Материал: Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. - Биохимия зерна и хлебопродуктов

ГЛАВА 5

ния солей фосфора и кальция в рационе. При достаточном об- лучении солнечными лучами (ультрафиолетом) взрослый че- ловек получает достаточное количество витамина D.

Большое количество витамина D содержится в сливочном масле, яйцах, печени, рыбьем жире. Богаты провитамином D растительные масла (подсолнечное, кукурузное, оливковое и др.). Много витамина D в дрожжах.

Витамин Е (токоферол). Из известных восьми соединений,

входящих в группу витамина наиболее изученным является витамин а-токоферол.

Молекулы остальных токоферолов различаются числом и расположением метильных групп в бензольном кольце.

Витамин Е представляет собой сильный антиокислитель. Предохраняет от окисления полиненасыщенные жирные кис- лоты, защищает от разрушительного окисления витамин А,

обеспечивает нормальное функционирование мембранных структур клеток, ослабляет вредное влияние свободных ради- калов. Недостаток витамина Е приводит к шелушению кожи, мышечной слабости, дегенерации печени, снижению интен- сивности дыхания. Низкие концентрации витамина Е в крови связывают с риском возникновения катаракты. Потребность в витамине Е для взрослого человека составляет 20—30 мг. Она покрывается растительным маслом. Витамин Е содержится в зерне злаковых культур (мг/100 г): пшеницы — 6,02; ржи —

5,34; овса — 2,80; кукурузы — 5,50.

Он сосредоточен главным образом в периферийных слоях семени пшеницы. Так, в зародыше и алейроновом слое соот- ветственно (мг на 100 г) 15,84 и 5,77; в сортовой муке он умень- шается до 1,1 мг на 100 г.

Витамин К (нафтохинон, филлохинон, менадион). Известны два витамина К: филлохинон-4 (витамин К1) и менахинон-6 (вита- мин К2). Витамин К необходим для образования в плазме крови протромбина — предшественника тромбина — фермента, превра- щающего белок плазмы крови фибриногена в фибрин.

Фибрин — нерастворимый волокнистый белок, формиру- ющий сгусток крови. При дефиците витамина К резко снижа- ется способность крови свертываться, появляется ломкость капилляров, повышенная проницаемость стенок кровеносных

ВИТАМИНЫ

сосудов; возникают самопроизвольные кровотечения (носо- вые и внутренние). Смешанная пища обычно содержит много витамина К. Витамин К синтезируется микрофлорой кишеч- ника, содержится в растительном масле.

Витамины группы К выдерживают температуру до 120 "С, разрушаются под действием света и кислорода воздуха, щело- чами и кислотами.

§ 4. ВИТАМИНОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Витаминоподобные вещества также как и витамины необ- ходимы организму, но отличаются некоторыми свойствами, нехарактерными витаминам.

Инозит (витамин В8, мио инозит, мезоинозит). Инозит при-

нимает участие в образовании инозитфосфатидов, синтезе жиров. Инозитфосфатиды входят в состав клеточных мемб- ран. Недостаток инозита приводит к ожирению печени, нару- шениям функции нервной системы, способствует развитию атеросклероза. Потребность в нем — 0,5—1 г в сутки. Содер- жится во многих животных и растительных продуктах. Ино- зит найден в горохе зеленом (1,5-2,5 г/кг), в различных кру-

пах (1—2 г/кг), в хлебе (0,5—1 г/кг).

S-метилметионин (витаминI)

Витамин лечит язвы желудка и кишечника. Ускоряет зажив- ление кожных ран. Механизм лечебного действия объясняется км, что витамин является активным поставщиком метильных групп для химических процессов, связанных с регенерацией слизистых оболочек органов пищеварения, и тут же превра- щается в аминокислоту метионин, используемую на синтез белков. Входит в состав многих овощей.

Пангамовая кислота (витамин В15). По биологической роли схожа с витамином I: также легко отдает свою метильную груп- пу на построение жиров и других соединений. Предупреждает ожирение печени, стимулирует деятельность гипофиза и над- почечников. Повышает устойчивость организма при заболе- ваниях сердца и интоксикациях. Суточная потребность в пан- гамовой кислоте составляет около 2 мг. Содержится во всех продуктах растительного происхождения.

ГЛАВА 5

Липоевая кислота (витамин N). Липоевая кислота в со-

дружестве с витамином В, участвует в узловых реакциях окис- ления углеводов в тканях. Как лекарственное средство ис- пользуется при отравлениях солями тяжелых металлов, заболеваниях печени и сахарном диабете. Синтезируется в организме человека и животных. Ориентировочная потреб- ность в ней составляет 1 мг. Липоевая кислота содержится в мясе, капусте, молоке и других продуктах животного и рас- тительного происхождения.

