Белковые фракции зерна

10.05.2015

Для изучения белков семян широко используется их способность неодинаково растворяться в различных растворителях: воде, солевых растворах, разбавленном этиловом спирте и слабых растворах щелочи (или кислоты). Простые растительные белки по их отношению к этим растворителям классифицируются соответственно.
Перечисленные белки в зерне злаковых растений могут быть отнесены к трем функциональным группам: запасным белкам, структурным и каталитическим. К запасным белкам относятся прежде всего проламины и глютелины. Структурные белки образуют с нуклеиновыми кислотами и липоидами структуры цитоплазмы и ядра — микросомы, митохондрии, мембраны и т. д. В эту группу входят остаточные белки, альбумины, глобулины и частично глютелины. К каталитической группе относятся белки, обладающие ферментативной активностью, — альбумины и глобулины.
Что белки зерна являются не только запасными веществами, но и обладают ферментативной активностью, было показано исследованиями ряда авторов. Применяя мягкие условия выделения белков (например, лиофильную сушку) из семян гороха и сои, В.Л. Кретович и сотр. получили альбумин, обладающий высокой ферментативной активностью. Н.И. Проскуряков и Е.С. Хромова показали, что альбумин, выделенный из пшеничной муки, является носителем различных ферментов — амилазы, полифенолоксидазы и фитазы. Протеолитическую активность альбуминов и глобулинов зерна пшеницы обнаружила М.П. Сафонова, причем в препаратах глобулинов активность была в три раза выше, чем в альбуминах. В этих белках были сосредоточены и дезагрегирующие ферменты (разжижали желатину и клейковину) и ферменты, гидролизующие белок по пептидным связям (прирост количества карбоксильных групп в гидролизате). Разделить эти ферменты, так же как и альбумины, обладающие протеолитической и амилолитической активностью, не удалось.
В связи с неодинаковой функциональной ролью белков распределение их в различных частях зерновки крайне неравномерно (табл. 3).

Белковые фракции зерна

Из данных табл. 3 (средних по шести сортам) видно, что большая часть (64%) водорастворимого азота (альбумин) целого зерна находится в зародыше и 23% — в эндосперме. Около половины всего солерастворимого азота (глобулин) содержится в эндосперме, а в зародыше этой фракции — 31%. Запасные белки — спирторастворимый и щелочерастворимый — почти полностью сосредоточены в эндосперме. Азот нерастворимого остатка также в основном находится в эндосперме.
Если выразить содержание азота отдельных белковых фракций в процентах от общего количества азота, содержащегося в данной части зерна, как это сделано в нижней части табл. 3, то оказывается, что азот зародышей представлен главным образом водорастворимым азотом (53%). Белок эндосперма состоит в основном из спирторастворимой фракции (40,4%), затем следует щелочерастворимый азот (28,9%); содержание водо- и солерастворимого азота в эндосперме очень незначительно — соответственно 4,4 и 4,0% азота эндосперма.
В эндосперме зерна пшеницы два основных запасных белка — глиадин и глютенин образуют клейковину, которая играет исключительно важную роль в процессе формирования пшеничного теста и определяет его хлебопекарные качества.
Состав сухого вещества клейковины не является постоянным. Он зависит от сорта пшеницы, условий ее выращивания, сорта муки и методики отмывания клейковины. Для примера приведем данные В.С. Смирнова, согласно которым сухое вещество клейковины содержит 43,0% глиадина, 39,1% глютенина, 4,4% других белков, 2,8% жира, 2,1% сахаров, 6,4% крахмала, а также незначительное количество клетчатки и золы. Таким образом, главную массу — около 82 % сухого вещества клейковины — составляют глиадин и глютенин. Кроме пшеницы, из культурных злаков клейковина обнаружена только в зерне ржи и ячменя, а из диких злаков — в семенах нескольких видов пырея (Agropyrum) и колосняка (Elymus), а также в семенах эгилопса оттопыренного (Aegilops squarrosa).
Изучению клейковины посвящено много работ. Однако наиболее важный вопрос — о внутренней структуре клейковины и о ее связи с хлебопекарными качествами — остается до конца не решенным.
