БИОХИМИЯ ЗЕРНА


   

§ 6. Ферменты зерна

  

 

В зерне злаковых растений, как и во всяком живом организме, большое количество ферментов. Рассмотрим некоторые из них, имеющие наибольшее значение для биохимических процессов, протекающих в зерне и оказывающих влияние на качественное состояние зерна при хранении и его переработке.

Ферменты первого класса. Это оксидазы монофенол-моно- оксигеназа (тирозиназа), аскорбатоксидаза, пероксидаза, ка- талаза и липоксигеназа.

Монофенол-монооксигеназа (1.14.18.1) окисляет аминокислоту тирозин с образованием темноокрашенных соединений — меланинов. Активная монофенол-монооксигеназа содержится в ржаной муке и грибах. Темный цвет ржаного хлеба частично объясняется действием монофенол-монооксигеназы. Той же причиной объясняется наблюдающееся потемнение некоторых партий макарон при их сушке, некоторые сорта пшеницы содержат активную монофенол-монооксигеназу.

Аскорбатоксидаза (1.10.3.3) представляет собой белок, содержащий медь (0,24%).

В растениях имеется оксидаза, которая превращает аскорбиновую кислоту в дегидроаскорбиновую.

Пероксидаза (1.11.1.7) способствует окислению органических соединений пероксидом водорода в живом организме. Может окислять те или иные соединения с помощью пероксида водорода или каких-либо органических примесей. С пероксидом водорода она образует комплексное соединение, в результате чего пероксид активизируется и приобретает способность действовать как акцептор водорода.

Особенно легко перекиси образуются при окислении кислородом воздуха соединений, имеющих непредельные связи между двумя атомами углерода: терпенов, каротиноидов, ненасы- адишх (Жиршх кнШтуШ^рбксжтШг шт й яйтаяаза, компонентный фермент, йростётическая группа его содержит железо, соединенное с остатками четырех пиррольных колец в виде гематина. Гематин пероксидазы и каталазы имеет одно и то же строение. Различия в каталитической функции каталазы и пероксидазы объясняются разными свойствами белков, связанных в этих ферментах с одной и той же простетической группой.

Пероксидаза играет важную роль в дыхании растений.

Каталаза (1.11.1.6) состоит из четырех субмолекул, каждая из которых хорошо видна при большом увеличении в электронном микроскопе. Роль каталазы в организме заключается в том, что она разрушает ядовитый для клеток пероксид водорода, а простетическая группа каталазы связывается с белком двумя карбоксильными группами. Каталаза ингибируется синильной кислотой, сероводородом, фторидами. Гематин также слабо катализирует окисление перекисями различных спиртов и других соединений.

Липоксигеназа (1.13.11.12) широко распространена в растениях, старое название — липоксидаза. Фермент катализирует процесс окисления кислородом воздуха некоторых ненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот и образуемых ими сложных эфиров. Липоксигеназа сои представляет собой глобулин с молекулярной массой 102000, в виде белковых кристаллов, содержит железо. Наиболее активна она в семенах сои. Оптимум действия липоксигеназы сои находится при рН 6,5... 7,0, а злаков при рН 7,0. Из всех ненасыщенных жирных кис- вот лищшсигеназа окисляет с достаточной скоростью лишь лиг полевую и линоленовую кислоты.

Образующиеся таким образом гидроперекиси имеют высокую окислительную способность и могут окислять далее новые порции ненасыщенных жирных кислот, а также каротиноиды,. витамин А, аминокислоты, хлорофилл, аскорбиновую кислоту.

Поскольку липоксигеназа катализирует вторичное окисление каротиноидов, сопровождающееся исчезновением характерной для них желтой окраски, делаются попытки применить липок- сигеназу в качестве препарата, отбеливающего тесто и придающего мякишу хлеба более светлую окраску. Липоксигеназа играет важную роль при разрушении каротина во время сушки* и хранения различных растительных продуктов. Перекиси жирных кислот могут легко подвергаться дальнейшему распаду,, по этой причине липоксигеназа играет существенную роль в- процессе прогоркания муки и различных круп.

