Предмет биохимии. Связь с другими науками и учебными дисциплинами. Значение биохимии для развития пищевой технологии. Рабочие направления в биохимии. Биологическая химия (биохимия) – наука, изучающая химический (молекулярный) состав живых организмов и протекающие в них химические реакции, которые лежат в основе жизнедеятельности. Объектами изучения биохимии являются различные живые организмы - вирусы, бактерии, растения, животные и организм человека. Совокупность биохимических превращений органических соединений (биомолекул) в живых организмах называется обменом веществ или метаболизмом. Метаболизм, в свою очередь, состоит из процессов биосинтеза веществ, то есть анаболизма, и процессов расщепления веществ, то есть катаболизма. Биохимия состоит из нескольких разделов: 1.Статическая биохимия изучает химический состав организмов и структуру составляющих их молекул (белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеотидов, углеводов и их производных, липидов, витаминов, гормонов). 2.Динамическая биохимия изучает химические реакции, представляющие обмен веществ (метаболизм), а именно пути превращения молекул и механизмы происходящих между ними реакций. Простые молекулы и их производные (моносахариды, жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды и др.), образующиеся в процессе метаболизма, называются метаболитами. Биоэнергетика представляет раздел динамической биохимии, который изучает закономерности образования, аккумуляции и потребления энергии в биологических системах. 3.Функциональная биохимия изучает биохимические реакции, лежащие в основе физиологических функций. Она изучает биохимические основы переваривания питательных веществ в желудочно-кишечном тракте; механизмы мышечного сокращения, проведения нервного импульса, дыхательной функции крови, регуляции кислотно-щелочного равновесия, функции печени и почек, иммунной системы и др. 4.Биохимия человека или медицинская биохимия – это раздел биохимии, который изучает закономерности обмена веществ в человеческом организме, в том числе и при заболеваниях. С целью изучения механизмов развития болезней широко используют метод моделирования патологических процессов на животных. Биохимические превращения веществ, происходящие в процессе хранения и переработки сырья животного происхождения или в готовой продукции можно понять только в сравнении с процессами протекающими в организме животных или под действием микроорганизмов. Велика роль биохимических процессов в молочной, мясной и др., отраслях пищевой, легкой промышленности, например, кожевенной, пушно-меховой. Знание обмена веществ дает инженеру-технологу представление о потребностях организма человека в пластических, энергетических и биологически активных веществах и возможность поиска оптимальных способов их удовлетворения. Т.е. использование знаний биохимии ведет к развитию новой технологии, новой культуре питания. Особенности химического состава живых организмов. Элементарный и молекулярный состав живых организмов. Классификация биогенных элементов. Живые организмы содержат те же химические элементы, что и неживая природа. Содержание некоторых элементов больше, их называют макроэлементами: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера и др. Микроэлементы в организме содержатся в малых количествах, но тоже играют важную роль, например, йод. Вещества, которые встречаются в неживой природе, называются неорганическими. В состав клеток входят вода (до 80%) и минеральные соли. Органические вещества образуются в живых организмах, хотя могут быть синтезированы в лабораториях. Важнейшими из них являются белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) и витамины. Органические вещества образуют важнейшие структуры клетки и служат источником энергии. Характерной особенностью многих органических веществ является их полимерная структура. Так, крахмал состоит из большого числа молекул глюкозы. Белки в процессе пищеварения распадаются на аминокислоты. А ДНК несет важнейшую функцию — является хранителем наследственной информации, зашифрованной в виде последовательности нуклеотидов. Эта информация проявляется через структуру белков, которые помимо структурной несут еще одну очень важную функцию — являются катализаторами химических процессов, происходящих в клетке. Жиры не растворяются в воде, поэтому жироподобные вещества входят в состав клеточных мембран. Витамины участвуют в регуляции обмена веществ. •Классификация по функциональной роли: – Органогены – элементы, входящие в состав органических веществ: C, H, O, N, P, S. На их долю приходится 97-98% массы тела. Усредненный состав белков животных: C – 51-55%; H – 6,5-7,0%; O – 22-24%; S – 0,32,5%; N – 15-18%; P – 0,5%. Классификация по функциональной роли: – Элементы электролитного фона: Na+ , K+ , Mg+2 , Ca+2, Cl- . Ионы Na+ , K+ , Mg+2 и Ca+2 составляют 99% общего содержания металлов в организме. – Микроэлементы – это химические элементы, атомы или ионы которых входят в состав ферментов, гормонов и других биологически активных веществ: Zn2+ карбоангидраза, карбоксипептидаза; Fe3+ - каталаза, пероксидаза; Mo6+ альдегидоксидаза; Co2+ - рибонуклеотидредуктаза. Классификация по содержанию элементов в организме: – Макроэлементы – это биогенные элементы, содержание которых превышает 0,01% массы тела: к ним отнесены шесть органогенов (C, H, O, N, P, S), ионы электролитного фона (Na+ , K+ , Mg2+, Ca2+, Cl- ) и железо. На долю макроэлементов приходится 99,99% массы тела. – Микроэлементы – это биогенные элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10-3 до 10-5 %. К ним относятся: Zn, Mn, Mo, Cu, I, F, Br и др. – Ультрамикроэлементы – это биогенные элементы, содержание которых в организме меньше, чем 10-5 %. К ним относятся: Al, Cr, Se и др. Аминокислоты. Протеиногенные аминокислоты, классификация, биологическая роль. Аминокислот — это органически соединения, физико-химическое поведение и разнообразные реакции которых объясняются одновременным присутствием в молекуле основной аминогрупп NH 2— и кислой карбо ксильно групп —СООН. Различают а-аминокислоты, у которы амино и карбоксильна групп соединен с одни и те ж атомом углерода, и /3-, у-, 6-аминокислоты, функциональны групп которы разделен нескольким атомам угле рода: Та часть молекулы аминокислоты, которая изображена в формуле в виде буквы R, называется боковым радикалом. Боковой радикал у различных аминокислот имеет разную структуру. В качестве структурных элементов (мономеров) в составе белков обнаруживаются 20 различных аминокислот (см. таблицу), таким образом, в белках встречаются 20 различных по структуре боковых цепей. Как видно из таблицы, самым простым боковым радикалом является атом водорода (аминокислота глицин). При взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты с аминогруппой другой возникает ковалентная связь, которая называется пептидной связью. Схематично процесс образования пептидной связи можно записать так: Образовавшееся соединение называется пептидом. Если пептид состоит из двух аминокислот, его называют дипептидом, из трех — трипептидом, из четырех — тетрапептидом и т. д. Данная реакция является обратимой, обратная реакция представляет собой гидролиз пептида (расщепление путем присоединения воды). Следует отметить, что данная схема не отражает процесс биосинтеза белка на рибосомах, так как в нем участвуют не свободные аминокислоты, а их остатки, присоединенные к транспортным РНК (тРНК). В организме встречается значительное количество коротких пептидов, выполняющих разнообразные функции, чаще всего регуляторные. Пептид, содержащий более 40–50 аминокислотных остатков, обычно называют полипептидом, или белком. Таким образом, разница между белком и пептидом заключается в том, что пептидом обычно называют низкомолекулярное соединение, а белком — высокомолекулярное. Молекулы белка могут содержать сотни и даже тысячи аминокислотных остатков: молекулярная масса белков колеблется в пределах от нескольких тысяч до сотен тысяч и даже миллионов дальтон. При наличии 20 различных аминокислот, являющихся мономерами белка, количество вариантов расположения аминокислотных остатков в одной полипептидной цепи составляет 20n, где n — это общее количество аминокислот в цепи. Таким образом, число вариантов расположения аминокислот в белке огромно, и оно возрастает с увеличением количества аминокислот, входящих в состав определенного белка. Протеиногенные аминокислоты А. Протеиногенные аминокислоты Протеиногенными называются 20 аминокислот, которые кодируются генетическим кодом и включаются в белки в процессе трансляции. Классификация этих аминокислот основана как на строении, так и на полярности боковых цепей К алифатическим аминокислотам относятся глицин, аланин, валин, лейцин и изолейцин. Эти аминокислоты не несут в боковой цепи гетероатомов (N, О или S), циклических группировок и характеризуются отчетливо выраженной низкой полярностью. малополярны серосодержащие аминокислоты — метионин и цистеин, причем цистеин существует лишь в недиссоциированном состоянии. Благодаря образованию дисульфидных мостиков, цистеин выполняет важную функцию стабилизации пространственной структуры белков. Аминокислота цистин состоит из двух остатков цистеина, соединенных дисульфидным мостиком. Ароматические аминокислоты содержат мезомерные (резонансно стабилизированные) циклы. В этой группе лишь фенилаланин проявляет низкую полярность. Тирозин и триптофан характеризуются заметной, а гистидин — даже высокой полярностью. Имидазольное кольцо гистидина заметно протонируется уже при слабокислых значениях рН. Поэтому гистидин, обладающий ароматическими свойствами лишь в протонированной форме, может быть отнесен к основным аминокислотам. Тирозин и триптофан сильно поглощают в УФ-области спектра между 250 и 300 нм. Нейтральные аминокислоты содержат гидроксильные (серин, треонин) или карбоксамидные группы (аспарагин, глутамин). Хотя амидные группы неионогенны, молекулы аспарагина и глутамина высоко полярны 1. Классификация по электрохимической природе радикала (R): а) неполярные аминокислоты (их 8) – гидрофобные (нерастворимые в воде): аланин (ала); валин (вал); лейцин (лей); изолейцин (иле); пролин (про); фенилаланин (фен); триптофан (три); метионин (мет); б) полярные аминокислоты (их 12) – растворяются в воде; в свою очередь они делятся на: - незаряженные (их 7): глицин (гли); серин (сер); треонин (тре); цистеин (цис); тирозин (тир); аспарагин (асп); глутамин (глн); - заряженные отрицательно (их 2): аспарагиновая кислота (асп); глутаминовая кислота (глу); - заряженные положительно (их 3): лизин (лиз); гистидин (гис); аргинин (арг). 2. Классификация по способности синтезироваться в организме человека и животных: а) незаменимые (не синтезируются в организме, поэтому должны поступать с пищей, их 8): валин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин, метионин, треонин, лизин); б) заменимые (синтезируются в организме) – их 12. Биологическая роль аминокислот Помимо того, что аминокислоты являются структурными блоками белков, они используются в живых организмах для синтеза разнообразных веществ. Разные аминокислоты (как протеиногенные, так и непротеиногенные) являются предшественниками пептидов, азотистых оснований, гормонов, витаминов, нейромедиаторов, алкалоидов и других важнейших соединений. Так, например, из триптофана синтезируются витамин РР (никотиновая кислота) и серотонин, из тирозина – такие важные гормоны, как адреналин, норадреналин, тироксин. Из аминокислоты валин образуется витамин В3 (пантотеновая кислота). — основные метаболические процессы: синтез и утилизация витаминов, липотропное (жиромобилизующее) действие, гликолиз и гликонеогенез; — процессы детоксикации организма, в том числе при токсикозе беременных; — формирование иммунной системы организма; — энергетические потребности клеток и, прежде всего, мозга, участвуют в образовании нейромедиаторов, обладают антидепрессантной активностью, улучшают память; — метаболизм углеводов, участвуют в образовании и накоплении гликогена в мышцах и печени, обеспечивают наращивание мышечной массы, cнижают утомляемость, улучшают работоспособность; — стимулируют работу гипофиза, увеличивают выработку гормона роста, гормонов щитовидной железы, надпочечников; — участвуют в образовании коллагена и эластина, способствуют восстановлению кожи и костной ткани, а также заживлению ран; — принимают участие в кроветворении, и, прежде всего, в выработке гемоглобина. Белки, определение, состав, уровни структурной организации, биологические функции. Белки — высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков αаминокислот. В состав белков входят углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь. Белки — непериодические полимеры, мономерами которых являются αаминокислоты. Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов αаминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170. Аминокислотные остатки соединены в макромолекулах белков пептидной группой , поэтому белки относят к полипептидам. Аминокислотные остатки соединяются в макромолекулы белков в различной последовательности. Число аминокислотных остатков в молекулах тоже может быть разное. Поэтому многообразие белков практически безгранично. Каждый организм на Земле имеет свой собственный неповторимый набор белков. Белки подразделяют на протеины (простые белки) и протеиды (сложные белки). Белковые молекулы могут содержать от одного до нескольких сотен и даже тысяч аминокислотных остатков, поэтому их относительные молекулярные массы изменяются от десятков тысяч до нескольких миллионов. Свойства белка в первую очередь определяются порядком соединения аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Последовательность аминокислотных остатков в макромолекуле называется первичной структурой белка. Первичная структура белка – последовательность чередования аминокислотных остатков (все связи ковалентные, прочные) (рис. 1). Вторичная структура – форма полипептидной цепи в пространстве. Белковая цепь закручена в спираль (за счет множества водородных связей) (рис. 2). Третичная структура – реальная трехмерная конфигурация, которую принимает в пространстве закрученная спираль (за счет гидрофобных связей), у некоторых белков – S–S-связи (бисульфидные связи) (рис. 3). Четвертичная структура – соединенные друг с другом макромолекулы ПРОСТЫЕ БЕЛКИ – это биополимеры, которые построены из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью. Наука которая изучает строение и функции белков называет протеомикой. Функции белков. Белки выполняют в организме большинство функций и с ними связаны практически все проявления жизни. Белки делят на такие группы: 1. Каталитические белки. Это специализованный класс белков – ферменты. 2. Сократительные белки. Выполняют функцию движения ( актин и миозин). 3. Защитные белки (антитела, другие антимикробные факторы; защита от кровопотери – фибриноген, факторы свертывания крови т.д.) 4. Регуляторные белки. Сигнальные белки и олигопептиды, гормоны, рецепторы и т.д. 5. Транспортные белки (транспорт веществ в крови, через мембраны). Сейчас известно свыше 6 тысяч транспортных белков 6. Структурные белки – мембраные, соединительной ткани (коллаген, эластин т.д.), волос (α– кератин) т.д. 7. Пищевые – содержатся в продуктах питания. 8. Запасные и т.д. 1. Одна из важнейших функций белков — каталитическая. При той температуре и кислотности среды, которая характерна для живой клетки, скорость большинства химических реакций мала. Тем не менее реакции в клетке протекают с очень большой скоростью. Увеличение скорости химических реакций достигается за счет функционирования биологических катализаторов — ферментов. Ферменты — самый крупный и специализированный класс белков. Именно ферменты обеспечивают протекание в клетке многочисленных химических реакций, совокупность которых составляет обмен веществ или метаболизм. В настоящее время известны десятки тысяч различных ферментов. 2. По сравнению с химическими катализаторами ферменты имеют ряд особенностей: Их каталитическая эффективность необычайно высока: ферменты способны • ускорять химические реакции в 10 раз, это значительно выше, чем эффективность химических катализаторов. Ферменты очень специфичны: обычно фермент катализирует лишь одну реакцию (то есть превращение одного вещества, называемого субстратом) или нескольких реакций одного типа. Кроме того, активность ферментов в большинстве случаев регулируется различными химическими соединениями, имеющимися в клетке. Важным свойством некоторых ферментов является способность сопрягать две химические реакции и таким образом осуществлять энергетически невыгодные процессы синтеза сложных веществ за счет энергии, выделяющейся, например, при гидролизе АТФ и других высокоэнергетических соединений. 3. Вторая важная функция белков — это структурная функция. Из структурных белков формируются элементы цитоскелета. К структурным белкам относится, например, фибриллярный белок β-кератин, который образует промежуточные филаменты эпителиальных клеток, входит в состав волос, когтей, рогов и копыт млекопитающих, а также фибриллярный белок коллаген, основной структурный белок соединительной и костной ткани. Химическая структура этих белков, которые выдерживают очень большую нагрузку, идеально приспособлена к выполнению механической функции. 4. Другие типы белков обеспечивают двигательную функцию. По цитоскелетным нитям — микротрубочкам и микрофиламентам — способны АТФ- или ГТФ-зависимо перемещаться моторные белки. Так, по микротрубочкам «ходят» динеины и кинезины, а по актиновым нитям — миозин. Актин и миозин входят не только в сократимые волокна мышечных клеток — миофибриллы, но и участвуют в изменении формы других типов клеток. 5. Некоторые белки выполняют транспортную функцию. а) Прежде всего, это белки мембран, осуществляющие активный перенос веществ из окружающей среды в клетку и обратно. К транспортным белкам относятся также некоторые белки, встроенные в биологические мембраны и формирующие в них поры (каналы). б) Это также белки крови, которые связывают и переносят различные вещества. Наиболее известным из транспортных белков является гемоглобин, который осуществляет перенос кислорода из легких в ткани. Помимо кислорода с кровью переносятся и другие вещества: сывороточные липопротеиды переносят с током крови липиды, а сывороточный альбумин — свободные жирные кислоты. Ионы железа переносятся белком трансферрином, а ионы меди — белком церулоплазмином. 6. Белки способны также осуществлять защитную функцию. При попадании в организм животных или человека вирусов, бактерий, чужеродных белков или других полимеров в организме происходит синтез белков, которые называют антителами, или иммуноглобулинами. Антитела связываются с чужеродными полимерами, которые называют антигенами. 7. Многие живые существа (растения, грибы, бактерии, беспозвоночные, рыбы, амфибии, змеи) для обеспечения защиты и нападения выделяют также белки и пептиды, называемые токсинами. Эти белки подавляют жизненно важные процессы в клетках других организмов, могут разрушать определенные клеточные полимеры, что приводит к гибели организма. 8. Еще одной важной функцией белков является регуляторная. а) Прежде всего, эту функцию выполняют белки — активаторы и репрессоры генов. б) Кроме того, специализированные белки регулируют активность ферментов. в) В специализированных клетках животных осуществляется синтез биологически активных веществ, поступающих непосредственно в кровь, — гормонов. Гормоны способны в очень малых концентрациях обеспечивать регуляцию метаболизма. Часть гормонов (но не все) являются пептидами или белками. Наиболее известным из белковых гормонов является инсулин — гормон, вырабатываемый в поджелудочной железе и регулирующий уровень глюкозы в клетках организма. При недостатке инсулина в организме возникает заболевание, известное как сахарный диабет. Фиолетовые — остатки гистидина, связывающиеся с цинком К белковым гормонам относятся и гормоны, продуцируемые передней долей гипофиза: гормон роста соматотропин, пролактин. Задняя доля гипофиза выделяет пептидные гормоны окситоцин и вазопрессин, каждый из которых состоит из восьми аминокислот и регулирует сокращение мускулатуры матки и сосудов соответственно. г) Многие клетки в организме выделяют белки и пептиды, являющиеся биологически активными соединениями, которые влияют на функции соседних клеток. К ним, в частности, относятся многочисленные факторы роста, которые регулируют рост и развитие клеток определенных тканей, например фактор роста нервной ткани, фактор роста фибробластов. д) Большая часть биологически активных соединений, оказывающих биологических эффект в очень низких концентрациях, в том числе гормоны и факторы роста, связываются со специфическими рецепторами, которые являются белками, часто гликопротеинами. У каждого рецептора есть свой лиганд — вещество, с которым он связывается с крайне высокой специфичностью. Связывание биологически активного вещества (например, гормона или фактора роста) с соответствующим рецептором приводит к изменению конформации (пространственной структуры) рецептора, что является сигналом, инициирующим внутриклеточный каскад передачи сигнала. Результат работы каскада — изменение активности ферментов или генов. Коэффициент пересчета азота на белок в биологическом материале. Азотистый баланс. Азотистым балансом – это разность между количеством белка усвоенного организмом и подвергнутого расщеплению. Количество усвоенного белка рассчитывается по разнице между содержанием азота принятого с пищей и выделенного из организма с калом, а количество белка подвергнутого расщеплению вычисляют по содержанию азота находящегося преимущественно в моче и частично в поте. Для расчета азотистого баланса исходят из того факта, что в среднем в белке содержится примерно 16% азота, т.е. каждые 16 г азота соответствуют 100 г белка. Следовательно, умножив найденное количество азота на 6,25, можно определить искомое количество белка. У взрослого здорового человека при адекватном питании количество введенного в организм азота равно количеству азота, выведенного из организма. Это состояние получило название азотистого равновесия. Если в условиях азотистого равновесия повысить количество белка в пище, то азотистое равновесие вскоре восстанавливается, но уже на новом, более высоком уровне. Таким образом, азотистое равновесие может устанавливаться при значительных колебаниях содержания белка в пище. Состояние, при котором количество усвоенного белка превышает разрушение, называется положительным азотистым балансом. При этом синтез белка преобладает над его распадом. Устойчивый положительный азотистый баланс наблюдается всегда при увеличении массы тела. Он отмечается в период роста организма, во время беременности, в периоде выздоровления после тяжелых заболеваний, а также при усиленных спортивных тренировках, сопровождающихся увеличением мышечной массы. В этих условиях происходит задержка азота в организме (ретенция азота). Таким образом, биологически активные вещества белковой природы и их рецепторы обеспечивают регуляторную функцию белков. 9. Кроме того, белки пищи для животных выполняют энергетическую функцию и функцию источника незаменимых аминокислот. При голодании собственные белки используются в качестве энергетического субстрата в последнюю очередь — когда израсходованы запасы гликогена и жира. Это может приводить к падению мышечной массы, заболеваниям кожи, возникновению язв и др. 10. В ряде случаев белки выполняют запасающую функцию. Чаще всего это происходит в структурах, связанных с размножением. Такие белки откладываются в семенах многих растений (алейроновые зерна), в яйцах животных (овальбумин). Таким образом, белки выполняют все основные функции в живом организме, кроме функций хранения и передачи наследственной информации. Физико-химические свойства белков. Молекулярная масса, коллоидное состояние, растворимость белков, амфотерность. Изоэлектрическое состояние. Высаливание. Денатурация. Значение денатурации белков в пищевой технологии. Белки - высокомолекулярные соединения, но могут сильно отличаться по молекулярной массе, которая колеблется от 6000 до 1 000 000 Д и выше. Молекулярная масса белка зависит от количества аминокислотных остатков в полипептидной цепи, а для олигомерных белков - и от количества входящих в него протомеров. По форме белки делятся на глобулярные и фибриллярные. К глобулярным относят белки, соотношение продольной и поперечной осей которых не превышает 1:10, т.е. белковая молекула имеет форму эллипса. Глобулярные белки водорастворимы. К ним относятся миоглобин и гемоглобин. Фибриллярные белки имеют вытянутую, нитевидную структуру, в которой соотношение продольной и поперечной осей составляет более 1:10. Фибриллярные белки выполняют главным образом опорные функции, обеспечивая прочность тканей. К фибриллярным белкам относят коллагены, эластин, кератин, миозин и фибрин. Электрические свойства белковых молекул Электрические свойства белков определяются присутствием на их поверхности положительно и отрицательно заряженных аминокислотных остатков. Наличие заряженных группировок белка определяет суммарный заряд белковой молекулы. Если в белках преобладают отрицательно заряженные аминокислоты, то его молекула в нейтральном растворе будет иметь отрицательный заряд, если преобладают положительно заряженные – молекула будет иметь положительный заряд. Суммарный заряд белковой молекулы зависит и от кислотности (рН) среды. При увеличении концентрации ионов водорода (увеличении кислотности) происходит подавление диссоциации карбоксильных групп: и в то же время увеличивается число протонированных амино-групп; . Таким образом, при увеличении кислотности среды происходит уменьшение на поверхности молекулы белка числа отрицательно заряженных и увеличение числа положительно заряженных групп. Совсем другая картина наблюдается при снижении концентрации ионов водорода и увеличении концентрации гидроксид-ионов. Число диссоциированных карбоксильных групп возрастает и снижается число протонированных аминогрупп . Итак, изменяя кислотность среды, можно изменить и заряд молекулы белка. При увеличении кислотности среды в молекуле белка снижается число отрицательно заряженных группировок и увеличивается число положительно заряженных, молекула постепенно теряет отрицательный и приобретает положительный заряд. При снижении кислотности раствора наблюдается противоположная картина. Очевидно, что при определенных значениях рН молекула будет электронейтральной, т.е. число положительно заряженных групп будет равно числу отрицательно заряженных групп, и суммарный заряд молекулы будет равен нулю (рис. 14). Значение рН, при котором суммарный заряд белка равен нулю, называется изоэлектрической точкой и обозначается pI. Рис. 14. В состоянии изоэлектрической точки суммарный заряд молекулы белка равен нулю Изоэлектрическая точка для большинства белков находится в области рН от 4,5 до 6,5. Однако есть и исключения. Ниже приведены изоэлектрические точки некоторых белков: Белок pI Пепсин 1,0 Каталаза 5,1 Рибонуклеаза Лизоцим 7,8 11,0 При значениях рН ниже изоэлектрической точки белок несет суммарный положительный заряд, выше – суммарный отрицательный. В изоэлектрической точке растворимость белка минимальна, так как его молекулы в таком состоянии электронейтральны и между ними нет сил взаимного отталкивания, поэтому они могут «слипаться» за счет водородных и ионных связей, гидрофобных взаимодействий, ван-дер-ваальсовых сил. При значениях рН, отличающихся от рI, молекулы белка будут нести одинаковый заряд - либо положительный, либо отрицательный. В результате этого между молекулами будут существовать силы электростатического отталкивания, препятствующие их «слипанию», растворимость будет выше. Растворимость белков Белки бывают растворимые и нерастворимые в воде. Растворимость белков зависит от их структуры, величины рН, солевого состава раствора, температуры и других факторов и определяется природой тех групп, которые находятся на поверхности белковой молекулы. К нерастворимым белкам относятся кератин (волосы, ногти, перья), коллаген (сухожилия), фиброин (щелк, паутина). Многие другие белки растворимы в воде. Растворимость определяется наличием на их поверхности заряженных и полярных группировок (-СОО-, -NH3+, -OH и др.). Заряженные и полярные группировки белков притягивают к себе молекулы воды, и вокруг них формируется гидратная оболочка (рис. 15), существование которой обусловливает их растворимость в воде. Рис. 15. Образование гидратной оболочки вокруг молекулы белка. На растворимость белка влияет наличие нейтральных солей (Na2SO4, (NH4)2SO4 и др.) в растворе. При малых концентрациях солей растворимость белка увеличивается (рис. 16), так как в таких условиях увеличивается степень диссоциации полярных групп и экранируются заряженные группы белковых молекул, тем самым снижается белокбелковое взаимодействие, способствующее образованию агрегатов и выпадению белка в осадок. При высоких концентрациях солей растворимость белка снижается (рис. 16) вследствие разрушения гидратной оболочки, приводящего к агрегации молекул белка. Рис. 16. Зависимость растворимости белка от концентрации соли Существуют белки, которые растворяются только в растворах солей и не растворяются в чистой воде, такие белки называют глобулины. Существуют и другие белки – альбумины, они в отличие от глобулинов хорошо растворимы в чистой воде. Растворимость белков зависит и от рН растворов. Как мы уже отмечали, минимальной растворимостью обладают белки в изоэлектрической точке, что объясняется отсутствием электростатического отталкивания между молекулами белка. При определенных условиях белки могут образовывать гели. При образовании геля молекулы белка формируют густую сеть, внутреннее пространство которой заполнено растворителем. Гели образуют, например, желатина (этот белок используют для приготовления желе) и белки молока при приготовлении простокваши. На растворимость белка оказывает влияние и температура. При действии высокой температуры многие белки выпадают в осадок вследствие нарушения их структуры, но об этом более подробно поговорим в следующем разделе. Денатурация белка Рассмотрим хорошо нам знакомое явление. При нагревании яичного белка происходит постепенное его помутнение, и затем образуется твердый сгусток. Свернувшийся яичный белок – яичный альбумин – после охлаждения оказывается нерастворимым, в то время как до нагревания яичный белок хорошо растворялся в воде. Такие же явления происходят и при нагревании практически всех глобулярных белков. Те изменения, которые произошли при нагревании, называются денатурацией. Белки в естественном состоянии носят название нативных белков, а после денатурации - денатурированных. При денатурации происходит нарушение нативной кон-формации белков в результате разрыва слабых связей (ион-ных, водородных, гидрофобных взаимодействий). В результате этого процесса могут разрушаться четвертичная, третичная и вторичные структуры белка. Первичная структура при этом сохраняется (рис. 17). При денатурации гидрофобные радикалы аминокислот, находящиеся в нативных белках в глубине молекулы, оказываются на поверхности, в результате создаются условия для агрегации. Агрегаты белковых молекул выпадают в осадок. Денатурация сопровождается потерей биологической функции белка. Денатурация белка может быть вызвана не только повышенной температурой, но и другими факторами. Кислоты и щелочи способны вызвать денатурацию белка: в результате их действия происходит перезарядка ионогенных групп, что приводит к разрыву ионных и водородных связей. Мочевина разрушает водородные связи, следствием этого является потеря белками своей нативной структуры. Денатурирующими агентами являются органические растворители и ионы тяжелых металлов: органические растворители разрушают гидрофобные связи, а ионы тяжелых металлов образуют нерастворимые комплексы с белками. Наряду с денатурацией существует и обратный процесс – ренатурация. При снятии денатурирующего фактора возможно восстановление исходной нативной структуры. Например, при медленном охлаждении до комнатной температуры раствора восстанавливается нативная структура и биологическая функция трипсина. Белки могут денатурировать и в клетке при протекании нормальных процессов жизнедеятельности. Совершенно очевидно, что утрата нативной структуры и функции белков – крайне нежелательное событие. В связи с этим следует упомянуть об особых белках – шаперонах. Эти белки способны узнавать частично денатурированные белки и, связываясь с ними, восстанавливать их нативную конформацию. Шапероны также узнают белки, процесс денатурации которых зашел далеко, и транспортируют их в лизосомы, где происходит их расщепление (деградация). Шапероны играют важную роль и в процессе формирования третичной и четвертичной структур во время синтеза белка. Простые белки (протеины), классификация, биологические функции. К протеинам (простым белкам) относят белки, состоящие только из аминокислот. Они, в свою очередь, делятся на группы в зависимости от физико-химических свойств и особенностей аминокислотного состава. Выделяют следующие группы простых белков: 1. альбумины; 2. глобулины; 3. 4. 5. 6. 