Азық-тулік –Өнімдерінің биохимиясы

қорғау кафедрасы

Тәжірибелік сабақтар өткізуге арналған методикалық нұсқау

Павлодар

УДК 664,098

ББК 28.072

Б63
С. Торайгыров атындағы Павлодар мемлекеттік университеттің ғылым отырысымен ұсынылған

Пікір жазған:

К.Ш.Арынгазин - техникалық ғылымдарының кандидаты, профессор

Бұл тәжірибелік сабақтар өткізуге арналған методикалық биохимиялық процесстер туралы материалдар және лабораториялық жұмыстар ұсыналған

Тәжірибелік сабақтарға арналған методикалық нұсқау 050727 “Aзық-тулік өнімдерінің технологиясы” мамандықтың Мемлекеттік стандарты негізінде әзірленді Астана, 2004 3.08.102 бұйрық ҚР білім және ғылым министрлігі

УДК 664.098

ББК 28.072
© Каимбаева Л.А.,

Байгужукова М.Б., 2006

© С. Торайгыров атындағы

Павлодар мемлекеттік университеті, 2006

Биохимия деген сөз гректің bios – тіршілік деген сөзінен шыққан. Яғни, тірі табиғаттың химиялық тілі, тіршілік химиясы деген сөз. Осыған орай биохимияның өзі бірнеше салаларға бөлінеді: адам биохимиясы (медициналық биохимия), өсімдіктер, микроорганизмдер, техникалық, космостық және т.б.

Кейіннен өз алдына жеке сала болып клиникалық биохимия отау тікті Оның әдістерімен организмді зерттеу негізінде ауруларды аырып, оларға ем тағайындалып, адам мен жануарды әр түрлі ауруладан сақтандыру жөніндегі мемлекеттік шаралар жүргізу етек алды.

Кейінгі жылдары органикалық дүниенің дамуы барысында зат алмасуының күрделену жолдарын және тіршілітің жер бетінде пайда болуын зерттейтін биохимияның жаңа бір саласы эволюциялық биохимия дамып келеді.

Сонымен қатар радиацияның организмге тигізетін әсерін, одан қорғану әдістерін және ионизациялық сәуленің көмегімен мәдени өсімдіктердің жоғары өнім беретін жаңа сорттарын, пайдалы микроорганизмдердің жаңа түрлерін шығару жолдарын зерттейтін радиациялық биохимияға да ерекше көңіл бөлінуде.

Бұл оқу құралында жануар (мал) тіршілігінің химиясы, яғңи жануар биохимиясы сөз болады.

Организмдерді зерттеу бағыты бойынша биохимияны статикалық (зерттелетін заттардың химиялық табиғаты және қасиеттері жайында), динамикалық (заттардың организмге түсу кезеңінен олардың зат алмасудың ақтық өнімдерінің шығуына дейінгі өзгерістері) және функциональдық (органдадың, тканьдердің және клеткалардың, жалпы біртұтас организмнің физиологиялық әрекетінің химиялық негіздері жөнінде) биохимияға бөлінеді.

Әрине, мұндай бөлу шартты түрде ғана, себебі биохимиялық зерттелерде осы бірін-бірі толықтырушы, үш бағыттың арасына шек қою қиын Бірақта, қорытындысында объекті жайында жан-жақты сипаттама алуға болады.

Биохимияның дамуы бір-бірімен шектес басқа пәндермен – жалпы биологиямен, гистологиямен, цитолоиямен, генетикамен, физикамен, биофизикамен, биоорганикалық, аналитикалық, органикалық, физикалық, коллоидтық, биофизикалық химиямен; молекулярлық биологиямен және физиологиямен тығыз байланысты биохимияны оқып үйренуден алған білім азықтандыру, мал өсіру, зоогигиена, мал шаруашылық, патологиялық физиология, фармакология сияқты қолданбалы ғылымдардың теориялық негізін құрайды.

Биохимияның аса маңызды міндеті – студентті тірі организмдердің химиялық құрамымен және тірі материалдардың тіршілігін қамтасыз ететін химиялық заңдылықтармен таныстару. Ақыр аяғында бұл мәліметтер қолданбалық маңызға иә болады, себебі олардың көмегімен мамандар мал өнімдерінің өнімділігін және оның сапасының артуын қамтамасыз ете алады.

