Биохимия растений

В растениях крахмал образуется в листьях как продукт фото˝- синтеза, а в семенах, клубнях, корневищах, утолщенных частя˝х

стеблей — как запасное вещество. Фотосинтетический крахмал

откладывается в хлоропластах в виде гранул, называемых кр˝ахмальными зернами, и довольно быстро используется в процес˝се дыхания и для синтеза других веществ. Значительная его ча˝сть

превращается в транспортную форму углеводов — сахарозу, кото-

рая поступает по флоэме в нефотосинтезирующие органы, рас˝падается там до глюкозы и фруктозы и в виде моносахаридов вк˝лю-

чается в различные биосинтетические процессы.

Запасной крахмал также откладывается в виде зерен и у цел˝ого ряда растений накапливается в значительном количестве в˝ запаса-

ющих тканях и органах. В зерне зерновых культур его содержание

обычно составляет 50—70 % (в рисе — 75—80 %), зернобобовых — 30—50, в клубнях картофеля — 12—20, батата, ямса и маниока —

20—30, в листьях растений — до 1—2 %.

Крахмальные зерна чаще всего имеют вид овальных или сфери˝- ческих частиц (рис. 1.3), имеющих разную форму и размеры (2—

170 мкм). Под микроскопом можно различить слоистое строение˝

крахмальных зерен. Их размеры и строение у разных видов и д˝аже сортов растений имеют характерную специфику, что можно ис˝-

пользовать для идентификации генотипов, а также обнаруже˝ния

примесей одного растительного продукта в другом.

Запасной крахмал вначале откладывается в пластидах, назы˝вае-

мых амилопластами. По мере наполнения происходит постепе˝н-

5 мкм

Рис. 1.3. Крахмальные зерна в зерновке пшеницы

31

ная деградация их мембранной структуры и они превращаютс˝я в крахмальные зерна.

Крахмалоносные растения представляют собой легковозобн˝ов-

ляемое сырье для перерабатывающей промышленности, котор˝ое используют для получения продовольственного и техничес˝кого крахмала, глюкозы, этилового спирта и даже пластмасс, обла˝даю-

щих высокой прочностью и экологической безопасностью (пр˝и

сгорании не образуют ядовитых веществ).

1.3.2. ГЛИКОГЕН

Гликоген — структурный аналог амилопектина. Его молеку˝лы

построены из остатков α-D-глюкозы, но по сравнению с амилопектином имеют бó льшую степень ветвления. Точки ветвления у

гликогена расположены через каждые 8—10 глюкозных остатко˝в, а

молекулярная масса достигает нескольких миллионов. Очен˝ь мно-

го гликогена содержится в печени и мышцах животных и чело˝ве-

ка, а также в грибах, где он является резервным углеводом. Н˝екоторые растения, например отдельные разновидности кукуру˝зы,

также синтезируют небольшое количество гликогена.

1.3.3.ПОЛИФРУКТОЗИДЫ

Âрастениях семейств Лилейные, Мятликовые, Астровые, Ко-

локольчиковые синтезируются запасные углеводы, построе˝нные

из 4—40 остатков β-D-фруктозы, в связи с чем их называют поли-

фруктозидами или фруктанами. Остатки фруктозы в их молеку˝лах

соединены гликозидными связями, образующимися между вто˝-

рым и первым углеродными атомами — β (1 → 2)-связи.

Полифруктозиды содержатся в листьях, корнях, семенах указ˝ан-

ных ранее растений, накапливаются в значительном количес˝тве в нижней утолщенной части стеблей мятликовых трав (до 6—8 % с˝у- хой массы) и в созревающих семенах зерновых культур (рожь,˝ пшеница, ячмень, овес). В листьях они являются основными пр˝о-

дуктами фотосинтеза, тогда как фотосинтетический крахма˝л у

этих растений не образуется.

Из полифруктозидов лучше всего изучен инулин, содержащий˝

âмолекуле 37—44 фруктозных остатка. К одному из концов молекулы инулина присоединен остаток α-D-глюкозы. Молекулярная

масса инулина 5—6 тыс. Он хорошо растворяется в горячей воде˝, не обладает восстановительными свойствами, хорошо усваи˝вается

организмами человека и животных, поэтому растения, способ˝ные

накапливать инулин, используют как кормовые культуры и ка˝к

сырье для промышленного производства фруктозы, которую п˝о- лучают из инулина путем его кислотного гидролиза.

32

Большое количество инулина содержится в клубнях георгин˝а и

артишока (до 50 %), топинамбура (10—12 %), корнях цикория

(свыше 10 %). В чесноке общее содержание полифруктозидов дос˝-

тигает 20—30 % и половину из них составляет инулин.

