1장 연습문제

1. 화아유도와 화아개시는 어떤 차이가 있는가?

2. 양성화와 완전화는 어떤 차이가 있는가?

3. 자웅이주식물이 완전화가 될 수 있는가?

4. 화경과 소화경은 어떤 관계가 있는가?

5. 2배체 식물에서 주심조직은 2배체에서 유래하 는가? 아니면 반수체에서 유래하는가?

6. 호분층의 기능을 설명하여라 7. 제와 주공, 봉선, 합점을 정의하고 차이점을 써보아라

제 2 장 종자의 구성성분

§ 1.종자의 구성물질 결정요인

1. 유전자적 요인 종자의 구성성분은 유전적인 이유로 양적, 질적으 로 종간에도 변이가 크고 종 내에서도 변이가 있다.

화본과 식물은 전분형태의 탄수화물이 저장양분 의 주요한 구성성분이나 콩과식물은 단백질의 함량이 많다. 벼에서도 amylose와 amylopectin의 함량에 따라 밥맛이 달라진다. 밀에서도 단백질조성에 따라 밀가루 품질이 영향을 받는다.

2. 환경적 요인 종자의 성분은 환경요인의 상호작용에 의해 큰 영향을 받는다.

종자의 화학성분은 온도, 강우량, 토양의 수분조건, 영 양조건, 재배법에 따라 … 질소시비는 종자의 단백질 함량을 확실히 증가시킨다. 그러나 벼는 고온 하에서 질소 흡수가 과다해지면 식물체가 비정상적으로 비대하고 종자의 단백질 함 량은 증가하나 전분의 축적이 감소하여 수량이 감소 한다.

육종실험은 이러한 환경변이가 없는 비옥도가 균일한 포장에서 실시하여야 한다.

§ 2. 종자의 구성물질

• 종자의 저장양분은 식물체가 독립 영양체가 될 때까지 유묘의 생장과 발달을 유지시킨다.

• 이 저장양분은 인간과 동물의 식량자원이 되나, 종자에는 항대사성 물질도 있다.

• 종자에는 탄수화물, 지방, 단백질, 유기인, 각종 무기화합물, 대사작용 조절물질들이 함유 • 종자의 구성물질들의 함량은 종에 따라 다양하 다(표 2-1).

• 대부분의 종자는 무기물의 함량은 적다.

• 화곡류는 저장 탄수화물로 대부분이 전분이다.

1. 구성물질의 분포 종자의 저장양분의 대부분은 배나 배유 또는 외배유 등에 저장된다.

콩과작물은 저장양분인 단백질과 탄수화물을 자엽에 저장한다.

자엽은 쌍자엽 식물에서 지방과 단백질을 저장하기도 한다.

브라질 넛은 지방을 배축과 유근에 주로 저장한다.

표 2-1에서 보듯이 종자의 주요 구성성분은 한가지가 아니며 또한 저장 장소도 다양한대, 화곡류에서도 종자 전체에 단백질, 지방, 탄수화물이 분포하며, 대부분 배유에 저장되지만 2탄당, 3탄당 등은 배 축에 저장된다.

2. 탄수화물 (1) 종자 내의 합성과정 대부분 등숙기간 동안에 광합성 산물의 전류로 이루어진다. 전류되는 광합성 산물은 sucrose지만 sucrose자체가 직접 배유로 전류되는지, glucose와 fructose로 분해 된 후 전류되어 재합성되는지는 밝혀지지 않았 다.

전분합성은 배유세포의 amyloplast 내에서 이 루어지는데, sucrose가 UDP와 결합한 후 fructose와 UDPG로 전환되면서 시작된다.

 Monosaccharides Aldose : aldehyde groups – Ketose : ketone groups – reduced group reduced group



Oligosaccharides

Complex sugars – 2~6의 단당이 glycosidic link를 한 형태

 Amylopectin – 20~25개의 α-D-glucose 의 chain에 다시 몇 개의 glucose분자가 α 1,6결합의 가지를 친 탄수화물.

 전분은 amylose(200~1,000 개의 α-D glucose subunit 중합체)와 amylopectin와 2,000 ~ 200,000개로 구성된 가지를 가진다.  Starch – 전분은 식물내에 amyloplast라는 특별한 저장 세포 소기관이나 잎의 엽록체내 에서 발견된다

1. Nucleotides의 구조 Bases: purine---adenine, guanine pyrimidine---thymine, cytosine, uracil pentose: 2'-OH 존재유무에 따라 RNA, DNA phosphate 2 linkages: glycosidic bond (C-N bond in beta configuration), phosphodiester bond 2. 누클레오티드의 역할: DNA와 RNA의 전구체 화학에너지의 운반체 - ATP(adenosine triphosphate), GTP(guanosine tPi) 조효소의 구성성분 - NAD, FAD, coenz.A, etc 활성화된 생합성 중간체의 성분 - UDP(uridine diPi-sugar, CDP- diacylglycerol) 세포내 이차전령: cAMP, cGMP

• UDPG 전분합성효소가 전분합성 초기에 전분 시원체의 역할을 하고, ADPG 전분합성효소 의 의하여 전분합성이 완료된다.