Ферменты второго класса — трансферазы. К этому классу принадлежат ферменты, катализирующие перенос целых атомных группировок от одного соединения к другому. Под действием фосфотрансфераз остатки фосфорной кислоты переносятся от аденозинтрифосфата на глюкозу или фруктозу. При этою образуется аденозиндифосфат и фосфорный эфир соответствующего сахара

Фосфотрансфераза, катализирующая образование гексозо- фосфата из гексозы и аденозинтрифосфорной кислоты, получила название гексокиназы (2.7.11), а фермент, под действием которого из глюкозомонофосфата образуется глюкозодифос-

фат,— фосфоглюкокиназы. ГексЬкйназа: найдена в дрожжах, зерне пшеницы и горохе, проростках овса. Она получена из дрожжей в виде белковых кристаллов.

Под действием соответствующей фосфотрансферазы происходит также фосфорилирование пировиноградной кислоты — одного из важнейших промежуточных продуктов дыхания и брожения:

Аденозинтрифосфат+Пировиноградная кислота фосфотрансфераза фосфопировиноградная кислота

Аденозиндифосфат

Большую роль в обмене веществ играют реакции переами- «ирования. Реакция переаминирования заключается в межмолекулярном переносе аминогруппы с аминокислоты на кето- кислоту и каталазируется ферментами, получившими название аминотрансфераз 

Ферменты третьего класса — гидролазы. Катализируют реакции гидролиза, т. е. расщепление сложных соединений на более простые с присоединением воды. Класс гидролаз весьма обширен, и его подразделяют на ряд подгрупп.

Фермент, гидролизующий распад жира, или триацилглице- рины (по-старому триглицериды), называется триациглицерол- липазой (ЗЛ .1.3). Его часто называют по-старому липазой. Ли

паза действует таким образсэд, что' сйач&ла отщепляет от триацилглицерина один, кислотный остаток, затем второй и, наконец, третий.

В растениях и микроорганизмах липаза содержится в двух формах — в виде нерастворимого и растворимого в воде фермента. Нерастворимая липаза содержится в семенах клещевины. С помощью триацилглицерол-липазы клещевины можно не только гидролизовать жир, но при соответствующих условиях синтезировать его (триацилглицерин). Клещевинная липаза обладает большой специфичностью, она почти не действует на водорастворимые эфиры глицерина и низкомолекулярных жирных кислот — уксусной, пропионовой, валериановой и др. Оптимум ее действия соответствует рН 3,6.

В отличие от липазы клещевины липаза, содержащаяся в семенах злаков, многих масличных культур и в микроорганизмах, относится к растворимым ферментам. Оптимум ее действия по кислотности среды также значительно отличается от клещевинной липазы: он находится при рН 8. Действие липазы имеет большое значение при хранении муки и крупы, особенно содержащих много жира (например, пшено). При повышенной влажности и температуре хранения этих продуктов липаза быстро расщепляет триацилглицерины с образованием свободных жирных кислот, что приводит к повышению кислотности продукта и его быстрому прогорканию.

Во всех звеньях растений содержится эстераза фермент хлорофиллаза (3.1.1.14), активно действующая в спиртовых растворах и осуществляющая реакцию «переэстерификации»:

фермент отщепляет от хлорофилла остаток фитола и заменяет -его остатком того спирта, в среде которого ведется реакция

Имеются ферменты, катализирующие гидролиз тиоэфиров, например фермент тиогликозидаза (3.2.3.1), ранее называвшаяся мирозиназа, гидролизующая глюкозид синигрин, содержащийся в семенах черной горчицы. При увлажнении растертых семян горчицы под действием мирозиназы синигрин рас- ацепляется на глюкозу, изородановый эфир аллилового спирта т гидросульфат калия.

