Первичным источником углеводов для всех живых организмов на Земле (за исключением хемосинтезирующих организмов) является фотосинтез. Углеводы входят в составе клеток и тканей всех растительных и животных организмов, они выполняют как структурные, так и метаболические функции:
Углеродные «скелеты» для построения др. органических веществ;
Запасной источник энергии (крахмал, инулин, сахароза, др.) для метаболических процессов;
Структурные компоненты КС (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины);
Входят в состав мембран (рецепторы -гликопротеины, иммунные белки -лектины).
| Форма углеводов | Представители | Функции | ||
| Моносахариды С 3 ...С 7 | ||||
| С 3 -сахара ГА, ДГА | ФГА, ФДА | промежуточные метаболиты в процессе фотосинтеза, дыхания. | ||
| С 4 -сахара | эритроза | промежуточный продукт ФС | ||
| С 5 -сахара | д-рибоза, дезоксирибоза | Входят в состав нуклеиновых кислот | ||
| рибулеза, ксилоза, арабиноза | Промежуточные продукты метаболизма, продукты, входят в состав гемицеллюлоз клеточной стенки | |||
| С 6 -сахара | глюкоза, фруктоза, манноза галактоза | Глюкоза – конечный продукт ФС, основной субстрат дыхания; | ||
| Олигосахариды 2 ...10 моноз | ||||
| сахароза | (глю-фру) | Тростниковый сахар, основная транспортная форма углеводов по растению, запасной углевод | ||
| мальтоза | (глю-глю) | Солодовый сахар, продукт распада крахмала | ||
| рафиноза стахиоза, | гал-глю-фру гал-гал-глю-фру | Транспортные формы углеводов у некоторых растений | ||
| Полисахариды 10 - 100-ни тысяч моноз | ||||
| Крахмал: (глю)n (С6Н10О5)п состоит из молекул α-D-глюкозы (1-4-связь, ветвление в мол-лах амилопектина – связь 1-6 | амилоза: амилопектин 1:3 | основной запасной углевод растений. Крахмал состоит из двух полисахаридов - амилозы (15-25%) и амилопектина (75-85%). Амилоза (из 20000-500000 мол глю, соединенных a (1®4)-связями, неразветвленная цепь) легко растворяется в теплой воде и дает маловязкие растворы. Молекулы амилопектина имеют разветвленное строение, в точках ветвления молекулы глюкозы соединены связью а(1-6). При нагревании в воде молекулы амилопектина дают вязкие растворы. | ||
| Инулин: (фру)n | Инулин состоит на 97% из мол-л фру и 3% мол-л глюкозы | запасной полифруктозид у ряда растений из сем. Астровых и колокольчиковых. Накапливается в клубнях георгинов, в корнях одуванчика земляной груши (топинамбур), и др. растений. | ||
| Целлюлоза (глю) n состоит из мол-л b-D-глюкозы (связь 1-4) | наиболее широко распространенный полисахарид растений, входит в состав клеточных стенок. Молекулы целлюлозы содержат от 1400 до 10000 (2500-12000) остатков глюкозы. Молекулы целлюлозы - мицеллы - микро - макрофибриллы. | |||
| Пектин (из α-D-галактуроновой к-ты) | полигалактуроновые кислоты | входят в состав клеточных стенок, придают им катионообменные свойства (адсорбция катионов). | ||
| Агар-агар состоит из остатков галактозы | агароза: агаропектин | полисахарид ряда водорослей, состоит из агарозы и агаропектина. | ||
| Гемицеллюлозы (полуклетчатки) | из остатков глю, гал, фру, - ман, ара, кси. | - большая группа высокомолекулярных полисахаридов, в состав гемицеллюлозы входят: С 5 и С 6 -сахара; цементируют волокна целлюлозы в клеточных стенках; обладают высокой гидрофильностью | ||
Примечание: Общепринятые сокращения названий сахаров: глю – глюкоза, фру – фруктоза, гал - галактоза, ман- манноза, ара – арабиноза, кси – ксилоза, ФГА - фосфоглицериновый альдегид, ФДА - фосфодиоксиацетон
Углеводы в растениях разделяют на две большие группы: простые углеводы , не способные к гидролизу (моносахариды), и сложные углеводы , гидролизующиеся на простые (полисахариды). Фруктоза в яблоках.
В организме человека фруктоза легко может превращаться в глюкозу, а также включается в обмен веществ непосредственно, минуя процесс превращения в глюкозу. Некоторая часть фруктозы перерабатывается в организме без инсулина, (подробнее: ).
Сахарная свекла.
Сахароза может легко гидролизоваться в разведенных кислотах, распадаясь при этом на глюкозу и фруктозу. Такая смесь фруктозы и глюкозы называется инвертным сахаром.
С помощью фермента сахарозы или инвертазы в кишечнике человека и животных, а также при образовании в организме пчел происходит ферментативное расщепление сахарозы. Например, пчелиный мед на 97-99% состоит из инвертного сахара. Сахароза входит в состав всех ягод
.
Крахмал является богатым источником энергии
, обладает обволакивающими свойствами и широко применяется в пищевой промышленности и медицине.
Пектины в фруктах.
Пектины обладают также противосклеротическим действием. Пектинами богаты крыжовник, черноплодная рябина, красная смородина, яблоки, клюква, барбарис, цитрусовые
(кожура плодов).
