Биохимия растений

Как показали результаты исследований, белки разных видов˝ растений, а также разных органов одного и того же растения˝ могут заметно различаться по содержанию аминокислот (табл. 5.1). В˝ белках зерна злаковых растений (пшеница, кукуруза и др.) оч˝ень

много глутаминовой кислоты и глутамина (20—30 %), пролина (5—10 %), лейцина (7—12 %), аспарагиновой кислоты и аспараги-

на (5—8 %), но мало триптофана (0,5—1,5 %), метионина (1,5— 2,5 %), цистеина (2—2,5 %), лизина (2—3 %). Особенно мало этих

аминокислот в проламинах (менее 1 %, табл. 5.2).

5.1. Средний аминокислотный состав белков некоторых растит˝ельных продуктов, %*

*Вследствие потерь при гидролизе выход аминокислот не равен 100 %.

5.2.Аминокислотный состав очищенных растительных белков, %

111

Продолжение

Âбелках листьев содержится относительно много аспараги˝но-

вой и глутаминовой кислот, лейцина, аланина, аргинина, лизи˝на,

фенилаланина, треонина, валина, глицина, пролина, но значи- тельно меньше цистеина, триптофана и метионина (менее 2 %).

Âальбуминах по сравнению с проламинами существенно выше˝

концентрация аргинина, глицина, лизина, метионина и трипт˝о-

фана, но значительно ниже содержание лейцина, пролина, тир˝о-

зина, фенилаланина.

Âспецифическом белке эндосперма пшеницы пуротионине

полностью отсутствуют гистидин, метионин и триптофан, но ˝по-

вышено содержание лизина (15 %) и аргинина (18 %).

Белки зерна зернобобовых и семян масличных культур по ами˝-

нокислотному составу близки к глобулинам, так как на 60—70 % состоят из этих белков. Аминокислотный состав белков клуб˝ней

картофеля, корнеплодов, овощей, плодов, вегетативной масс˝ы ра-

стений довольно близок к альбуминам и глобулинам, посколь˝ку

эти белки составляют 65—75 % общей массы белков указанных растительных продуктов.

Растительные белки — источники незаменимых аминокисло˝т для человека и сельскохозяйственных животных, так как явл˝яются

основными компонентами пищи или корма. Под действием пи-

щеварительных ферментов белки корма гидролизуются до ам˝инокислот, которые затем поступают в кровь и используются дл˝я синтеза белков организма.

Потребность животного организма в незаменимых аминокис˝-

лотах определяется средним аминокислотным составом син˝тези-

руемых белков, и, кроме того, учитывается коэффициент испо˝льзования каждой аминокислоты, зависящий от химического со˝става корма, а также особенностей пищеварительной системы и ˝обмена веществ организма данного вида животных. Этот показатель выражает необходимую пропорцию аминокислот ˝в

кормовом белке.

Если содержание незаменимых аминокислот в кормовом белк˝е

точно соответствует установленной пропорции (т. е. потребно-

112

сти), то все они полностью используются для синтеза белков˝ животного организма и такой кормовой белок называют полноценным. Если же в кормовом белке содержание хотя бы одной аминокислоты недостаточно, то она будет лимитировать синтез бе˝лков в

животном организме и для образования определенной массы˝ животного белка потребуется восполнять недостаток этой ам˝инокис-

лоты добавлением дополнительного количества корма, что в˝ызывает перерасход корма и увеличение затрат на создание одн˝ой еди-

ницы животноводческой продукции. Кроме того, другие амино˝-

кислоты в таких условиях оказываются в избытке и должны

превращаться в организме в другие органические вещества˝. Кор-

мовые белки с низким содержанием незаменимых аминокисло˝т принято называть неполноценными.

По средним нормам питания человеку необходимо потреблят˝ь

8—10 г полноценного белка в расчете на 1 МДж обменной энер-

гии*, содержащейся в пище, коровам — 8—12, свиньям — 10—14,

птице — 12—15 г.