Пептидазы гидролизуют гидролитическое расщепдение полипептидов и дипептидов, осуществляют непосредственно гидролиз белков. Впоследствии оказалось, что протеиназы способны гидролизовать пептидные связи не только в белках, но и в различных полипептидах. Однако условное деление протеаз на пептидазы и протеиназы закрепилось в практике работы с протеазами.

Аминопептидазы (3.4.11) — первая цифра обозначает класс гидролаз, вторая — подкласс пептидгидролаз, третья — группу аминопептидаз. Для действия аминопептидаз необходимо наличие в молекуле субстрата свободной а-аминной группы.

Протеиназы гидролнзуют непосредственно белки. При этом нз белка образуются пептоны (продукты неполного гидралиаа белков), полипептиды и свободные аминокислоты. В зависимости от природы гидролизуемого белка оптимальная зона действия отдельных протеиназ находится при слабокислой, нейтральной или слабощелочной реакции.

Протеиназы, содержащиеся в млечном соке и в семенах растений, также в дрожжах, составляют особую группу ферментов, типичным представителем которых является папаин (3.4.22.2). Его получают в виде сухого порошка из млечного сока дынного дерева (Carica papaya). Молекула папаина состоит из 212 аминокислотных остатков. Первичная структура молекулы папаина полностью выяснена. Она содержит три дисульфидных мостика и одну сульфгидрильную группу, входящую в активный центр фермента.

Характерная особенность папаина, как и ряда других протеолитических ферментов растительного происхождения, заключается в том, что они активизируются синильной кислотой и сульфгидрильными соединениями, прежде всего цистеином и восстановленным глютатионом.

На действие ферментов большое влияние оказывает молекулярная структура субстрата — его атакуемость ферментами. Подтверждена различная атакуемость разных белков одними и теми же протеазами. Это обстоятельство оказывает существенное влияние при тестоведении на белки различных сортов пшеницы, резко различающихся по физическим свойствам клейковины, а следовательно, и на их хлебопекарное достоинство.

Скорость расщепления белков протеолитическими ферментами зависит от присутствия в белке определенных химических группировок, например сульфгидрильных, аминных и окси- групп. Если эти группы в белковой молекуле каким-либо образом ликвидировать, то атакуемость белков ферментами изменяется. Так, при восстановлении дисульфидных связей белка скорость его расщепления протеиназами возрастает, а в результате блокирования оксигрупп бензилированием или ацети- лированием атакуемость белка понижается. Атакуемость белка протеиназами зависит от присутствия в его молекуле определенных химических групп, а также от его первичной, вторичной и третичной структуры.

Кислородная связь в веществах, расщепляемых карбогид- разамй, имеет характер адетальной или эфирной связи. Кар- богидразы делят на олигазы (а-глюкозидаза, р-галактозидаза, JJ-фруктофуранозидаза) и полиазы (амилазы, глюкоамилаза, целлюлаза, гемицеллюлазы).

а-Глюкозидаза (3.2.1.20) —систематическое название a-D- глюкозид-глюкогидролаза, старое название — мальтаза. Фермент, расщепляющий а-глюкозидную связь в дисахаридах и глюкозидах.

Содержится в тканях растений, плесневых грибах, дрожжах, бактериях. Особенно большое количество а-глюкозидазы в проросшем зерне проса. Просяной солод применяется в качестве добавки к ячменному солоду при изготовлении маль- тозной патоки. Активная а-глюкозидаза просяного солода обеспечивает гидролиз мальтозы с образованием двух молекул глюкозы. Глюкоза более сладкая, чем мальтоза.

а-Глюкозидаза расщепляет мальтозу, но может гидролизо- вать и сахарозу, поскольку сахароза, как и мальтоза, является сь-глюкозидом. Она не только катализирует реакцию гидролиза, но способна и к реакции синтеза а-глюкозидов из а-глю- козы и соответствующего спирта.