Моносахариды
Глюкоза С6Н2О6 (структурные формулы см. рис. 2) (моноза, гексоза, альдоза, виноградный сахар) -- самая распространенная из моноз как в растительном, так и в животном мире. Содержится в свободном виде во всех зеленых частях растений, в семенах, различных фруктах и ягодах. В больших количествах глюкоза содержится в винограде -- отсюда происходит ее название -- виноградный сахар. Особенно велика биологическая роль глюкозы в образовании полисахаридов -- крахмала, целлюлозы, построенных из остатков D-глюкозы. Глюкоза входит в состав тростникового сахара, гликозидов, таннина и других дубильных веществ. Глюкоза хорошо сбраживается дрожжами.
Фруктоза С6Н12О6 (структурные формулы см. рис. 3) (моноза, гексоза, кетоза, левулеза, плодовый сахар) содержится во всех зеленых растениях, в нектаре цветов. Особенно ее много в плодах, поэтому ее второе название -- плодовый сахар. Фруктоза гораздо слаще других сахаров. Она входит в состав сахарозы и высокомолекулярных полисахаридов, таких, например, как инулин. Как и глюкоза, фруктоза хорошо сбраживается дрожжами.
Дисахариды
Сахароза С12Н22О11 (дисахарид) чрезвычайно широко распространена в растениях, особенно много ее в корнеплодах свеклы (от 14 до 20 % сухой массы), а также в стеблях сахарного тростника (массовая доля сахарозы от 14 до 25 %).
Сахароза состоит из -D-глюкопиранозы и -D-фруктофуранозы, соединенных 1 2 связью за счет гликозидных гидроксилов.
Сахароза не содержит свободного гликозидного гидроксила, является невосстанавливающим сахаром, потому относительно химически инертна, за исключением ее чрезвычайной чувствительности к кислотному гидролизу. Поэтому сахароза является транспортным сахаром, в виде которого углерод и энергия транспортируются по растению. Именно в виде сахарозы углеводы перемещаются из мест синтеза (листья) к месту, где они откладываются в запас (плоды, корнеплоды, семена, стебли). По проводящим пучкам растений сахароза движется со скоростью 2030 см/ч. Сахароза очень хорошо растворяется в воде и обладает сладким вкусом. С повышением температуры ее растворимость увеличивается. В абсолютном спирте сахароза нерастворима, а в водном спирте она растворяется лучше. При нагревании до 190200 С и выше происходит дегидратация сахарозы с образованием различных окрашенных полимерных продуктов -- карамелей. Эти продукты под названием колер используются в коньячном производстве для придания окраски коньякам.
Гидролиз сахарозы.
При нагревании растворов сахарозы в кислой среде или под действием фермента -фруктофуранозидазы она гидролизуется, образуя смесь равных количеств глюкозы и фруктозы, которая называется инвертным сахаром (рис. 7).
Рис. 7.
Фермент -фруктофуранозидаза широко распространен в природе, особенно активен он в дрожжах. Фермент находит применение в кондитерской промышленности, так как образующийся под его воздействием инвертный сахар препятствует кристаллизации сахарозы в кондитерских изделиях. Инвертный сахар слаще сахарозы благодаря наличию свободной фруктозы. Это позволяет, применяя инвертный сахар, экономить сахарозу. Кислотный гидролиз сахарозы происходит также при варке варенья и приготовлении джема, но ферментативный гидролиз проходит легче, чем кислотный.
Мальтоза С12Н22О11 состоит из двух остатков -D-глюкопиранозы, соединенных гликозидной связью 1 4.
Мальтоза в свободном состоянии в растениях содержится в небольшом количестве, но появляется при прорастании, так как она образуется при гидролитическом расщеплении крахмала. В нормальном зерне и муке она отсутствует. Наличие ее в муке говорит о том, что эта мука получена из проросшего зерна. Большое количество мальтозы содержится в солоде, который применяется в пивоварении, поэтому мальтозу называют также солодовым сахаром. Под действием фермента -глюкозидазы (мальтазы) мальтоза подвергается гидролизу до D-глюкозы. Мальтоза сбраживается дрожжами.
Лактоза С12Н22О11 построена из -D-галактопиранозы и D-глюкопиранозы, соединенных между собой 1 4 гликозидной связью. В растениях она встречается редко.
В большом количестве (45 %) лактоза содержится в молоке, поэтому ее называют молочным сахаром. Это восстанавливающий сахар со слабым сладким вкусом. Сбраживается лактозными дрожжами до молочной кислоты.
Целлобиоза С12Н22О11 состоит из двух остатков -D-глюкопиранозы, соединенных между собой 1 4 гликозидной связью.
Она служит структурным компонентом полисахарида целлюлозы и образуется из нее при гидролизе под действием фермента целлюлазы. Этот фермент продуцируется рядом микроорганизмов, а также он активен в прорастающих семенах.
Несахароподобные полисахариды
Запасные полисахариды
Крахмал (С6Н10О5)n является важнейшим представителем полисахаридов в растениях. Этот запасной полисахарид используется растениями как энергетический материал. Крахмал в животном организме не синтезируется, аналогичным запасным углеводом у животных является гликоген.
Крахмал в больших количествах содержится в эндосперме злаков -- 6585 % его массы, в картофеле -- до 20 %.
Крахмал не является химически индивидуальным веществом. В его состав кроме полисахаридов входят минеральные вещества, в основном представленные фосфорной кислотой, липиды и высокомолекулярные жирные кислоты -- пальмитиновая, стеариновая и некоторые другие соединения, адсорбированные углеводной полисахаридной структурой крахмала.
В клетках эндосперма крахмал находится в виде крахмальных зерен, форма и размер которых характерны для данного вида растения. Форма крахмальных зерен дает возможность легко распознать крахмалы различных растений под микроскопом, что используется для обнаружения примеси одного крахмала в другом, например при добавлении кукурузной, овсяной или картофельной муки к пшеничной.
