1、蛋白质水解反响，对生物体有重要意义 第三章 烟草含氮化合物烟草中含氮化合物有蛋白质、游离氨基酸、生物碱、叶绿素、硝酸盐和其它含氮杂环化合物等。含氮化合物不仅影响烟叶特性，决定经济产量，对烟草的评吸质量和吸烟者的健康也有重要影响。烟草植株从土壤中吸收的铵盐或硝酸盐，在烟草根系和绿叶中复原成氨，再经同化作用形成各种氨基酸和蛋白质等有机含氮化合物。烟株在生长过程中碳、氮代谢之间相互关联，以维持代谢平衡。而酶是代谢的钥匙，酶又是表现高度特异性的蛋白质，正是由于酶的专一催化作用，各种代谢才能沿着一定的途径进行下去，形成许多种化合物，其中构成生命最根本的物质为蛋白质、核酸、糖类和脂类。糖类和脂类往往是与蛋
2、白质结合成为糖蛋白或脂蛋白表现各种生物功能。细胞质、细胞核都含有蛋白质，生物膜的主要成分是磷脂和蛋白质，某些维生素、激素等含氮化合物也是烟株生理生化过程所必需而对生长发育起调控作用。由此可见，蛋白质是烟草生命活动的根底物质之一。因此，我们对于蛋白质及密切相关的含氮化合物应该有根本的了解。第一节 烟草氨基酸在烟草体内除了组成蛋白质的氨基酸外，还有一些以游离状态存在的氨基酸，它们不参与蛋白质的组成。这类氨基酸称为非蛋白氨基酸。组成蛋白质的氨基酸可用于构建蛋白质，或参与代谢作用。非蛋白氨基酸是烟草化学防御机制中的有效物质。一、氨基酸的结构和性质分子中含氨基的羧酸，叫氨基酸。在氨基酸的结构中至少含有一
3、个碱性的氨基-NH2和酸性的羧基-COOH。烟草蛋白质水解后得到的氨基酸，绝大多数都是-氨基酸，即在羧基邻位-碳原子上有一个氨基。其结构可用如下通式表示。R为烃基，R不同，就有不同的氨基酸。而在氨基酸分子中，除氨基和羧基外，有的还含有羟基、巯基等。氨基酸大都是无色结晶固体。除胱氨酸及酪氨酸外，它们都可溶于水；除脯氨酸及半胱氨酸外，一般都难溶于有机溶剂。不同的溶解度可用于别离烟草有关的氨基酸。除甘氨酸之外，氨基酸都有旋光性。氨基酸的旋光性有左旋的，也有右旋的，但以左旋的比拟多。氨基酸分子中同时含有酸性的羧基和碱性的氨基，具有酸碱的两性性质，与酸或碱作用都能生成盐。调节某种氨基酸溶液的pH至不导电
4、时，这时溶液中的pH即为这种氨基酸的等电点。等电点习惯上以符号pI表示。各种氨基酸在等电点时其溶解度为最小，即氨基基酸在其等电点时最易沉淀。根据这一原理，对于一个含有多种氨基酸的混合液，可分步调节其pH到某一氨基酸的等电点，从而使该氨基酸沉淀，以到达别离的目的。在调制期间，烟叶中的蛋白质局部降解生成游离氨基酸，游离氨基酸发生互变作用，脱羧氧化脱氨或脱羧脱氨，引起羰基化合物增加。在烟叶调制、陈化和燃吸期间均可发生氨基酸酶促和非酶棕色化反响，反响速度一般随温度升高而加快。但也受其它因素制约。二、烟草中的氨基酸一种类就烟草中普通氨基酸而言，与其它高等植物小麦、玉米、豌豆等相比种类大致相近的有20多种
5、。除此之外，由于氨基酸在烟叶调制、陈化等过程中参与许多复杂的化学反响，因此，在烟草中还发现许多不常见的氨基酸。如- 丙氨酸、- 丙氨酸、D丙氨酰基 - D-丙氨酸、-氨基丁酸、- 氨基丁酸、吖叮啶- 2 - 羧酸、- L 谷氨酰基- L谷氨酸、谷胱甘肽、高胱氨酸、高丝氨酸、6 羟基犬尿氨酸、1 甲基组氨酸、S 氧化蛋氨酸、哌可酸、降亮氨酸、吡咯烷- 2乙酸、苯基丙氨酸、氨基乙磺酸等 。二存在状态鲜烟叶和调制过程中有多种氨基酸呈游离态，调制、陈化以后，局部氨基酸与糖或多酚类物质形成复杂化合物而存在于烟叶中。鲜烟叶中主要的游离氨基酸是天冬氨酸，谷氨酸、脯氨酸和亮氨酸，其总和占游离氨基酸总量的65%