а-Галактозидаза (3.2.1.22) — систематическое название — a-D-галактозид-галактогидролаза, старое название — мелибиа- за. При действии a-галактозидазы - на рафинозу происходит расщепление связи между остатком a-галактопиранозы и остатком глюкопиранозы. В результате из рафинозы образуются a-галактопираноза и сахароза. a-Галактозидаза содержится в пивных дрожжах и грибном солоде — ферментном препарате из плесневого гриба Aspergillus oryzae.

Р-Фруктофуранозидаза (3.2.1.26) —систематическое название— fi-D-фруктофуранозид-фруктогидролаза, старые названия — сахараза, инвертаза. Фермент катализирует расщепление сахарозы на глюкозу и фруктозу. В то время как а-глюкозидаза гидролизует сахарозу у а-глюкозидного углеродного атома остатка глюкозы, p-фруктофуранозидаза разрывает связь у р-глюкозидного углеродного атома остатка фруктозы

В обоих случаях получается един и тот же результат ^свободные глюкоза и фруктоза. У т.рисахарида рафинозы имеется такая же связь между остатком глюкозы и остатком фруктозы* как и в сахарозе. Поэтому p-фруктофуранозидаза гидролизует также рафинозу. При этом из рафинозы получается молекула фруктозы и молекула дисахарида мелибиозы (из остатков глюкозы и галактозы). {J-Фруктофуранозидаза содержится в высших растениях, микроорганизмах и в пищеварительных соках животных. Особенно активен этот фермент в дрожжах, из которых его обычно получают в виде очищенных препаратов.

Амилазы — ферменты, под действием которых происходит гидролиз крахмала с образованием декстринов и мальтозы. Амилазы гидролизуют неизмененные крахмальные зерна и крахмальный клейстер. Гидролиз неизмененных крахмальных гранул сопровождается образованием мальтозы и постепенным изменением формы крахмальных зерен — они как бы разъедаются ферментом и теряют свои первоначальные очертания. Скорость расщепления амилазами крахмала из зерна разных культур и сортов или из разных частей одного и того же растения неодинакова. Эта различная податливость крахмала действию амилазы получила название атаиуемости крахмала. Таким образом, скорость расщепления крахмала амилазой зависит не только от количества и активности фермента, но также от атакуемости субстрата.

Атакуемость крахмала возрастает с уменьшением размеров крахмальных зерен, т. е. с увеличением их относительной поверхности. Она резко возрастает также при механическом нарушении структуры крахмальных зерен при их длительном перетирании в ступке или при помоле зерна на мукомольном заводе. Действие амилазы на неизмененные или механически поврежденные крахмальные зерна значительно слабее по сравнению с их действием на оклейстеренный крахмал. По этой причине во многих отраслях пищевой промышленности перед оса- хариванием крахмала солодом (источник активной амилазы) муку или картофель предварительно заваривают горячей водой.

Различают три амилазы: а-амилаза, р-амилаза и глюко- амилаза.

а-Амилаза (3.2.1.1) —систематическое название 1,4-a-D- глюкан-глюканогидролаза, старые названия — диастаза, птиалин, гликогеназа, декстриногенамилаза. a-Амилаза содержится в слюне, пищеварительном соке поджелудочной железы, в плесневых грибах, в проросшем зерне пшеницы, ржи, ячменя.

Характерной особенностью всех a-амилаз является наличие в них по крайней мере одного моля прочно связанного кальция на один моль фермента. Обработка фермента этилендиаминтетраацетатом, связывающим кальций, его ииактивирует. Роль кальция заключается в том, что он стабилизирует вторичную и третичную структуру молекулы а-амилазы, обеспечивая таким образом ее каталитическую активность и предохраняя фермент от действия протеолитических ферментов.

Атакуемость крахмала а-амилазой связана с количеством в грануле крахмала амилозы: крупные высокоамилозные гранулы с большей легкостью атакуются а-амилазой.

