Рабочая программа, письменные консультации и контрольные задания для студентов специальностей 271100 " Технология молока и молочных продуктов" и 271800 " Технология мяса и мясных продуктов" заочного факультета

Большинство белков с относительной молекулярной массой более 50 тыс. являются олигомерными. Они состоят из двух или нескольких отдельных полипептидных цепей (протомеров). Каждая индивидуальная цепь олигомерного белка может иметь свою собственную первичную, вторичную и третичную структуру. Характерный способ укладки (расположения) в пространстве отдельных полипептидных цепей олигомерного белка в его нативной конформации называют четвертичной структурой. Третичная и четвертичная структура белков - трехмерные.

Нативной (природной, неизменной) конформацией называют характерную трехмерную структуру белка, в которой он стабилен и проявляет биологическую активность при физиологических условиях (температура и рН).

Белки - высокомолекулярные соединения, обладающие гидрофильными свойствами. Их относительные молекулярные массы колеблются от 5733 (инсулин) до 40 млн. (вирус табачной мозаики). Размеры белковой молекулы соответствуют размеру коллоидных частиц (1-100нм), поэтому растворы белка обладают свойствами коллоидных растворов. В результате большого размера молекулы белка почти не способны проникать через поры мембран клеток организмов и поры исскуственных полупроницаемых мембран. Это свойство используется для очистки растворов белков от низкомолекулярных веществ. Метод такой очистки белков получил название диализа.

Концевые амино- и карбоксильные группы полипептидной цепи и способные к ионизации радикалы аминокислотных остатков определяют кислотно-основные свойства белков (наличие заряда, амфотерность и др.) В зависимости от рН Среды белковые молекулы могут менять свой заряд и вести себя как кислоты или как основания. Значение рН при котором молекула белка не имеет суммарного заряда называют изоэлектрической точкой. Если через раствор белка пропускать постоянный электический ток, то молекулы его в зависимости от рН Среды будут перемещаться к катоду или аноду. Разделение белков на индивидуальные компоненты при помощи постоянного электрического тока называют электрофорезом.

Растворимость белков в воде связана с наличием заряда и с гидратацией каждой его молекулы. Удаление заряда и гидратной оболочки сопровождается выпадением белка в осадак. Осаждение белков из раствора нейтральными солями (хлоридом натрия, сульфат аммония, сультат магния и др.) называют высаливанием.

Белки выполняют свойственные им функции только при физиологичсеких условиях (оптимальная температура, рН, концентрация солей и т.п.) При воздействии различных физических (температура выше 60 ⁰ С, высушивание, ультразвук, ультрофиолетовое излучение и др.) и химических (крепкие кислоты и щелочи, мочевина, соли тяжелых металлов, дубильные вещества и др.) факторов белки сравнительно легко изменяют нативную структуру макромолекул, теряя при этом ряд своих первоначальных свойств, и прежде всего, растворимость и биологическую активность. это явление получило название денатурации. Денатурация характерна только для белков, связана с нарушением третичной и частично вторичной структурой белковой молекулы и не сопровождается изменениями первичной структуры.

Процессы денатурации имеют важное значение в пищевой и легкой промышленности. На них основано консервирование пищевых продуктов, дубление кож, хлебопечение и т.п. Денатурированные белки хорошо перевариваются и усваиваются организмом человека.

Денатурацию белков в какой-то мере можно и предотвратить. Это особенно важно при изготовлении ферментативных препаратов. При низких температурах (не выше +5 ⁰ С) органические растворители ( спирт, ацетон) не денатурируют белков. Из большенства белков методом лиофилизации (высушивание в вакууме из замороженного состояния) можно получить сухой порошок, который сохраняется при комнатной температуре ( в запаянных ампулах) в течении длительного времени без потери нативных свойств.

При изучении темы следует обратить внимание и на то, что единственным методом получения чистых белков является выделение их из природных источников ( муки, дрожжей, зерна и др.). Для успешного выделения белка из биологического объекта необходимо тончайшее измельчение тканей вплоть до разрушения клеточных стенок ( растирание в ступке с песком или стеклом, размалывание на валковых или шаровых мельницах, измельчение в гомогенизаторах). Извлечение растворимых белков производят дистиллированной водой, растворами нейтральных солей ( 8-10 % ), буферными растворами, растворами спирта, спиртовосолевыми смесями и т.п. Практически экстракцию белков проводят одновременно с измельчением биологического объекта. Чтобы избежать денатурацию белка в процессе его выделения, все операции проводят в мягких условиях: при низкой температуре, оптимальном значении рН, избегая действия резких химических реагентов. В раствор из биологического объекта в процессе выделения переходят различные группы белков. Разделение их на отдельные группы или индивидуальные белки (фракционирование) ведут разными способами: высаливание, осаждение органическими растворителями, диализ, электрофорез, хроматография, метод молекулярных сит и т. п.