6、75%。三分布特点1不同烟草品种氨基酸含量不同 烤烟假设干游离氨基酸总量较白肋烟低，而脯氨酸和天冬酰胺含量较多。白肋烟天冬酰胺和天冬氨酸含量显著地高见表31，这体现了白肋烟的特点。表31 不同品种调制烟叶中假设干游离氨基酸的分析氨基酸烤烟mg/g(mg/g)天冬氨酸0.137.84苏氨酸0.040.43丝氨酸0.060.17天冬酰胺1.1210.30谷氨酸0.101.78谷酰胺0.820.38脯氨酸4.110.45甘氨酸0.020.14丙氨酸0.320.35缬氨酸0.06微量异亮氨酸0.060.10酪氨酸0.680.84苯丙氨酸0.240.50赖氨酸0.030.33组氨酸0.110.45精氨酸
7、0.260.507.8424.88注：引自闫克玉. 烟草化学. 郑州：郑州大学出版社，2023.2不同氮用量烟草中氨基酸含量不同 史宏志等1997研究了不同施氮量对烤烟叶片氨基酸含量的影响，结果说明，烟叶总氨基酸含量随施氮量的增加明显增加。在同一施氮水平上，增加有机氮比例，总氨基酸含量下降。韩锦峰等1992研究说明，随氮用量的增加，烟株根系中氨基酸总量升高，各种游离氨基酸含量那么有增有减，有的变化不大，而与烟碱合成有关的4种氨基酸含量比对照都有大幅度提高。3烟株不同根际pH叶片中氨基酸含量不同 陈建军等1996研究烟株不同根际pHpH5.58.5对烤烟叶片氨基酸的影响，结果说明，随根际pH升高
8、，叶片脯氨基的含量增加直至pH8.0，而后下降，苯丙氨酸和苏氨酸的变化无规律性，丝氨酸含量呈降低趋势。亮氨酸、缬氨酸和酪氨酸的含量变化呈单峰曲线，峰值在pH6.5处；丙氨酸的含量变化为双峰曲线，峰值分别在pH6.5和pH7.5处。与合成烟碱有关的天冬氨酸、组氨酸、异亮氨酸、胱氨酸、谷氨酸、精氨酸和赖氨酸7种氨基酸，其中有6种在pH6.5处理的叶片中含量最高。说明烟草氨基酸的代谢与根际pH的关系复杂。4烟草叶片不同发育过程氨基酸含量不同 符云鹏等1998对烤烟叶片不同发育过程中氨基酸含量的变化进行研究，结果说明,同一部位烟叶的总氨基酸含量随叶龄的增长而下降，烟叶达工艺成熟时，中、上部烟叶总氨基酸
9、下降至最低，下部烟叶在叶龄60d时下降至最低，烟叶工艺成熟时又有所升高。但同一部位的烟叶总氨基酸含量在不同发育阶段下降的幅度不同表32。随叶片发育，游离氨基酸含量与总氨基酸含量变化规律有所不同。下部烟叶在叶龄40d之前，随叶龄增长游离氨基酸含量大幅度下降；4050d其含量有所上升，50d之后的60d下降至最低，到工艺成熟时又有所升高。中、上部烟叶在30d之前，随叶龄增长游离氨基酸含量下降，3040d有所升高，40d之后又开始下降，到烟叶成熟时游离氨基酸降至最低表33。上述研究结果可能与不同部位烟叶氮代谢的强弱及蛋白质含量的上下有关。32 烟草叶片发育过程中总氨基酸含量的变化%符云鹏等，1998
10、部 位叶龄d适熟烤后102030405060下24.5918.8016.2211.478.686.327.2823.2023.9217.2214.989.716.014.695.92上23.7223.4521.9515.459.597.385.267.2233mg/g符云鹏等，1998部位叶龄d适熟烤后102030405060下28.7118.4117.778.6215.944.387.0324.2318.1911.2115.0014.108.384.866.89上28.2921.7317.5822.3312.8910.786.397.785不同成熟度烟叶氨基酸含量不同 在烟叶成熟过程中，同一
