БЕЛКИ И ПОЛИПЕПТИДЫ
Белки играют исключительно важную роль в живой природе. Жизнь немыслима без различных по строению и функциям белков. Белки - это биополимеры сложного строения, макромолекулы (протеины) которых, состоят из остатков аминокислот, соединенных между собой амидной (пептидной) связью. Кроме длинных полимерных цепей, построенных из остатков аминокислот (полипептидных цепей), в макромолекулу белка могут входить также остатки или молекулы других органических соединений. На одном кольце каждой пептидной цепи имеется свободная или ацилированная аминогруппа, на другом - свободная или амидированная карбоксильная группа.
Конец цепи с аминогруппой называется М-концом, конец цепи с карбоксильной группой - С-концом пептидной цепи. Между СО-группой одной пептидной группировки и NH-группой другой пептидной группировки могут легко образовываться водородные связи.
Группы, входящие в состав радикала R аминокислот, могут вступать во взаимодействие друг с другом, с посторонними веществами и с соседними белковыми и иными молекулами, образуя сложные и разнообразные структуры.
В макромолекулу белка входит одна или несколько пептидных цепей, связанных друг с другом поперечными химическими связями, чаще всего через серу (дисульфидные мостики, образуемые остатками цистеина). Химическую структуру пептидных цепей принято называть первичной структурой белка или секвенцией.
Для построения пространственной структуры белка пептидные цепи должны принять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, которая закрепляется водородными связями, возникающими между пептидными группировками отдельных участков молекулярной цепи. По мере образования водородных связей пептидные цепи закручиваются в спирали, стремясь к образованию максимального числа водородных связей и соответственно к энергетически наиболее выгодной конфигурации.
Впервые такая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шерсти-кератина Полингом американским физиком и химиком... Ее назвали а-структурой или а-спиралью. На один виток спирали приходится по 3,6-3,7 остатков аминокислот. Расстояние между витками около 0,54 миллиардной доле метра. Строение спирали стабилизируется внутримолекулярными водородными связями.
При растяжении спираль макромолекулы белка превращается в другую структуру, напоминающую линейную.
Но образованию правильной спирали часто мешают силы отталкивания или притяжения, возникающие между группами аминокислот, или стерические препятствия, например, за счет образования пирролидиновых колец пролина и оксипролина, которые заставляют пептидную цепь резко изгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых ее участках. Далее отдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая в некоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутую пространственную структуру.
Пространственная структура закреплена вследствие взаимодействия радикалов R и аминокислот с образованием дисульфидных мостиков, водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. Именно пространственная структура белка определяет химические и биологические свойства белков.
В зависимости от пространственной структуры все белки делятся на два больших класса: фибриллярные (они используются природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).
Полипептидные цепи фибриллярных белков имеют форму спирали, которая закреплена расположенными вдоль цепи внутримолекулярными водородными связями. В волокнах фибриллярных белков закрученные пептидные цепи расположены параллельно оси волокна, они как бы ориентированы относительно друг друга, располагаются рядом, образуя нитевидные структуры и имеют высокую степень асимметрии. Фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде. При растворении в воде они образуют растворы высокой вязкости. К фибриллярным белкам относятся белки, входящие в состав тканей и покровных образований. Это миозин-белок мышечных тканей; коллаген, являющийся основой седиментационных тканей и кожных покровов; кератин, входящий в состав волос, роговых покровов, шерсти и перьев. К этому же классу белков относится белок натурального шелка - фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, затвердевающая на воздухе в прочную нерастворимую нить. Этот белок имеет вытянутые полипептидные цепи, соединенные друг с другом межмолекулярными водородными связями, что и определяет, по-видимому, высокую механическую прочность натурального шелка.
Пептидные цепи глобулярных белков сильно изогнуты, свернуты и часто имеют форму жестких шариков-глобул. Молекулы глобулярных белков обладают низкой степенью асимметрии, они хорошо растворимы в воде, причем вязкость их растворов невелика. Это прежде всего белки крови-гемоглобин, альбумин, глобулин и др.
Следует отметить условность деления белков на фибриллярные и глобулярные, так как существует большое число белков с промежуточной структурой.
Свойства белка могут сильно изменяться при замене одной аминокислоты другой. Это объясняется изменением конфигураций пептидных цепей и условий образования пространственной структуры белка, которая в конечном счете определяет его функции в организме.
