при консервировании плодов и овощей, а также при дальнейшем их хранении. Предотвращению больших потерь аскорбиновой кислоты способствует высокотемпературная стерилизация ( ультрапастеризация) , приводящая к быстрой инактивации оксидаз и максимальному удалению кислорода воздуха из банок перед стерилизацией. Чем выше температура хранения плодоовощных консервов, тем больше потери витамина. Велики потери витамина С и при сушке плодов и овощей. Предотвращению разрушения аскорбиновой кислоты в больших масштабах при сушке плодов и овощей способствует обработка горячей водой или паром, а также сульфитация, т.е. обработка сернистым ангидридом.
На содержание восстановленной формы аскорбиновой кислоты влияет аскорбинатоксидазная актиность плодов и овощей, а также скорость их нагрева при кулинарной обработке. Так как аскорбиновая кислота переходит в свою дегидроформу при каталитическом участии аскорбинатоксидазы, то быстрая инактивация этого фермента лучше сохраняет С-витаминную активность продукта. Этого достигают при кулинарной обработке быстрым нагревом продукта.
На сохраняемость витамина С оказывает влияние и активная реакция среды. Этот витамин быстрее разрушается при щелочной и нейтральной реакции и хорошо сохраняется в кислой среде. Этим объясняется лучшая сохраняемость витамина С в квашеной капусте по сравнению со свежей.
Губительно действует щелочная среда и на витамин В1. Поэтому он полностью разрушается при производстве печенья, продукта, характеризующегося щелочной средой из-за применяемых разрыхлителей щелочной природы. В то же время этот витамин весьма устойчив в кислой среде. Более того, в некоторых производствах с применением дрожжей в получаемых продуктах количество витамина В1 может увеличиться по сравнению с исходным сырьем.
Если при перезревании плодов содержание витамина С в них снижается, то содержание витамина В6, наоборот, повышается, что объясняют освобождением той ее части, которая в свежих плодах находится в связанном виде.
Что касается изменения витамина Р, своего рода спутника и синергетика витамина С, то в ходе переработки плодов его содержание меняется незначительно. Однако при хранении консервированных плодов потери витамина Р могут быть весьма велики.
Рассматривая потери витаминов, следует также обратить внимание и на антивитамины. Антивитамины - это вещества, инактивирующие витамины и оказывающие на организм действие, противоположное действию витаминов.
10. ВОДНО-СОЛЕВОЙ ОБМЕН
10.1. Поддержание концентраций растворенных веществ — важное условие жизни
В самом общем виде живой организм можно описать как водный раствор, заключенный в оболочку — поверхность тела. Объем организма и концентрация растворенных веществ должны сохраняться постоянными в довольно узких пределах, так как для оптимального функционирования организма требуется совершенно определенный и относительно неизменный состав жидкостей тела. Значительные отклонения от нормального состава обычно несовместимы с жизнью. Перед живым организмом стоит задача поддержать надлежащие концентрации растворенных веществ в жидкостях тела, несмотря на то, что они почти всегда отличаются от соответствующих концентраций во внешней среде. Разница концентраций стремится выравняться, нарушая требуемое постоянство внутренней среды. Живые организмы сводят к минимуму возникающие трудности, уменьшая градиенты или проницаемость. Тем не менее всегда происходит некоторая диффузионная утечка, и постоянство внутренней среды не может сохраняться, если организм не создает противоток, в точности равный этой утечке.
Задачи поддержания постоянных концентраций воды и растворенных в ней веществ меняются в зависимости от окружающей среды, и они совершенно различны в морской воде, в пресной воде и на суше. Водных животных, переносящих большие колебания концентраций солей в воде, называют эвригалинными (от греч. эурис — широкий, галос — соль), животных же, обладающих ограниченной толерантностью (терпимостью) к изменениям концентрации солей, — стеногалинными (от греч. стенос—узкий). Когда животное гипертонично по отношению к окружающей среде, оно сталкивается с двумя физиологическими «трудностями»: 1) вода стремится проникнуть внутрь тела из-за более высокой концентрации веществ жидкостей организма; 2) растворенные вещества стремятся выходить наружу, так как их внутренняя концентрация выше. Большую роль в преодолении этих трудностей играют процессы активного транспорта веществ.
Самое большое преимущество жизни на суше состоит в доступности кислорода, наибольшей угрозой для наземной жизни является опасность обезвоживания. Наиболее успешно переход к наземной жизни осуществили членистоногие и позвоночные, они очень хорошо приспособлены к жизни на суше, имеют ряд приспособлений, предотвращающих потерю воды.
Растения тоже обладают рядом защитных приспособлений, оберегающих организм от избыточных концентраций солей, а также активными механизмами поглощения тех ионов, которых мало в питательном субстрате. Корневая система — первый, очень важный барьер на пути солей из почвы в надземную часть растений, здесь задерживается значительная часть избыточных ионов и токсических солей (адсорбционно, хелатирующими метаболитами и т. д.). Однако эти защитные возможности не безграничны: при очень высоком содержании в почве отдельные ионы в избытке поступают и в листья.
По отношению к солям все растения делят на гликофиты (растения пресных мест обитания) и галофиты (растения засоленных местообитаний). Способность растений выносить засоление может быть обусловлена разными причинами:
1) устойчивостью протоплазмы к накоплению солей в больших концентрациях;
2) выделением избыточных солей через поры листьев и стеблей (лох, тамарикс);
3) малой проницаемостью клеток корня для солей.
Особенно острым моментом для растения в поддержании постоянства внутренней среды является водный баланс. Для активного поглощения С02 воздуха при фотосинтезе у растений в процессе эволюции выработалась обширная площадь листовой поверхности. Но через большую поверхность идет непрерывное испарение воды в громадном количестве. Одно растение кукурузы, например, за вегетацию испаряет до 180 кг воды, а 1 га в Южной Америке испаряет в среднем за сутки около 75 т воды. Тем не менее у растений есть механизмы, позволяющие восполнять эти потери и поддерживать водный баланс.
Способность живого организма к поддержанию постоянства «внутренней среды» — одно из самых существенных достижений эволюции, оно резко уменьшило зависимость организма от многих изменений внешней среды.
10.2. Содержание и роль воды в организме, водный обмен.
Вода составляет около 75% биомассы Земли, однако ее содержание в разных видах живых организмов, различных их тканях и органах колеблется в широких границах. Так, биологические жидкости (кровь, лимфа, слюна) содержат 88—99% воды, в то время как в костной ткани животных, древесине растений ее значительно меньше — 20—45%, в зерне злаковых (воздушно-сухое состояние) — 12—14%. Своеобразными рекордсменами по содержанию воды являются медузы — до 99,8%. У бактерий на воду приходится 75—85% массы клетки, у спор — 40% и меньше. Чем моложе организм или орган, тем выше в нем содержание воды. Например, у 4-месячных эмбрионов человека воды содержится 94%, у новорожденных — 74%, у взрослого человека — около 67%. В молодых листьях травянистых растений количество воды колеблется в пределах 85—90%, а в старых — 70—80%.
Большую часть воды в организме (у человека до 2/3) составляет внутриклеточная вода; меньшую часть (у человека около 73) — внеклеточная вода, которая разделена на субкомпартменты: интерстициальная (межклеточная), вода плазмы крови, лимфы, цереброспинальная, синовиальная и др. Распределение воды в теле человека неравномерно, наименьшее количество ее содержат кости (45%) и жировая ткань, наибольшее — кровь (92%), моча (83%), слюна (99%), пот (97%).
Высокомолекулярные соединения тоже гидратируются, если содержат полярные, ионогенные группировки (карбоксильные, альдегидные, спиртовые, аминогруппы и др.). При этом гидратная оболочка может быть не сплошной, а только вокруг полярных групп. Степень гидратации различных ионов и молекул не одинакова, зависит от размеров частиц и величины их заряда. Чем выше удельная плотность заряда (больше заряд и меньше размеры), тем сильнее гидратация.
Молекулы воды располагаются при гидратации тремя слоями:
1) непосредственно около иона, строго упорядочены и ориентированы сильным электрополем;
2) слой воды на некотором отдалении от иона, ориентированность молекул воды меньшая;
3) далеко отстоящие от иона молекулы воды с обычной структурой.
Велика и многообразна роль воды в жизни любого организма. Прежде всего она заключается в том, что вода является основной средой протекания жизненных процессов. В этом отношении очень важны уникальные свойства воды как растворителя.
Являясь основой внутренней среды в клетках и участвуя непосредственно в формировании клеточных структур, вода в значительной мере определяет их активность. Так, от степени набухания митохондрий зависит интенсивность протекающих в них процессов окислительного фосфорилирования, от насыщения водой рибосом — активность биосинтеза белка. Обезвоживание листьев растений снижает интенсивность фотосинтеза вследствие неблагоприятных конформационных изменений ферментов хлоропластов, участвующих в темновой фазе фотосинтеза (другая причина — закрывание устьиц). Только при определенной степени оводненности белки и нуклеиновые кислоты полностью проявляют свою биологическую активность.
Вода участвует в ряде биохимических реакций, прежде всего — в гидролитических. Важную роль она играет в процессах теплорегуляции, ее испарение через поверхность тела животных и растений снижает температуру, предотвращает перегрев. Вода характеризуется очень высокой теплотой парообразования и теплоемкостью, это обеспечивает надежную стабилизацию температуры организма. Вода определяет легкость протекания обменных процессов между организмом и средой: например, увлажненность стенок клеток корневых волосков способствует растворению и поглощению питательных солей корнями. Малая вязкость воды обеспечивает высокую скорость движения по кровеносным и лимфатическим сосудам, по флоэме и ксилеме растений. Большое значение воды в процессах жизнедеятельности объясняет, почему животные переносят отсутствие воды хуже, чем отсутствие пищи. Например, голуби без пищи погибают через 2 недели, а без воды — через 5 дней, мыши без воды погибают в 10 раз быстрее, чем без пищи.
В обычных условиях взрослый человек теряет в сутки 1500 мл воды, 600 мл удаляется через кожу в виде пота, 500 мл — с мочой, 400 мл — с выдыхаемым воздухом. Основная масса воды потребляется с пищей. Так как при полном окислении белков, жиров и углеводов в количествах, обеспечивающих выделение энергии, равное 8400 кДж/сут, образуется 350 мл воды, то потребление воды должно составлять 1150 мл. Вода, образующаяся при обмене белков, жиров и углеводов, получила название эндогенной воды.
