Учебное пособие: по Биологии 2

Вопрос 1

Крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества. Общая характеристика, состав, строение, функции в организме.

Крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества относятся к углеводам.

Крахмал.

Крахмал состоит из 2 полисахаридов — амилозы и амилопектина, образованных остатками глюкозы. Химическая формула крахмала (C6 H10 O5 )n .

Крахмал состоит не только из линейных молекул, но и из молекул разветвленной структуры. Этим объясняется зернистое строение крахмала. Накапливается в виде зерен, главным образом в клетках семян, луковиц, клубней, а также в листьях и стеблях. Крахмал — белый порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде он набухает и образует клейстер.

В желудочном тракте человека и животного крахмал поддаётся гидролизу и превращается в глюкозу, которая усваивается организмом. Промежуточными продуктами гидролиза крахмала являются декстрины.

Крахмал, как пищевая добавка, используется для загущения многих пищевых продуктов, приготовления киселей, заправок и соусов.

Целлюлоза.

Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при кислотном гидролизе целлюлозы: (C6 H10 O5 )n + n H2 O -> n C6 H12 O6

Молекулярная формула целлюлозы (-C6 H10 O5 -)n, как и у крахмала.

Целлюлоза тоже является природным полимером. Ее макромалекула состо- ит из многих остатков молекул глюкозы. Степень полимеризации у целлюлозы намного больше, чем у крахмала. Макромолекулы целлюлозы, в отличие от крахмала, имеют только линейное строение. Макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении и образуют волокна (лен, хлопок, конопля).

Целлюлоза абсорбирует воду, помогает вывести из организма токсины и шлаки и регулировать уровень глюкозы.

Клетчатка способствует снижению уровня холестерина, а вместе с ним риска атеросклероза. Особенно выражено влияние на обмен холестерина у пектинов, в частности, яблочного и цитрусового.

Пектиновые вещества.

Пектиновые вещества представляют собой группу высокомолекулярных полисахаридов, которые вместе с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином образуют клеточные стенки растений.

Основным структурным компонентом пектиновых веществ служит галактуроновая кислота, из которой строится главная цепь; в состав боковых цепей входят арабиноза, галактоза и рамноза.

Важны сорбирующие свойства пектинов – способность связывать и выводить из организма холестерин, радионуклеиды, тяжелые металлы (свинец, ртуть, стронций, кадмий и др.) и канцерогенные вещества. Пектиновые вещества в заметных количествах находятся в продуктах, из которых можно сварить желе. Это слива, черная смородина, яблоки и другие фрукты.

Вопрос 2

Йодное число и число омыления. Изменение йодного числа в зависимости от условий произрастания масличной культуры.

Из чисел, определяемых в жирах и растительных маслах значимыми для экспертизы являются число омыления и йодное число, по величине которых можно также судить и о чистоте и природе жиров.

Число омыления — количество миллиграммов едкого калия, необходимое как для омыления жирных кислот в составе триацилглицерола, так и для нейтрализации свободных жирных кислот в 1 г исследуемого масла или жира.

Является одним из показателей подлинности жирных масел.

На величину числа омыления оказывают влияние неомыляемые вещества, свободные жирные кислоты, моно- и диглицериды, а также посторонние примеси.

Йодное число — это количество граммов йода, эквивалентное галоиду, присоединившемуся по месту двойных связей к 100 г исследуемого масла или жира. Йодные числа в разных маслах изменяются в широких пределах от 30 до 170, самым низким йодным числом отличается кокосовое масло. Определение этого показателя основано на способности ненасыщенных кислот присоединять два атома йода по месту разрыва двойной связи.

Йодное число указывает на количественное содержание непредельных жирных кислот, не указывая на их состав. С повышением йодного числа увеличивается способность жиров к окислению, более жидкой становится консистенция, часть таких масел используется для приготовления лаков, красок и олифы. Пищевые масла отличаются более низким йодным числом. Этот показатель изменяется в зависимости не только от видовых особенностей культуры, но и от агротехнических и почвенно-климатических условий. Из сырья, получаемого из северных регионов, изготавливают масло, йодное число которого больше.

Масло из семян льна южных районов отличается от масла льна северных районов меньшим содержанием ненасыщенных кислот, что снижает его техническую ценность. Льняное масло северных районов чаще всего имеет более высокое йодное число, чем масло южных районов.

