Лекции биохимия 3. Лекция Обмен липидов
 Скачать 4.12 Mb.
|
15. Фракционный состав белков зерна злаковых культур(% от общего количества белков)
В зерновках злаковых растений, кроме белков, содержатся в небольшом количестве и другие азотистые соединения: свободные аминокислоты и их амиды, пептиды, азотистые основания и нуклеотиды, нуклеиновые кислоты и др. На их долю приходится 5-10 %от общего количества азотистых веществ зерна. В наибольшем количестве они находятся в зародыше и алейроновом слое. Белковые фракции зерна различаются по аминокислотному составу и в том числе по содержанию незаменимых аминокислот, от которых зависит биологическая ценность белков. Наиболее высокую биологическую ценность имеют водорастворимые белки - альбумины, в их составе все незаменимые аминокислоты содержатся почти в оптимальных соотношениях, отмечается лишь некоторый дефицит по содержанию метионина. Солерастворимые белки зерна - глобулины также характеризуются довольно хорошо сбалансированным аминокислотным составом, хотя содержание некоторых незаменимых аминокислот у них по сравнению с альбуминами понижено (метионин, триптофан, лейцин). Щелочерастворимые белки - глютелины у ряда злаковых культур (рис, овес, ячмень, сорго) по содержанию незаменимых аминокислот близки к глобулинам, а у других (пшеница, рожь, кукуруза, просо) характеризуются довольно сильным дефицитом лизина, триптофана и метионина. Самую низкую биологическую ценность имеют спирторастворимые белки - проламины, которые накапливаются только в семенах злаковых растений. Они отличаются очень низким содержанием таких незаменимых аминокислот, как лизин, триптофан, метионин, и высокой концентрацией глутаминовой кислоты и пролина, на долю которых приходится от 20-35% (рис, просо, кукуруза) до 40-55% (пшеница, рожь, ячмень, сорго, овёс) от массы этих белков. Синтез и накопление белков в зерновках злаковых культур происходит в основном за счёт оттока азотистых веществ (главным образом аминокислот) из вегетативных органов, так как поглощение минерального азота корнями и использование его в биосинтетических процессах после цветения сокращается (особенно у яровых культур). Наибольшее количество азотистых веществ поступает в формирующиеся зерновки из листьев, особенно верхнего яруса, меньше из колосковых чешуй и стеблей. После цветения в листьях, стеблях и колосковых чешуях активизируются процессы гидролиза высокомолекулярных веществ (полисахаридов, белков, липидов, нуклеиновых кислот) и усиливается отток образующихся низкомолекулярных продуктов в зерно. В наших опытах с использованием меченного ¹⁵N азота показано, что на первых этапах формирования зерна в нём много содержится низкомолекулярных азотистых соединений, представленных в основном аминокислотами, а также легкорастворимых белков - альбуминов и глобулинов (рис. 54, 55). В дальнейшем в ходе созревания зерновок концентрация небелковых азотистых веществ и белков альбумино-глобулинового типа постепенно снижается, но увеличивается накопление запасных белков - проламинов и глютелинов, при этом общее количество белков в зерне также увеличивается. При определённых условиях выращивания зерновых культур может наблюдаться снижение концентрации белков в фазе молочной спелости зерна. Это обычно происходит при затягивании созревания, когда интенсивный отток азотистых веществ из листьев в формирующиеся зерновки смещается на более поздние фазы развития или вследствие недостаточного азотного питания растений. При высоком уровне азотного питания у большинства злаковых культур снижения концентрации белковых веществ при созревании зерна обычно не происходит. В связи с тем, что в процессе созревания зерна относительное содержание альбуминов и глобулинов снижается, а количество проламинов и глютелинов увеличивается, в суммарном белке зерна наблюдаются соответствующие изменения концентрации аминокислот. Поскольку при созревании в зерновках увеличивается доля запасных белков с низким содержанием лизина, триптофана и метионина, то и в общем суммарном белке зерна также усиливается дефицит этих незаменимых аминокислот. Поэтому биологическая ценность суммарного белка в процессе созревания зерна снижается. Такая закономерность в изменении аминокислотного состава суммарного белка особенно заметно проявляется в процессе созревания зерна пшеницы, кукурузы, ячменя, проса, сорго, у которых на долю проламинов приходится 30-50% от общего количества белка в зерне. У пшеницы по мере накопления запасных белков происходит формирование клейковинного комплекса зерна, в процессе созревания зерновок содержание клейковины повышается, улучшается её качество. В фазу молочной спелости зерна клейковина имеет низкую гидратационную способность и плохую связность, а к фазе полной спелости зерновок она приобретает характерные для неё реологические свойства. В ходе созревания зерна происходит постепенное уменьшение числа сульфгидрильных групп (-SН) в клейковине и увеличение количества дисульфидных связей вследствие снижения концентрации фермента протеиндисульфидредуктазы, катализирующего восстановление дисульфидных связей. Накопление углеводов. Основной запасной углевод зерновки злаков - крахмал, который представлен двумя полисахаридами – амилозой и амилопектином. Соотношение между ними в зерновках может изменяться в зависимости от условий выращивания. В среднем количество амилозы