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

ГЛАВА2

Глобулярные белки — растворимые вещества с компактной третичной структурой. К глобулярным относится большин- ство белков, содержащихся в растениях, животных и микро- организмах. По форме они приближаются к шару или эллип- соиду. Для их характеристики применяют отношение длины большой оси молекулы к малой оси а/b, для примера приве- дем для некоторых из них эти величины.

Форма некоторых глобулярных белков может значительно отличаться от шаровидной и напоминать вытянутые иглы или короткие нити.

Фибриллярные белки имеют нитевидную форму. Они обыч- но нерастворимы. Выполняют защитные функции. К ним от- носят: кератин, содержащийся в волосах, рогах и копытах жи- вотных; миозин мускулов; фиброин шелка и т. д.

Четвертичная структура. Молекулы многих белков состоят из мономеров, образованных отдельными полипептидными цепя- ми. Ассоциация нескольких мономеров, их взаимное простран- ственное расположение в единой сложной молекуле составля- ют четвертичную структуру белка. Четвертичную структуру создают водородные связи, электростатическое взаимодействие разноименно заряженных групп, ван-дер-ваальсово взаимодей- ствие боковых радикалов аминокислот и др.

Во второй половине 20 века расширены наши знания о фак- торах, кодирующих и стабилизирующих специфические осо- бенности пространственной структуры белков имеющих огром- ную молекулярную массу от 500 тыс. до нескольких миллионов.

Сложный механизм взаимодействия этих факторов составляют понятие и метод, называемый по-английски Folding (фолдинг), переводимый на русский язык «свертывание».

Объединение частей и, прежде всего аминокислот, свер- тывание их в единое белковое целое, регулируется многими физико-химическими процессами на каждом этапе про- странственного формирования белка. Особый интерес и осо-

62

__________________________________________БЕЛКОВЫЕВЕЩЕСТВА

особую роль в этих действиях играют аминокислоты, их после-довательность связывания и разнообразные формы простран-ственного структурирования, начиная с первых моментов по-явления длиннейших углеродных цепей.

Изменения в том же направлении сопровождают все другие уровни синтеза бел-ков. Вся совокупность пространственных структурных построений зa весь период образования каждого белка порождает его своеобразие и особые свойства. На международном симпозиуме, посвященном структуре, стабилизации и фолдингу, прошедшему в Российской Академии Наук в 1998 г., пока-зано, что своеобразие и особые свойства каждого белка риводят к тому, что одни из них могут вызвать неожидан-ные болезни человека, а

другие способны стать средством выдающегося лечебного эффекта.

§ 7. СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Белковые вещества дают ряд характерных реакций. Рассмот-

ренные ранее реакции аминокислот характерны также и для белков.

Белки представляют собой амфотерные электролиты (амфолиты). Для них характерна изоэлектрическая точка — величина рН, при которой белок как кислота или как основание имеет наименьшую степень диссоциации. В изоэлектрической точке суммарный заряд молекулы равен нулю, что для глико-

кола можно выразить формулой CH2(NH3)+COO-.

В этой точке растворимость белка наименьшая. Этим пользуются для выделения белков из растворов. Высаливание белков из растворов солями легче всего происходит в изо- электрической точке.

Изоэлектрическая точка находится для глиадина пшени- цы при рН 7,1, а для зеина кукурузы при рН 6,2. Белки облада- ют гидрофильными свойствами, т. е. связываютводу.

При набухании образуют студни или гели. Сильно гидра- тированный гель— пшеничная клейковина, содержащая око- ло 2/3 воды. Гидрофильность белков зависит от гидрофиль- ных групп, расположенных на поверхности белковой глобулы притягивающих к себе дипольные молекулы воды. К ним относится пептидная связь —СО—NH— (связывает одну мо-

ГЛАВА 2

лекулу воды), аминная группа —NH2 (одну молекулу воды), карбоксильная группа —СООН (четыре молекулы) и т. д.