11、部位烟叶随着成熟度的增加，总游离氨基酸，氨基酸含量下降，到达工艺成熟前后又开始上升，与Amadori化合物有关的氨基酸总和也随着成熟度的增加发生有规律的“V型变化。6不同调制阶段烟叶氨基酸的含量不同 烤烟烘烤过程中，从鲜叶到干筋期，总游离氨基酸含量逐渐增加，尤其以变黄中期最为明显，从干筋期后各种氨基酸均降低。白肋烟在调过程中，氨基酸增加的时间与蛋白质迅速水解的时间相吻合，蛋白质水解完成氨基酸停止增加。当蛋白质停止水解，烟叶呈最大变黄时，总游离氨基酸开始下降。在烟叶调制过程中各种氨基酸的变化差异很大，一些氨基酸减少，另一些氨基酸那么增加，最终导致调制过程中氨基酸总量的增加。7发酵或陈化过程烟叶氨
12、基酸含量的变化 经发酵或陈化的烟叶，氨基酸含量大为减少，但有利于烟叶香味的物质种类明显增加。第二节 烟草蛋白质由于世界人口不断增加，许多地区的人民均有营养缺乏现象，因此，如何在经济的原那么下生产大量可食性蛋白是目前开展的主要方向。随着对蛋白质研究的不断深入，人们逐渐认识到叶蛋白质是世界天然产物中最重要而丰富的蛋白质资源。我国开发利用烟草叶蛋白质的研究起步较晚，但进展较快，烟草蛋白质可能成为人类新的食物来源，而烟叶蛋白质很少有助于烟气的抽吸质量，可能是烟气中有害物质的前体物。因此，研究烟草蛋白质对于烟草蛋白质的开发利用和提高烟草及其制品的质量具有重要意义。一蛋白质的结构和性质根据蛋白质水解后生成
13、各种氨基酸这一事实，可知蛋白质分子中的氨基酸是通过肽键或称酰胺键连接起来的。肽键的形成可以看做是氨基酸与氨基酸之间彼此通过羧基和氨基脱水缩合而成的。蛋白质结构的根本形式就是由数目很多的各种氨基酸通过肽键连接而成的多肽长链。多肽链可用下式表示：氨基末 羧基末端N端 C端多肽长链上碳原子上仍连有游离羧基的末端氨基酸称为C端氨基酸，仍连有游离氨基的末端氨基酸称为N端氨基酸。因为蛋白质是由多肽构成的。习惯上常将相对分子质量较大而构象复杂的多肽称为蛋白质，相对分子质量较小而构象简单的称为多肽，但实际上并没有很严格的界限。每种蛋白质都有其特定的空间结构。蛋白质分子中不同氨基酸按一定顺序排列而形成的多肽链，
14、称为蛋白质的一级结构。由于氨基酸的侧链不同，当它们互相连接时，就使烟草不同蛋白质具有不同的化学性质和多种多样的二级和三级结构。烟草蛋白质还有更复杂的四级结构。蛋白质分子中含有不少可电离基团，如羧基、氨基、酚羟基及咪唑基等。这些可电离基团有些是酸性的，有些是碱性的。因此，蛋白质与氨基酸一样呈两性反响，亦各有其等电点pI。在等电点时蛋白质的溶解性最小。这一性质可用于蛋白质和酶的别离提纯。蛋白质可以被酸、碱和蛋白酶催化水解，使蛋白质分子断裂，水解成相对分子质量大小不等的肽段和氨基酸。烟叶在衰老和调制过程中，蛋白质的水解是在蛋白酶和肽酶的作用下进行的。蛋白质的水解反响，对烟草生物体有重要意义。烟草衰老
15、组织的蛋白质水解成氨基酸后，被运输至新生组织，作为合成烟草蛋白质所需的原料。烟叶在调制过程中高温对各种酶的抑制作用更加直接和彻底，水分对各种酶的促进作用更为密切。因此，调制过程中通过对温、湿度的控制，可使烟叶蛋白质的水解达适宜程度。烟草蛋白质不仅可与水分、脂类、糖类、离子、金属结合，从而影响烟叶调制过程中物质变化及脱水枯燥，它还可与酚类、色素等物质结合，影响烟叶的调制质量。二、烟草中的蛋白质一种类烟草叶片中的蛋白质，分为可溶性蛋白质和不溶性蛋白质。前者以其相对分子质量的大小为根底又可分为两类：沉降系数为18S的称为蛋白质组分，即F组分；沉降系数为46S的称为蛋白质组分，即F组分。在烟草的叶蛋白质总体中，一般在烟叶生长初期可溶性和不溶性蛋白质约各占一半。可溶性蛋白质中的一半左右是单独的叶绿体蛋白质名为核酮糖-1，5二磷酸羧化酶/加氧酶fraction protein，fraction protein，即F蛋白，见表34。表34 烟叶中可溶蛋白的含量g/kg鲜重郭培国等，2023F