СОСТАВ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ
Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы отдельных белков, весьма различно: в инсулине 51, в миоглобине - около 140. Поэтому и относительная молекулярная масса белков колеблется в очень широких пределах - от 10 тысяч до многих миллионов На основе определения относительной молекулярной массы и элементарного анализа установлена эмпирическая формула белковой молекулы - гемоглобина крови (C 738 H 1166 O 208 S 2 Fe) 4 Меньшая молекулярная масса может быть у простейших ферментов и некоторых гормонов белковой природы. Например, молекулярная масса гормона инсулина около 6500, а белка вируса гриппа - 320 000 000. Вещества белковой природы (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имеющие относительно меньшую молекулярную массу и меньшую степень пространственной организации макромолекулы, называются полипептидами. Провести резкую границу между белками и полипептидами трудно. В большинстве случаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала, целлюлозы), тем, что чистый индивидуальный белок содержит только молекулы одинакового строения и массы. Исключением является, например, желатина, в составе которой входят макромолекулы с молекулярной массой 12 000- 70000.
Строением белков объясняются их весьма разнообразные свойства. Они имеют разную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие - в разбавленных растворах нейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости (например, белки покровных тканей). При растворении белков в воде образуется своеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор высокомолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть выделены в виде кристаллов (белок куриного яйца, гемоглобина крови).
Белки играют важнейшую роль в жизнедеятельности всех организмов. При пищеварении белковые молекулы перевариваются до аминокислот, которые, будучи хорошо растворимы в водной среде, проникают в кровь и поступают во все ткани и клетки организма. Здесь наибольшая часть аминокислот расходуется на синтез белков различных органов и тканей, часть-на синтез гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальные служат как энергетический материал. Т.е. белки выполняют каталитические (ферменты), регуляторные (гормоны), транспортные (гемоглобин, церулоплазмин и др.), защитные (антитела, тромбин и др.) функции
Белки - важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Совокупность непрерывно протекающих химищеский превращений белков занимает ведущее место в обмене веществ организмов. Скорость обновления белков у живых организмов зависит от содержания белков в пище, а также его биологической ценности, которая определяется наличием и соотношением незаменимых аминокислот
Белки растений беднее белков животного происхождения по содержанию незаменимых аминокислот, особенно лизина, метионина, триптофана. Белки сои и картофеля по аминокислотному составу наиболее близки белкам животных. Отсутствие в корме незаменимых аминокислот приходит к тяжёлым нарушениям азотистого обмена. Поэтому селекция зерновых культур направлена, в частности, и на повышение качества белкового состава зерна.
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
Белки подразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды.
При гидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только а-аминокислоты. Гидролиз протеидов дает кроме аминокислот и вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.); это соединения белковых веществ с небелковыми.
Протеины.
Альбумины хорошо растворяются в воде. Встречаются в молоке, яичном белке и крови.
Глобулины в воде не растворяются, но растворимы в разбавленных растворах солей. К глобулинам принадлежат глобулины крови и мышечный белок миозин.
Глутелины растворяются только в разбавленных растворах щелочей. Встречаются в растениях.
Склеропротеины - нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи и соединительных тканей коллаген, белок натурального шелка фиброин.
Протеиды построены из протеинов, соединенных с молекулами другого типа (простетическими группами).
Фосфопротеиды содержат молекулы фосфорной кислоты, связанные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокислоты серина. К ним относится вителлин-белок, содержащийся в яичном желтке, белок молока казеин.
Белки - природные полипептиды с огромной молекулярной массой. Они входят в состав всех живых организмов и выполняют различные биологические функции.
Строение белка.
У белков существует 4 уровня строения:
- первичная структура белка - линейная последовательность аминокислот в полипептидной цепи, свернутых в пространстве:
- вторичная структура белка - конформация полипептидной цепи, т.к. скручивание в пространстве за счет водородных связей между NH и СО группами. Есть 2 способа укладки: α -спираль и β - структура.
- третичная структура белка - это трехмерное представление закрученной α -спираль или β -структуры в пространстве:
Эта структура образуется за счет дисульфидных мостиков -S-S- между цистеиновыми остатками. В образовании такой структуры участвуют противоположно заряженные ионы.
- четвертичная структура белка образуется за счет взаимодействия между разными полипептидными цепями:
Синтез белка.
В основе синтеза лежит твердофазный метод, в котором первая аминокислота закрепляется на полимерном носителе, а к ней последовательно подшиваются новые аминокислоты. После полимер отделяют от полипептидной цепи.
Физические свойства белка.
Физические свойства белка определяются строением, поэтому белки делят на глобулярные (растворимые в воде) и фибриллярные (нерастворимые в воде).