1. 
   Белоктардың жалпы сипаттамасы
   

Тіршілік – материя қозғалысының ерекше, күрделі формасы. Оның маңызды белгілері – тітіркену, өсіп - өну, көбею. Материяның ең жоғарғы формасы – ойлау. Бұлардың барлығының негізінде зат алмасу жатады. Тіршіліктің мәнін құрайтын да – осы зат алмасу. Зат алмасу белоктармен және нуклеин қышқылдарымен тығыз байланысты. Белоктар – тіршіліктің негізгі нышаны. Белок жоқ жерде тіршілік те жоқ. Белоктар өмірдің материалдық негізі болып есептелінеді.

Белок деген ат ең алғаш құс жұмыртқасының ақ затына берілген. Ол қыздырғанда ерімейтін ақ затқа айналып ұйып қалады. Кейіннен дәл сондай заттар жануарлар мен өсімдіктердің организмінен де бөліп алынады.

1839 жылы голландия ғалымы Мульдер бұл заттың тіршіліктегі аса маңызына көңіл аударып белокты «протеин» (грек. Protos – ең басты, ең маңызды) деп атауды ұсынды.

Белоктар немесе протеиндер деп молекуласы α – амин қышқылдарының қалдықтарынан тұратын жоғары молекулалы органикалық қосылыстарды айтады.

Белок – организмдегі заттардың ең күрделісі, ал оның элементтік құрамы айтарлықтай қарапайым болып келеді. Онда 50-55% көміртек, 21-24 % оттек, 15-18 % азот, 6,5-7,5 % сутек, 0,3-2,5 % күкірт,1-2 % фосфор болады.

Кейбір белоктарда өте аз мөлшерде (0,3-0,00001 %) темір, мыс, йод, марганец, бром, кальций, мырыш және т.б. кездеседі.

Организмде белок алуан түрлі қызмет атқарады. Белоктың ең басты қызметі – жеделдету (катализаторлық). Себебі, барлық тірі организмдерде зат алмасу реакциялары ферменттердің барлығы белоктардан құралған.

Көпшілік гормандар белоктар болып келеді. Мысалы, оған жататындар : ұйқы безінің гормоны – инсулин, қалқанша безінің гормоны – тироксин, бүйрек үсті безінің гормондары – адреналин, ми қабатының гормондары – соматотропин, окситоцин, вазопрессин және т.б.

Заттарды тасымалдауда да белоктын маңызы зор. Заттардың клетка мен органоидтар ішінде қозғалуын белок реттеп отырады, яғни оларды активті түрде тасымалдайды. Соңғы кезде клетка мембранасының құрамында түрлі тасымалдаушы белоктардың (АЦБ) болатыны анықталды.

Белок қорғаныштық қызмет атқарады. Ол организмнің иммундық (ауруға төтеп беру) қасиеттерін жүзеге асырады.

Қанның ұюы да белоктың қорғаныстық қасиетіне мысал бола алады. Қанның сарысуындағы фибриноген белогы фибринге өзгеріп, ақыры – фибрин шөгіп ұйыққа айналады. Сөйтіп, жарақаттанған қан тамыры түтігін бітеп, организмнің қансырауына жол бермейді.

Гемоглобин және миоглобин белоктарының арқасында өкпедегі және тканьдегі газалмасу, яғни тыныс алу және тыныс шығару жүзеге асырылады.

Белоктар – энергияның көзі. 1 г белок тотыққанда 17,2 кДж (4,1 ккал) энергия босап шығады. Сонымен бірге белоктың тағы бір маңызды қызметінің бірі – оның құрылыс материалдары ретінде пайдаланылуы. Олар тіреу, бұлшықет және жабын тканьдерінің (сүйек, шеміршек, сіңір, тері) негізін құрайды.

2. 
   Белоктардың физикалық және химиялық қасиеттері
   

Белоктардың физикалық және химиялық қасиеттері организмнің тіршілік әрекетінің негізін құрайды.

Белоктар – жоғары молекулалы органикалық қосылыстар. Табиғатына байланысты белоктардың молекулалық массасы барынша өзгере алады. Кең таралған белоктардың молекулалық массасын мына сандармен межелеуге болады: инсулин – 35000, пепсин – 39000, гемоглобин – 68000, жұмыртқа альбумині – 40500.

