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

ГЛАВА 6

результате чего пероксид активизируется и приобретает спо- собность действовать как акцептор водорода.

Особенно легко перекиси образуются при окислении кис- лородом воздуха соединений, имеющих непредельные связи между двумя атомами углерода: терпенов, каротиноидов, не- насыщенных жирных кислот. Пероксидаза, как и каталаза, — двухкомпонентный фермент, простетическая группа его со- держит железо, соединенное с остатками четырех пирроль- ных колец в виде гематина. Гематин пероксидазы и каталазы имеет одно и то же строение. Различия в каталитической фун- кции каталазы и пероксидазы объясняются разными свой- ствами белков, связанных в этих ферментах с одной и той же простетической группой. Пероксидаза играет важную роль в дыхании растений. Каталаза (1.11.1.6) состоит из четырех суб- молекул, каждая из которых хорошо видна при большом уве- личении в электронном микроскопе. Роль каталазы в орга- низме заключается в том, что она разрушает ядовитый для клеток пероксид водорода. Каталаза ингибируется синиль- ной кислотой, сероводородом, фторидами. Гематин также слабо катализирует окисление перекисями различных спир- тов и других соединений.

__________________________________________________ ФЕРМЕНТЫ

Липоксигеназа (1.13.11.12) широко распространена в рас- тениях, старое название — липоксидаза. Фермент катализи- рует процесс окисления кислородом воздуха некоторых нена-

сыщенных высокомолекулярных жирных кислот и образуемых ими сложных эфиров. Наиболее активна она в семенах сои. Липоксигеназа сои представляет собой глобулин с молекуляр- ной массой 102000, в виде белковых кристаллов, содержит железо. Оптимум действия липоксигеназы сои находится при рН 6,5—7,0, а злаков при рН 7,0. Из всех ненасыщенных жир-

ных кислот липоксигеназа окисляет с достаточной скоростью лишь линолевую и линоленовую кислоты.

Окисление ненасыщенных жирных кислот под действием липоксигеназы приводит к образованию гидроперекисей:

Образующиеся таким образом гидроперекиси имеют высо- кую окислительную способность и могут окислять далее но- вые порции ненасыщенных жирных кислот, а также кароти- ноиды, витамин А, аминокислоты, хлорофилл, аскорбиновую кислоту.

Поскольку липоксигеназа катализирует вторичное окис- ление каротиноидов, сопровождающееся исчезновением ха- рактерной для них желтой окраски, делаются попытки при- менить липоксигеназу в качестве препарата, отбеливающего тесто, и придающего мякишу хлеба более светлую окраску. Липоксигеназа играет важную роль при разрушении кароти- на во время сушки и хранения различных растительных про- дуктов. Перекиси жирных кислот могут легко подвергаться дальнейшему распаду, по этой причине липоксигеназа игра- ет существенную роль в процессе прогоркания муки и раз- личных круп.

Ферменты второго класса — трансферазы. К этому классу

принадлежат ферменты, катализирующие перенос целых атом- ных группировок от одного соединения к другому. Под дей-

ГЛАВА 6

ствием фосфотрансфераз остатки фосфорной кислоты пере- носятся от аденозинтрифосфата на глюкозу или фруктозу. При этом образуется аденозиндифосфат и фосфорный эфир соот- ветствующего сахара:

Глюкозо-6-фосфат может далее под действием фосфот-

рансферазы присоединять еще один остаток фосфорной кислоты, получив его от новой молекулы аденозинтрифос- фата:

Фосфотрансфераза, катализирующая образование гексозо- фосфата из гексозы и аденозинтрифосфорной кислоты, полу- чила название гексокиназы (2.7.11), а фермент, под действием которого из глюкозомонофосфата образуется глюкозодифос- фат, — фосфоглюкокиназы. Гексокиназа найдена в дрожжах, зерне пшеницы и горохе, проростках овса. Она получена из дрожжей в виде белковых кристаллов.

Под действием соответствующей фосфотрансферазы про- исходит также фосфорилирование пировиноградной кисло- ты — одного из важнейших промежуточных продуктов дыха- ния и брожения:

Большую роль в обмене веществ играют реакции переами- нирования. Реакция переаминирования заключается в меж- молекулярном переносе аминогруппы с аминокислоты на ке- токислоту и катализируется ферментами, получившими название аминотрансфераз:

__________________________________________________ ФЕРМЕНТЫ

Ферменты третьего класса — гидролазы. Катализируют ре-

акции гидролиза, т. е. расщепление сложных соединений на более простые с присоединением воды. Класс гидролаз весьма обширен, и его подразделяют на ряд подгрупп.

где R — остаток органической (или неорганической) кислоты, R1 — остаток спирта или фенола.

Фермент, гидролизующий распад жира, или триацилгли- церинов (по-старому триглицериды), называется триацигли- церол-липазой (3.1.1.3). Его часто называют по-старому липа- зой. Липаза действует таким образом, что сначала отщепляет от триацилглицерина один кислотный остаток, затем второй и, наконец, третий.