Химические свойства белков.
1. Денатурация белка (разрушение вторичной и третичной структуры с сохранением первичной). Пример денатурации - свертывание яичных белков при варке яиц.
2. Гидролиз белков - необратимое разрушение первичной структуры в кислом или щелочном растворе с образованием аминокислот. Так можно установить количественный состав белков.
3. Качественные реакции:
Биуретовая реакция - взаимодействие пептидной связи и солей меди (II) в щелочном растворе. По окончанию реакции раствор окрашивается в фиолетовый цвет.
Ксантопротеиновая реакция - при реакции с азотной кислотой наблюдается желтое окрашивание.
Биологическое значение белка.
1. Белки - строительный материал, из него построены мышцы, кости, ткани.
2. Белки - рецепторы. Передают и воспринимают сигнал, поступающих от соседних клеток из окружающей среды.
3. Белки играют важную роль в иммунной системе организма.
4. Белки выполняют транспортные функции и переносят молекулы или ионы в место синтеза или накопления. (Гемоглобин переносит кислород к тканям.)
5. Белки - катализаторы - ферменты. Это очень мощные селективные катализаторы, которые ускоряют реакции в миллионы раз.
Есть ряд аминокислот, которые не могут синтезироваться в организме - незаменимые , их получают только с пищей: тизин, фенилаланин, метинин, валин, лейцин, триптофан, изолейцин, треонин.
высаливание : осаждение солями щелочных, щелочноземельных металлов (хлорид натрия, сульфат магния), сульфатом аммония; при этом не нарушается первичная структура белка;
осаждение : использование водоотнимающих веществ: спирт или ацетон при низких температурах (около –20 С).
При использовании этих методов белки лишаются гидратной оболочки и выпадают в осадок в растворе.
Денатурация - нарушение пространственной структуры белков (первичная структура молекулы сохраняется). Может быть обратимая (структура белка восстанавливается после устранения денатурирующего агента) или необратимая (пространственная структура молекулы не восстанавливается, например, при осаждении белков минеральными концентрированными кислотами, солями тяжелых металлов).
Методы разделения белков Отделение белков от низкомолекулярных примесей
Диализ
Используют специальную полимерную мембрану, которая имеет поры определенной величины. Малые молекулы (низкомолекулярные примеси) проходят через поры в мембране, а крупные (белки) задерживаются. Таким образом, белки отмывают от примесей.
Разделение белков по молекулярной массе
Гель-хроматография
Хроматографическую колонку заполняют гранулами геля (сефадекс), который имеет поры определенной величины. В колонку вносят смесь белков. Белки, размер которых меньше, чем размер пор сефадекса, задерживаются в колонке, так как «застревают» в порах, а остальные свободно выходят из колонки (рис. 2.1). Размер белка зависит от его молекулярной массы.
Рис. 2.1. Разделение белков методом гель-фильтрации
Ультрацентрифугирование
Этот метод основан на различной скорости седиментации (осаждения) белковых молекул в растворах с различным градиентом плотности (сахарозный буфер или хлорид цезия) (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Разделение белков методом ультрацентрифугирования
Электрофорез
Данный метод основан на различной скорости миграции белков и пептидов в электрическом поле в зависимости от заряда.
Носителями для электрофореза могут служить гели, ацетатцеллюлоза, агар. Разделяемые молекулы движутся в геле в зависимости от размера: те из них, которые имеют бóльшие размеры, будут задерживаться при прохождении через поры геля. Меньшие молекулы будут встречать меньшее сопротивление и, соответственно, двигаться быстрее. В результате, после проведения электрофореза, бóльшие молекулы будут находиться ближе к старту, чем меньшие (рис. 2.3).
Рис. 2.3 . Разделение белков методом электрофореза в геле
Методом электрофореза можно разделить белки и по молекулярной массе. Для этого используют электрофорез в ПААГ в присутствии додецилсульфата натрия (ДДS-Na) .
Выделение
индивидуальных белков
Аффинная
хроматография
Метод основан на способности белков прочно связываться с различными молекулами нековалентными связями. Используется для выделения и очистки ферментов, иммуноглобулинов, рецепторных белков.
Молекулы веществ (лиганды), с которыми специфически связываются определенные белки, ковалентно соединяют с частицами инертного вещества. Смесь белков вносят в колонку, и искомый белок прочно присоединяется к лиганду. Остальные белки свободно выходят из колонки. Задержанный белок затем можно вымыть из колонки с помощью буферного раствора, содержащего в свободном состоянии лиганд. Этот высокочувствительный метод позволяет выделить в чистом виде очень малые количества белка из клеточного экстракта, содержащего сотни других белков.