Методы качественного обнаружения белков в растворах основаны на их способности давать при взаимодействии с отдельными химическими веществами окрашенные соединения (цветные реакции) или выпадать в осадок ( реакции осаждения). Для количественного определения белков в биологических объектах и пищевых продуктах широко применяют химические и физические методы анализа. Из химических наиболее часто используют метод Къельдаля (основан на определении содержания азота), метод Лоури, метод основанный на биуретовой реакции. Среди физических методов наибольшее распостраненние получили рефрактометрический (по показателю преломлению белковых растворов) спектрофотометрический ( по поглощению в ультрафиолетовой области спектра).

В настоящее время рациональная классификация белков отсутствует. Однако, необходимость в классификации этих соединений существует. По степени сложности все белки делятся на две большие группы: простые и сложные. К простым белкам, или протеинам ( протос - первый, главный), относятся белки, дающие при гидролизе только аминокислоты. Сложными белками, протеидами ( т.е. производными протеинов), называются вещества, состоящие из простого белка и добавочной группы небелковой природы.

Протеины в зависимости от растворимости в различных растворителях разделяют на следующие группы: альбумины, глобулины, проламины, глютелины, гистоны, протеиноиды. Многие из этих белков входят в состав как растительных, так и животных организмов. Только в растительных организмах содержится проламины и глютелины. Они составляют основную массу клейковины.

В зависимости от химической природы добавочной (небелковой, простетической) группы различают следующие протеиды: нуклеопротеины, хромопротеины, липопротеины, гликопротеины, фосфопротеины, металлопротены. При изучении групп сложных белков нельзя отождествлять металлопротеины и хромопротеины. В металлопротеинах металлы (железо, медь, магний и др.) связаны непосредственно со структурными элементами полипептидной цепи. В хромопротеинах (гемоглобин, цитохромы, миоглобин и др.) металлы входят в состав небелковой группы и непосредственно с белковой частью не связаны. Изучите химическое строение небелковой части протеидов.

После ознакомления с материалом по методическим указаниям необходимо сопоставить его с рабочей программой. На этом этапе работы Вы получите представление о сложности дисциплины и затратах времени на его изучение. Определив место данной дисциплины в своем учебном плене, приступайте к изучению ее материала по учебнику. После работы над каждым разделом, используя учебник, необходимо ответить на вопросы для самопроверки. Подобные вопросы будут включены в экзаменационные билеты. Такая работа над материалом каждого раздела поможет понять суть и важность биохимии для инженера-технолога пищевых отраслей промышленности и накопить знания для последующего обучения.
Вопросы для самопроверки

1. Что такое белки? Каковы их элементный состав, содержание в пищевом растительном сырье? Ф.Энгельс о роли белка в явлениях жизни.

2. На каких свойствах белков основаны их качественное обнаружение и количественное определение? Назовите цветные реакции на белки.

3. Как можно определить аминокислотный состав белков?

4. Какие аминокислоты называются протеиногенными, их общее число, строение и свойства?

5. Принципы классификации аминокислот. Гидрофильные (полярные) и гидрофобные (неполярные) аминокислоты, их характеристика и место расположения в молекуле белка радикалов этих аминокислот.

6. Что такое пептиды и полипептиды? Строение белков. Ковалентные связи в молекуле белка. Функциональные группы в белках. Полноценные и неполноценные белки.

7. Какие нековалентные связи имеются в молекуле белка? Характеристика и схема образования этих связей.

8. Объясните первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру белковой молекулы? Какие связи поддерживают каждую из этих структур? Нативная конформация белков.

9. Что такое денатурация белков? Какие факторы ее вызывают? Роль денатурации в пищевой и ферментативной промышленности.

10. Относительная молекулярная масса белков. Растворимость и осаждаемость белков. Какие факторы обуславливают устойчивость раствора белка.

11. Каким образом производят выделение, разделение и очистку белков? Что такое диализ и высаливание?

12. Амфотерность и изоэлектрическая точка белков. Кислые и основные белки. Электрофорез и его практическое применение.

13. Принцип классификации белков. Группы простых белков растительных организмов, их краткая характеристика и технологическое значение. Содержание этих белков в зернах злаковых и бобовых культур.

