Charakterystyka białek glutenowych

Dojrzałe ziarno pszenicy składa się z dwóch genetycznie odmiennych organów, zarodka oraz bielma, które powstanie warunkowane jest dwoma oddzielnymi zdarzeniami podczas zapylenia. Łagiewką pyłkową do woreczka zalążkowego transportowane są dwie komórki plemnikowe, gdzie jedna łączy się z komórka jajową tworząc diploidalną zygotę. Druga komórka plemnikowa łączy się z jądrami biegunowymi tworząc bielmo, w którym znajduje się materiał zapasowy, umożliwiający późniejsze kiełkowanie zarodka. Materiałem zapasowym są białka glutenowe oraz skrobia (SHEWRY I IN., 2003).

Białka glutenowe możemy podzielić na dwie frakcje: rozpuszczalne w alkoholu gliadyny oraz nierozpuszczalne gluteniny. Gliadyny składają się z białek monomerycznych, spośród których można wyróżnić cztery grupy: α, β, γ oraz ω. Natomiast gluteniny są białkami polimerycznymi o masie cząsteczkowej do kilkunastu milionów daltonów (Da). Buduje je wiele łańcuchów polipeptydowych, które dzięki obecności disulfidowych wewnątrzcząsteczkowych i międzyłańcuchowych wiązań tworzą specyficzną strukturę glutenu. W wyniku redukcji tego rodzaju wiązań powstaje szereg podjednostek o masie cząsteczkowej 80-120 kDa, które są klasyfikowane jako wysokocząsteczkowe (HMW- ang. high molecular weight) oraz niskocząsteczkowe (LMW- ang. low molecular weight). Dodatkowo ze względu na mobilność w żelu poliakrylamidowym (wielkość, punkt izoelektryczny) wyróżniamy cztery podgrupy A, B, C i D (D’OVIDIO I MASCI, 2004; FRANASZEK I IN., 2013). Frakcja HMW stanowi grupę A, natomiast LMW zaliczana jest do grupy B, C i D. Region B obejmuje jedynie LMW gluteniny o masie cząsteczkowej 42-51 kDa, zaś w obszarach C i D obok niskocząsteczkowych glutenin (m. cz. 30-40 kDa) występują także α-, γ-gliadyny i ω-gliadyny (IKEDA I IN., 2002). Ponadto te dwie grupy różnią się właściwościami funkcjonalnymi, udowodniono że gluteniny odpowiadają za siłę i elastyczność glutenu, natomiast gliadyny wpływają na lepkość i rozciągliwość ciasta. Zarówno siła, lepkość, jak i rozciągliwość glutenu mają wpływ na właściwości technologiczne produktów wytwarzanych z pszenicy (WAN i IN., 2013). Podczas produkcji makaronu ważną cechą jest elastyczność glutenu, która związana jest z wyższą zawartością glutenin. Wykazano, że na jakość glutenu z pszenicy twardej ma wpływ skład niskocząsteczkowych glutenin, a w szczególności zawartość γ-gliadyn. Wśród nich wyróżniono dwie γ-gliadynę 42 oraz γ-gliadynę 45, przy czym uważa się, że gluten charakteryzujący się wyższą elastycznością zawiera więcej γ-gliadyny 45 (EDWARDS I IN. 2003). W przypadku cech mających wpływ na jakość wypiekową chleba istotna jest elastyczność glutenu, bowiem niezadowalająca elastyczność prowadzi do zmniejszenia objętości bochenka. Zwiększenie elastyczności powoduje zwiększenie objętości bochenka, jednakże zbyt elastyczny gluten ogranicza rozprowadzanie dwutlenku węgla co skutkuje niższą objętością bochenka. Uważa się, że wysokocząsteczkowe podjednostki glutenin są czynnikiem determinującym jakość chleba. Na podstawie badań PAYNE I IN. (1987) oraz HOSNEY (1994) stwierdzono, że podjednostka HMW 5 związana jest z dobrą jakością wypiekową, natomiast podjednostka HMW 2 z słaba jakością wypiekową. UTHAYAKUMARAN I IN. (2002) dowiedli, że para podjednostek HMW 5+10 ma duży udział w formowaniu właściwości ciasta w porównaniu do pary HMW 17+18 oraz podjednostki HMW 1, które mają najmniejszy udział. Uprzednie badania sugerowały, że gliadyny mogą pełnić istotną rolę w wyznaczaniu funkcjonalnych właściwości mąki pszennej (BARAK I IN., 2015). Jednakże wpływ gliadyn na jakość chleba pozostaje kwestią sporną od dziesięcioleci, bowiem (UTHAYAKUMARAN I IN., 2001; OHM I IN., 2010) podkreślali ujemną korelację pomiędzy zawartością tego rodzaju białek a objętością bochenka chlebowego, natomiast pozytywny wpływ na objętość chleba przedstawiali (PARK I IN 2006; LAN I IN., 2009).

