Пищевая Биохимия / Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. - Биохимия зерна и хлебопродуктов

менты, витамины, пигменты, золообразующие соединения, влагу и др. В таблицах 2 и 3 приведены средний химический состав зерна и семян различных культур, а также семян мас- личных культур (по справочным таблицам содержания основ-

ных пищевых веществ и энергетической ценности пищевых

Без алейронового слоя

43

ГЛАВА I ____________________________________________ _______________

продуктов, одобренных Минздравом СССР). Содержание от- дельных химических веществ в плодах, зерне и семенах может

колебаться в значительных пределах в зависимости от сорта и природно-климатических условий выращивания растений.

Все зерновые культуры по химическому составу семян раз- деляют на четыре группы: богатые крахмалом (хлебные зла- ки); богатые белком (бобовые культуры); богатые маслом (мас- личные культуры), содержащие наряду со значительным количеством жирного масла эфирные масла (эфиромасличные культуры). Типичный представитель первой группы — пше- ница — важнейшая в нашей стране продовольственная куль- тура. В посевах, занятых зерновыми, на ее долю приходится около половины. Хлебопекарная мука в основном получается из зерна пшеницы, макаронная — только из зерна пшеницы. Распределение химических веществ по частям зерновки пше- ницы показано в таблице 4. Рожь — вторая по важности про- довольственная культура (табл. 5).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое биологический обмен веществ?

2.Как определяются катаболизм и анаболизм?

3.Каковы источники пищи и энергии живых организмов?

4.Каково строение клетки?

5.Какое строение имеет зерно пшеницы?

6.Какое строение имеют семена бобовых культур?

7.Каково строение семян масличных?

44

Глава 2

БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

§ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БЕЛКОВ

Белки, или протеины (греч. protos — первый, главный) — высокомолекулярные органические вещества со строго опре- деленным элементарным составом, распадающиеся при гид- ролизе до аминокислот. Они содержат (%): углерода — 51—53;

кислорода— 21,7-23,0; азота— 16,8-18,4; водорода— 6,9; серы — 0,7-1,3.

Белки — важнейшие вещества, входящие в состав живой клет-ки. В растениях белковые вещества содержатся в меньшем ко-личестве, чем углеводы, но в построении живой

материи и в осуществлении процессов жизнедеятельности они играют гла-венствующую роль. Почти все реакции в организме происходят с участием белков. Белки обладают многими свойствами, кото-рис отсутствуют у других органических соединений. Эти осо-бые свойства выражаются в бесконечном разнообразии струк-туры белков и их физических и химических превращений.

Разнообразны и важны функции белков. Белки образуют основу протоплазмы любой живой клетки, вместе с

липидами создают структуру всех клеточных мембран и органелл. Вы-полняют транспортные функции. Лежат в основе иммуните-та - невосприимчивости или малой

реактивности организма к инфекционным агентам и чужеродным веществам, его спо-собность защитить свою целостность и биологическую инди-видуальность. У

растений иммунитет обеспечивается защитными свойствами покровных и оболочечных клеток, изменением химизма пораженного места. Семена большин- ства растений образуют запасные отложения белков. Все фер- менты являются белками. Содержание белков и их качество

45

ГЛАВА 2

определяют технологическое достоинство зерна прежде всего хлебопекарное и макаронное. Количество белков и их амино- кислотный состав имеют важнейшее значение для био- логической, пищевой и кормовой ценности любого продукта.

Белки представляют собой важнейшие составные части пищи человека и кормов сельскохозяйственных животных. Белки — важнейший фактор биологической и пищевой цен- ности хлеба, крупы, макаронных изделий. От содержания бел- ков и их качества в кормах зависит продуктивность сельскохо- зяйственных животных. Наиболее характерный показатель белков — процентное содержание азота, например, в белке зер- на пшеницы 17,54%. По содержанию азота вычисляют содержание белка в продуктах питания и кормах, используя коэффициент пересчета (для пшеницы 100/17,54 = 5,7). Най-

денное количество азота в продукте в процентах умножают на коэффициент пересчета и таким образом определяют в нем процентное содержание белка. Коэффициент пересчета для пшеницы, ржи, овса, ячменя и продуктов из них— 5,70; гре- чихи, риса и продуктов из них— соответственно 6,09 и 5,95; остальных культур — 6,25.

Например, в навеске зерна пшеницы определили содержа- ние азота 2,3%, значит, в исследуемой пробе зерна содержится белка 2,3 х 5,7 = 13,11%.