Для каждого вида организмов с учетом их возраста и физиол˝о-

гического состояния определены оптимальные нормы содер˝жания

незаменимых аминокислот в кормовых белках. Наиболее част˝о в

качестве эталона полноценных пищевых и кормовых белков ис-

пользуются нормативы, разработанные экспертами Продово˝льственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) и

Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). В таблице 5.2

приведен эталон аминокислотной шкалы, рекомендуемый

ФАО/ВОЗ для кормовых белков при кормлении крупного ро-

гатого скота. Биологическая ценность такого белка принимается за 100 %, а другие белки в опытах или с помощью расчетов сравнивают с эталоном.

Более высокую биологическую ценность имеют белки животного происхождения: белок яйца и казеин молока — 100 %, белк˝и мяса и рыбы — 95 %. Из растительных белков наиболее полноце˝н- ными являются альбумины, их биологическая ценность соста˝вля-

ет 85—95 %, но они имеют некоторый дефицит по содержанию

метионина и изолейцина. Биологическая ценность глобулин˝ов составляет 80—90 %, они в большей степени дефицитны по метионину и в меньшей — по изолейцину и триптофану. Последнее ˝не относится к глобулинам сои, в которых отмечается лишь нек˝ото-

рый недостаток метионина.

Биологическая ценность глютелинов — 70—80 %, в них понижена концентрация триптофана, метионина и лизина. Менее д˝е- фицитны по указанным аминокислотам оризенины риса, у кото˝-

* Обменная энергия — часть общей энергии, доступная для использования в процессе обмена веществ организма.

113

рых биологическая ценность составляет около 90 %. К неполно˝- ценным белкам относятся проламины, биологическая ценнос˝ть которых составляет 40—50 %. В этих белках содержится очень мало триптофана, лизина и метионина и понижена концентрац˝ия

валина и изолейцина.

Проламины — специфические белки зерна злаковых растени˝й,

поэтому у них суммарный белок зерновок, включающий пролам˝и- ны, имеет довольно низкую биологическую ценность: белок з˝ерна

кукурузы — 52—58 %, пшеницы, ячменя и проса — 60—70, ржи и

овса — 70—75 %. Суммарные белки зерна зернобобовых и семян

масличных культур, клубней картофеля, корнеплодов, овощей˝,

плодов, а также вегетативной массы кормовых трав и других˝ растений вследствие повышенной концентрации глобулинов и аль-

буминов характеризуются довольно высокой биологической˝ цен-

ностью — 80—90 %.

Для оценки пищевой полноценности белков очень часто ис-

пользуют показатель биологической ценности белков (БЦБ)˝, который рассчитывают по формуле

ãäå Àá1...Àán — содержание незаменимых аминокислот в оцениваемом бе˝лке; Аàò1 ...Àýòn — содержание тех же аминокислот в эталонном белке (по ФА˝О/ВОЗ);n — число аминокислот; 100 — пересчет в проценты.

Указанный способ определения биологической ценности бе˝л-

ков удобен тем, что позволяет использовать данные аминоки˝слот-

ного анализа.

Более точные результаты по оценке биологической ценност˝и белков дают методы, основанные на использовании живых орг˝а- низмов. Одним из таких методов является расчет показателя˝ «эф-

фективность белка», который выражается отношением увели˝че-

ния массы животных к массе потребленного кормового белка˝. В этом случае биологическую ценность белка оценивают по ин˝тенсивности роста опытных животных.

Для взрослых животных биологическую ценность белка корм˝а

определяют по методу Томаса и Митчелла, который основан н˝а

учете отношения азота корма, отложенного в теле животного˝, к общему количеству переваренного азота.