В запасающих тканях различных органов -- клубнях, луковицах более крупные крахмальные зерна откладываются в запас в амилопластах как вторичный (запасной) крахмал. Крахмальные зерна имеют слоистую структуру.
Строение углеводных компонентов крахмала
Углеводная часть крахмала состоит из двух полисахаридов:
В молекуле амилозы остатки глюкозы связаны гликозидными 1 4 связями, образуя линейную цепочку (рис. 8, а).
У амилозы различают восстанавливающий конец (А) и невосстанавливающий (В).
Линейные цепи амилозы, содержащие от 100 до нескольких тысяч остатков глюкозы, способны спирально свертываться и таким образом принимать более компактную форму (рис. 8, б). В воде амилоза растворяется хорошо, образуя истинные растворы, которые неустойчивы и способны к ретроградации -- самопроизвольному выпадению в осадок.
Рис. 8.
а -- схема соединения молекул глюкозы в амилозе; б -- пространственная структура амилозы; в -- схема соединения молекул глюкозы в амилопектине; г -- пространственная молекула амилопектина
2 Строение амилопектина
Амилопектин представляет собой разветвленный компонент крахмала. Он содержит до 50 000 остатков глюкозы, соединенных между собой главным образом 1 4 гликозидными связями (линейные участки молекулы амилопектина). В каждой точке разветвления молекулы глюкозы (-D-глюкопиранозы) образуют 1 6 гликозидную связь, которая составляет около 5 % общего числа гликозидных связей молекулы амилопектина (рис. 8, в, г).
Каждая молекула амилопектина имеет один восстанавливающий конец (А) и большое количество невосстанавливающих концов (В). Структура амилопектина трехмерна, его ветви расположены по всем направлениям и придают молекуле сферическую форму. Амилопектин в воде не растворяется, образуя суспензию, но при нагревании или под давлением образует вязкий раствор -- клейстер. С йодом суспензия амилопектина дает красно-бурую окраску, йод при этом адсорбируется на молекуле амилопектина, поэтому цвет суспензии обусловлен окраской самого йода.
Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет от 10 до 30 %, а амилопектина -- от 70 до 90 %. Некоторые сорта ячменя, кукурузы и риса называются восковидными. В зернах этих культур крахмал состоит только из амилопектина. В яблоках крахмал представлен только амилозой.
Ферментативный гидролиз крахмала
Гидролиз крахмала катализируется ферментами - амилазами. Амилазы относятся к классу гидролаз, подклассу - карбогидраз. Различают б- и -амилазы. Это однокомпонентные ферменты, состоящие из молекул белка. Роль активного центра у них выполняют группы - NH2 и - SH.
Характеристика б - амилазы
б - Амилаза содержится в слюне и поджелудочной железе животных, в плесневых грибах, в проросшем зерне пшеницы, ржи, ячменя (солод).
б- Амилаза является термостабильным ферментом, её оптимум находится при температуре 700С. Оптимальное значение pH 5.6-6.0, при pH 3.3-4.0 она быстро разрушается.
Характеристика - амилазы
Амилаза находится в зерне пшеницы, ржи, ячменя, в соевых бобах, в батате. Однако активность фермента в созревших семенах и плодах низкая, возрастает активность при прорастании семян.
в-амилаза расщепляет амилозу полнотью, на 100% превращая ее в мальтозу. Амилопектин расщепляет на мальтозу и декстрины дающие красно-коричневое окрашивание с йодом, расщепляя лишь свободные концы глюкозных цепочек. Действие прекращается, когда доходит до разветвлений. в-амилаза расщепляет амилопектин на 54% с образованием мальтозы. Образовавшиеся при этом декстрины гидролизуются б-амилазой с образованием декстринов меньшей молекулярной массы и не дающих окрашивания с йодом. При последующем длительном действии б-амилозы на крахмал около 85% его превращается в мальтозу.
Т.е. при действии в-амилазы образуются в основном мальтоза и немного высокомолекулярных декстринов. При действии б-амилазы образуются главным образом декстрины меньшей молекулярной массы и незначительное количество мальтозы. Ни б- ни в-амилазы в отдельности не могут полностью гидролизовать крахмал с образованием мальтозы. При одновременном действии обеих амилаз крахмал гидролизуется на 95%.
Продукты гидролиза крахмала
В качестве конечных продуктов гидролиза амилозы обычно образуется не только мальтоза, но и глюкоза, а при гидролизе амилопектина- мальтоза, глюкоза и небольшое количество олигосахаридов, содержащих б І6 - гликозидную связь. Гликозидная связь б І6 гидролизуетя R - ферментом. Основным продуктом, образующимся при гидролизе амилозы и амилопектина, является мальтоза. Далее мальтоза под действием б - глюкозидазы (мальтазы) гидролизуется до D- глюкозы.
Препараты амилаз широко применяют в хлебопечении в качестве улучшителей. Добавление амилаз приводит к образованию более мягкого хлебного мякиша и уменьшает скорость черствения хлеба при хранении.
Гликоген и фитогликоген (растительный гликоген) содержится в зерне кукурузы. По строению фитогликоген близок к запасному полисахариду животных организмов -- гликогену, получившему название животного крахмала. Фитогликоген также как и животный гликоген имеет более высокую степень ветвления, чем амилопектин, около 10 % его связей -- это 1 6 связи, тогда как у амилопектина таких связей около 5 %.
Инулин относится к запасным полисахаридам растений. Он представляет группу молекулярных форм приблизительно одинакового размера.
