Нанобиотехнологии в кормлении животных, производстве и переработке сельхозпродукции. Учебное пособие

1. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ ЖИВОТНЫХ

Для производства продукции, поддержания жизненных функций организма животные должны ежедневно получать необходимое количество питательных и биологически активных веществ: углеводов, белков, жиров, витаминов, минеральных веществ: макро- и микроэлементов в соответствии с физиологическими потребностями.

В настоящее время разработаны рационы кормления животных по 28–30 показателям.

Прием пищи, переваривание и всасывание представляют собой начальные этапы функциональной цепи, дальнейшими звеньями которой являются процессы промежуточного обмена. Обмен веществ можно представить как комплекс нанобиотехнологических процессов, при которых основные питательные вещества: углеводы, белки и жиры – расщепляются до наночастиц и переходят в доступную для усвоения форму.

1.1. Углеводы

Углеводы служат главным источником энергии в обменных процессах организма животных. Конечным продуктом расщепления полисахаридов является глюкоза. Сто лет назад А. Эйнштейн доказал, что размер молекулы сахара равен 1 нм, т. е. глюкоза является наночастицей.

Углеводы являются важными органическими соединениями природного происхождения. В сухом веществе растений содержание углеводов составляет до 80 %. Только растения способны осуществлять путем фотосинтеза полный синтез углеводов из СО2 и воды. По мнению некоторых авторов, ежегодно на планете в результате фотосинтеза образуется более 40 млрд т углеводов.

11

В организме животных углеводы играют доминирующую роль, выполняя различные функции. Они участвуют в большинстве биохимических процессов, являются предшественниками всех компонентов растений. Производные углеводов – мононуклеотиды – являются структурными компонентами нуклеиновых кислот, которые участвуют в передаче наследственных признаков и в биосинтезе белка. Следует также отметить, что гликозиды, также являющиеся производными углеводов, определяют состав нуклеотидов и коэнзимов, например, АТФ. Такие соединения, как витамин С, гепарин, гиалуроновая кислота, являются углеводами или их производными. С полисахаридами связаны многие явления иммунитета, специфичности тканей, групп крови и т. д.

К труднопереваримым углеводам относятся целлюлоза, крахмал, инулин, к легкоусвояемым – моносахара: глюкоза, фруктоза, дисахариды, лактоза, сахароза, мальтоза.

В пищеварительном тракте животных труднопереваримые углеводы гидролизуются под действием ферментов, которые выделяют микроорганизмы.

Целлюлоза (клетчатка) – полимер с формулой

(С6Н10О5) n. Белое твердое вещество, нерастворимое в воде, стойкое, не разрушается при нагревании до 200оС. Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие 300–10000 остатков глюкозы. Эти нити соединены между собой множеством водородных связей, что придает целлюлозе большую механическую прочность. Полисахарид – главная составная часть клеточных оболочек всех высших растений. Целлюлоза в клеточных стенках растений организована в микрофиблиллы, представляющие собой паракристаллические комплексы из нескольких макромолекул, связанных между собой водородными связями. Между собой микрофибриллы связаны гликанами гемицеллюлозы

12

и в меньшей степени – пектинами. При изучении поверхности растительных клеток в основании целлюлозных микрофибрилл можно наблюдать терминальные комплексы размером около 30 нм.

Крахмал синтезируется различными растениями в хлоропластах под действием света при фотосинтезе. Это аморфный порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде набухает (растворяется), образуя коллоидный раствор – клейстер. В воде при добавлении кислот постепенно гидролизуется с образованием декстринов вплоть до глюкозы. При нагревании сухого крахмала до 200–250оС происходит частичное его разложение и получается смесь менее сложных, чем крахмал, полисахаридов (декстрины и т. д.). Физическое изменение позволяет получать крахмал с высокой способностью удерживать влагу, что, в свою очередь, придает конечному продукту желаемую консистенцию.

Структурная формула крахмала:

n

Крахмал используют для получения патоки, глюкозы, этанола. В пищевой промышленности его включают в состав колбас, майонеза, кетчупа и т. д. В птицеводстве крахмал является основным источником энергии.

Крахмал состоит из биополимеров двух типов: амилозы и амилопектина. Молекулы амилозы первичной структуры являются полимером, имеющим линейное строение, в котором молекулы глюкозы соединены между собой

13

α-1,4-гликозидной связью. В зависимости от вида крахмала молекулы амилозы имеют молекулярную массу в пределах

50000–2000000 Д.