Очень энергично обмен воды осуществляется в растениях: в жаркий день через лист проходит количество воды, в два раза превышающее его массу. Предел потери воды, при котором нет еще видимых резких нарушений жизненных процессов, зависит от вида организма. Так, мышечная ткань лягушки может терять воду с 80 до 20% без существенных отрицательных явлений. Тело же человека может перенести снижение содержания воды не более чем на 10%. Растения тоже очень чувствительны к потере воды; только в семенах и спорах жизнь сохраняется при очень низком содержании воды (около 10%).
Проникновение воды в клетку и обратно осуществляется через поры клеточных мембран. Механизм этого процесса исследован недостаточно. Существует ряд точек зрения на этот процесс. По мнению одних ученых, перенос воды осуществляется за счет свободной диффузии, другие — придают решающее значение осмотическим явлениям, третьи — считают этот процесс активным, что обусловлено взаимодействием дипольных молекул с полярными веществами мембран.
В регуляции обмена воды у человека и животных первостепенное значение имеют импульсы, возникающие в коре головного мозга. Поступление воды в организм регулируется чувством жажды, она возникает в результате рефлекторного возбуждения соответствующих участков коры головного мозга при первых признаках изменения осмотического давления плазмы крови.
Гормоны гипофиза оказывают существенное влияние на баланс воды. Диуретический гормон передней доли гипофиза обеспечивает выведение воды, а его антагонист вазопрессин (гормон задней доли гипофиза) удерживает воду, обеспечивая обратное всасывание ее в почечных канальцах. Катионы Na удерживают воду в клетках и тканях, К и Са способствуют ее выведению. Всасывание воды начинается в желудке, однако основная масса ее всасывается в кишечнике. Ряд тканей и органов при избыточном поступлении воды могут служить ее депо. У человека и животных это кожа и печень, у растений — межклеточное пространство. Уровень испарения воды у растений регулируется в основном устьичным аппаратом.
10.3. Минеральные вещества.
Образующаяся после сжигания живого организма зола составляет у позвоночных животных 3—5% от массы всего тела, у растений меньшее количество — 0,5—3%, еще меньше у микроорганизмов— 0,4—2%. Отдельные ткани и органы существенно отличаются по содержанию зольных элементов. Так, в костной ткани позвоночных животных их количество составляет около 17%, в сухой обезжиренной ткани зубов — до 55, а в мышцах и плазме крови — менее 1 % на сырую массу. У растений минеральных веществ много в листьях—10—15% на сухую массу, существенно меньше в корнях и семенах — 3—5%, особенно мало в древесине — 1 %. Для бактерий характерны очень большие колебания в содержании зольных элементов в зависимости от условий выращивания. Так, у Vibrio cholerae границы колебаний составляют от 6 до 26% на сухую массу, в то время как при стандартной питательной среде и обычных других условиях — 3—10%.
Минеральные элементы присутствуют в живом организме в различных формах: 1) в прочном соединении с органическими веществами (S в составе белков, Р — в нуклеиновых кислотах, Fe — в гемоглобине, Zn и Сu — в молекулах ряда ферментов); 2) в форме нерастворимых отложений (Са и Р в костях); 3) в растворенном состоянии в тканевых жидкостях, цитозоле (катионы К+, Na+, Mg2+, Са2+ анионы CI-, S042-, РО4-3 ).
Велико и многосторонне значение неорганических солей в жизни любого организма. Они создают определенное осмотическое давление в отдельных тканях, органах, жидкостях, которое является важным физиологическим фактором, влияющим на распределение воды и растворенных веществ по отдельным тканям. Особенно чувствительны к изменениям осмотического давления высшие животные, у них в процессе эволюции выработались приспособления, обеспечивающие постоянство осмотического давления плазмы крови, лимфы, внеклеточной жидкости.
Значение ряда минеральных элементов связано с их присутствием в составе некоторых биологически важных соединений: Mg — в молекуле хлорофилла, Fe — в гемоглобине, S — в белках, Р — в нуклеиновых кислотах и ряде белков, I — в гормоне щитовидной железы. Многие катионы металлов входят в состав отдельных ферментов.
Косвенное действие неорганических ионов на ферменты может осуществляться через изменения: 1) физико-химических свойств цитоплазмы, структуры воды в клетке; 2) структуры и свойств биомембран, поскольку многие ферменты являются мембраносвязанными; 3) содержания субстратов отдельных ферментов; 4) активности биосинтеза ферментативных белков.
К микроэлементам относятся: В, Mn, Zn, Сu, Mo, Со, Ni, Li, Se, I, CI, Br, As и некоторые другие элементы. Компонентами молекул ряда ферментов являются Си, Zn, Mo. Mn активирует ферменты ЦТК, некоторые ферменты азотного обмена, а также ферменты биосинтеза ауксина — важнейшего фитогормона, способствует образованию витамина С у растений. I входит в состав гормонов щитовидной железы — тироксина и трииодтиронина, Со — в молекулу витамина B12. В2 принимает участие в биосинтезе гормонов гипофиза
Выделение не использованных организмом солей происходит с мочой, калом, потом. При работе в горячих цехах, во время продолжительных маршей, при активных, занятиях спортом и т. д. происходит обильное потоотделение, которое может вызвать заметное «обессоливание». В этих случаях рекомендуют питье с небольшими добавками NaCl. При недостаточном поступлении в организм минеральных элементов возникают тяжелые заболевания. Снижение йода в питьевой воде приводит к развитию эндемического зоба. Недостаток Сu и Со вызывает анемию (малокровие) различного характера. Минеральный обмен тесно связан с обменом гормонов. Так, в контроле обмена Са участвуют паращитовидные железы, гормоны коры надпочечников регулируют содержание Na и К. Солевой обмен тесно связан с водным обменом. При тяжелых патологических процессах, связанных с обезвоживанием, наблюдается и обессоливание, в частности обесхлоривание.
У бактерий постоянными элементами золы являются: Р, К, Na, Mg, Са, Fe, S, С1. Соли этих элементов входят, как правило, в состав питательных сред для бактерий в ощутимых количествах — 0,1—1%. Особенно богаты микробные клетки фосфором (10—45% Р205 от всей золы, а у Mycobacterium tuberculosis — 75%). Сu, Si, Zn, Со, Мn присутствуют в очень малых количествах и действуют как микроэлементы.


11. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ХРАНЕНИИ И ПЕРЕРАБОТКЕ
ПРОДОВОЛЬСТВЕННОГО СЫРЬЯ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

11.1.Биохимические процессы при хранении и переработке зерна и зернопродуктов
Зерно, как всякий живой организм, дышит, что имеет важное значение при его хранении. В зависимости от условий хранения в нем могут осуществляться два вида дыхания: аэробное и анаэробное (брожение). При достатке воздуха дыхание будет аэробным, а в условиях хранения без доступа воздуха будет иметь место брожение.
При аэробном дыхании расходуются сахар и кислород, а образуются углекислый газ и вода с выделением значительных количеств тепла.
При анаэробном дыхании также выделяется тепло, но в значительно меньших количествах и образуются те или иные продукты брожения.
Интенсивное дыхание зерна приводит к ряду нежелательных последствий. В частности, уменьшается сухая масса зерна, изменяется состав воздуха в межзерновом пространстве (кислорода становится меньше, углекислого газа – больше), накапливаются водяные пары, что приводит к увлажнению зерна, выделяется и накапливается тепло, что приводит к самосогреванию зерновой массы.
Интенсивность дыхания зависит от температуры и влажности зерна.Чем выше влажность зерна. тем оно интенсивнее дышит. При этом следует иметь в виду, что дыхание зерна усиливается, начиная с определенной величины влажности его.
Интенсивность дыхания нормального зерна слабее, чем морозобойного. Вследствие этого зерно морозобойное и с иными повреждениями хранить труднее, чем нормальное.
Интенсивность дыхания зависит также и от физиологического состояния, в частности о послеуборочного дозревания. Зерно, не прошедшее послеуборочное дозревание, дышит интенсивнее, чем то, которое прошло.
Усиленное дыхание зерна наряду с развитим микроорганизмов в зерновой массе является причиной его самосогревания, что приводит к потере семенных,мукомольных и хлебопекарных свойств зерна.
При хранении зерна в элеваторах и на складах часто наблюдается так называемое гнездовое самосогревание, ограниченное каким-либо участком зерновой массы. Чаще всего оно возникает вследствие перепадов температуры в зерновой массе.
Таким образом, важнейшее условие сохранности зерна – его низкая влажность, поэтому сушка зерновых масс представляет собой важнейшее мероприятие, позволяющее сохранить качество зерна при хранении. При сушке с соблюдением всех установленных требований не только не ухудшается, но даже может быть достигнуто его улучшение, что является следствием благоприятных изменений физико-химических и биохимических свойств зерна. Однако сильные воздействия тепла приводят к глубокой денатурации белков и резкому ослаблению ферментативной активности, что и приводит к ухудшению хлебопекарных качеств.
При сушке больших масс зерна продовольственного назначения и несоблюдении установленных режимов отдельные партии зерна в результате перегрева дают муку с очень низкими хлебопекарными достоинствами. Такая мука либо вовсе не дает клейковины,либо дает ее очень мало, причем клейковина сильно крошится и не эластична. Такая мука может быть использована только в смеси с мукой хорошего качества.
Биохимические процессы имеют также место и при хранении и переработке крупы и муки. И мука, и крупа являются продуктами, легко доступными воздействию микроорганизмов, влаги и кислорода. В отличие от зерна, являющегося живым и способным сопротивляться различным неблагоприятным факторам, мука и крупа – неживые продукты. Поэтому они и подвергаются порче интенсивнее,чем живой организм зерна.
Биохимические процессы при хранении муки и крупы в первую очередь проявляются в изменении липидов, главным образом жиров.
В муке при хранении интенсивно идет гидролиз жира при каталитическом действии фермента липазы.
На изменения биохимического характера, происходящие при хранении муки и крупы существенное влияние оказывает качество исходного сырья, т.е. зерна. Чем хуже качество зерна, тем оно больше подвергается неблагоприятным воздействиям, тем хуже оно хранится и тем быстрее при хранении портится мука из такого зерна.
При хранении пшеничной муки происходит заметное изменение свойств клейковины и хлебопекарных достоинств. Пшеничная мука первого и высшего сортов в течение первых 2-4 недель после размола улучшает свои хлебопекарные качества, причем качество клейковины также улучшается. Она становится более упругой и эластичной, менее растяжимой, вследствие чего улучшаются хлебопекарные качества: объем хлеба повышается, и он получается более пышным. Этот процесс улучшения хлебопекарных свойств при хранении пшеничной муки носит название созревания муки.