7. протамины; гистоны; проламины; глютелины; протеиноиды Альбумины Альбумины – широко распространённая группа белков в тканях организма человека. Они имеют сравнительно невысокую молекулярную массу 50 –70 тыс. д. Альбумины в физиологическом диапазоне рН имеют отрицательный заряд, так как в силу высокого содержания глютаминовой кислоты в их составе находятся в изоэлектрическом состоянии при рН 4,7. Имея невысокую молекулярную массу и выраженный заряд, альбумины перемещаются при электрофорезе с достаточно высокой скоростью. Аминокислотный состав альбуминов разнообразен, они содержат весь набор незаменимых аминокислот. Альбумины – высоко гидрофильные белки. Они растворимы в дистиллированной воде. Вокруг молекулы альбуминов формируется мощная гидратная оболочка, поэтому для высаливания их из растворов необходима высокая 100% концентрация сульфата аммония. Альбумины выполняют в организме структурную, транспортную функцию, участвуют в поддержании физико–химических констант крови. Глобулины Глобулины – широко распространённая гетерогенная группа белков, обычно сопутствующая альбуминам. Они имеют более высокую, чем альбумины молекулярную массу – до 200 и более тыс. д., поэтому медленнее перемещаются при электрофорезе. Изоэлектрическая точка глобулинов находится при рН 6,3 – 7. Они отличаются разнообразным набором аминокислот. Глобулины не растворимы в дистиллированной воде, но растворимы в солевых растворах КCl,NaClв концентрации 5 – 10 %. Глобулины менее гидратированы, чем альбумины, поэтому высаливаются из растворов уже при 50% насыщении сульфатом аммония. Глобулины в организме выполняют в основном структурную, защитную, транспортнуе функции. Гистоны Гистоны имеют небольшую молекулярную массу (11-24 тыс. д.). Они богаты щелочными аминокислотами лизином и аргинином, поэтому находятся в изоэлектрическом состоянии в резко щелочной среде при рН 9,5 – 12. В физиологических условиях гистоны имеют положительный заряд. В различных видах гистонов содержание аргинина и лизина варьирует, в связи с чем они делятся на 5 классов. Гистоны Н1и Н2 богаты лизином, гистоны Н3- аргинином. Молекулы гистонов полярны, очень гидрофильны, поэтому с трудом высаливаются из растворов. В клетках положительно заряженные гистоны, как правило, связаны с отрицательно заряженными ДНК в составе хроматина. Гистоны в хроматине формируют остов, на который накручивается молекула ДНК. Основные функции гистонов – структурная и регуляторная. Протамины Протамины – низкомолекулярные щелочные белки. Молекулярная масса их составляет 4 – 12 тыс. д. Протамины в своём составе содержат до 80% аргинина и лизина. Они содержатся в составе таких нуклеопротеидов молоки рыб как клупеин (сельдь), скумбрин (скумбрия). Проламины, глютелины Проламины, глютелины – растительные белки, богатые глютаминовой кислотой (до 43%) и гидрофобными аминокислотами, в частности, пролином (до 10 – 15%). В силу особенностей аминокислотного состава проламины и глютелины не растворимы в воде и солевых растворах, но растворимы в 70% этиловом спирте. Проламины и глютелины являются пищевыми белками злаковых культур, составляя так называемые глютеновые белки. К глютеновым белкам относятся секалин (рожь), глиадин (пшеница), гордеин (ячмень), авенин (овёс). В детском возрасте может наблюдаться непереносимость глютеновых белков, к которым в лимфоидных клетках кишечника вырабатываются антитела. Развивается глютеновая энтеропатия, снижается активность кишечных ферментов. В связи с этим, злаковые отвары детям рекомендуется вводить после 4-х месячного возраста. Не содержат глютеновых белков рис и кукуруза. Протеиноиды Протеиноиды (белковоподобные) – фибриллярные, водонерастворимые белки опорных тканей (костей, хрящей, сухожилий, связок). Они представлены коллагеном, эластином, кератином, фиброином. Коллаген (рождающий клей) – широко распространённый в организме белок, составляет около трети всех белков организма. Входит в состав костей, хрящей, зубов, сухожилий и других видов соединительной ткани. К особенностям аминокислотного состава коллагена относится, прежде всего, высокое содержание глицина (1/3 всех аминокислот), пролина (1/4 всех аминокислот), лейцина. В составе коллагена присутствуют редкие аминокислоты гидроксипролин и гидроксилизин, но отсутствуют циклические аминокислоты. Полипептидные цепи коллагена содержит около 1000 аминокислот. Различают несколько видов коллагена в зависимости от сочетания в нём различных видов полипептидных цепей. К фибриллообразующим видам коллагена относятся коллаген первого типа (преобладает в коже), коллаген второго типа (преобладает в хрящах) и коллаген третьего типа (преобладает в сосудах). У новорожденных детей основная масса коллагена представлена IIIтипом, у взрослых людей-IIиIтипами. Вторичная структура коллагена представляет особую «ломаную» альфа-спираль, в витке которой укладывается 3,3 аминокислоты. Шаг спирали равен 0,29 нм. Три полипептидные цепи коллагена уложены в виде тройного закрученного каната, фиксированного водородными связями, и образуют структурную единицу коллагенового волокна – тропоколлаген. Тропоколлагеновые структуры размещаются параллельными, смещёнными по длине рядами, фиксированными ковалентными связями, и формируют коллагеновое волокно. В промежутках между тропоколлагеном в костной ткани откладывается кальций. Коллагеновые волокна содержат в своём составе углеводы, которые стабилизируют коллагеновые пучки. Кератины - белки волос, ногтей. Они не растворимы в растворах солей, кислот, щелочей. В составе кератинов имеется фракция, которая содержит большое количество серосодеоржащих аминокислот (до 7 – 12%), образующих дисульфидные мостики, придающие высокую прочность этим белкам. Молекулярная масса кератинов очень высока, достигает 2 000 000 д. Кератины могут иметь α– структуру и β- структуру. В α - кератинах три α - спирали объединяются в суперспираль, формирующую протофибриллы. Протофибриллы объединяются в профибриллы, затем в макрофибриллы. Примером β - кератинов является фиброин шёлка. Эластин –белок эластических волокон, связок, сухожилий. Эластин не растворим в воде, не способен к набуханию. В эластине высока доля глицина, валина, лейцина (до 25 – 30%). Эластин способен растягиваться под действием нагрузки и восстанавливать свои размеры после снятия нагрузки. Эластичность связана с присутствием в эластине большого количества межцепочечных сшивок при участии аминокислоты лизина. Две цепи образуют связь лизил – норлейцин, четыре цепи образуют связь – десмозин. Сложные белки (протеиды), классификация, биологические функции. К сложным белкам (протеидам) относят белки, в которых помимо белковой части содержатся небелковые вещества (простетические группы). Сложные белки классифицируют по химическому составу их простетической группы. Выделяют следующие группы сложных белков: 1. хромопротеиды; 2. нуклеопротеиды; 3. липопротеиды; 4. гликопротеиды; 5. фосфопротеиды; 6. металлопротеиды Хромопротеиды содержат в качестве простетической группы окрашенные небелковые соединения. В группе хромопротеидов выделяют гемопротеиды и флавопротеды. В гемопоротеидахпростетической группой является гем – органическое, железосодержащее вещество, придающее белку красный цвет. Гем соединяется с белком глобином за счёт координационных и гидрофобных связей. Примерами гемопротеидов являются белок эритроцитов гемоглобин, белок мышц миоглобин, тканевые белки цитохромы, ферменты каталаза, пероксидаза. Гемопротеиды участвуют в переносе кислорода и в окислительных процессах в тканях. В флавопротеидах содержится простетическая группа жёлтого цвета. В качестве простетической группы могут быть представлены нуклеотиды ФАД, ФМН. К флавопротеидам относится фермент сукцинатдегидрогеназа. Некоторые флавопротеиды содержат в своём составе металлы – металлофлавопротеиды. Флавопротеиды участвуют в окислительных процессах в организме. Нуклеопротеиды состоят из белковой части и нуклеиновых кислот: ДНК или РНК. В ядре локализованы дезоксирибонуклеопротеиды, в цитозоле – рибонуклеопротеиды. Белки в нуклепротеидах ядра представлены в основном гистонами. Белковая и небелковые части нуклеопротеидов связаны ионными и гидрофобными связями. При полном гидролизе нуклеопротеидов образуются аминокислоты, фосфорная кислота, углевод и пуриновые или пиримидиновые азотистые основания. Нуклеопротеиды участвуют в хранении и воспроизведении генетической информации. Липопротеиды в качестве простетической группы содержат различные липиды (триацилглицерины, фосфолипиды, холестерин и др.). Между белком и липидом формируются гидрофобные и ионные связи. Липопротеиды принято делить на структурные, входящие в состав клеточных мембран, и транспортные, осуществляющие перенос липидов кровью. Транспортные липопротеиды представляют собой сферические частицы, внутри которых находятся гидрофобные жиры, а на поверхности – фосфолипиды и гидрофильные белки. Примером липопротеида может служить фактор свёртывания крови – тромбопластин. Фосфопротеиды Фосфопротеиды содержат остатки фосфорной кислоты, соединённые с радикалами остатков серина, реже треонина белковой части сложноэфирными связями. Присоединение фосфорной кислоты к белку может носить обратимый характер и сопровождаться формированием или разрывом ионных связей фосфорной кислоты и заряженных групп белка, что меняет структуру и биологическую активность фосфопротеида. К фосфопротеидам относятся структурные белки костной ткани, казеиноген молока, ововителлин белка куриного яйца, некоторые ферменты (фосфорилаза, гликогенсинтетаза, ТАГ-липаза). Гликопротеиды содержат, как правило, прочно присоединенные гликозидными связями остатки углеводов (моносахаридов, олигосахаридов). Гликопротеиды обычно имеют мозаичную структуру, в которой чередуются углеводные и белковые фрагменты. Углеводная часть придаёт специфичность гликопротеидам и определяет их устойчивость к тканевым ферментам. Гликопротеиды широко представлены в организме человека. Они содержатся как в тканях, так и в биологических жидкостях. Муцин слюны содержит в своём составе до 15% маннозы и галактозы. Гликопротеидами являются некоторые гормоны, например, гонадотропины гипофиза. Некоторые транспортные белки крови относятся к гликопротеидам (трансферрин). Гликопротеидом является фактор свёртывания крови фибриноген, Все виды иммуноглобулинов содержат углеводные фрагменты. Углеводы придают специфичность тканевым рецепторам. Адгезивные белки (фибронектин, ламинин), будучи гликопротеидами, обеспечивают взаимодействие клеток, волокон, гликозаминогликанов соединительной ткани. Металлопротеиды –сложные белки, в состав которых входят металлы. Например, гемосидерин и ферритин содержат железо, фермент алкогольдегидрогеназа содержит цинк. В последнее время предложена классификация белков на семейства - группы близких по структуре и функциям белков, имеющие гомологичные последовательности аминокислот. Например, выделяютсемействосериновых протеаз, содержащих в активном центре аминокислоту серин и участвующих в расщеплении различных белков. В это семейство входят трипсин, химотрипсин, эластаза, многие ферменты свёртывания крови (тромбин), антисвёртывающей системы (фибринолизин).Семейство иммуноглобулиноввключает все виды основных и минорных иммуноглобулинов. Иммуноглобулины имеют вилкообразную структуру, состоящую из двух тяжелых (Н) цепей и двух лёгких цепей (L). Иммуноглобулины, в свою очередь, входят в составсуперсемейства, включающего иммуноглобулины, рецепторы к Т-антигенам, белки гистиосовместимости. Универсальные и специфические качественные реакции на аминокислоты и белки. • РЕАКЦИЯ ПИОТРОВСКОГО (БИУРЕТОВАЯ РЕАКЦИЯ) В белках аминокислоты связаны друг с другом по типу полипептидов и дикетопиперазинов. Образование полипептидов из аминокислот происходит путем отщепления молекулы воды от аминогруппы одной молекулы аминокислоты и карбоксильной группы другой молекулы: РЕАКЦИЯ РУЭМАННА (НИНГИДРИНОВАЯ РЕАКЦИЯ (1911)) • a-Аминокислоты реагируют с нингидрином, образуя сине-фиолетовый комплекс (пурпур Руэманна), интенсивность окраски которого пропорциональна количеству аминокислоты. Реакция идет по схеме: РЕАКЦИЯ ФОЛЯ • Это реакция на цистеин и цистин. При щелочном гидролизе «слабосвязанная сера» в цистеине и цистине достаточно легко отщепляется, в результате чего образуется сероводород, который, реагируя со щелочью, дает сульфиды натрия или калия. При добавлении ацетата свинца(II) образуется осадок сульфида свинца(II) серо-черного цвета. Описание опыта. В пробирку наливают 1 мл раствора цистина, прибавляют 0,5 мл 20%-го раствора гидроксида натрия. Смесь нагревают до кипения, а затем добавляют 0,5 мл раствора ацетата свинца(II). Наблюдается выпадение серо-черного осадка сульфида свинца(II): РЕАКЦИЯ С ФОРМАЛЬДЕГИДОМ • При взаимодействии a-аминокислот с формальдегидом образуются относительно устойчивые карбиноламины – N-метилольные производные, содержащие свободную карбоксильную группу, которую затем титруют щелочью: КСАНТОПРОТЕИНОВАЯ РЕАКЦИЯ • Эта реакция используется для обнаружения a-аминокислот, содержащих ароматические радикалы. Тирозин, триптофан, фенилаланин при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуют нитропроизводные, имеющие желтую окраску. В щелочной среде нитропроизводные этих a-аминокислот дают соли, окрашенные в оранжевый цвет. Описание опыта. В пробирку наливают 1 мл раствора тирозина и добавляют 0,5 мл концентрированной азотной кислоты. Смесь нагревают до появления желтой окраски. После охлаждения добавляют 1–2 мл 20%-го раствора гидроксида натрия до появления оранжевой окраски раствора: • РЕАКЦИЯ НА ТРИПТОФАН Триптофан, реагируя в кислой среде с альдегидами, образует окрашенные продукты конденсации. Например, с глиоксиловой кислотой (являющейся примесью к концентрированной уксусной кислоте) реакция протекает по уравнению: Методы определения содержания белков в пищевом сырье и пищевых продуктах. Определение содержание органического белка методом Кьельдаля Метод был разработан в 1883 году датским химиком Иоганном Кьельдалем в лаборатории Carlsberg. Он позволяет количественно определять содержание органического белка в пробе. Основан на разрушении пептидной связи с последующим высвобождением молекулы азота и его количественного анализа с помощью титрования. Классический метод Кьельдаля предусматривает три простых этапа: разложение, дистилляцию и титрование. После титрования использованное количество титранта соответствует концентрации азота, который был в образце. Перерасчет на белок происходит с помощью коэффициента перерасчета F (6,25 = 0,16 г азота на 1 г белка). Полное время анализа одного составляет образца составляет около 2 часов. Метод достаточно чувствительный, предел определения – 0,1 мг азота. Нагреватели, колбы, стеклянные холодильники – когда метод только открыли, все исполнялось исключительно в ручном режиме. Сегодня же все три этапа – разложение, дистилляция и титрование – могут быть легко выполнены с помощью автоматических систем для анализа белка по Кьельдалю: Минерализатора для разложения образца. Дистиллятора для отгонки аммиака. Скруббера для нейтрализации газов. Преимущества метода Кьельдаля: 1. Это референтный метод, который соответствует всем международным стандартам. 2. Доступность оборудования, возможность поэтапной комплектации. Например, сначала можно приобрести анализатор, а потом дистиллятор. 3. Все современные приборы анализа белка по методу ИК-спектрометрии калибруются на основе метода Кьедаля как эталонного. Определение содержание органического белка методом Дюма Создан химиком Жаном Батистом Дюма в 1848 году. Метод обеспечивает определение общего азота в образце благодаря его полному сжиганию в сфере кислорода. Является альтернативой методу Кьельдаля. Но кроме органического определяет еще и неорганический азот. Как и по Кьельдалю, так и по Дюма используются коэффициенты пересчета азота на белок. После открытия метод Дюма широкого распространения не получил. Возможно из-за того, что физически выполнить его сложнее. Он предполагает очень высокую температуру сгорания – около 1000-1300 ⁰С. Сегодня различные производители предлагают анализаторы по этому методу. Как они работают? Вы берете образец (достаточно 100 мг, чтобы провести анализ) и заворачиваете его в фольгу. Он сгорает при высокой температуре. Далее образец восстанавливается в следующей камере, где есть соединения меди. Потом азот проходит очищение: побочные продукты сгорания абсорбируются путем прохождения через скрубберы. В результате получаем чистый восстановленный азот, который определяется с помощью детектора теплопроводимости (TCD). Преимущества метода Дюма: 1. Нет необходимости использовать прекурсоры, а значит, оформлять горы документации. 2. Отсутствие потери азота на стадии переноса образцов. 3. Существенно короче время анализа, включая этап пробоподготовки: Дюма – до 1 часа, Кьельдаля – до 3 часов. 4. Исключение ошибки оператора. Забота о его здоровье и состоянии окружающей среды. Углеводы, классификация, биологические функции, важнейшие представители в пищевом сырье и пищевых продуктах. В соответствии с традиционной классификацией углеводы подразделяются на 3 класса: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. 1. Моносахариды или монозы (простые сахара) Углеводы с приятным вкусом, которые не способны расщепляться на более простые виды. Этот вид углеводов включает группу многоатомных спиртов с карбонильной группой (альдоза или кетоза). Преимущественно находятся в составе растений и животных. Простые сахара представляют собой порошковые вещества, хорошо впитывающие воду, но плохо растворимые в спирте. Известные представители этого класса: глюкоза и фруктоза. Они занимают весомое место в пищевой промышленности, являются неотъемлемым компонентом некоторых пищевых продуктов и, более того, принимают на себя роль основного субстрата при сбраживании. Виды моносахаридов: - глюкоза. Ее еще называют виноградным сахаром или декстрозой. Встречается во многих продуктах питания, например, зеленые части растений, виноград, семена, ягоды, мёд. Она является составной частью таких углеводных полимеров, как клетчатка, крахмал, сахароза. Данный моносахарид в классификации углеводов - единственный и незаменимый энергетический материал для функционирования мозга. А для сохранения хорошего самочувствия человеку требуется концентрация вещества в размере 80-100 мг на 100 мл крови. Декстроза легко подвергается процессу брожения с помощью дрожжей. - фруктоза или фруктовый сахар, или левулеза. Содержится в зеленых частях растений, свекле, семенах и мёде (до 40%). Участвует в формировании сахарозы и гормона инсулина. Она слаще глюкозы, поэтому широко применяется в пищевой отрасли. 2. Олигосахариды Низкомолекулярные углеводы, которые содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Поэтому по количеству простых сахаров они могут быть дисахаридами, трисахаридами, тетрасахаридами, пентасахаридами и т.д. Наряду с полисахаридами, являются наиболее концентрированным источником калорий в кслассификации углеводов. Олигосахариды растительной природы более разнообразны по составу, чем представители животного происхождения. Классификация углеводов выделяет среди дисахаридов лактозу, мальтозауи сахарозу. Виды олигосахаридов: - лактоза (от лат. «lactum» – молоко) или молочный сахар. Ее молекула сформирована из галактозы и глюкозы. Она активизирует деятельность молочно-кислых бактерий в желудочно-кишечном тракте, противодействующих своим гнилостным родственникам. Большое количество молочного сахара получают из молочной сыворотки, при производстве масла и сыра. Источником этого дисахарида является, например коровье молоко, в котором около 5% вещества, а в человеческом виде молочного продукта – до 8%. Многие люди страдают специфическими заболеваниями, связанными с недостаточностью фермента лактазы, расщепляющего лактозу. - мальтоза (от лат. «maltum» – солод) или солодовый сахар. Включает две молекулы глюкозы. Относится к группе восстанавливаемых дисахаридов. Весьма распространена в природе, особенно много в проросших зернах и солоде. Образуется из крахмала и декстринов, а сама в свою очередь первостепенный компонент крахмальной патоки. Гидролиз мальтозы, при котором образуются две молекулы глюкозы, используется в пищевой промышленности при брожении теста. - сахароза или тростниковый сахар, или свекловичный сахар. Самый известный в классификации углеводов и широко применяемый в пищевой промышленности сахаристый углевод. При гидролизе расщепляет дисахарид на глюкозу и фруктозу. В мире флоры она содержится практически во всех частях растения: листьях, клубнях, плодах, семенах, стеблях. Сахарная свекла насыщена ею до 22%, сахарный тростник – до 15%. Столь богатые запасы вещества закрепили за сахарозой синонимичные названия. 3. Полисахариды или полиозы Высокомолекулярные (несахароподобные) соединения из большого количества моносахаридов и гликозидных связей между ними[1]. Данные углеводы различаются не только составом простых сахаров, но и молекулярной массой и структурными особенностями (линейные или разветвленные). Поэтому и обладают отличительными свойствами друг от друга. Классификация углеводов выделяет гомополисахариды и гетерополисахариды. Первые (гемицеллюлоза, гликоген, клетчатка, крахмал) состоят из молекул исключительно одного вида моноз, а вторые могут включать от двух и более остатков разных простых сахаров. Виды полисахаридов: - гемицеллюлоза. Полимер, который наряду с клетчаткой и целлюлозой задействован в образовании стенок растений. Она сосредоточена преимущественно в оболочке зерен, кожуре семян подсолнечника, а также соломе, плодах кукурузы. Хорошо растворяется в щелочных растворах. К этому полисахариду относят агар – вещество, экскретируемое из водорослей и широко применяемое в кондитерской отрасли. Диетологи относят гемицеллюлозу к группе балластных веществ, обязательных для нормального пищеварения. - гликоген или животный крахмал. Сформирован из значительного количества остатков моносахарида глюкоза. Важный энергетический материал и главный резервный полисахарид животных и человека в классификации углеводов, в некотором количестве находится в зернах кукурузы. Он содержится практически во всех органах и тканях, но наибольшее количество в мышцах и печени. В организме это вещество последовательно переходит в декстрины[2], далее мальтозу и в конце глюкозу. - крахмал. Относится к резервным полисахаридам, основной компонент картофеля и зерна. Его количество в продукте зависит от культуры, сорта, спелости и условий произрастания. Он считается наиболее популярным в классификации углеводов и самым применимым в пищевом производстве несахараподобным углеводом. - клетчатка. Формирует клеточную структуру растительной организации. Она находится в семенах хлопчатника – 98%; древесине – до 50%; пшенице, сое, кукурузе – до 3%. Это соединение гидрофобно и в нейтральной среде устойчиво к кислотам. Продукты гидролиза, содержащие клетчатку, в пищевой промышленности используют как средство получения кормовых дрожжей и спирта. Пектиновые вещества, их свойства, ферментативные превращения, роль в пищевых технологиях и питании человека. Пектиновые вещества — это высокомолекулярные углеводы растительного происхождения, главным структурным компонентом которых является Dгалактуроновая кислота; встречаются в тканях наземных растений и в некоторых водорослях. В тканях некоторых растений содержание пектиновых веществ достигает 30% сухого веса (например, в белой части кожуры цитрусов), в других — их содержание не превышает долей процента. К пектиновым веществам относятся: -пектовая кислота, которая построена из остатков D-галактуроновой кислоты, связанных α-1,4-гликозидными связями в длинные цепи (является основой всех пектиновых веществ); - пектаты — соли пектовой кислоты; - пектины — продукты различной степени метилирования пектовой кислоты по карбоксильным группам, растворяются в воде с образованием плотных гелей; - пектинаты — соли пектинов; - протопектины — нерастворимые в воде вещества высокого молярного веса, в которых линейные молекулы пектинов связаны поперечными мостиками, и другие производные пектина. В растениях пектиновые вещества присутствуют преимущественно в виде нерастворимого протопектина, который содержится главным образом в стенках растительной клетки, в межклеточном цементирующем материале, играя роль опорных элементов тканей; в клеточном соке содержатся пектины и их соли пектинаты. При извлечении пектинов из растительного материала протопектин разрушают горячей соляной кислотой, и образующийся пектин осаждают спиртом. Пектины различных растений характеризуются неодинаковой молярной массой, степенью этерификации карбоксильных групп, распределением метильных групп в молекуле. Полностью метилированная по карбоксилам пектовая кислота содержит около 14% метоксилов, однако природные пектины содержат и свободные карбоксильные группы. В зависимости от степени метилирования пектины делятся на n-пектины, в которых метилировано более 50% всех карбоксильных групп, и Lпектины, содержащие меньше 50% этерифицированных карбоксильных групп. Пектины растворимы в воде и способны в присутствии сахара и органических кислот образовывать плотные гели. К действию кислот пектины довольно стойки, под действием щелочей они разрушаются; легко подвергаются окислительному расщеплению. Ферменты, действующие на пектины, делятся на пектинэстеразы, гидролизующие сложноэфирные группировки, отщепляя метальные группы, и полигалактуроназы, расщепляющие полигалактуронидную цепь до олигоуронидов и далее до Dгалактуроновой кислоты. Эти пектиновые ферменты, различные представители которых встречаются в микроорганизмах и растениях, используют для расщепления пектиновых веществ при осветлении фруктовых соков. Определение пектинов производят измерением количества CO , образующегося при нагревании пектинов с горячей кислотой; спектрофотометрически — по окрашенному комплексу, получаемому при их взаимодействии с карбазолом, и другими способами. Для характеристики промышленных препаратов большое значение имеет определение вязкости пектинов и их способности образовать гели. 2 Промышленные препараты пектинов получают из кожуры цитрусов, яблок и кормового арбуза. Пектиновые вещества применяют в пищевой промышленности (главным образом при получении мармелада и джемов), а также в фармацевтической промышленности. Впервые пектин был получен из фруктового сока. В современном промышленном производстве пищевой пектин выделяют экстракцией жома (яблочного, цитрусового), а также из корзинок подсолнечника и выжимок сахарной свеклы. Образующееся в результате вещество известно как пищевая добавка Е440. Она массово применяется при изготовлении продуктов питания в качестве загустителя, гелеобразователя, осветлителя и стабилизатора. Также востребованы ее способности удерживать влагу, облегчать фильтрование и процесс капсулирования. Пищевая промышленность • студнеобразователь при изготовлении желейно-пастильных изделий (мармелада, зефира, пастилы, начинки для конфет, крема торта). • добавка к лечебным сортам хлебо-булочных и макаронных изделий, для выпечки нечерствеющих сортов хлеба • желеобразователь в производстве фруктво-ягодных наполнителей (для хлебобулочных изделий), конфитюров и прочих плодоовощных консервов; во фруктовых начинках для молочных продуктов пектины обеспечивают необходимые реологические свойства и гарантируют хорошую способность к механическому дозированию. Во фруктовых начинках для йогуртов пектины образуют гладкую и мягкую структуру и подчеркивают вкус исходного фруктового сырья. • эмульгатор для изготовления майонеза и жидких маргаринов в масложировой промышленности; • стабилизатор при изготовлении безалкогольных напитков и различных купажированных соков с мякотью, концентрированных фруктовых напитков; • введение пектина в кисломолочные продукты позволяет также существенно увеличить сроки их хранения • в молочном производстве для стабилизации кисломолочных продуктов, сквашенных или непосредственно подкисленных (соединения фруктового сок + молоко). Пектин реагирует с казеином, предотвращает коагуляцию казеина и позволяет пастеризацию кисломолочных продуктов для продления срока хранения. • в производстве мороженого (в качестве стабилизатора только при выработке плодово-ягодного мороженого) • в производстве сыров (для увеличения их водопоглотительной способности, гелей, киселей, муссов; • в производстве диетического и лечебно - профилактического питания для детей и взрослых пектины используются в качестве источников растворимых пищевых волокон, а также добавок, которые способствуют связыванию ионов тяжелых металлов и их выведению из организма. • при применении в производстве кетчупов яблочные пектины компенсируют недостаточное действие природных пектинов томатов и улучшают реологические свойства готового продукта. Пектиновые вещества, пектины (от греч. pektós — сплочённый, свернувшийся, замёрзший), высокомолекулярные полисахариды, присутствующие в растворимой (растворимый пектин) или нерастворимой (протопектин) форме во всех наземных растениях и в ряде водорослей. Особенно много П. в. во фруктах, ягодах, стеблях (лён), корнеплодах (сахарная свёкла). По химической природе П. в. представляют собой неразветвлённые полигалактурониды — полимеры галактуроновой кислоты, в которой часть карбоксильных групп этерифицирована метиловым спиртом. В состав П. в. входят также нейтральные моносахариды — галактоза, рамноза, арабиноза, ксилоза. Нерастворимые П. в. составляют большую часть первичных клеточных стенок и межклеточного вещества (срединных пластинок) растений; растворимый пектин содержится в клеточном соке. П. в. способствуют удержанию тканей в состоянии тургора, повышают засухоустойчивость растений и устойчивость плодов и овощей при хранении. Размягчение плодов при созревании происходит вследствие изменения количества и качества П. в. под влиянием пектолитических ферментов. В высших растениях, грибах и бактериях имеются пектолитические ферменты: полигалактуроназа, пектинэстераза, пектатлиаза. Наличием пектолитических ферментов у многих грибов и бактерий объясняется их способность к расщеплению П. в., а также патогенность некоторых микроорганизмов. П. в., выделяемые из растений в виде лабораторных или производственных препаратов, называется пектином. Важное в практическом отношении свойство пектина — способность его растворов к образованию прочных гелей, или студней (в присутствии сахара и кислот), что позволяет использовать его как естественный желирующий продукт в пищевой промышленности (производство консервов, кондитерских изделий и т. д.). В качестве сырья для получения пектина служат яблочные выжимки, корка цитрусовых плодов, кормовой арбуз, жом сахарной свёклы, корзинки подсолнуха. Препараты пектолитических ферментов (получаемые при культивировании плесневых грибов или из растительных тканей) применяют для осветления вин и соков. Ферменты, расщепляющие П. в., имеют большое значение в технологии прядильных растений — льна и конопли. П. в. применяют в медицине для лечения желудочных заболеваний и в качестве профилактических средств в ряде вредных производств. Гликозиды и дубильные вещества, их роль в пищевой промышленности. Гликозиды - это природные углеводосодержащие вещества органического характера, преимущественно растительного происхождения. В состав молекулы гликозидов входит сахар и несахаристая часть - агликон, или генин. Греческая приставка "а" означает отрицание, агликон в переводе означает "несахар". Агликон и сахар соединены между собой связью, подобной сложноэфирной, поэтому молекула гликозида легко расщепляется в присутствии воды под влиянием энзимов (ферментов), содержащихся в этих растениях. Формулу гликозида можно представить следующим образом: Связь сахарного остатка (гликозила) с генином (R) осуществляется либо через кислород (O-гликозиды), либо азот (N-гликозиды), либо серу (тиогликозиды), либо углерод (С-гликозиды). Характеристика сахаров. Сахарные компоненты, входящие в состав гликозидов, в основном относятся к моносахаридам. Чаще всего встречаются глюкоза, рамноза, галактоза и др. Иногда в состав гликозидов входит несколько моносахаридов. В этом случае они при ферментативном гидролизе гликозида отщепляются постепенно. В составе некоторых гликозидов (гликозиды сердечной группы) содержатся специфические сахара, нигде более не встречающиеся, например цимароза. По числу молекул сахара гликозиды делятся на монозиды, биозиды, триозиды. Гликозиды, содержащие 4 и более молекул сахара, встречаются реже. Первым установленным сахаром была глюкоза, поэтому соединения назывались глюкозидами. После обнаружения других сахаров утвердилось групповое название "гликозиды". Характеристика агликона. Агликоны гликозидов очень разнообразны. Они принадлежат к различным классам органических соединений: спиртам, альдегидам, кислотам, фенолам, производным антрацена, циклопентанопергидрофенантрена и т. д. Терапевтическое действие гликозидов на организм обусловливается в основном их агликонами. Присутствие сахара способствует растворению, усилению и ускорению их действия. Классификация. В 1890 г. Е. И. Шацкий предложил классификацию гликозидов. В настоящее время в зависимости от химического строения агликона все гликозиды делятся на 2 группы: гомогликозиды и гетерогликозиды. Гомогликозиды (полисахариды) - сахаристая часть и агликон принадлежат к одному классу соединений, то есть полисахаридам (крахмал, целлюлоза или клетчатка, слизи, камеди, пектиновые вещества). Полисахариды содержат только углеводные остатки, поэтому и называются гомогликозидами. Алтей лекарственный, подорожник большой, лен обыкновенный и др. Гетерогликозиды - гликозиды, содержащие в молекуле различные агликоны. Физико-химические свойства. Гликозиды - бесцветные или окрашенные кристаллические вещества, некоторые флавоноиды и антраценопроизводные гликозиды, легко растворимые в воде, труднее в спирте, почти не растворимы в эфире, некоторые из них хорошо растворимы в хлороформе и дихлорэтане. Агликоны в воде не растворяются, но растворимы в органических растворителях. Обладают горьким вкусом (за исключением рутина). С увеличением цепочки углеводных компонентов растворимость гликозидов в воде увеличивается. С увеличением молекулярной массы агликона растворимость гликозида снижается. Все природные гликозиды обладают оптической активностью, имеют определенную температуру плавления. Гликозиды обладают большой реакционной способностью: ферментативный и кислотный гидролиз. Дубильные вещества гидролизуются щелочами. В отличие от алкалоидов гликозиды не имеют общих реакций. Подлинность. Устанавливается по характеру агликона и сахара. Реакции на агликоны зависят от наличия в их молекулах функциональных групп. Например, гликозиды, содержащие в качестве агликона фенол или соединение с фенольным гидроксилом, дают окрашивание с хлоридом железа (III). Одни гликозиды дают характерные окрашивания с серной кислотой: например, строфантин окрашивается в зеленый цвет, амигдалин - в пурпурово-красный, другие образуют осадки с танином; гликозиды наперстянки, адониса, ландыша после гидролиза восстанавливают жидкость Фелинга. Выделение гликозидов. В виду нестойкости и трудности выделения гликозидов их редко применяют в чистом виде. Чаще выделяют гликозиды кардиотонического действия (дигитоксин). Используют сырье для приготовления водных настоев, отваров, новогаленовых препаратов. Учитывая нестойкость гликозидов, при изготовлении лекарственных средств, содержащих гликозиды, избегают их сочетания с кислотами, щелочами, дубильными веществами и солями тяжелых металлов (несовместимости). Распространение. Гликозиды в растительном мире распространены широко. Среди однодольных растений особенно богаты семейства ароидных, мятликовых. Наиболее часто гликозиды встречаются у двудольных в семействах лилейных, норичниковых, бобовых, лютиковых, кутровых, астровых, гречишных, розоцветных, крушиновых. Гликозиды могут находиться во всех органах растений. В одном и том же растении они накапливаются в различных органах, например, в ландыше майском они содержатся в листьях, цветках, траве. Иногда в одном органе могут накапливаться гликозиды, различные как по химическому строению, так и по физиологическому