Для белков характерны некоторые специфические реакции, совокупность которых используют для распознавания белко- вых веществ. К таким реакциям относят: свертывание и выпа- дение в виде сгустков при кипячении белковых растворов;

осаждение из растворов под влиянием белковых осадителей (растворов таннита, уксуснокислого свинца, вольфрамата на- трия, гидрата окиси меди, трихлоруксусной кислоты); окра- шивание, зависящее от наличия в белковой молекуле той или другой химической группировки. При ксантопротеиновой ре- акции появляется желтое окрашивание, указывающее на со- держание бензольного кольца; вишнево-красное — при реак- ции Миллона на фенольные группировки; фиолетовое или красно-фиолетовое — при биуретовой реакции на содержание пептидных связей СО — NH; фиолетовое — при реакции Адам- кевича на содержание индольной группировки.

БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

§ 2. АМИНОКИСЛОТЫ

Белки представляют собой высокомолекулярные соедине- нии, построенные из остатков аминокислот.

При кипячении с крепкими кислотами и щелочами, а так- же под действием ферментов белки гидролизуются до а-ами- нокислот. Большинство а-аминокислот представляет собой жирные кислоты, у которых один атом водорода в а-положе-

нии замещен аминогруппой NH2.

Большинство аминокислот растворимо в воде. Тирозин и лейцин плохо растворяются в воде, а цистин практически не- растворим. Многие аминокислоты можно идентифицировать по образуемым ими характерным солям.

В водных растворах все а-аминокислоты ионизируют и существуют преимущественно в виде биполярных ионов с дис-

социированной карбоксильной группой и протонированной аминогруппой.

ГЛАВА 2______________________________________________________________

В зависимости от рН среды аминокислоты могут быть в форме анионов, катионов, электронейтральных биполярных ионов или в виде смесей этих форм, одна из которых обычно доминирует. Аминокислоты — амфотерные соединения: в

сильнокислых растворах они становятся положительными ионами, в щелочных — отрицательными.

Вследствие амфотерности аминокислоты в зависимости от состава водного раствора могут реагировать с кислотами и с основаниями, образуя соответствующие соли. Гликокол несет заряды на а-аминной и карбоксильной группах. Большинство аминокислот обладает только этими двумя группами, но ряд аминокислот имеет и другие способные к ионизации группы. Диаминокарбоновая аминокислота — лизин имеет вторую аминную группу, а цистеин — сульфгидрильную группу — SH.

В зависимости от состава раствора они могут образовывать соли, реагируя с кислотами и щелочами. Благодаря амфотер- ности аминокислоты являются буферными веществами, вы- полняющими важную функцию регулирования рН в организ- ме. Аминогруппа может реагировать с азотистой кислотой, и

48

БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

при этом аминокислота превращается в соответствующую ок- сикислоту, выделяя азот

Измерение количества выделяющегося при этой реакции азота лежит в основе количественного метода определения аминокислот по Ван—Сляйку.

Аминная группа способна взаимодействовать с формаль- дегидом, и, связав таким образом аминные группы, можно щелочью оттитровать свободные карбоксильные группы. Эта реакция лежит в основе так называемого формольного титро- вания при количественном определении аминокислот по Сё- ренсену. Очень важная реакция, используемая при определе- нии аминокислот методом хроматографии — взаимодействие аминокислот с нингидрином (трикетогидринденгидратом). Идентификацию и количественное определение аминокис- лот производят по интенсивности образующейся с нингид- рином окраски. Широко применяют автоматические анали- заторы аминокислот, в которых используется реакция с нингидрином.

§3. СТЕРЕОХИМИЯ АМИНОКИСЛОТ

Увсех аминокислот, за исключением глицина, атом угле-

рода, у которого водород замещен на группу NH2, является асимметрическим (все его валентности заняты четырьмя раз- личными заместителями) и обладает свойствами хирального центра. Вследствие такой особенности асимметрического ато- ма углерода аминокислоты оптически активны, причем они способны вращать плоскость поляризованного луча в проти- воположные стороны, существовать в виде пары энантиоме- ров — D и L. Заглавные буквы D и L указывают на конфигура- цию молекулы, а не направление плоскости поляризации света. Направление плоскости поляризации обозначают зна- ком «+» или «—». Так, различают D(+)-аланин и L(-)-аланин.

Знак и величина оптического вращения зависят от природы

49

ГЛАВА 2

растворителя, реакции среды, наличия в растворе солей и от природы боковой цепи (R-группы).

Большинство D-изомеров обладает сладким вкусом, а L-формы безвкусные или горькие. В состав белков входят толь- ко L-аминокислоты. При гидролизе белков в мягких условиях аминокислоты сохраняют свою оптическую активность. При кипячении белков в присутствии сильных оснований проис- ходит рацемизация (смесь эквимолекулярных количеств энан- тиомеров), образуется D- и L-смесь аминокислот, не облада- ющая оптической активностью.