• 찰성의 옥수수에서 수용성 ADPG전분합성효 소가 amylopectin 합성에, 전분립에 결합된 ADPG전분합성효소가 amylose 합성에 관여 하는 것으로 … • 또한 amylopectin의 분지에 Q-enzyme이 관 여하는데, 인지질이 전분가수분해효소와 Q enzyme의 활성을 저해하여, 인지질이 amylopectin 합성을 조절하는 것으로 …

(2) 구성성분 종자의 저장 탄수화물의 대부분은 전분과 hemicellulose이며, 적지만 다양한 종류의 당 들이 존재한다. 그 밖에 비저장성 탄수화물로 서 pectin과 점액물질 등이 있다.

① 단당류 및 복당류 – 주로 배에 존재하고 적은 양으로 생리적 중요한 역할, 콩종자는 배축에 sucrose 등으로 저장한다.

② 전분 – 배유세포의 amyloplast에 전분립으로 형성된다. 전분은 amylose(α-1,4결합 중합체) 와 amylopectin(α-1,4결합 중합체에 α-1,6 결합이 가지친)으로 구성되는데…

Amylopectin의 경우 결합형태에 따라 다른 분해효소 가 필요하다.

식물에 따라 전분립의 크기와 모양이 특성이 다르지만 대개는 amylose의 비율은 23±3%로 일정하다.

③ Cellulose는 β-1,4결합의 α-D-glucose 의 중합체 로 물에 녹지 않고, 미생물이나 효소의 의해 잘 분해 되지 않는다. 주로 과피나 지지체에 존재하여 왕겨, 밀짚의 40~50%를 차지한다.

④ hemicellulose – cellulose에 다른 당이 가지를 친 형태로 비전분성으로 세포벽의 주요 구성물질이고 세포의 증층에 존재하여 세포들을 연결해 주는 접착 물질이다. 밀의 pentosan(그림 2-6)은 제빵 특성을 좌우한다.

⑤ 기타 – 점액물질(mucilage)와 pectin물질 중 pectin 물질은 hemicellulose와 유사하며 식물 체의 1차 세포벽과 세포 간 중층의 구성물질이 다. 또한 식물체에서 친수성이며 점성을 띠어 세포의 중충을 연결하며 물에서는 점성의 교질 을 이루며, 적당한 조건에서는 고체로 변해 잼 과 젤리에서 응고제의 역할을 한다.

(3) 작물별 특성 - 곡물류의 경우 대개 20~25% amylose와 50~75% amylopectin로 구성되며, 쌀의 경우 amylose의 함량 차이가 멥쌀 (7~33%)과 찹쌀(0.8~1.3%)을 결정..

(4) 전분특성의 유전적 개선 – 배유세포는 1개 정핵과 2개의 극핵이 결합한 3배체성이므로 연구 및 개선에 어려움이 있다.

3. 단백질 아미노산이 결합되어 있는 polymer로 아미노산 끼리의 펩티드 결합으로 연결된다. 대부분의 저장 단백질은 불활성이고 종자가 발아할 때 저장양분으로 이용된다.

(1) 종자 내의 합성과정 탄소의 전류형태는 sucrose이며, 질소는 화본 과 식물은 asparagine과 glutamine, 콩과식 물은 여기에 allantoin, allantonic acid가 추 가된다. (2) 종자 단백질의 분획 표 2-2는 종자 저장 단백질의 특성과 그 추출용 액의 일반적 특성을 보여준다.

Protein structure

 The primary st. – acid sequence of the amino  The secondary st. – the conformation of the chain of amino acid : hydrogen bond  The tertiary st. – folding or bending of the chain : hydrogen, ionic, hydrophobic, and disulfide covalent bonds  The quaternary st. – Fig 4-13, zein proteins : hydrophobic and electrosatic forces

1차 구조 (primary) : amino acid sequence

2차 구조 (secondary) : α-helix and β-sheet

3차 구조 (tertiary) : three-dimensional structure by loop or β-turn

Ketosteroid isomerase 3차 구조

4차 구조 (quaternary) : subunit (polypeptide) + subunit (polypeptide) = unit

Amino acids specified by each codon sequence on mRNA. Key for the above table: Ala: Alanine Cys: Cysteine Phe: Phenylalanine Gly: Glycine Lys: Lysine Pro: Proline Thr: Threonine Leu: Leucine Gln: Glutamine Val: Valine Asp: Aspartic acid Glu: Glutamic acid His: Histidine Ile: Isoleucine Met: Methionine Arg: Arginine Trp: Tryptophane Asn: Asparagine Ser: Serine Tyr: Tyrosisne A = adenine G = guanine C = cytosine T = thymine U = uracil

(3) 작물별 특성 ① 벼: glutelin, 아미노산은 lysine ② 보리: prolamin, albumin과 globuline, ③ 밀: albumin과 globuline, 단백질의 질과 양이 밀가루의 가공특성에 큰 영향을 끼친다.

