1.3. Аминокислоты

Аминокислоты – это первичные азотистые вещества растений, кото-рые синтезируются с использованием минерального азота, поступающего главным образом из почвы. В молекулах аминокислот имеются карбок-сильные и аминные группы, соединенные с органическим радикалом али-фатической, ароматической или гетероциклической природы. Если амино-кислота содержит одну карбоксильную и одну аминную группу, связанную со вторым углеродным атомом (а-положение), строение такой аминокис-лоты можно выразить следующей формулой:

Аминокислоты, имеющие одну карбоксильную и одну аминную группу, принято называть моноамuномонокарбоновымu. У боль­шинства из них аминогруппа находится в α-положении по отно­шению к атому угле-рода карбоксильной группы. Однако известны также некоторые аминокис-лоты, у которых аминогруппа связана с другими углеродными атомами (b, γ, d и др., см. табл. 1.1).

В организмах также синтезируются аминокислоты с двумя кар­бок-сильными или двумя аминными и другими азотсодержащими группи-ровками. Аминокислоты, содержащие две карбоксильные и одну аминную группы, обычно называют моноамuнодuкaрбоновымu, а имеющие две аминные и одну карбоксильную – диаминомоно­карбоновымu. Кроме того, аминокислоты различаются по строению радикала R, который может быть представлен неразветвленной, а у некоторых аминокислот и разветвленной углеродной цепью, ароматическими и гете­роциклическими производными.

Наряду с аминокислотами важную роль в обмене азотистых веществ растений играют некоторые иминокислоты (пролин, оксипролин, пипеко-лиио­вая кислота и др.), содержащие вторичную аминную группировку (═NH). Они близки по своим физико-химическим свойствам к истинным аминокислотам и выполняют сходные биологические функции.

Важные функции в растительном организме выполняют производ-ные аминокислот – амиды и бетаины, из которых наиболее хорошо изучены аспарагин, глутамин и гликоколбетаин. Аспарагин и глутамин участвуют в построении белковых молекул, являются продуктами обмена многих азотистых веществ. Гликоколбетаин ─ продукт азотного обмена у некоторых растений, служит активным донором метильных групп.

Все α-аминокислоты, за исключением глицина, содержат асим­мет-рические атомы углерода и проявляют оптическую активность. D- и L-формы аминокислот различают по положению водорода и аминогруппы у α-углеродного атома. За эталон сравнения прини­маются конфигурации молекул L- и D-серина. Изомеры аминокис­лот, имеющие ориентацию в пространстве водорода и амино­группы у α-углеродного атома такую же, как у L- или D-серина, относят соответственно к L- или D-ряду.

1.1. Важнейшие аминокислоты растений

Направление и угол вращения плоскости поляризации света у разных аминокислот и их оптических изомеров зависят от строе­ния радикала R, реакции среды (рН), природы растворителя и раст­воренных в нем веществ.

Подавляющее большинство природных аминокислот синте­зируется в организмах в виде L-форм, а D-формы аминокислот встречаются редко, чаще всего в клетках микроорганизмов. При химическом синтезе образу-ется рацемическая смесь L- и D-изомеров аминокислот.

Ферментные системы растений, человека и животных специ­фически приспособлены катализировать биохимические реакции, происходящие с участием L-изомеров аминокислот, и не способны к превращениям D-изомеров, которые могут даже ингибировать биохимические процессы в организме. В опытах установлено, что только метионин может усваиваться организмами человека и животных как в L-форме, так и D-форме.

Первые аминокислоты были открыты в начале XIX в., а к концу века уже были выделены и изучены почти все аминокислоты, входящие в состав белков. В настоящее время известно более 200 аминокислот. Важнейшая биологическая роль аминокислот – пост­роение белковых молекул. Аминокислоты, участвующие в синтезе белков, принято называть протеиногенными, их насчитывается 18. Кроме того, в синтезе белков принимают участие два амида – аспара­гин и глутамин. Протеиногенные аминокислоты и указанные амиды кодируются определенными кодонами генетического кода (см. табл. 3.2).

После синтеза белковой молекулы в ней могут про­исходить модификации радикалов некоторых аминокислот, поэтому при анализе состава белков кроме протеиногенных обнаруживают некоторые другие аминокислоты (оксипролин, оксилизин и др.).

Аминокислоты, не участвующие в синтезе белков, являются важны-ми метаболитами, с участием которых происходит синтез протеиногенных аминокислот, а также всех других азотистых ве­ществ растительного орга-низма: нуклеотидов, амидов, азотистых оснований, различных пептидов, алкалоидов, некоторых липидов, многих витаминов, хлорофилла, фитогор-монов (ауксинов, цитокининов), некоторых фитонцидов. Строение и био-логическая роль важнейших амино­кислот представлены в таблице 1.1.

Растения и природные формы микроорганизмов способны син­тези-ровать все необходимые им аминокислоты из других органи­ческих ве-ществ, тогда как организмы человека и животных не спо­собны к синтезу некоторых аминокислот, входящих в состав белков. Эти аминокислоты называют незаменимыми, и они должны посту­пать в организм с пищей.

Для взрослого человека незаменимыми являются 8 аминокислот: ли-зин, триптофан, метионин, треонин, валин, лейцин, изолейцин, фенилала-нин. У детей и некоторых групп животных к незаменимым аминокислотам относятся также аргинин, гистидин и цистеин. При недостатке незамени-мых аминокислот ослабляется синтез белков, что может быть причиной тяжелых заболеваний. А их недостаток в растительных кормах снижает выход животно­водческой продукции в расчете на единицу массы затрачен-ного корма, в результате чего повышается ее себестоимость.

В целях составления правильного пищевого рациона для каж­дого ви-да организмов с учетом возрастного и физического состо­яния определены ежедневные нормы потребления незаменимых аминокислот. В среднем для человека они составляют, г: валин – ­5,0, лейцин – 7,0, изолейцин – 4,0, ли-зин – 5,5, триптофан – 1,0, треонин – 4,0, метионин – 3,5, фенилаланин – 5,0.

Чаще всего в кормах сельскохозяйственных животных в недоста­точ-ном количестве содержатся такие незаменимые аминокислоты, как лизин, триптофан и метионин. Для балансирования кормов по со­держанию этих аминокислот разработаны промышленные способы их получения. В связи с тем что лизин и триптофан усваиваются жи­вотными только в виде L-изомеров, для производства кормовых препаратов указанных аминокислот применяют микробиологический синтез, при котором реализуется природ-ный механизм образова­ния L-изомеров аминокислот. Поскольку метионин может усваи­ваться животными в виде D- и L-форм, для его промышлен-ного получения используют менее затратный химический синтез, даю­щий рацемическую смесь оптических изомеров этой аминокислоты.

Содержание свободных аминокислот в растениях (включая и сель-скохозяйственные культуры) зависит от вида органа или ткани, возраста растений, внешних условий и особенно подвержено большим изменениям в зависимости от интенсивности протекания биохимических процессов, которые сопряжены с их потреблением (синтез белков, нуклеиновых кислот и других азотис­тых веществ). Концентрация аминокислот повышается при ослабле­нии ростовых процессов, недостатке питательных элементов, избы­точном азотном питании, усилении процессов распада белков и других азотистых веществ при старении растений или прорастании семян.

Концентрации отдельных аминокислот могут возрастать в ре­зультате метаболических нарушений в организме и под воздействием стрессов. Так, например, при вододефицитном стрессе в клетках растений происходит накопление аминокислоты пролина, а при избыточном аммонийном пита-нии – аспарагина, глутамина и аргинина. Концентрация аминокислот повышается в соке листьев растений при ослаблении ростовых процессов, связанном с действием неблагоприятных факторов внешней среды и недостаточным азотным питанием.

В водном растворе карбоксильные группы аминокислот подверга-ются диссоциации с образованием катионов водорода, а азот аминогруппы довольно активно присоеди­няет катионы водорода, превращаясь в заря-женную группировку, в результате чего образуется биполярное соедине-ние:

Поскольку в молекулах аминокислот имеются как кис­лотные, так и основные (аминные) группировки, они проявляют амфотерные свойства и могут взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями, образуя соответствующие соли:

Аминокислоты довольно легко вступают в реакции с редуцирую­щими сахарами, образуя при этом темноокрашенные продукты – мелано-идины. На первом этапе взаимодействия аминокислоты и моносахарида образуются продукты их разложения: из сахаров – фурфурол или оксиме-тилфурфурол, а из аминокислоты – альдегид, диоксид углерода и аммиак. На следую­щем этапе фурфурол и оксиметилфурфурол, вступая в соеди-нение с аминокислотами, образуют меланоидины. Интенсивность реакции усиливается при повышенной температуре, которая создается при терми-ческой обработке рacтитeльной продукции или её перерaботке (сушка овощей, фруктов и продуктов из картофеля, выпечка хлеба, получение макарон и кондитерских изделий). Меланоидины вызывают потемнение растительных продуктов, что ухудшает их товарные свойства. В процессе хлебопечения реакции образования меланоидинов влияют на формирова-ние цвета, вкуса и аромата ржаного и пшеничного хлеба.

В результате ферментативного окисления ароматических амино­кис-лот тирозина и фенилаланина также образуются темноокрашен­ные продук-ты – меланины, вызывающие потемнение на воздухе очищен­ных клубней картофеля, измельченных корнеплодов, овощей и фрyкroв. Эти вещества совместно с меланоидинами определяют тёмный цвет ржаного хлеба и вызывают потемнение макарон при сушке (см. раздел 4.1.3). В целях предотвращения потемнения растительной продукции при ее переработке применяют технологии выращивания сельскохозяйственных культур, не допускающие накопления в товарной продукции редуцирующих сахаров и свободных аминокислот.