Улучшение качества клейковины и хлебопекарных достоинств пшеничной муки при созревании объясняется тем, что сразу после размола зерна в муке начинается биохимический гидролиз жира. Образующиеся при этом свободные ненасыщенные жирные кислоты оказывают сильное воздействие на белки клейковины, укрепляя ее, вследствие чего она становится более упругой и эластичной.
При длительном хранении муки (более 9 месяцев) начинается процесс прогоркания муки. Крупа также легко подвергается прогорканию. И в том, и в другом случаях это связано с изменениями жиров. Причем скорость процесса зависит от ряда факторов, в том числе от доступа кислорода, температуры хранения, качества исходного зерна. Чем больше доступ кислорода и выше температура, тем быстрее прогоркание. Считается, что прогоркание – процесс окислительный. Под влиянием кислорода воздуха происходит окисление ненасыщенных жирных кислот, при этом образуются перекиси и гидроперекиси, которые в свою очередь легко окисляют различные вещества состава муки и крупы. В итоге образуются так называемые вторичные продукты окисления жиров – альдегиды и кетоны , обладающие горьким вкусом и неприятным запахом.
Прогоркание муки и крупы может происходить как биохимическим путем при участии фермента липоксигеназы, так и чисто химическим путем. Отметим также, что в окислении жиров и прогоркании муки и крупы косвенно участвует и гидролитический фермент липаза, которая расщепляет жиры с образованием свободных жирных кислот, легче окисляемых, чем связанные жирные кислоты.
Специалист по хранению зерновых продуктов должен знать,каким образом замедлить процесс прогоркания муки и крупы. Для этого необходимо предпринять следующие шаги:
Исключить доступ воздуха (кислорода) к муке и крупе
Понизить температуру хранящейся крупы или муки
Задержать процесс прогоркания путем разрушения ферментов, так или иначе вызывающих прогоркание путем кратковременного пропаривания зерна, являющегося сырьем. Понятно,что последнее следует провести на предприятиях-изготовителях.
Как это сделать, решается для каждого конкретного случая путем переговоров между производителями и оптовыми покупателями крупы или муки.
От биохимических процессов, происходящих во время приготовления хлеба, зависит и качество хлеба. Оно также зависит от биохимических свойств и состава хлебопекарной муки. Основоположник отечественной биохимической школы А.Н. Бах писал, что «в условиях автоматизированного хлебопеченияогромную роль представляет знание биохимических процессов, происходящих при тестоведении, расстойке теста и выпечке, и сейчас с полной определенностью можно сказать, что без этих знаний невозможно рационально управлять производством».
Хлебопекарные качества пшеничной муки определяются газообразующей способностью муки и теста, а также его газоудерживающей способностью.
Газообразующая способность – это способность данной муки, данного теста образовывать определенное количество углекислого газа, разрыхляющего тесто и придающего пористость мякишу хлеба. При надлежащем качестве дрожжей газообразующая способность зависит от количества сахара в муке и тесте, от активности ферментов, расщепляющих крахмал до мальтозы и глюкозы.
Ржаное тесто готовится на закваске или на жидких дрожжах. В таком тесте наряду со спиртовым происходит и молочнокислое брожение В таком тесте наряду с этиловым спиртом и углекислым газом накапливаются также и молочная и уксусная кислоты.
Газоудерживающая способность теста зависит рпежде всего от количества и качества белков клейковины. В пшеничном тесте они образуют тот растяжимый, эластичный каркас, в котором накапливаются пузырьки углекислого газа, поднимающие тесто.
Этот белковый каркас во время брожения теста постепенно расширяется. Когда тесто ставят в печь,то под влиянием высокой температуры происходит коагуляция белков и образуется белковый каркас готового хлеба. Достигнутый в результате брожения теста объем как бы фиксируется, закрепляется. Газоудерживающая способность ржаного теста также зависит от количества и физических свойств белка.
При определении качества хлеба важное значение имеют его вкус и аромат. Аромат хлеба зависит от очень сложного комплекма различных веществ, образующихся при брожении теста и в ходе выпечки хлеба. Этот комплекс, включает в себя различные спирты, кетоны, альдегиды, органические кислоты и сложные эфиры. Особенно значительна роль карбонильных соединений, в первую очередь фурфурола и оксиметилфурфурола.
Фурфурол имеет запах яблок и образуется в ходе выпечки из пентоз; оксиметилфурфурол – из гексоз. Он обладает приятным запахом меда. Большое значение имеют также и другие альдегиды, в частности изовалериановый с типричным запахом корки ржаного хлеба. Подобные альдегиды образуются в результате реакции меланоидинообразования между восстанавливающими сахарами, с одной стороны, и амносодержащими соединениями, с другой.
Хлебопекарные свойства пшеничной муки зависят также от ее выхода, т.е. от содержания отрубей, и содержания в ней белков. При возрастании выхода при прочих равных условиях, хлебопекарные качества снижаются. Высокое содержание белка улучшает хлебопекарные достоинства муки пшеничной, однако до определенного предела. При содержании белка более 17% его хлебопекарные качества снижаются. Пшеничная мука, являющаяся высококачественным сырьем для макаронного производства, может иметь невысокие хлебопекарные достоинства.
Хлебопекарные качества муки в существенной мере зависят от физико-химических свойств содержащегося в муке крахмала и скорости его расщепления амилазами.
Хлебопекам приходится иметь дело и с морозобойным зерном.Основными недостатками муки из такого зерна являются повышенная активность альфа-амилазы и низкое качество клейковины. Клейковина морозобойного зерна крошится, она неэластична и нерастяжима, из-за чего не образуется белковый каркас, способный хорошо удерживать пузырьки углекислого газа. Хлеб получается плохого качества с привкусом солода, с заминающимся мякишем.
11.2 Биохимические процессы при хранении и переработке масличных семян в производстве растительных масел
При хранении и переработке масличных семян в производстве растительных масел наиболее важными с точки зрения их влияния на качество получаемых продуктов являются гидролитические и окислительно-восстановительные ферменты.
Гидролиз триацилглицеролов происходит под действием липаз Так как триацилглицеролы нерастворимы в воде,липазы действуют на границе раздела фаз: вода-липиды. и являются липопротеинами с гидрофильно-гидрофобными группами.
Полный гидролиз триацилглицеролов катализируется тремя липазами, первая из которых гидролизует 1,3-связи, глицероллипаза. Затем вступает в действие диацилглицероллипаза и ,наконец, моноацилглицероллипаза, катализирующая гидролиз сложноэфирной связи в моноацилглицеролах.
Локализация указанных липаз в органоидах клетки различна. Триацилглицероллипаза локализована в мембране липидных сферосом. Липаза,гидролизующая моноацилглицеролы, локализована в мембранах глиоксисом прорастающих семян.. Установлено, что указанные липазы отличаются не только по характеру субстрата, но и по оптимуму рН и температуре максимальной активности.
Активность и характер действия липаз имеют важное значение в процессе подготовки к хранению и хранения масличных семян. При повышении влажности семян и повышенной температуре их хранения липазы быстро расщепляют триацилглицеролы, что приводит к повышению кислотного числа масла в семенах и ухудшению его качества.
Исследование гидролитических ферментов растительного сырья и поиски путей регулирования их активности становятся все более актуальной задачей с точки зрения сохранения запасных веществ семян и, следовательно, увеличения выхода пищевых продуктов
Потеря масличности семян при неблагоприятных условиях хранения снижает выход масла. Повышенная влажность, наличие недозрелых семян и условия теплоотдачи при их самосогревании способствуют увеличению активности ферментов, гидролизующих запасные вещества семян, в том числе и липиды. В этом случае гидролиз липидов может быть одной из причин снижения выхода масла.
М.М. Рахимов и сотрудники установили, что одним из критических условий при хранении семян с точки зрения активности липазы является избыточная влажность. Семена с влажностью до 12% могут храниться с незначительной активацией липаз. Более высокие значения влажности приводят к заметному увеличению активности липазы
Для большинства изученных сортов хлопчатника активность липазы при хранении в условиях комнатной температуры существенно не менялась. Исключение составляли опушенные сорта с влажностью 8,5 и 10 %, активность липазы которых на девятый месяц хранения повышалась соответственно на 43 и 64% и в конце хранения снизилась до первоначального уровня. При этом, как установили авторы ,повышенная влажность семян приводит при их хранении к снижению масличности.
Семена влажностью 7,5%, хранившиеся при 5 градусах по Цельсию, при комнатной температуре и 37 градусах, через 3 месяца увеличили активность липазы соответственно в 2,1, 1,9 и 1,5 раза, а влажностью 11% при тех же условиях – соответственно в 2,6, 2,8 и 4,3 раза. При доведении влажности до 16% активность при указанных температурах через 3 месяца хранения возрастает соответственно в 4,3 3,7 и 4,5 раза
На активность липазы в семенах хлопчатника влияет и такой показатель, как степень их зрелости. Наивысшая активность – у семян мелких, среди которых большое число незрелых семян. Наименьшая активность – у крупных семян хлопчатника.
Технологические процессы переработки хлопковых семян по-разному влияют на активность липаз. Обрушивание семян снижает каталитическую активность семян хлопчатника ,в результате темперирования активность фермента увеличивается .
.Липазы - однокомпонентные ферменты. По растворимости различают липазу растворимую и нерастворимую в воде. Нерастворимая липаза содержится в семенах клещевины. Оптимум ее рН 3,6. Растворимая липаза содержится в семенах большинства масличных культур. Оптимум ее рН 8.
Большинство исследований в области липаз растений относится к липазам семян. Семена обычно богаты триацилглицеролами, которые служат концентрированным источником энергии для появляющихся проростков. Во время прорастания семени запасы триацилглицеролов исчезают. Поскольку жирные кислоты не могут окисляться с образованием энергии до тех пор, пока находятся в составе триацилглицеролов, то липолитические ферменты, как предполагается, регулируют скорость прорастания. А так как прорастание обычно протекает быстро, то липолитическая активность относительно высокая.
Неактивные липазы семян в процессе дробления семян или хранения обычно активируются. Происходящее при этом накопление свободных жирных кислот может привести к тому, что используемые в промышленности масла станут непригодными или потребуется дополнительная обработка, необходимая для удаления этих кислот.
Наибольшее число работ по липазе растений, в том числе масличных, касается кислой липазы из клещевины обыкновенной.
Липаза из клещевины обыкновенной быстро гидролизует весь свой эндогенный эмульгированный субстрат, т.е. касторовое масло, которое содержит, как известно, большие количества рицинолевой кислоты. Препарат частично очищенной липазы, содержавший около 55% белка и 5% жира, полностью гидролизовал эмульгированные триацилглицеролы при рН 4,2. Аналогично многим другим липазам триацилглицеролы, содержащие только кислоты с короткой цепью, гидролизовались быстрее, чем триацилглицеролы жирных кислот с длинной цепью.