обычно варьирует в пределах 15-25%, а амилопектина 75-85% от общего количества крахмала в зерне. Запасной крахмал откладывается в мучнистой части эндосперма в виде крахмальных зерен величиной 5-50мкм. Размеры и строение крахмальных зёрен у разных видов и даже сортов злаковых растений имеют свою специфику и могут использоваться для характеристики генотипа. Вначале крахмал накапливается в пластидах (амилопластах), затем их мембранная структура разрушается и они превращаются в крахмальные зерна. Содержание крахмала в зерне риса, кукурузы, сорго составляет 50-70%, пшеницы, ржи и проса –50-60 %, в зерновках ячменя – 45-50 %, овса – 35-40 %. Кроме крахмала, в зерновках злаков накапливаются и другие углеводы, но в меньших количествах: сахара - 2-5% массы зерна, клетчатка - 2-3% у голозерных и до 4-11 % у пленчатых форм, геммицеллюлозы, слизи, пектиновые вещества, полифруктозиды - в общей сумме до 18%. Сахара в зерне наполовину представлены сазарозой, а также моносахаридами, мальтозой и рафинозой, они преимущественно локализованы в зародыше (около 15 %) и переферийных частях мучнистого эндосперма. Клетчатка, гемицеллюлозы, пиктиновые вещества входят в состав клеточных стенок и их также много в пленках и семенных оболочках. Полифруктозиды образуются в зерне на ранних стадиях созревания, в дальнейшем происходит их распад и превращение в другие углеводы. В оболочках семян злаковых растений содержится довольно много слизей - полисахаридов, в основном построенных из пентоз, особенно много слизей образуется в зерновках ржи (2-3%). Установлено, что слизи, содержащиеся в зерне ржи, улучшают хлебопекарные свойства ржаной муки, укрепляют тесто, замедляют в нём гидролитические процессы и оно не расплывается при выпечке хлеба, сохраняя его форму. Запасные полисахариды зерна синтезируются из углеводных продуктов, поступающих из вегетативных органов - листьев, стеблей, колосковых чешуй. В репродуктивный период развития злаков наиболее высокой фотосинтетической активностью обладают листья верхнего яруса и колосья, тогда как в стеблях и листьях нижнего яруса усиливаются процессы распада веществ, и происходит отток образующихся при распаде продуктов в формирующиеся зерновки. В ряде опытов показано, что в процессе распада полисахаридов в вегетативных органах растений наряду с моносахаридами образуется много сахарозы, являющейся транспортной формой углеводов. В составе углеводистых веществ, поступающих в зерно, содержится довольно много водорастворимых фруктозидов, включающих от 2 до 10 остатков фруктозы. Это объясняется тем, что в листьях злаковых растений не образуется фотосинтетический крахмал, у них продукты фотосинтеза превращаются в полифруктозиды, содержание которых в тканях листьев может достигать 8-10% их сухой массы. Из поступающих в зерновку моносахаридов, сахарозы и фруктозидов синтезируются структурные и запасные углеводы. Синтез крахмала начинается в фазу начала формирования зерна и достигает максимума в период молочно-восковой спелости, а затем интенсивность синтеза крахмала постепенно снижается вследствие уменьшающегося притока углеводов из отмирающей вегетативной массы. Наряду с крахмалом происходит также синтез и накопление гемицеллюлоз, пектиновых веществ, слизей. Липиды и витамины. Важными качественными компонентами зерна являются также липиды и витамины, которые синтезируются непосредственно в созревающих семенах или поступают из вегетативных органов. На первых этапах формирования зерна образуются главным образом структурные липиды - стеролы, фосфолипиды, гликолипиды, а в более поздние стадии происходит накопление их запасных форм - ацил-глицеринов (жиров), свободных фосфатидных кислот , фитина, фосфатидилхолинов и фосфатидилэтаноламинов. Запасные липиды накапливаются преимущественно в зародыше и алейроновом слое, а в эндосперме их содержится значительно меньше. Общее содержание структурных липидов в зрелом зерне злаковых растений составляет 0.5-0.9%, запасных - 1.5-3%, а в зерновках овса, кукурузы, проса и сорго - 4-8 %. Липиды зерновых культур содержат довольно много ненасыщенных жирных кислот, в том числе линолевой, относящейся к незаменимым кислотам, которые не могут синтезироваться в организме человека и животных. Фитин, содержащийся в зерне, представляет собой важный источник органического фосфора. Почти все запасные липиды, взаимодействуя с белками и углеводами в процессе образования теста, улучшают его хлебопекарные свойства. Зерно и зерновые продукты - источники витаминов. Их содержание в зерне колеблется от 0.1 до 10 мг%: В1 - 0.4-0.8, В2 - 0.1-0.3, В6 - 0.3-0.6, РР - 5-9, В5 - 0.5-1.5, Е - 1-6, фолиевая кислота - 0,02-0,05, биотин - 0,5-5. Витамины группы В, никотиновая и пантотеновая кислоты откладываются в основном в тканях щитка зародыша, в самом зародыше и клетках алейронового слоя, тогда как их содержание в мучнистой части эндосперма в несколько раз ниже. Токоферол преимущественно накапливается в зародыше. В процессе созревания зерна содержание витаминов, как правило, увеличивается в 1.5 - 2 раза. Влияние внешних условий. В созревающих зерновках злаковых культур происходят два взаимозависимых процесса - синтез углеводов и азотистых веществ, каждый из которых характеризуется своим оптимумом внешних условий. При изменении условий выращивания могут наблюдаться значительные сдвиги в ходе этих биосинтетических