Инулин как запасной полисахарид откладывается в подземных запасающих органах растений -- в клубнях топинамбура, георгина, корневищах артишока. Причем в качестве энергетического запаса вещества он предпочтительнее крахмала.
Близкое к инулину строение имеет другой запасной полисахарид -- леван. Число моносахаридных остатков у левана равно 78.
Леваны - это временные запасные полисахариды злаковых растений. Они обнаружены в листьях, стеблях и корнях растений и расходуются в период созревания зерна на синтез крахмала. Как и инулин, леван содержит концевой остаток сахарозы. Полисахаридная цепь инулина и левана не имеет восстанавливающих концов -- их аномерные углеродные атомы заняты в образовании гликозидной связи.
Из других запасных полисахаридов известны галактоманнаны в семенах сои, глюкоманнаны, откладываемые в запас некоторыми растениями тропиков, но химическая структура их полностью не установлена.
Структурные полисахариды
Целлюлоза (С6Н10О5) - полисахарид второ-го порядка, является основным компонентом клеточных стенок. Целлюлоза состоит из остатков -D-глюкозы, соединенных между собой 1 4 гликозидной связью (рис. 9, а). Среди других полисахаридов, из которых состоит клеточная стенка растений, он относится к микрофибриллярным полисахаридам, так как в клеточных стенках молекулы целлюлозы соединены в структурные единицы, получившие название микрофибрилл. Последняя состоит из пучка молекул целлюлозы, расположенных по ее длине параллельно друг другу.
Рис. 9.
а - соединение молекул глюкозы; б - структура микрофибрилл; в - пространственная структура
Распространение целлюлозы
В среднем на одну молекулу целлюлозы приходится около 8000 остатков глюкозы. Гидроксилы у атомов углерода С2, С3 и С6 не замещены. Повторяющееся звено в молекуле целлюлозы -- остаток дисахарида целлобиозы.
Свойства целлюлозы
Целлюлоза не растворяется в воде, но в ней набухает. Свободные гидроксильные группы способны замещаться на радикалы -- метильный --СН3 или ацетальный с образованием простой или сложноэфирной связи. Это свойство играет большую роль при изучении строения целлюлозы, а также находит применение в промышленности при производстве искусственного волокна, лаков, искусственной кожи и взрывчатых веществ.
Усвояемость целлюлозы
У большинства животных и человека целлюлоза не переваривается в желудочно-кишечном тракте, так как в их организме не вырабатывается целлюлаза -- фермент, гидролизующий 4 гликозидную связь. Этот фермент синтезируется различного рода микроорганизмами, вызывающими гниение древесины. Целлюлозу хорошо переваривают термиты, потому что в их кишечнике живут симбиотические микроорганизмы, вырабатывающие целлюлазу.
В кормовые рационы крупного рогатого скота включают целлюлозу (в составе соломы и других компонентов), так как в их желудке находятся микроорганизмы, синтезирующие фермент целлюлазу.
Значение целлюлозы
Промышленное значение целлюлозы огромно -- производство хлопчатобумажных тканей, бумаги, деловой древесины и целый ряд химических продуктов, в основе которых лежит переработка целлюлозы.
Гемицеллюлозы -- полисахариды второго порядка, образующие вместе с пектиновыми веществами и лигнином матрикс клеточных стенок растений, заполняющий пространство между каркасом стенок, сложенных из целлюлозных микрофибрилл.
Гемицеллюлозы подразделяют на три группы:
Пектиновые вещества представляют собой группу высокомолекулярных полисахаридов, которые вместе с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином образуют клеточные стенки растений.
Строение пектиновых веществ
Основным структурным компонентом пектиновых веществ служит галактуроновая кислота, из которой строится главная цепь; в состав боковых цепей входят арабиноза, галактоза и рамноза. Часть кислотных групп галактуроновой кислоты этерифицирована метиловым спиртом (рис. 10), т.е. мономером является метоксигалактуроновая кислота. В метоксиполигалактуроновой цепи мономерные звенья связаны 4 гликозидными связями, боковые цепи (разветвления) присоединены к главной цепи 2 гликозидными связями.
Пектиновые вещества сахарной свеклы, яблок, плодов цитрусовых растений различаются между собой по составу боковых цепей полигалактуроновой цепи и по физическим свойствам.
В зависимости от количества метоксильных групп и степени полимеризации различают высоко- и низкоэтерифицированные пектины. У первых этерифицировано более 50 %, у вторых -- менее 50 % карбоксильных групп.
Пектиновые вещества -- это физические смеси пектинов с сопутствующими веществами -- пентозанами и гексозанами. Молекулярная масса пектина от 20 до 50 кДа.
Различают яблочный пектин, который получают из яблочных выжимок, цитрусовый пектин -- из цитрусовых корочек и выжимок, свекловичный пектин -- из свекловичного жома. Богаты пектиновыми веществами айва, красная смородина, кизил, алыча и другие плоды и ягоды.
В растениях пектиновые вещества присутствуют в виде нерастворимого протопектина, связанного с арабаном или ксиланом клеточной стенки. Протопектин переходит в растворимый пектин либо при кислотном гидролизе, либо под действием фермента протопектиназы. Из водных растворов пектин выделяют осаждением спиртом или 50%-ным ацетоном.
Пектиновые кислоты и их соли
Пектиновые кислоты -- высокомолекулярные полигалактуроновые кислоты, небольшая часть карбоксильных групп у которых этерифицирована метиловым спиртом. Соли пектиновых кислот называют пектинатами. Если пектин полностью деметоксилирован, то их называют пектовыми кислотами, а их соли -- пектатами.
