Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

5.3. Простые и сложные белки

(S–S) связей. Нарушение этих процессов препятствует выходу белков из эндоплазматического ретикулума. Необходимость этих процессов продемонстрированы на белках лизосомальных мембран, которые синтезируются в эндоплазматическом ретикулуме, а затем переносятся в комплекс Гольджи для гликозилирования. Модифицированные таким образом белки приобретают способность меньше разрушаться, обеспечивая стабильность мембран и функционирование этих органелл в клетке.

Рекомбинантным считается белок, полученный искусственным путем, в состав полипептидной цепи которого введены чужеродные аминокислоты. Рекомбинатный белок получают путем встраивания в процессе транскрипции в первичную структуру белка новых аминокислот, искажающих его естественную аминокислотную последовательность. Таким путем получают искусственные белки с заданными свойствами.

5.3. ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ

Условно белки можно разделить на две группы: простые и сложные. Простыми называются белки, в основе структуры которых полипептидная цепь, состоящая из аминокислотных остатков. В состав сложных белков кроме полипептидной цепи могут входить углеводы (гликопротеиды), липиды (липопротеиды), нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды) или различные неорганические и низкомолекулярные органические соединения (остатки фосфорной кислоты, ионы металлов, гем, флавинмононуклеотид, флавинадениндинуклеотид, липоевая кислота, тиаминпирофосфат и др.).

Наибольшие возможности для классификации белковых веществ представляют их физико-химические свойства, главным образом степень их растворимости и различная молекулярная масса. Кроме того, учитывают находящиеся в белковых молекулах соединения, не относящиеся к аминокислотам.

По современной классификации все белки разделяют на два класса: протеины, или простые белки, построенные только из остатков аминокислот, и протеиды, или сложные белки, состоящие из простого белка и прочно связанного с ним какого-либо другого соединения небелковой природы. Кроме того, в растениях следует выделить группу функциональных белков, выполняющих рецепторные, сократительные и другие функции.

Протеины. Эти простые белки разделяются на группы в зависимости от их растворимости в различных растворителях. Наиболее хорошо извлекаются и лучше изучены протеины семян растений.

Альбумины — белки, растворимые в воде. Они имеют относительно небольшую молекулярную массу; многие из них получены в кристаллическом состоянии. К альбуминам относят многие белки-ферменты. Ти-

83

Глава 5. Белки

пичный представитель этой подгруппы — альбумин куриного яйца. Альбумины встречаются во всех растительных тканях, а семена очень многих растений содержат их в количестве 0,5…2%. Представителями альбуминов являются лейкозины пшеницы, ржи и ячменя, рицин семян клещевины

инекоторые другие; определены их молекулярные массы и аминокислотный состав. Однако, как указывалось выше, следует учитывать, что многие альбумины, даже полученные в кристаллическом состоянии, могут быть разделены на ряд компонентов. Строго говоря, они не являются индивидуальными белками. Это относится и к другим группам белков. У животных альбумины преимущественно содержатся в крови.

Глобулины — белки, нерастворимые в воде или слабых кислотах, но растворимые в слабых растворах нейтральных солей. Для извлечения глобулинов чаще всего используют 4…10 %-ные растворы хлорида натрия или калия. Глобулины очень широко распространены в растениях, а в семенах бобовых растений и масличных культур они составляют основную массу белков. В семенах бразильского ореха и арахиса глобулины могут откладываться в кристаллической форме и легко обнаруживаются под микроскопом.

Из белков этой подгруппы наиболее хорошо изучены эдестин семян конопли, фазеолин семян фасоли, глицин семян сои, конглютин семян люпина, арахин семян арахиса, вицилин семян гороха и др. Молекулярная масса многих глобулинов равна 50000…300000 Да. Для многих из них определены размеры молекул и аминокислотный состав.

Проламины в воде не растворимы. Для них характерна растворимость в 70 %-ном этиловом спирте. Важная особенность проламинов состоит в том, что они встречаются главным образом в семенах злаков, в других растениях их очень мало. В них много пролина, амидов и глутаминовой кислоты, а основных аминокислот немного.

Кнаиболее изученным проламинам относятся глиадины пшеницы

иржи, гордеин ячменя, зеин кукурузы, авенин овса и др. Молекулярная масса большинства проламинов составляет несколько десятков тысяч.