Липаза клещевины гидролизует триацилглицеролы независимо от положения эфирной связи, т.е. не обладает позиционной специфичностью.
Оптимум рН действия липаз значительно меняется в зависимости от физиологического состояния семян: у семян сои в состоянии покоя он равен 5, у прорастающих -7.Это положение верно и для семян конопли, хлопчатника, льна.
Липаза сухих масличных семян устойчива к температуре, влажный фермент быстро инактивируется. На активность влияет также и жирнокислотный состав триацилглицеролов. В частности, липаза клещевины быстрее расщепляет триацилглицеролы, содержащие остатки ненасыщенных жирных кислот, чем насыщенных.
Газовая среда заметно влияет на активность липаз. При понижении содержания кислорода в газовой среде, окружающей семена, до 1-2 % каталитическая активность липаз снижается аналогично снижению в этих условиях активности других семян
Влияние обезжиривания семян на активность фермента зависит от полярности применяемого растворителя, особенно от степени его обезвоживания
Гидролиз фосфолипидов происходит под действием ферментов фосфолипаз. Фосфолипазы в молекуле фосфолипидов гидролизуют три типа связей: сложноэфирные связи остатков жирных кислот,;эфирные связи между диацилглицеролом и замещенной фосфорной кислотой и эфирные связи между фосфорной группой и азотистым основанием.. Эти реакции катализируют различные фосфолипазы. Специфическим субстратом для всех фосфолипаз является фосфатидилхолин.
Фосфолипаза А1 гидролизует сложноэфирную связь между остатком жирной кислоты и глицеролом. Фосфолипаза А2 гидролизует сложноэфирную связь остатка жирной кислоты в другом положении. Фосфолипаза С (фосфатидилхолин-холинфосфогидролаза) гидролизует эфирную связь Между диацилглицеролом и замещенной фосфорной кислотой и относится к гидролазам фосфодиэфиров. В зависимости от замещающей группы, с которой фосфорная кислота образует вторую эфирную связь, фосфолипаза С гидролизует фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилинозитол.
Фосфолипаза Д (фосфатидилхолин-фосфатгидролаза) также гидролизует фосфодиэфиры по эфирной связи между остатком фосфорной кислоты и азотистым основанием. Она действует на большинство фосфолипидов, кроме фосфатидилинозитолов. В растительных клетках фосфолипаза Д локализована в лизосомах. Для масличных семян наиболее велико значение фосфолипазы Д, под действием которой легкогидратируемые фосфолипиды, превращаются в трудногидратируемые фосфатидные кислоты ( точнее сказать, она единственная и присутствует в семенах). Активная фосфолипаза Д обнаружена в семенах хлопчатника и подсолнечника. Максимальная активность фосфолипазы Д в семенах подсолнечника обнаруживается при влажности семян 14-15% и температуре 50 градусов по Цельсию.
Из окислительно-восстановительных ферментов наибольшее значение для масличных семян и жиров имеет липоксигеназа. Липоксигеназа входит в 13 подкласс первого класса по Международной классификации ферментов. В этот подкласс входят ферменты, окисляющие линолевую и линоленовую кислоты с использованием кислорода. Липоксигеназа – это, как известно, тривиальное название фермента. Систематическое название : линолеат-кислород-оксидоредуктаза. В состав фермента в качестве кофактора входит железо. На одну молекулу фермента приходится одна молекула трехвалентного железа в ионной форме. Способ присоединения железа к белку неизвестен, однако известно, что атом железа не входит в состав гема. Фермент окисляет и другие полиненасыщенные кислоты, катализируя реакции окисления полиненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха с образованием перекиси ненасыщенной жирной кислоты. Специфичность этого фермента состоит в том, что действию фермента подвергаются лишь те полиненасыщенные жирные кислоты, которые содержат цис-цис1,4 – пентадиеновую группу
Процесс катализа липоксигеназой окисления линолевой кислоты начинается с отщепления атома водорода у 11 атома углерода. Образовавшийся свободный радикал перемещается к 13 атому углерода, где при дальнейшем взаимодействии с кислородом образуется гидроперекись. Образованию гидроперекиси предшествует перемещение двойной связи в сопряженное положение, что резко повышает реакционную способность жирной кислоты, которая при этом из цис-цис-формы переходит в цис-транс-изомер. К числу жирных кислот,содержащих цис-цис-1,4- пентадиеновую группу, помимо линолевой, относятся линоленовая и арахидоновая кислоты. Жирные кислоты с цис-транс- или транс-транс-конфигурациями двойных связей ферментом не окисляются.
Липоксигеназа широко распространена в растениях. Она содержится в пшенице и других злаках, в семенах масличных и бобовых растений. Соевые бобы относятся к богатейшим источникам этого фермента.
Липоксигеназа выделена в кристаллической форме и является глобулином. Оптимальные значения действия фермента находятся по активной реакции среды в пределах от 6 до 7, температурный оптимум от 20 до 30 градусов по Цельсию.
Образующиеся гидроперекиси жирных кислот имеют высокую окислительную способность благодаря наличию перекисного кислорода и могут далее окислять ненасыщенные жирные кислоты, каротин, витамин А, аминокислоты и аскорбиновую кислоту. Липоксигеназа играет существенную роль в прогоркании жиров и жиросодержащих продуктов. в том числе получаемых из растительного сырья
В растениях ферментативное окисление высших ненасыщенных жирных кислот часто сопряжено с разрушением каротина, что приводит к его потере и обесцвечиванию продукта.
Образование свободных радикалов под действием ферментов приводит к разрушению соединений, определяющих аромат пищевых продуктов. Поэтому при переработке пищевого сырья и выработке из него продуктов важны ингибиторы липоксигеназы, которые взаимодействуют с образующимися свободными радикалами. Эти ингибиторы прекращают процесс окисления, обрывая цепь превращений радикалов. В их числе – токоферолы. Липоксигеназу можно также инактивировать высокими температурами
Липолитические и окислительно-восстановительные ферменты масличных семян изучены рядом исследователей – А.М. Голдовским и сотрудниками, В.В.Ключкиным и сотрудниками, В.Н.Красильниковым , Л.В.Романовой и сотрудниками и др. . Установлено , что в процессе прямой экстракции соевой мятки липоксигеназная активность шрота снижается в четыре раза. Липоксигеназа инактивируется также механическими воздействиями на шрот.
высокая липоксигеназная активность характерна сое и очень низкая - подсолнечнику. А.М.Голдовский и О.Н.Ананьева обнаружили наиболее значительные масштабы каталитического действия фермента липазы в производстве касторового масла и довольно высокую термоустойчивость липазы в производственных условиях. Наивысшей липолитической активностью из исследованных семян обладает клещевина, низшую ступень занимает рапс .Между ними в порядке убывания располагаются в следующем порядке: хлопчатник, горчица, арахис, подсолнечник, соя, лен.
В ходе переработки семян липолитическая активность их снижается вследствие инактивирования липазы в результате ее денатурации при производственных воздействиях. При переработке семян подсолнечника по схеме форпрессование- экстракция инактивирование липазы особенно велико при жарении перед форпрессованием. Последующие операции в сумме дают меньшее инактивирование, причем в ходе самого извлечения масла при форпрессовании и экстракции оно невелико, однако сильно возрастает при удалении растворителя из шрота.
Каталитическое действие сохраняющейся неинактивированной части молекул липазы при переработке семян подсолнечника по схеме форпрессование – экстракция заметно не обнаруживается.
Часть липазы переходит в прессовые и экстракционные масла с той частью перерабатываемого материала, которая вымывается с маслом при извлечении масла. Поэтому рекомендуется быстрая и интенсивная очистка масла от этих частиц.
Относительно локализации липазы в различных анатомических частях семян установлено следующее.
На примере семян подсолнечника, хлопчатника, клещевины и сои показано отсутствие липаз в оболочках семян. Установлено также отсутствие липолитической активности масляной части семян Таким образом, липолитическая активность (фермент липаза) локализована в гелевой части.
З.М.Казанджан и В.В.Ключкин изучали изменения липолитических и окислительно-восстановительных ферментов при влаготепловой обработке сои и рекомендовали инактивировать липазу и липоксигеназу в целях сокращения гидролитической и окислительной порчи масла.
Каталаза инактивируется полностью уже при жарениии перед форпрессованием, тогда как пероксидаза полностью инактивируется при переработке семян подсолнечника только при удалении растворителя, а при переработке семян сои сохраняется и после этой операции.
По содержанию липоксигеназы (липоксигеназной активности) семена сои превосходят не только масличные, но и семена растений вообще.
Если при переработке семян подсолнечника по схеме форпрессование-экстракция липоксигеназная активность в шротах становится очень близкой или равной нулю, то при той же схеме переработки сои шрот сохраняет значительную активность фермента липоксигеназы. Исследование локализации окислительно-восстановительных ферментов показало схожие с липолитическими и протеолитическими ферментами результаты. Все исследуемые энзимы-оксидазы локализованы в гелевой части семени ( бобов), в масляной части их нет, отсутствуют они и в фильтрованных прессовых и экстракционных маслах
При хранении шротов в неблагоприятных условиях могут действовать те ферменты и микроорганизмы, которые остаются неинактивированными или неразрушенными в производстве растительных масел.
Рекомендуется инактивировать липоксигеназу в начале переработки семян сои с учетом их высокой липоксигеназной активности и наличия в триацилглицеролах масла заметного количества остатков легко окисляющейся линоленовой кислоты.
А.М. Голдовский и А.М.Мирзоев изучали протеолитическую активность семян ряда сортов восьми масличных культур: арахиса, горчицы, клещевины, льна, подсолнечника, рапса, сои и хлопчатника (перечислены в порядке алфавита).
Этими авторами оптимум рН протеаз для семян подсолнечника определен равной 5,0, а для сои - 5,2. Сравнение вышеприведенных оптимумов рН для липазы и для протеаз масличных семян показывает, что их значения очень близки.
Каталитическая активность протеаз семян подсолнечника резко возрастает при увеличении температуры от 20 до 30°С и продолжает возрастать при дальнейшем увеличении до 40°С, а при 55° она ниже, чем при 40°С, но выше, чем при 30°С.
Протеолитческие ферменты масличных семян. Локализация протеолитических ферментов в масличном семени аналогична для вышеописанных ферментов.