④ 콩: albumin과 globuline ⑤ 옥수수: prolamin (4) 단백질의 함량과 아미노산조성 벼, 보리, 밀, 옥수수의 화본과작물은 특히 lysine 함량이 부족하여 문제시된다. 콩과 식물은 methionine과 cysteine 함량이 적어 문제가 된다.

(5) 단백질의 유전적 개선 종자의 단백질 함량은 미동유전자의 지배를 받 아 환경변이가 커서 유전적 변이의 추정이 어 려워 선발하는데 어려움이 있으며, 종자 단백 질의 함량과 종실수량 간의 부의 상관관계는 고단백, 고수량의 품종을 육성시키는데 큰 문 제가 되고 있다.

종자 단백질 중 영양적 가치가 높은 albumin과 globulin 등은 주로 호분층이 분포한다.

밀은 gliadin은 반죽의 신장성, glutenin은 탄성 을 지배한다.

(6) 환경조건과 단백질의 변화 작물의 영양조건은 종자의 단백질함량의 변이 에 큰 영향을 미친다.

환경변이에 의한 단백질 함량의 증가가 주로 glutelin 함량의 증가에 기인한다(그림 2-14).

종자 발달기의 가뭄, 동해 또는 병해 등은 종자 의 단백질함량을 높이는데, 동해와 병해는 합 성을 저해하지만 상대적 함량을 높이는 것으 로 보인다.

밀의 경우 등숙기가 냉량하고 토양수분이 적당 하면 저단백질, 고온 건조한 지역에서는 고단 백질의 밀이 생산된다.

4. 지방 종자내 지방은 triglyceride형태로 축적되는데, 이때 구성되는 지방산은 주로 palmitate (16:0), oleate(18:1), linoleate(18:2)가 된다.

Triglyceride는 소수성으로 중성지방의 형태로 세포 내에 가장 많이 저장된다.

콩과작물은 자엽에, 화곡류는 배축이나 배반에 주로 저장된다.

종자 내 triglyceride의 지방산 조성은 식물에 따 라 다르다(표 2-6).

Fatty acid structure

Saturated fatty acid (18:0) Unsaturated fatty acid (18:1), (18:2)

Tricylglycerols

(2) 자당으로부터의 지방산합성 Sucrose에서 glucose를 거친 해당과정에서 생성된 acetly-Co A는 carboxylation에 의해 manoly-Co A가 생성되고 중합반응을 거쳐, palmitate(16:0)가 형성되고 여기서 발달한oleate(18:1)는 여러 지방산 의 전구물질이 된다.

(3) 지방체 Triglyceride는 세포질에 지방소립형태로 저장되며, 종 자발달시 구형이 되고 종자가 성숙되면 세포를 채우 게 된다. 이와 같이 지방을 포함하는 세포소기관을 지방체라 하는데, 그 크기는 유채, 겨자, 콩, 땅콩 등 지방함량이 높은 식물에서도 1 u m내외이다.

(4) 지방산 조성과 환경요인 종자의 지방산 조성은 생육온도에 따라 달라져 저온에 생육한 종자의 불포화지방산 비율이 높다.

종자의 지방의 주요 변화는 oleate와 불포화지방산 (linoleate, linolenate)에서 일어나고, oleate desaturase가 지방 종자에서 온도반응을 결정하는 데 중요하다(그림 2-16) (5) 작물별 특성 화곡류는 1~10%가 주로 배에 저장되고 콩은 17~22%가 자엽에 저장된다. 해바리기는 32~46% 가 역시 자엽에 견과류는 65~79%가 자엽과 유근 및 배축에 저장되며 주로 oleate와 linoleate같은 불 포화지방산이 주를 이룬다.

5. 미량성분 (1) 종자 내의 무기성분(phytin)의 분포와 함량 피틴은 종자의 껍질부분에 주로 있으며 백색의 분말형태로 마그네슘, 칼륨 염으로 되어 있 으며 인산저장물질이다.

건조종자의 1~수% 정도로 myo-inositol hexaphosphoric acid의 염이다.