процессов, в результате чего будет меняться химический состав зерна и его качественные показатели. Так, например, известно, что синтез белков - многоэтапный и энергоёмкий процесс, требующий для своего осуществления высокой обеспеченности растений солнечной энергией. В то же время для образования углеводов требуется больше воды, чем на синтез белков, вследствие чего при дефиците воды биохимические процессы в зерне смещаются в сторону большего накопления белковых веществ. Однако дефицит воды обычно наблюдается при солнечной погоде и, следовательно, повышенной температуре. Таким образом, на формирование качества зерна чаще всего влияют три взаимосвязанных внешних фактора - свет, тепло, влага. В дождливую и прохладную погоду снижается обеспеченность растений световой энергией, в результате замедляется синтез белков и в зерновках больше накапливается крахмала. И наоборот, при солнечной погоде повышается температура и усиливается испарение воды, вследствие чего понижается обеспеченность растений влагой и, как следствие, происходит изменение биохимических процессов в созревающем зерне в сторону большего накопления азотистых веществ, то есть запасных белков. Аналогичные явления наблюдаются и под влиянием климатических факторов. В северо-западных регионах нашей страны более влажный климат с умеренными летними температурами не обеспечивает оптимальных условий для накопления белков, что затрудняет получение высококачественного зерна. При продвижении на юг и юго-восток интенсивность световой энергии и среднесуточные температуры возрастают, усиливается дефицит влаги и, таким образом, складываются наиболее благоприятные условия для накопления в зерне белков. В географических опытах с разными зерновыми культурами, проведенных по единой методике, было установлено, что в зависимости от действия климатических факторов и разных погодных условий содержание в зерне белков может изменяться в 1,5-2 раза. На синтез и накопление в зерновках злаковых растений запасных веществ оказывает влияние не только интенсивность световой энергии, но и качество света. В опытах установлено, что при увеличении доли коротковолнового света в составе общей солнечной радиации из продуктов фотосинтеза больше образуется азотистых веществ - аминокислот и белков, в результате чего их концентрация в тканях растений повышается. С другой стороны, преобладание красного света активирует синтез и накопление в растениях углеводов. Подобные сдвиги в обмене веществ постоянно происходят и в процессе вегетации злаковых растений, так как спектральный состав поглощаемого ими света заметно изменяется в зависимости от погоды, а также условий данного региона. В ясную погоду и при большей высоте стояния солнца над горизонтом в составе солнечной радиации увеличивается доля коротковолнового (синего) света, вследствие чего усиливается накопление в зерновках запасных белков. В связи с тем, что увеличение содержания белков в зерне происходит в основном за счёт накопления их запасных форм, образующих клейковину, количество последней возрастает и улучшаются хлебопекарные и макаронные качества зерна. Важный фактор формирования качества зерна – обеспеченность растений влагой. В условиях относительного дефицита влаги быстрее отмирают листья и сокращается приток углеводов в созревающее зерно, в результате чего в нём снижается накопление запасных углеводов, а концентрация белков повышается, в зерновках также быстро понижается активность гидролитических ферментов. При сильном дефиците влаги (засуха, суховеи) быстро ингибируются все биосинтетические процессы, в результате образуется щуплое зерно с невыполненным эндоспермом, вследствие чего уменьшается масса зерновок. Под действием сильного дефицита влаги в зерновках ингибируются ферменты азотного, углеводного, липидного обмена и ускоряется их созревание, вследствие чего в зерне понижается концентрация сахаров, небелковых азотистых веществ и крахмала, но увеличивается содержание белков и клейковины. Поэтому главный ущерб от засухи или суховея – не ухудшение качества зерна, а снижение урожая и выхода муки при переработке зерна в вследствие недовыполненности эндосперма. С другой стороны, высокая влажность в период налива зерна затягивает его созревание, в зерновки поступает больше углеводистых веществ, вследствие чего повышается содержание крахмала, а накопление белков снижается. Очень часто при затяжных дождях, сильных туманах и росах во время созревания зерновок в них усиливается активность гидролитических ферментов, повышающих концентрацию сахаров и небелковых азотистых веществ, в результате чего в зерне увеличивается осмотическое давление за счёт притока воды с поверхности колосковых чешуй и на поверхность колоса инициируется выделение низкомолекулярных органических веществ. За счёт потери сухих веществ быстро уменьшается масса зерна и ухудшаются его технологические свойства. Такие явления получили название "стекания зерна". Стекание зерна может наблюдаться также при неправильном орошении, когда, например, проводится дождевание в начале налива зерновок. Поэтому при орошении очень важно правильно определять сроки полива зерновых культур. Если происходит переувлажнение зерна на завершающих этапах созревания, в нём могут инициироваться процессы скрытого прорастания (прорастание на корню), повышается активность гидролитических ферментов и особенно