В общем, для недефектных семян даже теоретически вероятность локализации протеаз в масляной части исключена, так как объект их действия – белки – входит в гелевую часть.
Таким образом, чем больше удельный вес и выше масличность, тем ,при прочих равных условиях, ниже протеолитическая активность масличных семян, вычисленная на единицу их необезжиренной массы.
Наибольшей протеолитической активностью обладают семена подсолнечника, затем следуют семена льна. На приблизительно одинаковом уровне находится протеолитическая активность хлопчатника, горчицы и арахиса. Несколько меньшей активностью обладают семена клещевины и рапса. Особенно низка протеолитическая активность семян сои.
Сортовые особенности семян одной и той же культуры также оказывают некоторое влияние на протеолитическую активность.
При сопоставлении протеолитической активности и содержания белков в исследуемых объектах оказывается, что прямой связи между этими показателями не существует.
По возрастанию протеолитической активности семена разных культур располагаются в следующем порядке: соя, клещевина, рапс, хлопчатник, горчица, арахис, лен, подсолнечник.
М.И.Рязанцева и Е.П.Алешин исследуя влияние условий хранения на качество семян высокомасличного подсолнечника, обнаружили, что уже при влажности 7,5-8% изменяется набор свободных аминокислот - в семенах: уменьшается количество аспарагина и возрастает содержание отдельных аминокислот.
При самосогревании семян одновременно с полным или частичным инактивированием ферментной системы происходит разрушение этих семян. Это происходит, как известно, под действием ферментов тканевых клеток самого семени, с одной стороны, и ферментной системы микрофлоры, с другой.
Определяемый уровень протеолиза при хранении обусловливается совокупностью ферментативных и неферментативных процессов.
При возникновении и возрастании дефектности ядер масличных семян количество небелкового азота увеличивается.
Таким образом, возникновение и возрастание дефектности масличных семян в ходе их хранения при неблагоприятных условиях сопровождается различным уровнем разрушительных процессов. Наблюдаются значительные потери всех основных пищевых веществ семян. Наиболее высокими темпами идут гидролиз олигосахаридов и общие потери растворимых сахаров. Чем выше дефектность, тем белее выражены эти деструктивные процессы.
В условиях интенсивной влаготепловой обработки при переработке семян в производстве растительных масел происходят глубокие биохимические, химические и физико-химические изменения состава перерабатываемого материала. Одной из существенных сторон этих явлений, как известно, являются процессы денатурации белков. Ферментативный аппарат, являющий собой простые или сложные белки, инактивируется вследствие денатурации, однако степень этой инактивации может быть большей или меньшей, что при прочих равных условиях объясняется особенностями данного ферментного белка (или ферментных белков), а в производственных условиях различных предприятий - и особенностями технологической схемы переработки семян той или иной культуры, влаготемпературными и временными режимами, наличием или отсутствием специальных инактиваторов и т.д. Кроме того, отметим, что на степень инактивации того или иного фермента в производстве растительных масел влияет также качество перерабатываемых семян, т.е. исходная ферментативная активность этих семян.
Отметим значение исходной влажности и масличности, а также изменения этих показателей в процессе переработки семян. Тепловая денатурация белков происходит тем быстрее, чем выше влажность материала .
В ходе измельчения ядра на вальцовых станках наблюдается некоторое снижение протеолитической активности. . Уменьшение протеолитической активности продолжается и в последующих операциях. Наиболее велико оно при жарении мятки перед форпрессованием.
Последующие операции в совокупности дают меньшее инактивирование. При форпрессовании на ферментативную активность, помимо действующих при жарении, влияют дополнительные факторы: механические воздействия, приращение температуры вследствие трения, высокое давление. Все они вызывают денатурационные изменения белков и потому снижают активность ферментов.
В процессе кондиционирования перерабатываемого материала влаготепловые воздействия незначительные как по своей величине, так и продолжительности..
Наиболее высок уровень инактивации протеазного комплекса в операциях удаления растворителя из шрота. Протеолитическая активность шротов после удаления остатков растворителя составляет 4-5% от исходной активности ядра.
Активность протеолитических ферментов сои резко снижается в операциях жарения и прессования мезги, а в лепестке достигает уже нуля.
Таким образом, в процессе переработки масличных семян в производстве растительных масел имеет место инактивирование комплекса протеолитических ферментов, главной причиной которого является, по-видимому, денатурация вследствие производственных воздействий.
В.Г. Щербаков отмечает возможность расщепления белков перерабатываемого материала в производстве растительных масел. Он подчеркивает, что при температурах ,близких к 100 градусам и выше начинается разрушение макромолекул белка. Результатом процесса деструкции белков является отщепление функциональных групп с образованием таких продуктов, как аммиак, углекислый газ, и расщепление пептидных связей, сопровождающееся образованием водорастворимых азотистых веществ небелкового характера. В ряде случаев разрушение внутримолекулярных связей в белках происходит при участии ферментных систем, в частности протеолитических ферментов семян, частично сохраняющих свою активность после предшествующих технологических операций.
Многочисленными работами показана более легкая атакуемость денатурированного белка по сравнению с нативным. Это значит, что ,помимо температуры и влажности, расщеплению макромолекул белка перерабатываемого материала способствует и их денатурация.. Явление лучшего расщепления ( атакуемости) денатурированного белка по сравнению с нативным было впервые установлено Мирским и Ансоном на примере переваривания гемоглобина трипсином , причем гемоглобин переваривается этим ферментом только после денатурации и в 100 раз быстрее нативного
Содержание свободных аминокислот – конечных продуктов ферментативного и неферментативного гидролитического расщепления белковых молекул на всех этапах, начиная с операции жарения мятки, снижается, что,по-видимому, является результатом меланоидиновых реакций в условиях,весьма для этого благоприятных: высокая температура, обилие веществ, содержащих аминогруппу и достаточно высокое содержание веществ, имеющих в составе карбонильную группу.
В производстве растительных масел имеются не только все основные условия для интенсивного протекания реакций меланоидинообразования, но и превращения первичных продуктов ( водорастворимых) во вторичные ( нерастворимые) Иначе говоря, может иметь место более высокая скорость вступления свободных аминокислот в сахароаминные реакции по сравнению с их новообразованием вследствие расщепления белков.
11.3 Биохимические процессы при хранении и переработке свежих плодов и овощей.
Систематические исследования по биохимии хранения и переработки плодов и овощей впервые были начаты Ф.В. Церевитиновым.
Овощи и плоды представляют собой разные органы или своеобразные изменения основных органов одно-, дву- и многолетних растений.
В жизни растения все эти органы в виде клубней, корнеплодов, соплодий, завязей, плодов, ягод выполняют строго определенные функции и в связи с этим биохимические процессы в овощах и плодах и после отделения от материнского растения, в сильной степени зависят от той роли, которую они выполняют в вегетирующем организме.
В среднем плоды и овощи содержат 90% волы, 10% сухих веществ, из сухих веществ более 90% приходится на органические вещества.
Химический состав плодов и овощей меняется в зависимости от условий выращивания, созревания и хранения.
Высокое содержание воды является характерной особенностью плодов и овощей. Испарение воды при хранении плодов и овощей приводит к потерям массы при хранении, вызывает ослабление тургора клеток и увядание тканей. Увядание, в свою очередь, усиливает процессы распада органических веществ, расходуя их на дыхание, что нарушает энергетический баланс. В результате устойчивость плодов и овощей к микроорганизмам снижается.
Углеводы в химическом составе плодов и овощей занимают, как правило, наибольший удельный вес,составляя 80 % и более всех сухих веществ. Свои особенности изменения углеводного комплекса имеют клубни картофеля. Если у большинства плодов и овощей при хранении крахмал превращается в сахар, а в овощном горохе,наоборот, сахар превращается в крахмал,то в картофеле происходит и то и другое. Интенсивность этих процессов зависит прежде всего от температуры и в значительной мере от сортовых особенностей картофеля.
При температуре, близкой к нулевой, клубни картофеля приобретают не свойственный им сладкий вкус.
Качество сушеного картофеля и картофельной крупки, а в еще большей мере чипсов, как правило, тем выше, чем меньше сахаров в исходном сырье.
Исходное содержание сахаров в сырье определяет не столько качество свежеприготовленного продукта, сколько его устойчивость при хранении. Вследствие протекающих в продукте реакций меланоидинообразования он не только темнеет, но и ухудшает свои потребительские свойства. Поэтому для переработки отбирают сырье с самым низким содержанием сахаров. Сладкий вкус в картофеле ощущается при концентрации сахаров более 7-8 % в сухом веществе.
С содержанием сахаров увязывают и такой важный признак, как запах вареного картофеля.
Разные сорта картофеля отличаются по содержанию сахаров и интенсивности их накопления в ходе хранения. Сортовые различия особенно проявляются при хранении картофеля в условиях низкой температуры, способствующей быстрому накоплению сахаров в клубнях. По данным Л.В. Метлицкого, при пятимесячном хранении картофеля при одном градусе тепла уровень сахаров в клубнях сорта Передовик возрос в 12 раз, а сорта Берлихинген – в 4 раза. При снижении температуры с 20 до 0 градусов скорость реакции превращения крахмала в сахара снижается на одну треть, сахаров в крахмал – в 20 раз, расход сахара на дыхание – в 3 раза. Как видно, наиболее существенно снижение скорости превращения (ресинтеза крахмала) сахаров в крахмал. Именно этим объясняется накопление сахаров в каротофеле при низких температурах.
Полностью избежать накопления в клубнях сахаров возможно лишь при 10 градусах тепла. Но при столь высокой температуре возможные сроки хранения сильно сокращаются из-за возрастания всех видов потерь.
Для обеспечения более или менее согласованного прохождения в клубнях основных звеньев углеводного обмена и предупреждения заметных потерь картофель хранят при температуре 4 градусов выше нуля. При этой температуре, если и происходит незначительное накопление сахаров, то от них легко освободиться путем кратковременного выдерживания клубней в тепле (15-20 град.). При 4 град. тепла хорошо сохраняются не только кулинарные и технологические особенности картофеля, но и его семенные свойства. Но следует отметить, что 4 градуса – это достаточно высокая температура и картофель может подвергаться инфекционным заболеваниям. Отметим, что в некоторых странах температура хранения картофеля достигает 5-7 градусов выше нуля.
Существенное влияние на качество плодов и овощей при хранении и переработке оказывают фенольные соединения. Терпкий вкус зеленых плодов связан с высоким содержанием полифенолов. Плоды хурмы по вкусу обычно делятся на вяжущие, нетерпкие и варьирующие. Терпкий же вкус часто зависит не от суммарного содержания в них фенольных соединений, а от количества свободных фенолов. При созревании плодов общее содержание полифенолов в них уменьшается, но интенсивнее снижается количество свободных фенолов.