Глютелины — белки, нерастворимые в воде, солевых растворах и этиловом спирте, но растворяющиеся в слабых растворах щелочей (0,2…2,0%- ных). Содержание этих белков в семенах некоторых растений достигает 1…3% массы семян. Наиболее хорошо изучены глютелины зерна пшеницы

ириса, получившие названия соответственно глютенин и оризенин. Глютелины, так же как и другие простые белки, состоят из ряда компонентов, различающихся по молекулярным массам и другим физико-химическим свойствам.

Гистоны — низкомолекулярные белки щелочного характера, содержащиеся в ядрах клеток и в значительной степени связанные с дезоксирибонуклеиновой кислотой. Особенно много таких белков в хромосомах,

84

5.3. Простые и сложные белки

где на их долю приходится до 50 % массы. Молекулярная масса гистонов колеблется от 10 000 до 20 000. Щелочной характер белков обусловлен высоким содержанием основных аминокислот в их молекулах; содержание наиболее щелочных аминокислот — аргинина и лизина — достигает в молекулах гистонов 25…30 %.

Протеиды. К группе сложных белков относятся такие, в состав которых, кроме белковой части, входит та или иная небелковая, так называемая простетическая группа, прочно связанная с белком. Отделить белок от небелковой части можно лишь после полного или частичного его гидролиза. Все протеиды делят на подгруппы в зависимости от природы небелковой части.

Гемопротеиды. Гембелки представляют собой группу белков и ферментов. Эти белки обладают различными функциями и механизмом действия. В растениях катализируют окисление или переокисление различных соединений кислородом (пероксидазы и цитохром-с-пероксидазы), участвуют в процессах переноса электронов (цитохромы b и с), катализируют разложение гидроперекисей (каталаза), восстановление кислорода до воды (цитохромоксидаза).

Функционально активной группой гемсодержащих белков является гем, представленный протопорфирином IX, пиррольные атомы азоты которого координируют с атомом железа. Структуры протопорфирина IX и гема показаны ниже. (Окраску гембелкам придает гем, который приобретает ее за счет наличия сопряженных двойных связей на протопорфирине.)

Липопротеиды. Основную транспортную функцию в растительном организме выполняют сложные высокомолекулярные белково-липид- ные структурные образования, которые называются липопротеидами.

85

Глава 5. Белки

В составе липопротеидов присутствуют белки, триацилглицерины, фосфолипиды, стероиды и их эфиры, жирные кислоты, жирорастворимые витамины.

Модель липопротеида

Липопротеиды предназначены для связывания и транспорта различных нерастворимых в воде соединений, в том числе и липидов. Кроме того, липопротеины входят в состав мембран митохондрий, ядра клетки, микросом и клеточной мембраны. Все липопротеиды имеют гидрофобное ядро, в состав которого входят липиды, окруженные полярными липидами и оболочкой из белков.

Рецепторные белки. Внутриклеточным рецепторным белком растений служит кальмодулин, который выполняет функцию модулятора Са2+-за- висимых процессов в клетках. Белок имеет молекулярную массу, равную 16,7 кДа, полипептидная цепочка представлена 148 аминокислотными остатками. Изоэлектрическая точка белка проявляется при рН 3,9…4,3. На поверхности белковой глобулы связываются четыре иона кальция, которые инициируют конформационные превращения, сопровождаемые увеличением α-спирализации третичной структуры белка. После этого комплекс Са2+ с кальмодулином инициирует активность протеинкиназы, фосфодиэстеразы, АТФазу актомиозина и других белков. При этом Са2+-кальмоду- линовый комплекс способен инициировать деятельность сократительных белков и микротрубочек.

Сократительные белки. Растения способны к проявлению движения, соизмеримому по быстроте в некоторых случаях со скоростью движения животных. Так, мухоловка производит захлопывание листа-ловуш- ки, стыдливая мимоза складывает листья при ударе, василек и барбарис

86

ГЛАВА 6

ВИТАМИНЫ И КОФЕРМЕНТЫ

Врастительных тканях и микроорганизмах синтезируются биологически активные низкомолекулярные вещества, необходимые для протекания химических реакций. Изучение витаминов началось с исследований русского ученого Н.И. Лунина, который в 1880 г. в экспериментах на мышах впервые выявил роль в жизнедеятельности животных ранее неизвестных соединений, отличающихся строением от белков, углеводов, липидов и минеральных солей. Впоследствии его выводы были подтверждены и другими исследователями. В начале ХХ века эти соединения по предложению

К.Функа стали называть витаминами.