α-амилаз, наблюдается частичная деградация крахмала и клейковинных белков, что приводит к ухудшению технологических свойств зерна. Вследствие деградации крахмала и клейковины усиливается газообразующая и ослабляется газоудерживающая способность теста, повышается его растекаемость. В результате уменьшается объем хлеба и ухудшаются его вкусовые свойства (солодовый привкус), мякиш хлеба теряет упругость. Проросшее зерно очень плохо хранится и быстро теряет всхожесть. Особенно склонна к прорастанию на корню такая злаковая культура, как рожь, зерно которой имеет очень короткий период покоя. При длительном переувлажнении пшеница также может подвергаться скрытому прорастанию на корню или в валках при раздельной уборке. При возделывании данных культур в регионах с повышенным увлажнением необходимо подбирать сорта с меньшей склонностью к прорастанию зерна на корню или такие сорта, у которых созревание зерновок происходит в более благоприятные по погодным условиям сроки. При выращивании зерновых культур в засушливой зоне применяются приёмы орошения. С помощью поливов регулируется водный режим растений и создаются условия, необходимые для формирования высоких урожаев. Однако при этом очень часто снижается белковость зерна. В опытах с разными сортами яровой и озимой пшеницы показано, что в условиях орошения содержание в зерне белков может снижаться на 2-5%, примерно на такую же величину увеличивается содержание крахмала. Одной из причин снижения белковости зерна при поливах является повышение влагообеспеченности растений, в связи с чем в период созревания зерна, как указывалось ранее, складываются более благоприятные условия для накопления углеводов. Другая возможная причина - недостаток питательных веществ, и прежде всего азота, в период налива зерна. Орошение стимулирует ростовые процессы в первой половине ве-гетации растений, в результате из почвы поглощается много питательных веществ на формирование вегетативной массы, значительная часть азота связывается микрофлорой почвы или теряется за счёт вымывания. Таким образом, к началу налива зерна, когда начинается интенсивный синтез запасных белков, почва значительно обедняется доступными для растений формами азота. Поэтому важной задачей при выращивании зерновых культур в условиях орошения является обеспечение необходимого уровня азотного питания в период налива и созревания зерна. Только в этом случае можно получить высококачественное зерно. В северных и восточных регионах нашей страны наряду с переувлажнением созревающее зерно может подвергаться действию низких температур (заморозки ниже –30С), при этом в зерновках образуются кристаллики льда, разрушающие их ткани. После оттаивания наблюдается замедление или полное прекращение биосинтетических процессов в зерне. Поэтому морозобойное зерно вследствие незавершённости процессов синтеза белков и крахмала не достигает своей полной массы, оно отличается повышенным содержанием сахаров и небелковых азотистых веществ, высокой активностью гидролитических ферментов, вследствие чего характеризуется низкими технологическими свойствами и непригодно для длительного хранения. Однако зерно полной спелости сохраняет своё качество при длительном действии заморозков. Значительное ухудшение технологических свойств происходит при повреждении зерна клопом-черепашкой. Клоп-черепашка наносит укус вблизи зародыша и вводит в зерно гидролитические ферменты, вызывающие разложение крахмала и белков. Через укус из зерна всасываются растворённые вещества, вызывая потерю урожая. Введённые в зерно клопом-черепашкой ферменты изменяют в нём ход биохимических процессов, снижая содержание белков и крахмала. Остающиеся в зерне протеолитические ферменты насекомых могут деградировать клейковину при хранении зерна и в процессе приготовления хлебопекарного теста. Оптимизация питания. Формирование урожая и интенсивность биохимических процессов в созревающем зерне злаковых культур зависят от обеспеченности растений элементами питания. В почве, как правило, содержится недостаточно питательных веществ в доступной для растений форме, поэтому для получения высоких урожаев зерна с оптимальным химическим составом необходимо вносить минеральные и органические удобрения. В опытах по изучению действия удобрений установлено, что в процессе роста и развития злаковых культур между азотом, с одной стороны, и фосфором, и калием – с другой, происходит определённое взаимодействие, которое оказывает заметное влияние на формирование урожая и белковости зерна. В связи с тем, что азот используется растениями как на образование структурных компонентов, так и синтез запасных белков, при его недостатке понижается и урожайность, и накопление в зерне белков, тогда как при дефиците фосфора или калия снижается только урожай, а концентрация азотистых веществ в растениях может возрастать. При внесении невысоких доз азота усиливаются ростовые процессы и увеличивается урожай, однако белковость зерна чаще всего не повышается или даже снижается. Последующее увеличение дозы азота повышает как урожайность культур, так и накопление в зерне белков до такого уровня, при котором фосфор или калий не окажутся в минимуме или не будет достигнута потенциальная урожайность, характерная для данного сорта. Дальнейшее увеличение дозы азота на 30-40 кг/га, как правило, не оказывает существенного влияния на урожай, но повышает