Выявлена возможность наряду с активацией зимогенной амилазы ее новообразования в прорастающем зерне. При повышенной влажности атмосферы наблюдается усиление синтеза а-амилазы в созревающем зерне, что приводит к ухудшению хлебопекарных достоинств зерна.

р-Амилаза (3.2.1.2) —систематическое название 1,4-a-D- глюкан мальтогидралаза, старые названия — диастаза, саха- рогенамилаза, гликогеназа. р-Амилаза находится в зерне пшеницы, ржи, ячменя, в соевых бобах. Оба фермента существенно различаются по характеру действия на амилозу и амилопектин крахмала.

р-Амилаза расщепляет амилозу нацело, превращая ее на 100% в мальтозу ( 26). Амилопектин р-амилаза гидроли- зует на мальтозу и декстрины, дающие коричнево-красное окрашивание с йодом. С образованием мальтозы р-амилаза расщепляет лишь свободные концы глюкозных цепочек. Ее действие прекращается, когда происходят разветвления в молекуле амилопектина (р-амилаза расщепляет амилопектин с образованием мальтозы лишь на 54%). Декстрины, образовавшиеся при действии р-амилазы на амилопектин, гидролизуются a-амилазой с образованием декстринов с меньшей молекулярной массой, не дающих окрашивания с йодом.

При последующем, длительном воздействии a-амилазы на крахмал около 85% его превращается в мальтозу. При действии р-амилазы на крахмал образуются главным образом мальтоза и небольшое количество высокомолекулярных декстринов. При действии на крахмал а-амилазы образуются главным образом декстрины меньшей молекулярной массы и незначительное количество мальтозы. Ни а-, ни р-амилазы в отдельности не могут полностью гидролизовать крахмал или гликоген с образованием мальтозы.

При одновременном действии обеих амилаз крахмал гидро- лизуется на 95%.

а- и р-Амилазы различаются своим отношением к рН — р-амилаза может работать при более кислой среде (оптимальный рН 4,8), чем а-амилаза (рН 5,6...6,3). Вместе с тем,р-ами- лаза более термолабильна (оптимальная f=51°C), а а-амила- за выдерживает более высокую температуру (оптимальная f=65 °С).

Оказывается, что разные а-амилазы различаются по своей термолабильности. Наиболее быстро при нагревании разрушается грибная а-амилаза. На втором месте стоит зерновая а-амилаза (фермент из проросшего зерна или солода). Наиболее устойчива к нагреванию бактериальная а-амилаза.

Семена растений различаются по содержанию в них а- и р-амилазы. В непроросших семенах пшеницы и ячменя содержится только р-амилаза; а-амилаза образуется при прорастании.

Во ржи присутствуют оба фермента — а- и fi-амилазы, при прорастании количество и активность а-амилазы резко возрастает. В соевых бобах, в непроросших и проросших встречается только р-амилаза. В непроросших семенах сорго имеется главным образом а-амилаза.

Как и другие ферменты, амилазы могут находиться в клетке в связанном с белками виде, и тогда они лишаются гидролитической активности. Связывание амилаз с белками играет большую роль в регулировании их действия в прорастающем и созревающем зерне.

Экзо-1,4-а-глюкозидаза, ее чаще называют глюкоамилазой (3.2.1.3), имеет систематическое название 1,4-а-0-глюкан глю- когидролаза. Гидролизует крахмал с образованием преимущественно глюкозы и небольшого количества декстринов. Препараты глюкоамилазы получают из плесневых грибов. С помощью этого фермента получают глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу.

Таким образом, глюкозофосфат-изомераза катализирует взаимное превращение фосфорных эфиров глюкозы и фруктозы. В высших растениях эти взаимные превращения глюкозы и фруктозы происходят с чрезвычайной легкостью.

Ферменты шестого класса — лигазы. В этот класс входят ферменты: глютаминсинтетаза, аспарагинсинтетаза, глютати- онсинтетаза, пируваткарбоксилаза.