Вблизи поверхности белковой молекулы молекулы воды строго ориентированы, а по мере удаления от нее их располо- жение становится все более беспорядочным. Водная оболоч- ка вокруг белковой молекулы препятствует осаждению белка, повышает устойчивость белковых растворов. Обезвоживание

белковых глобул с помощью органических растворителей (спирта, ацетона) и солей (снижение их гидрофильности) при- водит к тому, что, слипаясь, они образуют крупные частицы и выпадают из раствора в виде осадка. Гидрофильные свойства

белков зерна имеют большое значение при хранении и переработке зерна, при выпечке хлеба, производстве макарон и т. д. Различная гидрофильность белков — один из важных признаков зерна сильной и слабой пшеницы.

То или иное расположение атомов в молекуле белка назы- вают конформацией. Конформацию белков, создающуюся при нормальных физиологических условиях ковалентными и до- полнительными связями, которые придают белковой молеку- ле определенную упорядоченность, компактность и геомет- рическую форму, называют нативной.

Денатурация белков — сложное явление, в основе которо- го лежит изменение вторичной, третичной и четвертичной

структуры белковой молекулы при сохранении первичной структуры. Она обусловлена нарушением кооперативной си- стемы нековалентных взаимодействий (водородных связей, гидрофобных взаимодействий). В результате утрачивается уникальное пространственное расположение и форма поли- пептидных цепочек, нарушается нативная конформация бел- ковой молекулы. Химический состав при денатурации оста- ется без изменения. Схематически денатурацию белка можно представить как развертывание определенным образом уло- женной в пространстве полипептидной цепочки и образова- ние беспорядочного клубка (рис. 9).

Денатурация в большинстве случаев — процесс необрати- мый, однако известны случаи обратимой денатурации белков.

Денатурация изменяет первоначальные свойства белковых веществ: увеличивается реактивность некоторых химических

_________________________________________БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

Рис. 9. Схема денатурации белковой молекулы:

а— исходное положение; б — начинающееся, обратимое развертывание; в — далеко зашедшее, необратимое развертывание полипептидной цепочки

групп, входящих в состав молекулы; появляются свободные группы (—SH и др.); уменьшаются растворимость, гидрофиль- ность, ферментативная активность; изменяется форма или величина белковой молекулы, увеличивается ее асимметрия; облегчается воздействие протеолитических ферментов; изменяется заряд частиц и т. д.

О том, насколько глубоко изменяется белковое вещество в результате денатурации, можно судить лишь по совокупности признаков. Денатурирующие воздействия разделяют на химические, физические и биологические, хотя часто многие из них действуют взаимосвязанно.

К химическим агентам денатурации относят вещества, рез- ко изменяющие величину рН (кислоты, щелочи), органиче- ские вещества и растворители (мочевина, соли гуанидина, уре- тан, спирт, ацетон), детергенты (додецилсульфат натрия), салицилат натрия и др. Из физических агентов необходимо назвать, прежде всего, тепловую денатурацию, т. е. действие высоких температур. Нагрев разрывает водородные связи и на- рушает взаимодействие гидрофобных групп. Тепловая дена- турация белков наиболее часто наблюдается при сушке зерна, если она ведется с нарушением установленных правил, а так-

_________________________________________БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

зателей качества зерна. На этой стадии денатурации свойства белков изменяются незначительно, на хлебопекарных каче- ствах зерна это не отражается.

Третья стадия приводит к укреплению клейковины пшени- цы. Ее широко используют для улучшения физических свойств слабой клейковины.

Отличительные признаки четвертой стадии — далеко за- шедшее укрепление клейковины, которая становится кроша- щейся или совсем не отмывается, хлебопекарные качества муки заметно ухудшаются. Кроме нагрева, денатурирующее воздействие на белки зерна оказывает облучение ультрафио- летовым светом, а также большими дозами рентгеновских и у-лучей.