Карнитин (витамин Вт). Точных исследований механизма действия карнитина нет. Полагают, что он участвует в перено- се метильных групп. Не исключают, что принимает активное участие в переносе ацильных радикалов через клеточные мем- браны у позвоночных, в конечном счете в реакциях окисления

исинтеза высших жирных кислот. Синтезируется в организме

иприсутствует в пище.

Полиненасыщенные жирные кислоты (эссенциальные жирные кислоты, витамин F).

К ним относятся линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты. Полиненасыщенные жирные кислоты в десятки и сотни раз быстрее подвергаются энергетическому распаду, чем насыщенные жирные кислоты. Они входят в состав клеточ- ных мембран и других структурных элементов тканей. Обес- печивают эластичность кровеносных капилляров. Использу-

ются при образовании биологически активных соединений (например, простогландинов). Оберегают витамин А от раз- рушения и защищают клетки тканей от различных поврежде- ний, в том числе болезнетворными микробами. Обладают жел- чегонным действием, активизируют энергетический распад тканевых жиров. Сдерживают проникновение холестерина в сосудистые стенки, предупреждают развитие атеросклероза и преждевременное старение организма. Полиненасыщенные

жирные кислоты содержатся в различных количествах во всех продуктах животного и растительного происхождения. Жиры по содержанию полиненасыщенных жирных кислот разделя- ют на три группы: 1) жирные, содержащие 50—80% этих жир- ных кислот (подсолнечное, льняное,соевое, хлопковое, куку- рузное, горчичное, оливковое, конопляное масло); 2) жиры с

________________________________________________ ВИТАМИНЫ

уровнем их менее 50% (свиное сало, гусиный, куриный и ути- ный жир); 3) жиры, содержащие минимальное количество по- линенасыщенных жирных кислот (сливочное масло, бараний и говяжий жир). Суточную потребность человека в полинена- сыщенных жирных кислотах могут удовлетворить 15—25 г и 50—60 г жиров первой и второй группы соответственно.

§5.АНТИВИТАМИНЫ

Вприроде встречаются вещества, способные оказывать на организм влияние, противоположное действию витаминов. Они инактивируют витамины. Такие вещества называют анти- витаминами. Многие из антивитаминов схожи по строению и реакционной способности с витаминами, но не обладают их биологическими свойствами. Занимая (например, в фермен- те) место соответствующего витамина, аналога по строению, они лишают фермент присущих ему функций и тем самым на- рушают обмен веществ. В других случаях структуроразличные соединения лишают витамин присущих ему функций, разру- шая его молекулу или комплексно соединяясь с ним.

Антивитамин тиамина-окситиамин. Будучи по строению бли-

зок тиамину, отличается от него тем, что вместо аминогруппы имеет оксигруппу. Из льняного семени выделено активное ве- щество линатин — антивитамин пиридоксина. В зерне кукуру- зы найден антагонист ниацина. Антивитамины нередко обра- зуются в процессе жизнедеятельности растений. Вытяжка из проростков гороха и лепестков мака задерживает рост дрожжей, содержит антивитамины биотина и пантотеновой кислоты.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое витамины?

2.Каковы отличительные особенности витаминов?

3.В чем заключается биологическое действие витаминов?

4.Какие важнейшие водорастворимые витамины содержат ся в зерне?

5.Какие жирорастворимые витамины входят в состав зерна?

6.Что такое антивитамины, каков характер их действия?

Глава 6

ФЕРМЕНТЫ

§1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Воснове всех жизненных процессов, включая превращение энергии, лежит работа катализаторов белковой природы — ферментов. Ферменты — это высокоспециализированные бел- ковые молекулы, в одном случае в чистом виде и построенные из простых аминокислот, в другом — в сочетании с другими веществами, являющимися биологическими катализаторами, ускоряют химические процессы, представляют собой движу- щую силу биологического обмена веществ. Каждый тип фер- мента может катализировать, как правило, только какой-то один тип реакции, известны тысячи различных ферментов. Ферменты значительно превосходят искусственные катализа- торы по специфичности, каталитической активности и спо- собности действовать в мягких условиях, т. е. при умеренной

температуре и физиологической концентрации водородных ионов. Они способны в течение миллисекунды обеспечить протекание сложных многостадийных реакций, для прове- дения которых химику потребовались бы дни, недели или ме- сяцы работы. Самое замечательное свойство химических ре- акций, протекающих в живых клетках, которое в конечном итоге и делает возможным успешное функционирование кле- ток, состоит в том, что реакции, катализируемые фермента- ми, протекают со стопроцентным выходом.