белковость зерна. Одностороннее усиление фосфорного или калийного питания повышает урожай до такого уровня, при котором азот или один из указанных выше элементов переходит в минимум, но при этом происходит снижение белковости зерна. Отмеченные нами закономерности по влиянию условий питания на формирование урожая и белковости зерна злаковых культур показаны в полевом опыте с пшеницей сорта Московская 35 (рис. 57). В ходе исследований выяснено, что ведущую роль в формировании качества урожая имеют азотные удобрения. При увеличении доз азота урожайность зерновых культур повышается до определённого уровня, после достижения которого возрастает только концентрация азотистых веществ в зерне, и прежде всего запасных белков. Однако чрезмерное увеличение доз азота, вносимого под зерновые культуры, может вызывать понижение урожайности этих культур, а очень часто и ухудшение качества зерна, хотя при этом концентрация азотистых веществ в зерне остается очень высокой. Это объясняется целым рядом причин. С одной стороны, при допосевном внесении повышенных доз азота в виде минеральных удобрений создаётся избыточная концентрация питательных веществ, которая ингибирует органогенез на стадии развития проростков, что снижает уровень урожайности выращиваемых культур. С другой стороны, усиленное азотное питание растений в первой половине вегетации стимулирует образование большой вегетативной массы, вызывая тем самым её полегание и раннее отмирание нижних листьев, приводящее к большому недобору зерна. Учитывая высокую потребность злаковых культур в азоте в период формирования и налива зерна, разработаны приёмы и способы его внесения во время вегетации растений. Причём установлено, что чем позднее по фазам развития растений вносятся азотные удобрения, тем в большей степени азот удобрений используется для биосинтеза запасных белков. В фазах выхода в трубку и колошения азотные удобрения обычно вносят в виде корневых, а в начале налива зерна - в виде некорневых подкормок. Корневые подкормки (30-80 кг азота на 1 га) проводятся путём поверхностного разбрасывания гранулированных нитратных и аммиачно-нитратных азотных удобрений. Для некорневых подкормок (20-40кг азота на 1 га) используется мочевина или её смесь с аммиачной селитрой (2:1), которые в виде 20-30% раствора разбрызгивают над посевом зерновых культур. Наиболее эффективно проведение поздних некорневых азотных подкормок на посевах пшеницы и кукурузы - белковость зерна повышается на 1-3%, содержание клейковины у мягкой пшеницы - на 2-5%, улучшается также качество клейковины. Действие азотных удобрений, внесенных до посева, а также в виде азотных подкормок, на урожайность и качество зерна показано в таблице 17. В ней представлены результаты опытов с яровой мягкой пшеницей сорта Московская 35, проведенных на дерново-подзолистой почве в Московской области. Из данных этой таблицы следует, что в условиях Московской области высококачественное зерно можно получить только при внесении достаточно высоких доз азотных удобрений (150 кг азота на 1га) в сочетании с поздней некорневой азотной подкормкой. Повышение белковости зерна при некорневоой азотной подкормке объясняется тем, что нанесённая на листья мочевина очень быстро проникает в их ткани (1-2сут.) и включается в обмен азотистых веществ. В тканях листьев мочевина расщепляется с образованием аммиака, который далее включается в реакции восстановительного аминирования и используется для синтеза аминокислот. 17. Действие азотных удобрений на урожайность и качество зерна пшеницы сорта Московская 35
Примечание: дозы удобрений в кг действующего вещества на 1 га. В зависимости от питания и других условий выращивания растений изменяется не только уровень накопления в зерне белков и крахмала, но и их качественный состав. При более влажных условиях и умеренных температурах, способствующих большему накоплению крахмала, в нём увеличивается доля амилозы, а в более сухих и жарких условиях повышается относительное содержание амилопектина. Значительные изменения происходят и в составе белков. При повышении белковости зерна в результате действия любых факторов увеличивается накопление запасных белков - проламинов и глютелинов, а концентрация белков альбумино-глобулинового типа понижается. Поскольку белки проламиновой фракции у всех зерновых культур очень бедны лизином и триптофаном, увеличение их доли в общем белковом комплексе зерна снижает биологическую ценность суммарного белка. Это наиболее заметно проявляется у пшеницы, кукурузы, ячменя, то есть у тех культур, которые характеризуются высоким содержанием в зерне спирторастворимых белков. Как было указано ранее, фракции белков альбумины, глобулины, проламины и глютелины представлены большим набором индивидуальных белков. Методом электрофореза в полиакриламидном геле было установлено, что при разных уровнях азотного питания и под влиянием природно-климатических факторов субъединичный и компонентный состав альбуминов, глобулинов, проламинов и глютелинов зерна злаковых культур, зависящий от набора кодирующих их генов, не подвержен изменениям, вследствие чего остаётся постояннымм аминокислотный состав белковых фракций зерна. Таким образом, регулируя влажность, обработку почвы, питание растений и другие факторы, можно в значительной степени повысить накопление в зерне белков и улучшить технологические свойства зерна. Однако