Во время хранения хурмы происходит размягчение их мякоти, переход свободных дубильных веществ в связанные и исчезновение терпкого вкуса.
Фенольным соединениям принадлежит важная роль в процессах устойчивости к патогенным микроорганизмам, а также в явлениях покоя и перехода к активному росту.
Характер превращений фенольных соединений в плодах и овощах во многом определяет качество продуктов их переработки.
Как известно, полифенолы в основном локализованы в вакуолях клетки, отделенных от цитоплазмы тонопластом. В целой, неповрежденной клетке через тонопласт в цитьоплазму поступает ограниченное количество полифенолов, часть из которых окисляется полифенолоксидазой до конечных продуктов, а часть промежуточных продуктов окисления вновь восстанавливается до исходных соединений. При разрушении тканей наступает разрыв тонопласта. Полифенолы в цитоплазме подвергаются необратимому ферментативному окислению, образуя темные коричневые и красные аморфные вещества, называемые флобафенами.
При переработке плодов и овощей основным средством защиты от потемнения разрезанной ткани является инактивация окислительных ферментов. В этих целях используют краткосрочную обработку высокими температурами, а также сернистым ангидридом ( сульфитация) , блокирующим активную группу полифенолоксидазы.
Важнейшим физиолого-биохимическим процессом при хранении плодов и овощей является дыхание. Дыхание плодов и дыхание овощей в ходе хранения существенно различаются. В отличие от плодов, дыхание которых в конце хранения ниже, чем при сборе, дыхание овощей возрастает.Это связывают с окончанием периода покоя и переходом к генеративной стадии развития.
Покровные ткани плодов и овощей, как правило, характеризуются более интенсивным дыханием, чем мякоть. Более высокая интенсивность дыхания покровных тканей хорошо коррелирует с высокой активностью в них окислительных ферментов и лучшей обеспеченностью кислородом.
Выделяемое при хранении плодов и овощей тепло способствует повышению температуры в массе хранящейся продукции и возможности ее самосогревания.
Важное значение для практики хранения картофеля и овощей имеет биохимия покоя. Свежеубранные клубни картофеля и некоторые овощи не прорастают даже при оптимальных для роста условиях внешней среды. Но как только период покоя завершается, прорастание можно остановить или задержать насильственно. Способность пребывать в состоянии покоя выработалась у растений в процессе эволюции как важное приспособление к неблагоприятным для роста условиям. Организмы переходят в состояние глубокого гипобиоза, а в некоторых случаях ( семена растений) – и анабиоза.
Считается, что состояние покоя обусловлено отсутствием или малым содержанием в меристематических тканях определенных физиологически активных соединений, без которых содержащиеся в растениях пластические вещества не могут быть использованы на построение новых органов, или же присутствием веществ, препятствующих ростовым процессам. Возможно, имеют место и то, и другое.
11.4. Биохимические процессы в производстве чая.
В основе чайного производства лежат биохимические процессы, связанные с деятельностью окислительно-восстановительных ферментов. В неповрежденных тканях чайного листа окислительно-восстановительные процессы уравновешены. Под действием окислительных ферментов катехины листа окисляются в соответствующие хиноны, однако они тут же восстанавливаются за счет многочисленных легкоокисляемых веществ чайного листа. Именно по этой причине не происходит накопления окрашенных продуктов окисления катехинов.
По мере разрушения клеток чайного листа при процессе, называемом скручиванием, окислительные процессы начинают доминировать над восстановительными. Хиноны, являющиеся первичными продуктами окисления катехинов, вызывают окисление различных легкоокисляемых веществ чайного листа и постепенно уплотняются , образуя красные и коричневые пигменты, обусловливающие цвет чайного настоя.
В зависимости от того, в какой мере используются биохимические окислительные процессы из одного и того же чайного сырья получают готовый чай различных типов и качества. Если при переработке свежего чайного листа создают условия для ого развития окислительных процессов, подвергая чайный лист завяливанию, скручиванию, ферментации и сушке, то получают черный чай.
Если же окислительные процессы прекращают в самом начале переработки использованием высоких темеператур,то получается зеленый чай. Красный и желтый чаи получают путем «дозирования» окислительных процессов в интервале между зеленым и черным чаем.
Качество чая зависит, в первую очередь. От качества сырья и технологии производства. А качество сырья зависит от многих факторов. В числе важнейших факторов находятся биологический, географический и агротехнический.
Качество готового продукта окончательно формируется в процессе производства чая путем биохимических превращений состава чайного листа, осуществляемых специальными технологическими приемами.
11.5. Биохимические процессы при хранении вин.
Помутнения вин могут иметь биологическую, биохимическую и физико-химическую природу.
Биологические помутнения обусловливаются развитием в вине микроорганизмов – дрожжей, дрожжеподобных грибков.
К биохимическим помутнениям относятся помутнения ферментативного характера, связанные с присутствием в соке виноградаи в вине окислительных ферментов. При биохимическом помутнении окислительные ферменты действуют на фенольные соединения при доступе кислорода воздуха. При это изменяется внешний вид (побурение), вкус, букет вина и появляется осадок темно-коричневого, темно-бурого или шоколадного цвета. Склонность к побурению наблюдается в винах, полученных из пораженного гнилью или заплесневевшего винограда и винограда, подверженного действию Botrytis cinerea. Причиной является присутствие в таком винограде окислительных ферментов.
Для предупреждения биохимических помутнений склонные к ним вина подвергаются сульфитации повышенными дозами сернистого ангидрида или пастеризуются. Присутствие в винах сернистого ангидрира инактивирует окислительные ферменты, а пастеризация вызывает их разрушение.

11.6. Биохимические процессы при хранении и переработке табака.
Переработка табака, наряду с чайным производством, также носит биохимический характер.Технология послеуборочной обработки табачного листа включает такие операции, как сушка и ферментация. Подготовка табачного сырья для изготовления курительных изделий состоит из следующих операций: зеленый табачный лист – томление, собственно сушка – доферментационное хранение – ферментация – послеферментационное хранение. Важнейшим процессом в переработке табака является его сушка. А главным и первым этапом сушки является томление. В этот период литья еще живые и имеют место физиологические процессы, включающие гидролиз крахмала, белков и хлорофилла.
Во время сушки листовая ткань теряет воду, в том числе из-за ее использования в гидролизе сложных органических соединений табачного листа. Для обеспечения необходимых биохимических процессов и активности ферментов следует сохранить содержание воды на должном уровне.
Дыхание листьев при сушке определяет собой весь ход превращения веществ. Пожелтени листьев в процессе сушки табака представляет собою грань, разделяющую две смежных, качественно различных фазы этого процесса. При томлении ( первая фаза) реакции совершаются в живой ткани листа, а во второй фазе ( фиксация) они не связаны с жизнедеятельностью и считаются автолитическими.
Покраснение и побурение листьев табака обусловливаются окислительными процессами, которые существенно отличаются в живых и убитых клетках.
Окраска табака – важнейший признак качества табака – зависит от правильного течения процесса сушки во второй фазе, после пожелтения листьев. Основными внешними факторами при сушке являются относительная влажность и температура воздуха.
Табачный лист после сушки содержит наряду с субстратами, годными к превращениям, также и активные ферменты.
За время сушки табачные листья претерпевают значительные изменения в своем составе. Они происходят при участии ферментов табачного листа и продолжаются после высушивания в процессе автолиза. В конце сушки активность ферментов полностью сохраняется.
Ферментация представляет собой возобновление процесса автолиза при повышенной температуре и относительной влажности воздуха.
Наиболее характерным показателем процессов при сушке табака является интенсивный распад белков и накопление растворимых азотистых соединений. Исчезновение крахмала и распад белка в процессе сушки табака являются основными признаками полноты проводимой сушки. Продукты распада белка претерпевают дальнейшие превращения с образованием аммиака и амидов. В дальнейшем идет более глубокий распад с образованием безазотистых продуктов с укороченной углеродной цепочкой и аммиака. Эти изменения в составе азотистых соединений служат исходной базой для улучшения качества табака. Содержание никотина также уменьшается вследствие его окисления под действием специфического фермента.
Аромат табака, в частности, зависит от карбонильных соединений, содержание которых в листьях при их уборке незначительно, но оно возрастает в течение сушки.
Существенное влияние на качество табачных изделий оказывают продукты конденсации аминокислот с сахарами. В частности, некоторые из них дают приятный запах при горении.
В табачном листе при сушке проходят и многие другие процессы ( биохимические и химические), влияющие на качество изделий.
Процессы, происходящие при сушке табака, обрываются в момент высушивания листьев. Они вновь возникают при ферментации, когда улучшается внешний вид сырья, появляется аромат, снижается влагоемкость,повышается эластичность, изменяется химический состав и стойкость к поражению микроорганизмами.
При ферментации сильно снижается содержание растворимых углеводов, причем у сигарных табаков и у махорки они вообще исчезают.
Содержание углеводов в табаке особенно важно, поскольку углеводы являются основным материалом, из которого образауются вещества, непосредственно повышающие качество курительных изделий.
При ферментации табака имеет место пожелтение вследствие окисления свободных полифенолов с образованием окрашенных продуктов из хромогенов.
Ферментация вызывает также существенные изменения в комплексе пектиновых веществ. Изменения пектиновых веществ при ферментации обусловливаются омылением их сложноэфирной связи, сопровождающимся потерей метилового спирта. Вследствие этого коллоидные свойства табака понижаются, что сказываются на снижении его влагоемкости и, как следствие, на выделении части содержащейся влаги.
За время ферментации в отличие от сушки белковые азотистые вещества существенных изменений не претерпевают и заметных уменьшений количества белка не наблюдается.
Однако значительные изменения происходят в растворимой части азотистых веществ. В частности. Снижается содержание аминного,никотинового и амидного азота, в значительной степени накапоивается аммиак, в меньшей- азотистые основания.
Различия в составе азотистых соединений табака после томления, существующие до ферментации, не исчезают и за время ферментации.
При ферментации желтых табаков меняется состав органических кислот. Кислоты ароматического ряда играют важную роль в создании вкусовых качеств курительных изделий. Благодаря их полифенольным группировкам меняется окраска табака при окислении с участием соответствующих ферментов.
Специфический запах табака формируется при ферментации.Наиболее ценные табаки ферментируют при невысоких ( 38-40 градусов) температурах. В противном случае ароматические свойства табака ухудшаются.
В процессе ферментации снижается активность ферментов, которые расщепляют никотин.
