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

между остатками аминокислот в пептидах (–NH – CO –) называется пептидной. Доказано, что эта связь – главная в белковых молекулах.

Аминокислоты могут взаимодействовать друг с другом не только одной аминной или карбоксильной группой, но и обеими группами одновременно по типу

В результате такой реакции получаются циклические пептиды из разного количества аминокислотных остатков. Циклический пептид, состоящий из двух остатков глицина, какэтопоказановреакциивыше,называетсядикетопиперазином. Высказано предположение, что циклы из аминокислот существуют в некоторых белках.

Характерно взаимодействие аминокислот с азотистой кислотой. При этой реакции аминогруппа аминокислоты замещается гидроксильной группой (–ОН), атом азота аминогруппы объединяется с атомом азота азотистой кислоты и выделяется в виде молекулярного азота, который может быть собран и измерен. Реакция протекает следующим образом:

NH2 –R – COOH + HNO2 → OH – R – COOH + N2 + H2O

Эта реакция лежит в основе количественного определения азота аминогрупп (аминного азота) по Ван-Слайку. Каквидноизреакции,толькополовинавыделяющегосяпри этом азота принадлежит аминокислоте, а другая половина – азотистойкислоте.Поэтому,чтобыузнатьколичествоамин-

31

ного азота в пробе, полученное по Ван-Слайку число делят на два.

С азотистой кислотой взаимодействуют только свободные или открытые аминогруппы, количество которых увеличивается в белках по мере гидролиза. Поэтому по нарастанию содержания аминного азота судят о степени гидролиза белков, т. е. о распаде вследствие присоединения молекул воды.

Большое значение имеет так называемая реакция дезаминирования, при которой аминокислоты превращаются в кетокислоты, а аминогруппы отделяются в виде аммиака. Эта реакция протекает в две стадии. Сначала аминокислота окисляется:

R – CHNH2 – COOH → R – C – COOH

║

NH

Затем аминокислота, взаимодействуя с водой, выделяет аминогруппу в виде аммиака, а сама превращается в кетокислоту:

R – CNH – COOH + H2O → R – CO – COOH + NH3

Поскольку реакция начинается с окисления аминокислоты, то дезаминирование называется окислительным. Эта реакция протекаетв организме птицы и имеет большое биологическое значение.

Кроме того, в организме птицы обнаружены еще два вида дезаминирования – восстановительное, в результате которого аминокислота превращается в обычную органическую кислоту, а аминогруппа отделяется в виде аммиака:

R – CHNH2 – COOH – H2 → R – CH2 – COOH + NH3

и гидролитическое, протекающее с присоединением воды по реакции

R – CHNH2 – COOH – H2O → R – CHOH – COOH + NH3

32

При гидролитическом дезаминировании также выделяется аммиак, но сама аминокислота превращается в оксикислоту.

Дезаминирование аминокислот катализируется в организме специфичными ферментами. В организме животных дезаминированию подвергаются обычно те аминокислоты, которые не идут на синтез белка, а используются либо в качестве источника энергии, либо для синтеза нужных безазотистых веществ, например, жиров

иуглеводов.

Вобмене белков и аминокислот весьма большую роль играет реакция переаминирования аминокислот. При этой реакции аминогруппа переходит от аминокислоты на кетокислоту, и исходная аминокислота превращается в кетокислоту, а принявшая аминогруппу кетокислота становится соответствующей аминокислотой:

Реакция переамирования протекает в организме птицы, растений и микробов и катализируется ферментами трансаминазами, специфическими для каждой аминокислоты.

В межуточном обмене важную роль играет также реакциядекарбоксилированияаминокислот,прикоторойаминокислота теряет карбоксильную группу по реакции

R – CHNH2 – COOH → R – CH2NH2 + CO2

33

При декарбоксилировании аминокислоты выделяются молекула углекислого газа и амин. Декарбоксилирование катализируется ферментами декарбоксилазами, широко распространенными в живой природе.

Многие из аминов, образующихся при декарбоксилировании аминокислот, являются токсичными веществами (например, путресцин и кадаверин, выделяющиеся при декарбоксилировании орнитина и лизина). Некоторые амины обладают высокой физиологической активностью, например, гистамин усиливает секрецию пищеварительных желез и т. д.

С некоторыми веществами аминокислоты образуют окрашенные соединения, что используют в лабораторной практике для качественного и количественного их определения. Так, с нингидрином аминокислоты дают сине-фио- летовое окрашивание, интенсивность которого пропорциональна концентрации аминокислот.