Если содержание белков в растительной массе, используемо˝й

для кормления животных, ниже, чем требуется по нормам корм˝ле-

ния, то во избежание перерасхода корма и повышения себест˝оимо-

сти животноводческой продукции количество белка в корме˝ балан-

сируют путем введения белковых добавок с повышенным соде˝ржа-

114

нием незаменимых аминокислот. По такому же принципу контр˝о- лируют содержание в кормовом белке незаменимых аминокис˝лот, недостающее до нормы количество какой-либо аминокислоты˝ балансируют добавлением в корм чистых препаратов дефицитн˝ых

аминокислот или белковой массы с более высоким содержани˝ем данной аминокислоты по сравнению с принятым эталоном.

Промышленностью выпускаются высококонцентрированные белковые препараты с повышенным содержанием незаменимы˝х

аминокислот, называемые комбикормами. Для их приготовлен˝ия

используются мясо-костная и рыбная мука, отходы мясной и м˝о-

лочной продукции, жмыхи после переработки семян масличны˝х

растений, отруби, шроты из зерна зернобобовых культур. Высокой интенсивностью синтеза белков отличаются многи˝е

микроорганизмы, причем белки микробных клеток имеют повы˝-

шенное содержание незаменимых аминокислот (табл. 5.3). Пище-

вая и токсикологическая оценка белков микробной массы по˝казы-

вает, что клетки некоторых микроорганизмов можно использ˝овать в качестве концентрированных кормовых добавок, не уступа˝ющих

по биологической ценности белков соевому шроту или рыбно˝й

муке. На основе белков микробной массы разработаны промыш˝-

ленные технологии получения кормовых белковых концентр˝атов.

5.3. Содержание незаменимых аминокислот в белках некоторых˝ микроорганизмов, %

Кормовые дрожжи — высушенная биомасса клеток специаль-

ных отселектированных клонов кормовых дрожжей с содержа˝ни-

ем белков 50—60 %. Их выращивают на гидролизатах растительных целлюлозосодержащих отходов или на питательных сред˝ах из углеводородов нефти.

Белковые концентраты из бактерий — высушенная биомасса

бактериальных клеток с содержанием белков 60—70 %. В качеств˝е источников углерода при их культивировании используют п˝ри-

родный газ и получаемые из него низкомолекулярные спирты˝ (ме-

танол, этанол).

Белки микроскопических грибов — высушенные клетки мицелия отселектированных штаммов микроскопических грибов из р˝одов

115

Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Trichodermà с содержанием белков 20—60 %. В качестве сырья для выращивания микроскопи- ческих грибов используют растительные отходы, содержащи˝е целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин (полифенольное соедине-˝

íèå, ñì. ñ. 552—553).

Кормовые белки из водорослей — высушенная биомасса водорос-

ëåé Chlorella, Scenedesmus, Spirulina с содержанием белков 45— 60 %, которые чаще всего культивируют в открытых водоемах с нейтральной реакцией среды (Chlorella, Scenedesmus) или в щелоч-

ной среде (Spirulina, pH 10—11).

Âсвязи с повышенным содержанием нуклеиновых кислот, продукты распада которых вызывают мочекаменные заболев˝ания

óживотных, белковые концентраты микробного происхожден˝ия добавляют в корм в ограниченном количестве. При использов˝а-

нии белковых концентратов из бактерий допускается замен˝а на белок концентрата 2,5—7,5 % белка корма, кормовых дрожжей — не более 10—15 %. Белки водорослей и микроскопических грибов˝,

содержащие меньше нуклеиновых кислот, могут составлять д˝о 50 % белка корма.

Хороший источник достаточно полноценных белков — вегет˝а- тивная масса растений (листья люцерны, клевера, сахарной с˝век-

лы), в сухом веществе которой содержится 15—25 % белковых веществ. Технология приготовления белковых концентратов и˝з листьев растений включает измельчение растительной массы, о˝тжим сока и его ферментацию, выделение белкового коагулята и к˝он-

сервирование белково-витаминной пасты.