Пектолитические ферменты
Ферменты, участвующие в гидролизе пектиновых веществ называются пектолитическими. Они имеют большое значение, так как способствуют повышению выхода и осветлению плодово-ягодных соков.Пектиновые вещества в растениях обычно содержатся не в свободном виде, а в виде сложного комплекса- протопектина. В этом комплексе метоксилированная полигалактуроновая кислота связана с другими углеводными компонентами клетки - арабаном и галактаном. Под действием фермента протопектиназы происходит отщепление арабана и галактана от протопектина. В результате действия этого фермента образуется метоксилированная полигалактуроновая кислота, или растворимый пектин. Растворимый пектин далее расщепляется другими пектолитическими ферментами.
При действии фермента пектинэстеразы на растворимый пектин гидролизуются сложноэфирные связи, в результате чего образуется метиловый спирт и полигалактуроновая кислота, т. е. пектинэстераза отщепляет метоксильные группы метоксиполигалактуроновой кислоты.
Фермент полигалактуроназа при действии на растворимый пектин расщепляет связи между теми участками полигалактуроновой кислоты, которые не содержат метоксильных групп.
Технологическое и физиологическое значение
Важное свойство пектиновых веществ -- способность их к желированию, т. е. образовывать прочные студни в присутствии большого количества сахара (6570 %) и при рН 3,13,5. В образующемся студне массовая доля пектина составляет от 0,2 до 1,5 %.
Пектиновые вещества способны образовывать также при соответствующей обработке гели -- в присутствии перекиси водорода и пероксидазы происходит перекрестная сшивка боковых цепей; в присутствии кислоты и сахара, а также солей кальция пектины также образуют гели с высокой водопоглощающей способностью -- 1 г пектина может поглотить от 60 до 150 г воды.
Плотные гели образуют только высокоэтерифици-рованные пектины. Частичный гидролиз метиловых эфиров приводит к снижению желирующей способности. При полном гидролизе метоксильных групп в щелочных растворах или под действием фермента пектинэстеразы образуются пектиновые кислоты, которые представляют собой полигалактуроновую кислоту. Полигалактуроновая кислота не способна образовывать желе.
На желирующей способности пектиновых веществ основано использование их в качестве студнеобразующего компонента в кондитерской промышленности для производства конфитюров, мармелада, пастилы, желе, джемов, а также в консервной промышленности, хлебопечении и в производстве сыров.
Пектиновые вещества обладают важными физиологическими свойствами, выводя из организма тяжелые металлы в результате соединения многовалентных ионов металлов с неэтерифицированными группами --СОО- по типу ионных связей.
Пластическая. Углеводы образуются в растениях в процессе фотосинтеза и служат исходным сырьем для синтеза всех других органических веществ;
Структурная. Эту роль выполняют целлюлоза или клетчатка, пектиновые вещества, гемицеллюлоза;
Запасающая. Запасные питательные вещества: крахмал, инулин, сахароза…
Защитная. Сахароза у зимующих растений – основное защитное питательное вещество.
Энергетическая. Углеводы – основной субстрат дыхания. При окислении 1 г. углеводов выделяется 17 кДж энергии.
2.2. Белки (Б).
Белки, или протеины – высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот.
Среди органических веществ по количеству в растениях на первом месте стоят не белки, а углеводы и жиры. Но именно Б. играют решающую роль в обмене веществ.
Структурная. В цитоплазме клеток доля белков составляет 2/3 от всей массы. Белки являются составной частью мембран;
Запасающая. В растениях белков меньше, чем в животных организмах, но достаточно много. Так, в семенах злаков – 10-20 % сухой массы, в семенах бобовых и масличных культур – 20-40 %;
Энергетическая. Окисление 1 г белка дает 17 кДж;
Каталитическая. Ферменты клеток, выполняющие каталитическую функцию являются белковыми веществами;
Транспортная. Осуществляют транспорт веществ через мембраны;
Защитная. Белки как антитела.
Белки выполняют ряд других специфических функций.
2.2.1. Аминокислоты (А),
А – основные структурные единицы, из которых построены молекулы всех белковых веществ. Аминокислоты – производные кислот жирного или ароматического рядов, содержащие одновременно аминогруппу (-NH 2) и и карбоксильную группу (-СООН). Большинство природных А. имеет общую формулу
В природе присутствует около 200 А., а в построении Б. участвуют лишь 20, а также два амида- аспарагин и глутамин. Остальные А. называются свободными.
В Б. присутствуют только левые аминокислоты.
Из химических свойств А. отметим их амфотерность . В связи с амфотерным характером А. в водных растворах в зависимости от рН раствора диссоциация групп –СООН или –NH 2 подавляется и А. обнаруживают свойства кислоты или щелочи.
(-) щелочная среда кислая среда заряд «+»
Н 2 О +R-СН-СОО - ← ОН- +R-СН-СОО- + Н+ →R-СН-СООН
H 2 NH 3 N + H 3 N +
Реакция раствора А., при которой наблюдается равенство «+» и «-» зарядов, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ). В ИЭТ молекула А. электронейтральна и не передвигается в электрическом поле.
В состав Б. входят 20 А. и два амида-аспарагин и глутамин. Из 20 А. 8 являются незаменимыми, так как они не могут синтезироваться в организме человека и животных, а синтезируются растениями и микроорганизмами. К незаменимым аминокислотам относятся: валин; лизин; метионин; треонин; лейцин; изолейцин; триптофан; фенилаланин.
Представители А.