Вопрос 3

Зависимость свойств белка от аминокислотного состава. Понятие изоэлектрической точки белка.

Биологический и химический состав белков находиться в прямой зависимости от их аминокислотного состава.

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.

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 (C738 H1166 O208 S2 Fe)4. Меньшая молекулярная масса может быть у простейших ферментов и некоторых гормонов белковой природы.

Значение рН, при котором белок приобретает суммарный нулевой заряд, называют «изоэлектрическая точка» и обозначают как pI. Изоэлектрическая точка белка зависит от числа и природы заряженных групп в молекуле. Белковая молекула заряжена положительно, если рН среды ниже величины ее изоэлектрической точки, и отрицательно, если рН среды выше значения изоэлектрической точки данного белка.

В изоэлектрической точке белки наименее устойчивы в растворе и легко выпадают в осадок. Изоэлектрическая точка белка в сильной степени зависит от присутствия в растворе ионов солей; в то же время на ее величину не влияет концентрация белка.

Белки, находящиеся в изоэлектрическом состоянии, не перемещаются в электрическом поле.

Вопрос 4

Механизм ферментативного катализа. Понятие активного центра.

Ферментативный катализ (биокатализ) — ускорение биохимических реакций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами).

В простейшем случае уравнение реакции с участием фермента имеет вид:

где E — фермент, S — субстрат, ES — фермент-субстратный комплекс (так называемый комплекс Михаэлиса), P- продукт реакции.

Превращение субстрата в продукт происходит в комплексе Михаэлиса. Часто субстрат образует ковалентные связи с функциональными группами активного центра, в том числе и с группами кофермента. Большое значение в механизмах ферментативных реакций имеет основной и кислотный катализ, реализуемый благодаря наличию имидазольных групп остатков гистидина и карбоксильных групп дикарбоновых аминокислот.

Строгая избирательность и высокая скорость — два основных признака ферментативного катализа, отличающие его от лабораторного и производственного катализа.

Ферменты увеличивают скорость химического превращения субстрата по сравнению с неферментативной реакцией в 109-1012 раз. Столь высокая эффективность обусловлена особенностями строения активного центра.

Активный центр — специфический участок на поверхности фермента, благодаря которому он проявляет специфичность в отношении субстрата. Каждый фермент представляет собой белок с уникальной трехмерной структурой (конформацией), формирующей активный центр, в котором определенный набор субстратов связывается с поверхностью фермента. Важная особенность строения активного центра — его поверхность комплементарна поверхности субстрата.

В активном центре различают две зоны: центр связывания, ответственный за присоединение субстрата, и каталитический центр, отвечающий за химическое превращение субстрата. Центр связывания обычно имеет вид углубления, сформированного на поверхности белковой молекулы определенным расположением аминокислот. В состав каталитического центра большинства ферментов входят такие аминокислоты, как серин, цистеин, гистидин, тирозин, лизин. Сложные ферменты в каталитическом центре имеют кофактор или кофермент.

Ферменты, состоящие из одной полипептидной цепи, обладают одним активным центром.

Активность ферментов регулируется в процессе их биосинтеза, а также условиями среды и многочисленными ингибиторами и активаторами, присутствующими в организме. Ингибиторами и активаторами могут служить сами субстраты (в определенных концентрациях), продукты реакции, а также конечные продукты в цепи последовательных превращений вещества.

Итак:

1. В ферментативном катализе принимают участие по крайней мере две функциональные группы, и механизм ферментативной реакции включает в себя определенную последовательность элементарных актов, которая обеспечивает энергетически более выгодный маршрут, чем неферментативная реакция.

2. Активные центры на полипептидной цепи расположены так, чтобы в определенный момент и в определенном месте они могли взаимодействовать с молекулой субстрата и осуществить серию согласованных химических актов.

Вопрос 5

Витамины C, P, H, U, их значение в жизни человека. Понятие авитаминоза, гипо- и гипервитаминоза.

Витамины — это низкомолекулярные органические соединения, которые необходимы в малых количествах для нормальной жизнедеятельности организма.