действию; например, в листьях наперстянки пурпурной встречаются гликозиды кардиотонического действия и сапонины стероидного ряда. В присутствии сапонинов активность гликозидов возрастает. Содержание гликозидов в растениях колеблется от 0,01 до 60-70%. В растениях гликозиды находятся в клеточном соке в растворенном состоянии, многие из них обладают флюоресценцией, что позволяет обнаружить локализацию флавоноидов и антрагликозидов с помощью люминесцентного микроскопа. Роль гликозидов. Гликозиды играют важную роль в жизнедеятельности растительного организма: 1) Участвуют в окислительно-восстановительных реакциях в растительной клетке; 2) Являются переносчиками сахара; 3) Многие группы химических веществ в период интенсивного роста и развития растения находятся в виде гликозидов; 4) В большинстве случаев биологическое значение гликозидов обеспечивается структурой агликона. Дуби́льные вещества́, также дубящие вещества — группа разнообразных и сложных по составу растворимых в воде органических веществ ароматического ряда, содержащих гидроксильные радикалы фенольного характера. Дубильные вещества широко распространены в растительном царстве, обладают характерным вяжущим вкусом. Они способны осаждаться из водного или водно-спиртового раствора раствором клея, а с солями железа давать различных оттенков зелёные или синие окрашивания и осадки (чернильного свойства). Дубильными веществами называются высокомолекулярные, генетически связанные между собой природные фенольные соединения, обладающие дубящими свойствами. Они являются производными пирогаллола, пирокатехина, флороглюцина и имеют молекулярную массу от 1000 до 20 000. Простые фенолы дубящее действие не оказывают, но вместе с фенолкарбоновыми кислотами сопутствуют дубильным веществам. Распространение. В природе многие растения (особенно двудольные) содержат дубильные вещества. Среди низших растений они встречаются в лишайниках, грибах, водорослях, среди споровых - во мхах, хвощах, папоротниках. Богаты дубильными веществами представители семейств сосновых, ивовых, гречишных, вересковых, буковых, сумаховых. Семейства розоцветных, бобовых, миртовых насчитывают многочисленные роды и виды, в которых содержание дубильных веществ доходит до 20-30% и более. Больше всего (до 50-70%) дубильных веществ найдено в патологических образованиях - галлах. Наиболее богаты дубильными веществами тропические растения. Дубильные вещества содержатся в подземных и надземных частях растений: накапливаются в клеточном соке. В листьях дубильные вещества, или танниды, обнаружены в клетках эпидермы и паренхимы, окружающих проводящие пучки и жилки, в корневищах и корнях - накапливаются в паренхиме коры и сердцевинных лучах. Биологическая роль дубильных веществ. Роль таннидов для растений окончательно не выяснена. Предполагают, что они являются запасными веществами (накапливаются в подземных частях многих растений) и, обладая бактерицидными и фунгицидными свойствами (фенольные производные), препятствуют гниению древесины, то есть выполняют защитную функцию в отношении возбудителей патогенных заболеваний. Классификация. Существует несколько классификаций дубильных веществ. Одна из них, наиболее старая, но не потерявшая своего значения и в настоящее время, основана на способности дубильных веществ разлагаться при нагревании. Таблица 1. Классификация дубильных веществ Разновидность дубильных веществ Нагревание до 180200°С Действие раствором солей окисного железа Пирогаллоловая группа Выделяется пирогаллол Черно-синее окрашивание Пирокатехиновая группа Выделяется пирокатехин Черно-зеленое окрашивание По классификации Фрейденберга (более поздней) дубильные вещества делятся на гидролизуемые и конденсированные. Обычно в сырье содержатся разные группы дубильных веществ, но преобладает одна из них. Некоторые авторы делят дубильные вещества на 3 группы: 1. Гидролизуемые (галлотанины); 2. Частично гидролизуемые (эллаготанины); 3. Конденсированные (катехины). Гидролизуемые таниды подвергаются гидролизу ферментами (таназой) или кислотами с выделением фенольных соединений. Имеют гликозидный характер. Содержат эфиры ароматических оксикарбоновых кислот (галловой, эллаговой и др.) и сахарный компонент. С солями окисного железа образуют черно-синие осадки. Примером гидролизуемых дубильных веществ является танин. Конденсированные танниды негликозидного характера. Бензольные ядра соединены друг с другом посредством углеродных связей С-С; они являются производными главным образом катехинов и лейкоантоцианидов, с солями железа дают черно-зеленое окрашивание. Составной частью конденсированных дубильных веществ является простейшее соединение этой группы - эпикахетин. Дуб, бадан, лапчатка содержат дубильные вещества смешанной группы конденсированные и гидролизуемые. Дубильные вещества легко извлекаются водой и водно-спиртовыми смесями. Физико-химические свойства. Дубильные вещества обычно аморфные; многие хорошо растворяются в воде и спирте, имеют вяжущий вкус. В растворе дают слабокислую реакцию. В кристаллическом состоянии известны только катехины, они плохо растворимы в холодной воде, лучше в горячей. Многие дубильные вещества оптически активны. Большинство таннидов сильно гигроскопичны. В лекарственных смесях их нельзя смешивать с солями тяжелых металлов, белковыми веществами и алкалоидами, так как образуются осадки. Дубильные вещества с белками создают непроницаемую для воды пленку (дубление). Вызывая частичное свертывание белков, они образуют на слизистых оболочках и раневых поверхностях защитную пленку. При соприкосновении с воздухом (например, резке свежих корневищ) дубильные вещества легко окисляются, превращаясь во флобафены или красени, которые обусловливают темно-бурую окраску многих кор и других Липиды. Общая характеристика, классификация, биологические функции, важнейшие представители в пищевом сырье и пищевых продуктах. Термин "липиды" объединяет вещества, обладающие общим физическим свойством гидрофобностью, т.е. нерастворимостью в воде. По структуре липиды настолько разнообразны, что у них отсутствует общий признак химического строения. Липиды разделяют на классы, в которые объединяют молекулы, имеющие сходное химическое строение и общие биологические свойства. Липиды представляют собой большую группу природных гидрофобных соединений с разнообразной структурой и биологическими функциями, объединяемые в единую категорию по следующим трем признакам: 1) нерастворимость в воде и растворимость в неполярных растворителях; 2) нахождение в природе в виде настоящих или потенциальных сложных эфиров высших жирных кислот; 3) присутствие во всех живых организмах. Биологические функции липидов: 1. структурная; 2. энергетическая; 3. защитная; 4. регуляторная. По функциям липиды подразделяют на: а) резервные липиды (жиры жировых депо); их количество и состав непостоянны и зависят от режима питания и физического состояния организма; б) структурные липиды; их количество и состав в организме строго постоянны, генетически обусловлены и в норме, как правило, не зависят от режима питания и функционального состояния организма. Классификация липидов Функции липидов Биологические функции липидов крайне разнообразны. Жиры и масла представляют собой форму, в которой сохраняется энергия во • многих организмах, фосфолипиды и стероиды представляют собой основные структурные элементы биологических мембран. Стероидные гормоны выполняют регуляторную функцию. Хиноны в мембранах митохондрий и хлоропластов являются переносчиками электронов. Жирные кислоты являются эмульсифицирующими агентами (детергентами), которые эмульгируют жиры в пищеварительной системе. В сетчатке глаза ретиналь (липид, производное витамина А) играет роль светопоглощающего пигмента и принимает участие в передаче сигнала. Освобождаемое при окислении жиров большое количество воды (при сжигании 1 г жира образуется 1,1 г воды) используется животными пустынь (верблюды) или впадающими в зимнюю спячку (сурки, суслики) для нужд метаболизма, поэтому эти животные могут длительное время обходиться без воды, используя свои жировые запасы. Таким образом, жиры могут служить также источником воды. Теплоизоляционная функция: у животных нейтральные жиры откладываются в основном в подкожной клетчатке, где создают хороший теплоизоляционный слой, особенно развитый у морских млекопитающих — китообразных и ластоногих. Откладываясь в полости тела вокруг внутренних органов (например, вокруг почек), жировая подушка защищает их от механических повреждений при движении, прыжках, ударах и т. д. (защитная функция). Жирорастворимые витамины К, Е, D и А играют важные метаболические функции: витамин К необходим для свертывания крови; • витамин Е играет функцию мембранного антиоксиданта и важен для размножения животных; витамин D необходим для минерализации костей (при его недостатке в детском возрасте возникает рахит — нарушение развития скелета); витамин А — предшественник ретиналя, компонента зрительного пигмента глаз. A. Простые липиды: сложные эфиры жирных кислот с различными спиртами. 1. Глицериды (ацилглицерины, или ацилглицеролы – по международной номенклатуре) представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот. 2. Воска: сложные эфиры высших жирных кислот и одноатомных или двухатомных спиртов. Б. Сложные липиды: сложные эфиры жирных кислот со спиртами, дополнительно содержащие и другие группы. 1. Фосфолипиды: липиды, содержащие, помимо жирных кислот и спирта, остаток фосфорной кислоты. В их состав часто входят азотистые основания и другие компоненты: а) глицерофосфолипиды (в роли спирта выступает глицерол); б) сфинголипиды (в роли спирта – сфингозин). 2. Гликолипиды (гликосфинголипиды). 3. Стероиды. 4. Другие сложные липиды: сульфолипиды, аминолипиды. К этому классу можно отнести и липопротеины. B. Предшественники и производные липидов: жирные кислоты, глицерол, стеролы и прочие спирты (помимо глицерола и стеролов), альдегиды 1. Макроэргические вещества. Липиды — наиболее важный из всех питательных веществ источник энергии (см. рис. 349). В количественном отношении липиды — основной энергетический резерв организма. В основном жир содержится в клетках в виде жировых капель, которые служат метаболическим «топливом». Липиды окисляются в митохондриях до воды и диоксида углерода с одновременным образованием большого количества АТФ (ATP) (см. рис. 127). 2. Структурные блоки. Ряд липидов принимает участие в образовании клеточных мембран (см. рис. 217). Типичными мембранными липидами являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерин. Следует отметить, что мембраны не содержат жиров. 3. Изолирующий материал. Жировые отложения в подкожной ткани и вокруг различных органов обладают высокими теплоизолирующими свойствами. Как основной компонент клеточных мембран липиды изолируют клетку от окружающей среды и за счет гидрофобных свойств обеспечивают формирование мембранных потенциалов (см. рис. 341). 4. Прочие функции липидов. Некоторые липиды выполняют в организме специальные функции Стероиды, эйкозаноиды и некоторые метаболиты фосфолипидов выполняют сигнальные функции. Они служат в качестве гормонов, медиаторов и вторичных переносчиков (мессенджеров) (см. с. 358), Отдельные липиды выполняют роль «якоря», удерживающего на мембране белки и другие соединения (см. с. 230). Некоторые липиды являются кофакторами, принимающими участие в ферментативных реакциях, например, в свертывании крови (см. с. 282) или в трансмембранном переносе электронов (см. с. 128). Светочувствительный каротиноид ретиналь играет центральную роль в процессе зрительного восприятия (см. рис. 347). Поскольку некоторые липиды не синтезируются в организме человека, они должны поступать с пищей в виде незаменимых жирных кислот и жирорастворимых витаминов (см. рис. 353). ПНЖК, входящие в состав липидов. Общая характеристика, представители, биологические функции, важнейшие представители в пищевом сырье и пищевых продуктах. Полиненасыщенные жирные кислоты содержат от 2-х и более двойных связей, разделенных метиленовой группой. Кроме отличий по количеству двойных связей, кислоты различаются положением двойных связей относительно начала цепи (обозначается через греческую букву Δ "дельта") или последнего атома углерода цепи (обозначается буквой ω "омега"). По положению двойной связи относительно последнего атома углерода полиненасыщенные жирные кислоты делят на ω9, ω6 и ω3-жирные кислоты. 1. ω6-жирные кислоты. Эти кислоты объединены под названием витамин F, и содержатся в растительных маслах. • линолевая (С18:2, Δ9,12), • γ-линоленовая (С18:3, Δ6,9,12), • арахидоновая (эйкозотетраеновая, С20:4, Δ5,8,11,14). Строение жирных кислот 2. ω3-жирные кислоты: • α-линоленовая (С18:3, Δ9,12,15), • тимнодоновая (эйкозопентаеновая, С20:5, Δ5,8,11,14,17), • клупанодоновая (докозопентаеновая, С22:5, Δ7,10,13,16,19), • цервоновая (докозогексаеновая, С22:6, Δ4,7,10,13,16,19). Пищевые источники Поскольку жирные кислоты определяют свойства молекул, в состав которых они входят, то они находятся в совершенно разных продуктах. Источником насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот являются твердые жиры – сливочное масло, сыр и другие молочные продукты, свиное сало и говяжий жир. Полиненасыщенные ω6-жирные кислоты в большом количестве представлены в растительных маслах (кроме оливкового и пальмового) – подсолнечное, конопляное, льняное масло. В небольшом количестве арахидоновая кислота имеется также в свином жире и молокопродуктах. Наиболее значительным источником ω3-жирных кислот служит жир рыб холодных морей – в первую очередь жир трески. Исключением является α-линоленовая кислота, имеющаяся в конопляном, льняном, кукурузном маслах. Роль жирных кислот 1. Именно с жирными кислотами связана самая известная функция липидов – энергетическая. Благодаря окислению насыщенных жирных кислот ткани организма получают более половины всей энергии (β-окисление), только эритроциты и нервные клетки не используют их в этом качестве. Как энергетический субстрат используются, как правило, насыщенные и мононенасыщенные жирные кислоты. 2. Жирные кислоты входят в состав фосфолипидов и триацилглицеролов. Наличие полиненасыщенных жирных кислот определяет биологическую активность фосфолипидов, свойства биологических мембран, взаимодействие фосфолипидов с мембранными белками и их транспортную и рецепторную активность. 3. Для длинноцепочечных (С22, С24) полиненасыщенных жирных кислот установлено участие в механизмах запоминания и поведенческих реакциях. 4. Еще одна, и очень важная функция ненасыщенных жирных кислот, а именно тех, которые содержат 20 углеродных атомов и формируют группу эйкозановых кислот (эйкозотриеновая (С20:3), арахидоновая (С20:4), тимнодоновая (С20:5)), заключается в том, что они являются субстратом для синтеза эйкозаноидов (перейти) – биологически активных веществ, изменяющих количество цАМФ и цГМФ в клетке, модулирующих метаболизм и активность как самой клетки, так и окружающих клеток. Иначе эти вещества называют местные или тканевые гормоны. Минеральные вещества в живых организмах, Понятие о макро-, микро- и ультрамикроэлементах, биологические функции, важнейшие представители в пищевом сырье и пищевых продуктах. Минеральные вещества оказывают многообразное воздействие на жизнедеятельность организма. Они входят в состав ферментов и гормонов, участвуют во всех видах обмена веществ, активизируют действие витаминов, используются в качестве пластического материала в опорных тканях (костях, хрящах, зубах), участвуют в процессах кроветворения и свертывания крови, в регуляции вводно-солевого обмена, обеспечивают нормальное функционирование мышечной, сердечно-сосудистой и пищеварительной систем. Минеральные вещества, встречающиеся в пищевых продуктах, можно разделить на две группы. Макроэлементы — минеральные вещества, содержащиеся в пищевых продуктах в значительных количествах. Основными макроэлементами в продуктах питания человека являются кальций, фосфор, магний, натрий, хлор, калий, сера. Микроэлементы — минеральные вещества, содержащиеся в пищевых продуктах в очень малых количествах. К ним относятся: железо, кобальт, медь, йод, фтор, цинк, марганец, бром, алюминий, силиций, хром, никель, литий и др. Высокое содержание в продуктах кальция, калия и натрия определяет их щелочную ориентацию (молочные продукты, овощи, фрукты, ягоды, бобовые), а мясо, рыба, яйца, хлеб, крупы, содержащие фосфор, серу и хлор -кислую. В зависимости от содержания минеральных веществ в организме человека и потребности в них также различают микроэлементы и макроэлементы. За исключением кальция, фосфора, железа и йода организм человека не располагает запасами минеральных элементов. Эти элементы незаменимы, так как не образуются в организме. Каждый из минеральных элементов имеет определенное функциональное значение. Макроэлементы Кальций входит в состав минерального компонента костной ткани — оксиапатита, микрокристаллы которого образуют жесткую структуру костной ткани, выполняющей защитно-опорную функцию. Кальций придает стабильность клеточным мембранам — наружной оболочке клеток; обеспечивает прочность межклеточных связей. Кальций необходим для нормальной возбудимости нервной системы и сократимости мышц, является важнейшим компонентом свертывающей системы крови. Всасывание кальция происходит в тонкой кишке с участием особых транспортных механизмов, обеспечивающих возможность его переноса из просвета кишечника в кровоток. При этом всасывание кальция зависит от обеспеченности организма витамином D, который необходим для нормального функционирования систем транспорта кальция в тонкой кишке. Кальций относится к трудноусвояемым минеральным элементам, что обусловлено его содержанием в пищевых продуктах совместно с другими минеральными компонентами — фосфором, магнием, а также с белками и жирами. Всасыванию кальция способствуют белки пищи, лимонная кислота и лактоза (молочный сахар). К факторам, затрудняющим всасывание кальция и способным нарушить его утилизацию, относится избыточное содержание в пище фитиновой кислоты (ею богаты рожь, пшеница, овес и пищевые продукты, полученные из этих злаков), фосфатов (продукты с очень высоким содержанием фосфора: шоколад, икра, мясо, рыба морская), жиров, щавелевой кислоты (некоторые овощи, фрукты). Основными источниками кальция являются молоко и молочные продукты, яичные желтки, овощи, фрукты. Фосфор участвует в построении всех клеточных элементов организма человека, особенно костной и мозговой тканей, участвует в процессах обмена белков, жиров и углеводов. Фосфор незаменим в деятельности мозга, скелетной и сердечной мускулатуры, в образовании ряда гормонов и ферментов. Основными источниками фосфора служат молочные продукты, особенно сыры, а также яйца, рыба, мясо, бобовые. Магний принимает участие в процессах углеводного, белкового и фосфорного обмена. Соединения магния обладают антиспастическими и сосудорасширяющими свойствами, понижают возбудимость центральной нервной системы, а также усиливают желчеотделение и моторную деятельность кишечника. Основными источниками магния в питании являются хлеб (особенно грубого помола), крупы, бобовые. Натрий необходим для протекания процессов внутриклеточного и межклеточного обмена, для обеспечения электролитного и кислотно-щелочного равновесия. Известно, что увеличение содержания в пище хлористого натрия (поваренной соли) ведет к задержке воды в организме и отекам. Пищевые продукты, особенно растительные, бедны натрием. Поступление натрия в организм в основном осуществляется за счет поваренной соли, добавляемой к пище. Хлор играет важную роль в жизнедеятельности человеческого организма, особенно в регуляции водного обмена. Хлориды являются источником образования железами желудка соляной кислоты. В пищевых продуктах, особенно растительных, хлор содержится в незначительных количествах. У человека потребность в хлоридах удовлетворяется в основном за счет поваренной соли, добавляемой к пище. Калий участвует в ферментативных процессах организма. Калий является преимущественно внутриклеточным ионом. Взаимодействие его с внеклеточными ионами натрия имеет большое значение в регуляции водного обмена. Организм очень чувствителен к уменьшению концентрации калия в крови (гипокалиемия). Оно вызывает сонливость, мышечную слабость, потерю аппетита, тошноту, рвоту, уменьшение мочеотделения, расширение сердца, нарушение сердечного ритма, снижение кровяного давления и другие изменения. Источником калия в пище являются в основном продукты растительного происхождения: хлеб, бобовые, картофель, капуста, морковь, фрукты. Максимальное содержание калия — в кондитерских изделиях, какао, миндале, земляных орехах (арахисе), изюме, кураге, черносливе. Сера входит в состав некоторых аминокислот — основного структурного материала для синтеза белков, ферментов, гормонов (инсулина), витаминов (В1). Она играет важную роль в процессах окисления и восстановления, а также в обезвреживании токсических продуктов обмена путем образования с ними в печени неядовитых химических соединений. Источником серы в пище служат мясо, рыба, сыры, яйца, бобовые, хлеб, крупы. Микроэлементы Железо является составной частью гемоглобина, сложных железо-белковых комплексов и ряда ферментов, усиливающих процессы дыхания в клетках. Железо стимулирует кроветворение. Основным источником железа служат зерновые продукты, бобовые, яйца, творог, печень. В овощах, фруктах, ягодах железа сравнительно мало, но они служат ценным источником этого минерала, так как содержащееся в них железо легко усваивается организмом человека. Всасыванию железа из пищевых продуктов способствуют лимонная и аскорбиновая кислоты и фруктоза, которые содержатся во фруктах, ягодах, соках. Так, при питье фруктового сока увеличивается усвоение железа из яиц и хлеба. В зерновых и бобовых продуктах и некоторых овощах содержатся фосфаты, фитины и щавелевая кислота, препятствующие всасыванию железа. При добавлении мяса или рыбы к этим продуктам усвоение железа улучшается, при добавлении молочных продуктов — не меняется, при добавлении яиц — ухудшается. Подавляет усвоение железа крепкий чай. Кобальт - неизменная составляющая растительных и животных организмов. Он оказывает существенное влияние на процессы кроветворения. Это воздействие кобальта наиболее ярко выражено при достаточно высоком содержании в организме железа и меди. Кобальт активирует ряд ферментов, усиливает синтез белков, участвует в выработке витамина В12 и в образовании инсулина. Содержание кобальта в различных пищевых продуктах незначительно. Однако обычно смешанные пищевые рационы вполне удовлетворяют потребность организма в кобальте. Кобальт содержится в незначительных количествах в мясе, рыбе, яйцах, молочных продуктах, картофеле, воде. Более богаты кобальтом печень, почки, свекла, горох, земляника, клубника. Медь входит в состав окислительных ферментов, участвующих в тканевом дыхании, в обмене белков, жиров и углеводов. Она влияет на функциональное состояние печени, щитовидной и других эндокринных желез, на иммунные процессы. Йод участвует в образовании гормона щитовидной железы — тироксина. При недостаточном поступлении в организм йода нарушаются функции щитовидной железы, а впоследствии меняется и ее структура — вплоть до развития так называемого эндемического зоба. В организм йод поступает с пищей, водой и воздухом, однако он присутствует в них в очень небольших количествах. Больше всего йода содержится в морской воде, в растительных и животных продуктах моря. Фтор – участвует в костеобразовании, формировании твердых тканей зубов и зубной эмали. Фтор поступает в организм человека в основном с питьевой водой. Оптимальной концентрацией фтора в питьевой воде является 0,5-1,2 мг на литр. При значительном снижении его уровня в воде (менее 0,5 мг на литр) развиваются явления недостаточности фтора, выражающиеся в резком учащении заболеваний зубным кариесом. В целях профилактики в соответствующих случаях фторирование питьевой воды с доведением содержания в ней фтора до 0,7-1,2мг на литр. Цинк содержится во всех органах и тканях человека. Наибольшая его концентрация выявлена в клетках поджелудочной железы, вырабатывающих гормон инсулин. Цинк участвует также в жировом, белковом и витаминном обмене, в процессах кроветворения и синтезе ряда гормонов. Обычный набор пищевых продуктов, включающий достаточное количество овощей, фруктов, хлеба и молока, удовлетворяет потребности организма человека во всех необходимых ему минеральных веществах. В организмах, составляющих биомассу Земли, обнаружено свыше 60 химических элементов. Среди них условно выделяют группу элементов, встречающихся в составе любого организма. К их числу относят С, N, Н, О, S, Р, Na, К, Са, Mg, Zn, Fe, Cu, Со, Мо, В, и Cl. Первым шести элементам приписывают исключительную роль в биосистемах, так как из них построены важнейшие соединения, составляющие основу живой материи(белки, нукл к.); последующие десять крайне важны для поддержания структуры и функциональной активности биополимеров. По количественному содержанию в живом веществе элементы делят на три категории: макроэлементы, концентрация которых превышает 0,001 % (О, С, Н, Са, N, Р, S, Mg, Na, Cl, Fe), микроэлементы, доля которых составляет от 0,001 до 0,000001 % (Мп, Zn, Cu, В, Мо, Со и многие другие) и ультрамикроэлементы, содержание которых не превышает 0,000001 % (Hg, Au, U, Ra и др.). Из макроэлементов в наибольшем количестве в биомассе содержатся О, С, Н, N и Са. Из них только О и Са широко представлены в земной коре. Н, О, С, N и Р, составляющие вместе более 99% живого вещества, играют выдающуюся роль в явлениях жизни благодаря наличию у них комплекса особых качеств. Первое из них состоит в способности образовывать кратные связи. Второе качество заключается в том, что атомы упомянутых элементов, отличаясь малыми размерами, образуют относительно плотныe молекулы с минимальными межатомными расстояниями, они более устойчивы к действию тех химических агентов. Третье качество присуще в основном Р и S и лишь в небольшой мере N. Оно сводится к возникновению на базе указанных элементов некоторых специфических соединений, при расщеплении которых выделяется повышенное количество энеprии, используемой для процессов жизнедеятельности. Примерно 75% биомассы -составляет вода, хотя ее содержание в организмах различных видов сильно колеблется. Вода играет огромную роль в создании условий для жизнедеятельности. Она образует среду, в которой протекают физико-химические процессы, обеспечивающие постоянное возобновление живого вещества, а также участвует в реакциях гидролиза. Вторым по количественному содержанию в биологических объектах, но, несомненно, первым и главным по значению классом соединений являются белки. Таким образом, в среднем можно принять, что 10% биомассы на Земле представлено белком, т. е. его количество измеряется величинами порядка (0.9-1.2) х 1012 Т.Остальные 50% сухого вещества организмов представлены соединениями других классов. Это-нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и минеральные вещества. Витамины, определение, классификация, биологические функции. Авитаминоз, гиповитаминоз, гипервитаминоз. Витамины (лат. vita жизнь + амины) – низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, абсолютно необходимые для нормальной жизнедеятельности организмов. Являются незаменимыми пищевыми веществами, т.к. за исключением никотиновой кислоты они не синтезируются организмом человека и поступают главным образом в составе продуктов питания. Витамины– это пищевые незаменимые факторы, которые, присутствуя в небольших количествах в пище, обеспечивают нормальное развитие организма животных и человека и адекватную скорость протекания биохимических и физиологических процессов. Как правило, суточная норма витаминов различается в зависимости от возраста, рода занятий, сезона года, пола, беременности и др. факторов. Витамины, растворимые в жирах 1. Витамин А (антиксерофтальмический); ретинол 2. Витамин D (антирахитический); кальциферолы 3. Витамин Е (антистерильный, витамин размножения); токоферолы 4. Витамин К (антигеморрагический); нафтохиноны Витамины, растворимые в воде 1. Витамин B1 (антиневритный); тиамин 2. Витамин В2 (витамин роста); рибофлавин 3. Витамин В6 (антидерматитный, адермин); пиридоксин 4. Витамин B12 (антианемический); цианкобаламин; кобаламин 5. Витамин РР (антипеллагрический, ниацин); никотинамид 6. Витамин Вc (антианемический); фолиевая кислота 7. Витамин В3 (антидерматитный); пантотеновая кислота 8. Витамин Н (антисеборейный, фактор роста бактерий, дрожжей и грибков); биотин 9. Витамин С (антискорбутный); аскорбиновая кислота Витаминоподобные соединения: холин, инозит, витамин V, липоевая кислота, оротовая кислота, пангамовая кислота (В15). Витамин С - аскорбиновая кислота участвует чуть ли не во всех биохимических процессах организма. Обеспечивает: • нормальное развитие соединительной ткани; • заживление ран; • устойчивость к стрессу; • нормальный иммунный статус; • поддерживает процессы кроветворения. Суточная потребность до 30 мг (дети до 3-х лет) до 120 мг (кормление грудью). Большое количество вызывает расстройство кишечника и плохо влияет на почки. Содержится в овощах и фруктах, больше всего - в болгарском перце, черной смородине, шиповнике, облепихе, листовой зелени, свежей капусте, цитрусовых. Витамин В1 - тиамин обеспечивает проведение нервных импульсов. Суточная потребность 1,5 мг. Содержится в хлебе из муки грубого помола, сое, фасоли, горохе, шпинате, нежирной свинине и говядине, особенно в печени и почках. Витамин В2 - рибофлавин обеспечивает: окисление жиров; защиту глаз от ультрафиолета. Суточная потребность: 1,8 мг. Содержится в яйцах, мясе, молоке и молочных продуктах, особенно в твороге, печени, почках, гречке. Витамин В3 - ниацин (витамин РР) обеспечивает «энергетику» практически всех протекающих в организме биохимических процессов. Суточная потребность: 20,0 мг. Содержится в ржаном хлебе, гречке, фасоли, мясе, печени, почках. Витамин В6 - пиридоксин обеспечивает: усвоение белка; производство гемоглобина и эритроцитов; равномерное снабжение клеток глюкозой. Суточная потребность: 2,0 мг. Содержится в мясе, печени, рыбе, яйцах, цельнозерновом хлебе. Витамин В12 - кобаламин обеспечивает: нормальный процесс кроветворения; работу желудочно-кишечного тракта; клеточные процессы в нервной системе. Суточная потребность: 3,0 мкг. Содержится в продуктах животного происхождения: мясе, твороге и сыре. Фолиевая кислота чрезвычайно важна при беременности - обеспечивает: нормальное формирование всех органов и систем плода. Обеспечивает: синтез нуклеиновых кислот (прежде всего ДНК); внутреннюю защиту от атеросклероза. Суточная потребность: 400,0 мг. Для беременных - 600 мг, для кормящих -500 мг. Содержится в зеленых листовых овощах, в бобовых, хлебе из муки грубого помола, печени. Пантотеновая кислота обеспечивает обмен жирных кислот, холестерина, половых гормонов. Суточная потребность: 5,0 мг. Содержится в горохе, фундуке, зеленых листовых овощах, гречневой и овсяной крупе, цветной капусте, печени, почках и сердце, курином мясе, яичном желтке, молоке. Биотин обеспечивает клеточное дыхание, синтез глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот. Суточная потребность: 50,0 мкг. Содержится в дрожжах, помидорах, шпинате, сое, яичном желтке, грибах, печени. К жирорастворимым витаминам относятся: витамины А, Д, Е и К. Их основная особенность - способы накапливаться в тканях организма, в основном, в печени. Витамин А - ретинол обеспечивает: • процессы роста и размножения; • функционирование кожного эпителия и костной ткани; • поддержание имуннологического статуса; • восприятие света сетчаткой глаза. Суточная потребность 900 мкг. Содержится в виде ретинола в животной пище (Рыбий жир, печень, особенно говяжья, икра, молоко, сливочное масло, сметана, творог, сыр, яичный желток) и в виде провитамина каротина в растительной (зеленые и желтые овощи, морковь, бобовые, персики, абрикосы, шиповник, облепиха, черешня). Витамин Д - кальциферол чрезвычайно важен для новорожденного ребенка, без этого витамина невозможно нормальное формирование скелета. Кальциферол может образовываться в коже под действием солнечного света. Обеспечивает обмен кальция и фосфора в организме; прочность костной ткани. Суточная потребность 10,0 мкг (400 МЕ). Содержится в печени рыбы. В меньшей степени - в яйцах птиц. Часть витамина Д поступает в организм не с пищей, а синтезируется в коже под действием солнечных лучей. Витамин Е - токоферол один из основных антиоксидантов нашего организма, инактивирующий свободные радикалы и предотвращающий разрушение клеток. Суточная потребность: 15 мг. Содержится в растительных маслах: подсолнечном, хлопковом, кукурузном, миндале, арахисе, зеленых листовых овощах, злаковых, бобовых, яичном желтке, печени, молоке. Витамин К - обеспечивает в синтез в печени некоторых факторов свертывания крови, участвует в формировании костной ткани. Суточная потребность: 120,0 мкг. Содержится в шпинате, цветной и белокочанной капусте, листьях крапивы, помидорах, печени. При полном отсутствии в организме какого-либо витамина развивается авитаминоз – тяжелейшее заболевания, которое может стать причиной других болезней, таких как рахит, цинга, пеллагра, бери-бери, куриная слепота. В наше время авитаминоз – очень редкое явление. Более распространенными являются гиповитаминозы — случаи частичной недостаточности какого-либо витамина. Симптомами гиповитаминоза являются: легкое недомогание, быстрая утомляемость, снижение работоспособности, повышенная раздражимость, снижение сопротивляемости организма к инфекциям. Чаще всего гиповитаминоз наблюдается в конце зимы и весной, когда снижается содержание витаминов в продуктах питания или в рационе питания содержится недостаточное количество продуктов, богатых необходимыми витаминами. Именно в этот период необходимо обратить особое внимание на набор продуктов, используемых в рационе питания. Также причинами гиповитаминоза могут быть: • Однообразное, несбалансированное питание; • Ограничения в употреблении продуктов питания без их полноценной замены в период религиозных постов; • Увеличение потребности в витаминах в периоды беременности и кормления, активного роста организма; усиленных физических нагрузок; • Наличие заболеваний или прием препаратов, нарушающих всасывание или усвоение витаминов и др. Также, кроме недостатка витаминов, существует другая крайность, приносящая вред организму — их избыток. При избыточном употреблении витаминов происходит отравление организма (интоксикация), которое называется гипервитаминоз. Чаще всего оно наблюдается у молодых людей, занимающихся бодибилдингом и неумеренно употребляющих пищевые добавки и витаминные препараты. Витамины принято обозначать буквами латинского алфавита — А, В, С, D, Е и т. д. Основное количество витаминов поступает в организм с пищей. Но, частично некоторые витамины могут образовываться непосредственно в организме человека. В качестве единицы измерения витаминов используется их содержание в миллиграммах на 100 грамм продукта питания — мг/100гр. На потребность человека в витаминах влияют различные факторы: возраст, состояние здоровья, условия жизни, характер деятельности, время года, содержание в пище основных компонентов питания. Водорастворимые витамины. В1, В2,В3, В5, В6, В12, С, Р, строение, свойства, биологические функции. Содержание витаминов в пищевом сырье и пищевых продуктах. Влияние хранения и способов переработки биологического сырья на сохранность витаминов. ВИТАМИН В1 ( ТИАМИН, АНТИНЕВРИТНЫЙ) Источники: Черный хлеб, злаки, горох, фасоль, мясо, дрожжи. Суточная потребность:2,0-3,0 мг. Строение: В составе тиамина определяется пиримидиновое кольцо, соединенное с тиазоловым кольцом. Коферментной формой витамина является тиаминдифосфат. Метаболизм: Всасывается в тонком кишечнике в виде свободного тиамина. Витамин фосфорилируется непосредственно в клетке-мишени. Примерно 50% всего В1 находится в мышцах, около 40% – в печени. Единовременно в организме содержится не более 30 суточных доз витамина. Биохимические функции 1. Входит в состав тиаминдифосфата (ТДФ), который является коферментом: o фермента транскетолазы пентозофосфатного пути, в котором образуется рибоза, необходимая для синтеза нуклеиновых кислот ДНК и РНК, обеспечивающих рост тканей. o ферментов пируватдегидрогеназы и α-кетоглутаратдегидрогеназы, которые участвуют в энергетическом обмене. 