Вживых организмах многие витамины служат предшественниками кофакторов, которые входят в состав ферментов. Витамины выполняют в живых организмах разнообразные функции и отличаются по химическому строению. Недостаток и отсутствие витаминов вызывает у животных и человека развитие симптомов гипоили авитаминозов и иногда заканчивается гибелью организма.

Все витамины имеют буквенное обозначение. Витамины условно можно разделить на растворимые в полярных (водорастворимые: B1, B2, B3, В4, B5,

B6, B7, B8, B12, B13, B15, Bc, C, P, PP, H, U, N, Q) и в неполярных (жирорастворимые: A, D, E, K) растворителях. В составе коферментов НАД, НАДФ

присутствуют остатки витаминов В5 (никотинамид и никотиновая кислота); ФМН и ФАД — В2 (рибофлавин), КоА — В3 (пантотеновая кислота), тиаминпирофосфата — В1 (тиамин), пиридоксальфосфата — В6 (пиридоксин). В составе активных центров ферментов содержатся в качестве простетических групп следующие витамины: липоевая кислота у липоатацетилтрансферазы, витамин Н (биотин) у пируват- и ацетил-КоА-карбоксилаз, витамин K (филлохинон) у филлохинонредуктазы и менадионредуктазы, витамин Вс (фолиевая кислота) у трансаминаз, В12 (кобаламин) у метилтрансфераз. Кроме того, в составе белка родопсина присутствует витамин А (ретинол), участвующий в процессе фоторецепции. Антиоксидантные свойства про-

88

6.1. Витамины, растворимые в полярных растворителях

являют витамины Е (токоферолы), Р (биофлавоноиды) и С (аскорбиновая кислота). В переносе ионов кальция участвует витамин D.

6.1.ВИТАМИНЫ, РАСТВОРИМЫЕ В ПОЛЯРНЫХ РАСТВОРИТЕЛЯХ

Витамин В1 (тиамин, антиневритный). Основными частями витамина являются пиримидин и тиазонит, соединенные между собой метиленовой связью.

Тиамин

Витамин В1 служит предшественником тиаминпирофосфата (ТПФ), образование которого катализируется тиаминпирофосфокиназой, переносящей с АТФ остаток пирофосфорной кислоты.

Тиаминпирофосфат

Богатыми по содержанию тиамина являются дрожжи, зародыши

иоболочки пшеницы, овса, гречихи. Витамин накапливается в основном в зеленых листьях на свету, а также при созревании плодов и семян. На содержание тиамина в растениях влияют минеральные вещества почвы, в частности азот, фосфор, калий и сера.

Больше всего в организме животных витамина В1 определяется в клетках печени и мозга. В молоке содержание витамина В1 может доходить до 0,8…1,2 мг/кг. Роль витамина В1 в метаболических процессах проявляется через действие кофермента, который участвует в каталитических реакциях декарбоксилирования α-аминокислот, а также расщепления

исинтеза α-оксикетонов. Ферментами, в механизме действия которых участвует ТПФ, являются пируватдекарбоксилаза, транскеталаза, α-ке- тоглутаратдегидрогеназа, дегидрогеназа γ-оксиглутаровой кислоты.

89

Глава 6. Витамины и коферменты

При авитаминозах витамина В1 развивается полиневрит («бери-бери»). Тиамин назначается к лечебному применению при невритах, атонии кишечника, заболеваниях печени, дистрофии миокарда, спазмах периферических сосудов, экземе, псориазе.

Витамин В2 (рибофлавин, витамин роста). В основе молекулы витамина лежит гетероциклическое соединение — изоаллоксазин, к которому в положении 9 присоединен пятиатомный спирт рибитол.

OH OH OH

CH2CH CH CH CH2OH

O

Рибофлавин

Витамин синтезируется только в растениях и микроорганизмах. Особенно высокое содержание рибофлавина отмечается в активно растущих частях растений, а также зародышах и оболочках злаковых культур. Богаты витамином бобовые культуры. Кроме того, витамин содержится в дрожжах, молочной сыворотке, яичном белке, мясе, рыбе, печени и др.