Витамин С

Витамин C или аскорбиновая кислота налаживает здоровье зубов, нормализует десна, и костные ткани. Кроме того, витамин С способствует заживлению ран и костных переломов, а аскорбиновая кислота улучшает рубцевание кожного покрова, предотвращает авитаминоз и цингу. Витамин C, также как, аскорбиновая кислота повышает иммунитет. Витамин С снижает риск возникновения заболеваний ОРЗ, ОРВИ, а аскорбиновая кислота ускоряет их лечение. Витамин C также способствует укреплению кровеносных сосудов. Аскорбиновая кислота повышает уровень усвоение железа. Витамин C также считается одним из главных требуемых человеческому организму антиоксидантов.

Витамин C может способствовать росту и полноценному формированию клеток и улучшать правильное усвоение кальция. Если принимать витамин C в большом количестве, то это будет способствовать также правильной борьбе нашего организма с болезнями или инфекциями, при заживлении ран или восстановлении после операционных вмешательств.

Витамин P

Витамин P (биофлавоноиды, рутин) – водорастворимый. Витамин P известен также как «фактор проницаемости капилляров» благодаря своей способности уменьшать ломкость и проницаемость сосудистых стенок и капилляров.

Благодаря капилляроукрепляющему действию витамин P предотвращает появление кровоизлияний, синяков, устраняет кровоточивость десен. Рутин обладает противоотечным и противовоспалительным действием и поддерживает нормальное кровеносное давление. Рутин участвует в деятельности щитовидной железы.

Витамин P усиливает сопротивляемость организма к инфекциям, обладает противоаллергическим действием. Снимает симптомы заболеваний внутреннего уха: головокружение, отеки.

Рутин и витамин C дополняют и усиливают действие друг друга, поэтому их рекомендуют употреблять совместно. Рутин предохраняет витамин C и адреналин от разрушения и окисления.

Витамин Н

Витамин Н (биотин, витамин B7) – белое кристаллическое вещество, разрушаемое при высокой температуре и растворимое в щелочной водной среде. Биотин участвует в образовании жирных кислот и некоторых биологически активных веществ. Биотин способен производиться кишечной микрофлорой, но этого недостаточно для обеспечения потребности организма в витамине H.

Биотин регулирует уровень сахара в крови и очень важен для углеводного обмена. Витамин Н контролирует процессы глюконеогенеза, отвечая за участие глюкозы в обмене веществ. Играет важную роль в усвоении белка и сжигании жира.

Витамин B7 содержит серу, которая очень важна для здоровья волос, ногтей и кожи – биотин еще называют «витамином красоты». Витамин Н необходим для нормальной деятельности нервной системы. Биотин принимает участие в синтезе полезной флоры кишечника.

В организме при нехватке биотина повышается уровень сахара и холестерина в крови, развивается анемия, возникают слабость, сонливость, мышечные боли, потеря аппетита, депрессия, тошнота. Явными признаками дефицита витамина H будут выпадение волос, появление перхоти, излишне жирная или чрезмерно сухая кожа.

Витамин U

Витамин U (метилметионинсульфония хлорид, S-метилметионин) относят к витаминоподобным веществам, потому что его незаменимость и необходимость для организма человека не доказана.

Витамин U – водорастворимый желтоватый или белый кристаллический порошок со сладким вкусом и специфическим запахом.

Одна из главных функций витамина U – участие в процессах метилирования различных соединений, необходимых для жизнедеятельности организма.

Крайне важное действие витамина U, благодаря которому он получил название противоязвенный фоктор – предотвращение появления язвы и эрозии желудка и двенадцатиперстной кишки, а также обеспечение их быстрого заживления с оказанием болеутоляющего действия. Витамин U обладает антигистаминным действием: уменьшает проявления поллиноза, бронхиальной астмы, пищевой аллергии. Благодаря своему липотропному действию витамин U способен защитить печень от жирового перерождения. Витамин U активно участвует в обменных процессах организма и синтезе биологически активных веществ.

Авитаминоз — практически полное отсутствие какого-либо витамина или целой витаминной группы в организме человека. Такое встречается крайне редко, особенно в развитых странах.

Гиповитаминоз — недостаточное содержание витаминов — распространен гораздо больше. Несмотря на это, привычным остается название «весенний авитаминоз», подразумевают именно дефицит витаминов, а не полное их отсутствие. Гипервитаминоз — это реакция на передозировку витаминов, проявляющаяся в различных расстройствах и дисфункциях организма человека.

Вопрос 6

Энергетика дыхательного процесса.