Аланин СН 3 -СН-СООН (6.02)
Цистеин СН 2 -СН-СООН (5.02)
Аспарагиновая СООН-СН 2 -СН-СООН (2.97)
кислота |
Глутаминовая СООН-СН 2 -СН 2 -СН-СООН (3.22)
кислота |
Лизин СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН-СООН (9.74)
2.2.2. Состав и общие свойства белков.
Элементарный состав Б. довольно постоянен и почти все они содержат 50-60 % С, 20-24 % О, 6-7 % Н, 15-19 % N, а количество серы – от 0 до 3 %. В сложных Б. в небольшом количестве присутствуют фосфор, железо, цинк, медь…..
Свойства белков.
Амфотерность. Б. содержат свободные NH 2 и СООН группы и могут диссоциировать как кислоты и как основания (см. на примере А.). Они имеют ИЭТ. При реакции раствора равной или близкой ИЭТ белки характеризуются крайней неустойчивостью и легко выпадают из растворов в осадок при самых слабых внешних воздействиях. Это используется для выделения белков.
Денатурация. Это потеря белком своих биологических свойств под влиянием различных внешних воздействий – высокая температура, действие кислот, солей тяжелых металлов, спирт, ацетон и др. (см. факторы коагуляции коллоидов). В результате воздействия в белковой молекуле происходит изменение строения полипептидных цепей, нарушается пространственная структура, но распад на аминокислоты не происходит. Например, при нагревании куриного яйца белок свертывается. Это необратимая денатурация; или абсолютно высушенные семена.
Биологическая питательная ценность белков (БПЦ). Она определяется содержанием в Б. незаменимых А. Для этого исследуемый Б. сравнивают со стандартным Б., утвержденным ФАО (Международная продовольственная и с.-х. организация). Рассчитывают аминокислотный скор каждой незаменимой аминокислоты и выражают его в % содержание незаменимой А. в исследуемом белке (мг) х 100 %
Те А., у которых аминокислотный скор меньше 100 %, называются лимитирующими . Во многих Б. вообще нет отдельных незаменимых А.. Например, триптофан отсутствует в белках яблок; во многих растительных Б. лимитирующими чаще всего бывают четыре незаменимых А. – лизин, триптофан, метионин и треонин. Б., не содержащие некоторых незаменимых А., называютсянеполноценными . Растительные Б.считаются неполноценными,а Б. животных –полноценными . На создание 1 кг животного Б. расходуется 8-12 кг растительного. По БПЦ белка можно оценить: 100 % - белки молока, яиц; другие животные Б – 90-95 %; Б. бобовых культур – 75-85 %; Б. зерновых культур - 60-70 %.
2.2.3. Строение белков.
Согласно полипептидной теории строения Б. (Данилевский, Фишер) аминокислоты взаимодействуют между собой с образованием пептидной связи – СО-NH-. Образуются ди-, три-, пенто- и полипептиды.
Молекула Б. построена из одной или нескольких связанных между собой полипептидных цепей, состоящих из аминокислотных остатков.
СН 3 СН 2 SН СН 3 СН 2 SН
H 2 N-СН-СООН +H 2 N-СН-СООН →H 2 N-СН-СО-NН-СН-СООН + Н 2 О
Аланин цистеин аланилцистеин
(дипептид)
Структура Б .
Существуют различные уровни организации белковой молекулы и каждая молекула имеет свою пространственную структуру. Потеря или нарушение этой структуры вызывает нарушение выполняемой функции (денатурация).
Существуют различные уровни организации белковой молекулы.
Первичная структура. Определяется количеством и последовательностью расположения аминокислот в молекуле Б. Первичная структура закреплена генетически. Молекула Б. имеет при этой структуре нитевидную форму. …….
Первичная структура гомологичных белков используется, в частности, в качестве критерия для установления родства между отдельными видами растений, животных и человека.
Вторичная структура. Она представляет собой спиралевидную конфигурацию полипептидных цепей. Решающая роль в ее образовании принадлежит водородным связям …… Однако между отдельными точками спирали могут возникать и дисульфидные связи (-S-S-), которые нарушают типичную спиральную структуру.
Третичная структура. Это еще более высокий уровень организации Б. Она характеризует пространственную конфигурацию молекулы. Она обусловлена тем, что свободные карбоксильные, аминные, гидроксильные и др. группы боковых радикалов молекул аминокислот в полипептидных цепях взаимодействуют между собой с образованием амидных, сложноэфирных и солеобразных связей. Благодаря этому полипептидная цепь, имеющая определенную вторичную структуру, еще более складывается и упаковывается и приобретает специфическую пространственную конфигурацию. Существенную роль в ее образовании играют также водородные и дисульфидные связи. Формируется глобулярная (шаровидная) форма белков.
Четвертичная структура. Она образуется при объединении нескольких белков с третичной структурой. Следует отметить, что функциональная активность того или иного белка определяется всеми четырьмя уровнями его организации.
2.2.4. Классификация белков .
По строению белки подразделяются на протеины, или простые Б., построенные только из остатков аминокислот, и протеиды, или сложные Б., состоящие из простого Б. и прочно связанного с ним какого-либо другого соединения небелковой природы. В зависимости от природы небелковой части протеиды делятся на подгруппы.
Фосфопротеиды – белок соединен с фосфорной кислотой.
Липопротеиды – белок соединен с фосфолипидами и др. липидами, например, в мембранах.
Гликопротеиды – белок соединен с углеводами и их производными. Например, в составе растительных слизей.
Металлопротеиды – содержат металлы, г.о. микроэлементы: Fe,Cu,Zn….. Это в основном металлосодержащие ферменты: каталаза, цитохромы и др.
