Глава 1
УГЛЕВОДЫ ВИНОГРАДА, ИХ ОБРАЗОВАНИЕ И ПРЕВРАЩЕНИЕ
Главной составной частью лозы и ягод винограда являются углеводы. Содержание их в некоторых сортах достигает 90% [51]. В винограде соотношение сахара и кислот является главным критерием для определения качества винограда и вина. В процессе брожения сахара претерпевают глубокие изменения. Из них образуется главный продукт спиртового брожения — этанол, а также вторичные продукты брожения, имеющие важное значение для формирования вкуса и букета вина.
Фотосинтез
В винограде углеводы образуются в результате усвоения углекислоты зелеными частями виноградной лозы под действием энергии солнечного света, поглощаемой хлорофиллом. Этот процесс называется фотосинтезом. Благодаря фотосинтезу в природе непрерывно происходит круговорот углерода. Процесс фотосинтеза можно представить в виде следующей реакции:
Эта реакция, как и большинство суммарных уравнений в биохимии, не отражает промежуточных продуктов фотосинтеза и показывает лишь его конечные продукты. В результате фотосинтеза образуется одна молекула гексозы и 6 молекул кислорода.
На самом деле процесс протекает гораздо сложнее. Механизм процесса фотосинтеза можно объяснить следующим образом. При фотосинтезе происходит фоторазложение воды, при этом водород идет на восстановление углеродистых веществ, что приводит к образованию органических соединений.
Как предполагал А. Н. Бах [6], выделяющийся при фотосинтезе молекулярный кислород является кислородом воды. Это было экспериментально доказано в 1947 г. методом изотопов А. П. Виноградовым.
Фотосинтез имеет огромное биологическое значение. Благодаря фотосинтезу ежегодно на нашей планете связывается около 100 млрд, тонн органического вещества и выделяется в атмосферу необходимый для жизнедеятельности живых организмов свободный кислород.
Процесс фотосинтеза осуществляется в растительной клетке при помощи особых биологических структур — хлоропластов. В этих хлоропластах содержатся пигменты, среди которых наибольшее значение имеют хлорофиллы.
Состав хлорофилла был изучен в начале XX в. методом хроматографического анализа (М. Цвет, 1914). При этом было установлено, что зеленая окраска растений состоит из смеси пигментов: хлорофилла а и б, ксантофилла и каротина. Еще в начале XX в. К. А. Тимирязев впервые высказал предположение, что хлорофилл является сенсибилизатором процесса фотосинтеза. Впоследствии было доказано, что фотосинтез представляет собой цепь окислительно-восстановительных реакций. Это подтверждено А. А. Красновским [50] путем обратимого восстановления хлорофилла аскорбиновой кислотой, являющейся донатором водорода.
Как показали исследования А. Н. Теренина (1961—1965 гг.) при обратимом фотовосстановлении хлорофилла возникают свободные радикалы. Появление их в процессе фотосинтеза доказывается возникновением сигналов электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Функционирование хлорофилла в реакционных центрах фотосистем связано с образованием свободных радикалов. Свободные радикалы, образующиеся при функционировании хлорофиллов в реакционных центрах фотосистем, обусловливают появление характерных спектров ЭПР.
Советские и зарубежные исследователи изучали продукты, образующиеся при окислительно-восстановительных превращениях изолированных фотосинтетических пигментов, а также свободные
радикалы при фотоокислении и фотовосстановлении хлорофилла и других пигментов методом инициирования цепной полимеризации [50]. При этом установлено, что увеличение степени агрегации радикалов приводит к снижению фотохимической активности агрегированных форм пигментов.
Биосинтез углеводов
Исследования М. Кальвина (1962), проведенные радиоактивным углеродом, показали, что соединение, к которому акцептируется СO2, является рибулозодифосфатом. Последний в присутствии воды гидролизуется с образованием двух молекул фосфоглицериновой кислоты. Эта кислота восстанавливается водородом воды и образует фосфоглицериновый альдегид, который, частично изомеризуясь, дает фосфодиоксиацетон. Под действием альдолазы фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон соединяются и образуют молекулу фруктозодифосфата, из которого синтезируется сахароза.
Процесс образования фосфоглицериновой кислоты из рибулозодифосфата и СO2 имеет циклический характер и называется циклом Кальвина.
В основном фотосинтез углеводов виноградной лозы осуществляется в зеленых листьях. Зеленые ягоды, содержащие хлорофилл, также могут синтезировать углеводы. Однако основная масса углеводов образуется в листьях и оттуда мигрирует в ягоды, как это полагал А. С. Фоминцын еще во второй половине XIX в.
С. В. Дурмишидзе и Т. В. Бериашвили [28] изучали процесс перемещения ассимилятов из ягод винограда в листья и побеги лозы. В период роста и в начале созревания непосредственно в ягоды винограда сорта Ркацители они вносили С14O2 и 1—6С14 глюкозу. Соединения, образовавшиеся из этих меченых атомов углерода в ягодах винограда, активно передвигались к другим органам лозы как в нисходящем, так и в восходящем направлении. Среди соединений, переместившихся из грозди в побеги и листья, высокую радиоактивность имели глюкоза, фруктоза и сахароза. Кроме них, радиоактивными оказались яблочная, гликолевая, аспарагиновая, глутаминовая кислоты и др.
Радиоактивных веществ из листьев мигрирует в 4—6 раз больше, чем из грозди. По мнению авторов, лист винограда усваивает в 5—7 раз больше С14O2, чем ягода.
Среди соединений, перешедших из ягод в другие части лозы, наряду с глюкозой высокой радиоактивностью обладали сахароза и фруктоза. Следовательно, глюкоза превращается во фруктозу и сахарозу.
Превращение углеводов
В последнее время проводятся исследования по изучению связи между метаболизмом органических кислот и углеводов в процессе роста и созревания ягод винограда. Первоначальный распад органических кислот и аккумуляция сахара происходят одновременно в начале созревания. Обычно это длится 6—7 недель после цветения; этот процесс интенсифицируется в середине срока созревания ягод винограда.
Показано, что в ранний период созревания винограда большая часть атомов меченого углерода С14 включается в органические кислоты. В фазе, близкой к созреванию, основная масса С14 включается в углеводы [161].
На основании этого можно заключить, что органические кислоты в процессе созревания ягод винограда участвуют в образовании углеводов.
В. М. Клиевер (1964) установила, что относительное количество С14 в глюкозе зеленых ягод значительно увеличивается, а в органических кислотах уменьшается.
Первоначальный распад органических кислот и аккумуляция сахара происходят одновременно в начале созревания ягод. Некоторые кислоты, например яблочная, могут быть превращены в глюкозу и фруктозу. Путь превращения яблочной кислоты в глюкозу лежит через щавелевоуксусную и фосфоэнолпировиноградную кислоты.
Это было доказано тем, что меченый углерод (С14) в положении 2—3 в яблочной кислоте, введенный в ягоды винограда, в относительно короткий срок включается в молекулу сахара в том же положении. Единственный энзим, участвующий в образовании сахара из яблочной кислоты, это фосфоэнолиируваткарбоксикиназа [161]. В ягодах винограда сорта Пино черный интенсивное превращение яблочной кислоты в сахар происходит при 20° С [161].
По данным Т. В. Бериашвили и Т. Д. Чиквинадзе (1968) в период завязывания ягод винограда С14 в основном включается в органические кислоты, а в период созревания С14 включается в углеводы — в глюкозу и фруктозу.