Естьвещества,которыедаютвесьмапрочныесоединения

саминокислотами, взаимодействуя с ними либо по аминогруппе, либо по карбоксильной группе. Так, с1-фтор-2,4-ди- нитробензолом аминокислоты реагируют своей аминогруппой. Связь аминокислот с 1-фтор-2,4-динитробензолом гораздо прочнее, чем связь аминокислот друг с другом посредством пептидной связи (–СО–МН–). Поэтому при воздействии на белок 1-фтор-2,4- [динтробензол] связывается

стой аминокислотой, которая находится в конце белковой цепочки и имеет свободную аминогруппу. Если затем этот белок гидролизовать, то пептидные связи порвутся, аминокислоты выделятся всвободном состоянии, но концевая аминокислота со свободной аминогруппой отделится всоедине- ниис1-фтор-2,4-динитробензолом.Анализэтогосоединения позволяет определить аминокислоту, находящуюся в конце белковой цепи, со свободной аминогруппой.

34

Таким образом, современная биохимия располагает методами определения в белковых цепочках концевых аминокислот. Применяя эти методы на продуктах постепенного гидролиза, устанавливают последовательность аминокислотных остатков в цепочках белковых молекул. Так была выяснена последовательность аминокислотных остатков в молекуле рибонуклеазы, инсулина, в белке вируса табачной мозаики и т. д.

Физические свойства аминокислот. Все аминокисло-

ты представляют собой белые кристаллические вещества, стойкие при обычных условиях хранения. Их основные физические свойства приведены в табл. 4.

Таблица 4

Физические свойства аминокислот

35

Окончание табл. 4

Изтаблицывидно,чтоаминокислотыплавятсяпритемпературе выше 200 °C. Многие из них при плавлении разлагаются. Водные растворы аминокислот также довольно стойки. Автоклавирование при температуре 100–200 °C выдерживают без разложения. При кислотном гидролизе белков окисляется с разрушением значительная часть триптофана и некоторое количество цистина, серина и треонина. Поэтомудляопределениятриптофанабелкигидролизуются щелочью. В спирте аминокислоты, за исключением пролина, растворяются очень плохо.

Важное свойство аминокислот – их изоэлектрическая точка, т. е. показатель концентрации водородных ионов (рН) раствора, при которой растворенное вещество является электронейтральнымипоэтомунепередвигаетсявэлектрическом поле ни к положительному, ни к отрицательному полюсу.

В настоящее время степень передвижения веществ в электрическом поле используется для выделения их из смесей и количественного определения (метод электрофореза). Поэтому сведения об изоэлектрической точке таких веществ, в частности аминокислот, стали представлять существенный интерес.

Аминокислоты характеризуются также оптической активностью, выражаемой показателем удельного вращения плоскости поляризованного света.

36

Заменимые и незаменимые аминокислоты. Биологи-

ческая роль лизина, метионина, триптофана, лейцина, изолейцина,треонина,фенилаланина,гистидина,валинаииногда аргинина определяется тем, что они входят в том или ином количестве во все важнейшие белки тела животных, но в организме не синтезируются, другими аминокислотами не заменяются и поэтому называются незаменимыми. Эти аминокислоты должны поступать в организм животных с кормом в готовом виде и в количестве, соответствующем его потребностям. Недостаток в рационе одной или нескольких из 10 незаменимых аминокислот очень неблагоприятно отражается на состоянии животных: молодняк перестает расти, плохо развивается, а взрослые животные снижают массу тела, плохо едят корм, восприимчивы к разнымзаболеваниям.Объясняетсяэтотем,чтопринедостатке незаменимыхаминокислотворганизменемогутсинтезироваться белки клеток, крови и лимфы, в состав которых они обязательно входят. При этих условиях также замедляется синтезферментов,которыесамиявляютсябелкамиибезкоторыхнеможетосуществлятьсяобменвеществ.Таккакпри недостатке незаменимых аминокислот нарушается жизнедеятельностьживотных,тооничастоназываютсяжизненно необходимыми аминокислотами.

В основном указанные незаменимые аминокислоты жизненно необходимы для птицы всех видов и возрастов, за исключением аргинина и гистидина, которые не являются строго незаменимыми, а также глицина, незаменимого только для цыплят. Аргинин – условно-незаменимая аминокислота, так как он хотя и в малых количествах, но всё же синтезируется в организме птицы.