D- и L-формы различают по пространственному располо- жению водорода радикала и аминогруппы у а-углеродного ато- ма серина, принятого за эталонное соединение

§ 4. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ БЕЛКА

Известно свыше 200 аминокислот. Но в состав белков вхо- дят только 20 постоянно встречающихся аминокислот; они служат важнейшими мономерными блоками-звеньями, из ко- торых построены все белки. Порядок включения аминокислот в состав белка определяется генетическим кодом. В зависи- мости от характера боковых цепей (R) аминокислоты делят на алифатические и циклические.

По числу аминных и карбоксильных групп различают амино- кислоты: моноаминомонокарбоновые (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, серии, тренин, цистеин, метионин, триптофан, тирозин, фенилаланин); диаминомонокарбоновые (лизин, аргинин); моноаминодикарбоновые (аспарагиновая и глютаминовая кислоты); диаминодикарбоновые (цистин). Аминокислоты группируют по заряженности боковых радика-

_________________________________________БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

лов, их полярности: неполярные гидрофобные (глицин, ала- нин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фенилаланин, трип- тофан, метионин); полярные, но незаряженные (серии, трео- нин, аспарагин, глутамин); полярные с отрицательным (аспарагиновая и глютаминовая кислоты, цистеин, тирозин) пли положительным (лизин, аргинин, гистидин) зарядом.

Моноамино-монокарбоновые аминокислоты. Гликокол или глицин (аминоуксусная кислота):

Гликокол не имеет асимметрического атома углерода, по- этому оптически неактивен.

L-Аланин (а-аминопропионовая кислота)

Очень распространен в природе. Играет большую роль в обмене веществ растений и животных.

L-Валин (а-аминоизовалериановая кислота)

В белках содержится в небольших количествах. L- Лейцин (ос-аминоизокапроновая кислота)

Содержится в большом количестве в проросшем зерне. При спиртовом брожении — источник образования сивушного масла.

L - Изолейцин (а-амино-б-этил-б-метилпропионовая кис- лота)

В белках встречается в незначительных количествах. Вме-

сте с валином и лейцином служит источником образования сивушных масел при брожении.

L-Серин (а-амино-б-оксипропионовая кислота)

Принадлежит к оксиаминокислотам. L-Треонин (а-амино-б-оксимасляная кислота)

Также является оксиаминокислотом. L-Цистеин (а-амино-б-тиопропионовая кислота)

Цистеин содержит сульфгидрильную группу (—SH), игра-

ет большую роль в обмене веществ как восстанавливающий агент, легко превращается в цистин.

БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

Служит дозатором (источником) метильных групп. L- Триптофан (а-амино-б-индолилпропионовая кислота):

Имеет большое значение в обмене веществ. Связан с образованием в живом организме витамина РР (ниацина). L- Гистидин (а-амино-б-имидазолилпропионовая кислота):

L-Фенилаланин (а-амино-б-фенилпропионовая кислота):

Входит в состав белка и обусловливает желтую окраску при ксантопротеиновой реакции.

L-Тирозин (а-амино-б-оксифенилпропионовая кислота):

Одна из наиболее распространенных в природе аминокис- лот. Содержится во всех белках. От ее присутствия в белке зави- сит реакция Миллона, дает также ксантопротеиновую реакцию.

Тирозин относится к веществам, от которых зависит цвет пшеничного теста и изделий из него. Под действием фермента тирозиназы (монофенол—монооксигеназы) он окисляется и дает темноокрашенные продукты — меланины.

L-Пролин (пирролидин-а-карбоновая кислота):

Много пролина содержится в спирторастворимых белках злаков.

Моноамино-дикарбоновые аминокислоты. L-Аспарагиновая кислота (аминоянтарная)

Благодаря двум карбоксильным группам в водных раство- рах обладает кислой реакцией. В воде растворяется плохо. Иг- рает важную роль в обмене веществ у растений. В раститель-

ных белках содержится в больших количествах в виде своего моноамида — аспарагина.

L-Глютаминовая кислота (а-аминоглютаровая):

Эта кислота дает в растворах кислую реакцию. В белках растений содержится обычно в наибольшем количестве. В ра-

стениях и в растительных белках присутствует в виде своего моноамида — глутамина:

_________________________________________БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

L - а-Аминоадипиновая кислота

Входит в состав водорастворимого белка зерна кукурузы. Диаминомонокарбоновые кислоты. L-Аргинин (L-амино-б-

гуанидин-Н-валериановая кислота):

Аргинин вместе с лизином и гистидином относят к группе основных аминокислот. В водных растворах дает щелочную реакцию.