Ниже приведены реакции, катализируемые триацилглице- рол-липазой:

ГЛАВА 6

где R1, R2 и R3—радикалы высокомолекулярных жирных кислот.

Липазы различного происхождения весьма существенно различаются по свойствам и характеру действия.

Врастениях и микроорганизмах липаза содержится в двух формах — в виде нерастворимого и растворимого в воде фер- мента. Нерастворимая липаза содержится в семенах клеще- вины. С помощью триацилглицерол-липазы клещевины можно не только гидролизовать жир, но при соответствую- щих условиях синтезировать его (триацилглицерин). Клеще- винная липаза обладает большой специфичностью, она по-

чти не действует на водорастворимые эфиры глицерина и низкомолекулярных жирных кислот — уксусной, пропионо- вой, валериановой и др. Оптимум ее действия соответствует рН 3,6.

Вотличие от липазы клещевины липаза, содержащаяся в семенах злаков, многих масличных культур и в микроорга- низмах, относится к растворимым ферментам. Оптимум ее действия по кислотности среды также значительно отлича- ется от клещевинной липазы: он находится при рН 8. Дей-

ствие липазы имеет большое значение при хранении муки и крупы, особенно содержащих много жира (например, пше- но). При повышенной влажности и температуре хранения этих продуктов липаза быстро расщепляет триацилглицери- ны с образованием свободных жирных кислот, что приводит

кповышению кислотности продукта и его быстрому прогор- канию.

Во всех звеньях растений содержится эстераза фермент хло- рофиллаза (3.1.1.14), активно действующая в спиртовых ра- створах и осуществляющая реакцию «переэстерификации»:

фермент отщепляет от хлорофилла остаток фитола и заменяет его остатком того спирта, в среде которого ведется реакция:

ФЕРМЕНТЫ

Имеются ферменты, катализирующие гидролиз тиоэфиров, например фермент тиогликозидаза (3.2.3.1), ранее называвша- яся мирозиназа, гидролизующая глюкозид синигрин, содер- жащийся в семенах черной горчицы. При увлажнении растер-

тых семян горчицы под действием мирозиназы синигрин расщепляется на глюкозу, изородановый эфир аллилового спирта и бисульфат калия.

К подгруппе эстераз относят фосфатазы — ферменты, гид- ролизующие сложные эфиры фосфорной кислоты. Они отли-

чаются друг от друга по химической природе гидролизуемых ими субстратов. В зерне важную роль играют гидролазы фосфо- моноэфиров, к которым относят фитазу (3.1.3.8). Она отщепля- ет фосфорную кислоту от инозитфосфорной кислоты, которая в виде Са—Mg-соли представляет

собой фитин. В семенах многих растений и дрожжах со- держится активная фитаза. Оптимум действия фитазы пше- ничного зерна находится при рН 5,8 (рис. 25).

Фитаза оказывает большое влияние на пищевую ценность хлеба. Инозитфосфорная кис- лота, образуя нерастворимые соли с кальцием, препятствует его усвоению организмом чело-

ГЛАВА 6

века. Фитаза дрожжей и муки в процессе брожения теста рас- щепляет большую часть содержащейся в нем инозитфосфор- ной кислоты, и тем способствует лучшему усвоению солей кальция.

Протеазы (3.4) — ферменты, катализирующие гидролити- ческое расщепление белков и полипептидов. Протеазы катали- зируют расщепление пептидной связи —СО—NH— поэтому в классификации ферментов их называют пептидгидролазами. Протеазы разделяют на пептидазы и протеиназы. Пептидазы

катализируют гидролитическое расщепление полипептидов и дипептидов. Протеиназы осуществляют непосредственно гид- ролиз белков. Впоследствии оказалось, что протеиназы спо- собны гидролизовать пептидные связи не только в белках, но и в различных полипептидах. Однако условное деление проте-

аз на пептидазы и протеиназы закрепилось в практике работы с протеазами.

Аминопептидазы (3.4.11) — первая цифра обозначает класс гидролаз, вторая — подкласс пептидгидролаз, третья — груп- пу аминопептидаз. Для действия аминопептидаз необходимо наличие в молекуле субстрата свободной а-аминной группы:

Карбоксипептидазы (3.4.17) расщепляют в полипептидах пептидную связь, находящуюся рядом со свободной карбок- сильной группой пептида:

Дипептидазы (3.4.13.11) катализируют гидролитическое расщепление дипептидов на свободные аминокислоты. Гли- цилглицин распадается под действием дипептидазы (3.4.13.11) на две молекулы гликокола:

ФЕРМЕНТЫ_____________________________________________________

Протеиназы гидролизуют непосредственно белки. При этом из белка образуются пептоны (продукты неполного гидроли- за белков), полипептиды и свободные аминокислоты. В зави-

симости от природы гидролизуемого белка оптимальная зона действия отдельных протеиназ находится при слабокислой, нейтральной или слабощелочной реакции.