Существует определенная связь между метионином и цистином: при избытке цистина не так резко проявляется недостаток метионина. Поэтому дефицит в рационе метионина можно частично восполнить цистином.

37

Приведём перечень заменимых и незаменимых аминокислот:

В рационе или в отдельных кормах аминокислоты находятся главным образом в белках. В свободном состоянии их оченьмало.Следовательно,единственнымисточникомаминокислот для птицы служит белок, содержащийся в кормах. Потребность в аминокислотах, и в первую очередь в незаменимых, удовлетворяется только тем белком, в составе которого содержатся незаменимые аминокислоты. Кормовой белок называется биологически полноценным, если он обеспечивает нормальную жизнедеятельность и высокую продуктивность птицы. В значительной мере биологическая ценность белков зависит от их аминокислотного состава, главным образом от наличия в их молекулах незаменимых аминокислот. Обычно наиболее полноценны белки кормов животногопроисхождения.Врастительныхкормахчастоне хватает лизина, метионина, триптофана.

Рацион, содержащий все необходимые аминокислоты в количестве и соотношении, соответствующих потребностям птицы, называется сбалансированным по незаменимым аминокислотам. Недостаток аминокислот в рационе устраняется подбором кормов или добавлением

38

соответствующих аминокислот промышленного производства. Особо важное значение балансирование рационов по незаменимым аминокислотам имеет для моногастричных животных – свиней и птиц. У них корм переваривается в желудке. У жвачных животных (крупный и мелкий рогатый скот, олени, верблюды) принятый корм сперва подвергается в преджелудках (рубец, книжка, сетка) воздействию микробов, а потом поступает в сычуг, где и переваривается. Микробы преджелудков очень сильно изменяют корм, как правило, за счет азотистых веществ его строят белки своего тела и тем самым повышают содержание белка в корме иулучшаютегоаминокислотныйсостав.Поэтомудляжвачных балансирование рационов по аминокислотам не имеет такого большого значения, как для птицы.

Биосинтезаминокислотворганизмеживотных.Мно-

гие аминокислоты, из которых организм строит свои белки, поступают в кровь из желудочно-кишечного тракта, где они выделяютсяизбелковкормаприпереваривании.Животные, особенно растущие, непрерывно и интенсивно строят белки развивающихсятканей,ферментыинекоторыеактивныеполипептиды из аминокислот, поступающих с белком корма. Однако белки разных тканей и органов отличаются своим аминокислотным составом. Поэтому организму в процессе синтеза белков приходится часть аминокислот перестраивать,ачастьсинтезироватьзаново.Посколькунезаменимые аминокислотывтелептицыпочтинесинтезируются,может происходить лишь перестройка незаменимых аминокислот в заменимые, но не наоборот.

Синтез аминокислот в организме возможен при наличии источника аминогрупп и соответствующих кетокислот. Осуществляется он при помощи соответствующих ферментов двумя путями: аминированием и переаминированием.

39

Аминирование – это процесс, обратный дезаминированию. В качестве источника аминогрупп в этой реакции служит аммиак, реакция идет по схеме

R – CO – COOH + NH3 → R – CHNH2 – COOH + Н2О.

Природа аминокислоты, образующейся в результате этой реакции, зависит от природы кетокислоты. Например, если реакция идет с пировиноградной кислотой, то получается аланин:

а если с кетоглютаровой, то глютаминовая кислота:

СООН – СH2– СН2– СО – СООН + NН3 →

кетоглютаровая кислота

→ СООН – СН2– СН2– СНNН3– СООН + Н2О.

глютаминовая кислота

Для незаменимых аминокислот в организме нет свободных соответствующих кетокислот, поэтому они не синтезируются ни аминированием, ни переаминированием. Опыты показали, что незаменимые аминокислоты синтезируются при введении в организм животных кетоили оксикислот, соответствующих их углеродному скелету.

Кетокислоты – аналоги заменимых аминокислот – могутобразовыватьсяизуглеводовижироввпроцессеихпревращения. Эти кетокислоты превращаются в аминокислоты при замещении кислорода кетогруппы готовой аминогруппой двухосновной аминокислоты, т. е. переаминированием.

При переаминировании источником аминогруппы служитаминокислота,поэтомутакимпутемосуществляетсяне синтез новых аминокислот, а превращение их одна в другую. На нижеследующей реакции показано переаминирование глютаминовой кислоты в аланин:

40