L-Лизин (а, е -диаминокапроновая кислота):

Кроме а-аминокислот в зерне найдена у-

аминомасляная кислота

которая образуется из глютаминовой кислоты в результате де- карбоксилирования под действием фермента глютаматдекар- боксилазы. В отличие от растений человек и животные синте- зируют не все аминокислоты входящие в состав белков.

ГЛАВА 2

В связи с этим аминокислоты делят на две группы: синте- зируемые организмом человека и животных, или заменимые, и несинтезируемые, или незаменимые (их также называют обязательными).

§ 5. ФОРМЫ СВЯЗЕЙ В БЕЛКЕ

Большая и сложная молекула белка образуется в результате возникновения связей различной прочности. Наиболее проч- ны ковалентные связи. Основную химическую, наиболее проч- ную химическую связь — ковалентную образуют атомы (или группы атомов), на валентных орбиталях которых имеются неспаренные электроны. Обобществление этих электронов ведет к формированию общей для связывающихся атомов элек- тронной пары. К ним относят пептидные, дисульфидные и сложно-эфирные.

Пептидной связью (—СО—NH—) соединяются между со- бой остатки аминокислот. Дисульфидная связь (—S—S—) об- разуется за счет двух сульфгидрильных групп (—SH) остатков цистеина. Для фосфопротеинов характерно образование эфи- ров фосфорной кислоты и серина.

Важна также ионная связь (солевая), характерная для со-

лей и обусловленная притяжением между противоположно заряженными ионами. В белках существуют также водород- ные связи. Водородная связь проявляется между атомами во-

дорода с атомами наиболее электроотрицательных элементов

56

_________________________________________БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

(О, N, Fe и др.). Водородная связь образуется, когда протон водорода, ковалентно связанный с одним из этих атомов, рас- полагается между ними. Атом водорода содержит единст- веннный электрон, и когда этот электрон уходит на

образование ковалентной связи, ядро (протон) остается без электронных

слоев. Такой водород (протон) не отталкивается электронны- ми облаками соседних атомов, а наоборот притягивается ими, образуя водородную связь, которая слабее, чем ковалентная или ионная связь, но сильнее, чем слабые силы межмолеку- лярного притяжения.

Водородные связи могут быть внутримолекулярными и межмолекулярными. Многие жидкости (вода, органические кислоты, спирты и др.) являются ассоциированными благо- даря образованию межмолекулярных водородных связей, уг- лерод не способен к образованию водородных связей, пото- му что его электроотрицательность значительно меньше, чем у О или N, она довольно близка к Н. Поэтому углеводородные цепи гидрофобны, они с трудом проникают в воду, так как не могут разорвать ее водородные связи. У соединений с группа-

ми ОН, — NH2, — СООН, —С =ОН хорошо

выражена

способность к образованию водородных связей, они гид- рофильны. Молекулы воды образуют водородные связи не только между собой, но и с полярными группами растворен- н ы х соединений. Полярность молекулы воды, способность

образовывать водородные связи очень важны в ее роли биологического растворителя — основной среды живых кле- ток. Единичные водородные связи, образованные в водном растворе, очень слабы. Если в макромолекуле существует большое число водородных связей, возникает большая их сум- марная прочность. Это явление называют кооперативностью водородных связей. Белковая молекула имеет два вида водо- родных связей: между группами пептидных связей и между боковыми радикалами аминокислот. Не менее важны в ста- билизации белков и других биополимеров и их функциони- рования гидрофобные взаимодействия, они еще слабее во- дородных связей. Это— особый вид межмолекулярных сил,

ГЛАВА 2_______________________________________________________________

Рис. 6. Схема гидрофобного взаимодействия между двумя неполярными груп- пами аланина и лейцина (изображены темным цветом; молекулы воды изобра- жены светлыми кружками)

действующих только между неполярными молекулами (ра- дикалами) и только в водной среде (рис. 6).

Гидрофобное взаимодействие возникает в результате того, что молекулы воды, стремясь образовывать между собой во- дородные связи, выталкивают гидрофобные группы; они сближаются до тех пор, пока не соприкоснутся; скручивают- ся, создавая ассоциаты. Молекулы воды при этом выдвига- ются из той сферы, в которой возникает гидрофобное взаи- модействие. Сближение неполярных групп, их тесный

контакт сопровождается уменьшением числа окружающих их молекул воды.