аминокислотный состав и биологическая ценность белков от действия этих факторов не улучшаются, а у ряда культур - пшеницы, кукурузы, ячменя - даже ухудшаются. Объясняется это тем, что изменение аминокислотного состава белков зерна возможно только генетическими методами, путём изменения наследственных свойств растительных организмов. Примером может служить создание селекционерами высоколизиновых гибридов кукурузы, у которых уровень урожайности примерно такой же, как и у обычных гибридов, однако в их зерновках содержится больше белков с повышенным содержанием лизина и триптофана (см. стр …). Существуют также генно-инженерные проекты улучшения аминокислотного состава белков зерна, в которых предпринимаются попытки ввести в генотипы злаков природные или синтетические гены, кодирующие полипептиды, построенные в основном из незаменимых аминокислот. ЗЕРНОБОБОВЫЕ КУЛЬТУРЫ. Зернобобовые культуры отличаются от зерновых злаков более высоким содержанием азотистых веществ, как в вегетативной массе, так и в семенах. Эти их особенности обусловлены тем, что они способны с помощью симбиотических микроорганизмов фиксировать молекулярный азот атмосферы и использовать его на синтез аминокислот и белков, в связи с чем бобовые культуры не испытывают дефицита азота даже при выращивании на сравнительно бедной почве. Кроме того, зернобобовые культуры обладают более интенсивной системой синтеза запасных белков, в результате чего в их зерне в 2-3 раза больше белков, чем у злаковых растений. Наряду с белками ценность зерна зерновых бобовых культур также определяют крахмал, липиды, витамины и минеральные вещества. Накопление белков. Белки семян зернобобовых растений хорошо сбалансированы по содержанию незаменимых аминокислот и поэтому имеют высокую биологическую ценность. Особенно отличается в этом отношении такая культура, как соя, в белках которой концентрация незаменимых (кроме метионина и триптофана) аминокислот значительно выше, чем требуется по нормам питания людей или кормления сельскохозяйственных животных (табл. 18 ). Исходя из этого, белки сои могут быть использованы как добавка для обогащения незаменимыми аминокислотами других растительных белков, имеющих низкую биологическую ценность, например, запасных белков злаковых растений. Такими же свойствами обладают белки и других зернобобовых культур - бобов, гороха, фасоли, люпина, вики и т.д. Большое количество белков локализовано в ростках семени (до 35-45 %) и значительно меньше их содержится в семенных оболочках (3-11 %). Концентрация белков в семядолях обычно составляет 25-30 %. Основными запасными белками зернобобовых растений являются глобулины, на долю которых в общем белковом комплексе семян приходится 60-70%. Большая часть этих белков представлена двумя типами глобулинов - легуминоподобные 11S-белки и вицилиноподобные 7S-белки. Соотношение между ними в зрелом зерне чаще всего 2:1. 18. Содержание незаменимых аминокислот в белках зерна бобовых культур (% в белке)
* оптимальное содержание незаменимых аминокислот в кормовых белках для крупного рогатого скота, рекомендованное продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН. Легумины и вицилины - запасные белки семян гороха; первые из них имеют молекулярную массу 300-360тыс., вторые - 110-220 тыс. Как было выяснено, в семенах всех бобовых растений содержатся белки, сходные по многим свойствам с легуминами и вицилинами, - глицинин сои, фазеолин фасоли, конглютин люпина и др. Как правило, эти белки имеют довольно сложную четвертичную структуру, включающую от 2 до 12 полипептидных субъединиц. Кроме глобулинов в зерне бобовых содержатся альбумины в количестве 6-11 % от общей массы белков и глютелины – 5-15 %. Большая часть альбуминов локализована в зародыше, а глютелины - в основном в семядолях. Запасные глобулины семян зернобобовых культур, как и запасные белки злаков, синтезируются с участием 80S-рибосом, связанных с мембранами ГЭР, и откладываются в вакуолях клеток семядолей в виде алейроновых зерен. По мере созревания семян клетки семядолей заполняются алейроновыми и крахмальными зернами, другими запасными веществами. Водорастворимая фракция белков зерна бобовых (альбумины) содержит белки-ингибиторы протеолитических ферментов пищеварительной системы человека, что необходимо учитывать при использовании зерна и белков бобовых культур для приготовления пищевых продуктов. Наибольшее количество ингибиторных белков выявлено в зерне сои и фасоли. В частности, в зерне сои идентифицировано два белковых ингибитора трипсина. Кроме белков, в зерне зернобобовых культур содержатся другие азотистые вещества, но в значительно меньшем количестве – в среднем около 5 % от массы зерна. Фракция небелковых азотистых соединений включает свободные аминокислоты и их амиды, азотистые основания, липиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины, а также некоторые другие соединения азота. Наибольшую часть этой фракции составляют свободные аминокислоты, в том числе и незаменимые аминокислоты, которые вместе с аминокислотами белков повышают питательную ценность зерна зернобобовых культур. Изучение биосинтетических процессов, происходящих в семенах бобовых при их созревании, показывает, что запасные белки в них образуются из аминокислот и амидов, поступающих из листьев и створок бобов. Начиная с фазы цветения, в этих органах усиливаются