Белки денатурируются при механических воздействиях, высоком давлении — 500-1000 МПа, растирании сухих пре- паратов, энергичном встряхивании растворов и растекании с образованием поверхностной пленки. Денатурация при рас- текании объясняется тем, что на поверхности раздела возни- кает монослой белка, в котором полипептидные цепи развер- тываются. К механическим денатурирующим воздействиям относят воздействие ультразвука. Некоторые белковые об- разования подвержены денатурации при замораживании (ли- попротеиды). Существенные изменения происходят в белках (и других веществах) зерна морозобойного.

§ 8. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Рациональной химической классификации белков пока не существует. В основу наиболее распространенной системы классификации положены два принципа: степень сложности и характер растворимости. По сложности строения белки раз- деляют на две большие группы — протеины (простые белки) и протеиды (сложные белки). Часть азота входит в состав небел- ковых соединений.

Протеины — белки, дающие при гидролитическом расщеп- лении только аминокислоты. Это запасные, скелетные (опор- ные) и ферментные белки. При изучении протеинов (растительных белков) используют метод извлечения их

фракций

ГЛАВА 2____________________________________________________________

по растворимости (альбумины, глобулины, проламины и глютелины), предложенный американским исследователем Осборном.

Альбумины растворяются в воде, их можно выделить из ра- створа в виде сгустка денатурированного белка при кипячении. Из водных растворов альбумины осаждают также высаливани- ем при насыщении солями (сульфатом аммония и др.). Альбу- минный комплекс зерна в основном состоит из ферментов.

Глобулины растворяются в водных растворах различных солей (применяют обычно 5—10%-ный раствор NaCl). В чис- той воде они нерастворимы. Для выделения глобулинов из со- левого раствора применяют диализ с помощью полупроница- емых мембран или разбавляют большим количеством воды. Глобулины составляют большую часть семян бобовых культур.

Проламины — наиболее характерные белки для зерна большинства злаковых культур. Они растворяются в 60—80%- ном растворе этанола. К проламинам относят глиадин из зер- на пшеницы и ржи (составная часть клейковины), гордеин — ячменя, зеин — кукурузы, авенин — овса.

Глютелины растворяются в растворах щелочей (0,1—0,2%). Они мало изучены, так как их трудно выделить в чистом виде. Наиболее изучены глютелин зерна пшеницы (составная часть клейковины), оризенин риса и глютелин кукурузы. Разделе- ние протеинов по растворимости носит условный характер.

Современными методами установлена гетерогенность каж- дой из названных белковых фракций. Каждая из них состоит из нескольких, во многих случаях из многих десятков различ- ных белков, имеющих некоторые общие свойства.

Протеиды (сложные белки). Так называют вещества, состо- ящие из белка и соединения небелковой природы — просте- тической группы. По химической природе такие соединения подразделяют на липопротеиды, хромопротеиды, гликопро- теиды и нуклеопротеиды.

Липопротеиды, кроме белка, содержат липиды. Липо- протеиды в большом количестве входят в состав пластид рас- тительной клетки (хлоропласты), содержатся в протоплаз- ме, особенно в мембранах. Хромопротеиды — разнообразная группа, в которую входит гемоглобин крови. В гемоглобине

БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

белок глобин связан со сложным азотистым соединением, со- держащим железо. Это соединение является простетической группой и называется гемом. Гликопротеиды играют важную

роль в построении протоплазмы Они содержат различные углеводы.

Нуклеопротеиды имеют огромное значение в наследствен- ности. Высоко содержание нуклеопротеидов в зародыше зерна.

Внуклеопротеидах белок связан с нуклеиновыми кислотами. Азот входит в состав не только белковых веществ. В зерне

присутствуют и небелковые соединения, содержащие азот. Эти фракции называют небелковым азотом. В нормальном зерне пшеницы на долю небелкового азота приходится до 10% от общего его содержания. К небелковым азотсодержащим веще-

ствам относят главным образом свободные аминокислоты и амиды, подавляющая часть которых сосредоточена в алейро- новом слое и зародыше. Общее количество небелкового азота зависит от жизнедеятельности растения и зерна и может изме- няться в ту или другую сторону. Повышенное содержание не- белкового азота в основном можно рассматривать как резуль-

тат незавершенности биосинтеза белков в зерне или его порчи — распада белковых веществ при неблагоприятных ус- ловиях его хранения и переработки (прорастание и др.).