При этом никаких связей между гидрофобными группами или молекулами не образуется. Возможно только возникно- вение ван-дер-ваальсовых сил притяжения. Ван-дер-вааль- совые силы — более слабое по сравнению с химическими свя-

зями межмолекулярное взаимодействие под влиянием электростатического притяжения, регулируемое условиями взаиморасположения групп или молекул, вступивших во вза- имодействие (расстояние между их центрами и другие пара- метры), связанное с перемещением и деформацией этих групп или молекул.

Способностью к гидрофобным взаимодействиям обладают остатки валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина, а так- же, возможно, пролина, аланина, триптофана, метионина и цистина.

БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

Единичные гидрофобные взаимодействия, слабые каждое и отдельности, благодаря кооперативности многих таких вза- имодействий, образуют очень прочные ассоциации, стабили- зирующие структуру белковой молекулы.

§ 6. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ

Белки — это линейные сополимеры, построенные из остат- ков аминокислот. Они имеют несколько последовательно воз- никающих уровней пространственной структуры (организа- ции). Различают четыре уровня структуры белковой молекулы: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.

Первичная структура. Возникает благодаря пептидным свя- зям между а-карбоксильной и а-аминогруппой.

Благодаря соединению по этому принципу десятков и со-

тен аминокислотных остатков образуется полипептидная цепь. Полипептидная теория строения белковой молекулы, предложенная Эмилем Фишером, оказалась основополагаю- щей, вокруг которой развиваются современные представления о структуре белка. Первичной структурой белка называют пос-

ледовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Вторичная структура — это упорядоченное пространствен-

ное расположение отдельных участков полипептидной цепи без учета типа и конформации боковых радикалов аминокис- лот. Она образуется за счет замыкания водородных связей меж- ду пептидными группами. Вторичная структура представлена в основном регулярными структурами: а-спираль, складчатые слои (б-структура), б-изгиб. Часть полипептидной цепи не

ГЛАВА 2

имеет упорядоченного строения, такие участки называют аморфными или бесструктурными областями. Без подробно- стей, в общем виде, вторичную структуру можно охарактери- зовать так: в а-спиральных участках и участках с б-складчатой

структурой все последовательно расположенные пептидные звенья полипептидной цепи имеют идентичные взаимные ориентации. Такой участок полипептидной цепи имеет линей- ную структуру, формируется из линейных групп. В а-структу- ре между отдельными участками всей длинной полипеп- тидной части возникают водородные связи. В результате полипептидная цепь закручивается. Спиралевидная а-струк- тура схематически представлена на рис. 7. Один полный виток спирали включает 3,6-аминокислотных остатка, а «шаг» спи- рали, соответствующий одному аминокислотному остатку имеет длину 0,15 нм.

Складчатые участки полипептидной цепи образуются за счет водородных связей между полипептидными цепями. От- личительная особенность (б-структуры в том, что полипептид- ные цепи в ней вытянуты, расположены параллельно, их пеп- тидные группы (С=О и —NH) лежат в одной плоскости и ориентированы так, что могут образовывать водородные свя- зи с соответствующими группами соседних цепей. Складча-

Рис. 7. Схема а-структуры полипептидной цепочки

______________________________________________БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

Рис. 8. Схема б-структуры полипептидных цепочек

тыe участки полипептидной цепи проявляют кооперативные свойства, т. е. стремятся расположиться рядом в белковой мо- лекуле, и формируют параллельные и антипараллельные складчатые слои или листы, которые укрепляются благодаря

водородным связям между складчатыми участками цепи

(рис. 8).

Антипараллельная б-структура образуется в том случае, если складчатая цепь делает поворот назад и идет в обратном на- правлении; в месте поворота образуется б-изгиб, в который вхо-

дят четыре последовательно расположенных аминокислотных остатка. Параллельная б-структура складывается участками из полипептидной цепи, направления которых совпадают. Ан- типараллельность цепей создает наиболее благоприятные ус-

ловия для возникновения водородных связей между ними при участии пептидных групп. В случае параллельного располо- жения цепей в структуре складчатого б-слоя водородные свя- зи между цепями менее прочны. Боковые радикалы амино-

кислотных остатков приблизительно перпендикулярны плоскости б-складчатых слоев, причем боковые цепи аминокислот ориентированы поочередно то по одну, то по другую сторону этой плоскости.

Третичная структура. Представляет собой расположение в пространстве полипептидной цепи, отдельные участки кото- рой имеют вторичную структуру. По форме белковой молеку- лы, сложившейся на третьем уровне пространственной ее орга- низации, различают белки глобулярные и фибриллярные.