Âрезультате переработки растительной массы обычно полу˝ча- ют три вида продуктов: белковый коагулят, содержащий 15—22 % белков в расчете на сухую массу, из которого готовят белко˝во-вита-

минную пасту; ферментированный сок, образующийся после от˝деления белкового коагулята и содержащий 1—3 % белков, 4—5 % усвояемых углеводов и 40—50 мг% каротина; остатки растительного материала (после отжатия сока) в виде жома, в сухом вещ˝е- стве которого содержится 12—17 % белков и 3—4 % сырого жира.

Наряду с производством белковых концентратов в нашей стр˝а- не и за рубежом разрабатывают и реализуют научные програм˝мы, связанные с созданием новых генотипов растений, отличающ˝ихся

повышенным содержанием белков с улучшенным аминокислот˝-

ным составом. Примером тому может служить создание высоко˝- лизиновых гибридов кукурузы, у которых уровень урожайнос˝ти примерно такой же, как и у обычных гибридов, однако в их зер˝новках накапливается больше белков с повышенным содержание˝м лизина (на 50—80 %) и триптофана (на 30—50 %).

Высоколизиновые гибриды кукурузы получены от скрещива-

ния обычной кукурузы с генотипами, имеющими гены Опейк-2 и

Флаури-2, которые вызывают изменение состава белков зерна˝:

116

массовая доля спирторастворимых белков — зеинов, имеющ˝их низкую биологическую ценность, снижается в 2,5—3 раза, а доля˝ других белков (альбуминов, глобулинов и глютелинов) возра˝стает. В результате таких изменений белкового комплекса зерна б˝иоло-

гическая ценность суммарного белка зерна значительно по˝вышается. Использование зерна высоколизиновой кукурузы для к˝орм-

ления животных позволяет существенно повысить их продук˝тивность и сократить затраты кормового белка на создание одн˝ой

единицы животноводческой продукции на 20—25 %.

Во многих лабораториях проводят селекционно-генетическ˝ую

работу по улучшению аминокислотного состава белков зерн˝а яч-

меня на основе скрещиваний с высоколизиновыми формами Ха˝й- проли и Ризо 1508, а также поиск генетических источников высо˝-

кого содержания белков с улучшенным аминокислотным сост˝авом

для пшеницы, проса, тритикале и других зерновых культур.

Определенные надежды возлагают на новые методы создания˝

ценных генотипов растений, основанные на использовании д˝остижений генетической и клеточной инженерии. Так, путем на˝-

правленного мутагенеза в ген спирторастворимого белка з˝ерна ку-

курузы α-зеина введены дополнительные кодоны лизина и в ре-

зультате включения такого модифицированного гена в гено˝тип

кукурузы были получены линии с повышенным содержанием ли˝- зина в белках зерна.

В 1986 г. Дж. М. Джейнс с помощью ферментов синтезировал

ген, кодирующий структуру белка с высокой концентрацией н˝еза-

менимых аминокислот (80 %). В настоящее время разрабатывают˝-

ся способы введения этого гена в генотипы зерновых культу˝р.

Контрольные вопросы. 1. Каковы функции белков в живых организмах и сколько белков содержится в различных растительных прод˝уктах? 2. Каковы основные положения полипептидной теории строения белков? 3.˝ Чем отличаются белки от пептидов? 4. Какие имеются сведения о первичной стр˝уктуре белков? 5. Как формируется вторичная, третичная и четвертичная структура белков? 6. Каковы особенности структуры олигомерных белков? 7. Чем отли˝чаются нативная и денатурированная конформации белковых молекул? 8. Какие и˝звестны катализаторы формирования пространственной структуры полипепти˝дов? 9. Как происходит денатурация белков? 10. Как определяются размеры и форма˝ белковых молекул и какие имеются сведения об этих показателях? 11. Какие м˝етоды применяют для изучения физико-химических свойств белков? 12. Каковы ос˝обенности методов выделения белков и разделения белковых смесей? 13. Какие˝ принципы положены в основу классификации белков и какие известны разно˝видности белковых групп в соответствии с современной классификацией? 14. Как о˝пределяют аминокислотный состав белков? 15. Как различаются растительные б˝елки по содержанию аминокислот? 16. Как определяют биологическую полноцен˝ность белков? 17. Какие белковые препараты используют для балансирования растительных кормов по содержанию белков и незаменимых аминокислот? 18. К˝акие имеются сведения о биологической ценности растительных белков? 19˝. Какие разрабатывают методы создания генотипов растений с повышенным содер˝жанием незаменимых аминокислот в белках?