Гидролазы в ходе ферментации сохраняют свою активность в большей степени, чем каталаза и пероксидаза.
При ферментации табака многие реакции сопровождаются тратой сухого вещества и воды в различных количествах, что зависит от температуры и влажности окружающего воздуха, а также от особенностей самого табака.
Таким образом, и сушка, и ферментация, являющиеся важнейшими этапами первичной обработки табачного листа, являются в значительной части своей биохимическими процессами. Эти процессы играют ключевую роль в формировании качества курительных изделий.
11.7. Биохимические процессы при хранении и переработке мяса убойных животных
В послеубойный период, т.е. в первые дни хранения мяса после убоя в охлажденном состоянии, в нем происходят биохимические процессы, связанные с изменением белковых веществ, обусловливающих изменение нежности, сочности и влагосвязывающей способности мяса. Изменяются также экстрактивные вещества, которые при кулинарной обработке формируют вкус и аромат изделий.
Изменения мяса после убоя животного и в ходе последующего хранения вызываются действием тканевых ферментов.
Физические, физико-химические, микроструктурные и органолептические изменения, происходящие в тканях мяса после убоя животного, условно подразделяют на фазы послеубойного окоченения, созревания и глубокого автолиза.
Мышцы парного мяса мягкие, гибкие, расслаблены, характеризуются высокой влагопоглотительной и влагоудерживающей способностью. Всё это обусловливает нежную консистенцию мяса после тепловой обработки, хотя аромат и вкус относительно слабо выражены. Парное мясо имеет нейтральную или очень слабокислую реакцию. Белки миозин и актин не связаны друг с другом, развариваемость коллагена внутримышечной соединительной ткани очень высокая. На долю прочносвязанной воды приходится до 90 % от ее общего количества в мясе. Потери массы при варке в среднем сотавляют 41 %.
Через 2-3 часа после убоя животного начинается послеубойное окоченение. Впервые 2-3 часа после убоя мясо называется парным.
Окоченение начинается с мышц шеи. Мышцы приобретают максимальную упругость, жесткость их увеличивается. Почти в 2 раза увеличивается сопротивление резанию. Окоченение связано с изменением белков мышц. Для начала окоченения и его продолжительности имеют значение состояние животного перед убоем, скорость охлаждения мяса и температура его хранения, вид животного и его упитанность.
Полное окоченение говядины и баранины наступает через 18-24 часа, свинины – через 16-18 часов, мяса кроликов и кур – через 2- 4. Мясу характерен темный цвет, запах сырости и предубойные запахи.
Мясо, сваренное в состоянии окоченения, жесткое, грубое, бульон мутный, усваивается хуже парного. Содержание гликогена уменьшается в 5 раз, а количество молочной кислоты увеличивается более чем в 2 раза. Реакция среды смещается в кислую сторону. От протеинатов актина и миозина отщепляются ионы кальция, калия, магния. При этом уменьшается растворимость протеинатов и образуется нерастворимый актомиозин. При окоченении актомиозин обезвоживается, мышечные волокна резко уплотняются, объем их уменьшается и между ними появляются промежутки, развариваемость коллагена соединительной ткани снижается до минимума.
Степень гидратации белков мышечной ткани в стадии окоченения снижается вследствие уменьшения в молекулах белков числа гидрофильных центров при образовании актомиозина, а также приближения величины рН к ИЭТ белков ( 5,0 – 5,5 ). При этом влагосвязывающая способность уменьшается в среднем на четверть по сравнению с парным мясом. Следует отметить, что наивысшей влагосвязывающей способностью обладает парное мясо.
Мясо от передних частей туши, от утомленных животных, а также мясо, хранящееся при более высоких температурах, остаются в состоянии окоченения менее продолжительное время, чем мясо от задних частей, хорошо отдохнувших и упитанных животных, и мясо, хранящееся при низких температурах.
По завершении процесса окоченения в результате биохимических, физико-химических и структурных изменений происходит постепенное размягчение мышечной ткани, мясо приобретает соответствующие вкусовые и ароматические достоинства – оно созревает. Созревшее мясо имеет специфический запах, после варки оно делается сочным и нежным, бульон из такого мяса прозрачный, вкусный и ароматный. При кулинарной обработке созревшего мяса потери белков с бульоном уменьшаются.
При созревании мяса вследствие биохимических процессов повышается величина рН и количество АТФ, происходит распад актомиозина, в связи с чем увеличивается растворимость миозина. Начальный протеолиз белков миофибрилл приводит к накоплению в мышечной ткани пептидов и свободных аминокислот. Повышение уровня гидратации белков созревшего мяса приводит к уменьшению количества сока, выделяющегося при варке и отпрессовывании.
Под влиянием биохимических процессов по мере созревания мышечные и соединительные волокна набухают, разрыхляются и распадаются, постепенно увеличивается нежность мяса в сыром виде и после тепловой обработки. Максимальную нежность говядина взрослых животных приобретает при 8-10 градусах через 4 суток, при 0 – через 10-12 суток, мясо молодняка – в 3 раза быстрее.
Улучшение вкуса и аромата вареного созревшего мяса обусловлено превращениями в группе азотистых экстрактивных веществ при созревании сырого мяса и во время его термической обработки. Накапливающаяся при распаде АТФ инозиновая кислота обладает запахом мясного отвара, также образуются миозин и гипоксантин, по количеству которого судят о степени созревания мяса. В формировании вкуса и аромата также участвуют глютаминовая кислота со специфическим вкусом мясного бульона, свободные аминокислоты, карбонильные соединения, летучие жирные кислоты. Последние образуются при гидролизе липидов мышечной ткани при каталитическом участии липазы.
В формировании вкуса и аромата мяса, подвергнутого термической обработке после созревания, принимают участие летучие сульфиды, придающие специфический оттенок запаху вареного мяса, продукты взаимодействия инозина с аминокислотами, а также продукты сахароаминных реакций. Созревшее мясо лучше переваривается и усваивается.
Продолжительность созревания мяса зависит от температуры, упитанности, пола, возраста животного и вида мяса. Чем выше температура, тем, при прочих равных условиях, быстрее созревание.
На стадии глубокого автолиза ферментативный процесс созревания при высоких температурах хранения после достижения мясом полной зрелости может зайти так глубоко, что значительно увеличивается количество аминоаммиачного азота и других продуктов распада белков, активизируются ферменты мышечной ткани. При усилении процессов гидролиза белков уменьшается жесткость мяса и увеличивается отделение мясного сока из-за увеличивающегося разрушения морфологических структурных элементов мышечной ткани. В результате образования продуктов взаимодействия аминокислот с редуцирующими сахарами мясо приобретает коричневатую окраску.
На практике существуют различные способы ускорения созревания мяса, в том числе с использованием протеолитических ферментов.
С использованием протеаз увеличение нежности и повышение усвояемости говядины достигаются за счет расщепления белков мышечной и соединительной тканей.
Для созревания мясо выдерживается и в производстве колбасных изделий, что необходимо для повышения вязкости, пластичности и влагоемкости колбасного фарша. Созревание мяса способствует улучшению вкуса и нежности колбас. У колбас из невыдержанного в посоле мяса фарш получается крошливым, и с невысокими вкусовыми качествами. У полукоченых колбас из несозревшего мяса получается плохой фарш с отеками жира. Ценным сырьем в производстве колбас также считается парное мясо.
Мясо подвергается созреванию и при получении мясных полуфабрикатов из говядины и свинины.
При производстве мясных консервов мясо также должно быть созревшим, что в значительной мере улучшает их качество.

11.8. Биохимические процессы при хранении и переработке рыбы.
Рыба, извлеченная из воды, быстро засыпает от удушья из-за недостатка кислорода. После этого в теле рыбы происходит ряд физических и биохимических изменений, которые неизбежно приводят к ухудшению ее качества, а затем и к порче. Быстрота и глубина этих изменений зависят от темепратурного режима и продолжительности хранения рыбы, характера микрофлоры, санитарно-гигиенических условий обработки рыбы и др.
Биохимические изменения в основном связаны с прекращением обмена веществ и переходом обратимых ферментативных процессов в необратимые в связи с прекращением притока кислорода в клетки мышечной ткани.
Различают следующие стадии посмертного изменения рыбы: выделение слизи, окоченение, автолиз и гниение. Из них непосредственно с участием тканевых ферментов протекают окоченение и автолиз.
Окоченение – коллоидно-биохимический процесс, протекающий в мышцах и заключающийся в следующем. В уснувшей рыбе ферментативная активность миозина увеличивается, что способствует распаду АТФ с образованием АДФ и фосфорной кислоты и выделением энергии, необходимой для сокращения мышечного волокна. Распад АТФ приводит к ассоциации актина и миозина с образованием актомиозинового комплекса. За счет набухания белков мышечной ткани по мере образования из гликогена молочной кислоты при участии ферментов и ее накопления мышцы значительно отвердевают. Окоченевшая рыба, лежащая горизонтально на руке, не сгибается, консистенция ее мяса плотная, упругая, мышцы прочно связаны со скелетом.
Важнейшими факторами, определяющими длительность посмертного окоченения, являются температура и физиологическое состояние рыбы. Чем ниже температура и свежее рыба, тем продолжительнее период окоченения. Качество такой рыбы сохраняется дольше. Время наступления посмертного окоченения и его продолжительность зависят и от вида рыбы.
Окоченение сохраняется только при достаточном первоначальном уровне АТФ. В дальнейшем при распаде АТФ увеличение содержания фосфорной кислоты влияет на изменение активности миозина. В результате наступает диссоциация актомиозина на актин и миозин. При этом вязкость миофибрилл резко снижается, из-за чего упругость тканей постепенно уменьшается, рыба снова становится мягкой, т.е. окоченение разрешается.
Важное значение для биохимических процессов в рыбе имеет рН мышечной ткани. В момент вылова реакция практически нейтральная, после засыпания рыбы рН быстро падает до 6,3-6,4 и наступает окоченение. Затем рН увеличивается и достигает 7 и как результат происходит разрешение окоченения.
Таким образом, ферментативный распад АТФ с образованием актомиозина и фосфорной кислоты, а также распад гликогена с образованием молочной кислоты являются основными факторами, определяющими интенсивность и продолжительность посмертного окоченения.
В снулой рыбе действие ферментов направлено на разложение веществ, из которых состоят клетки. При автолизе происходит расщепление фосфорсодержащих соединений, углеводов, белков и липидов. При этом фосфаген расщепляется с образованием фосфорной кислоты и креатина. АТФ и АДФ при фосфорилировании образуют адениловую и фосфорную кислоты; распад гликогена под влиянием амилолитических ферментов сопровождается образованием молочной кислоты и промежуточных продуктов, а под действием протеаз белки расщепляются до свободных аминокислот, жиры- до свободных жирных кислот и глицерина.