Особенность ферментов заключается еще в том, что одни и

те же ферменты при известных условиях способны изменять регулируемые ими биохимические процессы в обратном на- правлении.

Поскольку каждый фермент способен ускорить только ка- кую-то одну реакцию конкретного соединения, не влияя при

ФЕРМЕНТЫ

пом на другие его возможные реакции, в живых организмах может протекать одновременно множество различных незави- симых реакций, причем без риска увязнуть в бесполезных по- бочных продуктах. Эта высокая степень специфичности фер-

ментов есть результат действия еще одного важного принципа молекулярной логики живого состояния, а именно принципа структурной комплементарности. Молекулы ферментов в ходе каталитического цикла должны соединиться со своими субстра- тами, и активный центр молекулы фермента может восприни- мать в качестве субстрата лишь такие молекулы, которые почти полностью комплементарны ему. Принцип структурной комп- лементарности лежит в основе специфичности многих различ- ных типов межмолекулярных взаимодействий в клетках. Сотни химических реакций, протекающих в клетках при участии фер- ментов, отнюдь не являются независимыми друг от друга, чаще всего они связаны между собой в сложные последовательности, имеющие общие промежуточные продукты, так что продукт первой реакции может служить субстратом или реагентом вто- рой реакции и т. д. Такие последовательности могут состоять из нескольких реакций — от 2 до 20 и более, а они в свою очередь связаны между собой, образуя сложные сети сходящихся и рас- ходящихся реакций. Биологическое значение таких систем пос- ледовательных реакций в том, что они обеспечивают направ- ленность биохимических процессов.

Тот факт, что все химические реакции в клетке катализиру- ются ферментами и связаны друг с другом общими продукта- ми, подводит к пониманию того, что в живых клетках в бук-

вальном смысле слова в одном и том же объеме и в одно и то же время происходят сотни и тысячи синтезов совершенно раз- личных молекул, исходным сырьем для которых служат всего лишь несколько предшественников. Объединение катализи- руемых ферментами реакций в последовательности обеспечи- вает упорядоченную направленность тысяч химических реак-

' Комплементарность (лат. комплементум — дополнение, средство попол- нения) — взаимное соответствие в химическом строении взаимодействую- щих молекул, обеспечивающее образование вторичных связей между ними

— соединение фермента с субстратом. Комплементарные структуры подходят друг к другу, как ключ к замку.

ГЛАВА 6

ций, происходящих в клетке, в результате чего все специфи- ческие биомолекулы, необходимые для функционирования клетки и сохранения ее структуры, образуются в таких отно- сительных количествах, которые необходимы для сохранения нормального устойчивого состояния клетки и организма.

§ 2. СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

Все ферменты разделяются на две большие группы: одно- компонентные, состоящие исключительно из белка и двух- компонентные, состоящие из белка и небелковой добавоч- ной группы. Добавочные группы многих двухкомпонентных

ферментов представляют собой производные витаминов или нуклеотидов. Установлена важнейшая функциональная связь между ферментами, витаминами и нуклеотидами, яв- ляющимися строительным материалом нуклеиновых кислот.

Уоднокомпонентного фермента в непосредственный контакт

спреобразуемым соединением входит часть белковой молекулы, называемой каталитическим центром. Каталитический центр

однокомпонентного фермента представляет собой сочетание нескольких аминокислотных остатков, располагающихся в оп- ределенной части белковой молекулы. Аминокислотные остат- ки, образующие каталитический центр однокомпонентного фермента, расположены в различных точках единой полипеп- тидной цепи. Это означает, что каталитический центр возника- ет в тот момент, когда белковая молекула приобретает прису- щую ей третичную структуру. Следовательно, изменение

третичной структуры фермента под влиянием тех или иных факторов приведет к деформации каталитического центра и изменению ферментативной активности. Все сложнее склады- вается у двухкомпонентного фермента. Одну часть его — белко- вую называют апоферментом. Вторую часть — добавочную груп- пу, прочно связанную, не отделяемую от белковой части, называют простетической группой; в отличие от этого добавоч- ную группу, легко отделяющуюся от апофермента и способную к самостоятельному существованию, именуют коферментом. Ни

белковая часть и ни простетическая в отдельности не обладают заметной каталитической активностью. Только их комплекс

168

ФЕРМЕНТЫ

приобретает ферментативные свойства. При этом белок резко по- вышает каталитическую активность добавочной группы, прису- щую ей в свободном состоянии в очень малой степени: добавоч-

ная же группа стабилизирует белковую часть и делает ее менее уязвимой к денатурирующим агентам. Таким образом, хотя не-

посредственной каталитической функцией обладает добавочная группа, образующая каталитический центр, ее действие в пол-

ной мере невозможно без участия полипептидных фрагментов белковой части фермента. Более того, в апоферменте есть учас- ток, характеризующийся специфической структурой, избира- тельно связывающий кофермент. Это так называемый кофермент, связывающий домен, его структура у различных апоферментов, соединяющихся с одним и тем же коферментом очень сходна.