Запасные белки зерна сосредоточены в особых гранулах («белковых телах»), находящихся в эндосперме. У пшеницы эти гранулы содержат в основном глиадин, а у кукурузы — зеин.
Белки алейронового слоя зерна представлены главным образом глобулинами.
Белки зерна довольно сильно различаются между собой по величине молекулы и их форме. Наименьший молекулярный вес имеют альбумины, например пшеничный альбумин — 17000—28000, а также проламины — 40000—46000; самые большие молекулы у глюте-линов (более 1000 000). Глобулины занимают промежуточное положение, причем разные типы глобулинов различаются по их молекулярному весу. Белки значительно различаются и по форме молекулы. Одни из них имеют шарообразную форму, другие — форму сигары, третьи — напоминают длинные иглы. Проламины, особенно зеин, характеризуются большим отношением большой оси молекулы к малой. У зеина, например, это отношение равно 20,1, а у глобулина конопли (эдестина) оно составляет только 4,3. Возможно, что вследствие такох формы белковой молекулы зеин имеет более высокую переваримость, чем другие белки кукурузного зерна; это наблюдал в опытах по кормлению животных А.А. Стафийчук.
Важным показателем, характеризующим свойства белка, является его изоэлектрическая точка — та величина pH, при которой белок имеет минимальный электрический заряд и наименьшую растворимость. Изоэлектрическая точка для разных белков различна. Так, для зеина кукурузы изоэлектрическая точка находится при pH 6,2, для глиадина пшеницы — 7,1, а для глобулина пшеничных отрубей — 5,5.
Несмотря на то что белки очень сильно различаются по своим физико-химическим свойствам (величине и форме молекулы, аминокислотному составу, изоэлектрической точке и др.), они мало разнятся по элементарному составу. Глобулин зерна пшеницы несколько отличается от других белков повышенным содержанием азота и пониженным — серы и углерода. Суммарные белки зерна пшеницы и ржи содержат около 17,5% азота, поэтому при расчете количества белка содержание общего азота в зерне умножают на коэффициент 5,7. В зерне других злаков, в частности у кукурузы, содержание азота в белках несколько меньше, поэтому для расчета количества белка принят коэффициент 6,25.
Различные группы растений характеризуются неодинаковой способностью к накоплению отдельных белковых фракций: в семенах бобовых и масличных культур много солерастворимых и водорастворимых белков, в зерне злаковых культур много спирторастворимых белков, которых нет у бобовых и масличных. М.И. Смирнова-Иконникова и Е.П. Веселова на основании своих опытов с зерновыми и бобовыми культурами указывают, что те же различия отмечены для листьев этих растений и что неодинаковая природа белков проявляется уже при первичном синтезе белка в зеленом листе.
Фракционный состав белка тесно связан как с генетическими особенностями данного растения, так и с условиями произрастания, что будет рассмотрено в других главах.
Как уже отмечалось, белки, извлекаемые различными растворителями, не являются индивидуальными белками; они гетерогенны. Так, Даниэльсон методом седиментации показал, что в зерне злаков содержатся глобулины четырех типов α, β, γ и δ, которые довольно значительно отличаются по молекулярному весу. Молекулярный вес глобулина α — 26000, β — 100000, γ — 166 000, δ — 300 000. В зерне ячменя обнаружены все четыре типа глобулинов, а у других злаков (пшеница, кукуруза, рожь, овес) — только два (α и γ). Содержание отдельных глобулинов в зерне различных злаковых культур было неодинаковым, причем количество γ-глобулина в несколько раз больше, чем α-глобулина. В различных частях зерновки содержание отдельных глобулинов было также неодинаковым. В эндосперме пшеницы α-глобулина больше, чем γ-глобулина; в айлероновом слое, наоборот, γ-глобулин преобладает над α-глобулином; в зародыше содержится только γ-глобулин. В зерне ячменя обнаружены аналогичные соотношения.