14. Сложные белки растительных организмов, их химический состав и биологическая роль.
3. Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) - биологичсекие полимеры, мономерными звеньями которых являются нуклеотиды. Нуклеотиды, в свою очередь, состоят из трех частей: азотистого основания (пуринового - аденин и гуанин или пиридинового - урацил, тимин и цитозин), сахара ( Д-рибозы или Д-2-дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.

В зависимости от природы нуклеотидов различают дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), содержащую дезоксирибозу и рибонуклеиновую кислоту (РНК), содержащую рибозу. Из азотистых оснований в состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин и тиамин, в состав РНК - аденин, гуанин, цитозин и урацил. Разберите строение нуклеозидов и нуклеотидов, их названия и способ соединения нуклеотидов в полинуклеотид. Обратите внимание на то, что молекулы нуклеиновых кислот имеют характерную для каждой из них первичную, вторичную и третичную стркутуру. Изучите особенности этих структур у ДНК и РНК, уясните биологическую роль каждой из нуклеиновых кислот.

При изучении данной темы обратите внимание на то, что нуклеотиды - не только составные части нуклеиновых кислот, но и участники многих реакций обмена веществ. Нуклеотиды, участвующие в обмене веществ, имеют в своем составе еще один или два остатка фосфорной кислоты, присоединенных последовательно один за другим. Такие нуклеотиды называют нуклеозиддифосфатами и нуклеозидтрифосфатами ( НДФ и НТФ). Обратите внимание на обозначение связей в этих соединениях.

Важнейшими представителями этой группы соединений являются аденозиндифосфорная ( АДФ) и аденозинтрифосфорная ( АТФ) кислоты. АТФ - основной носитель энергии в клетке ( макроэргическое соединение);она служит движущей силой огромного числа реакций, сопровождающихся потреблением энергии, которая при участии ферментов переносится от АТФ на другие соединения вместе с остатком фосфорной кислоты. С этими реакциями Вы ознакомились при изучении обмена веществ. Для простаты расчетов принято, что в физиологических условиях изменение свободной энергии при переносе фосфатного остатка от АТФ составляет в среднем - 40 кДж/ моль.

Образование АТФ в организме растений осуществляется в результате окислительного, субстратного и фотосинтетического фосфорилирования; есть и другие пути образования АТФ. Другие нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфаты ( УТФ, ЦТФ и др.) образуются, в основном, при участии соответствующих ферментов и АТФ: например, УДФ+ АТФ  УТФ+ АДФ.
Вопросы для самопроверки

1. Какие Вы знаете пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав каждой их нуклеиновых кислот? Напишите их формулы.

2. Назовите нуклеозиды и нуклеотиды, входящие в состав РНК и ДНК. Напишите их формулы.

3. Напишите формулы АДФ, АТФ, УДФ, УТФ, ЦДФ, ЦТФ.

4. РНК, ее состав, строение, типы, биологическая роль.

5. ДНК, ее состав, строение, биологическая роль. Принцип комплементарности, правило Чаргаффа.

Ферменты идеально приспособленны для работы в живой клетке; однако после выделения из организма они не теряют свои каталитические свойства. На этом основано практическое применение ферментов в виноделии, производстве соков, хлебопечении и других отраслях пищевой, легкой и химической промышленности.

По ряду признаков ферменты резко отличаются от неорганических катализаторов. При оптимальных условиях большинство ферментативных реакций протекает в 10⁸ - 10¹¹ раз быстрее, чем те же реакции в отсутствии фермента. Круг реакций, катализируемых ферментами чрезвычайно широк (гидролиз, перенос различных групп, дегидрирование, альдольная консенсация и др.). Активность ферментов в клетке строго регулируется и, наконец, биосинтез самих ферментов также катализируется ферментами.

В технологии наиболее широко применяют препараты свободных ферментов и срок их использования составляет всего один производственный цикл. В последние 15-20 лет научились иммобилизировать ( прикреплять) ферменты к поверхности различных твердых носителей ( полиакриламид, пористое стекло, целлюлоза, найлон и др.), что позволило не только сохранить их каталитические свойства, но и в сотни, тысячи и даже миллионы раз повысить стабильность. Такие ферменты получили название иммобилизованные.

Иммобилизованные ферментные препараты обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с природными предшественниками: во-первых, их можно легко отделить от реакционной Среды и использовать повторно; во-вторых, процесс можно вести непрерывно ( в проточных колонках) и, изменяя скорость потока, регулировать скорость каталитической реакции и выход продукта. Иммобилизованные ферменты успешно используют для получения глюкозы из крахмала, получения глюкозо-фруктозного сиропа и в ряде других крупнотоннажных производств. В России - первое крупнотоннажное производство вступило в строй на Саранском заводе медпрепаратов в 1976 году ( получение 6-аминопенициллановой кислоты, необходимой для синтеза некоторых антибиотиков).