Молекулы амилозы вторичной структуры имеют спиралевидное строение. Устойчивость вторичной структуры макромолекул амилозы обеспечивается внутримолекулярными водородными связями. Внутренний диаметр канала спирали составляет 0,5 нм, и внутрь спирали амилозы могутвходитьнекрупныемолекулы,такиекакмолекулыводы, размер которых составляет 0,138 нм.

Молекулы амилопектина имеют разветвленное строение. Молекулярная масса амилопектина разных видов крахмалоносов находится в пределах 1000000–5000000000 Д. Ветви амилопектина классифицируются в зависимости от их длины. Самые короткие ветви – А со степенью полимеризации до 15. Обычно эти ветви составляют наружную часть амилопектиновой грозди и связаны только с В-ветвя- ми,ониболеедлинныеисоставляютвнутренниечастиамилопектиновой грозди.

Глюкоза (наночастица) – моносахарид, формула С6Н12О6. Широко распространенный в природе углевод. Образует бесцветные кристаллы. Температура плавления 140оС. Хорошо растворима в воде. В растениях содержится как в свободном виде, так и виде эфиров фосфорной кислоты. Её остаток входит в состав олигосахаридов (сахарозы, лактозы и других соединений), полисахаридов (крахмала, гликогена, сахарозы и др.), гликозидов и других производных.

Основные пути метаболизма глюкозы:

а) гликолиз и аэробное окисление до СО2 и Н2О, в результате которых образуются АТФ и другие макроэргические соединения;

в) синтез олиго- и полисахаридов;

14

г) превращение в пентозы и другие простые сахара. Молярная масса глюкозы 180 г/моль.

Всосавшаяся глюкоза в основном используется как энергетический материал, так как возможности отложения её в организме весьма ограничены. В печени, в мышцах и других органах глюкоза депонируется в виде гликогена. Часть глюкозы в печени превращается в жир и откладывается в жировых депо.

Во всех тканях, пройдя стадию депонирования, глюкоза используется как источник энергии, т. е. окисляется. Окисление глюкозы происходит как в аэробных, так и анаэробных условиях.

Глюкоза активируется, превращается в пировиноградную кислоту. В аэробных условиях пировиноградная кислота окисляется в цикле Кребса до диоксида углерода и воды

собразованием АТФ. При полном окислении молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. В анаэробных условиях пировиноградная кислота превращается в молочную

свыделением энергии. Таким образом, из молекулы глюкозы в отсутствие кислорода образуются две молекулы АТФ. Затем в печени из молочной кислоты синтезируются глюкоза и гликоген. Если же на этапе образования молочной кислоты возникают аэробные условия, то она превращается в пировиноградную кислоту, которая окисляется в цикле Кребса.

Глюкоза используется для синтеза лактозы, липидов, гликогена, аминокислот, жирных кислот.

Дляустановленияструктурнойформулымолекулыглюкозы необходимо знать её химические свойства. Экспериментально доказано, что один моль глюкозы реагирует с пятью молями уксусной кислоты с образованием сложного эфира. Это означает, что в молекуле глюкозы имеется пять гидроксильныхгрупп.Таккакглюкозасаммиачнымраство-

15

ром оксида серебра даёт реакцию серебряного зеркала, то в её молекуле должна быть и альдегидная группа. Опытным путём также доказано, что глюкоза имеет неразветвлённую углеродную цепь.

На основании этих данных строение молекулы глюкозы можно выразить следующим образом:

Как видно из структурной формулы, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом и альдегидом, т. е. альдегидоспиртом.

Ворганизме человека и животных глюкоза содержится в мышцах, в крови и в небольших количествах во всех клетках.

Вприроде глюкоза наряду с другими углеводами образуется в результате фотосинтеза:

Впроцессе этой реакции аккумулируется энергия Солнца.

Первый синтез простейших углеводов из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведён А. М. Бутлеровым в 1861 г.:

В производственных условиях глюкозу получают путём гидролиза крахмала в присутствии серной кислоты:

16

Глюкоза является ценным питательным продуктом. В организме животных она подвергается сложным биохимическим превращениям, в результате которых энергия освобождается и используется в обменных процессах.

1.2. Белки

По определению Ф. Энгельса, «жизнь есть способ существования белковых тел». Зародилась она более 4 млрд лет назад, когда синтезировалась первая ДНК. Белки представляютсобойнанокомплексы,состоящиеизаминокислот, которые являются наночастицами.

Протоплазма и ядра всех клеток животных и растительных организмов построены главным образом из белков. У животных белки образуют также основы клеточных оболочек и опорных тканей – соединительной, костной, сухожильной и хрящевой. Аминокислотный состав некоторых животных и растительных белков приведен в табл. 2.