Вначале автолизу подвергается кровь, разрушаются кровяные шарики, гемоглобин окрашивает ткани в красноватый цвет. Поэтому одним из признаков автолиза является покраснение мышц головы, челюстей, плавников, глаз и анального кольца. Затем начинаются структурные изменения мышечных тканей, которые размягчаются, становятся розовыми и легко отделяются от костей. Все это снижает качество рыбы. Автолитическое расщепление белков и жиров происходит без образования дурно пахнущих или вредных для здоровья веществ, так как в нем не участвуют микроорганизмы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
«В условиях автоматизированного хлебопечения огромную роль представляет знание биохимических процессов, происходящих при тестоведении, расстойке теста и выпечке, и сейчас с полной определенностью можно сказать, что без этих знаний невозможно рационально управлять производством» - эти слова были произнесены выдающимся советским ученым, основоположником отечественной биохимической школы, академиком А.Н.Бахом более 70 лет назад, когда автоматизация производственных процессов в пищевой промышленности находились в своем зачаточном состоянии. Сегодня эти слова можно отнести не только к хлебопечению, но и к производственным процессам в мясной, рыбной, молочной, масложировой, плодоовощной, пивобезалкогольной, алкогольной, чайной отраслям агропромышленного комплекса. Все они требуют от специалистов достаточных биохимических знаний, чтобы управлять происходящими при хранении и переработке зерна и зернопродуктов, плодов и овощей, мяса и мясопродуктов, рыбы, рыбных продуктов и нерыбных продуктов моря, молока и молочных продуктов, при изготовлении алкогольных, безалкогольных и курительных изделий, чая и др. биохимическими процессами, которые во многих случаях являются существенными факторами при формировании качества и потребительских достоинств продовольственных товаров.
Чрезвычайно важны для товароведов биохимические процессы, происходящие в муке,крупе, плодах, овощах, орехоплодных, мясе, рыбе и других товарах при их хранении в торговле и на предприятиях общественного питания.
Для технологов общественного питания биохимические процессы важны и как фактор, формирующий тенологические свойства сырья для продукции общественного питания, и как фактор, формирующий качество получаемых кулинарных изделий.
Как для товароведов-продовольственников, так и для технологов общественного питания важны знания по влиянию отдельных пищевых веществ на качество и сохраняемость продовольственных товаров, связи между химическим составом и физическими свойствами продуктов питания.
Эти и другие вопросы биохимической подготовки будущих товароведов и технологов и были предметом данного учебного пособия, которое, надеются авторы, станет полезным материалом при изучении курса биохимии студентами торговых специальностей.
Авторы с благодарностью примут все критические замечания и пожелания, которые помогут улучшить содержание этой книги в ходе дальнейшей работы.
Список использованной литературы.
Анисимов А.А., Основы биохимии. – М.Высш. шк., 1986-551 с.
Брухман Э.Э., Прикладная биохимия. - М. 1981-296с.
Васильева С.В., Конопатов Ю.В. – СПбГАВМ, 2009г.
Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия.-М.: Медицина, 1983.-749с.
Биологический энциклопедический словарь. – М.: Сов. Энциклопедия, 1989. – 864
Бохински Р. Современные воззрения в биохимии: Пер. с англ.- М.: Мир, 1987.-543с.
Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия для врача.- Екатеринбург, Издательско- полиграфическое предприятие «Уральский рабочий», 1994.-383 с.
Грин С., Стаут У., Тейлор Д., Биология в 3-х томах: Пер с англ., под ред. Сопер Р.- М.: Мир, 1993г.-Т. 1- 367с.-Т. 2-326с.- Т. 3- 373с.
Васильева С.В., Конопатов Ю.В. – СПбГАВМ, 2009г.
Диксон М., Уэбб Э. Ферменты: в трех томах. Пер. с англ.- М.: Мир, 1982.-Т. 1-398с. 1982.- Т.2-806с. 1982-.Т. 3-1117с.
Дузу П. Криобиохимия: Пер.с англ.,под ред. Сергеева Г.Б.- М.: Мир, 1980.-283с.
Калоус В., Павличек З. Биофизическая химия: Пер. с чешск.-М.: Мир, 1985.- 446с.
Королев А. П., Гридина С. Б. Основы биохимии. – Учебное пособие, в 3-х частях, РИО КемТИПП, Кемерово, 1999 – 2002гг..
Кретович В. Л. Биохимия растений. – М.: Высшая школа, 1980. – 445 с.
Кнорре Д.Г., Биологическая химия. – М. Высш. шк. 1992-416 с.
Малер г., Кордекс Ю. Основы биологической химии: Пер. с англ.- М.: Мир, 1970.
Плешков Б. П. Биохимия сельскохозяйственных растений. – М.: Агропромиздат, 1987. – 494 с.
Северин Е.С., Биохимия. – М. 2006-784 с.
Скворцова Р.И. Биологические основы проблемы питания: Учеб. пособие.- М.: изд. МТИПП, 1981.-106с.
Смирнова Г.А., Основы биохимии. – М. Высш. шк. 1970г.
Степаненко Б.Н. Химия и биохимия углеводов (полисахариды): Учеб. пособие для вузов.- М.: Высшая школа, 1978.- 256с.
Страйер Л. Биохимия: Пер. с англ., под ред. Северина С.Е. в 3-х томах.- М.: Мир, 1984.- Т.1-227с.-Т. 2.-307с.- Т.3.-396с.
Филиппович Ю. Б. Основные вопросы биологической химии. – М.: Просвещение, 1969. – 464 с.
Фпайфельдер Д. Физическая биохимия: Пер. с англ.- М.: Мир, 1980.-582с.
Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам: Пер. с англ.- М.: Мир, 1980.- 662с.
Шабарова З.А. Богданов А.А. Химия нуклеиновых кислот и их компонентов.- М.: Изд. Химия, 1978.- 581с.
Шлегель Г. Общая микробиология: Пер. с нем.- М.: Мир, 1987.- 567с.
ОСГЛАВЛЕНИЕ
Введение . . . . .3
Глава 1. Строение клетки и химический состав организмов.
Общая биохимическая характеристика живых организмов . . .7
Биологические структуры7
Основные особенности метаболических процессов8
Источники энергии для живых организмов, высокоэнергетические
соединения……………………………………………………………..12
Глава 2. Белки15
Общая характеристика15
Аминокислоты .16
Физико-химические свойства белков………………………… 20
Строение, белковой молекулы26
Классификация, характеристика, представители30
Влияние белков на технологические свойства, качество и сохра
нямость пищевых продуктов……………………………………… 34
Глава 3. Ферменты (энзимы)32
Общие и специфические свойства ферментов32
Общие принципы строения ферментов35
Механизм ферментативного катализа37
Типы ферментативных реакций…40
Множественные молекулярные формы ферментов и изоферменты43
Локализация ферментов и их сравнительная активность в отдельных
органах и тканях .44
3.7. Классификация и номенклатура ферментов45
3.8. Влияние ферментов на технологические свойства, качество и
сохраняемость продовольственного сырья и пищевых продуктов 48
3.9. Использование ферментов в пищевой промышленности.......... 50
Глава 4. Нуклеиновые кислоты………………………………….43
Общая характеристика строения нуклеиновых кислот54
Дезоксирибонуклеиновые кислоты57
Физико-химические свойства ДНК………………………………… 58
Рибонуклеиновые кислоты62
Биосинтез нуклеотидов64
Ферменты синтеза и превращений нуклеиновых кислот . . . . 66
4.7. Синтез ДНК70
4.8. Синтез РНК72
4.9. Генетическая инженерия . . . .75
Глава 5. Обмен белков и аминокислот . . . 78
Фиксация молекулярного азота воздуха78
Биосинтез аминокислот….79
Синтез белка84
Регуляция биосинтеза белка86
Диссимиляция белков . .90
Алкалоиды……… .95
Глава 6. Углеводы 96
Строение, классификация, роль в живой природе96
Моносахариды . 97
Олигосахариды (полисахариды / порядка) ........103
Полисахариды // порядка (гликаны)105
Образование углеводов в процессах фотосинтеза и хемосинтеза110
Превращение углеводов в процессе пищеварения113
Регуляция постоянства содержания глюкозы в крови114
Превращения углеводов, связанные с дыханием и брожением . .116
6.9.Глюконеогенез119
6.10. Влияние углеводов на технологические свойства,
качество и сохраняемость пищевых продуктов...................... 120
Глава 7. Биологическое окисление и биоэнергетика . .122
Митохондрии как внутриклеточные центры аэробного дыхания122
Пути использования энергии в клетке ............................................123
Регуляторное теплообразование и свободное окисление.
Оксигеназы и оксидазы………………………………………… 123
Глава 8. Липиды………………………………………………… 125
Общая характеристика и классификация125
Нейтральные жиры и жирные кислоты125
Фосфолипиды127
Гликолипиды128
Стероиды 129
Воска 130
Терпены131
Обмен липидов135
Влияние липидов на технологические свойства, качество и со-
храняемость продовольственных товаров……………………. 136
Глава 9. Витамины137
Общая характеристика138
Жирорастворимые витамины……….139
Водорастворимые витамины141
Изменение витаминов при хранении и переработке пищевых
продуктов………………………………………………………..
Глава 10. Водно-солевой обмен .143
Поддержание концентраций растворенных веществ –
важное условие жизни…………………………………………… 143
Содержание и роль воды в организме, водный обмен ……… 144
Минеральные вещества……………………………………… 144
Глава 11 Биохимические процессы при хранении и переработке
продовольственного сырья и пищевых продуктов
11.1. Биохимические процессы при хранении и переработке зерна и
зернопродуктов..................................................................................... 147
11.8 Биохимические процессы при хранении и переработке
масличных семян в производстве растительных масел…………...149
Биохимические процессы при хранении и переработке свежих
плодов и овощей............................................................................... 156
11.3. Биохимические процессы в производстве чая.............................. 157
11.4. Биохимические процессы в производстве вин.............................. 158
11.5. Биохимические процессы при хранении и переработке табака... 158
11.6. Биохимические процессы при хранении и переработке
мяса убойных животных...................................................................160
11.7. Биохимические процессы при хранении и переработке табака... 162
Заключение........................................................................................... 164
Список использованной литературы……………………………… 165
Оглавление……………………………………………………………… 166

Приложенные файлы

  • docx 8843259
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий