Тема 3 азотистые вещества, витамины и минеральные вещества ячменя и солода

План

1Белки: состав, строение и свойства

2 Нуклеиновые кислоты

3Витамины

4 Минеральные вещества: соли и оксиды

Азотистые вещества ячменя представлены в основном высоко­молекулярными соединениями - белками, в меньшей степени - низкомолекулярными веществам органической и неорганичес­кой природы.

Белки. Белковые вещества ячменя играют важную роль в технологичес­ких процессах пивоварения и влияют на качество готового пива: его вкус, цвет, пенистость и стойкость при хранении. Продукты гидро­лиза белков -пептиды и аминокислоты - необходимы для пита­ния дрожжей при брожении, они участвуют в сложных процессах метаболизма дрожжевой клетки.

Белки представляют собой длинные цепи остатков аминокислот, соединенных между собой пептидными связями (-СО-NH-), и состоят из следующих элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и серы в соотношениях, %: С 50,6-54,5; Н 6,5-7,3; О 21,5-23,5; N 15,0-17,6; S 0,3-2,5. Кроме того, во многих белках содер­жатся также Fe²⁺, Fe³⁺, Co²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и др. К аминокислотам, со­ставляющим основу белков, относятся следующие: аланин, валин, лейцин, изолейцин, глицин, фенилаланин, арги­нин, лизин, гистидин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, серин, треонин, тирозин, триптофан, цистеин, цистин, метионин, пролин, оксипролин.

Пептидные связи в белках образуются при взаимодействии α-аминогруппы одной из аминокислот с α-карбоксильной группой другой с отщеплением воды.

На боковых цепях аминокислот находятся обычно важнейшие функциональные группы белков: сульфгидрильная - SH; дисульфидная – S-S-; аминная - NH₂; карбоксильная - СООН; гидроксильная - ОН и т. д. Эти группы обусловливают реакционную способность белка и его отдельных участков. В_ячмене белки, как правило, соединены с крахмалом, полисахаридами, полифенола­ми, ионами металлов и др.

Белки легко осаждаются минеральными кислотами: салицило­вой, пикриновой, фосфовольфрамовой и фосфомолибденовой, а также солями тяжелых металлов. С рядом соединений они дают ха­рактерные реакции: биуретовую, ксантопротеиновую и т. д. На этом основаны многие количественные и качественные методы опреде­ления белка. Белки обладают способностью связывать значительные количества воды - гидратироваться. Процесс гидратации со­стоит в связывании дипольных молекул воды с ионными группами в белках.. I

Форма белковой молекулы может быть весьма различной: от ша­рообразной до вытянутой. В первом случае - это глобулярные бел­ки, во втором фибриллярные. Глобулярные белки (основная группа белков) имеют молекулярную массу 10^4--10⁵, размер 1,5-6,0 нм. Белки молекулярной массой 10⁵ содержат 800-850 аминокислот­ных остатков, длина каждого остатка составляет приблизительно 0,35 нм. Пространственная конфигурация белков определяет их биологическую активность, лежит в основе ферментативных, гор­мональных и других свойств. Различают четыре уровня простран­ственной конфигурации белковой молекулы: первичная - соединение аминокислот в линейной цепи; вторичная - пространственное расположение полипептид­ной цепи в виде α-спирали, β-складчатого слоя; третичная - специфическое укладывание α-спирали в виде глобулы или фибрилл; четвертичная -соединение нескольких частиц белка с третичной структурой в одну укрупненную.

Наличие всех видов структур у белков необязательно. Часто от­сутствует четвертичная, может быть нарушена спиралевидная кон­фигурация цепей либо третичная структура.

Поддержание характерной пространственной макроструктуры частиц белка осуществляется за счет взаимодействий участков це­пей и образования между ними поперечных связей: дисульфидных, гидрофобных, электростатических водородных (рисунок 4).

Рисунок 4 - Связи, стабилизирующие пространственную структуру

белков

1 — ионная связь; 2— водородная связь; Зи 4— некоторые типы ван-дер-ваальсовых взаимодействий; 5 — дисульфидный мостик (ковалентная связь)

Образование дисульфидных мостиков происходит так. В присут­ствии солей железа или других катализаторов тиоловая группа -SH цистеина в белках легко окисляется с образованием дисульфидной группы –S-S-. В молекуле белка два остатка цистеина могут об­разовывать ковалентную связь в виде дисульфидной связи. Дисульфидные связи нестабильны и легко подвергаются перегруппиров­кам.

Электростатические взаимодействия происходят между кислот­ными и основными группами аминокислот, входящих в структуру белка.

Формирование структуры биологических макромолекул кроме водородных связей определяется гидрофобными связями. Именно от последних зависят те реальные формы, которые принимают мак­ромолекулы белков. В отличие от водородных гидрофобные связи неполярные и возникают между боковыми группами белков, имею­щих углеводородную природу, без участия воды. Молекулы воды как бы выталкиваются из той сферы, в которой возникает гидро­фобное взаимодействие. К таким взаимодействиям способны ос­татки валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина. Гидрофобные связи, как и водородные, имеют низкую величину энергии, но если их число достаточно велико, то они способны придать большой мо­лекуле устойчивую структуру. При комнатной температуре другие молекулы не могут нарушить эту структуру, но по мере повышения температуры возрастающие сила молекулярных столкновений и энергия внутримолекулярных колебаний легко вызывают разрыв как водородных, так и гидрофобных связей.

Нарушение пространственной структуры белка называется дена­турацией. Она бывает физической - под действием на белок нагре­вания, облучения (ультразвук, ультрафиолетовые лучи), сильного встряхивания, растирания; химической - под действием кислот, щелочей, органических растворителей, минеральных солей и т. д.

Таким образом, денатурация белка - это изменение простран­ственного расположения пептидных цепей в молекуле белка, кото­рое возникает вследствие разрыва слабых связей при действии дена­турирующих факторов. При этом в разной степени разрушаются вторичная, третичная и четвертичная структуры белка.

Все белки по особенностям первичной структуры разделяют на две группы: протеины, или простые белки, состоящие только из ос­татков аминокислот; протеиды, или сложные белки, - соединения простого белка с веществом небелковой природы.

Протеины в зависимости от степени растворимости разделяют на альбумины, глобулины, проламины, глютелины.

Альбумины растворяются в воде; глобулины в воде нераствори­мы, но растворяются в водных растворах некоторых солей; прола­мины нерастворимы в воде и солевых растворах, но растворяются в 60-80 %-м этиловом спирте; глютелины растворимы только в растворах щелочей. К протеинам относят также фосфорпротеины, протамины, протеиноиды.

Фосфопротеины - это белки, в которых фосфорная кислота связана сложноэфирной связью с оксигруппами серина и треонина. Протамины отличаются небольшой молекулярной массой и содер­жанием на 80 % щелочных аминокислот - аргинина, гистидина, лизина. Протеиноиды характеризуются высоким содержанием серы, фибриллярностью, нерастворимостью.

Протеиды в зависимости от химической природы простетической группы разделяют на липопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды и нуклеопротеиды. В качестве простетической группы ли­попротеиды содержат жироподобные вещества - липоиды, гли­копротеиды - углевод, хромопротеиды - пигменты, нуклеопроте­иды - нуклеиновую кислоту.

Липопротеиды в большом количестве содержатся в протоплазме клеток. Типичный хромопротеид - гемоглобин. Гликопротеидами являются многие оксидоредуктазы. Нуклеопротеиды - особенно важная группа сложных белков, играющих громадную роль в жиз­недеятельности организма. Они сосредоточены преимущественно в клеточных ядрах. Белки ферментов зачастую также содержат простетические группы.

Когда небелковый компонент фермента обусловливает специ­фичность ферментативной активности, простетические группы на­зываются коферментами, а белковая часть - акоферментом. Это, как правило, оксидоредуктазы, и окислительно-восстановитель­ные функции в них выполняет простетическая группа в виде азоти­стого гетероцикла. Кофермент часто является витамином или его производными.

Белки эндосперма ячменя в основном относятся к протеинам и характеризуются следующими показателями (таблица 1).

Таблица 1- Характеристика фракций белка ячменя

Лейкозин (альбумин). Это нейтральный белок, содержит в значи­тельном количестве серу (1,6-2,2 %), водные растворы его начинают коагулировать при 59 °С, состоит из 16 компонентов.

Эдестин (глобулин). Различные фракции его локализуются в раз­личных частях ячменя: γ - в зародыше, α и β - в алейроновом слое. β-Фракция наибольшая по содержанию среди глобулинов – 50-80 %. Во время солодоращения количество β-фракции не изменя­ется, α - несколько уменьшается, γ - уменьшается значительно, δ-фракции в солоде уже нет. Количественное содержание фракций в глобулине: α - 3,5; β - 3,5-6; γ-2,5 (% общего содержания гло­булина). β-Глобулин - это гетерогенная смесь из 20 компонентов, характеризуется высоким содержанием аспарагиновой кислоты, аланина, глицина, лизина и аргинина.

Глобулин более устойчив к нагреванию и труднее, чем альбумин, коагулирует из растворов. Он начинает коагулировать только при 90 ºС. Так как он растворим в слабых солевых растворах, то сначала переходит в сусло, а затем и в готовое пиво, в определенных услови­ях вызывая его помутнение. Глобулин содержит серу в виде группы -SH; очень реакционноспособный белок, что также ускоряет его выпадение в осадок в готовом пиве.

Глютелин. При гидролизе сильными кислотами глютелин обра­зует большое количество глютелиновой кислоты и лейцина. Нали­чие дисульфидных связей делает его сходным по свойствам с глобу­лином, но растворяется глютелин только в присутствии восстано­вителей. В последнее время показано, что извлечь глютелин можно не только с помощью едких щелочей, но и растворов редуцирую­щих веществ, например аскорбиновой кислоты. Из глютелина и гордеина в ячмене может образовываться клейковина - белковый комплекс, способный активно поглощать воду, набухать, увеличи­ваясь в объеме, и превращаться в упругую массу, которая растягива­ется и пружинит, как резина. Пивоваренные ячмени с низким со­держанием белка обычно не содержат клейковины.

Гордеин (проламин). Он содержит до 8 фракций. Основные аминокисло­ты проламинов - глутаминовая кислота и пролин. Гордеину сопут­ствуют всегда антоцианогены, соединенные с ним адсорбционны­ми и химическими связями. С увеличением содержания белка в ячмене особенно возрас­тает количество гордеинов. Отмечено их присутствие в помутнении готового пива.

|Весь белок распределен в зерне ячменя следующим образом, % : 4-5 всего белка ячменя сосредоточено в оболочке, 84-86 — в эн­досперме и 13-15 — в зародыше. Часть белка эндосперма прочно связана с клеточными стенками крахмальных зерен, причем у высокобелковистых ячменей эта связь гораздо более прочная, чем у обычных пивоваренных ячменей.

Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты - это органические соединения с боль­шой молекулярной массой (0,65-13) ·10⁷. Они растворяются в ра­створах щелочей, при гидролизе распадаются на пуриновые и пиримидиновые основания, моносахариды, фосфорную кислоту. Моле­кулы нуклеиновых кислот построены из нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания (пуринового или пиримидинового), пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Производные пурина и пиримидина имеют исключительное биологическое значение прежде всего потому, что некоторые его окси- и аминопроизводные входят наряду с пиримидиновыми основаниями в структуру нуклеиновых кислот и имеют, таким образом, отношение к программированию синтеза белков и явлениям наследственности.

Пуриновые основания включают аденин (6-аминопурин), гуа­нин (2-амино-6-оксипурин), ксантин (2,6-диоксипурин). Пиримидиновые основания - этотимин (5-метил-2,4-диоксипиримидин), цитозин (2-окси-4-аминопиримидин) и урацил (2,4-диоксипири-мидин).

В основе структуры нуклеиновых кислот лежит каркас, образо­ванный фосфорной кислотой, связанный с молекулами дезоксири­бозы или рибозы. Первый углеродный атом пентозы связан N-гликозидной связью с первым атомом азота в пиримидинах или девятым атомом азота в пуринах. Имеется два типа нуклеиновых кислот, различающихся тем, какой сахар входит в их состав: рибоза или дезоксирибоза. В первом случае кислота называется рибонуклеино­вой - РНК, во втором дезоксирибонуклеиновой - ДНК.

Соединения рибозы или дезоксирибозы с азотистым основани­ем называются нуклеозидами. Нуклеозиды, соединяясь с одной молекулой фосфорной кислоты, образуют нуклеотиды.

!

Например, аденозинмонофосфат (АМФ) может связываться с одним или двумя остатками фосфорной кислоты и переходить соответственно в аденозиндифосфат (АДФ) или аденозинтрифосфат (АТФ). Со­единение между двумя фосфатными остатками (так называемая макроэргическая связь) особенно энергоемко. При многих биохи­мических превращениях освободившаяся при расщеплении этой связи энергия используется для построения АТФ из АДФ или АМФ. И, наоборот, благодаря отщеплению от АТФ одного или двух фос­фатных остатков высвобождается энергия, которая используется для построения других энергоемких соединений. Таким образом, АТФ служит важнейшим накопителем и передатчиком энергии при биологических превращениях веществ зерна, например при его прорастании. АДФ, АТФ и АМФ играют особо важную роль в био­логических проявлениях обмена веществ, в частности в процессах дыхания и брожения. При гидролизе связи между фосфатными ос­татками в АТФ освобождается около 29 кДж, в то время как при гид­ролизе обычной сложноэфирной связи – 8-13 кДж.

Пирофосфатная связь в АТФ отличается от эфирной связи рибозы с первой фосфорной группой вдвое большим количеством сво­бодной энергии, образующейся при отщеплении концевой фос­форной группы. АТФ входит в состав важнейших коферментов - никотинамидадениндинуклеотидов (NAD):

Таким образом, нуклеотиды играют основную роль в процессах биосинтеза белка, входят в состав важнейших ферментных систем зерна, регулируют фосфорилирование и окислительно-восстано­вительные процессы как во время формирования и созревания зер­на, так и во время его проращивания. В нуклеиновых кислотах зако­дирована генетическая информация организма, и благодаря им эта информация реализуется. Нуклеиновые кислоты зерна наряду с белками являются важнейшими биополимерами, образующими протоплазму живой клетки.

Пуриновые и пиримидиновые основания стимулируют рост растений и микроорганизмов. Вместо них в состав нуклеотидов, принимающих участие в построении окислительно-восстановитель­ных ферментов, могут входить витамины.

Витамины являются естественной составной частью растений, в том числе зерна ячменя (таблица 2).

Таблица 2 - Витамины ячменя

Важнейшей функцией витаминов является их вхождение в состав биохимических систем клеток, а именно коферментов (таблица 3).

Таблица 3 - Важнейшие клеточные коферменты

Витамин В является частью фермента пируватдекарбоксилазы, участвующей в углеводном обмене; рибофлавин входит в состав флавиновых ферментов, обеспечивающих нормальное клеточное дыхание. Витамин В₆ -составная часть аминотрансфераз, катализиру­ющих декарбоксилирование аминокислот и реакцию переамини-рования. Витамин РР входит в состав анаэробных дегидрогеназ.

Минеральные вещества. Содержание минеральных компонентов в ячмене составляет 2,4-3,3 %. Зола ячменя имеет следующий состав (%): Р₂О₅ -35,1;Cl-1,02; CaO - 2,64; SO₃- 1,8; К₂О- 20,92; MgO - 8,83;SiO₂ - 25,91; Na₂O - 2,89; Fe₂O₃ - 1,19.

Отдельные ионы находятся в связанном с органическими веще­ствами состоянии. Остатки фосфорной кислоты входят в состав фи­тина, фосфатидов, нуклеиновых кислот. При ферментативном гид­ролизе этих соединений освобождается фосфорная кислота. В боль­шом количестве в ячмене содержится калий. Кремниевая кислота находится главным образом в оболочке зерна и связана с целлюло­зой. Большая часть минеральных веществ сосредоточена в зароды­ше: 6- 6,5 % массы зародыша.