Все ферменты - вещества белковой природы. В настоящее время вопрос о белковой природе ферментов решен настолько определенно, что под словом фермент автоматически подразумевается белок. Источником для получения ферментов служат растительные и животные ткани, а также микроорганизмы. Выделение ферментов из этих объекотв осуществляется теми же методами, что и любых белков, при этом особое внимание обращают на предотвращение денатурации.

Наличие и количество ( точнее активность) фермента в биологическом объекте определяют по производимому им действию на субстрат(вещество)

причем либо измеряется убыль субстрата, либо прирост продуктов реакции. Активность ферментов выражают в международных единицах ( МЕ). За активность фермента принимают то его количество, которое катализирует превращение одного микромоля субстрата в 1 мин при оптимальных условиях Если для определения активности фермента используют субстрат с неизвестной молярной массой ( например, крахмал для определения активности амилазы), то тогда выражения активности фермента мольные единицы заменяют масовыми ( обычно 1 мг превращенного вещества).

По химическому составу (строению) ферменты делятся на две большие группы: однокомпонентные (ферменты-протеины) и двухкомпонентные (ферменты протеиды). К первым относят ферменты, состоящие только из белка, обладающего каталитическими свойствами, а ко вторым - ферменты, состоящие из белка и связанной с ним небелковой (добавочной) части, называемой еще активной группой. Непосредственным исполнителем каталитической функции в ферментах-протеидах является активная группа; белковая часть определяет специфичность процесса, т.е. она определяет реакцию в которой примет участие присоединенная к ней активная группа. Наибольшую каталитическую активность ферменты-протеиды проявляют тогда, когда белковая и небелковая части объденены в единое целое.

У однокомпонентных ферментов роль активных групп выполняют определенные химические группировки белковой молекулы (ОН-группы серина и тирозина, имидазольное кольцо гистидина, индольная группа триптофана, гуанидиновая группа аргинина, СООН-группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, SН- группа цистеина и др.).

Изучение роли активных групп в каталитической функции ферментов привело к представлению об “ активном центре” фермента. Активный центр - это участок молекулы фермента, на котором осуществляется превращение субстрата. Формирование этого участка происходит в период приобретения молекулой фермента присущей ей третичной ( или четвертичной) структуры. Принцип организации активного центра фермента основан на том, что в поверхностном слое белковой молекулы создается специфическая структура ( щель, полость и т.п.), кофигурация которой соответствует строению молекулы субстрата и он входит туда настолько плотно ( подобно ключу в замок), что в ней не остается места более чем для одной молекулы воды. На внутренней поверхности активного центра фермента опреденным образом расположены специфические группировки атомов, входящие в состав белковой молекулы, а в ферментах- протеидах и небелковой группы. При изучении активного центра обратите внимание на субстратный и аллостерический центры ферментов.

Большинство ферментов имеют относительную молекулярную массу свыше 50 тыс и построены из нескольких протомеров ( субъединиц). Например, фермент уреаза, имеющая М=480 тыс составлена из восьми протомеров с относительной молекулярной массой каждого по 60 тыс; лактатдегидрогеназа ( М= 140 тыс) имеет четыре протомера ( М=35 тыс каждого) и т.д. Ферменты, состоящие из нескольких протомеров получили название ферментов-мультимеров.

Молекулы ферментов - мультимеров составлены, как привило, из протомеров двух типов, обозначаемых буквами А и В и отличающихся друг от друга по некоторым деталям первичной и вторичной структурах. В зависимости от соотношения протомеров типа А и В в мультимере, последний может существовать в виде нескольких изомеров, называемых изоферментами. Например, молекула лактатдегидрогеназы, состоящая из четырех протомеров, имеет пять изоферментов ( АААА, АААВ, ААВВ, АВВВ, ВВВВ) и при электрофорезе разделяется на пять фракций, отличающихся друг от друга по степени каталитической активности, содержанию гистидина и треонина, физико-химическим свойствам, локализации в органах и тканях организма одного вида и т.д. Следовательно, изоферменты - разной формы одного и того же фермента, присутствующие в организмах одного биологического вида ( например, в семенах различных сортов пшеницы обнаружено 7-10, в корнях кукурузы - 4-5, в различных органах гороха - 9-12 изоферментов малатдегидрогеназы). Основным критерием для номенклатуры изоферментов принята их электрофоретическая подвижность. Множественные формы установлены у многих растительных ферментов: - и - амилаз, -фруктофуранозидазы (дрожжевая сахараза), пероксидазы, глютаматдегидрогеназы, фосфорилазы и др.