Нуклеопротеиды – одна из самых важных подгрупп. Здесь белок соединяется с нуклеиновыми кислотами.
Большое практическое значение имеет классификация протеинов по растворимости в различных растворителях. Различают следующие фракции Б. по растворимости:
Альбумины – растворимые в воде. Типичный представитель – альбумин куриного яйца, многие белки – ферменты.
Глобулины – белки, растворимые в слабых растворах нейтральных солей (4 или 10 % NaClили КCl).
Проламины – растворяются в 70 % этиловом спирте. Например, глиадины пшеницы и ржи.
Глютелины – растворяются в слабых растворах щелочей (0,2-2 %).
Гистоны – низкомолекулярные Б. щелочного характера, содержащиеся в ядрах клеток.
Фракции Б. различаются по аминокислтному составу и биологической питательной ценности (БПЦ). По БПЦ фракции располагаются в последовательности: альбумины › глобулины ≈ глютелины › проламины. Содержание фракций зависит от вида растений, оно неодинаково в различных частях зерна. (см. частную биохимию с.-х. культур).
Липиды (Л).
Липиды – жиры (Ж) и жироподобные вещества (липоиды) близкие по своим физико-химическим свойствам, но различающиеся по биологической роли в организме.
Липиды обычно разделяются на две группы: жиры и липоиды. Обычно к липидам относят и жирорастворимые витамины.
План:
1. Значение углеводов. Общая характеристика.
2. Классификация углеводов.
3. Строение углеводов.
4. Синтез, распад и превращение углеводов в растении.
5. Динамика углеводов при созревании ПОВ.
Значение углеводов. Общая характеристика.
Углеводы – основной питательный и главный опорный материал растительных клеток и тканей.
Составляют до 85-90 % всей массы растительного организма.
Образуются в процессе фотосинтеза.
В состав углеводов входят С, Н и О.
Представители : глюкоза С6Н12О6, сахароза С12Н22О11, фруктоза, рамноза, крахмал, клетчатка, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, агар-агар.
Сахароза – углевод, синтезирующийся только в растительном организме и грающий очень большую роль в обмене веществ у растений. Сахароза – наиболее легко усвояемый растением сахар. В некоторых растениях сахароза может накапливаться в чрезвычайно больших количествах (сахарная свекла, сахарный тростник).
ПОВ сильно отличаются по составу углеводов:
Картофель – большая часть углеводов представлена крахмалом;
Зеленый овощной горох (убранный в стадии технической зрелости) – основная масса углеводов состоит из почти равных частей крахмала и сахаров;
Зрелые яблоки – крахмал практически отсутствует, а углеводы представлены глюкозой, фруктозой, сахарозой;
Хурма – глюкоза и фруктоза, почти нет сахарозы;
Виноград – глюкоза и фруктоза.
Различный состав углеводов и в отдельных тканях ПОВ:
В кожуре – клетчатка и пектиновые вещества (защита плодовой мякоти от неблагоприятных воздействий);
В мякоти – крахмал, сахара (глюкоза, фруктоза, сахароза).
Классификация углеводов.
Все углеводы разделяют на две группы – Монозы (моносахариды) и Полиозы (полисахариды)
Несколько молекул моносахаридов, соединяясь между собой с выделением воды, образуют молекулу полисахарида.
Моносахариды: Их можно рассматривать, как производные многоатомных спиртов.
Представители : глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза.
Дисахариды: сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар) и целлобиоза.
Трисахариды: Рафиноза и др.
Тетрасахариды: стахиоза и др.
Ди-, три - и тетрасахариды (до 10 остатков моноз) составляют группу Полисахаридов первого порядка . Все представители этой группы легко растворимы в воде и в чистом виде являются кристаллическими веществами (олигосахариды) .
Олигосахара (олигосахариды) могут быть гомо - и гетеросахара. Сахароза состоит из глюкозы и фруктозы – фуран (гетеросахар). Лактоза – галактоза + глюкоза. Мальтоза, трегалоза, целлобиоза – Глюкоза + глюкоза (гомосахара), отличаются расположением атомов углерода, участвующих в связи между молекулами моносахаров.
Более сложные углеводы – Полисахариды второго порядка . Сложные вещества с очень большой молекулярной массой. В воде либо не растворяются совсем, либо дают вязкие, коллоидные растворы.
Представители : слизи, крахмал, декстрины, гликоген, клетчатка, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, инулин, каллоза и др.
Строение углеводов.
Моносахариды, содержащие по три углеродных атома, принадлежат к группе Триоз , с четырьмя – Тетроз , с пятью – Пентоз , шестью – Гексоз и семью – Гептоз .
Наиболее важными и распространенными в природе являются пентозы и гексозы.
Моносахариды, производные многоатомных спиртов – содержат в своей молекуле наряду со спиртовыми группами –ОН альдегидную или кетогруппу.
Триозы:
Правовращающийся Левовращающийся
D-глицериновый альдегид L-глицериновый альдегид
Фруктоза относится к пентозам, глюкоза к гексозам.
Установлено, что в растворах D-глюкоза существует в трех взаимопревращающихся формах, две из которых циклические.
Аналогичные взаимопревращения трех форм установлены также и для других моносахаридов.
Дисахариды:
Полисахариды:
Имеют линейную или разветвленную структуру, полимерные молекулы их состоят из мономеров (моносахаридов), соединенных между собой в длинные цепочки.
Синтез, распад и превращение углеводов в растении.
Синтез .