주로 단백체 안쪽에 있으며 호분립 결정체로 존 재한다. (2) 인산성분 ATP, NADPH 및 DNA 등에 존재하는 인산은 대 사에 중요한 성분으로서 종자내 피틴형태로 존재한다.

(3) 토양환경과 종자의 무기성분 호분립결정체(phytin)에는 P, K, Ca, Mg 등이 가장 풍 부하며 그 밖에 Mn, Fe, 등등 이러한 무기물은 토양에서 흡수된 것이므로 토양내 함 량과 이용도가 종자내 함량을 좌우한다.

그러나 중금속(Fe, Zn, Cu, Cd 등)이 오염된 토양에서 재배된 종자에서 이들 독성물질의 함량이 높지 않는 데, 이는 중금속 또는 독성물질의 흡수를 차단하는 것을 의미한다.

미량성분은 수량에는 큰 영향을 끼치지 못한다.

(4) 무기성분의 역할 생리작용의 Co-factor로 작용하여 유묘의 생장에 중 요한 역할을 하고, 독성물질과 중금속의 흡수를 억 제하며 phytin은 단위동물의 영양에 중요한 성분이 다.

6. 항대사성 및 독성 물질 (1) 항대사성 물질 – 종자내 항대사성 물질은 소화장 해와 같은 해를 가져오는데 celiacs와 같은 gluten allergy 를 초래한다. 이에 호밀과 보리에서 α gliadin의 성분이 없는 식품이 개발되고 있다. 그밖 에 albumin에서도 α- amylase나 protease의 작 용을 억제하는 부분이 있다. 또한 콩과식물의 종 자에는 여러 inhibitor가 존재하는데, 종자가 인간 에게 allergy 반응을 일으키는 주 원인은 단백질이 거나 당단백질(glycoprotein)이며 주로 콩과식물 종자에 함유된다. Glycoprotein의 경우 적혈구와 응집반응을 일으켜 해를 끼친다.

(2) Mycotoxin Mycotoxin은 곰팡이가 생성하는 대사물질로 고 등동물에게 유독물질이다. 옥수수의 aflatoxin 등은 곰팡이 감염된 식물에서 많이 발견되며, 밀, 보리 등에서

Fusarium

의 감염에 의한 피 해도 보고되고 있다.

(3) 독성물질 아주까지의 ricin이나 여러 alkaoid이 있는데, 이중 cynogenic compound는 동물체내에서 HCN을 생성 해를 끼친다. Tannin은 단백질과 결합하여 효소의 의한 단백질 분해를 저해한 다.

Ricin - 피마자(Ricinus communis:아주까리)의 종자에 존재하 는 알부민의 일종. 치사독인자와 혈구응집인자를 가지는 독 성단백질이다. 0.25μgN이다. 분자량 열처리 77,000∼85,000이다. 몸무게 20g인 생쥐를 24시간 내에 치사시키는 최소단백질 질소량은 , 0.5% 포르말린 처리, 단백질분해효소 처리 등으로 독성을 잃는다.

알칼로이드 대부분은 - 외떡 쌍떡잎식물 리아재비과 장미과 · 잎식물 에서는 한정된 소수의 것밖에 없고, , 특히 매자나무과 양귀비과 · 미나리과 · · 꼭두서니과 · 애기미나 콩과에 있으며, 꿀풀과 · 가지과 · 겨자과 에서는 발견되지 않는다. 원료가 되는 식물은 대부분 약초로 알려진 것으로, 열대 또는 아열대식물이 많다. 한다.

의 담배에는 니코틴 · 아나바딘 등이 다량 함유되어 있 다. 니코틴은 뿌리에서 만들어지고, 잎은 이것을 축적한다고 양귀비과의 열매에는 많은 알칼로이드가 함유되어 있어, 흔 히 아편알칼로이드라고 불린다. 아편은 성분은 모르핀 (모르히네) · 코데인 · 양귀비 의 덜 익은 과 즙을 건조시킨 것으로 20여 종의 알칼로이드를 함유하고, 주 데바인이며, 이 염산염은 진통 마비성을 가진다. 모르핀은 1805년 독일의 F.W.

제르튀 르너 에 의해서 처음으로 분리된 알칼로이드이다.

2장 연습문제

1. 종자내 구성성분을 알려고 하는 이유는 무엇인 가?

2. 종자 내의 화학조성에 영향을 끼치는 환경요인 을 들고 설명하여라(길게) 3. Amylose와 amylopectin의 차이는 무엇이며 α-amylase와 β-amlyase는 그들의 가수분해에 서 어떤 역할을 하는가?

4. 대개의 유지종자에서 발견되는 가장 보편적인 불포화지방산 두가지를 들어라 5. 토양환경에 따라 종자내 무기성분이 변화되는 예를 들어라.