Наряду с изоферментами, в клетках организма имеются мультимолекулярные ( надмолекулярные) ферментные комплексы ( системы), представляющие собой не сочетание однотипных в каталитическом отношении протомеров, а разные ферменты, катализирующие последовательные ступени превращения какого-либо субстрата. Типичным примером мультиферментного комплекса является пируватдегидрогеназная система, катализирующая окисление пировиноградной кислоты до ацетил-КоА ( см. 4.8).

Изучая механизм действия ферментов уясните, что они, как и катализаторы неорганической природы, не вызывают каких-либо новых химических реакций, а ускоряют существующие посредством снижения энергии активации, необходимой для прохождения химических реакций. Ведущая роль в механизме ферментативного катализа принадлежит образованию промежуточного фермент-субстратного комплекса, который, в конце реакции распадается с освобождением фермента и продуктов реакции. В ходе ферментативного катализа выделяют следующие стадии :

1) образование фермент-субстратного комплекса, 2) изменение субстрата на ферменте (поляризация, деформация связей, смещение электронов), делающие его доступным для соответствующей химической реакции, 3) образование на поверхности фермента продукта реакции и 4) отделение конечных продуктов реакции от фермента. Если обозначить фермент буквой Е, субстрат - S, активный субстрат - S^/ и продукт реакции - Р, то указанную последовательность можно выразить в виде следущей схемы:

1 2 3 4

Е + S ES Е S^\ Е Р Е + Р

Важно запомнить, что ферменты обладают всеми свойствами белков. Наряду с этими они имеют свои специфические свойства: специфичность, зависимость от рН, температуры, концентрации фермента и концентрации субстрата, активаторов и ингибиторов и т.п.

Специфичность - это приспособленность фермента к субстрату. Суть ее состоит в следующем: во-первых, субстрат должен иметь химическую связь, которая может быть атакована ферментом и во-вторых, субстрат должен иметь одну или несколько функциональных групп, способных связывать с ферментом и надлежащим образом ориентировать субстрат относительно каталитического центра фермента. Благодаря специфичности действие каждого фермента строго ограничено одним веществом или группой близких по строению веществ. Изучите эти разновидности специфичности. Подробно разберите зависимость действия ферментов от рН, температуры, активаторов и ингибиторов.

Скорость ферментативных реакций зависит от концентрации фермента и субстрата в среде. Когда в среде субстрата достаточно, скорость ферменативной реакции возрастает пропорционально увеличению количества фермента. При низкой концентрации субстрата скорость реакции возрастает пропорционально увеличению его концентрации, но до тех пор, пока не произойдет насыщение субстратом. При избытке субстрата фактором, лимитирующим скорость ферментативной реакции, становится вновь концентрация фермента в среде.

Изучение влияние концентрации субстрата на скорость ферментативных реакций привело к установлению так называемая константы Михиэлиса

( К _m). Если скорость реакции при высоких концентрациях субстрата достигает некоторой максимальной величины U, то концентрация субстрата S, при которой V= V_max/2, называется КОНСТАНТОЙ МИХАЭЛИСА. Таким образом, константа Михаэлиса равна концентрации субстрата ( моль/л), при которой скорость ферментативной реакции составляет половину от максимальной. Этот важный показатель в характеристике ферментов служит для приближенной оценки степени сродства фермента и субстрата. Низкие значения Кm означает, что ферментативный катализ происходит интенсивно.

При изучении номенклатуры и классификации ферментов обратите внимание на два типа названий этих соединений: тривиальные ( рабочие) и систематические ( научные) . Причиной этому послужило длительное отсутствие четких требований в названии и классификации ферментов.

Исследователи, открывая новые ферменты, присваивали им названия по своему усмотрению, такие, как папаин, пепсин, трипсин, химозин, каталаза, цитохромы и п.т. Многие ферменты названы путем добавления суффикса - “аза” к латинскому или химическому названию субстрата ( амилаза, сахараза, протеиназа, липаза и др.), или к названию типа катализируемой реакции (гидролаза, гидратаза, фосфорилаза, редуктаза, дегидрогеназа, оксидаза и т.п.), или к названию субстрата и типа катализируемой реакции ( алкогольдегидрогеназа, аминотрансфераза, пируватдекарбоксилаза и т.п.). Названия, данные ферментам по перечисленным признакам, прочно вошли в практику, стали общеупотребляемыми и их обозначили как тривиальные