Первичным продуктом фотосинтеза является Фосфоглицериновая кислота. При дальнейших превращениях она дает различные Моносахариды – глюкозу, фруктозу, маннозу и галактозу (они образуются без участия света, в результате «темновых» ферментативных реакций). Образование гексоз из фосфоглицериновой кислоты или фосфоглицеринового альдегида (триоз) происходит благодаря действию фермента Альдолазы .
Образование глюкозы и фруктозы из сорбита.
Наряду с моносахаридами в листьях на свету чрезвычайно быстро образуются также сахароза (дисахарид) и крахмал (полисахарид), однако это вторичный процесс ферментативных превращений ранее образовавшихся моносахаридов (может происходить в полной темноте). Сахароза синтезируется из глюкозы и фруктозы, а также из других гексоз. Из пентоз (арабиноза, ксилоза) сахароза не синтезируется.
Распад.
Большинство моносахаридов сбраживаются дрожжами.
Олигосахара распадаются под действием соответствующих ферментов и при гидролизе (нагревании в присутствии кислот).
Полисахариды второго порядка:
Крахмал (состоит из амилозы и амилопектина, их соотношение в крахмале разных растений различно) – распадается под действием фермента Глюкозоамилазы и при гидролизе на молекулы глюкозы; Гликоген (аналогично).
Клетчатка (целлюлоза) – переваривается только у жвачных животных бактериями, содержащими фермент Целлюлазу .
Гемицеллюлозы гидролизуются кислотами легче, чем клетчатка.
Взаимопревращения.
В растениях сахариды чрезвычайно легко превращаются друг в друга.
Взаимопревращения моносахаридов происходят в результате действия соответствующих ферментов, катализирующих реакции фосфорилирования и образования фосфорных эфиров сахаров.
Под действием изомераз происходят превращения моносахаров друг в друга.
В растительных организмах обнаружены также ферменты, катализирующие образование фосфорных эфиров сахаров и их взаимные превращения.
Крахмал, накапливающийся в листьях при фотосинтезе, может очень быстро превращаться в сахарозу (важнейшая транспортная форма углеводов), перетекать в виде сахарозы в семена, плоды, клубни, корнеплоды и луковицы, где сахароза снова превращается в крахмал и инулин. В этих процессах амилаза не принимает никакого участия (работают другие ферменты и гидролиз).
Динамика углеводов при созревании ПОВ
1. В период созревания на растении и хранения у большинства плодов и овощей содержание крахмала уменьшается, а сахаров возрастает.
2. Достигнув определенного максимума, уровень сахаров начинает также снижаться.
Зеленые бананы – более 20 % крахмала и менее 1 % сахара;
В зрелых бананах – уровень крахмала снижается до 1 %, а сахаров возрастает до 18 %.
Большую часть сахаров составляет сахароза, но в оптимальной зрелости плодов сахара представлены равными долями сахарозы, фруктозы и глюкозы.
Такие же изменения характерны для яблок, хотя выражены гораздо слабее.
Если при созревании на материнском растении количество сахаров увеличивается за счет моно - и дисахаридов, то при последующем их хранении повышение уровня сахаров, если оно наблюдается, происходит за счет моносахаридов. Количество дисахаридов при этом уменьшается, под действием ферментов и гидролиза (под действием кислот) они распадаются до моноз, в результате чего количество последних растет.
В плодах и овощах, которые вообще не содержат крахмала, тоже при хранении наблюдается повышение сахаров. А также и у содержащих крахмал плодов содержание сахаров, образующихся при хранении, превышает содержание крахмала, из которого они могут образовываться. Изучение динамики различных фракций полисахаридов показало, что при послеуборочном дозревании плодов происходит не только гидролиз крахмала, но и пектиновых веществ, гемицеллюлоз и даже целлюлоз.
У Овощного гороха, овощной фасоли и сахарной кукурузы при созревании и хранении происходит не превращение крахмала в сахар, а наоборот, сахаров в крахмал (при хранении при 00С, процессы перехода происходят медленнее, но в том же порядке). При хранении бобовых в створках, сроки перехода сахара в крахмал увеличиваются в два раза.
В Клубнях картофеля Протекают и процессы синтеза крахмала из сахаров, и процессы перехода крахмала в сахара.
В процессе роста в клубнях накапливается крахмал. Качество клубней картофеля тем выше, чем больше соотношение крахмала к сахарам.
При хранении при 00С крахмал переходит в сахара, но эта температура оптимальна для остановки развития патогенной микрофлоры (гниение картофеля).
При снижении температуры с 20 до 00С:
Крахмал Þ сахар – уменьшается на 1/3;
Сахар Þ крахмал – уменьшается в 20 раз;
Скорость потребления сахара при дыхании (сахар Þ СО2 + Н2О) – уменьшается в 3 раза.
За счет этого происходит накопление сахаров при хранении. При чем у диких форм картофеля и в северных р-нах большинство накапливающихся при хранении сахаров – моносахара. В нашей зоне при хранении накапливается одинаковое количество моно - и дисахаридов.
Для потребления клубней в пищу и для использования их на семена необходимо уменьшить содержание сахаров и увеличить содержание крахмала, для этого нужно выдержать клубни при 200С.
Длительное хранение клубней картофеля при 00С приводит к тому, что время, необходимое для перевода сахаров в крахмал увеличивается на столько, что за этот срок болезни и вредители поражают клубни полностью.
При хранении при 100С в картофеле сохраняется практически нативный уровень крахмала, но болезни эта температура не сдерживает. Поэтому картофель экономически выгоднее хранить при 40С, в хорошо проветриваемых помещениях (условия активного вентилирования), клубни должны быть неповрежденные сухие, для предотвращения прорастание и болезней необходимы дополнительные средства – химические препараты.