1.3.4. ЦЕЛЛЮЛОЗА

Целлюлоза — довольно устойчивое вещество волокнистого˝ строения, не растворяется в воде и органических растворит˝елях, однако хорошо растворима в аммиачном растворе гидроксид˝а меди (реактив Швейцера). Молекулы целлюлозы состоят из ост˝ат-

êîâ β-D-глюкозы, соединенных β (1 → 4)-связями. В каждой мо-

лекуле целлюлозы может содержаться 1—10 тыс. пиранозных ос˝- татков β-D-глюкозы, образующих неразветвленный полимер. Далее представлена схема строения одного из фрагментов цел˝люлозы:

33

Рис. 1.4. Микрофибриллы целлюлозы в составе клеточной стенк˝и растения

Между линейно вытянутыми молекулами целлюлозы, имеющими свободные гидроксильные группы, возникают водородн˝ые связи, с помощью которых нитевидные полимеры, построенные˝ из остатков глюкозы, объединяются в пучки, включающие несколько десятков молекул. Такие целлюлозные пучки, или фи˝б-

риллы, обладают очень высокой прочностью и служат структу˝р- ной основой клеточных стенок растений. Как видно на элект˝ронной микрофотографии клеточной оболочки (рис. 1.4), целлюлоз˝- ные фибриллы размещаются слоями, образуя сетчатую структ˝уру, сквозь которую свободно проникает вода с растворенными в˝ ней веществами.

Целлюлоза в том или ином количестве содержится во всех ра˝с- тительных тканях. Особенно много целлюлозы в растительны˝х волокнах (хлопковом, льняном) — 80—95 %, древесине и соломе —

40—50 %. В других растительных продуктах ее значительно мень˝-

ше, % сырой массы: в семенах зерновых и зернобобовых куль-

тур — 2—6; зерне пленчатых злаков — 7—14; семенах маслич-

ных — 5—25; клубнях картофеля — около 1; корнеплодах — 0,5— 1,5; овощах — 0,5—1,2 (томатах — 0,2); плодах и ягодах — 0,5—2; вегетативной массе кормовых трав — 20—30 (последний показа˝- тель в расчете на сухую массу).

Целлюлоза практически не усваивается организмами челов˝ека

и нежвачных животных, тогда как жвачные животные способны˝ ее усваивать с помощью ферментов микроорганизмов, обитающи˝х в преджелудках этих животных и участвующих в процессах пищ˝ева-

рения.

34

При нагревании с раствором кислоты целлюлоза подвергает˝ся гидролизу, превращаясь в глюкозу, которая используется ка˝к источник углерода для культивирования дрожжевых клеток с ц˝елью промышленного получения этилового спирта и кормовых дро˝ж-

жей с повышенным содержанием белков и витаминов. При этом˝ в качестве источника целлюлозы служат отходы древесины и ц˝ел-

люлозосодержащие растительные остатки — солома, корзин˝ки подсолнечника, льняная костра, стержни кукурузных початк˝ов,

свекловичная меласса, картофельная мезга, хлопковая шелу˝ха

и др. Большое количество целлюлозы расходуется для химической

переработки.

В построении клеточных стенок растений наряду с целлюлоз˝ой участвуют также другие структурные полисахариды — гемицеллю-

лозы и пектиновые вещества, которые связаны с молекулами ˝цел-

люлозы водородными связями.

1.3.5. ГЕМИЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Гемицеллюлозы — это смесь полисахаридов, образующих пр˝и

гидролизе маннозу, галактозу, ксилозу, арабинозу и уронов˝ые

кислоты (глюкуроновую и галактуроновую). Они нерастворим˝ы в воде, но растворяются в щелочных растворах. В клеточных ст˝ен-

ках растений содержание гемицеллюлоз составляет около 30 ˝%.

Много их накапливается в древесине и соломе (10—30 %), оболоч-

ках семян, кукурузных початках, отрубях, вегетативной мас˝се рас-

тений. Разные виды растений заметно различаются по составу гемицеллюлоз.

Галактаны. Их молекулы построены из остатков β-D-галакто-

зы, соединенных β (1 → 4)-связями. Каждая молекула состоит из

более 100 остатков галактозы. Строение их можно представить˝ следующим образом:

Галактаны входят в состав клеточных стенок многих растен˝ий, особенно много их в семенах люпина.

Маннаны. Остатки маннозы в маннанах соединены β (1 → 4)-ñâÿ-

çÿìè.

35

В каждой молекуле насчитывается от 200 до 400 моносахаридных остатков. Много маннанов содержится в древесине хвойн˝ых деревьев и в клеточных стенках водорослей.

Ксиланы. Их молекулы построены из остатков β-D-ксилозы в

пиранозной форме, соединенных β (1 → 4)-связями.

Âсоставе полимера могут находиться до 200 ксилозных остатк˝ов.

Âсоломе и древесине содержание ксиланов достигает 25—28 %.