Изоэлектрофокусирование
Метод основан на различной величине ИЭТ белков. Белки разделяют методом электрофореза на пластине с амфолином (это вещество, у которого заранее сформирован градиент pH в диапазоне от 3 до 10). При электрофорезе белки разделяются в соответствии со значением их ИЭТ (в ИЭТ заряд белка будет равен нулю, и он не будет передвигаться в электрическом поле).
Двухмерный электрофорез
Представляет собой сочетание изоэлектрофокусирования и электрофореза с ДДС-Na. Проводят сначала электрофорез в горизонтальном направлении на пластине с амфолином. Белки разделяются в зависимости от заряда (ИЭТ). Затем обрабатывают пластину раствором ДДС-Na и проводят электрофорез в вертикальном направлении. Белки разделяются в зависимости от молекулярной массы.
Иммуноэлектрофорез (Вестерн-блот)
Аналитический метод, используемый для определения специфичных белков в образце (рис 2.4).
Выделение белков из биологического материала.
Разделение белков по молекулярной массе методом электрофореза в ПААГ с ДДС-Na.
Перенос белков с геля на полимерную пластину с целью облегчения дальнейших работ.
Обработка пластины раствором неспецифического белка для заполнения оставшихся пор.
Таким образом, после этого этапа получена пластинка, в порах которой содержатся разделенные белки, а пространство между ними заполнено неспецифическим белком. Теперь надо выявить, есть ли среди белков искомый, ответственный за какое-то заболевание. Для выявления используют обработку антителами. Под первичными антителами понимают антитела к искомому белку. Под вторичными антителами понимают антитела к первичным антителам. В состав вторичных антител вводят дополнительно специальную метку (т.н. молекулярный зонд), чтобы потом можно было визуализировать результаты. В качестве метки используются радиоактивный фосфат или фермент, прочно связанные с вторичным антителом. Связывание сначала с первичными, а затем с вторичными антителами преследует две цели: стандартизация метода и улучшение результатов.
Обработка раствором первичных антител связывание происходит в том месте пластины, где есть антиген (искомый белок).
Удаление несвязавшихся антител (промывка).
Обработка раствором меченых вторичных антител для последующей проявки.
Удаление несвязавшихся вторичных антител (промывка).
Рис. 2.4 . Иммуноэлектрофорез (Вестерн-блот)
В случае присутствия искомого белка в биологическом материале – на пластинке появляется полоса, свидетельствующая о связывании этого белка с соответствующими антителами.
Лекция № 15
Раздел: “Сельскохозяйственная биотехнология”
1. История использования микроорганизмов для получения белка
2. Технологический процесс выращивания микроорганизмов (на примере кормовых дрожжей)
3. Основные виды сырья и используемые микроорганизмы
4. Перспективы производства белка с использованием микроорганизмов
Структура питания человечества в целом, в том числе и населения нашей страны, далеко не идеальна, причем наиболее дефицитным компонентом пищи является белок, особенно белок высокой питательной ценности. Традиционные источники белка – продукты животноводства и растениеводства, не покрывают все возрастающую потребность в белковой пище, особенно, увеличившуюся в связи с интенсивным приростом населения. Альтернативным источником белка могут служить различные микроорганизмы – дрожжи, высшие съедобные грибы, некоторые микроводоросли и т.д.
Микробиологическое производства белка налажено относительно недавно, однако, оно обладает рядом преимуществ, по сравнению с традиционными способами получения белковой пищи (животноводством и растениеводством). А именно, микробиологическое производство не требует посевных площадей, не зависит от климатических и погодных условий, поддается точному планированию и высокому уровню автоматизации, позволяет получать продукцию стандартного качества. Продукты микробиологического синтеза можно назвать новыми видами кормов и пищи. Разнообразие микроорганизмов и типов их питания позволяют легко маневрировать в использовании различных видов сырья для биосинтеза.
1. История использования микроорганизмов для получения белка
Более века назад, экспериментируя с дрожжами, Л.Пастер открыл микробиологический синтез белка из аммиака и органических соединений не содержащих азота. Заводы по выращиванию дрожжей, созданные вскоре после исследования Пастера, выпускали дрожжевые закваски. С течением времени совершенствовалась технология производства дрожжей и в 1876 г. в США начали применять в хлебопечении прессованные дрожжи.