Пример двухкомпонентного фермента — пируватдекарбок- силаза, катализирующая расщепление пировиноградной кис- лоты на диоксид углерода и уксусный альдегид.

Простетическая группа пируватдекарбоксилазы (тиамин- пирофосфат) образована молекулой тиамина (витамина В,) и двумя остатками фосфорной кислоты. Простетические группы ряда важных окислительно-восстановительных ферментов (де-гидрогеназ) содержат производное амида никотиновой кисло-ты (ниацина) или рибофлавина (витамина В2). В состав просте-тической группы так называемых пиридоксалевых ферментов, катализирующих перенос аминогрупп (—NH2), декарбоксили-рование и ряд других превращений аминокислот, входит пири-доксальфосфат— производное витамина В6; активная группа ферментов, катализирующих перенос остатков различных органических кислот (например, ацетила СНзСО— ), включает ви-тамин пантотеновую кислоту. К

двухкомпонентным ферментам относятся также важные окислительно-восстановительные ферменты каталаза (катализирует реакцию разложения перок-сида водорода на воду и кислород) и пероксидаза (окисляет пе-

ГЛАВА 6

рекисями различные соединения, например полифенолы с об- разованием соответствующего хинона и воды).

Каталитическое действие двухкомпонентных ферментов может быть воспроизведено с помощью ионов железа, облада- ющих малой каталитической активностью, которая может быть усилена, если атом железа входит в состав гема (простетиче- ская группа гемоглобина крови). Гем обладает значительным каталазным действием, но его каталитическая активность в не- сколько миллионов раз меньше активности каталазы, в кото- рой гем в качестве простетической группы этого фермента свя- зан со специфическим белком. Гем обладает также слабым пероксидазным действием, которое проявляется в полной мере только после соединения гема со специфическим белком в це- лостный фермент пероксидазу.

Соединение простетической группы с белком приводит к резкому возрастанию ее каталитической активности. От при- роды белка зависит не только каталитическая активность, но и специфичность действия фермента. Прочность связи про- стетической группы и апофермента у разных ферментов раз- лична. У некоторых ферментов, например у дегидрогеназ, ка-

тализирующих окисление различных субстратов отнятием водорода, эта связь является непрочной. Такие ферменты лег- ко диссоциируют (например, при диализе) и распадаются на простетическую группу и апофермент.

Многие ферменты содержат металлы, придающие им активность. Эти металлы называются кофакторами. Перокси- даза и каталаза содержат железо, аскорбинатоксидаза, ката- лизирующая окисление аскорбиновой кислоты, — медь.

§ 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ ФЕРМЕНТОМ И СУБСТРАТОМ

Контакт между ферментом и субстратом осуществляется ча- стью фермента, в которой происходит связывание и превра- щение субстрата.

Химическая реакция между двумя видами молекул может произойти лишь в том случае, когда молекулы активизирова- ны, т. е. получают определенное дополнительное количество

___________________________________________________ФЕРМЕНТЫ

энергии, называемой энергией активации, — избыток энергии по сравнению со средней энергией молекул при данной тем- пературе, которым они должны обладать, чтобы вступить в ре- акцию. Процесс можно изобразить графически. Если проис- ходит экзоэргоническая (с затратой энергии) реакция AB+NM -> AM+NB, то реагирующие молекулы должны преодолеть оп- ределенный энергетический барьер. Они могут это сделать, лишь получив некоторое дополнительное количество энергии, называемой энергией активации, выраженное отрезком а

(рис. 17).

При этом молекулы перейдут в активное состояние, соответствующее горбу кривой. Активные молекулы, вступив в реакцию, теряют определенное количество энергии, и уро- вень энергии в системе AM+NB будет находиться ниже энер- гетического уровня первоначальной системы AB+NM. Если идет обратная эндоэргоническая (с поглощением энергии) реакция AM+NB -> AB+NM, то энергия активации будет вы- ражена отрезком в. И в том и другом случае отрезок в является мерой свободной энергии реакции.

Сущность действия катализатора и состоит в том, что он снижает энергию активации, необходимую для осуществле- ния данной химической реакции, направляя ее обходным пу- тем — через промежуточные реакции, которые требуют зна- чительно меньше энергии активации. Так, реакция АВ -> А+В в присутствии катализатора К идет следующим образом: АВ+К -> АВК и далее АВК -> ВК+А и ВК -> В+К.

Происходит

Рис.17. Энергетическая схема химической реакции