Âмолекулах ксиланов обычно имеются ответвления в виде ос˝-

татков арабинозы, а также глюкуроновой и галактуроновой к˝ислот. Ответвления чаще всего образуются путем этерификаци˝и тре-

тьего углеродного атома ксилозы. Карбоксильные группы ос˝татков уроновых кислот образуют эфиры с метиловым спиртом. К˝си-

ланы разных растений отличаются частотой и моносахаридн˝ым набором ответвлений в молекуле.

Арабаны. Это полисахариды клеточной стенки растений, которые состоят из остатков α-L-арабинозы, соединенных гликозид-

ной связью между первым и пятым углеродными атомами. При

этом к каждому второму остатку арабинозы в линейной струк˝туре присоединен в виде ответвления еще один остаток арабиноз˝ы. В ответвлениях связь образуется между третьим углеродным˝ атомом арабинозы, находящейся в цепочке, и первым углеродным ато˝мом

бокового остатка арабинозы.

36

Как и целлюлоза, гемицеллюлозы не усваиваются организмом˝ человека, но могут усваиваться жвачными животными с помощ˝ью ферментов микроорганизмов, находящихся в преджелудках.

Глюканы. К глюканам относятся полисахариды, образуемые из

β-D-глюкозы, но в их молекулах остатки глюкозы соединяются не˝ только β (1 → 4)-связями, как в целлюлозе, но также и β (1 → 3)-

связями или только ими. К таким полисахаридам относятся к˝аллоза и лихенин. Каллоза — полисахарид, молекула которого˝ вклю-

чает до 100 остатков β-D-глюкозы, соединенных β (1 → 3)-связя-

ми. Она содержится в ситовидных трубках флоэмной системы ˝рас-

тений. В молекулах лихенина остатки β-D-глюкозы соединены

êàê β (1 → 4)-, òàê è β (1 → 3)-связями (встречаются с частотой около 30 %). Лихенин входит в состав клеточных стенок растен˝ий,

особенно много его в лишайниках.

1.3.6. ПЕКТИНОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

Пектиновые вещества в растениях представлены двумя груп˝па-

ми соединений — пектинами и протопектинами, которые разли-

чаются строением и физико-химическими свойствами.

Пектины — водорастворимые полисахариды, построенные из

остатков α-D-галактуроновой кислоты, которые соединены α (1 → 4)-связями. Бó льшая часть карбоксильных групп остатков

галактуроновой кислоты связана эфирными связями с остат˝ками

метилового спирта, а к другим карбоксильным группам присо˝еди-

нены катионы кальция или магния. В каждой молекуле пектин˝а

содержится более 100 остатков галактуроновой кислоты. Стро˝ение пектина можно изобразить в виде следующей схемы:

Основная масса пектиновых веществ растений представлен˝а протопектином, который находится в структуре клеточных стенок. Протопектин образуется в результате связывания эфирным˝и свя-

зями пектина с галактанами и арабанами, входящими в соста˝в

клеточной стенки растения. Эфирные связи возникают между˝ карбоксильными группами пектина и гидроксильными групп˝ами

гемицеллюлоз.

37

Полисахариды протопектина нерастворимы в воде и имеют бо˝- лее высокую молекулярную массу, чем пектины. Много протоп˝ектина накапливается в формирующихся плодах гpуши, яблони, цитрусовых, айвы, что обусловливает их жесткую консистенц˝ию.

При созревании плодов происходит превращение протопект˝инов в пектины, поэтому их консистенция становится мягкой.

Общее содержание пектиновых веществ составляет, % сырой массы: в плодах и ягодах — 0,3—1,5; корнеплодах — 1,5—2,5; клуб-

нях картофеля — 0,1—0,5; томатах — 0,1—0,2; капусте — 0,3—2;

кожуре апельсина и лимона — 4—7.

Характерная особенность пектиновых веществ плодов — сп˝о-

собность образовывать желе, или студни, в насыщенном растворе сахара (65—70%-ном) и кислой среде (рН 3,1—3,5). Лучшей жели-

рующей способностью обладают более высокомолекулярные ˝по-

лисахариды пектиновых веществ.

В стеблях льна пектиновые вещества скрепляют между собой˝

волокна. Для отделения раcтитeльных волокон производится ˝росяная или водяная мочка льносоломы, при которой происходи˝т

гидролиз пектиновых веществ под действием ферментов мик˝роор-

ганизмов.

1.3.7. КАМЕДИ И СЛИЗИ

Это растворимые в воде полисахариды, образующие вследств˝ие

набухания очень вязкие растворы.

Растительные камеди выделяются на стволах и ветвях некот˝о- рых деревьев (вишневых, сливовых, миндальных) в виде клейк˝их

наплывов при повреждениях. При гидролизе они дают галакто˝зу,

маннозу, рамнозу, арабинозу, ксилозу, а также уроновые кисл˝оты.