Идею использования микроорганизмов как белковых компонентов в питании в 1890-х гг. начал пропагандировать Дельбрюк, рекомендовавший применять для этой цели пивные дрожжи.
Первые заводы по выращиванию пищевых дрожжей на мелассе были открыть в Германии в первую мировую войну. После первой мировой войны в различных странах приступили к производству кормовых дрожжей. К середине 30-х гг. началось производство дрожжей из гидролизатов отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности, из сульфитных щелоков, барды гидролизно-спиртовых заводов. В 1935 г у нас в стране был пущен первый опытный завод по производству кормовых дрожжей на основе использования соломы, кукурузных кочерыжек и древесных опилок, предварительно гидролизованных серной кислотой. В это время горячим поборником использования дрожжей в питании выступал Гивартовский, рассматривавший дрожжи как ценный источник витаминов группы В. Во время второй мировой войны во многих странах развернулось широкое производство пищевых дрожжей: в Германии - на основе сульфитных щелоков и гидролизатов древесины, в СССР, на Ямайке (тогда колонии Великобритании).
После войны в ряде стран стали возникать производства кормовых дрожжей на различных отходах, в первую очередь на сульфитных щелоках, а также на гидролизатах растительного сырья. В 60-е гг внимание исследователей привлекла возможность использования углеводородов нефти как сырья для получения кормовых дрожжей. С начала 70-х гг в СССР развернулось строительство по производству кормовых дрожжей на основе использования очищенных н-алканов нефти.
Однако в настоящее время большинство крупнотоннажных заводов нашей страны бездействуют, что связано как с экономическим кризисом и как следствие с падением производства в последнее десятилетие, так и с нефтяным кризисом, поскольку запасы нефти постепенно истощаются и, следовательно, уменьшается количество сырья. В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом наблюдается возрождение интереса к получению микробного белка как пищевого так и кормового назначения с использованием в качестве сырья различных отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, а также получение белка с помощью автотрофных микроорганизмов.
2. Технологический процесс выращивания микроорганизмов (на примере кормовых дрожжей)
Современное промышленное использование микроорганизмов для производства белка осуществляется в ферментерах, работающих по принципу хемостата. Объемы ферментеров достигают нескольких сот кубических метров. В среду с размножающимися микроорганизмами непрерывно подаются водный раствор минеральных солей и применяемый в конкретном процессе органический субстрат. Культура подвергается перемешиванию, аэрированию и охлаждению. Рациональный процесс выращивания осуществляют при лимитировании роста микроорганизмов кислородом или близко к такому лимитированию. Принципиальная технологическая схема производства кормовых дрожжей приведена на рис. 1.
Выращенные клетки дрожжей отделяют от водной среды сепарированием, или фильтрованием, если используют мицелиальные грибы. Разработаны и другие методы отделения биомассы, например флотация для концентрирования мелких бактериальных клеток. Их обычно промывают, концентрируют, после чего подвергают термической обработке при 80-90°С, приводящей к отмиранию клеток. Полученную в результате такой обработки сметанообразную массу высушивают, используя, как правило, распылительные сушилки. После высушивания получают порошкообразный или хлопьевидный продукт, который можно подвергнуть гранулированию. Продукт упаковывают и направляют на комбикормовые заводы и другим потребителям. Такие белоксодержащие добавки микробного происхождения имеют то или иное коммерческое название в зависимости от применяемого органического сырья, штамма микроорганизма и особенностей технологии, используемой на различных фирмах или предприятиях.
3. Основные виды сырья и используемые микроорганизмы
В производстве белка пищевого и кормового назначения используется самое разнообразное сырье и микроорганизмы. К такому сырью относятся – лигноцеллюлозные отходы и их гидролизаты, парафины нефти, газ, этанол и т.д.
Производство кормовых дрожжей на гидролизатах растительного сырья, существует несколько десятилетий. Для этой цели используются гидролизаты древесины, подсолнечной и рисовой лузги, кукурузных кочерыжек, стеблей хлопчатника, багассы (жом, оставшийся после извлечения сахара из сахарного тростника) и других целлюлозосодержащих материалов. Сырье ежегодно возобновляется и, как правило, является отходами.