2.Входит в состав тиаминтрифосфата в нервной ткани, участвующего в передаче нервного импульса. 3.Другие производные витамина являются ингибиторами моноаминооксидазы (фермент см "Обезвреживание биогенных аминов"), что способствует пролонгированному действию катехоламинов в ЦНС. Гиповитаминоз Причина. Недостаток в пище, а также избыток алкоголь-содержащих напитков или углеводных продуктов питания, которые повышают потребность в витамине. Антивитамины В1 В кишечнике имеется бактериальная тиаминаза, разрушающая тиамин. Также этот фермент активен в сырой рыбе, устрицах. Лекарственные формы Свободный тиамин и ТДФ (кокарбоксилаза). ВИТАМИН В2 ( РИБОФЛАВИН, ВИТАМИН РОСТА) Источники: Достаточное количество содержат мясные продукты, печень, почки, молочные продукты, дрожжи. Также витамин образуется кишечными бактериями. Суточная потребность: 2,0-2,5 мг. Строение: В состав рибофлавина входит флавин – изоаллоксазиновое кольцо с заместителями (азотистое основание) и спирт рибитол. Коферментные формы витамина дополнительно содержат либо только фосфорную кислоту – флавинмононуклеотид (ФМН), либо фосфорную кислоту, дополнительно связанную с АМФ – флавинадениндинуклеотид (см также упрощенные формулы коферментов). www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Метаболизм В кишечнике рибофлавин освобождается из состава пищевых ФМН и ФАД, и диффундирует в кровь. В слизистой кишечника и других тканях вновь образуется ФМН и ФАД. 37 Биохимические функции Кофермент оксидоредуктаз – обеспечивает перенос 2 атомов водорода в окислительно-восстановительных реакциях. Витамин содержат: 1.Дегидрогеназы энергетического обмена – пируватдегидрогеназа, α-кетоглутаратдегидрогеназа, сукцинатдегидрогеназа, ацил-КоА-дегидрогеназа, митохондриальная αглицеролфосфатдегидрогеназа. 2.Оксидазы, окисляющие субстраты с участием молекулярного кислорода. Гиповитаминоз Причина. Пищевая недостаточность, хранение пищевых продуктов на свету, фототерапия, алкоголизм и нарушения ЖКТ. Витамины, их коферментные формы, функции 38 Антивитамины В2 Свободный рибофлавин, ФМН и ФАД (коферментные формы). ВИТАМИН В3 ( РР, НИАЦИН, АНТИПЕЛЛАГРИЧЕСКИЙ) Название дано от итальянского выражения preventive pellagra – предотвращающий пеллагру. Источники: Хорошим источником являются печень, мясо, рыба, бобовые, гречка, черный хлеб, в молоке и яйцах витамина мало. Также синтезируется в организме из триптофана – 60 мг триптофана равноценны примерно 1 мг никотинамида. Суточная потребность: 15-25 мг. Строение: Витамин существует в виде никотиновой кислоты или никотинамида. Его коферментными формами являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и фосфорилированная по рибозе форма – никотинамидадениндинуклеотид Влияние переработки на витамины Витамины - очень неустойчивые соединения, которые легко разрушаются под влиянием окружающей среды - под действием света, тепла, воздуха, а также при контакте с металлами. Поэтому их необходимо "щадить" при приготовлении пищи. Жирорастворимые витамины (А, Е, К, каротин). Эти витамины достаточно устойчивы к термической обработке, например, варке, но быстро окисляются на свету и воздухе, поэтому растительные и животные масла, богатые жирорастворимыми витаминами, рекомендуется хранить в прохладных, недоступных солнечному свету местах. Растительные масла также окисляются при контакте с воздухом, поэтому хранить их рекомендуется в стеклянных темных бутылях с плотно прикрученной крышкой. Не допустимо растаивание и повторное замораживание сливочного масла. Молоко, молочные и кисломолочные продукты являются поставщиками в организм таких ценных витаминов, как В1, В2, В6, В12, никотиновой кислоты, фолиевой кислоты, витаминов А, Е. При кипячении молока количество содержащихся в нем витаминов значительно снижается, лучше использовать пастеризованное молоко. Тепловая обработка (пастеризация и стерилизация) оказывают влияние на содержание растворимых в воде витаминов, чувствительных к нагреванию, таких, как, В6, В12, В9, С. Жирорастворимые витамины (А и D) и некоторые другие водорастворимые витамины (В1, B2, В5, В8 и РР) лучше сохраняются при тепловой обработке (пастеризации и стерилизации). Учитывая, что молоко и молочные продукты скоропортящиеся и что витамины группы В, содержащиеся в них, быстро разрушаются под действием света, хранить молоко, кефир, творог, сыр и прочее рекомендуется в холодильнике. Яйца (куриные, перепелиные), используемые в питании, богаты жирорастворимыми (A, D, Е) и водорастворимыми витаминами - B1, B2, В6. При термической обработке продукта (особенно варке) значительно снижается концентрация витамина В6, потери других - незначительны. Мясо, рыба, а также мясные и рыбные продукты и субпродукты являются ценным источником не только минеральных солей, но и практически всего спектра витамина В и жирорастворимых витаминов. Для сохранения витаминной ценности мяса, мясных и рыбных продуктов не следует превышать принятые сроки термической обработки (для мяса: обжаривание - до 30 минут, тушение - от 1 до 1,5 часов в зависимости от величины куска, запекание -1,5 часа; для рыбы: обжаривание 15-20 минут, тушение - 30 минут, запекание - 30 минут). Также важно разбираться и в способах термической обработки: самый щадящий - это приготовление блюд на пару, тушение, затем запекание, обжаривание, приготовление котлет. Самая большая потеря витаминов, таких, как A,B1, B2, PP, наблюдается при отваривании мяса и рыбы. Витаминная ценность животных продуктов значительно снижается при повторном замораживании. Оттаивание замороженных продуктов необходимо производить при комнатной температуре, в крайнем случае в холодной воде, что позволяет максимально сохранить витаминную ценность продуктов. Во избежание процессов окисления витаминов, для приготовления пищи не рекомендуется использовать металлическую посуду или эмалированные емкости со сколами. Крупы, хлеб, хлебобулочные и макаронные изделия являются поставщиком витаминов группы В: В1, В5, В6, никотиновой кислоты. Особенно богаты витаминами группы В дрожжи, используемые при производстве хлебобулочных изделий, поэтому не следует допускать "высыхания" хлеба. Однако не рекомендуется употреблять в пищу и свежевыпеченный хлеб, потому что он отрицательно влияет на работу желудочно-кишечного тракта, вызывая процессы брожения, газообразования. Если для приготовления каши необходимо предварительно промыть или замочить крупу, для сохранения большей витаминной ценности рекомендуется это делать в прохладной воде. Овощи, зелень и фрукты - основные источники витамина С, который начинает "распадаться" практически сразу после того, как сорвали растение, его количество значительно снижается при хранении и кулинарной обработке, поэтому дефицит этого витамина встречается чаще всего. При хранении срезанной зелени в холодильнике в течение 2 суток теряется только 8% аскорбиновой кислоты, а при комнатной температуре эти потери возрастают до 80%. Воздействие солнечных лучей при хранении овощей и фруктов увеличивает потери витамина С втрое, в таких условиях листовой салат или зелень могут полностью лишиться этого витамина в течение нескольких часов. Овощи и фрукты богаты также витаминами группы В: В6, В5, каротином, фолиевой кислотой, витаминами Е и К. Витаминная ценность этих продуктов также теряется при длительном хранении даже в темном прохладном месте. Не рекомендуется длительное замачивание нарезанных овощей в воде. С этой точки зрения не рекомендуется чистить, тем более резать овощи заранее (лук, картофель и т.д.), к примеру, ненарезанный картофель при замачивании в воде в течение 12 часов теряет 9% аскорбиновой кислоты, а нарезанный - до 50%. Лучше всего очищать и мыть овощи непосредственно перед их приготовлением, а если такой возможности нет, то очищенные овощи можно накрыть влажной тканью или полотенцем. А вот бобовые (фасоль, горох) в отличие от других овощей, наоборот, перед варкой следует замачивать в холодной воде на несколько часов. Процесс "замачивания" позволяет размягчить грубоволокнистую ткань продукта, что позволяет сократить процесс варки и тем самым сохранить больше витаминов. При варке овощей, в том числе при приготовлении первых блюд, их следует опускать не в холодную, а в кипящую воду. При этом быстро инактивируется фермент аскорбатоксидаза, разрушающий аскорбиновую кислоту. При варке овощей (например, для первых блюд) часть витаминов и минеральных веществ переходит в отвар, поэтому при приготовлении первых блюд не следует сливать овощной бульон (то же самое касается бобовых и круп). Наибольшее количество витаминов сохраняется в процессе замораживания продуктов. Особенно эффективно в этом отношении быстрое замораживание, при котором исключается повреждение структурных единиц клеток растений. Размораживание продуктов лучше производить при комнатной температуре или поместив герметично упакованный пакет в емкость с холодной водой. При размораживании в горячей и тем более проточной воде "вымываются" практически все витамины. Обычная (солнечно-воздушная) и тепловая сушка (в сушильных шкафах и духовках) плодов - очень неэкономный способ заготовки с точки зрения сохранности витаминов. При достижении нужной консистенции продукта теряется больше 50% витаминов. Жирорастворимые витамины. Классификация, представители, участие в обменных процессах витаминов А, Д, Е, К, F,Q, строение, свойства, биологические функции. Содержание витаминов в пищевом сырье и пищевых продуктах. Влияние хранения и способов переработки биологического сырья на сохранность витаминов. Витамин Б >еская роль9 А (ретинол, антиксерофта льмический) • Обеспечивает нормальный рост и развитие покров­ ного эпителия, процессы регенерации • Входит в состав зрительного пигмента палочек - родопсина, а также пигмента колбочек - йодопсина. Таким образом, витамин А неоходим для нормально­ го зрения. • Отвечает за рост и дифференцировку тканей • Участвует в синтезе белков и нуклеиновых кислот • Является стабилизатором клеточных и лизосомаль- ных мембран (антиоксидант) • Антиинфекционное действие - отвечает за барьер­ ную функцию кожи и слизистых D (кальциферол, антирахитный) Участвует в фосфорнокалыдиевом обмене: усиливает всасывание кальция и фосфора в тонком кишечнике, увеличивает их реабсорбцию в почках, с пособствует минерализации костей Е (токоферол) Обладает антиоксидантной активностью (блокирует нерекисное окисление липидов). Эффект наблюдается на уровне мембран клеток, митохондрий, эритроцитов, скелетной мускулатуры, миокарда, мужских репродук­тивных органов (стимулирует сперматогенез). Необхо­дим для развития плода и нормального течения родов. К (филохинон, антигеморраги ческий) • Стимулирует синтез в печени протромбина и других факторов свертывания крови • Катализирует реакцию превращения фибриногена в фибрин • Участвует в образовании тромбина из протромбина. Таким образом, витамин К необходим для нормаль­ ного свертывания крови. Суточная потребность в жирорастворимых витаминах и их содержание в различных продуктах. Суточная Где содержится А 1.5 мг Каротин - во всех красных, оран­жевых овощах. Витамин А - печень, яйца, сливочное масло D 2.5 мкг 100 ME Печень трески, рыба, рыбий жир, сливочное масло. Образуется в организме под действием УФИ. Е 15 мг Растительные масла, гречневая кру­па, животные масла и др. К 0.2-0.3 мг точно не установлена Капуста, шпинат, салат. Синтезиру­ется микрофлорой кишечника. Витамин А - ретинол - имеет несколько модификаций, из которых наиболее распространенным считают витамин Ai, содержащийся в печени морских рыб: Витамин А2 отличается от А| добавочной двойной связью между 3-м и 4-м углеродными атомами шестичленного цикла (содержится в печени пресноводных рыб). Обе формы (At и А2) существуют в виде ряда геометрических изомеров, но лишь некоторые из них физиологически активны. Таким образом, витамин А состоит из смеси циклических ненасыщенных спиртов характерного химического строения с большим числом сопряженных двойных связей. Это кристаллические тела лимонножелтого цвета с температурой плавления от 59 до 64 °С (в зависимости от вида геометрического изомера), хорошо растворимые в жирах и жироподобных растворителях: бензине, серном эфире, хлороформе, ацетоне. Витамины группы А легко окисляются как в лабораторных условиях (посредством Мп02), так и в организме. Окисляясь в организме при участии биокатализатора, ретинол (спирт) превращается в ретиналь (альдегид), тоже обладающий активностью витамина А. Однако при отсутствии 02 ретинол устойчив даже при 100 °С. В тканях животных организмов, например в печени, витамин А часто находится в форме сложных эфиров с пальмитиновой кислотой. В таком виде он более устойчив и, следовательно, может запасаться впрок, высвобождаясь по мере надобности. При отсутствии в пище витамина А в организме животного и человека развивается ряд специфических патологических изменений: ослабление зрения (сумеречная, или «куриная» слепота), поражение эпителиальных тканей (сухость, слущивание эпителия), в том числе роговицы глаза (ее сухость и воспаление называется ксерофтальмией, отсюда и название витамина А - антиксерофтальмический). Кроме того, при А-авитаминозе наблюдается торможение роста, снижение веса и общее истощение организма. Сухость кожи и слизистых оболочек, способствующая проникновению в организм болезнетворных микробов, ведет к возникновению дерматитов, бронхитов и катаров дыхательных путей. Витамин А, предохраняющий от этих инфекционных заболеваний, относят поэтому к группе антиинфекционных витаминов. У растений только при достаточном содержании предшественников витамина А (каротиноидов) происходят нормальное прорастание пыльцы и оплодотворение. Роль витамина А в поддержании остроты зрения заключается в том, что окисленная форма витамина А (ретиналь) в виде г/мс- изомера является простетической группой белка - опсина и образует с последним хромопротеин родопсин, или зрительный пурпур - основное светочувствительное вещество сетчатки (ретины) глаза (отсюда и название ретинол). Источниками витамина А для человека являются рыбий жир, печень рыб и домашних животных, желток яйца, сливочное масло, зеленые части растений и красномякотные овощи: морковь, перец, томаты. В двух последних витамин А содержится в виде провитамина, которым является p-каротин. Молекула Р-каротина распадается в кишечнике человека и животных с образованием двух молекул витамина А|. Витамин D - кальциферол, - как и витамин А, существует в виде нескольких витамеров. Наиболее распространены витамины D2 и D3, которые можно рассматривать как производные стеролов: Провитаминами D2 и D3 являются соответственно эргостерол и холестерол, которые переходят в активную форму в результате размыкания С-С связи в кольце под действием солнечных лучей (холестерол предварительно дегидрирует и переходит в 7-дегид- рохолестерол, являющийся непосредственно провитамином). При наличии соответствующих провитаминов (например, 7-дегидрохолес- терола у человека) витамин D3 может синтезироваться в организме, и его поступление с пищей не обязательно. Витамины D2 и D3 - бесцветные кристаллы, плавящиеся при температуре 115-116 °С, не растворимые в воде, но хорошо растворяющиеся в жирах и растворителях жиров (хлороформе, бензоле, серном и уксусно-этиловом эфире, ацетоне, спирте). Оба они малостабильны и быстро разрушаются под действием окислителей. При отсутствии в рационе витамина D у детей развивается широко известное заболевание - рахит, причина которого состоит в расстройстве фосфорно-кальциевого обмена и нарушении нормального отложения фосфата кальция в костной ткани. Предполагают, что при D-авитаминозе нарушается всасывание Са и Р в желудочнокишечном тракте и образование фосфорных эфиров ряда органических соединений; вероятно, оба эти процесса взаимосвязаны. Всасывание, перенос Са и кальцификация костей регулируются не непосредственно витамином D3, а его гормональноактивным метаболитом, содержащим оксигруппы в 1-м и 25-м положениях. Именно он, связываясь с ядерными рецепторами, обеспечивает биосинтез информационной РНК для наработки Са- связывающих белков и гормонов (кальцитонин и паратгормон), регулирующих обмен кальция. Источниками витамина D для человека являются рыбий жир, сливочное масло, желток яйца, печень животных, молоко. Особенно важен витамин D для кур-несушек и дойных коров. Подсчитано, что в скорлупу куриного яйца переходит 1/10 часть всего кальция, содержащегося в теле курицы. Витамин Е - токоферол (от греч. токос - потомство, феро - несу) — регулирует процесс размножения. Впервые витамеры витамина Е: а-, р- и у-токоферолы были выделены из масла пшеничных зародышей и хлопкового масла. Токоферолы - бесцветные маслянистые жидкости, хорошо растворимые в растительных маслах, спирте, серном и петролейном эфире. Химически они весьма устойчивы; выдерживают нагревание до 100 °С с концентрированной НС1 и 170 °С на воздухе; разрушаются под воздействием ультрафиолетовых лучей; оптически активны. Витамин Е может окисляться до а-токоферилхинона, структура которого очень близка к структуре витаминов К и Q: Близость химического строения витаминов Е, К и Q обусловливает сходство механизмов их действия в организме. При отсутствии или недостатке витамина Е у человека и животных нарушается эмбриогенез (развитие плода в организме матери) и наблюдается дегенеративные изменения репродуктивных органов, что выражается в нарушении нормального функционирования и структуры многих тканей: развиваются мышечная дистрофия, дегенерация спинного мозга и паралич конечностей, происходит жировое перерождение тканей. Механизм действия витамина Е в организме двоякий. С одной стороны, витамин Е важнейший внутриклеточный агент, предохраняющий от окисления жиры и другие легкоокисляемые соединения, он один из самых сильных природных антиоксидантов, прежде всего, липидов. Реагируя с пероксидными радикалами липидов и сами при этом окисляясь, токоферолы обрывают цепи окисления. С другой стороны, витамин Е функционирует как структурный компонент биологических мембран, образуя своим углеводородным радикалом молекулярные комплексы с ненасыщенными высшими жирными кислотами фосфолипидов и стабилизируя (защищая от окисления) мембраны. При Е-авитаминозе наблюдаются множественные нарушения функций. Витамин Е, возможно, участвует в регуляции биосинтеза некоторых ферментов на уровне транскрипции в генетическом аппарате клетки их матричных РНК. Источниками витамина Е для человека являются растительные масла (подсолнечное, кукурузное, хлопковое, соевое, конопляное и др.), салат, капуста и зерновые продукты. Потребность в этом витамине ничтожна, так что Е-авитаминозы и гиповитаминозы - явление очень редкое, тем более что витамин Е откладывается в организме во многих тканях (главным образом в жировой). Запасы его обеспечивают восполнение убыли даже при полном отсутствии витамина в пище в течение нескольких месяцев. Витамин К - филлохинон (2-метил-3-фитил-1,4-нафтохинон) - регулирует процесс свертывания крови. Его структурная формула выглядит следующим образом: Два природных витамина Ki и Кг являются производными нафтохинона. Витамин К2 отличается строением боковой цепи, содержащей от 30 до 45 углеродных атомов и несущей соответственно от 6 до 9 двойных связей. Он специфичен для бактерий и также получен синтетически (К2(35)). Здесь (35) - число углеводородных звеньев. В качестве противогеморрагического средства применяют аналог витамина К] - викасол - бесцветный мелкокристаллический порошок: Кроме витаминов К] и К2, многие производные нафтохинона обладают аналогичными физиологическими действиями. Витамин Ki - светло-желтая маслянистая жидкость с температурой кипения 115... 145 °С, флуоресцирует, в воде не растворяется. Синтезируется в зеленых частях растений и некоторыми микроорганизмами. У человека и млекопитающих образуется микрофлорой кишечника. Очень неустойчив при нагревании в щелочной среде и при облучении. Витамин К2(з5) - желтые кристаллы с температурой плавления 54 °С - еще более неустойчив, чем витамин Кь Витамин К3 - желтый кристаллический порошок с температурой плавления 106 °С - не растворим в воде, но растворим в спирте и эфире. Витамин К способствует синтезу компонентов, участвующих в свертывании крови, и положительно влияет на состояние эндотелиальной оболочки кровеносных сосудов. При недостатке его в пище могут возникать самопроизвольные кровотечения (носовые кровотечения, кровавая рвота, внутренние кровоизлияния и т. п.). Полагают, что витамин К принимает участие в синтезе протромбина и ряда других белковых факторов, необходимых для свертывания. Протромбин переходит в тромбин, а последний вызывает превращение фибриногена в фибрин, т. е. непосредственно обеспечивает коагуляцию крови. Источниками витамина К для человека являются томаты, капуста, тыква, зеленые части растений, печень животных. Кроме того, витамин К синтезируется микробами, нормально обитающими в кишечнике. Кишечная микрофлора - постоянный поставщик витамина К для человека и животных. Витаминоподобные соединения, биологическая роль. ВИТАМИНОПОДО́БНЫЕ ВЕЩЕСТВА́, соединения, синтезируемые в организме человека в малых количествах, обладающие рядом свойств, присущих истинным витаминам, и участвующие в каталитических процессах, как и витамины. Условно их называют незаменимыми факторами питания Оротовая кислота (витамин В13) – влияет на функциональное состояние печени, ускоряет регенерацию печёночных клеток, стимулирует процессы кроветворения (увеличивает количество ретикулоцитов в периферической крови, зрелых клеток в костном мозге, лейкопоэз и фагоцитарную активность лейкоцитов), активирует заживление язв слизистой желудочно-кишечного тракта, влияет на регенеративные процессы при инфаркте миокарда, эффективна при нарушениях анаболизма (голодание, гипотрофии, недоношенность). Суточная доза – 0,5–1,5 г. Содержится в пивных дрожжах, печени, молочных продуктах. Пангамовая кислота (пангамат кальция, витамин В15) – обладает липотропными свойствами; участвует в синтезе метионина, холина, креатинина, некоторых стероидных гормонов и катехоламинов; улучшает тканевое дыхание (повышает использование кислорода в тканях и стимулирует окислительные процессы). Применяется при лечении острых и хронических интоксикаций, гипоксий, постинфарктных состояний, заболеваний лёгких и др. Недостаток приводит к нервным расстройствам и заболеваниям сердечно-сосудистой системы. Суточная доза – 2 мг. Впервые выделена из ядер косточек абрикосов, поступает в организм с различными продуктами животного и растительного происхождения (например, пивные дрожжи, печень, семена злаковых растений). Парааминобензойная кислота (витамин B10) – участвует в образовании эритроцитов, способствует усвоению белка и жиров, нормализует работу щитовидной железы, обладает лактогонным свойством (усиливает выработку молока у кормящих женщин), обладает фотозащитным действием, повышает тонус кожи, активизирует микрофлору кишечника, синтез фолиевой кислоты, способствует нормализации обмена в соединительной ткани, принимает участие в усвоении организмом других витаминов группы В. Применяется в качестве лекарственного препарата при задержке роста и развития, повышенной умственной и физической утомляемости, артритах, светочувствительности и солнечных ожогах кожи, витилиго, плешивости, раннем поседении волос и др. Суточная потребность – 100 мг. Содержится в печени, почках, молочных продуктах, яичном желтке, рисе, пивных дрожжах, картофеле, моркови, рыбе, орехах и других продуктах. Метилметионинсульфония хлорид (витамин U) – нормализует работу желудка (благотворно влияет на слизистую желудка, стимулируя регенерацию её клеток), улучшает холестериновый обмен. При дефиците могут наблюдаться повреждения слизистой оболочки желудка. Применяется при хроническом гастрите. Суточная потребность – 200 мг. Содержится в капусте, сырых желтках, свежем молоке, свёкле, зелени петрушки, сельдерее. Холин (витамин В4) – оказывает влияние на процессы белкового и жирового обмена: обезвреживает ряд вредных веществ, необходим для синтеза мембран клеток, нормальной работы нервной и кроветворной систем, препятствует жировой инфильтрации печени. Эффективен при профилактике атеросклероза, улучшает умственную деятельность, защищает печень, в т. ч. при алкогольном поражении. Недостаток приводит к нарушению жирового обмена, циррозу печени, атеросклерозу, диабету, сердечно-сосудистым и почечным заболеваниям. Суточная потребность – 0,15–1 г. Содержится в яичных желтках, печени, почках, сыре, твороге, бобовых, нерафинированном растительном масле. Инозит (витамин В8, инозитол) – участвует в регуляции жирового обмена, способствует снижению уровня холестерина в крови (препятствует развитию атеросклероза и ожирения), оказывает стимулирующее действие на моторную функцию пищеварительного аппарата, необходим для правильного развития и функционирования клеток спинного мозга, зрительной системы, обладает успокаивающими свойствами. Применяют при лечении диабетической невропатии, нарушениях сна и нервной чувствительности, повышенном артериальном давлении. Недостаток приводит к стрессовому состоянию, бессоннице, повышенному содержанию холестерина в крови, ослаблению зрения, кожным высыпаниям, выпадению волос. Суточная потребность – 1–1,5 г (при сахарном диабете и интенсивном росте потребность увеличивается). Содержится в дыне, клубнике, грейпфруте, овощах (капуста, морковь, картофель, свёкла, помидоры), в масле из семян кунжута, цельных крупах, сое, бобах, а также в говяжьем сердце и икре рыб. Карнитин (витамин В11) – содержится почти во всех клетках организма, отвечает за окисление и транспорт жирных кислот, снижает накопление жира в мышечных тканях (способствует снижению веса и формированию мышц), поддерживает функции сердечно-сосудистой системы (предохраняет от ишемии, снижает продолжительность и облегчает приступы стенокардии). Применяют для профилактики атеросклероза, инфаркта, инсульта, гипертонии. Дефицит приводит к хронической усталости, ожирению, раздражительности, астении, нарушению работы сердца, повышению артериального давления, непереносимости физических нагрузок. Суточная потребность – 300 мг. Содержится в мясе и молочных продуктах. Липоевая кислота (витамин N) – участвует в окислительно-восстановительных процессах в клетках (снижает уровень липидов, холестерина и сахара в крови, улучшает питание нервной системы, защищает организм от ультрафиолетовых лучей, регулирует деятельность щитовидной железы), улучшает работу печени, обладает гепатопротекторными (защищает печень от повреждающих факторов) и дезинтоксикационными свойствами. Применяется при различных заболеваниях печени (вирусные гепатиты, цирроз, токсические поражения); различных нарушениях чувствительности в конечностях; атеросклерозе сосудов сердца; отравлениях (например, солями тяжёлых металлов); для улучшения зрения; стимуляции работы головного мозга и др. Суточная потребность – 25–50 мг. Содержится в мясе, печени, дрожжах, бобовых и зелёных частях растений. Биофлавоноиды (витамин Р) объединяют группу различных по химическому строению веществ, обладающих Р-витаминной активностью (рутин, цитрин, гесперидин, эридиктин, катехины), принимающих участие в тканевом дыхании, окислительно-восстановительных реакциях. Снижают проницаемость капилляров (уменьшают хрупкость и проницаемость стенок), уменьшают склонность к аллергии; снижают повышенное артериальное давление, связывают и выводят из организма ядовитые вещества (например, свинец, медь) и др. Применяют при лечении варикозного расширения вен, геморроя, внутренних кровотечений и для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний, в т. ч. инсультов, патологий вен. Суточная потребность – 25–50 мг. Содержатся в цитрусовых (апельсины, лимоны, мандарины), красном перце, чёрной смородине, шиповнике, зелёном чае, кофе, гречихе, вишне, петрушке, салате, помидорах, брокколи и др. Убихинон (коэнзим Q10) – присутствует во всех клетках, содержащих митохондрии (особенно много в тканях сердца и печени). Применяется для профилактики и комплексного лечения различных заболеваний сердечно-сосудистой системы, пиелонефрита. Суточная потребность – 50–100 мг. Содержится в различных животных и растительных продуктах. Антивитамины, биологическая роль. Ативитамины - соединения, близкие к витаминам по химическому строению, но обладающие противоположным биологическим действием. При попадании в организм А. включаются вместо витаминов в реакции обмена веществ и тормозят или нарушают их нормальное течение. Это ведёт к витаминной недостаточности даже в тех случаях, когда соответствующий витамин поступает с пищей в достаточном количестве или образуется в самом организме. В настоящее время антивитамины принято делить на две группы: 1)антивитамины, имеющие структуру, сходную со структурой нативноговитамина, и оказывающие действие, основанное на конкурентных взаимоотношениях с ним 2) антивитамины, вызывающие модификацию химической структуры витаминов или затрудняющие их всасывание, транспорт, что сопровождается снижением или потерей биологического эффектавитаминов. Таким образом, термином «антивитамины» обозначают любыевещества, вызывающие независимо от механизма их действия снижение или полную потерю биологической активности витаминов. Структуроподобные антивитамины (о некоторых из них уже упоминалось ранее) по существу представляют собой антиметаболиты и при взаимодействии сапоферментом образуют неактивный ферментный комплекс, выключая энзиматическую реакцию со всеми вытекающими отсюда последствиями. Механизм действия Антивитамины 1. Специфическиепрепятствуют осуществлению метаболических функций 2. неспецифические-препятствуют проникновению витамина в клетку,образуют с ними комплексы(авидин) механизм действия аминопреридина-антивитамина фолиевой кислоты замещение кофермента В настоящее время выяснена причина патологических изменений, возникающих при кормлении животных сырым яичным белком. В нем содержится авидин — белок, который специфически соединяется с биотином (введенным внутрь с пищевыми продуктами или синтезированным кишечными микроорганизмами) в неактивный комплекс и тем самым препятствует его всасыванию. Авидин содержится в яичном белке курицы, гуся, утки, индейки. В 1942 г. он выделен в кристаллическом виде и оказался глюкопротеидом с молекулярной массой 70000. Авидин стехиометрически связывает эквимолярные количества биотина, образуя прочный комплекс, который не расщепляется ферментами пищеварительного тракта. Комплекс авидина с биотином термически устойчив и полностью диссоциирует только в автоклаве при 120°С за 15 минут. С авидином соединяется также DL-оксибиотин и некоторые другие аналоги биотина, но сродство авидина к биотину намного больше, чем к его производным. Изучение взаимодействия биотина и его производных с авидином показало необходимость уреидной группы в молекуле витамина, тогда как карбоксильная группа и атом серы не являются необходимыми для образования комплекса. Авидин является универсальным ингибитором биотина. Его способность связывать биотин широко используется при изучении механизма участия этого витамина в процессах обмена веществ. Торможение той или иной биохимической реакции авидином является существенным доводом в пользу возможности участия в ней биотина. Авидин применяется и для получения экспериментальной биотиновой недостаточности у животных. Примеры • дикумарол (антивитамин К) – препятствует образованию активной формы витамина К, что блокирует синтез факторов свертывания крови, • изониазид (антивитамин РР) – образует "неправильные" коферменты, аналогичные НАД и НАДФ, что блокирует протекание окислительновосстановительных реакций, • птеридины (антифолаты) – вытесняют витамин В9 из реакций и препятствуют синтезу пуриновых и пиримидиновых оснований и, как следствие, нуклеиновых кислот, • авидин (антивитамин Н) – связывается с витамином в кишечнике и не допускает его всасывания в кровь. Ферменты,. общая характеристика, номенклатура, классификация, состав, строение В нормальных физиологических условиях биохимические реакции в организме протекают с высокими скоростями, что обеспечивается биологическими катализаторами белковой природы – ферментами. Их изучением занимается наука энзимология – наука об энзимах (ферментах), специфических белках – катализаторах, синтезируемых любой живой клеткой и активирующих различные биохимические реакции, протекающие в организме. Некоторые клетки могут содержать до 1000 различных ферментов. Ферменты – это белки с высокой молекулярной массой. Как всякие белки, ферменты имеют первичный, вторичный, третичный и четвертичный уровни организации молекул. Первичная структура представляет собой последовательное соединение аминокислот и обусловлена наследственными особенностями организма, именно она в значительной степени характеризует индивидуальные свойства ферментов. Вторичная структура ферментов организованна в виде альфа – спирали. Третичная структура имеет вид глобулы и участвует в формировании активного и других центров. Многие ферменты имеют четвертичную структуру и представляют собой объединение нескольких субъединиц, каждая из которых характеризуется тремя уровнями организации молекул различающихся друг от друга, как в качественном, так и в количественном соотношении. Если ферменты представлены простыми белками, т. е. состоят только из аминокислот, их называют простыми ферментами. К простым ферментам относят пепсин, амилазу, липазу (практически все ферменты ЖКТ). Сложные ферменты состоят из белковой и небелковой частей. Белковая часть фермента называется - апоферментом, небелковая – коферментом. Кофермент с апоферментом образуют холофермент. Кофермент может соединятся с белковой частью или только на время реакции, или связываться друг с другом постоянной прочной связью (тогда небелковая часть называется – простетической группой). В любом случае небелковые компоненты принимают непосредственное участие в химических реакциях путем взаимодействия с субстратом. Коферменты могут быть представлены: • Нуклеозидтрифосфатами. • Минеральными веществами (цинк, медь, магний). • Активными формами витаминов (В1 входит в состав фермента – декарбоксилазу, В2 – входит в дегидрогеназу, В6 – входит в трансферазы). Основные функции коферментов: • Участие в акте катализа. • Осуществление контакта между ферментом и субстратом. • Стабилизация апофермента. Апофермент, в свою очередь усиливает каталитическую активность небелковой части и определяет специфичность действия ферментов. В каждом ферменте выделяют несколько функциональных центров. Активный центр – зона молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом. Активный центр представлен функциональными группами нескольких остатков аминокислот, именно в нем происходит присоединение и химическое превращение субстрата. Аллостерический центр или регуляторный – это зона фермента ответственная за присоединение активаторов и ингибиторов. Данный центр участвует в регуляции активности фермента. Эти центры находятся на разных участках молекулы фермента. Обмен веществ в организме можно определить как совокупность всех химических превращений, которым подвергаются соединения, поступающие извне. Эти превращения включают все известные виды химических реакций: межмолекулярный перенос функциональных групп, гидролитическое и негидролитическое расщепления химических связей, внутримолекулярная перестройка, новообразование химических связей и окислительно - восстановительные реакции. Такие реакции протекают в организме с чрезвычайно большой скоростью только в присутствии катализаторов. Все биологические катализаторы представляют собой вещества белковой природы и носят названия ферменты (далее Ф) или энзимы (Е). Ферменты не являются компонентами реакций, а лишь ускоряют достижение равновесия увеличивая скорость как прямого, так и обратного превращения. Ускорение реакции происходит за счет снижении энергии активации – того энергетического барьера, который отделяет одно состояние системы (исходное химическое соединение) от другого (продукт реакции). Ферменты ускоряют самые различные реакции в организме. Так достаточно простая с точки зрения традиционной химии реакция отщепления воды от угольной кислоты с образованием СО2 требует участия фермента, т.