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?
|