К недостаткам гидролизно-дрожжевого производства относится сложность сбора и транспортировки сырья на крупные предприятия. Процесс выращивания дрожжей на гидролизатах осуществляется в неасептических условиях, а развитие контаминантных бактерий ограничивается поддержанием в ферментационной среде определенного значения рН (около 4,0). В гидролизатах содержатся компоненты (например, фурфурол), оказывающие токсическое действие на рост дрожжей. Селекционированные в лаборатории штаммы имеют высокий выход биомассы в расчете на потребленные сахара. Но в производственных условиях эти штаммы зачастую вытесняются дикими штаммами, отличающимися большей устойчивостью к токсичным компонентам среды, меньшей потребностью в витаминах и высокими скоростями роста. Практически на каждом заводе происходит автоселекция штаммов или ассоциации дрожжей, приспособленной к местным условиям.
Список штаммов, используемых для производства кормовых дрожжей из гидролизатов растительного сырья, весьма обширен, он включает виды рода Candida и других родов (Trichosporon, Hansenula, Zygofabospora).
Перспективно получение биомассы микроорганизмов на ферментативных гидролизатах целлюлозосодержащего сырья. Затруднением для промышленной реализации такого процесса является то, что в целлюлозосодержащем сырье имеется лигнин, препятствующий контакту целлюлаз с субстратом. Кроме того, сырье нуждается в обработке, позволяющей понизить содержание в нем кристаллической формы целлюлозы и перевести ее в аморфное состояние, после чего ферментативный гидролиз значительно ускоряется.
Возможность выращивания микроорганизмов, относящихся к различным таксономическим группам, на средах с углеводородами исследована достаточно широко. Способности к утилизации углеводородов часто встречаются у представителей дрожжей, из которых в первую очередь следует назвать род Candida, у представителей мицелиальных грибов, в частности Aspergillus и Fusarium, у многих видов грибов семейства Mucoraceae и разных бактерий.
Сравнительная оценка твердых и жидких углеводородов как сырья для биосинтеза показала несомненное преимущество соединений, температура плавления которых значительно ниже температуры культивирования микроорганизмов.
Все классы углеводородов могут служить субстратами для микроорганизмов, однако, как правило, процесс роста наиболее интенсивно происходит на среде, содержащей н-алканы с различной длиной цепи. Дрожжами с наибольшей скоростью обычно потребляются н-алканы С 11 - С 14 , среднее положение занимают н-алкайы С 15 - С 18 и медленнее других усваиваются н-алканы С 23 - С 24 . Алканы С 6 - С 9 не только плохо используются дрожжами, но часто токсичны для них.
Наиболее перспективными новыми видами сырья для микробного биосинтеза кормового белка на ближайшие годы являются спирты - метиловый и этиловый.
Повышение внимания к низшим спиртам объясняется рядом обстоятельств, среди которых следует отметить разработку новых эффективных способов крупнотоннажного производства метанола и этанола, высокую степень чистоты получаемых спиртов, хорошую растворимость их в воде.
Многие бактерии могут расти за счет использования метанола. Выходы биомассы при росте на метаноле составляют 50% и более от массы использованного спирта. Энергетические выходы роста бактерий на метаноле (доля химической энергии органического субстрата, сохраняющаяся как химическая энергия в выросшей биомассе) достаточно велики (более 50%), но ниже, чем при росте микроорганизмов на углеводах (до 65%). При росте микроорганизмов на углеводородах энергетический выход роста ниже и составляет около 40 %. С этим связано более эффективное использование дорогостоящего растворенного кислорода и повышение производительности ферментеров при использовании метанола по сравнению с культивированием микроорганизмов на н-алканах.
Процесс выращивания метанолиспользующих бактерий уже доведен до реализации, например, западногерманская фирма Хёхст, использующая0 в качестве продуцента Methylomonas clara и английская кампания ICI, организовавшая промышленное производство на основе использования метанола бактериальной массы кормового назначения. В последние годы найден и интенсивно изучается ряд штаммов дрожжей, способных расти, используя метанол. Метанолассимилирующие дрожжи часто встречаются среди родов Hansenula и Pichia. К метанолассимилирующим дрожжам относится Candida boidinii. В Англии организовано производство пищевого белка из гриба Fusarium. Продукт, названный микопротеином, используется как добавка к различным продуктам. В США производится торутин - продукт высушенной биомассы С. utilis, полученной на синтетическом этаноле. Торутин используется для добавления в продукты питания человека с целью улучшения их органолептических свойств (вид, вкус, запах и др.), снижения себестоимости и повышения белковой ценности.