гидролитические процессы и начинается отток образующихся продуктов распада в репродуктивные органы. Значительное количество аминокислот и амидов поступает в созревающие семена из корней, где с помощью клубеньковых бактерий связывается атмосферный азот и восстанавливается до аммонийной формы. На первых этапах формирования в семенах много содержится небелковых азотистых веществ (рис. 58), структурных и каталитических белков, а запасных белков очень мало. В дальнейшем содержание небелковых азотистых веществ снижается и усиливается синтез запасных белков, однако общее количество белковых веществ в созревающем зерне не подвержено большим изменениям. В процессе созревания в семенах заметно изменяется соотношение вицилино- и легуминоподобных белков. В незрелых семенах содержится очень много низкомолекулярных белков - вицилиноподобных глобулинов (до 70% общего количества запасных белков), а в более поздние фазы созревания зерна усиливается синтез высокомолекулярных глобулинов - легуминоподобных белков. Общее количество белков в зрелом зерне зернобобовых культур обычно достигает 20-30%, а в сое и люпине 30-40%. Накопление углеводов. Основные углеводы, определяющие качество зерна зернобобовых культур, - это крахмал, сахара, гемицеллюлозы, клетчатка. Главный запасной углевод - крахмал, содержание которого в семенах различных зернобобовых культур колеблется в пределах 35-50%. В сое и люпине его очень мало, в них накапливаются другие запасные вещества. Состав крахмала у многих бобовых культур примерно такой же, как у злаков, - 20-30% амилозы и 70-80% амилопектина. Однако в крахмале гороха доля амилозы может достигать 50-80%. В созревающих семенах запасной крахмал и другие полисахариды синтезируются из сахаров, образующихся в листьях, а также в створках бобов, в которых много содержится моносахаридов и крахмала. В процессе налива зерна крахмал в створках бобов распадается и образующиеся продукты поступают в семена. В листьях в это время также усиливается распад структурных полисахаридов (гемицеллюлоз, пектиновых веществ) и ассимиляционного крахмала. В процессе распада этих веществ наряду с моносахаридами и их фосфорнокислыми эфирами образуется много сахарозы. На первых этапах созревания семян вследствие усиливающегося оттока углеводов из вегетативной массы в них много накапливается сахаров (до 30% сухой массы), а крахмала содержится очень мало. Интенсивный синтез крахмала начинается во время налива зерна, тогда как концентрация сахаров в семенах в этот период понижается; происходит также образование других полисахаридов. От фазы восковой до полной спелости в зерне наблюдается постепенное снижение интенсивности синтеза крахмала вследствие сокращения поступления углеводов из листьев. В зародышах семян зернобобовых культур накапливается значительное количество сахаров, представленных в основном сахарозой, а в оболочках семян синтезируется много клетчатки и пентозанов. Общее содержание сахаров в семенах бобовых обычно составляет 3-5%, клетчатки 3-6 %, а у некоторых культур может достигать 10-15%. У люпина в процессе созревания семян много синтезируется гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Липиды и витамины. У большинства бобовых культур содержание в зерне липидов составляет 2-3% и они в основном представлены жирами и фосфолипидами, которые локализованы преимущественно в зародыше. В семядолях синтезируются структурные липиды. У некоторых бобовых растений в семенах может накапливаться значительно больше липидов, главным образом за счёт синтеза жиров (нут, люпин, соя). Особенно много жира содержится в зерне сои (18-25%), у которой поступающие из вегетативных органов углеводы используются не на синтез крахмала, а на образование ацилглицеринов, в связи с чем, соя является не только высокобелковой, но и масличной культурой. Наряду с липидами в зародышах семян зернобобовых культур накапливается много жирорастворимых витаминов и особенно токоферола (10-50 мг% массы семян), а в оболочках семян - водорастворимых витаминов: В1 (0,5-1 мг%), В2 (0,2-0,3 мг%), В5 (1-2 мг%), РР (2-4 мг%), фолиевая кислота (0,3-0,4 мг%). Количество этих витаминов увеличивается в процессе созревания семян, в результате чего питательная и кормовая ценность зерна повышается. В незрелых семенах зернобобовых культур содержится много аскорбиновой кислоты. В зелёном горошке концентрация этого витамина составляет 30-50 мг%. Влияние внешних условий. В процессе созревания семян зернобобовых растений, как и в зерновках злаковых культур, происходят биохимические процессы, связанные с синтезом белков, углеводов, липидов, витаминов, и они примерно одинаково реагируют на действие внешних факторов. В более жарких и сухих условиях в семенах бобовых культур интенсифицируются процессы синтеза запасных белков, а накопление крахмала и других углеводов уменьшается. При повышении влажности и умеренных температурах, наоборот, снижается содержание белков и увеличивается количество углеводов в зерне. Такие сдвиги биосинтетических процессов в созревающем зерне наблюдаются как при изменении погоды, так и в результате действия природно-климатических факторов. На территории нашей страны содержание белков в зерне зернобобовых растений возрастает при продвижении с северо-запада на юг и юго-восток. В географических опытах установлено, что в зависимости от погодных условий и района выращивания