Таблица 2

Аминокислотный состав некоторых животных и растительных белков, % к сырому протеину

17

Из таблицы видно, что животные белки содержат по сравнению с растительными значительно больше таких важнейших аминокислот, как лизин, метионин, треонин

ивалин. Для синтеза своих белков животные должны принять растительных белков не эквивалентное количество, а больше настолько, насколько в них меньше незаменимых аминокислот. В этом заключается одна из причин большого расходования кормов на единицу продукции. В связи с этим возникла проблема регулирования аминокислотного питания.

Почти все продукты животноводства являются концентратами высококачественного для питания человека белка. Известно, что животные не могут синтезировать белок из низкомолекулярных источников азота, углерода, водорода

икислорода. Из таких исходных веществ белок образуется растениями, некоторыми микробами, а животный организм, принимая белки растений, перестраивает и накапливает их в соответствии с потребностями тканей и органов.

Белки обладают большой динамичностью, этим и определяется их особая роль в развитии живой природы. Они способны к развитию в процессе обмена веществ и энергии с окружающей средой, испытывая многочисленные превращения под влиянием ферментов и в то же время сами (покрайнеймере,многиеизних)являютсяферментами,т. е. ускорителями бесчисленных химических процессов, протекающих в организме птицы и даже вне его.

Вживотноводствесэтимисвойствамибелковприходится встречаться постоянно, так как обмен веществ, лежащий в основе развития и продуктивности, осуществляется при помощи ферментов.

Большое значение для животноводства имеют иммунологическиесвойствабелков:вкровиобразуютсятакназываемые антитела – вещества, способные нейтрализовать вве-

18

денный белок. При накоплении в крови антител животные становятся невосприимчивыми к заражению тем белком, который вызвал образование антител, т. е. у них вырабатывается иммунитет. Антитела тоже являются белками и чаще всего относятся к гамма-глобулинам. Белки, вызывающие образование антител, называются антигенами. Иммунобиологическим реакциям присуща очень высокая специфичность, каждому белку соответствует определенное антитело. Эту особенность иммунитета обычно используют для распознавания отдельных белков. С этой целью опытное животное иммунизируют определенным белком. Затем неизвестные белки обрабатывают сывороткой крови иммунизированной особи. Положительная реакция свидетельствует о содержании того белка, против которого в сыворотке имеются антитела. В процессе жизнедеятельности организма белки, несомненно, претерпевают изменения, которые соответствуют потребностям животного в данный момент.

1.2.1. Белковые вещества тела животных и продуктов их жизнедеятельности

Если взять целые туши разных видов животных, гидролизоватьихиопределитьаминокислотныйсоставихсуммарных белков, то окажется, что он у всех почти одинаковый.

Беспозвоночные резко отличаются малым содержанием глицина, что, по-видимому, связано с отсутствием у них скелета, богатого глицином. У птиц отмечено повышенное количество цистина. Близкое сходство аминокислотного состава общего белка тела животных разных видов не служит прямым доказательством сходства их белков. Это, скорее, свидетельствует о том, что материальной основой тела всех животных является белок с более или менее определенным набором аминокислот, соответствующих требованиям организма. Это фонд аминокислот, используя которые, организм

19

может строить такие белки, какие ему нужны в данный период его жизни.

Качество белков зависит не только от количества входящих в их состав аминокислот, но и от расположения их в молекуле белка. Согласно законам изомерии, из 20 разных аминокислот можно получить очень большое количество сочетаний,аследовательно,иразныхбелков,различающихся последовательностью аминокислот в их молекулах.

При дальнейшем изучении белков организма животных выявлены существенные различия в аминокислотном составе белков отдельных органов и тканей.

Эти различия дают возможность предполагать, что функции органов связаны с аминокислотным составом их белков. В самом деле, что лежит в основе специфичности функций тканей и органов животных? Поскольку в основе структуры и обмена веществ каждой клеточки находятся белки, то логично предположить, что они также лежат в основе их физиологических свойств. Некоторым подтверждением такого предположения может быть сходство аминокислотного состава белков определенных тканей и органов у разных видов животных.

Физические свойства. Белки представляют собой твердые вещества, многие из них выделяются из растворов в виде кристаллов (альбумины, гемоглобины, некоторые ферменты, глобулины), другие постоянно остаются в аморфном, порошкообразном состоянии. Белковые кристаллы обычно несимметричны; мягкие и хрупкие, они при высушивании теряют часть кристаллизационной воды и становятся твердыми, роговыми, мутными.

Белкиактивновзаимодействуютсводой,внейонинабухают и дают гель (желатинизация) или подвижный жидкий золь, по виду напоминающий раствор. Благодаря многообразию форм связи с водой белки образуют любую структу-

20