Посредством электрофореза на полиакриламидном геле в глиадине зерна пшеницы было обнаружено шесть компонентов, причем под влиянием азотных удобрений их число и соотношение не изменялись. Биквит и др. на колонках с Сефадексом G-100 установили, что глиадин пшеницы содержит небольшое количество (около 6%) фракции, имеющей высокий молекулярный вес — около 100000. Основное количество глиадина (80%) представлено низкомолекулярной фракцией (30 000). Глиадин в целом имеет молекулярный вес 46 000. Высокомолекулярная и низкомолекулярная фракции глиадина различались по аминокислотному составу. Низкомолекулярная фракция содержала почта в два раза больше аспарагиновой кислоты и тирозина, но несколько меньше — лизина, аргинина, глицина, метионина, фенилаланина, серила и треонина. Высокомолекулярная фрикция глиадина по аминокислотному составу, электрофоретической подвижности и растворимости напоминали низкомолекулярную фракцию глютенина.
Относительно глютенина пшеницы имеются данные о том, что электрофоретически этот белок является гомогенным, однако представляет собой смесь осаждаемых при центрифугировании веществ с молекулярным весом в пределах от 25 000 до 1 млн. Расщепление дисульфидных связей глютенина превращает его в однородный при центрифугировании белок с молекулярным весом 20 000. При электрофорезе на крахмальном геле такой белок разделяется примерно на 20 компонентов, в числе которых обнаруживаются также все глиадиновые компоненты. Отсюда некоторые исследователи допускают, что глютенин может быть полимером глиадиновых компонентов. Однако своеобразный аминокислотный состав глютенина свидетельствует о том, что глютенин, по-видимому, является независимой белковой фракцией.
В альбумине пшеничного зерна электрофоретический анализ показал наличие шести компонентов, при анализе же в ультрацентрифуге этот белок был гомогенным. При электрофорезе в полиакриламидном геле альбумин зерна пшеницы разделился на 13 фракций, а белки клейковины — па 10 фракций.
Каминский посредством электрофореза на крахмальном геле исследовал различные белковые фракции, выделенные из муки твердой пшеницы. Для получения фракций проводили последовательно экстракцию дистиллированной водой, 0,2 M NaCl, забуференным до pH 7,0, 70%-ным этиловым спиртом и 0,05 н. уксусной кислотой. В водорастворимой фракции зерна Каминский обнаружил 22 компонента, в солерастворимой — 23, в спирторастворимой — 10 основных компонентов и следы 9 других, соответствующих зонам водного и солевого экстрактов. Белки, растворимые в уксусной кислоте, дали сходную с глиадином картину, по с меньшей концентрацией группы медленных компонентов.
Электрофоретическими исследованиями белков кукурузного зерна было установлено в зерне присутствие восьми отличных один от другого белков, три из которых относились к спирторастворимым.
В альбумине зерна кукурузы и сорго П.А. Цуркан посредством электрофореза обнаружил пять компонентов. Глобулины семян этих растений в гликоколевом буфере были разделены на два компонента, а в ацетатном буфере — на три. В процессе созревания семян кукурузы в них уменьшалось содержание одного из компонентов суммарного глобулина.
Обзор литературы по электрофорезу растительных белков на бумаге дай в статьях Ю.Я. Гофмана, в которых автор касается в основном методических вопросов.
Наиболее тонким методом исследования белков является метод иммунофореза. При помощи этого метода удается обнаружить такие различия между белками, которые нельзя выявить другими методами. Илтон и Иверт путем иммунологического сравнения белков зерна злаковых растений показали, что суммарный белок пшеницы состоит по крайней мере из четырех различающихся по структуре белков. Три из них содержатся в зерне ржи; овес и кукуруза содержат по одному из этих белков. Авторы объясняют низкие хлебопекарные качества овса, ячменя и кукурузы отсутствием белков нужной структуры. Однако различия в хлебопекарных качествах между сортами пшеницы, по мнению авторов, не могут быть объяснены различиями в структуре белков.
Причина может быть в количественных различиях или в других, еще не известных факторах.
Применение современных методов исследования белков, однако, как указывает Альтшуль, не дало серьезных изменений в классификации белков и концепциях, разработанных раньше. Альтшуль полагает, что в дальнейшем будет разработана классификация белков семян, основанная главным образом на их биологических функциях.