к. без него она протекает слишком медленно для регулирования рН крови. Благодаря каталитическому действию ферментов в организме становится возможным протекание таких реакций, которые без катализатора шли бы в сотни и тысячи раз медленнее. Свойства ферментов 1. Влияние на скорость химической реакции: ферменты увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются. Скорость реакции – это изменение концентрации компонентов реакции в единицу времени. Если она идет в прямом направлении, то пропорциональна концентрации реагирующих веществ, если в обратном – то пропорциональна концентрации продуктов реакции. Отношение скоростей прямой и обратной реакций называется константой равновесия. Ферменты не могут изменять величины константы равновесия, но состояние равновесия в присутствии ферментов наступает быстрее. 2. Специфичность действия ферментов. В клетках организма протекает 2-3 тыс. реакций, каждая из которые катализирутся определенным ферментом. Специфичность действия фермента – это способность ускорять протекание одной определенной реакции, не влияя на скорость остальных, даже очень похожих. Различают: Абсолютную – когда Ф катализирует только одну определенную реакцию (аргиназа – расщепление аргинина) Относительную (групповую спец) – Ф катализирует определенный класс реакций (напр. гидролитическое расщепление) или реакции при участии определенного класса веществ. Специфичность ферментов обусловлена их уникальной аминокислотной последовательностью, от которой зависит конформация активного центра, взаимодействующего с компонентами реакции. Вещество, химическое превращение которого катализируется ферментом носит название субстрат (S). 3. Активность ферментов – способность в разной степени ускорять скорость реакции. Активность выражают в: 1) Международных единицах активности – (МЕ) количество фермента, катализирующего превращение 1 мкМ субстрата за 1 мин. 2) Каталах (кат) – количество катализатора (фермента), способное превращать 1 моль субстрата за 1 с. 3) Удельной активности – число единиц активности (любых из вышеперечисленных) в исследуемом образце к общей массе белка в этом образце. 4) Реже используют молярную активность – количество молекул субстрата превращенных одной молекулой фермента за минуту. Активность зависит в первую очередь от температуры. Наибольшую активность тот или иной фермент проявляет при оптимальной температуре. Для Ф живого организма это значение находится в пределах +37,0 - +39,0 С, в зависимости от вида животного. При понижении температуры, замедляется броуновское движение, уменьшается скорость диффузии и, следовательно, замедляется процесс образования комплекса между ферментом и компонентами реакции (субстратами). В случае повышения температуры выше +40 - +50 С молекула фермента, которая является белком, подвергается процессу денатурации. При этом скорость химической реакции заметно падает (рис. 4.3.1.). Активность ферментов зависит также от рН среды. Для большинства из них существует определенное оптимальное значение рН, при котором их активность максимальна. Поскольку в клетке содержатся сотни ферментов и для каждого из них существуют свои пределы опт рН, то изменение рН это один из важных факторов регуляции ферментативной активности. Так, в результате одной химреакции при участии определенного фермента рН опт которого лежит в перделах 7.0 – 7.2 образуется продукт, который является кислотой. При этом значение рН смещается в область 5,5 – 6.0. Активность фермента резко снижается, скорость образования продукта замедляется, но при этом активизируется другой фермент, для которого эти значения рН оптимальны и продукт первой реакции подвергается дальнейшему химическому превращению. (Еще пример про пепсин и трипсин). Все ферменты это белки с молекулярной массой от 15 000 до нескольких млн Да. По химическому строению различают простые ферменты (состоят только из АК) и сложные ферменты (имеют небелковую часть или простетическую группу). Белковая часть носит название – апофермент, а небелковая, если она связана ковалентно с апоферментом, то называется кофермент, а если связь нековалентная (ионная, водородная) – кофактор. Функции простетической группы следующие: участие в акте катализа, осуществление контакта между ферментом и субстратом, стабилизация молекулы фермента в пространстве. В роли кофактора обычно выступают неорганические вещества - ионы цинка, меди, калия, магния, кальция, железа, молибдена. 1.Простетические группы прочно связаны с белками и даже могут быть присоединены ковалентными связями. Часто играют важную роль в функционированииферментов. Белок без простетической группы называется «апобелок», а белок с присоединенной группой — «холобелок» (или, соответственно, в случае ферментов —апоферментихолофермент). Примером может являться гем, который является простетической группой в молекулегемоглобина. 2.Кофактор-небелковое вещество, которое обязательно должно присутствовать в организме в небольших количествах, чтобы соответствующие ферменты смогли выполнить свои функции. В состав кофактора входят коферменты и ионы металлов (например, ионы натрия и калия). Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не молекула АТФ, а комплекс Mg2+-ATФ. В этом случае ион Mg2+не взаимодействует непосредственно с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его присоединение к активному центру фермента 3.субстрат-вещество, подвергающееся превращению под действием фермента; 4. Ферментативный ингибитор— вещество,замедляющеепротекание ферментативной реакции. Различают обратимые и необратимые ингибиторы.Изучение ингибированияферментовиграет важную роль в созданиилекарств, в изучении механизма действия и структуры ферментов. Обратимое ингибирование: Конкурентное ингибирование(этом случае ингибитор связывается в активном центрефермента и конкурирует за него ссубстратом.);( ингибирование сукцинатдегидрогеназной реакции малоновой кислотой Малоновая кислота структурный аналог сукцината (наличие двух карбоксильных групп) и может также взаимодействовать с активным центром сукци-нат дегидрогеназы. Однако отщепление двух атомов водорода от малоновой кислоты невозможно; следовательно, скорость реакции снижается. Неконкурентное ингибирование Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра (рис. 2-24). Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата. Неконкурентный ингибитор может связываться либо с ферментом, либо с ферментсубстратным комплексом, образуя неактивный комплекс. Присоединение неконкурентного ингибитора вызывает изменение конформации молекулы фермента таким образом, что нарушается взаимодействие субстрата с активным центром фермента, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции. необратимое ингибирование Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента, В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию. К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg2+), серебра (Ag+) и мышьяка (As3+), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра.) Бесконкурентное ингибирование(при бесконкурентном ингибировании ингибитор связывается только с фермент-субстратным комплексом, но не со свободным ферментом. Субстрат, связываясь с ферментом, изменяет его конформацию, что делает возможным связывание с ингибитором. Ингибитор, в свою очередь, так меняет конформацию фермента, что катализ становится невозможным.) Активатор-вещество,ускоряющее скорость ферментативной реакции. 24. Активный центр белков - определённый участок белковой молекулы, как правило, находящийся в её углублении ("кармане"), сформированный радикалами аминокислот, собранных на определённом пространственном участке при формировании третичной структуры и способный комплементарно связываться с лигандом. В линейной последовательности полипептидной цепи радикалы, формирующие активный центр, могут находиться на значительном расстоянии друг от друга. Активный центр белка - относительно изолированный от окружающей белок среды участок, сформированный аминокислотными остатками. В этом участке каждый остаток благодаря своему индивидуальному размеру и функциональным группам формирует "рельеф" активного центра. Объединение таких аминокислот в единый функциональный комплекс изменяет реакционную способность их радикалов, подобно тому, как меняется звучание музыкального инструмента в ансамбле. Поэтому аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, часто называют "ансамблем" аминокислот. Уникальные свойства активного центра зависят не только от химических свойств формирующих его аминокислот, но и от их точной взаимной ориентации в пространстве. Поэтому даже незначительные нарушения общей конформации белка в результате точечных изменений его первичной структуры или условий окружающей среды могут привести к изменению химических и функциональных свойств радикалов, формирующих активный центр, нарушать связывание белка с лигандом и его функцию. При денатурации активный центр белков разрушается, и происходит утрата их биологической активности. Центр связывания белка с лигандом часто располагается между доменами. Например, протеолитический фермент трипсин, участвующий в гидролизе пептидных связей пищевых белков в кишечнике, имеет 2 домена, разделённых бороздкой. Внутренняя поверхность бороздки формируется аминокислотными радикалами этих доменов, стоящими в полипептидной цепи далеко друг от друга Разные домены в белке могут перемещаться друг относительно друга при взаимодействии с лигандом, что облегчает дальнейшее функционирование белка. В качестве примера можно рассмотреть работу гексокиназы, фермента, катализирующего перенос фосфорного остатка с АТФ на молекулу глюкозы (при её фосфорилировании). Активный центр гексокиназы располагается в расщелине между двумя доменами При связывании гексокиназы с глюкозой окружающие её домены сближаются, и субстрат оказывается в "ловушке", что облегчает его дальнейшее фосфорилирование. Основное свойство белков, лежащее в основе их функций, - избирательность присоединения к определённым участкам белковой молекулы специфических лигандов. В активном центре фермента субстраты располагаются таким образом, чтобы участвующие в реакции функциональные группы субстратов находились в непосредственной близости друг к другу. Это свойство активного центра называют эффектом сближения и ориентации реагентов. Такое упорядоченное расположение субстратов вызывает уменьшение энтропии и, как следствие, снижение энергии активации , что определяет каталитическую эффективность ферментов. Активный центр фермента также способствует дестабилизации межатомных связей в молекуле субстрата, что облегчает протекание химической реакции и образование продуктов. Это свойство активного центра называют эффектом деформации субстрата Общее между ферментами и неорганическими катализаторами: 1. Увеличивают скорость химических реакций, при этом сами не расходуются. 2. Ферменты и неорганические катализаторы ускоряют энергетически возможные реакции. 3. Энергия химической системы остается постоянной. 4. В ходе катализа направление реакции не изменяется. Различия между ферментами и неорганическими катализаторами: 1. Скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых неорганическими катализаторами. 2. Ферменты обладают высокой специфичностью к субстрату. 3. Ферменты по своей химической природе белки, катализаторы - неорганика. 4.Ферменты работают только в определенном диапазоне температур (обычно в районе 37 град. С плюс/минус 2-3 град. С) , а скорость неорганического катализа возрастает в 2-4 раза при повышении температуры на каждые 10 град. С по линейной зависимости (правило Вант-Гоффа) . 5. Ферменты подвержены регуляции (есть активаторы и ингибиторы ферментов) , неорганические катализаторы работают нерегулируемо. 6. Ферменты обладают конформационной лабильностью - способностью к небольшим изменениям своей структуры за счет разрыва и образования новых слабых связей. 7. Ферментативные реакции протекают только в физиологических условиях, т. к. работают внутри клеток, тканей и организма (это определенные значения температуры, давления и рН). Б. Ферментативная реакция Ферменты специфически связывают реагенты (свои субстраты) в активном центре. При этом субстраты ориентируются таким образом, что приобретают оптимальное положение для образования переходного состояния (1-3). Сближение и необходимая ориентации реагентов значительно повышают вероятность образования продуктивного комплекса A—B. Кроме того, связывание субстрата в активном центре приводит к удалению гидратной оболочки субстрата.В результате удаления молекул воды в активном центре фермента во время катализа создаются совершенно другие условия, чем в растворе (3-5). Еще одним важным фактором является стабилизация переходного состояния вследствие взаимодействия между аминокислотными остатками белка и субстратом (4). Таким образом, переходное состояние в случае ферментативной реакции требует меньшей энергии активации. Кроме того, многие ферменты во время катализа переносят специфические группировки с субстрата или на субстрат. Особенно часто осуществляется перенос протонов. Этот ферментативный кислотно-основной катализ значительно более эффективен, чем обмен протонов с кислотами и основаниями в растворе. Часто химические группировки ковалентно присоединяются к остаткам фермента. Это явление называют ковалентным катализом. Принципы ферментативного катализа разъяснены на с. 104 на примере лактатдегидрогеназы. В. Основы ферментативного катализа Несмотря на то, что сегодня трудно количественно оценить вклад отдельных каталитических эффектов, решающим фактором считается стабилизация переходного состояния в активном центре фермента. При этом наиболее существенным моментом является прочное связывание не столько субстрата, сколько его переходного состояния. Данное положение подтверждается крайне высоким сродством многих ферментов по отношению к аналогам переходного состояния (см. c. 100), что можно пояснить простой механической аналогией (на схеме справа): если хотят перекатить металлические шарики (реагенты) с места EA (состояние субстрата) в энергетически более высокое переходное состояние, а затем в EP (состояние продукта), нужно расположить магнит (катализатор) таким образом, чтобы сила притяжения действовала не на EA (а), а на переходное состояние (б). 21 Коферменты НАД, ФАД, тиаминпирофосфат, НSKoA, биологическая роль. Мультферментные комплексы. Коферменты – это небелковые компоненты сложных ферментов, которые проявляют высокую химическую активность и входят в состав активных центров сложных ферментов. Никотинамидадениндинуклеотид, НАД [дифосфопиридиннуклеотид (ДПН); устаревшее — козимаза, кофермент I (Ко I), кодегидрогеназа I], кофермент, присутствующий во всех живых клетках; входит в состав ферментов группы дегидрогеназ, катализирующих окислительно-восстановительные реакции. Открыт в 1904 в дрожжевом соке английскими биохимиками А. Гарденом и У. Йонгом; строение установлено в 1936 О. Варбургом и Х. Эйлером. В состав молекулы НАД входят аденин (1), амид никотиновой кислоты (2), два остатка углевода рибозы (3) и два остатка фосфорной кислоты (4). Др. важнейший кофермент — никотинамидадениндинуклеотидфосфат, или НАДФ, содержит в молекуле ещё один остаток фосфорной кислоты, связанной с 21-углеродным атомом рибозы (см. рис.). Во многих окислительно-восстановительных реакциях НАД или НАДФ присоединяют протон и 2 электрона, переносимые от окисляемого субстрата к окисленному коферменту; в обратной реакции водород переносится от восстановленного кофермента к субстрату. При этом водород отщепляется и присоединяется к атому углерода амида никотиновой кислоты в 4-м положении: Оба кофермента участвуют в реакциях обмена углеводов, белков и жиров Флавиновые коферменты ФМН (FMN) и ФАД (FAD) (2, см. с. 86) найдены в дегидрогеназах, оксидазах и монооксигеназах. Обычно оба соединения ковалентно связаны с ферментами. Активной группой обоих коферментов является флавин (изоаллоксазин), имеющий сопряженную систему из трех колец, которая может при восстановлении принимать два электрона и два протона. В ФМН к флавину присоединен фосфорилированный полиол рибит. ФАД состоит из ФМН, связанного с АМФ. Оба соединения являются функционально близкими коферментами. Источники Достаточное количество содержат мясные продукты, печень, почки, молочные продукты, дрожжи. Также витамин образуется кишечными бактериями. Строение В состав рибофлавина входит флавин – изоаллоксазиновое кольцо с заместителями (азотистое основание) и спирт рибитол. Строение витамина В2 Коферментные формы витамина дополнительно содержат либо только фосфорную кислоту – флавинмононуклеотид (ФМН), либо фосфорную кислоту, дополнительно связанную с АМФ – флавинадениндинуклеотид. Строение окисленных форм ФАД и ФМН Метаболизм В кишечнике рибофлавин освобождается из состава пищевых ФМН и ФАД, и диффундирует в кровь. В слизистой кишечника и других тканях вновь образуется ФМН и ФАД. Биохимические функции Кофермент оксидоредуктаз – обеспечивает перенос 2 атомов водорода в окислительно-восстановительных реакциях. Механизм участия флавинового кофермента в биохимической реакции Витамин содержат: 1. Дегидрогеназы энергетического обмена – пируватдегидрогеназа (окисление пировиноградной кислоты), α-кетоглутаратдегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), ацил-SКоА-дегидрогеназа (окисление жирных кислот), митохондриальная α-глицеролфосфатдегидрогеназа (челночная система). Пример дегидрогеназной реакции с участием ФАД 2. Оксидазы, окисляющие субстраты с участием молекулярного кислорода. Например, прямое окислительное дезаминирование аминокислот или обезвреживание биогенных аминов (гистамин, ГАМК). Тиаминпирофосфат, его строение и биологическая роль. тиаминсодержащий кофермент из витамина В1 выполняющий функцию кофермента в р-ции окислительного декарбоксилирования пирувата, а также в транскетолазной реакций пентозофосфатного пути . Может катализировать некоторые реакции без участия белкового компонента.Каталитическая активность Т. связана с ионизацией углеродного атома во 2-м положении тиазолового кольца к которому присоединяется молекула субстрата. В промышленности Т. получают из тиамина и пирофосфорной кислоты. О медицинском применении Т. см. в ст. Кокарбоксилаза. НSКоА или Ацилтрансферазы – строение и каталитическое действие Коферментом является кофермент ацилирования (НSКоА). Он имеет сложное строение и состоит из аденозин-3-монофосфата, 2-х остатков Н3РО4, пантотеновой кислоты (витамина В3) и тиоэтиламина. Функциональной группой НSКоА является SH-группа, поэтому кофермент обозначают НSKoA. Биологическая роль НSКоА состоит в том, что только через его посредство осуществляется соединение небольших органических молекул при помощи углеродных связей в сложные высокомолекулярные вещества, т.е. происходит синтез углеродного скелета цитоплазматических компонентов. Поэтому HSКоА находится у всех организмов. Ацилтрансферазы переносят остатки карбоновых кислот, чаще остатки уксусной кислоты и их название формируется по названию переносимой кислоты, например, ацетилтрансфераза – показать на реакцию активирования СЖК Мультиферметные комплексы Наиболее эффективно происходит регуляция в так называемых мульти- ферментных комплексах. Эти комплексы представляют собой несколько ферментов, катализирующих ряд согласованных реакций, причем конечные продукты одной ферментативной реакции являются исходными субстратами для следующей ферментативной реакции. Различают три типа мультиферментных комплексов: • • ферменты растворены в цитоплазме и контакт субстратов с ними осуществляется посредством диффузии; • • ферменты соединены друг с другом за счет белок-белковых взаимодействий; • ферменты соединены друг с другом и иммобилизованы на внутриклеточных или цитоплазматических мембранах. В каждом мультифсрмснтном комплексе имеется, по крайней мере, один аллостерический фермент, осуществляющий регуляцию суммарной реакции всего ферментного ансамбля. Чаше всего этот фермент катализирует скорость первой (самой медленной) реакции, а его отрицательным модулятором является конечный продукт всего процесса в целом. Ниже представлена схема, изображающая мультиферментную систему, в которой продукт последней реакции является отрицательным эффектором аллостерического фермента Е,: • Мультиферментные системы могут включать в себя до 20 различных ферментов, функционирующих в определенной последовательности. В настоящее время изучены многие мультиферментные комплексы, функционирующие на разных этапах метаболизма. Одним из таких комплексов является совокупность ферментов, катализирующих синтез пиримидинов из аспартата в бактериальных клетках. Аллостерическим ферментом в данном случае является аспартат-карбомоилаза, катализирующая первую стадию процесса, а именно превращение аспартата в карбомоиласпартат. Регуляция ферментативной активности может осуществляться за счет ограниченного протеолиза. Многие протеиназы, функционирующие вне клеток, например в крови или в пищеварительном тракте, синтезируются в виде неактивных предшественников. Активация их связана с гидролизом некоторых пептидных связей в полипептидной цепи. В качестве примера можно привести ферменты свертывания крови, а также такие ферменты пищеварительного тракта, как трипсин и химотрипсин и др. Регуляция ферментативной активности может осуществляться за счет ковалентной обратимой модификации новосинтезированных белковых макромолекул. Это связано в первую очередь с ферментативным присоединением к ним низкомолекулярных химических группировок в результате фосфорилирования, гликозилирования, метилирования и т. д. Присоединение фосфатной группы к гидроксилу аминокислотного остатка полипептидной цепи может как увеличить, так и снизить ферментативную активность. Примером тому может служить гликогенфосфорилаза — фермент, катализирующий отщепление остатков глюкозы от гликогена. В исходном состоянии он неактивен, но при фосфорилировании, осуществляемом посредством фермента протеинкиназы, происходит его активация и вовлечение в процесс метаболизма глюкозы. Напротив, фермент гликогенсинтаза активен в исходном состоянии, а при фосфорилировании его активность резко снижается. (Т) Эффективным инструментом регуляции каталитической активности является молекулярная гетерогенность ферментов, обусловленная как генетическими, так и эпигенетическими факторами. В настоящее время около половины идентифицированных ферментов находятся в клетках и тканях в виде множественных молекулярных форм, имеющих единую субстратную специфичность, но отличающихся по физико-химическим или иммунологическим свойствам. Генетическая основа молекулярной гетерогенности обусловлена наличием нескольких генов, каждый из которых кодирует одну субъединицу фермента или одну его молекулярную форму. Кроме того, различные молекулярные формы одного и того же фермента могут кодироваться в одном генном локусе, имеющем множественные аллели. Генетически детерминированные молекулярные формы называются изоэнзимами. Посттрансляционные модификации ферментов, обусловленные локальным протеолизом, ковалентными модификациями, бслок-белковыми взаимодействиями и т. д., являются причиной образования множественных молекулярных форм, не являющихся истинными изоэнзимами, но играющими существенную роль в метаболических процессах. Наиболее часто встречаются так называемые конформеры — молекулярные формы, имеющие одинаковую первичную структуру, но отличающиеся по своей конформации. Это возможно в том случае, если эти конформации достаточно устойчивы, т. е. соответствуют уровню свободной энергии, близкой к минимальной. Только такие кон- формационные варианты белков, которые воспроизводимо фиксируются посредством электрофоретических, хроматографических или иных методов, могут рассмагриваться как конформеры. Мультиферментные комплексы В их состав входят разные ферменты, катализирующие последовательные этапы превращения какого-либо субстрата. Особенность подобных комплексов – прочность ассоциации ферментов. Образование мультиферментных комплексов имеет определенный биологический смысл и ряд преимуществ. Организация функционально связанных ферментов в комплексы концентрирует каталитическую активность, позволяет достичь высоких концентраций интермедиатов и перехода субстратов с одного активного центра на другой с минимизацией диффузионных эффектов. Кроме того, присутствие ферментов в комплексе делает возможным координацию аллостерического контроля нескольких активностей. Пируватдегидрогеназный комплекс являяется растворимым мультиэнзимным комплексом, который изучен в деталях. Пируватдегидрогеназный комплекс Этот мультиферментный комплекс, имеющий молекулярную массу 4500 кДа, состоит из трех типов ферментов. Первый из них (E1) ускоряет реакцию декарбоксилирования пировиноградной кислоты. В состав комплекса входит 12 димерных молекул этого фермента. Второй и третий ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные процессы при окислении пировиноградной кислоты, сосредоточены внутри мультиэнзимного комплекса. Один из них (Е3) представлен шестью димерными молекулами, другой (Е2) ‒ 24 протомерами (рис. 4.1.4). В результате слаженного во времени и пространстве действия всех трех видов входящих в его состав ферментов мультиэнзимный комплекс с огромной скоростью осуществляет превращение пировиноградной кислоты (4.1.5). Сравнительно недавно выявлена еще одна своеобразная черта в строении ферментов: некоторые из них являются полифункциональными, т.е. обладают несколькими энзиматическими активностями, но всего лишь одной полипептидной цепью. Эта единая цепь при формировании третичной структуры образует несколько функционально и стерически обособленных глобулярных участков ‒ доменов, каждый из которых характеризуется своей каталитической активностью. Такие ферменты называют мультиферментными конъюгатами. Мультиферментные конъюгаты Примерами полифункциональных конъюгатов являются комплекс синтазы жирных кислот (рис. 4.1.5) и КАД – комплекс, объединяющий первые три энзиматические активности. участвующие в метаболизме пиримидинов. Рис.4.1.5. Комплекс синтазы жирных кислот млекопитающих Каждая субъединица этого конъюгата включает три различных домена и восемь субдоменов. Домен I состоит из трех субдоменов: субдомен 1 − АПБ-S-ацетилтрансфераза, 60 кДа; субдомен 2 − АПБ-S-малонилтрансфераза, 23 кДа; субдомен 3 − β-кетоацил-АПБсинтаза (конденсирующий фермент, 45 кДа). Домен I катализирует присоединение субстратов ацетил-СоА и малонил-СоА ацетилтрансферазой и малонилтрансферазой соответственно и последующую конденсацию обоих партнеров β-кетоацил-синтазой. Домен II также состоит из трех субдоменов: субдомен 4 − β-кетоацил-АПБ-редуктаза, 21 кДа; субдомен 5 − β-гидроксиацил-АПБ-дегидратаза, 50 кДа; субдомен 6 − еноилАПБ-редуктаза, 14 кДа. К субдомену 4 присоединен ацилпереносящий белок (АПБ), 15 кДа. Домен II восстанавливает растущую цепь ЖК с помощью вышеназванных трех ферментов. Домен III содержит субдомен 7 − ацил-АПБ-гидролаза, тиоэстераза, 33 кДа. Домен III после семь циклов удлинения цепи катализирует высвобождение готового продукта − пальмитата с помощью гидролитического фермента тиоэстеразы. В настоящее время показано, что многие ферменты организованы в мультиферментные ансамбли. По мере роста наших знаний в деталях, число их увеличивается. Сплайсинг мРНК осуществляется в сплайсосомах, транскрипция осуществляется в транскрипционных комплексах. В синтез белка вовлечено множество ферментов, мРНК и рибосомы, образующие трансляционный комплекс. Деградация белков осуществляется протеосомами. Кроме того, существуют доказательства мультиэнзимных систем в других путях (обозначенных метаболонами, от слова метаболизм ‒ обмен веществ), таких как гликолиз, цикл лимонной кислоты, синтез нуклеотидов, синтез мочевины, ЦТК, окисление жирных кислот и аминокислотный метаболизм Физико-химические свойства ферментов. Специфичность действия. Влияние РН, температуры, активаторов и ингибиторов на активность ферментов. Ферменты отличаются от обычных катализаторов рядом свойств. Термолабильность, или чувствительность к повышению температуры (рис. 13). Рис. 13. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры. При температуре, не превышающей 45–50°С, скорость большинства биохимических реакций повышается в 2 раза при повышении температуры на 10°С (правило ВантГоффа). При температуре выше 50°С на скорость реакции большое влияние начинает оказывать тепловая денатурация белка-фермента, приводящая к полному прекращению ферментативного процесса. Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется его температурным оптимумом. Температурный оптимум для большинства ферментов млекопитающих лежит в пределах 37—40°С. При низких температурах (0°С и ниже) ферменты, как правило, не разрушаются, хотя активность их падает почти до нуля. Для каждого фермента существует оптимальное значение рН среды, при котором он проявляет максимальную активность. рН-оптимум действия ферментов лежит в пределах узкой зоны концентрации водородных ионов, соответствующей для животных тканей выработанным в процессе эволюции физиологическим значениям рН среды 6,0-8,0. Исключения составляют пепсин – 1,5-2,5; аргиназа – 9,5-10. Согласно современным представлениям, влияние изменений рН среды на молекулу фермента заключается в воздействии на третичную структуру белка Специфичность. Высокая специфичность действия ферментов обусловлена конформационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурной организацией активного центра, обеспечивающими избирательность протекания реакции. Абсолютная специфичность – способность фермента катализировать единственную реакцию. Например, уреаза катализирует реакцию гидролиза мочевины до NH3 и СО2. Относительная (групповая) специфичность – способность фермента катализировать группу реакций определенного типа. Относительной специфичностью, например, обладают гидролитические ферменты пептидазы, гидролизующие пептидные связи в молекулах белков и пептидов. Стереохимической специфичностью обладают ферменты, катализирующие превращения только одного из пространственных изомеров. Фермент фумараза катализирует превращение в малат только транс-изомера фумарата и не действует на цис-изомер малеиновую кислоту. Высокая специфичность действия ферментов обеспечивает протекание лишь определенных химических реакций из всех возможных превращений. 