Глютаминсинтетаза (6.3.1.2) катализирует реакцию синтеза глютамина из глютаминовой кислоты и аммиака: АТР+глютаминовая кислота+ЫН3— —*АДР + Н3Р04+глютамин

Аспарагинсинтетаза (6.3.1.1) катализирует аналогичную реакцию синтеза аспарагина.

Глютатионсинтетаза (6.3.2.3). Синтезирует при участии АТР синтез восстановленного глютатиона из ^-глютамилцисте- ина и глицина:

АТР+^-глютамилцистеин+глицин= =АДР+Н3Р04+восстановленный глютатион (Г—SH). Карбоксилазы — ферменты, которые при участии АТР катализируют присоединение диоксида углерода к различным орщ ническим кислотам, т. е. удлинение углеродной цепочки.

Так, пируваткарбоксилаза (6.4.1.1) синтезирует реакцию синтеза щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной кислоты: Н20+АТР+пировиноградная кислота+С02=АДР4- +НзР04+щавелевоуксусная кислота. Карбоксилазы, катализирующие присоединение СОг, содержат в качестве простетиче- ской группы биотин.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое ферменты? 2. Каково значение ферментов для живых организмов и в различных отраслях народного хозяйства? 3. Каков механизм действия ферментов? 4. При каких условиях действуют ферменты? 5. Какова классификация и номенклатура ферментов? 6. Как измеряют активность ферментов? 7. Какие реакции в зерне катализируют ферменты зерна монофенолмонооксигеназа (тирозиназа), каталаза и липоксигеназа? 8. Какое практическое значение имеют эти ферменты при хранении и переработке зерна? 9. Что такое ферменты трансферазы, каково их значение в процессах, происходящих в зерне? 10. Каково значение протеаз для хлебопечения? 11. Какие существуют протеазы, каков характер действия различных протеаз? 12. Каков характер действия триацилглицерол-липазы? 13. Как характеризуется действие а-глюкозидазы и Р-фруктофуранозидазы? 14. Каковы особенности действия а-амилазы, Р-амилазы и глюкоамилазы? 15. Что такое пируватдекарбоксилаза, каков характер ее действия?

 

СОДЕРЖАНИЕ:  БИОХИМИЯ ЗЕРНА И ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ

 



Смотрите также:

 

ПРОРАЩИВАНИЕ ЗЕРНА. Пророщенные зёрна

Ферменты зерна — природные катализаторы белкового происхождения — находятся в зародыше, в области эндосперма, прилегающей к щитку...

 

Ячмень, овес, рожь, пшеница. Ячменная мука. Зерно...

В процессе сшюдоращения под действием протеолитических ферментов в зернах бобовых культур накапливаются белковые вещества...

 

Оборудование для механоактивации ферментов...

Количество циклов зависит от состояния активатора, качества исходного зерна, режима солодоращения, активности амилолитических и протеолнтических ферментов в...

 

Зерно. СПОСОБЫ ЗАМАЧИВАНИЯ ЗЕРНА

В дальнейшем с повышением влажности зерна увеличивается количество
Гиббереллии активизирует амилолити- ческие, протеолитические и другие ферменты.

 

Сушка свежепроросшего светлого и темного...

Рост зерна наблюдается до тех пор, пока влажность слоя не достигнет 20 %, а температура не превысит 40 °С. Продолжают накапливаться ферменты...

 

Карамельный солод. ПРОИЗВОДСТВО КАРАМЕЛЬНОГО...

При этом значительно усиливается дыхание зерна, активизируются ферменты. Ячмень, содержащий более 12 % белка...

 

методы обработки кормов, влияющие на активность...

Положительно влияет размачивание различных видов зерна в воде, слабокислых (слабощелочных) растворах или в растворах ферментов.

 

зерно. Хранение зерна. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ...

При хранении зерна происходит уменьшение гидрофильной способности коллоидов.
способствует повышению активности гидролитических и дыхательных ферментов.