уровень белковости зерна у бобовых растений может изменяться на 5-10%, а у таких культур, как соя и люпин, - на 10-15%. В зависимости от внешних условий, особенно в период созревания семян, наблюдаются определённые закономерные изменения в составе белков и углеводов, что оказывает заметное влияние на качество зерна зернобобовых культур. При выращивании бобовых растений в условиях повышенных температур и относительного дефицита влаги в их семенах больше синтезируется глобулинов и амилопектина, а количество водораствримых белков и амилозы уменьшается. С другой стороны, улучшение водообеспеченности растений (в том числе и за счёт орошения) и относительное снижение температуры во время созревания семян смещают биосинтетические процессы в сторону большего накопления водорастворимых форм белков и запасных углеводов. В связи с тем, что зернобобовые культуры с помощью клубеньковых бактерий способны использовать молекулярный азот из атмосферы, они в меньшей степени, чем злаковые культуры, зависят от питания азотом из почвы, и в условиях орошения у них почти не снижается накопление в семенах запасных белков. Оптимизация питания. При выращивании зерновых бобовых культур важной задачей является создание оптимальных условий для синтеза и накопления в семенах запасных белков, содержащих в своем составе много азота. Поэтому для получения высоких урожаев зерна с повышенным содержанием белков необходимо обеспечивать соответствующий уровень азотного питания растений за счёт интенсивной азотфиксации с помощью клубеньковых бактерий или путём внесения азотных удобрений. В опытах установлено, что клубеньковые бактерии хорошо развиваются на окультуренных почвах с нейтральной или слабокислой реакцией среды и при высокой обеспеченности фосфором, калием, кальцием, молибденом и другими питательными элементами. На кислых и бедных питательными элементами почвах на корнях бобовых растений образуется очень мало клубеньков, в результате снижаются урожай и уровень накопления в зерне белков. При известковании кислых почв создаются благоприятные условия для жизнедеятельности клубеньковых бактерий, вследствие чего возрастает накопление в семенах белков, а в составе белкового комплекса семян увеличивается доля альбуминов, обладающих более высокой биологической ценностью. Кроме известкования, на интенсивность азотфиксации клубеньковыми бактериями заметное влияние оказывает внесение молибденовых удобрений. Молибден входит в состав ферментов, катализирующих восстановление молекулярного азота (нитрогеназа) и при его недостатке снижается интенсивность азотфиксации. В опытах Н.С.Авдонина (1979), проведенных с различными зернобобовыми культурами, показано, что при известковании дерново-подзолистой почвы и внесении молибденового удобрения белковость семян может повышаться на 3-7%. Кроме известкования и внесения молибденовых удобрений, важным фактором для развития клубеньковых бактерий и интенсивной азотфиксации является обеспеченность растений влагой, в связи с чем в засушливой зоне применение бактериальных удобрений эффективно лишь в условиях орошения. Следует также отметить, что при орошении без инокуляции семян бобовых растений клубеньковыми бактериями вследствие недостаточной азотфиксации снижается накопление в зерне белков. Аналогичные явления могут наблюдаться при внесении фосфорных и калийных удобрений. В результате улучшения питания растений фосфором и калием повышается уровень урожайности зернобобовых культур, однако при недостаточной азотфиксации содержание белков в семенах этих растений очень часто снижается. При таких условиях для оптимизации процесса синтеза запасных белков необходимо проведение инокуляции семян клубеньковыми бактериями или внесение азотного удобрения. На фоне интенсивной азотфиксации внесение фосфорных и калийных удобрений повышает урожайность зернобобовых культур и увеличивает в семенах содержание белков на 1-2%, при этом в суммарном белке зерна увеличивается доля альбуминов, хорошо сбалансированных по содержанию незаменимых аминокислот. При выращивании зернобобовых культур на хорошо окультуренных и плодородных почвах на их корнях интенсивно развиваются клубеньковые бактерии, которые в течение вегетации растений полностью обеспечивают их азотом. Однако в начале вегетации до образования клубеньков бобовые растения нуждаются в минеральном азоте, поэтому внесение небольших доз азотных удобрений стимулирует в этот период более мощное развитие вегетативной массы, вследствие чего на последующих этапах развития растений образуется больше клубеньков и усиливается фиксация азота, вызывая тем самым повышение урожая и улучшение его качества. В опытах Р.И.Тучапского (1969), проводимых в западной лесостепи Украины, были получены следующие результаты (табл. 19). Как видно из данных таблицы, наиболее высокое содержание в зерне белков получено от внесения азотного удобрения, а максимальная урожайность и выход белков - при добавлении к азотному фосфорно-калийных удобрений. Для улучшения азотного питания бобовых растений в репродуктивный период развития можно применять поздние некорневые азотные подкормки, которые обеспечивают дополнительный приток азотистых веществ в созревающие семена, вследствие чего увеличивается накопление запасных белков на 1-5% (от массы семян). Подкормки проводят в фазу начала образования бобов 5-10%-ным раствором мочевины. |