2.5. Регуляция активности ферментов Активность фермента определяют по скорости реакции, катализируемой ферментом, при стандартных условиях измерения (оптимальных условиях температуры, рН среды и полном насыщении фермента субстратом). О скорости ферментативной реакции судят или по скорости убыли субстрата, или по скорости образования продукта реакции. Процесс ингибирования может быть обратимым и необратимым. Обратимые ингибиторы бывают: • Конкурентного действия – ингибитор взаимодействует с функциональными группами активного центра ферментов. Ингибирование в данном случае зависит от концентрации субстрата: если [S] велика, то влияние ингибитора [I] может не проявляться; если же [S] мала, то ингибитор может вытеснить субстрат из соединения с ферментом, действие которого при этом затормаживается. Тройной комплекс ЕSIпри конкурентном ингибировании никогда не образуется. • Бесконкурентное ингибирование наблюдается в том случае, когда ингибитор не способен присоединяться к ферменту, не он может связываться с ферментсубстратным комплексом, переводя его в неактивную форму. • При смешанном ингибировании ингибитор действует как на участок связывания ES, так и на каталитический центр фермента. Роль амилаз в пищевой промышленности. Амилолитические ферменты широко используются в хлебопечении, пивоварении, производстве спирта и других пищевых технологиях. При этом в различных производствах применяют разные амилазы, так как эти ферменты отличаются друг от друга своими свойствами. Ферменты а- и (3-амилаза различаются по термостабильности и по отношению к pH среды. а-Амилаза более устойчива к действию повышенных температур по сравнению с (3-амилазой. Например, солодовая ос-амилаза выдерживает кратковременный прогрев до 70 °С, не инактивируясь, в то время как (3-амилаза при этой температуре полностью теряет свою активность. Однако а-амилаза более чувствительна к кислой среде, чем (З-амилаза. Так, при pH 3,3 солодовая (3-амилаза сохраняет свою активность, а а-амилаза инактивируется. Различие а- и (3-амилазы по термостабильности связано с тем, что в состав а-амилазы входит ион Са2+. Следовательно, а-амилаза представляет собой металлофермент. Однако ион кальция располагается не в активном центре фермента, а стабилизирует его пространственную структуру. Если а-амилазу лишить иона Са2+, то ее устойчивость к нагреванию упадет. Термостабильность а-амилаз, выделенных из различных объектов, неодинакова. Наименее устойчивы к действию повышенных температур грибные амилазы, а наиболее устойчивы — бактериальные амилазы. Солодовые амилазы являются более термостабильными, чем грибные амилазы, но менее термостабильными, чем бактериальные амилазы (табл. 10). Препараты грибных амилаз применяют в хлебопечении. Будучи наименее термостабильными, в процессе выпечки они довольно быстро инактивируются. Это позволяет ограничивать образование в тесте декстринов, избыточное накопление которых вызывает ухудшение качества хлеба. Термостабильность а-амилаз различного происхождения Бактериальные амилазы целесообразно использовать при производстве спирта, так как в данном случае требуется более глубокое осахаривание крахмала. Чем больше образуется сбраживаемых продуктов его гидролиза, тем выше будет выход спирта. Солодовые амилазы играют важную роль в процессе пивоварения, поскольку при производстве пива осахаривание не следует доводить до конца, и в пиве должны оставаться декстрины, придающие ему характерный вкус и вязкость и способствующие пенообразованию. При выпечке хлеба из муки, полученной из проросшего зерна, в котором, как известно, присутствует не только (3-амилаза, но и высокоактивная а-амилаза, пользуются различиями между этими ферментами по отношению к pH среды. Если в процессе брожения теста, приготовленного из муки, полученной из проросшего зерна, а-амилаза будет сохранять свою активность, то в нем будет происходить накопление значительного количества декстринов. Мякиш хлеба, выпеченного из такого теста, будет иметь плохую эластичность, заминаемость, недостаточную пористость и неприятный вкус. Однако поскольку а-амилаза весьма чувствительна к повышению кислотности и резко понижает в кислой среде свою активность, тесто из муки, полученной из проросшего зерна, замешивают обычно на так называемых жидких дрожжах или молочнокислых заквасках. Таким образом обеспечивают накопление в тесте повышенного количества молочной кислоты, угнетающей а-амилазу и тормозящей нежелательное образование декстринов. Имеет перспективу применение фермента глюкоамилазы для получения глюкозы из крахмала путем его ферментативного, а не кислотного гидролиза. Сейчас кристаллическая глюкоза, используемая для медицинских и пищевых целей, получается в нашей стране в основном путем гидролиза крахмала соляной кислотой. Этот процесс осуществляется при повышенных температурах и давлении и требует дорогостоящего оборудования. В настоящее время во многих странах налажено промышленное производство различных амилазных ферментных препаратов микробного происхождения. Гормоны, определение, химическая природа, классификация, биологическая роль. Железы внутренней секреции. Организм человека существует как единое целое благодаря системе внутренних связей, которая обеспечивает передачу информации от одной клетки к другой в одной и той же ткани или между разными тканями. Без этой системы невозможно поддерживать гомеостаз. В передаче информации между клетками в многоклеточных живых организмах, принимают участие три системы: ЦЕНТРАЛЬНАЯ НЕРВНАЯ СИСТЕМА (ЦНС), ЭНДОКРИННАЯ СИСТЕМА (ЖЕЛЕЗЫ ВНУТРЕННЕЙ СЕКРЕЦИИ) и ИММУННАЯ СИСТЕМА. Способы передачи информации во всех названных системах - химические. Посредниками при передаче информации могут быть СИГНАЛЬНЫЕ молекулы. К таким сигнальным молекулам относятся четыре группы веществ: ЭНДОГЕННЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА (медиаторы иммунного ответа, факторы роста и др.), НЕЙРОМЕДИАТОРЫ, АНТИТЕЛА (иммуноглобулины) и ГОРМОНЫ. ГОРМОНЫ - это биологически активные вещества, которые синтезируются в малых количествах в специализированнных клетках эндокринной системы и через циркулирующие жидкости (например, кровь) доставляются к клеткам-мишеням, где оказывают свое регулирующее действие. Гормоны, как и другие сигнальные молекулы, обладают некоторыми общими свойствами. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ГОРМОНОВ. 1) выделяются из вырабатывающих их клеток во внеклеточное пространство; 2) не являются структурными компонентами клеток и не используются как источник энергии. 3) способны специфически взаимодействовать с клетками, имеющими рецепторы для данного гормона. 4) обладают очень высокой биологической активностью - эффективно действуют на клетки в очень низких концентрациях (около 10-6 - 10-11 моль/л). МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ. Гормоны оказывают влияние на клетки-мишени. КЛЕТКИ-МИШЕНИ - это клетки, которые специфически взаимодействуют с гормонами с помощью специальных белков-рецепторов. Эти белки-рецепторы располагаются на наружной мембране клетки, или в цитоплазме, или на ядерной мембране и на других органеллах клетки. БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА ОТ ГОРМОНА В КЛЕТКУ-МИШЕНЬ. Любой белок-рецептор состоит, минимум из двух доменов (участков), которые обеспечивают выполнение двух функций: - "узнавание" гормона; - преобразование и передачу полученного сигнала в клетку. Каким образом белок-рецептор узнает ту молекулу гормона, с которой он может взаимодействовать? Один из доменов белка-рецептора имеет в своем составе участок, комплементарный какой-то части сигнальной молекулы. Процесс связывания рецептора с сигнальной молекулой похож на процесс образования фермент-субстратного комплекса и может определяется величиной константы сродства. Большинство рецепторов изучены недостаточно, потому что их выделение и очистка очень сложные, а содержание каждого вида рецепторов в клетках очень низкое. Но известно, что гормоны взаимодействуют со своими рецепторами физико-химическим путем. Между молекулой гормона и рецептором формируются электростатические и гидрофобные взаимодействия. При связывании рецептора с гормоном происходят конформационные изменения белка-рецептора и комплекс сигнальной молекулы с белком-рецептором активируется. В активном состоянии он может вызывать специфические внутриклеточные реакции в ответ на принятый сигнал. Если нарушен синтез или способность белков-рецепторов связываться с сигнальными молекулами, возникают заболевания - эндокринные нарушения. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРМОНОВ Гормоны классифицируются по: 1) химической природе; 2) биологическим функциям; 3) растворимости; 4) механизму действия; 5) месту образования гормона. По химической природе гормоны делятся на пять основных групп: а) сложные белки: фолликулостимулирующий гормон (ФСГ), лютеинезирующий гормон (ЛГ), тиреотропный гормон (ТТГ); б) простые белки: инсулин, пролактин, соматотропный гормон (СТГ); в) пептиды: окситоцин, вазопрессии, глюкагон, кальцитонин, кортикотропин; г) производные аминокислот: катехоламины, тиреоидные гормоны, мелатонин; д) стероидные гормоны: кортикостероиды, половые гормоны, кальцитриол. По биологическому действию гормоны можно разделить на следующие группы: 1) регулирующие обмен белков, жиров и углеводов: инсулин, адреналин, глюкагон, глюкокортикоиды, тироксин; 2) регулирующие водно-солевой обмен: минералокортикоиды (аль-достерон), вазопрессин, ангиотензин II; 3) регулирующие обмен кальция и фосфора: кальцитонин, кальцитриол, паратгормон; 4) регулирующие обмен веществ, связанный с репродуктивной функцией (половые гормоны): эстрогены, андрогены, окситоцин; 5) регулирующие выработку гормонов эндокринных желез: ри-лизинг-факторы (либерины, статины), являющиеся гормонами гипоталамуса, и тронные гормоны (гормоны гипофиза). Классификация гормонов по биологическим функциям в известной степени условна, поскольку многие гормоны полифункциональиы. Например, адреналин и норадрепалин регулируют не только обмен углеводов и жиров, но и частоту сердечных сокращений, сокращение гладких мышц, кровяное давление. По растворимости гормоны делятся на липофильные и гидрофильные. Липофилъные гормоны плохо растворимы в воде. К ним относятся стероиды, тиреоиды, кальцитриол (табл. 4.1). К гидрофильным (или водорастворимым) относят пептиды, простые и сложные белки и катехоламины (табл. 4.2). Механизм действия гормонов зависит от того, могут ли они проникнуть через плазматическую мембрану. Так, гормоны белковой, пептидной природы, а также катехоламины (т. е. гидрофильные гормоны) не могут проходить через мембрану; они вступают во взаимодействие с рецепторами, расположенными на ее поверхности, и тем самым генерируют сигнал, который регулирует различные клеточные функции (обычно путем изменения активности ферментов (мембранный механизм циторецепции)). Воздействие гормонов на внутриклеточные процессы обмена при этом опосредуется вторичными посредниками (мессенджерами). Липофильные гормоны (стероидные и тиреоидные гормоны) диффундируют через плазматическую мембрану и в цитоплазме связываются со специфическими белкамирецепторами. Основной эффект этих гормонов проявляется на уровне транскрипции генов и синтеза соответствующих мРНК. В результате происходит изменение содержания определенных белков, что сказывается на активности тех или иных процессов метаболизма (цитозольный механизм циторе-цепции). Однако разграничение гормонов на группы с мембранным (гидрофильные гормоны) и цитозолъным механизмами циторецепции (ли-пофильные гормоны) не является абсолютным. В 80-х гг. XX в. было установлено, что многие белковые гормоны после их взаимодействия с рецепторами на плазматической мембране подвергаются эндоцитозу и оказываются внутри клетки, а далее могут транспортироваться в ядро. Это позволяет им осуществлять не только срочную гормональную регуляцию (иметь «раннюю волну» эффектов), но и хроническую регуляцию (иметь «позднюю волну» эффектов) на уровне транскрипции генов. Доказан внутриядерный перенос инсулина, люлиберина, хориони-ческого гонадотропина и других белковых гормонов. В «позднюю волну» эффектов белковых гормонов входят, в частности, такие эффекты, как индукция синтеза ключевых белков, морфогенетическое действие гормонов, регуляция пролиферации клеток. У стероидов и тиреоидных гормонов также имеется не только внутриклеточный набор отдаленных эффектов, но и ранние эффекты, связанные с их действием на мембранные рецепторы и мобилизацией внутриклеточных посредников того же типа, что и у белковых гормонов. Так, например, тиреоидиые гормоны через поверхностные рецепторы оказывают активирующее влияние на захват клетками аминокислот и глюкозы. Существует классификация по месту синтеза гормонов: это гормоны гипоталамуса, гипофиза, щитовидной железы, паращитовид-ных желез, поджелудочной железы, надпочечников, половых желез, эпифиза, тимуса. Мозговой слой надпочечников вырабатывает два гормона - адреналин и норадреналин, причем значительно преобладает адреналин. Оба гормона часто объединяют общим термином катехоламины. Выделение гормонов мозгового слоя в кровь происходит при различных эмоциях, и поэтому адреналин называют гормоном эмоций или гормоном стресса У животных стресс является первой реакцией организма на какую-либо опасность, которая затем устраняется, как правило, за счет мышечных усилий. Отсюда вытекает биологическая роль адреналина -создание оптимальных условий для выполнения мышечной работы большой мощности и продолжительности путем воздействия на физиологические функции и метаболизм. Основная биологическая роль щитовидной железы заключается в связывании иода в гормон тироксин, регулирующий обмен жиров, углеводов и белков в организме. Поступающий в тело животного неорганический иод аккумулируется преимущественно в щитовидной железе, где его концентрация в тысячи раз больше, чем в других органах. В ряде работ, основные из которых выполнены Майковым, радиоактивный иод был применен для изучения деятельности щитовидной железы, происходящих в ней химических процессов и дальнейшей судьбы иода в организме. Были также изучены патологические нарушения функции щитовидной железы и терапевтическое действие ряда лекарственных веществ. Железа — это структура (клетка или орган), выделяющая специфические вещества. Различают экзокринные и эндокринные железы (от гр. ekson — снаружи, endon — внутри, krino — выделяю). Эндокринные железы, или железы внутренней секреции, не имеют выводных протоков и выделяют биологически активные вещества — гормоны (от гр. hormeo — побуждаю), или инкреты, в кровь. Гормоны регулируют важнейшие функции организма (обмен веществ, размножение, рост), поддерживают постоянство внутренней среды — гомеостаз. Образование и действие гормонов регулирует центральная нервная система путем непосредственной иннервации органов и тканей эндокринной системы. В то же время гормоны, попадая в жидкости (кровь, лимфу, тканевую жидкость), участвуют в гуморальной (от лат. humor — влага, жидкость) регуляции деятельности всех систем. Следовательно, нервная и гуморальная системы управления осуществляют нейрогуморальную регуляцию жизненных процессов. По химическому составу гормоны являются аминокислотными группами, гликопротеидами, стероидами (производные холестерина). Секрецию гормонов регулируют следующие механизмы: присутствие специфического метаболита в крови, например избыток глюкозы в крови вызывает секрецию инсулина поджелудочной железой, снижающего уровень глюкозы в крови; присутствие в крови другого гормона, например выделяемого передней долей гипофиза;стимуляция со стороны нервной системы, например при беспокойстве, опасности клетки мозгового слоя надпочечников выделяют адреналин и норадреналин. Секреция гормонов, стимулируемая каким-либо другим гормоном, обычно находится под контролем гипоталамуса, гипофиза, и окончательный эффект может быть результатом воздействия различных гормонов. Такого рода каскадный механизм усиливает во много раз действие небольших количеств исходного гормона. Например, каскадный механизм характерен для регуляции превращения глюкозы в гликоген: Печень (глюкоза -» гликоген) В составе эндокринной системы различают нейросекреторные ядра гипоталамуса, гипофиз, эпифиз, щитовидную, околощито- видную, зобную железы, надпочечники, эндокринную часть поджелудочной железы и половых желез. Органы эндокринной системы подразделяют на два взаимосвязанных звена: центральное и периферическое. Центральное звено — это нейросекреторные ядра гипоталамуса, гипофиз, эпифиз. В периферическое звено входят железы, функция которых зависит от деятельности передней доли гипофиза (щитовидная железа, кора надпочечников, яичники, семенники), и железы, функция которых не зависит от деятельности передней доли гипофиза (мозговое вещество надпочечников, около- щитовидная железа). Понятие об обмене веществ (метаболизм, катаболизм, анаболизм). Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция). Обмен веществ – совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищеварительный тракт до образования конечных продуктов распада, выделяемых из организма. Обмен веществ является основой жизни. К необходимым для поддержания жизни веществам относятся белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные вещества, кислород и вода. В процессе роста обновление клеток организма возможно лишь тогда, когда в организм непрерывно поступает О2 и питательные вещества, являющиеся строительным материалом, из которого строится организм. Но для построения новых клеток организма, их непрерывного обновления, а также для совершения человеком какой-то работы нужна энергия. Эту энергию организм человека получает при распаде и окислении в процессах обмена веществ (метаболизма). Причем процессы метаболизма (анаболизм и катаболизм) тонко согласованы друг с другом и протекают в определенной последовательности. Анаболизм – процесс усвоения организмом веществ, при котором расходуется энергия (т.е. совокупность реакций синтеза). Катаболизм – процесс распада сложных органических соединений, протекающий с высвобождением энергии т.е. совокупность реакций распада. Необходимо учитывать, что оба эти процесса непрерывно связаны. Катаболические процессы обеспечивают анаболизм энергией и исходными веществами, а анаболические процессы - синтез структур, формирование новых тканей в связи с процессами роста организма, синтез гормонов и ферментов, необходимых для жизнедеятельности. Процессы анаболизма и катаболизма находятся в динамическом равновесии. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур, выделению энергии. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ, метаболизм, совокупность превращений веществ и энергии в организме, обеспечивающих его жизнедеятельность. Ф. Энгельс, определяя жизнь, указывал, что её важнейшее свойство — постоянный обмен веществ с окружающей природой, с прекращением к-рого прекращается и жизнь. О. в. и э.— специфич. и непременный признак жизни. Значение О. в. и э. заключается в восстановлении распадающихся в организме и теряемых им веществ, необходимых для построения всех его структурных элементов, и в обеспечении жизненных функций организма энергией. Образующаяся в процессе обмена веществ энергия используется для поддержания темп-ры тела, совершения работы, роста и развития организма и обеспечения структуры и функции всех клеточных элементов. Т. о., обмен веществ и превращение энергии неразрывно связаны между собой и составляют единое целое. О. в. и э. включает два основных, непрерывно связанных между собой процесса — ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Ассимиляция — совокупность химич. реакций, приводящих к использованию и переработке веществ, поступающих в организм из внешней среды, и образованию из них сложных химич. соединений, входящих в состав цитоплазмы клеток и тканей; связана с потреблением энергии. Диссимиляция заключается в распаде веществ, входящих в состав клеток и поступивших извне, на более простые соединения, к-рые затем выделяются в окружающую среду как продукты жизнедеятельности. Биохимич. реакции О. в. и э. происходят в субклеточных структурах в определённой последовательности и осуществляются с помощью ферментов. О. в. и э. включает 3 этапа: 1) превращение пищевых веществ в пищеварит. органах (см. Пищеварение) и всасывание; 2) промежуточный обмен, включающий процессы ассимиляции и диссимиляции веществ в тканях организма; 3) образование и выделение конечных продуктов обмена из организма с мочой, калом, выдыхаемым воздухом и т. д. Кол-во энергии, выделяемой на каждом этапе О. в. и э., различно. На 1-м этапе происходит расщепление составных частей пищи — белков до аминокислот, углеводов до глюкозы, липидов до свободных жирных к-т и глицерина; выделение энергии происходит в незначит. кол-вах — 0,6% энергии белков и углеводов, ок. 1% энергии липидов. 2-й этап — окисление веществ, образовавшихся на 1-м этапе, до ацетилкоэнзима-А, α-кетоглутаровой и щавелевоуксусной к-т. При этом освобождается 1/3 всей энергии, заключённой в питательных веществах. 3-й этап сопровождается окислением ацетилкоэнзима-А в цикле трикарбоновых к-т до конечных продуктов обмена — СО2 и Н2О. Этот этап характеризуется освобождением 2/3 всей энергии питательных веществ. 40% энергии, образовавшейся в процессе обмена веществ, превращается в теплоту и св. 60% используется для синтеза макроэргических соединений. Соотношение между кол-вом энергии, поступившей с питательными веществами корма, и кол-вом энергии, отдаваемой во внешнюю среду, наз. энергетич. балансом организма. Определение этого баланса имеет большое теоретич. и практич. значение, особенно для расчёта кормовых рационов. Коэфф. полезного действия реакций О. в. и э. выражается кол-вом энергии, к-рое при данной темп-ре может быть превращено в работу. Для каждого организма характерен т. н. основной обмен, под к-рым подразумевают то минимальное кол-во энергии, к-рое необходимо при полном покое организма. Основной обмен определяют для оценки типа О. в. и э. и физиол. норм кормления. Понятие метаболитах, пластических и энергетических веществах. Макроэргические соединения. АТФ – главный макроэрг живого организма. Обмен веществ в организме — это не просто постоянный ток веществ через его основные структуры, а совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Все реакции, связанные с превращением веществ, можно отнести к двум процессам: пластическому и энергетическому обмену. Пластический обмен (ассимиляция, или анаболизм) — совокупность реакций синтеза органических веществ в клетке с использованием (затратой) энергии. В процессах энергетического обмена (диссимиляции, или катаболизма, или биологического окисления) происходит разрушение (распад) полученных с пищей питательных веществ до простых соединений с высвобождением энергии, запасённой в химических связях органических молекул пищи. В здоровом организме оба процесса строго сбалансированы (хотя в период быстрого роста ассимиляция может временно преобладать над диссимиляцией). Совокупность всех реакций, связанных с обменом веществ (ферментативных химических реакций) в организме называется обмен веществ (метаболизм). Характеристика Энергетический обмен (окисление, диссимиляция, катаболизм) Направлен на расщепление органических веществ, поступивших из внешней среды или образованных в ходе пластического обмена, до простых соединений. В ходе расщепления выделяется энергия в виде молекулы АТФ (аденозинтрифосфата), участвующей в синтезе веществ Пластический обмен (биосинтез, ассимиляция, анаболизм) Заключается в синтезе специфических органических веществ с затратой энергии. Образованные вещества участвуют в процессах, происходящих в организме, являются резервным запасом энергии и строительным материалом Пластический обмен — совокупность реакций синтеза органических веществ в клетке с использованием энергии. Фотосинтез и биосинтез белков — примеры пластического обмена. Значение пластического обмена: • обеспечение клетки строительным материалом для создания клеточных структур; обеспечение клетки органическими веществами, которые используются в энергетическом обмене. Автотрофные организмы строят все необходимые им органические соединения на основе органики, полученной из неорганического углерода в ходе фото- или хемосинтеза. В поступлении органических веществ извне они не нуждаются. Гетеротрофные организмы нуждаются в поступлении органики извне, но их потребности в ней сильно варьируют у разных организмов. Некоторые организмы способны синтезировать все необходимые вещества из какого-либо простого органического предшественника, например, ацетата (остатка уксусной кислоты) и минеральных источников (серы, фосфора и др. элементов). Таковы некоторые бактерии. Другие, напротив, нуждаются в поступлении большого количества сложных веществ — витаминов, незаменимых аминокислот и жирных кислот — как, например, люди. СИНТЕЗ БЕЛКА Синтез белковых молекул происходит в цитоплазме. Мономерами белков являются аминокислоты. В состав подавляющего большинства белков живых организмов входят 20 аминокислот, однако в некоторых случаях в белки могут включаться ещё несколько особых или модифицированных аминокислот (селеноцистеин, десмозин, гамма-каброксиглутаминовая кислота). Белки синтезируются по матричному принципу, т.е. существует особая матричная молекула, в которой закодирована последовательность аминокислот в белке. В роли такой молекулы выступает информационная, или матричная РНК (сокращенно иРНК или мРНК). Синтез и процессинг белка включает в себя следующие стадии: 1. Трансляция - создание полипептидной цепи 2. Фолдинг - формирование определенной трехмерной структуры полипептида 3. Химическая модификация 4. Транспорт к месту назначения В ходе трансляции последовательность нуклеотидных триплетов иРНК приводятся в соответствие последовательности аминокислот в пептидной цепочке с помощью особых органелл - рибосом, состоящих из 2 субъединиц, в каждой из которых имеется белковая и рибонуклеотидная часть. Молекулами, доставляющими аминокислоты к рибосомам, являются транспортные РНК. На одном из участков тРНК имеется триплет нуклеотидов, называемый антикодоном. В случае, если антикодон тРНК комплементарно связывается с кодоном иРНК, который в данный момент считывается рибосомой, тРНК входит в рибосому, и активный центр в большой субъединице рибосомы переносит аминокислоту с тРНК на растущую пептидную цепь. Стоит отметить, что синтез белка требует от клетки больших энергетических затрат: - 1 молекула АТФ затрачивается на активацию трансляции - по 2 макроэргические связи затрачивается на активацию каждой аминокислоты, что необходимо для прикрепления аминокислоты к молекуле тРНК (АТФ расщепляется до АМФ и пирофосфата) - 1 молекула ГТФ расходуется на связывание комплекса аминокислота-тРНК с Асайтом рибосомы - 1 молекула ГТФ необходима для транслокации рибосомы после образования новой пептидной связи - 1 молекула ГТФ необходима для терминации трансляции Таким образом, каждая аминокислота в белке "стоит" клетке 4 макроэргических связей, к тому же 2 связи дополнительно затрачиваются при активации и терминации трансляции. Подобная "дороговизна" объясняется необходимостью обеспечить точность и необратимость реакции образования пептидной связи. СИНТЕЗ УГЛЕВОДОВ Глюконеогенез - это процесс синтеза глюкозы из неуглеводных соединений, например, из пирувата. Реакции глюконеогенеза у человека происходят в клетках печени, почек и эпителия тонкого кишечника. Большая часть реакций глюконеогенеза представляет собой обращение реакций гликолиза (энергетический обмен), и осуществляются в цитозоле, однако несколько ключевых стадий данного метаболического пути являются "обходными" по отношению к гликолизу, и протекают в митохондриях и эндоплазматической сети. Суммарное уравнение глюконеогенеза можно записать следующим образом: 2 Пируват + 4 AТФ + 2 ГТФ + 2 НАДН + 2 H+ + 4 H2O → глюкоза + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Ф + 2НАД+ Таким образом, синтез глюкозы из пирувата требует больше энергии, чем выделяется в ходе гликолиза (2 молекулы АТФ и 2 НАДН на 1 молекулу глюкозы). Это объясняется тем, что во Вселенной не существует ни одного механизма, имеющего КПД, равный 100%, часть энергии в ходе химических реакций в клетке неизбежно рассеивается в виде тепла. Гликогеногенез - это процесс синтеза гликогена из глюкозы. Реакции гликогеногенеза осуществляются в клетках мышечной ткани и в клетках печени, протекают в цитозоле. На первой стадии молекула глюкозы фосфорилируется до глюкозо-6-фосфата за счет энергии 1 молекулы АТФ. Далее фосфатная группа в молекуле глюкозофосфата переносится с шестого на первый атом углерода (глюкозо1-фосфат). Ключевая реакция гликогеногенеза - это т.н. активация глюкозы путем переноса глюкозо-1-фосфата на УТФ, в результате чего образуется молекула УДФглюкозы. Таким образом, на этом этапе затрачивается энергия ещё 2 макроэргических связей (УТФ гидролизуется до УМФ и пирофосфата, а далее УМФ и глюкозофосфат образуют УДФ-глюкозу). Подобная энергозатратность на первый взгляд кажется избыточной, однако большая разница энергий реагентов и продуктов реакции обеспечивает её необратимость в условиях живой клетки. Наконец, на последнем этапе гликогеногенеза УДФ-глюкоза с помощью фермента гликогенсинтазы полимеризуется в гликоген (УДФ при этом диссоциирует от моносахаридов). Таким образом, на добавление к молекуле гликогена 1 молекулы глюкозы клетка затрачивает 3 макроэргические связи. Однако частично такая энергопотеря компенсируется тем, что при распаде гликогена выделяется не глюкоза, а глюкозофосфат, т.е. снижаются затраты на активацию глюкозы для гликолиза, и с 1 молекулы глюкозы, полученной из гликогена, в ходе гликолиза регенерируется не 2, а 3 молекулы АТФ. Синтез жирных кислот осуществляется в цитоплазме жировой ткани. Данный многостадийный процесс катализируется единым полиферментным комплексом, состоящим из многих белковых субъединиц. Синтез жирных кислот представляет собой циклический процесс, в ходе каждого цикла молекула жирной кислоты удлиняется на 2 углеродных атома. Синтез нуклеотидов осуществляется в цитоплазме всех активных клеток организма. Это сложный и многоэтапный процесс, в ходе которого из нециклических молекул и ионов (аминокислоты, гидрокарбонат-ион) образуются гетероциклические азотистые основания. К макроэргическим соединениям относятся аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), а также пирофосфат (H4P2O7), полифосфаты (полимеры метафосфорной кислоты) и др. Самое важное макроэргическое соединение — АТФ. Используя энергию, заключенную в макроэргических связях АТФ, при действии ферментов, переносящих фосфатные группы, можно получить другие макроэргические соединения, например, ГТФ (гуанозинтрифосфорная кислота), ФЕП (фосфоенолпировиноградная кислота) и др. Образуется АТФ в процессах биологического окисления и при фотосинтезе. Энергия макроэргических связей используется для совершения любой работы: активации соединений (например, глюкозы, чтобы могла начаться цепь ее окислительных превращений), синтеза биополимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), избирательного поглощения веществ из окружающей клетку среды и выброса из клетки ненужных продуктов, мышечного сокращения и восстановления активного состояния организма и т. д. Запас этих соединений позволяет организму быстро реагировать на изменение внешних условий и совершать физическую работу. При спортивной тренировке содержание макроэргических соединений в мышцах и скорость их образования возрастают. Есть и другие формы запасания энергии. Во-первых, это разность электрических потенциалов на биологических мембранах, которая может быть использована для синтеза макроэргических соединений и на поддержание которой клетке приходится расходовать энергию. Во-вторых, поскольку любой организм способен окислять углеводы и жиры с образованием макроэргических соединений, то можно считать, что жировые капли, зерна крахмала, частицы гликогена — это не только запасы пластического («строительного») материала, но и запасы энергии, только в более инертной и менее доступной для быстрого использования форме, чем макроэргические соединения. Дыхательная цепь. Путь водорода и кислорода в процессах тканевого дыхания. Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования (см. с. 126). Компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН + Н+ или восстановленного убихинона (QH2) на молекулярный кислород. Из-за большой разности окислительно-восстановительных потенциалов донора (НАДН + Н+ и, соответственно, QH2) и акцептора (О2) реакция является высокоэкзергонической (см. с. 24). Большая часть выделяющейся при этом энергии используется для создания градиента протонов (см. с. 128) и, наконец, для образования АТФ с помощью АТФ-синтазы. Дыхательная цепь включает 4 группы ферментов: 1. Пиридинзависимые дегидрогеназы – коферментом является НАД, НАДФ. 2. Флавинзависимые дегидрогеназы – коферментом является ФАД, ФМН. 3. Коэнзим Q или убихинон. 4. Цитохромы b, c, a, a3. Цитохромы являются геминовыми белками, в качестве небелковой части содержат гем. В составе гема содержатся атом железа, который может изменять степень окисления с +3 до +2, присоединяя или отдавая электрон. В составе дыхательной цепи выделяют два участка: 1. Участок, включающий пиридинзависимые дегидрогеназы – коэнзим Q обеспечивает перенос протонов и электронов. На уровне коэнзима Q протоны уходят в среду митохондрий, т.к. цитохромы по своему строению способны переносить только электроны. 2. Участок цитохромов, обеспечивающий перенос только электронов. Основное значение цитохромной системы перенос электронов от окисляемого субстрата на молекулярный кислород с образованием воды: Схема переноса электронов и протонов по дыхательной цепи. По дыхательной цепи от окисляемого субстрата до кислорода передается 2 протона и два электрона. Коферменты дыхательной цепи принимая протоны и электроны превращаются в восстановленную форму, а отдавая их снова превращается в окисленную форму. Движущей силой, обеспечивающей перенос протонов и электронов от субстрата к кислороду, является разность редокс-потенциалов. В дыхательной цепи происходит нарастание редокс-потенциала (от –0,32 в до +0,81 в О2) Для синтеза одной макроэргической связи АТФ требуется перепад редокспотенциалов между участками дыхательной цепи примерно в 0,22 в на пару перенесенных электронов. Длина дыхательной цепи (количество ферментов) может быть различна и зависит от природы окисляемого субстрата. Для клетки важно, чтобы молекула кислорода, присоединив 4 электрона, полностью восстановилась до двух молекул воды. При неполном восстановлении кислорода в случае присоединения двух электронов образуется перекись водорода, а в случае присоединения одного электрона – супероксидный радикал . Перекись водорода и супероксидный радикал токсичны для клетки, т.к. повреждают клеточные мембраны, взаимодействую с остатками ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов. Аэробные клетки защищают себя от действия перекиси и супероксида с помощью двух ферментов: супероксиддисмутазы и каталазы. ДЫХАНИЕ ТКАНЕВОЕ (син. клеточное дыхание) - совокупность окислительновосстановительных процессов в клетках, органах и тканях, протекающих с участием молекулярного кислорода и сопровождающихся запасанием энергии в молекулах АТФ. В процессе Т.д. можно наметить три основные стадии: 1) окислительное образование ацетилКоФ-А (активная форма уксусной кислоты) из пировиноградной кислоты (промежуточный продукт расщепления глюкозы), жирных кислот и аминокислот; 2) разрушение ацетильных остатков в ЦТК с освобождением 2 молекул углекислого газа и 4 пар атомов водорода, частично акцептируемых КоФ – НАД и ФАД и частично переходящих в раствор в виде протонов; 3) перенос электронов и протонов к молекулярному кислороду (образование H2O) — процесс, катализируемый набором дыхательных ферментов и сопряжённый с образованием АТФ (так называемое окислительное фосфорилирование). Первые две стадии подготавливают третью, в ходе которой в результате последовательных окислительно-восстановительных реакций происходит освобождение основной части энергии, вырабатываемой в клетке. При этом около 50% энергии в результате окислительного фосфорилирования запасается в форме богатых энергией связей АТФ, а остальная часть её выделяется в виде тепла. 