Слизи, откладываясь между плазмалеммой и клеточной стенкой, способствуют удержанию воды в клетках и полостях растения, защищают от проникновения инфекции. При их гидролизе˝ в основном образуются пентозы (арабиноза и ксилоза), а также˝ не-

большое количество галактозы, глюкозы и фруктозы.

Много слизей содержится в семенах льна, клевера, люцерны, ржи и некоторых других растений. Повышенная вязкость ржи ˝при размоле вызвана наличием именно слизей, вследствие чего з˝ерно ржи размалывается значительно труднее, чем пшеницы. Содер˝жа-

щиеся в ржаной муке слизи замедляют гидролитические проц˝ессы при формировании теста, улучшая таким образом его формоуд˝ер-

живающую способность.

Камеди и слизи из разных растительных источников суще-

ственно отличаются набором и удельным соотношением обра˝зующих их полисахаридов. Они состоят из молекул разной степе˝ни

38

полимеризации, многие из которых имеют довольно высокую с˝тепень ветвления.

Контрольные вопросы. 1. Каковы структурные особенности стереоизомеров моносахаридов, относящихся к D- или L-ряду? 2. Как образуются ц˝иклические формы моносахаридов и в чем состоят различия α- è β-стереоизомеров? 3. Как записывается структура пиранозных и фуранозных форм мон˝осахаридов с помощью формул Хеуорса? 4. Какие конформации молекул образуютс˝я у гексоз и пентоз? 5. Как образуются окисленные и восстановленные произв˝одные, а также фосфорнокислые эфиры моносахаридов? 6. В чем состоят особенно˝сти образования гликозидов, дезокси- и аминопроизводных моносахаридов? 7. К˝аковы структурные и биологические особенности важнейших альдоз и кетоз˝? 8. Как образуются молекулы сахарозы, мальтозы, целлобиозы, β-левулина и других олигосахаридов? 9. Из каких моносахаридов и по какому принципу строятся мол˝екулы важнейших полисахаридов — крахмала, полифруктозидов, целлюлозы, г˝емицеллюлоз, пектиновых веществ, камедей и слизей? 10. Какие биологические фун˝кции выполняют перечисленные ранее олихосахариды и полисахариды? 11. Како˝во содержание сахаров и различных полисахаридов в растительных продукта˝х? 12. Какие моносахариды и олигосахариды относятся к редуцирующим сахарам? 13. К˝акое значение имеют углеводы в формировании качества растительных про˝дуктов? 14. Из каких основных компонентов состоит крахмал и каковы их строени˝е и свойства? 15. Какие известны разновидности гемицеллюлоз и пектиновых ве˝ществ?

39

2. ЛИПИДЫ

∙

К липидам относятся вещества, различающиеся по химическо˝-

му составу, строению и выполняемым функциям, но обладающи˝е сходными физико-химическими свойствами. Все они содержат˝

гидрофобные радикалы и группировки, вследствие чего не ра˝ство-

ряются в воде, но хорошо растворимы в неполярных органиче˝ских

растворителях — эфире, бензине, бензоле, хлороформе.

В зависимости от химического состава и строения липиды по˝д- разделяют на три класса: простые, сложные и стероидные.

Простые липиды представляют собой сложные эфиры спиртов

èвысокомолекулярных карбоновых кислот, к ним относятся

жиры и воски. Сложные липиды содержат в составе молекул, кро-

ме глицерина и карбоновых кислот, остатки других соединен˝ий: ортофосфорной кислоты, азотистых оснований, моносахарид˝ов

èдр. Они образуют две группы веществ — фосфолипиды и гли˝-

колипиды.

Стероидные липиды — это циклические соединения, являющиеся производными циклопентанопергидрофенантрена и предс˝тавленные как свободными стероидными веществами, так и связа˝н- ными формами в виде гликозидов и эфиров. К липидам очень ча˝-

сто относят также растворимые в жирах витамины и пигменты˝.

Липиды выполняют важные функции в растительном организме. Одни из них (фосфолипиды, гликолипиды, стероидные липи-˝ ды) входят в состав клеточных мембран — цитоплазматичес˝ких, ядерных, хлоропластных, митохондриальных. Другие (жиры, не˝-

которые фосфолипиды) откладываются в качестве запасных в˝е-

ществ и используются организмами как энергетический мат˝ериал. Воском покрывается поверхность листьев, стеблей, плодов, ˝следовательно, эти вещества выполняют защитную функцию.

Общее содержание структурных липидов в вегетативных час˝тях растений находится в пределах 0,1—0,5 %. Накопление запасных

липидов в семенах различных растений достигает следующи˝х ве-

личин, %: зерно злаковых и зернобобовых культур — 1—8; соя и

хлопчатник — 20—30; подсолнечник, арахис, лен, конопля, рапс,

40