U pszenicy zwyczajnej białka glutenowe gluteniny i gliadyny są kodowane przez geny zlokalizowanych na chromosomach należących do 1-6 grup chromosomów homologicznych. Wiele badań o dziedziczeniu gliadyn zostało przeprowadzono, na ich podstawie stwierdzono, że główne geny kodujące gliadyny zorganizowane są w klustery genów, aniżeli jako pojedyncze geny. Uważa się, że ω-gliadyny są kodowane przez loci Gli-1(Gli-A1, Gli-B1, Gli-D1) znajdujących się na krótkich ramionach grup homologicznych chromosomów 1, podczas gdy grupy α- i β-gliadyn są kontrolowane przez loci Gli-2 (Gli-A2, Gli-B2 i Gli-D2) zlokalizowanych na krótkich ramionach chromosomów 1-6. Białka gluteninowe dzielą się na wysoko- oraz niskocząsteczkowe, te pierwsze kodowane są przez kompleks genów zlokalizowane na długim ramieniu 1 grupy chromosomów homologicznych (Glu-A1 ,Glu-B1 , Glu-D1). Dodatkowo każdy z tych loci zawiera dwa ściśle sprzężone geny kodujące podjednostki, określane jako typ- x oraz –y, charakteryzujące się odpowiednio wysoką oraz niską masą cząsteczkową i ściśle zlokalizowane w loci Glu-1-1 i Glu-1-2. Poszczególne typy podjednostek różnią się zawartością cysteiny w typie-x występuje 4 takie aminokwasy, zaś w typie-y siedem, jak również występowaniem powtarzalnych motywów: heksapeptydowe i nanopeptydowe w obydwu podjednostkach, zaś tripeptydowe jedynie w typie-x. W rezultacie u gatunków pszenicy heksaploidalnej trzy loci  powinny kodować aż do szczęściu różnych glutenin wysokocząsteczkowych (ZHANG I IN., 2008). Jednakże ze względu na zjawisko wyciszania niektórych genów, dochodzi do ekspresji tylko pięciu podjednostek HMW u różnych odmian pszenicy zwyczajnej. W szczególności dwie podjednostki są kodowane przez locus Glu-D1, dwie lub jedna przez Glu-B1 oraz jedna lub żadna (allel null) przez locus Glu-A1. W momencie gdy dochodzi do ekspresji jednej podjednostki w loci Glu-B1 lub Glu-A1, zwykle jest to podjenostka typu x. Podobna sytuacja ma miejsce u pszenicy twardej. Natomiast w przypadku uprawnych i dzikich gatunków pszenicy diploidalnej (T. monococcum, T. boeoticum, i T. urartu), dzikiej formie pszenicy tetraploidalnej T .dicoccoides, jak również uprawnych i dzikich formach gatunków z grupy T. timopheevii w locus Glu-A1 może dochodzić do ekspresji podjenostki typu y (SHEWRY I  IN., 2003). Synteza niskocząsteczkowych białek gluteninowych kontrolowana jest przez geny zlokalizowane na krótkich ramionach 1 i 6 grupy chromosomów homologicznych w loci Glu-3, ściśle związanym z loci Gli-1 i Gli-2, w których znajdują się geny α-,γ- i ω-gliadyny (MASCI I IN., 2002; D’OVIDIO I MASCI, 2004; FRANASZEK I IN. 2013). Jak dotąd zostało scharakteryzowanych szesnaście wariantów alleli genów kodujących LMW białka glutenionowe w locus Glu-A3 (allele: Glu-A3a - Glu-A3p), dwadzieścia pięć w locus Glu-B3 (allele: Glu-B3a - Glu-B3y) i dziewięć w locus Gli-D3 (allele: Glu-D3a - GluD3i). Scharaktyzowane zostały także dwa geny kodujące niskocząsteczkowe gluteniny typu-m oraz cztery geny odpowiadające za ekspresję niskocząsteczkowych białek gluteninowych typu-i zlokalizowanych w locus Glu-A3. Natomiast w locus GluB3 zidentyfikowane trzy geny kodujące niskocząsteczkowe podjednostki glutenin typu-s oraz trzy kodujące typ-m. Scharakteryzowane zostały również dwa geny odpowiedzialne za ekspresję niskocząsteczkowych podjednostek glutenionywch na chromosomach 1D oraz 7D (FRANASZEK I IN., 2013; ZHANG I IN., 2013).