117

6. ВИТАМИНЫ

∙

Âтечение длительного времени во многих странах мира были˝

распространены заболевания, связанные с недостатком вит˝ами-

нов. Особенно часто этим заболеваниям подвергались мореп˝лава-

тели и жители северных регионов в зимнее время, а также нас˝еление ряда стран, где для приготовления пищи использовались˝ од-

нообразные растительные продукты с недостаточным содер˝жани-

ем одного из витаминов (полированный рис, кукуруза). Изуче˝ние

причин указанных заболеваний и привело в конце XIX — начал˝е

XX в. к открытию целой группы химических веществ, которые на˝- звали витаминами.

Â1880 г. русский ученый Н. И. Лунин в опытах с мышами изу-

чал значение для питания выделенных из коровьего молока х˝ими-

ческих веществ — белков, жиров, углеводов и минеральных с˝олей,

из которых он составлял искусственные диеты. В качестве к˝онтроля в питании подопытных животных служило натуральное мол˝о-

ко. В ходе этих опытов было выяснено, что мыши, получавшие в˝ качестве пищи коровье молоко, хорошо росли и нормально ра˝зви-

вались, а группы мышей, питавшиеся искусственной пищей,

включавшей белки, жиры, углеводы и минеральные вещества т˝оч- но в таком же количественном соотношении, как и в молоке, те˝м не менее не росли и быстро погибали. На основании полученн˝ых данных Н. И. Лунин предположил, что кроме белков, жиров, угл˝е-

водов и минеральных солей в коровьем молоке содержатся ещ˝е

какие-то вещества, необходимые для нормальной жизнедеяте˝льности организмов. Как теперь известно, такими веществами ˝являются витамины, содержащиеся в молоке в небольших количе- ствах.

Â1893 г. голландский врач Х. Эйкман, работавший в одном из госпиталей на о. Ява в Юго-Восточной Азии, в результате сис˝те-

матических наблюдений за людьми, питавшимися очищенным (полированным) и неочищенным рисом, установил причину ши-

роко распространенной в этом регионе болезни бери-бери (с˝овре-

менное название полиневрит). При постоянном употреблении˝ в

118

пищу только полированного риса у людей довольно часто воз˝никало заболевание полиневритом, которое заканчивалось па˝рали- чом и смертельным исходом, тогда как питание неочищенным ˝рисом снижало частоту заболевания полиневритом. Х. Эйкман п˝ока-

зал, что больного можно вылечить, если добавлять в его пищу˝ отвар из рисовых отрубей. Экспериментальным путем он доказа˝л,

что в оболочках рисовых зерен (рисовых отрубях) содержитс˝я вещество, предохраняющее от заболевания полиневритом.

Результаты наблюдений, полученные Н. И. Луниным и Х. Эйк-

маном, в дальнейшем были подтверждены и успешно использов˝а-

ны в исследованиях К. Функа и Ф. Г. Гопкинса, впервые сформ˝у-

лировавших в 1912 г. понятие о витаминах. В связи с тем что первое изученное из этой группы вещество, излечивающее полин˝ев-

рит, являлось амином и относилось к жизненно необходимым

соединениям, по предложению К. Функа такие вещества стали˝ на-

зывать vitаmine (vitа — жизнь). И хотя в дальнейшем были откры-

ты вещества данного класса, не содержащие аминных группир˝о- вок, в своей основе название «витамины» сохранилось.