В нашей стране разработан способ производства на этаноле биомассы Sacch. cerevisiae. Используется штамм, применяемый в хлебопечении. Безвредность постоянного применения небольших количеств пекарских дрожжей в питании проверена опытом человечества на протяжении тысячелетий. Выход сахаромицетов при росте на этаноле несколько ниже, чем при выращивании С. utilis. Однако в белках сахаромицетов, выращенных на этаноле, содержание лизина очень высоко (около 10% по массе). Добавление биомассы сахаромицетов в пшеничный хлеб позволяет не только повысить содержание в нем белка, но и улучшить аминокислотный состав белков. При добавлении 5 % (от массы муки) биомассы сахаромицетов белковая ценность получаемого пшеничного хлеба повышается в 1,5 раза.
4. Перспективы производства белка с использованием микроорганизмов
В последние годы основные направления исследований по микробиологическому получению белковых веществ несколько изменились. Прежде всего следует отметить повышение внимания к изысканию новых видов сырья для производства белковых веществ. В этой связи изучают фототрофные микроорганизмы, которые растут в автотрофных условиях, ассимилируя углекислоту.
Культивирование водорослей с целью получения белковых веществ исследуется уже несколько десятилетий. В настоящее время наиболее эффективный способ использования биомассы хлореллы и других водорослей заключается в применении их в качестве биостимуляторов. Обнадеживающие данные имеются по выращиванию цианобактерии спирулины. Жители района оз. Чад издавна используют спирулину в питании.
Может оказаться перспективным применение в качестве продуцентов белковых веществ водородных бактерий, относящихся к хемолитоавтотрофам.
Другой перспективный продуцент белка пищевого и кормового назначения – высшие базидиальные грибы. Согласно современным данным, около 2000 видов базидиальных грибов из 30 родов считается съедобными, из них только 20 видов выращивают в коммерческих целях, но всего 5-6 видов культивируют в промышленных масштабах, причем основными являются Agaricus bisporus, Lentinus edodes, а в нашей стране - Pleurotus ostreatus.
Народнохозяйственное значение дереворазрушающих базидиальных грибов определяется рядом особенностей, что дает им определенное преимущество. Эти особенности следующие: биомасса базидиальных грибов обладает приятным грибным запахом (в результате биосинтеза ароматических метаболитов); кроме того, биомасса мицелия Basidiomycetes, например Pleurotus ostreatus, содержит до 26% белка. Аминокислотный состав белка базидиальных грибов не уступает и даже выше ряда растительных (сои, риса, пшеницы) белков и близок к животному. Сумма аминокислот составляет до 24-25% от сухой биомассы. Также в грибной биомассе содержание нуклеиновых кислот очень низко (2%), что делает их безвредными. Мицелий вешенки очень богат витаминами группы В: тиамином, рибофлавином, ниацином, пиридоксином, биотином. Кроме того, биомасса мицелия содержит ряд необходимых человеку металлов: железа, цинка, меди, кальция, магния.
В настоящее время мицелий съедобных грибов в виде сухого грибного порошка (ГП) используют во многих странах как ценную пищевую добавку к супам и соусам, а также вводят ГП в овощные и мясные концентраты. Так как мицелий представляет собой нити, состоящие из фрагментов различной величины, его очень удобно добавлять в сыры, консервированные овощи и хлебные изделия, а в последние годы также в колбасные изделия и мясные полуфабрикаты. В Японии на основе вытяжки из ГП готовят специальные напитки.
В нашей стране был разработан ряд препаратов для использования в пищевой промышленности. Это пантигрин на основе мицелия Panus tigrinus ИБК-131 и даедалин,где продуцентом является Daedalea confragosa Г-115, у которого 1 кг препарата содержит столько же белка, сколько 1 кг мяса. В самые последние годы ГП Pleurotus ostreatus рекомендован в виде добавок к крупяным и овощным изделиям.
Кроме ГП все шире начинают использовать в кулинарии плодовые тела базидиальных грибов. На Востоке для этих целей популярен L.edodes (шиитаке).
В основе интенсивного культивирования грибов (например, вешенки) находится использование целлюлозосодержащих отходов сельского хозяйства и промышленности. Традиционным субстратом является солома различных злаковых культур, лесосечные отходы: щепки, опилки, кора., листья (хвойных или лиственных пород деревьев).
После сбора урожая грибов, первой и второй волн, остается неиспользованный блок субстрата, богатый разросшимся мицелием (белком), который используют как белковый концентрат в животноводстве.
Важный резерв пополнения ресурсов кормового и пищевого белка - производство его за счет глубинного выращивания грибного мицелия. Для такого производства белка характерна высокая скорость производства, способность грибов усваивать различные отходы - углеводы, органические кислоты, крахмал, целлюлозу и т.д. Выращивание грибного мицелия в глубинных условиях является регулируемым и управляемым процессом получения белка и других метаболитов.