Живая клетка представляет собой открытую энергетическую систему, она живет и сохраняет свою индивидуальность за счет постоянного притока энергии. Как только этот приток прекращается, наступает дезорганизация и смерть организма. Энергия солнечного света, запасенная при фотосинтезе в органическом веществе, вновь высвобождается и используется на самые различные процессы жизнедеятельности. Энергетический цикл жизни можно представить в виде схемы:

Как видно, энергия квантов света, аккумулированная в углеводах, вновь высвобождается в процессе их распада (диссимиляции). В самой общей форме можно отметить, что все живые клетки получают энергию за счет ферментативных реакций, в ходе которых электроны переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий. В природе существуют два основных процесса, в ходе которых энергия солнечного света, запасенная в органическом веществе, высвобождается,— это дыхание и брожение. Дыхание — это аэробный окислительный распад органических соединений на простые, неорганические, сопровождаемый выделением энергии. Брожение —анаэробный процесс распада органических соединений на более простые, сопровождаемый выделением энергии. При брожении степень окисленности соединений не меняется. В случае дыхания акцептором электрона служит кислород, в случае брожения — органические соединения.

Вопрос 7

Распад и синтез углеводов в растительном организме. Значение фотосинтеза и дыхания в обмене углеводов.

Углеводы в растительном организме служат основным питательным и скелетным материалом клеток и тканей растения. В прорастающих тканях сложные запасные вещества распадаются на более простые. Процесс распада крахмала на олигосахариды и моносахариды, жиров на жирные кислоты и глицерин, белков на аминокислоты — относится к гидролитическому типу и проходит с присоединением воды.

В процессе фотосинтеза зелёные растения ассимилируют CO2 и образуют углеводы, фотосинтез представляет собой цепь последовательно совершающихся окислительно-восстановительных реакций, в которых принимает участие хлорофилл — зелёный пигмент, способный улавливать солнечную энергию. За счёт энергии света происходит фотохимическое разложение воды, причём кислород выделяется в атмосферу, а водород используется для восстановления CO2. На сравнительно ранних этапах фотосинтеза образуется фосфоглицериновая кислота, которая, подвергаясь восстановлению, даёт трёхуглеродные сахара — триозы. Две триозы — фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон — под действием фермента альдолазы конденсируются с образованием гексозы — фруктозо-дифосфата, который, в свою очередь, превращается в др. гексозы — глюкозу, маннозу, галактозу. Конденсация фосфодиоксиацетона с рядом др. альдегидов приводит к образованию пентоз. Образовавшиеся в растениях гексозы служат исходным материалом для синтеза сложных углеводов — сахарозы, крахмала, инулина, целлюлозы (клетчатки) и др. Пентозы дают начало высокомолекулярным пентозанам, участвующим в построении опорных тканей растений. Во многих растениях гексозы могут превращаться в полифенолы, фенолкарбоновые кислоты и др. соединения ароматического ряда. В результате полимеризации и конденсации из этих соединений образуются дубильные вещества, антоцианы, флавоноиды и др. сложные соединения.

Основным источником запасённой в химических связях энергии у большинства организмов являются углеводы. Расщепление полисахаридов в организме начинается с их ферментативного гидролиза. Например, у растений при прорастании семян запасённый в них крахмал гидролизуется амилазами. При различных видах брожений пировиноградная кислота подвергается анаэробным превращениям. В аэробных условиях — в процессе дыхания — она может подвергаться окислительному декарбоксилированию с образованием уксусной кислоты, а также служить источником образования других органических кислот: щавелево-уксусной, лимонной, цис-аконитовой, изолимонной, щавелево-янтарной, кетоглутаровой, янтарной, фумаровой и яблочной. Их взаимные ферментативные превращения, приводящие к полному окислению пировиноградной кислоты до CO2 и H2O, называются трикарбоновых кислот циклом, или циклом Кребса.

Ключевыми звеньями в обмене углеводов являются пировиноградная кислота и глюкозо-1-фосфат или глюкозо-6-фосфат. Через пировиноградную кислоту осуществляется переход от метаболизма углеводов к метаболизму других органических веществ.

Фотосинтез — это процесс образования клетками автотрофных организмов — высших растений, водорослей и некоторых бактерий органического вещества при участии и за счет энергии солнечного света.

У растений дыхание в основе своей — процесс, противоположный фотосинтезу. Молекула сахара глюкозы окисляется кислородом воздуха до углекислого газа и воды с выделением заключенной в углеводах энергии. Эта энергия идет на осуществление и поддержку всех жизненных процессов: поглощение и испарение воды и минеральных солей, рост и развитие растений.