По современным представлениям к витаминам относятся низ˝-

комолекулярные органические вещества довольно разнообр˝азного

химического строения, которые строго необходимы для жизн˝едея-

тельности организмов в сравнительно малых количествах. Б˝иологическая роль многих витаминов заключается в том, что они˝ в ка-

честве структурных группировок (коферментов) входят в со˝став

активных центров многих ферментов и без них невозможно но˝р-

мальное осуществление биохимических процессов (см. гл. 8).˝ При

полном исключении из питания витаминов соответствующие˝ ферменты становятся не способными катализировать биохимич˝еские превращения, вследствие чего происходят нарушения обмен˝а ве-

ществ, приводящие к серьезным заболеваниям — авитаминозам. При частичном недостатке витаминов понижается активнос˝ть тех или иных ферментов, в результате снижается скорость определенных биохимических реакций, катализируемых данными ферме˝н-

тами, и тогда наблюдаются нарушения обмена веществ, назыв˝ае-

ìûå гиповитаминозами.

Растения и природные формы микроорганизмов (за некоторы-˝ ми исключениями) при нормальных условиях развития способ˝ны сами синтезировать необходимые для их жизнедеятельност˝и вита-

мины, тогда как организмы человека и животных такой спосо˝бно-

стью не обладают и должны постоянно получать с пищей или н˝е- посредственно витамины либо провитамины, которые в организмах человека и животного легко превращаются в витамины.

Однако жвачные животные, имеющие в преджелудках (рубце)

обильную микрофлору, в значительной степени удовлетворя˝ют

свою потребность в витаминах за счет переваривания клеток от-

119

мерших микроорганизмов, содержащих многие витамины. Способность микроорганизмов (бактерий, актиномицетов, дрожж˝е- вых клеток) синтезировать большое количество витаминов и˝с- пользуют для промышленного получения кормовых и медицин˝с-

ких препаратов, обладающих витаминной активностью. В каче˝- стве промышленных продуцентов витаминов обычно применя˝ют

специальные отселектированные штаммы микроорганизмов, ˝способные к сверхсинтезу тех или иных витаминов.

Изолированные от растений отдельные клетки, ткани и орган˝ы

также не могут синтезировать многие витамины, и при их выр˝а-

щивании в культуре in vitro (на искусственной питательной среде)

необходимо добавлять в питательную среду соответствующ˝ий комплекс витаминов.

Вместе с тем под действием мутагенов могут быть получены

микробные клетки, не способные к синтезу определенных вит˝а-

минов. Они могут нормально развиваться только на искусств˝ен-

ной питательной среде, содержащей нужные витамины. Такие биохимические мутанты (ауксотрофные формы) довольно час˝то

используют для количественного определения витаминов и˝ли ус-

тановления их наличия в окружающей среде.

Витаминной активностью обладают несколько десятков хим˝и-

ческих соединений, которые образуют родственные группы, с˝ходные по строению молекул и своему биологическому действию˝. По

мере открытия витаминов их обозначали буквами латинског˝о ал-

фавита. Например, витамин, предохраняющий от заболевания ˝по-

линевритом, назвали В1, излечивающий цингу — С, антирахити-

ческий витамин — D, предохраняющий от заболевания ксерофтальмией — А и т. д. В соответствии с требованиями совре˝менной номенклатуры витамины называют в зависимости от их

химического строения. По способности к растворению в жира˝х или воде все витамины подразделяют на две большие группы ˝— жирорастворимые и водорастворимые. Потребность в витами˝- нах обычно выражают в миллиграммах или микрограммах за

1 сут, а также в расчете на 1 МДж потребляемой энергии, содер-

жание витаминов — в тех же единицах, но в расчете на 100 г про˝- дукта — миллиграмм-процентах (мг%) или микрограмм-процен- тах (мкг%).

6.1. ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ

Ретинол (витамин А). Ретинол представлен в организме человека и животных двумя витаминами — А1 è À2, различающимися хи-

мическим строением и биологической активностью, которая˝ зна-

чительно выше у витамина А1.

120