Белоктар ерітіндісі коллоидтық сипатта болады. Көп белоктар суда, тұз ерітіндісінде және қышқылдарда ериді. Белоктардың барлығы дерлік сілтілерде жаксы ериді, ал органикалық еріткіштерде ерімейді. Белоктар лиофильды (грек. лио – ерітінді, филио- сүйемін) коллоидтық ерітінді құрады.

Коллоидты ерітінділерге молекулярлы – кинетикалық, оптикалық, электрлі кинетикалық қасиеттер тән.

Молекулярлы – кинетикалық қасиеттері коллоидты бөлшектердің мөлшеріне, ерітіндінің рН мәніне, сыртқы температураға және т.б. байланысты. Белоктардың коллоидтық ерітінділері ең төмен (диффузия коэффициентіне, төмен осмос қысымына 0,273 – 0,364 Па), бірақ жоғары салыстырмалы тұтқырлық пен ісіну дәрежесіне ие болып келеді. Организмдегі судың 80 – 90 % -і белоктармен байланыста болады.

Коллоидты ерітінділерді алудың негізгі екі жолы болады:

1. 
   ірі бөлшектерді ұнтақтау, немесе дисперстеу әдісі. Дисперстеу әдістері: механикалық, электрлік, ультра дыбыспен дисперстеу және пептизация әдістері болып төртке бөлінеді.
   
2. 
   атомдарды немесе молекулаларды агрегациялау, яғни өзара біріктіріп, ірілендіру жолы. Бұл әдісті конденсациялау деп атайды.
   

Белоктардың коллоидтық ерітінділерінің электрлі – кинетикалық қасиеті олардың бөлшектеріндегі қос электрлік зарядымен анықталады. Коллоидты бөлшегі ядродан, адсорбциялық және диффузиялық қабаттан тұрады. Ядро және адсорбциялық қабатты гранула, ал бүтін бір бөлшекті мицелла деп атайды.

Адсорбциялық және диффузиялық қабаттағы қарсы иондардың арасында дзета – потенциал нольге тең болса, белок молекуласы электр өрісінде қозғалмайды. Белок зарядын жоғалтады. Белоктың бұл күйін изоэлектрлік күйі дейді. Ал, белок изоэлектрлік күйге рН – тың белгілі бір мәнінде түседі: жұмыртқа белогы 4,8, гемоглобин 6,7, лизин 5 т.т. Оң және теріс зарядтар теңесетін реакциялық ортаны, яғни изоэлектрлік күйге түсетін әр белоктың өзіне тән белгілі рН мөлшерін изоэлектр нүктесі деп атайды. Белоктардың изоэлектрлік нүктесінің нәтижесі (рН) олардың құрамындағы амин қышқылдарына байланысты.

Коллоидты ерітінділердегі бөлшектердің өзара бірігіп іріленуін коагуляция (ұю) деп атайды. Ұю басталғанда жүйе әуелі лайланады. Іріленген бөлшектер ауырлық (салмақ) күшінің әсерінен тұнбаға түседі, яғни сидементация процесі жүреді, шөгінді пайда болады.

Коагуляция қайтымды және қайтымсыз болып екі түрге бөлінеді. Егер коллоидты бөлшектің тек сольватты (гидратты) қабаты ғана бұзылса, онда оны қайтымды коагуляция дейді. Ал, белок құрылымының өзгеріп, ерімейтін күйге айналуын қайтымсыз коагуляция, немесе денатурация деп атайды.

Белгілі жағдайда белок молекулуласын гидраттаудан гельдер пайда болады. «Су – желатина» жүйесі мысал бола алады.

Белоктар амин қышқылдары сияқты амфотерлік қасиетке ие. Құрамында карбоксил тобымен қатар, амин тобы болғандықтан, олар қышқыл немесе негіз сияқты диссоциацияланады. Белоктар судағы ерітіндісінде ионданған түріне өтеді.