Именно в освобождении энергии и направлении ее на нужды растений и заключается главный смысл дыхания, которое происходит во всех живых клетках растений.

Вопрос 8

Химический состав плодов и ягод. Биохимические изменения при созревании и хранении плодов и ягод.

Пищевая ценность соков и продуктов их переработки определяется химическим составом исходных плодов и ягод, который зависит от вида культуры и условий ее выращивания.

Содержание воды в плодах и ягодах находится в пределах от 72 до 96%. В ней растворены различные вещества, образующие плодовый сок. Во время хранения сырья содержание воды уменьшается, происходит высушивание и увядание кожицы.

Кроме воды в состав плодов и ягод входят углеводы, азотистые вещества, органические кислоты, дубильные, красящие ароматические соединения, жиры, витамины, минеральные вещества.

В состав углеводов входят сахар, крахмал, целлюлоза (клетчатка), пектиновые вещества. Они же в основном и сохраняются в составе сухих плодов и ягод. Их содержание достигает 80% от суммы сухих веществ.

Общее количество сахаров колеблется в пределах от 3 до 15% и зависит от культуры и условий выращивания. В плодах содержатся глюкоза, фруктоза и сахароза.

Основной составной частью оболочек клеток растительной ткани является клетчатка (целлюлоза). Содержание ее в плодах и ягодах находится в пределах 1—2%. При дроблении плодов и отжиме сока целлюлоза уходит в отходы.

Важной в пищевом отношении составной частью плодов и ягод являются пектиновые вещества — высокомолекулярные соединения углеводной природы. Их содержание в сырье колеблется от 0,2 до 2,5% на сырую массу. Твердость плодов связана с высоким содержанием в них протопектина — связанной формы пектина. Протопектин нерастворим в воде, а пектин — хорошо растворим. По мере созревания плодов происходит постепенный переход протопектина в пектин. В результате этого прочность плодовой ткани снижается и повышается выход сока.

Химический состав плодов и ягод значительно различается в зависимости от условий культивирования растений. В дождливое и холодное время повышается содержание органических кислот, снижается сахаристость, содержание фенольных соединений, ароматических веществ. В старых растениях больше содержится сахара, чем в молодых. Нормальное содержание сахара до 13,5%.

Белковых веществ в соке плодов содержится сравнительно мало, а в соке ягод — довольно много, до 2,5%. Поэтому первый нельзя разбавлять водой, а второй — можно. При температуре до 65°С белковые вещества свертываются и выпадают, соединяясь с дубильной кислотой или танином.

В собранных плодах и ягодах продолжаются сложные биохимические процессы, наиболее важными из которых являются — выделение влаги (Транспирация), дыхание (Респирация).

Плоды с хорошим восковым и плотным покровом (яблоки, лимоны) влаги испаряют значительно меньше, чем ягоды. Повышенные потери ее могут быть при слишком теплом и сухом воздухе в хранилище, сильной вентиляции и плохом состоянии продукции (Побитая, подмороженная и т.д.). Одновременно с этим теряется и масса. Поэтому хранение должно проходить в условиях повышенной влажности.

При хранении плоды и ягоды поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Дыхание сопровождается потерей различных питательных веществ. Особенно большим изменениям подвергаются сахара, содержание которых может уменьшиться на 80 — 90 %.

Затормозить процесс дыхания может определенная температура. Поскольку дыхание плодов и ягод — нормальный жизненный процесс, резкое торможение его может привести к загниванию их, что иногда наблюдается при очень плотной упаковке или слишком низких температурах.

При хранении в плодах происходят и другие биохимические реакции, связанные с дозреванием и перезреванием, изменением качества и порчей продукции. Например, в яблоках зимних сортов крахмал переходит в сахар, пропектин гидролизуется в пектин, что вначале улучшает, а затем ухудшает качество плодов. В ягодах же процессы разрушения питательных веществ начинаются сразу после уборки.

Как от повышенной, так и от пониженной температуры меняются окраска и структура плодов. Так, при температуре ниже 10°С груши сорта Вильямс желтеют, становятся грубыми и твердыми, при — 3°С слива приобретает мажущуюся консистенцию, при температуре, близкой к 0°С яблоки изменяют окраску. Лимоны и бананы хранят только при температуре 7 — 12°С.