БЕЛКИ - это азотсодержащие высокомолекулярные органические вещества со сложным
составом и строением молекул.
Белок можно рассматривать как сложный полимер аминокислот.
Белки входят в состав всех живых организмов, но особо важную роль они играют
в животных организмах, которые состоят из тех или иных форм белков (мышцы,
покровные ткани, внутренние органы, хрящи, кровь).
Растения синтезируют белки (и их составные части a-аминокислоты) из углекислого
газа СО 2 и воды Н 2 О за счет фотосинтеза, усваивая
остальные элементы белков (азот N, фосфор Р, серу S, железо Fe, магний Mg) из
растворимых солей, находящихся в почве.
Животные организмы в основном получают готовые аминокислоты с пищей и на их
базе строят белки своей организма. Ряд аминокислот (заменимые аминокислоты)
могут синтезироваться непосредственно животными организмами.
Характерной особенностью белков является их многообразие, связанное с
количеством, свойствами и способах соединения входящих в их молекулу
аминокислот. Белки выполняют функцию биокатализаторов - ферментов,
регулирующих скорость и направление химических реакций в организме. В
комплексе с нуклеиновыми кислотами обеспечивают функции роста и передачи
наследственных признаков, являются структурной основой мышц и осуществляют
мышечное сокращение.
В молекулах белков содержатся повторяющиеся амидные связи С(0)-NH, названные
пептидными (теория русского биохимика А.Я.Данилевского).
Таким образом, белок представляет собой полипептид, содержащий сотни или
тысячи аминокислотных звеньев.
Структура белков:
Особый характер белка каждого вида связан не только с длиной, составом и
строением входящих в его молекулу полипептидных цепей, но и с тем, как эти
цепи ориентируются.
В структуре любого белка существует несколько степеней организации:
1. Первичная структура белка - специфическая последовательность аминокислот
в полипептидной цепи.
Вторичная структура белка - способ скручивания полипептидной цепи в
пространстве (за счет водородной связи между водородом амидной группы -NH- и
карбонильной группы - СО-, которые разделены четырьмя аминокислотными
фрагментами).
Третичная структура белка - реальная трехмерная конфигурация закрученной
спирали полипептидной цепи в пространстве (спираль, скрученная в спираль).
Третичная структура белка обуславливает специфическую биологическую
активность белковой молекулы. Третичная структура белка поддерживается за
счет взаимодействия различных функциональных групп полипептидной цепи:
· дисульфидный мостик (-S-S-) между атомами серы,
· сложноэфирный мостик – между карбоксильной группой (-СО-) и
гидроксильной (-ОН),
· солевой мостик - между карбоксильной (-СО-) и аминогруппами (NH 2).
Например, гемоглобин представляет из себя комплекс из четырех макромолекул
Физические свойства
Белки имеют большую молекулярную массу (10 4 -10 7), многие
белки растворимы в воде, но образуют, как правило, коллоидные растворы, из
которых выпадают при увеличении концентрации неорганических солей, добавлении
солей тяжелых металлов, органических растворителей или при нагревании
(денатурация).
Химические свойства
1. Денатурация - разрушение вторичной и третичной структуры белка.
2. Качественные реакции на белок:
n биуретовая реакция: фиолетовое окрашивание при обработке солями меди в
щелочной среде (дают все белки),
n ксантопротеиновая реакция: желтое окрашивание при действии
концентрированной азотной кислоты, переходящее в оранжевое под действием
аммиака (дают не все белки),
n выпадение черного осадка (содержащего серу) при добавлении ацетата свинца
(II), гидроксида натрия и нагревании.
3. Гидролиз белков - при нагревании в щелочном или кислом растворе с
образованием аминокислот.
Синтез белков
Белок - сложная молекула, и синтез его представляется трудной задачей. В
настоящее время разработано много методов прекращения [ГМВ1]
a-аминокислот в пептиды и синтезированы простейшие природные белки - инсулин,
рибонуклеаза и др.
Большая заслуга в создании микробиологической промышленности по производству
искусственных пищевых продуктов принадлежит советскому ученому
А.Н.Несмеянову.
Литература:
“ХИМИЯ” М.,”СЛОВО” 1995.
Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман
“Химия 11. Органическая химия”
М., “Просвещение”,1993.
А.И.Артеменко, И.В. Тикунова
“Химия 10-11. Органическая химия”
М., “Просвещение” 1993.