§ 9. ЗАПАСНЫЕ БЕЛКИ

Наибольшую часть белков зерна злаковых и бобовых (до N0%) составляют запасные белки, накопленные в ходе роста и развития зерна как питательные вещества, необходимые для развивающегося зародыша на начальных этапах прорастания.

Запасные белки (проламины и глютелины) локализова- ны в эндосперме. Считалось, что эти белки не обладают фер- ментативной активностью. Однако в последнее время пока- занo, что пшеничная клейковина, состоящая главным образом из проламина (глиадина) и глютелина (глютени- на) проявляет ферментативную активность. Альбумины и глобулины представлены в основном ферментами и струк- турными веществами. Они входят в состав мембран субкле- точных органелл зерна, образуют белки рибосом, митохон-

ГЛАВА 2_____________________________________________________________

дрий, эндоплазматического ретикулума— клеточной орга- неллы, представляющей собой систему мелких вакуолей, со- единенных между собой одинарной мембраной, в ряде слу- чаев переходящей в наружную ядерную мембрану.

В сложных белках — нуклеопротеидах, липопротеидах, фосфопротеидах и других белковую часть составляют альбу- мины и глобулины. У бобовых культур запасные белки пред- ставлены главным образом солерастворимой фракцией (гло- булинами), а у злаковых спирторастворимой (проламинами) и щелочнорастворимой (глютелинами).

Для белков важно содержание незаменимых (обязательных) аминокислот. Для человека их восемь: лизин, метионин, трип- тофан, валин, изолейцин, лейцин, треонин, фенилаланин. Эти аминокислоты, как и все другие, синтезируют микроорганиз- мы и зеленые растения, но не могут синтезироваться в орга- низме животного и человека. Незаменимые аминокислоты

должны быть обязательно введены в организм человека или животного с пищей. Если их будет в пище недостаточно, то нормальное развитие и жизнедеятельность организма наруша- ются.

Отдельные белки могут быть биологически неполноценны- ми по своему аминокислотному составу. Однако необходимо исследовать аминокислотный состав не отдельных белков, а всего их комплекса, содержащегося в пищевом продукте. Толь- ко при таком подходе могут быть получены правильные дан- ные об аминокислотном составе, а, следовательно, и о пище- вой и кормовой ценности продукта. Белки злаковых культур неполноценны по ряду незаменимых аминокислот, прежде всего по лизину, метионину, триптофану и треонину. Для пи- тания большое значение имеет сбалансированность аминокис- лотного состава белков.

По содержанию в белке незаменимых аминокислот, определяемых химическими методами, вычисляют аминокис- лотный скор, которым характеризуют биологическую цен- ность белка. В продукте (зерне) определяют содержание каж- дой незаменимой аминокислоты. Найденное количество

вычисляют в процентах к содержанию той же аминокислоты в идеальном белке (куриного яйца, молока). Чаще всего в ка-

70

БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

честве идеального белка применяют аминокислотную шкалу Комитета ФАО/ВОЗ* (табл. 6). Аминокислотный скор каждой незаменимой аминокислоты в идеальном белке (шкале ФАО/ ВОЗ) принимают за 100%.

Таблица б

Аминокислотная шкала для расчета аминокислотного скора по «проценту адекватности»

где АК — аминокислота.

По вычисленному скору определяют лимитирующую био- логическую ценность изучаемого белка—аминокислоту с наи- меньшим скором.

Более объективное представление о биологической (или пищевой) ценности белка или продукта в целом дают биоло- гические методы с использованием живых организмов. Наи- более распространенным во всем мире является рост-массо- вый метод, основанный на учете прибавки массы тела на единицу потребленного корма или белка за определенное вре- мя. Чаще всего используют крысят-отъемышей, у которых в

* ФАО — Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН — межправительственная организация, специализированное учреждение ООН. ВОЗ — Всемирная организация здравоохранения

71