Витамин В2 чувствителен к действию УФ излучения, под действием которого витамин В2 окисляется в бесцветную лейкоформу. Свойство витамина В2 легко окисляться и восстанавливаться лежит в основе его участия в метаболических процессах. Витамин В2 является предшественником рибофлавин-5′-фосфата (ФМН) и флавинадениндинуклеотида (ФАД), действия которых проявляются в окислительно-восстановитель- ных процессах, катализируемых следующими ферментами: оксидазы L- и D-аминокислот, глициноксидаза, альдегидоксидаза, ксантиноксидаза, глюкозооксидаза, лактатдегидрогеназа, алкогольоксидаза, ретинальдегидрогенеза, оротатредуктаза, сукцинатдегидрогеназа, глутарил-КоА- дегидрогеназа, аспартатоксидаза, аминоксидаза, пиридоксаминфосфатоксидаза, тираминоксидаза и др.

Флавинмононуклеотид (ФМН)

90

6.1. Витамины, растворимые в полярных растворителях

Флавинадениндинуклеотид (ФАД)

В ходе ферментативного процесса восстановленные ФМН и ФАД способны обратимо окисляться, донируя атомы водорода от атомов азота в положении N1 и N10.

Образование ФМН катализируется рибофлавинкиназой с участием АТФ:

Mg2+

Рибофлавин + АТФ → ФМН + АДФ,

а ФАД — АТФ-зависимой ФМН-аденинтрансферазой из ФМН:

Mg2+

ФМН + АТФ → ФАД + ФФн

Применяется витамин В2 при коньюнктивитах, кератитах, катаракте, ранах, язвах, спру, циррозах и др.

Витамин В3 (пантотеновая кислота, антидерматитный). В составе витамина остатки D-α,γ-диокси-β,β-диметилмасляной кислоты и β-аланина, связанные между собой амидной связью.

CH3 OH

HOCH2 C CH CO NHCH2CH2 COOH

CH3

Пантотеновая кислота

Витамин В3 распространен в растениях (цветная капуста, картофель, томаты). В зерновках пшеницы содержание витамина составляет 1…2 мг%, горохе — 2…3, моркови — 0,2…0,3, капусте — 0,3…0,4 мг%. Кроме того, витамин накапливается в пивных дрожжах, бактериях, в том числе в кишечной микрофлоре животных и человека, грибах. Высокое содержание

91

Глава 6. Витамины и коферменты

витамина В3 в печени животных, почках, мышцах, яичном желтке, икре. В молоке содержится 2,0…3,8 мг/кг. Синтезируется витамин В3 в растениях путем последовательного превращения следующих соединений:

α-кетоизовалериановая кислота → кетопантоевая кислота → пантотеновая кислота

Витамин В3 входит в состав коэнзима А, который участвует в реакциях превращения пировиноградной кислоты, катализируемых ферментами пируватдегидрогеназного (ПДК) и α-кетоглутаратдегидрогеназного (α-КГДК) комплексов, синтезе жирных кислот — в составе ацилпереносящего белка.

Ф

Коэнзим А (HSKoA)

В3 участвует в углеводном и липидном обменах. У животных витамин еще участвует и в синтезе ацетилхолина. Кроме того, улучшает сократительные функции миокарда и усиливает действие сердечных гликозидов. Применяется при невритах, экземе, аллергических реакциях, язвах, ожогах, заболеваниях печени.

Витамин В4 (холин, капилляроукрепляющий). Представляет аминоэтиловый спирт, содержащий у атома азота три метильные группы. Донорами метильных групп являются S-аденозилметионин, серин и глицин. Витамин В4 имеет следующее строение:

+

(CH3)3N CH2 CH2OH

Холин

В растительных и животных тканях витамин В4 встречается в составе фосфолипидов (фосфатидилхолина), принимающих участие в формировании биологических мембран. Основными источниками витамина В4 для человека являются печень, почки, мясо, рыбные продукты, капуста. Содержание в молоке витамина может достигать 0,2…0,6 мг/кг.

Кроме того, в организме животных функционально активным витамин В4 становится в составе нейромедиатора ацетилхолина, принимая участие в реакциях трансметилирования при биосинтезе метионина, пуриновых и пиримидиновых оснований, фосфолипидов. При недостатке витамина

92