R CH COOH R CH COO^-

NH₂ NH₃⁺

NH₃⁺ NH₃⁺

Сілтілік (негіздік) ортада теріс зарядталады да, реакцияға анион ретінде қатысады:

R CH COO^-+OH^- R CH COO^-+H₂O

NH₃⁺ NH₂
Белок еріткіштің реакциясына байланысты қышқыл секілді (сілті ерітіндісінде), немесе сілті сияқты (қышқыл ерітіндісінде) диссоциацияланады. Осыған орай белок ерітіндісі арқылы электр тоғын жіберетін болсақ, онда сілті ерітіндісінде белок молекуласы анодқа, ал қышқылда катодқа қарай жылжиды. Белоктардың осы бір қасиеті, оларды электрофорез әдісімен бөлуге мүмкіндік береді. Электр өрісі әсерінен дисперсті фаза бөлшектерінің катодқа, немесе анодқа бағытталып қозғалуын электрофорез деп атайды.

Белоктарды анықтауда бір қатар түрлі – түсті реакциялар бар.

Биурет реакциясы. Мыс тұздарымен, жеке сілтілермен белок күлгін түске боялады. Бұл реакция пептидті байланысы бар заттарға тән.

Ксантопротеин реакциясы. Азот қышқылымен белоктар сары түске боялады, оған аммиакпен әсер еткенде қызғылт сары түске өтеді. Бұл реакция кезінде ароматты амин қышқылы белоктарда болатын ароматты сақинаны нитрлеу жүреді.

Миллон реакциясы. Азот қышқылындағы сынап нитратының ерітіндісімен белоктар қызыл түске боялады. Бұл реакция фенол тобының барлығына байланысты.

Сульфгидрилді. Натрий плюмбитімен белокты қыздырғанда, қара түсті қорғасын сульфиді тұнбаға түседі. Бұл реакция сульфгидрилді топтың (-SH) барлығын көрсетеді.

Нингидрин реакциясы. α – амин қышқылдары және полипептидтер нингидрин ерітіндісімен қыздырғанда көк түс пайда болады. Бұл қасиетті амин қышқылдарын хроматография әдісімен анықтағанда қолданады.
1.3 Белоктарды бөлу және тазалау әдістері
Белоктарды анықтағанда түсті реакциялардан басқа тұндыру реакциялары да қолданылады. Белоктарды тұнбаға түсіру үшін тұздарды, ауыр металдардың тұздарын және қыздыруды пайдаланады.

Қайтымды тұндыру бейтарапты тұздардың әсерімен болады. әр түрлі конденсациядағы тұз ерітінділерімен тұнбаға түсіріліп, белоктар тазартылып және бөлініп алынады. Ол үшін тұз ретінде аммоний сульфатын алу қолайлы. Ерітіндідегі тұздар коцентрациясын арттыру нәтижесінде белоктарды бөліп алу әдістері қолданылады. Мысалы, аммоний сульфатының концентрациясын 50 % - ке дейін жеткізген кезде глобулиндер тұнбаға түседі, альбуминдер тек қанық (100 %) ерітіндіде ғана тұнады.

Белоктарды табиғи шикізаттан және органикалық синтез жолымен алады. Алдымен шикізатты (микробтық, өсімдік және жануар тектес) ұсақтайды. Ол үшін коллоидты және шарлы диірмендер, гомогенизаторлар, ультрадыбыс, кварц құмымен келіде ұнтақтау әдістері қолданылады.

Белоктарды еріткіштің және бос жүрген иондардың артық мөлшерінен тазарту үшін диалаз әдісі кең қолданылады. Диализдеуде жартылай өткізгіш мембрана ретінде коллодийден немесе целлофаннан жасалған мембраналарды пайдаланады.

Молекуласында карбоксил және амин топтары бар қосылыстарды амин қышқылдар дейміз. Олардың құрамы жалпы формуламен өрнектеледі.

Тұздар түзуі. Амин қышқылдары негіздермен де және қышқылдармен де тұз береді.

NH₂ NH₂

NH₂ NH₃Cl

Азотты қышқылмен әрекеттесуі.

R CH COOH + HONO R CH COOH +N₂ + H₂O

R CH COOH + H C R CH COOH + H₂O

NH₂ N = CH₂

Амин қышқылдарына декарбоксилдену, дезаминдену реакциялары тән. Қыздырғанда амин қышқылдары дипептид, қанықпаған қышқылдар, лактат түзеді.
1.5 Белок молекуласындағы химиялық байланыстар
Пептидтік байланыстар. 1888 ж орыс ғалымы – биохимик А.Я. Данилевский өз тәжірибелері бойынша белок молекуласындағы амин қышқыл қалдықтарының арасында пептид байланысының болуы туралы болжам айтты. Кейінірек, ХХ ғасырдың басында неміс ғалымы Э.Фишер пептид байланысының болуын тәжірибе жүзінде дәлелдеді. Ол 19 амин қышқылдарының қалдығынан тұратын полипептидті синтездеп алды.