Протеиназы, содержащиеся в млечном соке и в семенах ра- стений, в дрожжах, составляют особую группу ферментов, ти- пичным представителем которых является папаин (3.4.22.2). Его получают в виде сухого порошка из млечного сока дынно- го дерева (Carica papaya). Молекула папаина состоит из 212 аминокислотных остатков. Первичная структура молекулы папаина полностью выяснена. Она содержит три дисульфид- ных мостика и одну сульфгидрильную группу, входящую в ак- тивный центр фермента.

Характерная особенность папаина, как и ряда других про- теолитических ферментов растительного происхождения, зак- лючается в том, что они активизируются синильной кислотой

исульфгидрильными соединениями, прежде всего цистеином

ивосстановленным глютатионом.

На действие ферментов большое влияние оказывает моле- кулярная структура субстрата — его атакуемость ферментами.

Подтверждена различная атакуемость разных белков одними и теми же протеазами. Это обстоятельство оказывает существен- ное влияние при тестоведении на белки различных сортов пше- ницы, резко различающихся по физическим свойствам клей- ковины, а, следовательно, и на их хлебопекарное достоинство.

ГЛАВА 6

Скорость расщепления белков протеолитическими фер- ментами зависит от присутствия в белке определенных хими- ческих группировок, например сульфгидрильных, аминных и оксигрупп. Если эти группы в белковой молекуле каким-либо образом ликвидировать, то атакуемость белков ферментами изменяется. Так, при восстановлении дисульфидных связей белка скорость его расщепления протеиназами возрастает, а в

результате блокирования оксигрупп бензилированием или ацетилированием атакуемость белка понижается. Атакуемость

белка протеиназами зависит от присутствия в его молекуле определенных химических групп, а также от его первичной, вторичной и третичной структуры.

Карбогидразы — ферменты, катализирующие реакции типа

где R — остаток моно-, ди- или полисахарида, R1 может быть также моно-, ди- или полисахаридом или же веществом неуг- леводной природы, содержащим спиртовую или фенольную группу (например, агликоны в гликозидах).

Кислородная связь в веществах, расщепляемых карбогид- разами, имеет характер ацетальной или эфирной связи. Кар- богидразы делят на олигазы (а-глюкозидаза, б-галактозидаза, б-фруктофуранозидаза) и полиазы (амилазы, глюкоамилаза, целлюлаза, гемицеллюлазы).

а-Глюкозидаза (3.2.1.20)—систематическое название a-D- глюкозид-глюкогидролаза, старое название — мальтаза. Фер- мент, расщепляющий a-глюкозидную связь в дисахаридах и глюкозидах, содержится в тканях растений, плесневых гри- бах, дрожжах, бактериях. Особенно большое количество а- глюкозидазы в проросшем зерне проса. Просяной солод при-

меняется в качестве добавки к ячменному солоду при изготовлении мальтозной патоки. Активная а-глюкозидаза просяного солода обеспечивает гидролиз мальтозы с об- разованием двух молекул глюкозы. Глюкоза более сладкая, чем мальтоза.

a-Глюкозидаза расщепляет мальтозу, но может гидролизо- вать и сахарозу, поскольку сахароза, как и мальтоза, является a-глюкозидом. Она не только катализирует реакцию гидроли-

190

ФЕРМЕНТЫ

за, но способна и к реакции синтеза a-глюкозидов из а-глю- козы и соответствующего спирта.

а-Галактозидаза (3.2.1.22) — систематическое название — а-D-галактозид-галактогидролаза, старое название — мелиби- аза. При действии a-галактозидазы на рафинозу происходит расщепление связи между остатком a-галактопиранозы и ос- татком глюкопиранозы. В результате из рафинозы образуются а-галактопираноза и сахароза. a-Галактозидаза содержится в пивных дрожжах и грибном солоде— ферментном препарате из плесневого гриба Aspergillus oryzae.

б-Фруктофуранозидаза (3.2.1.26) — систематическое назва- ние— б-D-фруктофуранозид-фруктогидролаза, старые назва- ния — сахараза, инвертаза. Фермент катализирует расщепление сахарозы на глюкозу и фруктозу. В то время как а- глюкозидаза гидролизует сахарозу у а-глюкозидного углеродного атома остатка глюкозы, б-фруктофуранозидаза разрывает связь у б-глю-козидного углеродного атома остатка фруктозы:

В обоих случаях получается один и тот же результат: сво- бодные глюкоза и фруктоза. У трисахарида рафинозы имеется такая же связь между остатком глюкозы и остатком фрук- тозы, как и в сахарозе. Поэтому б-фруктофуранозидаза гидролизует также рафинозу. При этом из рафинозы получа-

ется молекула фруктозы и молекула дисахарида мелибиозы (из остатков глюкозы и галактозы). б-Фруктофуранозидаза содержится в высших растениях, микроорганизмах и в пище- варительных соках животных. Особенно активен этот фер- мент в дрожжах, из которых его обычно получают в виде очищенных препаратов.