Белоктар – бұл α – амин қышқылдарынан түзілген күрделі үлкен молекулалы табиғи қосылыстар. Казіргі түсініктер бойынша: белоктарда α – амин қышқылдары өзара пептидті (амидті байланыстар - NH – CO -) арқылы пептид тізбектеріне біріккен. Бір амин қышқылының карбоксилімен келесі амин қышқылының амин тобымен әрекеттесуі нәтижесінде пептидті байланыстар түзіледі. Мұнда екі α–амин қышқылынан бір су молекуласы бөлініп пептидтер түзіледі:

H₂N CH₂ C + NH CH C

CH₃

глицин
O

O

H₂N CH₂ C NH CH C + H₂O

OH

C₃H

Бұл байланыс екі полипептидтік тізбекті, немесе бір полипептидтік тізбектің жеке учаскелерін «тігеді».

Сутектік байланыс полипептидтік тізбектерді және олардың жеке учаскелерін жалғастырады.

O^-

а) қарапайым белоктар – протеиндер, гидролиз кезінде тек қана амин қышқылына ыдырайды,

ә) күрделі белоктар немесе протеидтер, бұлар қарапайым белоктардың белок емес заттармен қосылуынан пайда болады.

Протеиндер: альбуминдер, глобулиндер, проламиндер, гистондар, протаминдер, склеропротеиндер, коллаген, кератиндер, эластин, фиброин.

Протеидтер: нуклеопротеидтер, хромопротеидтер, фосфопротеидтер, глюкопротеидтер, липопротеидтер.
1.7 Белоктардың биологиялық бағалылығы
Азық белоктары биологиялық жағынан толық бағалы және бағасыз болып екіге бөлінеді. Белоктардың биологиялық бағалылығы амин қышқылдарының құрамына байланысты. Ал, амин қышқылдары биологиялық бағалылығы жағынан «ауыспалы» және «ауыспайтын» болып бөлінеді. «Ауыспайтын» амин қышқылдары жануарлар организміне қоректік заттармен түсуі керек. «Ауыспайтын» амин қышқылдарына жататындар : валин, изолейцин, лейцин, лизин, метинин, треонин, триптофан және фенилаланин. «Ауыспайтын» амин қышқылдары құнарлы азықтың құрамында болады.

«Ауыспалы» амин қышқылдарына мыналар жатады: аланин, аспарагин және глутамин қышқылдары, серин. Олар жануарлар организмінде түзіледі. Құрамына «ауыспайтын» амин қыщқылдары кіретін белоктардың биологиялық бағалылығы біршама төмендеу болады.

«Жарым – жарты ауыспалы» амин қышқылдарына жататындар : аргинин, глицин, тирозин, цистин және цистеин. Пролин және оксипролин имин қышқылдары мал организмінде түзіле алады.

Құрамында барлық амин қышқылдары бар казеин бағалы белоктардың эталоны болып есептеледі. Азық мөлшерін (рацион) құрғанда, белоктардың амин қышқылдық құрамын еске алу керек.

Протеиннің азық құрамында жетіспеу табын өндірісіне қайшы келеді, азықтың көп шығындалуына және мал өнімінің төмендеуіне әкеліп соғады.

Азықтық белокты өндіру көбінесе азықтық дақылдарды мерзімінде жинап алуға байланысты. Дақылдардың азықтық құнарлылығына жинау және сақтау әдістері де әсер етеді.

Белоктың қоры микробиологиялық және химиялық синтез жолымен өндіру арқылы молайтылады. Микробиологиялық әдіспен алынған белоктың биологиялық құндылығы өсімдік тектес белоктан әлдеқайда жоғары, оның құрамында барлық керекті заттар бар.

Күйіс қайыратын малдардың биологиялық ерекшелігіне байланысты олардың рацион құрамына 30 %- ке дейін белок емес азоттық заттармен, ең бірінші несеп нәрімен ауыстыру белок жетіспеуін жоюға мүмкіндік береді.