3) При переносе электронов в митохондриальной мембране каждый комплекс дыхательной цепи направляет свободную энергию окисления на перемещение протонов (положительных зарядов) через мембрану, из матрикса в межмембранное пространство, что приводит к образованию разности потенциалов на мембране: положительные заряды преобладают в межмембранном пространстве, а отрицательные - со стороны матрикса митохондрий. При достижении определенной разности потенциалов (220 мВ) белковый комплекс АТФ-синтетазы начинает транспортировать протоны обратно в матрикс, при этом превращает одну форму энергии в другую: образует АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Так происходит сопряжение окислительных процессов с синтетическим - с фосфорилированием АДФ. Пока происходит окисление субстратов, пока происходит перекачка протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану - идет сопряженный с этим синтез АТФ, то есть окислительное фосфорилирование. Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, трансформируется в трансмембранный протонный потенциал. Фермент АТФ-синтаза использует этот градиент для синтеза АТФ, преобразуя его энергию в энергию химических связей. Подводя итоги энергетики процесса дыхания, подсчитаем, сколько всего молекул АТФ может образоваться при распаде одной молекулы глюкозы. В первую анаэробную фазу дыхания при распаде одной молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты в процессе субстратного фосфорилирования накапливаются две молекулы АТФ. Одновременно на этой фазе дыхания при окислении ФГА до ФГК в цитозоле образуются две молекулы восстановленных коферментов (2 НАД-Н2). Они диффундируют через наружную мембрану и окисляются в дыхательной цепи благодаря наличию у растений НАД-Ндегидрогеназы, локализованной на наружной поверхности внутренней мембраны. При этом синтезируется 6 молекул АТФ. В аэробной фазе дыхания при окислении пировиноградной кислоты образуются 4НАД-Н2. Их окисление в дыхательной цепи приводит к образованию 12 АТФ. Кроме того, в цикле Кребса восстанавливается одна молекула флавиновой дегидрогеназы (ФАД-Н2). Окисление этого соединения в дыхательной цепи приводит к образованию 2 АТФ, поскольку одно фосфорилирование не происходит. При окислении молекулы а-кетоглутаровой кислоты до янтарной энергия непосредственно накапливается в одной молекуле АТФ (субстратное фосфорилирование). Таким образом, окисление одной молекулы пировиноградной кислоты сопровождается образованием ЗСО2 15 молекул АТФ. Однако при распаде молекулы глюкозы образовались две молекулы пировиноградной кислоты. Следовательно, всего в аэробной фазе дыхания образуется 6 молекул СО2 и 30 молекул АТФ плюс 8АТФ в анаэробной фазе. Итого 6 молекул СО2 и 38 молекул АТФ образуется в процессе окислительно-дыхательного распада молекулы гексозы. Анаэробные и аэробные дегидрогеназаы. Состав, строение, биологическая роль. или никатинамидадениндинуклеотид Более половины известных в настоящее время оксидоредуктаз содержат в качестве кофермента. Соединяясь с тем или иным специфическим белком и образуя аким образом двухкомпанентный фермент, который сокращенно называют пиридинпротеином, резко усиливает свою способность по ядру никотинамида. В результате пиридинпротениы способны отнимать от субстратов (спирты, альдегиды, дикарбоновые кислоты и тд) атомы Н в виде гидрид – ионов ( ) и протонов ( ), окисляя, таким образом, указанные соединения. Все пиридинпротеины – анаэробные дегидрогеназы, они не передают снятые с субстрата атомы Н на кислород, а посылают их а ближайший в окислительной цепи другой фермент. Рассмотрим процесс окисления – восстановления на примере одного из пиридинпротеинов – алкогольдегидрогеназы из печени животных. Это белок с М=73000, состоящий из двух субъединиц, каждая из которых несет молекулу и атом Zn. В процессе отнятия атомов Н от спирта образуется тройной апофермент-кофермент-субстратный комплекс, удерживаемый . Непосредственно к никотинамидадениндинуклеотиду от молекулы спирта переходит один атом Н в виде гидридного иона ( ), т.е атома Н, несущего дополнительный электрон. Второй атом Н отнимаемый от молекулы спирта, наоборот, теряет электрон, превращаясь в протон ( ), и поступает в реакционную среду. Уравнение реакции окисления спирта при участии : Механизм действия алкогольдегидрогеназы В любом случае иона ( ). Кроме получает два электрона за счет присоединения гидридного пиридинферменты содержат в качестве кофермента никтотинамидадениндинуклеотидфосфат или . Этот кофермент является производным у которого водород ОН – группы 2-го углеродного атома рибозы аденощина замещен на остаток фосфатной кислоты. B. Аэробные дегидрогеназы. Фад, строение и механизм окисления – восстановления. Ферменты, катализирующие удаление водорода из субстрата, они могут использовать в качестве акцептора водорода не только кислород, но и искусственные акцепторы, такие как метиленовый синий. Эти дегидрогеназы относятся к флавопротеинам, и продуктом катализируемой ими реакции является перекись водорода, а не вода. К флавопротеинам относится фермент, несущий в качестве активной группы фосфорилированный витамин . Окисленная форма этого флавопротеина (М=52000) окрашена. Каждая молекула фермента несет молекулу рибофлавинфосфата(или флавинмононуклеотида ФМН), способного принимать и отдавать два атома Н по атомам изоаллоксазинового кольца: Другим коферментом в флавопротеинах является флавинадениндинуклеотид (ФАД): ФМН и ФАД, соединяясь с различными апоферментами, дают начало приблизительно тридцати флавопротеинам, отличающимся различной специфичностью по отношению к субстратам. Основная функция флавопротеинов – перенос электронов от остановленных пиридинпротеинов к другим компанентам окислительно-восстановительной цепи. Однако, некоторые флавопротеины, особенно с ФАД в качестве кофермента способны снимать атом водорода непосредственно с субстрата. В качестве коферментов оксидаз D- и L-аминокислот восстановленные ФАД и ФМН могут непосредственно взаимодействовать с молекулярным кислородом с образованием перекиси водорода. 2) Аэробные дегидрогеназы—ферменты, катализирующие удаление водорода из субстрата; в отличие от оксидаз они могут использовать в качестве акцептора водорода не только кислород, но и искусственные акцепторы, такие, как метиленовый синий. Эти дегидрогеназы относятся к флавопротеинам, и продуктом катализируемой ими реакции является перекись водорода, а не вода (рис. 12.2). 3) Анаэробные дегидрогеназы—ферменты, ката-, лизирующие удаление водорода из субстрата, но не способные использовать кислород в качестве акцептора водорода. В этот класс входит большое число ферментов. Они выполняют две главные функции. а. Перенос водорода с одного субстрата на другой в сопряженной окислительновосстановительной реакции (рис. 12.3). Эти дегидрогеназы специфичны к субстратам, но часто используют один и тот же кофермент или переносчик водорода. Поскольку рассматриваемые реакции обратимы, они обеспечивают в клетке свободный перенос восстановительных эквивалентов. Реакции этого типа, приводящие к окислению одного субстрата за счет восстановления другого, особенно важны для осуществления окислительных процессов в отсутствие кислорода. Обмен углеводов. Переваривание и всасывание углеводов в пищеварительном тракте. Пищеварительные гликозидазы. Основными углеводами пищи для организма человека являются: крахмал, гликоген, сахароза, лактоза. Поступивший с пищей крахмал (гликоген) в ротовой полости подвергается гидролизу под действием альфа-амилазы слюны, которая относится к эндоамилазам. Она расщепляет альфа (1,4)-гликозидные связи в структуре крахмала. РН оптимум для альфа-амилазы слюны находится в слабощелочной среде (рН = 7-8). Поскольку пища в ротовой полости находится недолго, то крахмал переваривается лишь частично. Его гидролиз завершается образованием амилодекстринов . Далее пища поступает в желудок. Слизистой оболочкой желудка гликозидазы не вырабатываются. В желудке среда резко кислая (рН=1,5-2,5), поэтому действие альфа-амилазы слюны внутри пищевого комка прекращается. Однако в более глубоких слоях действие фермента продолжается, и крахмал успевает пройти следующую стадию гидролиза, с образованием эритродекстринов. Основным местом переваривания крахмала служит тонкий отдел кишечника. Здесь проходит наиболее важная фаза гидролиза крахмала. В переваривании крахмала принимает участие ферменты, вырабатываемые в поджелудочной железе (альфаамилаза, амило-1,6-гликозидаза и олиго-1,6-гликозидаза ). Выделяющийся панкреатический сок содержит бикарбонаты , которые принимают участие в нейтрализации кислого желудочного содержимого, создаётся слабощелочная среда (рН=8-9) - оптимальная для гликозидаз. Образующиеся катионы (Na+,K+) принимают участие в активации ферментов. Три панкреатических фермента завершают гидролитический разрыв внутренних гликозидных связей в структуре крахмала. Эритродекстрины переходят в ахродекстрины . Альфа-амилаза завершает разрыв внутренних альфа(1,4)-гликозидных связей, амило1,6-гликозидаза гидролитически расщепляет внутренние альфа-1,6-гликозидные связи в точках ветвления, а олиго-1,6-гликозидаза является терминальной в этом процессе. Таким образом, три панкреатических фермента завершают гидролиз крахмала в кишечнике с образованием мальтоз (изомальтоз). Образованная мальтоза – является только временным продуктом гидролиза крахмала, т.к. она после всасывания в энтероцитах гидролизуется под действием мальтаз (изомальтаз) до глюкоз . В составе пищи в организм человека поступают и дисахариды: лактозы и сахарозы, которые подвергаются гидролизу только в тонком кишечнике. В клетках кишечника, кроме мальтаз синтезируются лактазы и сахаразы , которые осуществляют гидролиз соответствующих дисаридов пищи с образованием глюкоз, галактоз, фруктоз. Продукты полного гидролиза - моносахариды - всасываются в кровь и на этом завершается начальный этап обмена углеводов - пищеварение. С пищей в организм человека поступает клетчатка , которая в пищеварительном тракте не переваривается, поскольку отсутствуют бета -гликозидазы. Однако биологическая роль клетчатки велика: она формирует пищевой комок, продвигаясь по желудочно-кишечному тракту она раздражает слизистые оболочки усиливая сокоотделение, клетчатка усиливает перистальтику кишечника, нормализует кишечную микрофлору. Достигая толстого отдела кишечника клетчатка под действием ферментов условнопатогенной микрофлоры подвергается брожению с образованием глюкозы, лактозы и газообразных веществ. Изучая процесс пищеварения углеводов, следует запомнить ферменты, участвующие в нем, выяснить условия их действия в различных отделах пищеварительного тракта, знать промежуточные и конечные продукты гидролиза. Поступающие в организм человека сложные углеводы пищи имеют иную структуру, чем углеводы человеческого тела. Так полисахариды, составляющие растительный крахмал,- амилоза и амилопектин - представляют собой линейные или слаборазветвленные полимеры глюкозы, а крахмал человеческого тела - гликоген,имея в основе те же глюкозные остатки, образует из них иную - сильноразветвленную - полимерную структуру. Поэтому усвоение пищевых олиго- и полисахаридов начинается с их гидролитического (под действием воды) расщепления в процессе пищеварения до моносахаридов. Гидролитическое расщепление углеводов в процессе пищеварения происходит под действием ферментов гликозидаз, расщепляющих 1-4 и 1-6 гликозидные связи в молекулах сложных углеводов. Простые углеводы пищеварению не подвергаются, может только происходить брожение некоторой части их в толстом кишечнике под действием ферментов микроорганизмов. К гликозидазам относятся амилаза слюны, поджелудочного и кишечного соков, мальтаза слюны и кишечного сока, конечная декстриназа, сахараза и лактаза кишечного сока. Гликозидазы активны в слабощелочной среде и угнетаются в кислой среде, за исключением амилазы слюны, которая катализирует гидролиз полисахаридов в слабокислой среде и теряет активность при увеличении кислотности. В ротовой полости начинается пищеварение крахмала под воздействием амилазы слюны , которая расщепляет 1-4 гликозидные связи между остатками глюкозы внутри молекул амилозы и амилопектина. При этом образуются дектстрины и мальтоза. В слюне содержится в небольших количествах и мальтаза, гидролизующая мальтозу до глюкозы. Другие дисахариды во рту не расщепляются Большая часть молекул полисахаридов не успевает гидролизоваться во рту. Смесь крупных молекул амилозы и амилопектина с более мелкими - декстринами. Мальтозой, глюкозой- поступает в желудок. Сильно кислая среда желудочного сока угнетает ферменты слюны, поэтому дальнейшие превращения углеводов происходят в кишечнике, сок которого содержит бикарбонаты, нейтрализующие соляную кислоту желудочного сока. Амилазы поджелудочного и кишечного соков более активны, чем амилаза слюны. В кишечном соке содержится также конечная декстриназа, гидролизующая 1-6 связи в молекулах амилопектина и декстринов. Эти ферменты завершают расщепление полисахаридов до мальтозы. В слизистой оболочке кишечника вырабатываются также ферменты, способные гидролизовать дисахариды : мальтаза, лактага, сахараза. Под воздействием мальтазы мальтоза расщепляется на две глюкозы, сахароза под воздействием сахаразы - на глюкозу и фруктозу, лактаза расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу. В пищеварительных соках отсутствует фермент целлюлаза, гидролизующая поступающую с растительной пищей целлюлозу. Однако в кишечнике имеются микроорганизмы, ферменты которых могут расщеплять некоторое количество целлюлозы. При этом образуется дисахарид целлобиоза, распадающийся потом до глюкозы. Не расщепившаяся целлюлоза является механическим раздражителем стенки кишечника, активирует его перистальтику и способствует продвижению пищевой массы. Под действием ферментов микроорганизмов продукты распада сложных углеводов могут подвергаться брожению, в результате чего образуются органические кислоты, СО2,СН4 и Н2. Схема превращений углеводов в пищеварительной системе представлена на схеме. Гликогенная функция печени. Гликоген – главная форма запасания углеводов у животных и человека. Накапливается гликоген главным образом в печени и в скелетных мышцах, где его содержание редко превышает 1%. Синтез гликогена (гликогенез) Прежде всего глюкоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы, а в печени – и глюкокиназы. Далее глюкозо-6-фосфат под влиянием фермента фосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1-фосфат *АТФ АДФ Образовавшийся глюкозо-1-фосфат уже непосредственно вовлекается в синтез гликогена. На первой стадии синтеза глюкозо-1-фосфат вступает во взаимодействие с УТФ, образуя УДФ-глюкозу и пирофосфат. ферментом глюкозо-1-фосфатуридилилтрансферазой (УДФГ-пирофосфорилаза): Глюкозо-1-фосфат + УТФ <=> УДФ-глюкоза + Пирофосфат. УДФ-глюкозу На второй стадии – стадии образования гликогена – происходит перенос глюкозного остатка, входящего в состав УДФ-глюкозы, на глюкозидную цепь гликогена (≪затравочное≫ количество). При этом образуется α-(1–>4)-связь между первым атомом углерода добавляемого остатка глюкозы и 4-гидроксильной группой остатка глюкозы цепи. Эта реакция катализируется ферментом гликогенсинтазой. Гликоген (n+1 остатков) Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ, и таким образом весь цикл превращений глюкозо-1-фосфата начинается сначала. Нарушения гликогенной функции печени могут привести к повышению или понижению содержания глюкозы в крови, т. е. к гипергликемии или гипогликемии. При рационе, бедном углеводами, наступающая гипогликемия стимулирует инкрецию адреналина в мозговом слое надпочечников. Гормон, попадая с кровью в печень, активирует фосфорилазу и тем самым гликогенолиз (распад гликогена в печени). ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ Некоторые ткани нуждаются в постоянном поступлении глюкозы. Когда поступление углеводов в составе пищи недостаточно, содержание глюкозы в крови некоторое время поддерживается в пределах нормы за счет расщепления гликогена в печени. Однако запасы гликогена в печени невелики, они практически полностью исчерпываются после суточного голодания. В этом случае в печени начинается глюконеогенез (ГНГ) – процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. В первую очередь это важно для головного мозга (он не может обеспечивать потребности в энергии за счет окисления жирных кислот) и эритроцитов – в них аэробный путь распада веществ невозможен из-за отсутствия митохондрий. Процесс в основном (на 90%) протекает в печени и менее интенсивно в корковом веществе почек и слизистой тонкого кишечника. Субстратами ГНГ являются лактат, аминокислоты, глицерин. Аминокислоты включаются в ГНГ при длительном голодании или продолжительной мышечной работе. Глицерин освобождается в процессе липолиза из жировой ткани в период голодания или при длительной физической нагрузке. Лактат – продукт анаэробного гликолиза. Его источником в покое являются эритроциты, а при работе – мышцы. Таким образом, лактат используется в глюконеогенезе постоянно. Большинство реакций глюконеогенеза протекает за счет обратимых реакций гликолиза и катализируется теми же ферментами. Однако три реакции гликолиза необратимы. На этих стадиях реакции ГНГ протекают другими путями (обходные пути ГНГ). Первая необратимая реакция – образование из пирувата фосфоенолпирувата . В ГНГ это происходит в ходе двух реакций. Пируват в митохондриях карбоксилируется с образованием оксалоацетата при участии пируваткарбоксилазы – биотинзависимого фермента. Реакция протекает с использованием энергии АТФ. Дальнейшие превращения оксалоацетата протекают в цитозоле. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа с затратой энергии ГТФ превращает оксалоацетат в фосфоенолпируват. Дальнейшие реакции ГНГ вплоть до образования фруктозо-1,6-бисфосфата протекают в цитозоле и катализируются гликолитическими ферментами. Затем следует еще одна необратимая реакция ГНГ, катализируемая фруктозо-1,6-бисфосфатазой, в которой происходит отщепление остатка фосфорной кислоты гидролитическим путем. Образующийся при этом фруктозо-6-фосфат гликолитическим ферментом изомеризуется до глюкозо-6-фосфата, от которого отщепляется остаток фосфорной кислоты при участии еще одного необратимо работающего фермента – глюкозо-6фосфатазы. Образовавшаяся свободная глюкоза из клетки выходит в кровь. В ходе ГНГ расходуется 6 моль АТФ на синтез 1 моль глюкозы из пирувата или лактата. Ключевыми ферментами ГНГ, катализирующими необратимые обходные реакции, являются: пируваткарбоксилаза, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо-1,6бисфосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза. Активируют ГНГ аллостерически АТФ и цитрат, обязательным активатором первого фермента является ацетил-КоА. ГНГ усиливают гормоны: глюкагон, глюкокортикостероиды. Тормозит ГНГ гормон покоя и сытости – инсулин. Лактат, образовавшийся в ходе анаэробного гликолиза, не является конечным продуктом метаболизма. Использование лактата связано с его превращением в печени в пируват и с дальнейшим использованием последнего. Лактат, поступивший из интенсивно работающих мышц, выходит в кровь, а затем поступает в печень. В печени в лактатдегидрогеназной реакции лактат превращается в пируват, который включается в ГНГ, а образовавшаяся глюкоза поступает в кровь и поглощается скелетными мышцами. Эту последовательность событий называют «глюкозолактатным циклом», или «циклом Кори». Цикл Кори выполняет две важнейшие функции: обеспечивает утилизацию лактата и предотвращает лактатацидоз. Часть пирувата, образовавшегося из лактата (25%), окисляется печенью до СО2 и Н2О с освобождением энергии. Анаэробный распад углеводов, характеристика промежуточных и конечных продуктов. .Энергетический баланс процесса. Анаэробный распад углеводов может начинаться как с распада глюкозы - гликолиза, так и с распада гликогена - гликогенолиза. В основном этот путь распада характерен для мышц. Сущность анаэробного распада углеводов заключается в расщеплении активированной глюкозы (фосфоглюкозы) на 2 молекулы молочной кислоты. Образующаяся в ходе этого процесса энергия частично расходуется в виде тепла, частично накапливается (аккумулируется) в макроэргических соединениях типа АТФ. При гликолизе образуются 2, а при гликогенолизе - 3 молекулы АТФ. Гликогенолиз начинается с отщепления от гликогена под действием фермента фосфорилазы одной молекулы глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата, который превращается (изомери- зуется) в глюкозо-6-фосфат. При гликолизе глюкоза гексокиназой при участии АТФ (как источника энергии) превращается в глюкозо-6-фосфат. Различия гликолиза и гликогенолиза Существуют только на начальных стадиях, до образования глюкозо-6-фосфорно-го эфира, с которого эти два процесса идут одинаково. В дальнейшем глюкозо-6-фосфат превращается во фруктозо-1,6-дифосфат, который под действием фермента альдолазы расщепляется на 2 молекулы триоз (моносахаридов, состоящих из 3 углеродных атомов) - фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон (см. стр. 134). В организме фосфодиоксиацетон способен превратиться в фосфоглицериновый альдегид. Таким образом, можно говорить о дальнейшем распаде 2 молекул фосфоглицеринового альдегида. Следующий этап превращения является одним из важнейших процессов анаэробного распада углеводов - это окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой образуются две молекулы 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. Это соединение важно тем, что в ходе реакции оно накапливает энергию, которая идет на образование двух молекул АТФ. Существенным моментом реакции также является выделение 4 атомов водорода, которые участвуют в гликолизе на последнем этапе - восстанавливают пировиноградную кислоту до молочной (см. схему 2). Дифосфоглицериновая кислота отдает свою энергию на образование 2 молекул АТФ, а сама нревращается в 3-фосфоглицериновую кислоту. 3-Фосфоглицериновая кислота подвергается различным превращениям и, наконец, образует 2 молекулы пировиноградной кислоты, которая при участии фермента лактатдегидрогеназы и 4 атомов водорода, выделившихся при окислении 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, образует молочную кислоту. Это конечный продукт анаэробного распада углеводов. Образовавшаяся молочная кислота подвергается дальнейшим превращениям. Так, 85% ее ресинтезируются в гликоген путем, обратным гликогенолизу в аэробных условиях, а оставшиеся 15% окисляются вначале до пировиноградной кислоты и затем до СО2 и Н2О Аэробный распад углеводов (дихотомический и апотомический пути), характеристика промежуточных и конечных продуктов. Энергетический баланс процесса. Аэробный распад протекает в условиях достаточного снабжения тканей кислородом. Он включает несколько стадий: 1. Аэробный распад глюкозы до двух молекул пирувата в гиалоплазме клеток,который можно разделить на 2 этапа: а)подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. б) основной этап, сопряженный с синтезом АТФ. В результате серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. • Превращение пирувата в ацетил-КоА и окисление последнего в цикле Кребса • Дыхательная цепь Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Это обратимая реакция изомеризации протекает при участии глюкозофосфатизомеразы. Затем следует еще одна реакция фосфорилирования за счет АТФ, катализирует ее фосфофруктокиназа. В ходе этой реакции фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Этот метаболит далее расщепляется на 2 триозофосфата: фосфоглицериноый альдегид (ФГА) и диоксиацетонфосфат (ДОАФ), реакцию катализирует альдолаза. В последующих реакциях гликолиза используется только ФГА, поэтому ДОАФ превращается с участием фермента триозофосфатизомеразы в ФГА. На этом подготовительный этап заканчивается. Основной этап аэробного распада включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Сна-чала происходит окисление ФГАпри участии ФГА-дегидрогеназы. Этот фермент является НАД+-зависимымым. Восстановленный НАД+ затем окисляется в дыхательной цепи (перенос НАДН в митохондрии, где находится дыхательная цепь, происходит при участии челночных механизмов, это связано с тем, что митохондриальная мембрана непроницаема для НАДН). Кроме того, свободная реакция окисления этой реакции концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. Продуктом реакции является 1,3-бисфосфоглицерат. Для фосфорилирования используется Н3РО4. В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передается на АДФ с образованием АТФ. Катализирует реакцию фосфоглицераткиназа. АТФ в данной реакции образуется путем субстратного фосфорилирования. Продуктом реакции является 3-фосфоглицерат. В следующей реакции происходит перенос фосфата из 3 положения во второе с образованием 2-фосфоглицерата. Из него при отщеплении воды образуется фосфоенолпируват – макроэргическое соединение, фосфатная группа которого в следующей реакции переносится на АДФ с образованием АТФ при участии пируваткиназы (это вторая реакция субстратного фосфорилирования). Продуктом реакции является пируват. Во второй стадии пируват превращается в ацетил-КоА, который сгорает в цикле Кребса и дыхательной цепи (третья стадия) до СО2 и Н2О. Всего при аэробном окислении глюкозы выделяется 32 АТФ. Анаэробный гликолиз представляет собой распад глюкозы в анаэробных условиях (условиях недостаточного снабжения кислородом), поэтому он не зависит от работы митохондриальной дыхательной цепи. АТФ в гликолизе образуется путем субстратногофосфорилирования. Конечным продуктом является лактат (рис. 5). Все реакции анаэробного гликолиза (11 реакций) протекают в гиалоплазме. Первые 10 реакций до пирувата идентичны аэробному распаду. В последней реакции происходит восстановление пирувата в лактат цитозольным НАДН. Реакцию эту катализирует лактатдегидрогеназа. С помощью этой реакции обеспечивается регенерация НАД+ из НАДН без участия дыхательной цепи в ситуациях, связанных с недостаточным снабжением клеток кислородом. Роль акцептора водорода от НАДН (подобно кислороду в дыхательной цепи) выполняет пируват. Таким образом, значение реакции восстановления пирувата заключается не в образовании лактата, а в том, что данная цитозольная реакция обеспечивает регенерацию НАД+. К тому же лактат не является конечным продуктом метаболизма, удаляемым из организма (лактат – тупиковый метаболит). Он выводится в кровь и утилизируется: либо превращается в глюкозу (75%), либо при доступности кислорода окисляется до СО2 и Н2О (25%). Рис.5. Гликолиз Энергетический выход анаэробного гликолиза составляет 2 АТФ. Недостатками анаэробного гликолиза являются: малый энергетический выход по сравнению с аэробным распадом и накопление лактата, что приводит к ацидозу, усталости. Достоинства гликолиза: он полезен при выполнении кратковременной работы, является единственным источником энергии для эритроцитов (в них отсутствуют митохондрии), а также необходим в разных органах при дефиците кислорода (наложение жгута, падение давления, нарушение кровотока). Регуляция.Регуляторными ферментами гликолиза являются: гексокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа. Аллостерическими ингибиторами являются АТФ и цитрат. Стимулирует гликолиз инсулин, а тормозят глюкагон, глюкокортикостероиды. Катехоламины тормозят гликолиз в печени и активируют в мышцах. Фотосинтез и его роль в природе. Химизм фотосинтеза. Световая и темновая стадии. Химический баланс фотосинтеза выглядит предельно просто: из 6 молекул CO2 строится молекула гексозы (на схеме справа). Необходимый для этого процесса восстановления водород берется из воды; образующийся в ходе фотосинтеза молекулярный кислород является всего лишь побочным продуктом (на схеме слева). Процесс нуждается в энергии света, так как вода — очень плохой восстановитель и не способна восстанавливать CO2. В светозависимой части фотосинтеза, «световой реакции», происходит расщепление молекул H2O с образованием протонов, электронов и атома кислорода. Электроны, «возбужденные» энергией света, достигают уровня энергии, достаточного для восстановления НАДФ+ (NADP+), Образующийся НАДФ + Н+, в противоположность H2O, является подходящим восстановителем для «фиксации» CO2, т. е. для перевода диоксида углерода в органическое соединение. В световой реакции также образуется АТФ (АТР), который также необходим для фиксации CO2. Если в системе присутствуют НАДФН + Н+, АТФ и соответствующие ферменты, фиксация CO2 может протекать также в темноте; такой процесс называется «темновой реакцией». Возбуждение электронов для образования НАДФН — это сложный фотохимический процесс, в котором участвует хлорофилл — зеленый, содержащий ионы Mg2+ тетрапиррольный пигмент, несущий дополнительно остаток фитола. Первичным источником энергии на Земле является энергия Солнца. Диапазон солнечного излучения, достигающего земной поверхности, называется видимым или белым светом; нижний предел длины волны его равен примерно 400 нм, а верхний — 700 нм. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, водоросли, цианобактерии) обладают способностью улавливать кванты солнечного света и трансформировать их в полезную химическую энергию. Процесс фотосинтеза, заключительной реакцией которого является синтез углеводов из С02, может быть суммирован следующим стехиометрическим уравнением: Таким образом, в результате фотосинтеза происходит: • • восстановление световой энергией низкоэнергетической окисленной формы углерода (С02) в высокоэнергетическую восстановленную форму углерода в составе углеводов, которые затем используются нефотосинтезирующими организмами как источник энергии и углерода; • образование молекулярного кислорода; эта реакция представляет собой единственный источник кислорода на Земле. Существуют две фазы процесса фотосинтеза — световая и темновая. Световая фаза включает три процесса: • начальной реакцией является фотохимический процесс окислительного расщепления воды — фотоокисления: • • • • энергия высокоэнергетических электронов воды используется специализированной мембранной системой для фосфорилирования АДФ и образования АТФ в системе фотосинтетического фосфорилирования; • часть энергии электронов восстанавливает НАДФ* в реакции фотовосстановления: Темповая фаза — это ферментативная утилизация и превращение С02 в углеводы: Следовательно, НАДФН и АТФ, образующиеся в ходе световых реакций, являются метаболически используемыми восстанавливающими и энергетическими агентами в процессе фотосинтеза глюкозы из диоксида углерода в тем новой стадии. Световая фаза фотосинтеза Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов. Фотон света, попадая на хлорофилл, возбуждает его и происходит выделение электронов и скопление отрицательно заряженных электронов на мембране. После того, как хлорофилл потерял все свои электроны, квант света продолжает воздействовать на воду, вызывая фотолиз Н2О. Н2О → Н+ + ОНПоложительно заряженные протоны водорода накапливаются на внутренней мембране тилакоида. Получается такой бутерброд: с одной стороны отрицательно заряженные электроны хлорофилла, с другой – положительно заряженные протоны водорода, а между ними – внутренняя мембрана тилакоида. Гидроксильные ионы идут на производство кислорода: 4ОН → О2 + 2Н2О Когда количество протонов водорода и электронов достигает максимума, запускается специальный переносчик — АТФ-синтаза. АТФ-синтаза выталкивает протоны водорода в строму, где их подхватывает специальный переносчик никотинамиддинуклеотидфосфат или сокращенно НАДФ. НАДФ — специфический переносчик протонов водорода в реакциях углеводов. Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата или фотофосфорилированием, в отличие от окислительного фосфорилирования. На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, а НАДФН+ и АТФ переходят в темновую фазу. Повторим ключевые процессы световой фазы фотосинтеза: Фотон попадает на хлорофилл с выделением электронов. Фотолиз воды. Выделение кислорода. Накопление НАДФН+. Накопление АТФ. Темновая фаза фотосинтеза Темновая фаза фотосинтеза — совокупность ферментативных реакций, которые происходят в строме хлоропласта. Результатом таких реакций является восстановление поглощенного СО2 при помощи НАДФН+ и АТФ из световой фазы, а еще – синтез сложных органических веществ. В настоящее время учеными открыто три различных варианта реакций, протекающих в темновую фазу фотосинтеза. В зависимости от метаболизма, СО2 растения делят на: С3-растения — большинство сельскохозяйственных культур, произрастающих в умеренном климате, у которых в результате реакций СО2 превращается в фосфоглицериновую кислоту. С4растения — растения тропиков и субтропиков, наиболее живучие сорняки. У этих растений в результате реакций СО2 превращается в оксалоацетат. САМ-растения — особый тип С4-фотосинтеза у растений, испытывающих дефицит влаги. Более подробно остановимся на реакциях С3-фотосинтеза, присущих большинству растений и носящих название цикл Калвина. Мелвин Калвин, американский химик, в 1961 году за определение последовательности реакций при усвоении СО2 был удостоен Нобелевской премии в области химии. В ходе реакций цикла образуется глюкоза. Чтобы получилась всего лишь одну молекулу глюкозы, последовательные реакции цикла Кальвина одна за другой происходят целых шесть раз и на ее построение тратится шесть молекул СО2, восемнадцать молекул АТФ, двенадцать НАДФН+ и двадцать четыре протона. В ходе дальнейших исследований с меченым радиоактивным углеродом было установлено, что у некоторых тропических и субтропических растений синтез углеводов идет другим путем. И в 1966 году австралийские ученые М. Хетч и К. Слэк описали С4-фотосинтез, который в их честь называется циклом Хетча-Слэка. Главное отличие этих путей фотосинтеза в том, что у С3-растений процесс фотосинтеза протекает лишь в клетках мезофилла, а у С4растений как в клетках мезофилла, так и в клетках обкладки сосудистых пучков. На первый взгляд, увеличение количества реакций может показаться лишенным смысла. Однако в природе не существует ничего бессмысленного или излишнего. И путь С4-фотосинтеза — эволюционное приспособление растений к более сухому и жаркому климату. Произрастание в условиях ограниченного водоснабжения привело к снижению транспирации для уменьшения потерь воды, что в свою очередь привело к дефициту диоксида углерода и необходимости его концентрации в клетках обкладки. Также существует еще один уникальный механизм фотосинтеза, характерный для суккулентов. Он носит название САМ (crassulaceae acid metabolism)— «путь фотосинтеза». Химические реакции напоминают путь метаболизма С4, однако здесь химические реакции разделены не в пространстве, а во времени. Диоксид углерода накапливается в темное время суток. Протекание фотосинтетических реакций в таком варианте позволяет растениям осуществлять процесс фотосинтеза в условиях значительного дефицита влаги. Считается, что данный путь фотосинтеза сформировался самым последним в ходе эволюции. Изучая пути фотосинтеза, Вы могли заметить, что в ходе эволюции вырабатываются уникальные приспособительные механизмы к различным условиям существования: от засушливых пустынь до морских глубин. Обмен липидов. Переваривание и всасывание липидов. Роль липолитических пищеварительных ферментов Липиды – обязательная составная часть пищи. В соответствии с формулами рационального питания оптимально следующее соотношение жировых компонентов: растительные жиры – 30%, животные – 70%. Распределение жирных кислот: насыщенные – 30%, моноеновые – 60%, полиеновые –10%. Переваривание и всасывание Для переваривания липидов в желудочно-кишечном тракте необходимы липолитические ферменты. Липолиз – это гидролиз липидов. Липолитические ферменты – гидролазы, катализирующие гидролиз липидов. Липазы расщепляют триацилглицериды (жиры), фосфолипазы – фосфолипиды, холестеразы – эфиры холестерина. Липолитические ферменты проявляют максимальную активность при рН = 7,8–8,2. Обязательным условием переваривания липидов в пищеварительном тракте является эмульгирование. Эмульгаторы – вещества, понижающие поверхностное натяжение и препятствующие склеиванию частиц жира. В организме природными эмульгаторами являются соли желчных кислот и сывороточный альбумин. Липиды с пищей поступают в ротовую полость, где нет липолитических ферментов и переваривания не происходит. В желудке липаза присутствует, однако рН желудка (1,0–1,5) не соответствует оптимуму рН липазы (7,8–8,2), поэтому происходит лишь незначительный распад жиров (молока, яичного желтка). Отделом, в котором переваривается основная часть липидов, является тонкий кишечник. Поджелудочная железа и клетки слизистой оболочки кишечника секретирует липолитические ферменты, рН кишечника 7,8–8,2, что близко к оптимуму. Жиры гидролизуются липазой на 90–97%, из них 40% расщепляется на глицерин и жирные кислоты, 50–57% – на моноглицериды. Оставшиеся жиры либо всасываются в тонкой кишке (если размер жировых капель не превышает 0,5 нм), либо поступают в толстую кишку и затем выводятся из организма. Фосфолипиды гидролизуются набором фосфолипаз, которые последовательно гидролизуют молекулу на составные части. Первый фермент, фосфолипаза А, отщепляет ненасыщенную жирную кислоту от второго углеродного атома глицерина, образуется лизофосфолипид, который также обладает свойствами эмульгатора. Далее последовательно функционируют фосфолипазы В, С и Д. Они расщепляют молекулы на глицерин, жирную кислоту, фосфорную кислоту и азотистое основание: Переваривание холестерина Холестерин существует в свободной и связанной формах. Свободная форма – собственно полициклический спирт холестерин. Связанная форма – эфиры холестерина, которые и подвергаются гидролизу в кишечнике. Эфиры холестерина распадаются по действием холестераз. Всасывание Продукты переваривания липидов подразделяются на водорастворимые и жирорастворимые компоненты. Водорастворимые продукты распада липидов – глицерин, моноацилглицериды, Н3РО4, азотистые основания. Они легко проникают в клетки слизистой оболочки кишечника. Жирорастворимые компоненты (жирные кислоты, холестерин) всасываются с помощью желчных кислот, с которыми они образуют водорастворимые комплексы. К желчным кислотам относятся холевая, хенодезоксихолевая и дезоксихолевая кислоты: Желчные кислоты синтезируются из холестерина Для организма важны холевая и хенодезоксихолевая кислоты. Биологически активные формы – парные желчные кислоты – представляют собой соединения данных кислот с гликоколом (глицином) и таурином, они образуются в желчном пузыре. В кишечнике парные желчные кислоты соединяются в мицеллы, наружная часть которых – гидрофильна, внутренняя – гидрофобна. Жирные кислоты, холестерин и другие жирорастворимые вещества проникают в мицеллу. Мицеллы всасываются в клетки слизистой оболочки кишечника, затем распадаются, парные желчные кислоты всасываются в кровь и поступают в печень, где снова включаются в состав желчи. Пищеварительные липолитические ферменты Липолизом называется гидролиз липидов, липолитическими ферментами — ферменты, катализирующие гидролиз липидов. К пищеварительным липолитическим ферментам относятся липазы желудка, липаза, фосфолипаза и холестераза кишечника. Липаза желудка — слабоактивная гидролаза, гидролизует жиры молока. Липаза тонкого кишечника — гидролитический фермент, катализирующий гидролиз жиров. Продуктами гидролиза являются моно-и диацилглицериды, глицерин, жирные кислоты. Оптимум рН 7,8—8,2. Активатором являются желчные кислоты. Обязательным условием переваривания жиров является их эмульгирование. К природным эмульгаторам жиров относятся сывороточный альбумин и желчные кислоты. Фосфолипазы — гидролазы, катализирующие гидролиз фосфолипидов в тонком кишечнике. Активатором фосфолипаз и эмульгаторов фосфолипидов являются желчные кислоты. К фосфолипазам относятся фосфолипазы А, В, С, Д, которые последовательно гидролизуют молекулу фосфолипидов. Первый фермент - фосфолипаза А — отщепляет ненасыщенную жирную кислоту от второго углеродного атома глицерина, в результате чего образуется лизофосфолипид, который обладает свойствами эмульгатора. Далее последовательно действуют фосфолипазы В, С и Д, которые расщепляют молекулы фосфолипида на глицерин, жирную и фосфорную кислоты и азотистое основание. Холестераза относится к гидролазам. Субстратом для нее являются эфиры холестерина (сложносвязанная форма холестерина). Оптимум рН 7,8—8,2. Активатор — желчные кислоты. Продукты гидролиза — свободный холестерин и кислоты. Желчные кислоты, состав, строение, биологическая роль. ЖЕЛЧНЫЕ КИСЛОТЫ .ХОЛЕЦИСТОКИНИН, ХИМОДЕНИН, ИНТЕРОКЛИИН. Они обеспечивают: образование желчи в печени, сокращение желчного пузыря, выделение панкреатического сока, секрецию желез тонкого отдела кишечника. О собую роль в переваривании играют желчные кислоты. В основе их строения лежит структура ЦИКЛОПЕНТАНПЕРГИДРОФЕНАНТРЕН. По своей химической природе все желчные кислоты являются производными ХОЛЕВОЙ К-ТЫ. Если у ХОЛЕВОЙ кислоты присутствует две группы в 3 и 7 положениях, то её называют ХЕНОДЕЗОКСИХОЛЕВОЙ. Если присутствует две группы в 3 и 12 положении, то она называется ДЕЗОКСИХОЛЕВОЙ. Если одна группа в 3 положении, кислота называется ЛИТОХОЛЕВАЯ. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЖЕЛЧНЫХ КИСЛОТ: 1. Эмульгируют пищевые жиры. 2. Активируют ЛИПОЛИТИЧЕСКИЕ ферменты. 3. Выполняют роль переносчиков трудно растворимых в воде продуктов гидролиза жира и жирорастворимых витаминов A, D, Е, К. При ЭМУЛЬГИРОВАНИИ жир дробится на мелкие частички. Желчные кислоты адсорбируются на поверхности жира, препятствуя слиянию частичек жира. В результате происходит стабилизация жира и значительно увеличивается поверхность контактов с ЛИПОЛИТИЧЕСКИМИ ферментами. Стабилизированная эмульсия жира далее подвергается гидролизу под влиянием панкреатических ферментов (ЛИПАЗ, ФОСФОЛИПАЗ). Желчнокаменная болезнь – патологический процесс, при котором в желчном пузыре образуются камни. Избыток ХС и недостаток желчных кислот приводит к осаждению ХС в виде ХС или смешанных камней (ХС+билирубин+Са) Факторы:избыток ХС в пище, гиперкалорийное питание, застой желчи, нарушение синтеза желчных кислот, нарушение обмена липопротеинов Жёлчные кислоты. Жёлчные кислоты обладают поверхностно-активными свойствами и участвуют в переваривании жиров, эмульгируя их и делая доступными для действия панкреатической липазы. Жёлчные кислоты - производные холестерола с пятиуглеродной боковой цепью в положении 17, которая заканчивается карбоксильной группой. В организме человека синтезируются две жёлчные кислоты: холевая, которая содержит три гидроксильные группы в положениях 3, 7, 12 (рис. 8-10), и хенодезокеихолевая, содержащая две гидроксильные группы в положениях 3 и 7. Так как карбоксильные группы этих жёлчных кислот имеют рК~6, они не полностью диссоциированы при физиологических значениях рН в кишечнике и не являются эффективными эмульгаторами. В печени эмульгирующие свойства жёлчных кислот увеличиваются за счёт реакции конъюгации, в которой к карбоксильной группе жёлчных кислот присоединяются таурин или глицин, полностью ионизированные при рН кишечного сока. Эти производные - конъюгированные жёлчные кислоты - находятся в ионизированной форме и поэтому называются солями жёлчных кислот. Именно они служат главными эмульгаторами жиров в кишечнике. Роль желчных кислот и солей: Эмульгирование липидов. Активация липолитических ферментов. Образование простой мицеллы. Образование смешанной мицеллы. Всасывание липидов и жирорастворимых витаминов в лимфатическую систему. Выведение из организма холестерина. Одной из основных функций Ж. к. является перенос липидов в водной среде, который обеспечивается благодаря детергентным свойствам Ж. к., т.е. их способности образовывать мицеллярный раствор липидов в водной среде. В печени при участии Ж. к. формируются мицеллы, в виде которых секретируемые печенью липиды переносятся в кишечник в гомогенном растворе, т.е. в желчи. За счет детергентных свойств Ж. к. в кишечнике образуются устойчивые мицеллы, содержащие продукты расщепления жиров липазой, холестерин, фосфолипиды, жирорастворимые витамины и обеспечивающие перенос этих компонентов к всасывающей поверхности кишечного эпителия. В кишечнике (главным образом в подвздошной кишке) Ж. к. всасываются в кровь, с кровью вновь возвращаются в печень и снова секретируются в составе желчи (так называемая портальнобилиарная циркуляция Ж. к.), поэтому 85—90% всего количества желчных кислот, содержащихся в желчи, являются Ж. к., абсорбированными в кишечнике. Портальнобилиарной циркуляции Ж. к. способствует то, что конъюгаты Ж. к. легко всасываются в кишечнике, т.к. они водорастворимы. Общее количество Ж. к., участвующих в обмене веществ, у человека составляет 2,8—3,5 г, а количество оборотов Ж. к. за сутки равно 5—6. В кишечнике 10—15% общего количества желчных кислот подвергается расщеплению под действием ферментов микроорганизмов кишечной микрофлоры, а продукты деградации Ж. к. выделяются с калом. Секреция Ж. к. в составе желчи и превращения Ж. к. в кишечнике играют важную роль в пищеварении и обмене Холестерина. В норме в моче человека Ж. к. не обнаруживаются. На ранних стадиях обтурационной желтухи и при острых панкреатитах в моче появляются небольшие количества Ж. к. В крови содержание и состав Ж. к. изменяется при заболеваниях печени и желчного пузыря, что позволяет использовать эти данные в диагностических целях. Накопление Ж. к. в крови отмечают при поражениях паренхимы печени и затруднении оттока желчи. Повышение содержания Ж. к. в крови оказывает повреждающее действие на клетки печени, вызывает брадикардию и артериальную гипотензию, гемолиз эритроцитов, нарушение процессов свертывания крови и уменьшение СОЭ. При повышении концентрации Ж. к. в крови характерно появление кожного зуда. При холецистите содержание Ж. к. в пузырной желчи значительно снижается за счет уменьшения их образования в печени и усиления всасывания Ж. к. слизистой оболочки желчного пузыря. Ж. к. обладают сильным желчегонным действием, что обусловливает их введение в состав желчегонных средств, а также стимулируют моторику кишечника. Их бактериостатическое и противовоспалительное действие объясняет положительный эффект при местном применении желчи для лечения артритов. При производстве препаратов стероидных гормонов Ж. к. используют в качестве исходного продукта. Ресинтез индивидуальных липидов в слизистой кишечника. В стенке кишечника происходит ресинтез жира Всасывание липидов После расщепления полимерных липидных молекул полученные мономеры всасываются в верхнем отделе тонкого кишечника в начальные 100 см. В норме всасывается 98% пищевых липидов. 1. Короткие жирные кислоты (не более 10 атомов углерода) всасываются и переходят в кровь без каких-либо особенных механизмов. Этот процесс важен для грудных детей, т.к. молоко содержит в основном коротко- и среднецепочечные жирные кислоты. Глицерол тоже всасывается напрямую. 2. Другие продукты переваривания (длинноцепочечные жирные кислоты, холестерол, моноацилглицеролы) образуют с желчными кислотами мицеллы с гидрофильной поверхностью и гидрофобным ядром. Их размеры в 100 раз меньше самых мелких эмульгированных жировых капелек. Через водную фазу мицеллы мигрируют к щеточной каемке слизистой оболочки. Здесь мицеллы распадаются и липидные компоненты диффундируют внутрь клетки, после чего транспортируются в эндоплазматический ретикулум. Желчные кислоты также здесь могут попадать в энтероциты и далее уходить в кровь воротной вены, однако бóльшая их часть остается в химусе и достигает подвздошной кишки, где всасывается при помощи активного транспорта. Ресинтез липидов в энтероцитах Ресинтез липидов – это синтез липидов в стенке кишечника из поступающих сюда экзогенных жиров, одновременно могут использоваться и эндогенные жирные кислоты, поэтому ресинтезированные жиры отличаются от пищевых и более близки по составу к "своим" жирам. Основная задача этого процесса – связать поступившие с пищей средне- и длинноцепочечные жирные кислоты со спиртом – глицеролом или холестеролом. Это, во-первых, ликвидирует их детергентное действие на мембраны и, во-вторых, создает их транспортные формы для переноса по крови в ткани. Активация жирной кислоты Поступившая в энтероцит (как и в любую другую клетку) жирная кислота обязательно активируется через присоединение коэнзима А. Образовавшийся ацилSКоА участвует в реакциях синтеза эфиров холестерола, триацилглицеролов и фосфолипидов. Реакция активации жирной кислоты Ресинтез эфиров холестерола Холестерол этерифицируется с использованием ацил-SКоА и фермента ацилSКоА:холестерол-ацилтрансферазы (АХАТ). Реэтерификация холестерола напрямую влияет на его всасывание в кровь. В настоящее время ищутся возможности подавления этой реакции для снижения концентрации ХС в крови. Реакция ресинтеза эфиров холестерола Ресинтез триацилглицеролов Для ресинтеза ТАГ есть два пути: Первый путь, основной – 2-моноацилглицеридный – происходит при участии экзогенных 2-МАГ и ЖК в гладком эндоплазматическом ретикулуме энтероцитов: мультиферментный комплекс триацилглицерол-синтазы формирует ТАГ. Моноацилглицеридный путь образования ТАГ Поскольку 1/4 часть ТАГ в кишечнике полностью гидролизуется, а глицерол в энтероцитах не задерживается и быстро переходит в кровь, то возникает относительный избыток жирных кислот для которых не хватает глицерола. Поэтому существует второй, глицеролфосфатный, путь в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме. Источником глицерол-3-фосфата служит окисление глюкозы. Здесь можно выделить следующие реакции: Образование глицерол-3-фосфата из глюкозы. Превращение глицерол-3-фосфата в фосфатидную кислоту. Превращение фосфатидной кислоты в 1,2-ДАГ. Синтез ТАГ. Глицеролфосфатный путь образования ТАГ Ресинтез фосфолипидов Фосфолипиды синтезируются также, как и в остальных клетках организма (см "Cинтез фосфолипидов"). Для этого есть два способа: Первый путь – с использованием 1,2-ДАГ и активных форм холина и этаноламина для синтеза фосфатидилхолина или фосфатидилэтаноламина. Ресинтез фосфолипидов из ДАГ на примере фосфатидилхолина Второй путь – на основе синтезируемой in situ фосфатидной кислоты. Схема ресинтеза фосфолипидов из фосфатидной кислоты Пути катаболизма и анаболизма индивидуальных липидов в тканях. Липиды – это разнообразная по строению группа органических соединений, общим свойством которых является гидрофобность. В отличие от представителей других классов липиды не могут полимеризоваться, а усложнение их осуществляется за счет присоединения самых разных по природе веществ. Простые однокомпонентные липиды – ВЖК, высшие спирты, в том числе сфингозин, ХС, не способны к гидролизу. Простые двукомпонентные липиды - сложные эфиры, то есть продукты взаимодействия ВЖК и различных спиртов (с глицерином - ТАГ, с высшими ациклическими спиртами - воска, с ХС - его эфиры). Исключением служат церамиды, являющиеся амидами ВЖК и аминоспирта сфингозина. В состав сложных липидов входят полярные компоненты (фосфорилированные азотистые основания в ФЛ, моносахариды в гликолипиды, полипептиды в ЛП), что делает их амфифилами. Функции липидов: ТАГ – компактная и энергоемкая форма хранения энергии в адипоцитах жировой ткани, выполняющей теплоизолирующую и механическую защитные функции. Входит в состав билипидного слоя всех видов мембран, включающего различные фосфо-, гликолипиды и ХС. В коже данный стероид преобразуется в холекальциферол (витамин D3); в коре надпочечников и в половых железах из него синтезируются соответствующие гормоны; в печени – желчные кислоты (Рис. 3.10). Около 50% ВЖК фосфолипидов мембран являются полиненасыщенными, что увеличивает текучесть и проницаемость. Такие ВЖК очень чувствительны к действию различных радикалов, в первую очередь, активных форм кислорода (АФК): супероксида аниона О2.- , пероксида водорода, радикала гидроксила и других, которые индуцируют перекисное окисление липидов (ПОЛ), чрезмерная активация которого сопровождает или служит причиной многих патологических состояний (Рис. 3.11). В физиологических условиях эти процессы участвуют в самообновлении и репарации мембран, в синтезе БАВ. Кроме того, АФК являются фактором бактерицидности фагоцитирующих клеток. Рис. 3.11. Взаимосвязь метаболизма липидов с другими видами обменов Ряд ПНЖК (арахидоновая и эйкозапентаеновая кислоты) участвуют в образовании простагландинов, лейкотриенов, тромбоксанов. Некоторые ПНЖК (линолевая, α-линоленовая, арахидоновая, эйкозапентаеновая и докозагексаеновая) не синтезируются в организме человека и относятся к незаменимым (эссенциальным), поэтому их объединяют под термином витамин F . Катаболическая фаза для большинства липидов также складывается из трёх стадий. Если молекула липида состоит из двух и более компонентов, то она гидролизуется; затем продукты подвергаются специфическому распаду. Высвобождающийся глицерол фосфорилируется и окисляется до дигидроксиацетонфосфата, который вступает в гликолиз, повторяя судьбу глюкозо-6-фосфата. ВЖК, точнее их активные формы (ацил-КоА), попадая в митохондрии клеток, служат субстратами β-окисления, конечным продуктом которого является ацетил-КоА, сгорающий в цикле трикарбоновых кислот (Рис. 3.11). Как известно, основными энергоисточниками в клетках служат глюкоза и ВЖК, но последние для своего полного распада (до углекислого газа и воды) требуют больших количеств кислорода, что, естественно, затрудняет этот процесс (отсюда понятно, почему пополнев, трудно похудеть). С энергетической целью тканями (мышечной, нервной и др.) могут использоваться кетоновые тела (ацетоацетат, βгидроксибутират). В физиологических условиях они образуются в митохондриях гепатоцитов из ацетил-КоА (Рис. 3.11). Основные поставщики ацетил-КоА – глюкоза и ВЖК, а ОА образуется, в первую очередь, из глюкозы. Когда нарушается утилизация глюкозы (при сахарном диабете), уменьшается синтез ОА, приводящий к снижению синтеза цитрата и при наличии высокого уровня ацетил-КоА (усиленный катаболизм ВЖК), последний конденсируется в ацетоацетат (Рис. 3.12). Норма; при замедлении окисления глюкозы Рис. 3.12. Пути использования ацетил-КоА в митохондриях печени в зависимости от скорости распада глюкозы Следует отметить, что субстратом в образовании ХС и ВЖК тоже служит ацетилКоА, который используется на эти цели тогда, когда угнетается его распад в ЦТК. Подобная ситуация возникает в тех условиях, если результате работы цикла Кребса и связанных с ним биологического окисления и окислительного фосфорилирования генерируется много молекул АТФ. Избыток последних ингибирует дальнейшее преобразование цитрата в ЦТК, он выходит из митохондрий, распадается на исходные составные части. При этом высвобождается ацетил-КоА, который, конденсируясь, и дает или ВЖК, или холестерин (Рис. 3.12, 3.13). Особую роль в синтезе этих соединений играет НАДФН+Н+, источником которого служит только ПФП. Мало того, в жировой ткани накопление ТАГ определяется достаточным количеством моносахаридов (Рис. 3.13). Как видно из схемы, оба компонента нейтрального жира: и ВЖК, и глицерол-1-фосфат - образуются из фосфорилированной глюкозы. Если в липоцит и попадёт глицерол, он не способен участвовать в синтезе ТАГ-ов, так как в этих клетках отсутствует глицеролкиназа – фермент, активирующий данный спирт, без чего последний не может вступать в реакции. Цитоплазматический ацетил-КоА используется в реакциях ацетилирования с образованием ацетилхолина, ацетилглюкозамина и производных моносахаридов – составных частей гетерополисахаридов. Рис. 3.13. Схема синтеза нейтральных жиров в адипоцитах Особая роль в жизнедеятельности организма принадлежит ПОЛ. Его индукторами служат АФК, которые могут генерироваться в небольших количествах в физиологических условиях. При гипероксии, гипоксии, действии различных лучей (рентген,- ультрафиолетовых, инфракрасных и т.д.), токсинов и других факторов уровень свободных радикалов будет расти. Активность липопероксидации подавляется веществами, которые имеются в норме в клетках и в плазме крови. Это энзимы: глутатионпероксидаза (селен-содержащий энзим), глутатионредуктаза, каталаза, супероксиддисмутаза (СОД), а также соединения неферментативной природы (каротины, витамины А, Е, С, Р, рибофлавин, глутатион, цистеин и др.), обладающие способностью обезвреживать АФК и являющиеся ловушками радикалов. В условиях дефицита факторов АРЗ и/или избыточной генерации свободных радикалов, последние начинают воздействовать на ВЖК фосфолипидов биомембран и на белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, приводя к деструкции мембран и, в конечном итоге, гибели клеток. Этот процесс неспецифичен и является важным звеном патогенеза многих заболеваний (атеросклероза, панкреатита, ревматоидного артрита и т.д.) (free radical diseases). Катаболизм липидов. Переваривание липидов в желудочно-кишечном тракте. Желчные кислоты, их структура и биологическая роль в переваривание липидов. Панкреатическая и кишечная липаза, специфичность действия, рН-оптимум, активация. Нарушение переваривания и всасывания. Ресинтез липидов в кишечной стенке, транспорт ресинтезированных липидов, образование хиломикронов и липопротеинов очень низкой плотности (ЛОНП). Липопротеинлипаза, её роль. Внутриклеточный метаболизм липидов. Тканевой липолиз, окисление глицерина и жирных кислот. Энергетика и регуляция β-окисление жирных кислот, локализация этого процесса в матриксе митохондрий. Транспорт ацильной группы в митохондрии, окисление ненасыщенных жирных кислот. Биосинтез и использование кетоновых тел в качестве источников энергии. Катаболизм фосфолипидов. Анаболизм липидов. Биосинтез жирных кислот. Роль малонил-КоА. Последовательность реакций синтеза жирных кислот при участии мультиферментного комплекса синтетаз жирных кислот, регуляция этого процесса. Пальмитиновая кислота как основной продукт действия этого комплекса. Представление о путях образования продуктов с более длинной углеродной цепью, ненасыщенных жирных кислот. Биосинтез ацилглицеринов и глицерофосфолипидов. Фосфатидная кислота как общий предшественник в синтезе этих групп липидов. Регуляция обмена липидов. Физиологическая роль резервирования и мобилизации жиров в жировой ткани. Гормональная регуляция активности липазы. Нарушение этих процессов при ожирении. Липотропные факторы как лекарственные средства. Основные железы внутренней секреции, участвующие в регуляции обмена липидов. Обмен липидов регулируется ЦНС. Кора большого мозга оказывает трофическое влияние на жировую ткань либо через нижележащие отделы ЦНС – симпатическую и парасимпатическую системы, либо через эндокринные железы. В настоящее время установлен ряд биохимических механизмов, лежащих в основе действия гормонов на липидный обмен. Известно, что длительный отрицательный эмоциональный стресс, сопровождающийся увеличением выброса катехоламинов в кровяное русло, может вызвать заметное похудание. Уместно напомнить, что жировая ткань обильно иннервируется волокнами симпатической нервной системы, возбуждение этих волокон сопровождается выделением норадреналина непосредственно в жировую ткань. Адреналин и норадреналин увеличивают скорость липолиза в жировой ткани; в результате усиливается мобилизация жирных кислот из жировых депо и повышается содержание неэстерифи-цированных жирных кислот в плазме крови. Как отмечалось, тканевые липазы (триглицеридлипаза) существуют в двух взаимопревращающихся формах, одна из которых фосфорилирована и каталитически активна, а другая – нефосфорилирована и неактивна. Адреналин стимулирует через аденилатциклазу синтез цАМФ. В свою очередь цАМФ активирует соответствующую протеинкиназу, которая способствует фосфорилированию липазы, т.е. образованию ее активной формы. Следует заметить, что действие глюкагона на липолитическую систему сходно с действием кате-холаминов. Не подлежит сомнению, что секрет передней доли гипофиза, в частности соматотропный гормон, оказывает влияние на липидный обмен. Гипофункция железы приводит к отложению жира в организме, наступает гипофизарное ожирение. Напротив, повышенная продукция СТГ стимулирует липолиз, и содержание жирных кислот в плазме крови увеличивается. Доказано, что стимуляция липолиза СТГ блокируется ингибиторами синтеза мРНК. Кроме того, известно, что действие СТГ на липолиз характеризуется наличием лаг-фазы продолжительностью около 1 ч, тогда как адреналин стимулирует липолиз почти мгновенно. Иными словами, можно считать, что первичное действие этих двух типов гормонов на липолиз проявляется различными путями. Адреналин стимулирует активность аденилатциклазы, а СТГ индуцирует синтез данного фермента. Конкретный механизм, с помощью которого СТГ избирательно увеличивает синтез аденилатциклазы, пока неизвестен. Инсулин оказывает противоположное адреналину и глюкагону действие на липолиз и мобилизацию жирных кислот. Недавно было показано, что инсулин стимулирует фосфодиэстеразную активность в жировой ткани. Фосфодиэстераза играет важную роль в поддержании постоянного уровня цАМФ в тканях, поэтому увеличение содержания инсулина должно повышать активность фосфодиэстеразы, что в свою очередь приводит к уменьшению концентрации цАМФ в клетке, а следовательно, и к образованию активной формы липазы. Несомненно, и другие гормоны, в частности тироксин, половые гормоны, также оказывают влияние на липидный обмен. Например, известно, что удаление половых желез (кастрация) вызывает у животных избыточное отложение жира. Однако сведения, которыми мы располагаем, не дают пока основания с уверенностью говорить о конкретном механизме их действия на обмен липидов. Переваривание липидов в желудке В желудке имеется фермент липаза, способный катализировать расщепление триацилглицеролов. Однако оптимальной средой её действия является среда, близкая к нейтральной. Поэтому липаза в желудке у взрослых людей практически неактивна из-за малых значений pH. Однако у детей ситуация обстоит несколько по-другому: желудок детей имеет при рождении среду, близкую к нейтральной (pH (среднее) = 5,5). Это явление обусловлено основным продуктом питания детей — молоком (содержит белки и жирных кислоты (количество углерода меньше 14)). Так, фермент липаза выполняет ключевую роль в метаболизме липидов у детей[источник не указан 378 дней]. Переваривание липидов в кишечнике В двенадцатиперстной кишке пища подвергается действию желчи и сока поджелудочной железы. На первом этапе там происходит эмульгирование жиров. Эмульгирование жиров Жиры составляют до 90 % липидов, поступающих с пищей. Переваривание жиров происходит в тонком кишечнике, однако уже в желудке небольшая часть жиров гидролизуется под действием «липазы языка» (лингвальная (лат. lingua — язык) липаза). Этот фермент синтезируется железами на дорсальной поверхности языка и относительно устойчив при кислых значениях рН желудочного сока. Поэтому он действует в течение 1—2 ч на жиры пищи в желудке. Однако вклад этой липазы в переваривание жиров у взрослых людей незначителен. Основной процесс переваривания происходит в тонкой кишке. Так как жиры — нерастворимые в воде соединения, то они могут подвергаться действию ферментов, растворённых в воде только на границе раздела фаз вода/жир. Поэтому действию панкреатической липазы, гидролизующей жиры, предшествует эмульгирование жиров. Эмульгирование происходит в тонком кишечнике под действием солей жёлчных кислот. Жёлчные кислоты в основном конъюгированные: таурохолевая, гликохолевая и другие кислоты. Гормоны, активирующие переваривание жиров При поступлении пищи в желудок, а затем в кишечник клетки слизистой оболочки тонкого кишечника начинают секретировать в кровь пептидный гормон холецистокинин (панкреозимин). Этот гормон действует на жёлчный пузырь, стимулируя его сокращение, и на экзокринные клетки поджелудочной железы, стимулируя секрецию пищеварительных ферментов, в том числе панкреатической липазы. Другие клетки слизистой оболочки тонкого кишечника в ответ на поступление из желудка кислого содержимого выделяют гормон секретин. Секретин — гормон пептидной природы, стимулирующий секрецию гидрокарбоната (НСО3-) в сок поджелудочной железы. Гидролитическая и окислительная порча (прогоркание) липидов. Токсичность продуктов окисления жирных кислот. Механизм аутокатализа. Синергисты. Антиоксиданты При хранении растительные масла, животные жиры, а также жиросодержащие продукты под влиянием кислорода воздуха, света, ферментов, влаги приобретают неприятный вкус и запах. Иными словами, жир прогоркает. Прогоркание жиров и жиросодержащих продуктов – результат сложных химических и биохимических процессов, протекающих в липидном комплексе. В зависимости от характера основного процесса, протекающего при этом, различают гидролитическое и окислительное прогоркание. Каждый из них может быть разделен на автокаталитическое (неферментативное) и ферментативное (биохимическое) прогоркание. При гидролитическом прогоркании происходит гидролиз жира с образованием глицерина и свободных жирных кислот. Неферментативный гидролиз протекает с участием растворенной в жире воды, и скорость гидролиза жира при обычных температурах невелика. Ферментативный гидролиз происходит при участии фермента липазы на поверхности соприкосновения жира и воды и возрастает при эмульгировании. В результате гидролитического прогоркания увеличивается кислотность, появляется неприятный вкус и запах. Особенно это сильно выражено при гидролизе жиров (молочного, кокосового и пальмового), содержащих низко- и среднемолекулярные кислоты, такие как масляную, валериановую, капроновую. Высокомолекулярные кислоты не имеют вкуса и запаха, а повышение их содержания не приводит к изменению вкуса масел. Фермент триацилглицероллипаза широко распространен в природе и играет важную роль в пищеварении, а также процессах, протекающих при хранении, переработке растительного сырья и пищевых продуктов. Выделены липазы растительного (клещевины, пшеницы), животного (панкреатическая, молока), микробного происхождения. Они различаются по специфичности действия, растворимости, оптимума рН и t0 С. Липаза – однокомпонентный фермент, содержащий в активном центре (–SH) тиоловую группу и ионы Са+2. Под действием липазы вначале гидролизуются связи в положении 1, 3, а затем 2: триглицирид→1,2-диглицирид→2-моноглицирид→глицерин. Липаза быстрее отщепляет остатки высокомолекулярных жирных кислот, чем низкомолекулярных. Наиболее распространенным видом порчи жиров в процессе хранения является окислительное прогоркание. В первую очередь окислению подвергаются свободные, а не связанные в триацилглицеролах ненасыщенные жирные кислоты. Процесс окисления может происходить неферментативным и ферментативным путями. В результате неферментативного окисления кислород присоединяется к ненасыщенным жирным кислотам по месту двойной связи с образованием циклической перекиси, которая распадается с образованием альдегидов, придающих жиру неприятный запах и вкус: Также в основе неферментативного окислительного прогоркания лежат цепные радикальные процессы, в которых участвуют кислород и ненасыщенные жирные кислоты. Под действием перекисей и гидроперекисей (первичных продуктов окисления) происходит дальнейший распад жирных кислот и образование вторичных продуктов окисления (карбонилсодержащих): альдегидов, кетонов и других неприятных на вкус и запах веществ, вследствие чего жир прогоркает. Чем больше двойных связей в жирной кислоте, тем выше скорость ее окисления. Прогоркание жиров сопровождается окислением не только ацилглицеролов, но и сопутствующих веществ: каротиноидов, витамина Е и других веществ. Порча жира сопровождается целым рядом реакций деструкции и полимеризации (образованием токсичных эпоксисоединений). Например, деструкция фосфатидилхолина приводит к образованию триметиламина (СН3)3N, придающего селедочный запах жиру. Таким образом, снижается пищевая ценность жира и ухудшаются его органолептические свойства. При ферментативном окислении этот процесс катализируется ферментом липоксигеназой с образованием гидроперекисей. Действие липоксигеназы сопряжено с действием липазы, которая предварительно гидролизует жир. Специфичность липоксигеназы состоит в том, что действию фермента подвергаются лишь те полиненасыщенные жирные кислоты, которые содержат цис-цис-1,4пентадиеновую группировку (линолевая, линоленовая, арахидоновая). Процесс начинается с отщепления атома водорода у 3-го атома углерода пентадиеновой группировка жирной кислоты. Образовавшийся свободный радикал перемещается к 5-му атому углерода с одновременным перемещением двойной связи в сопряженное положение (1,2-бутадиеновая группировка), которая при этом из цис-цис формы переходит в цис-транс изомер, в результате данного процесса идет образование гидроперекиси (первичного продукта окисления): Гидроперекиси, далее как и в случае неферментативного окисления, образуют вторичные продукты окисления. Жирные кислоты с цис-транс или транс-трансконфигурацией двойных связей ферментом не окисляются. Липоксигеназа широко распространена в растительном мире. Она найдена в пшенице и других злаках, в семенах масличных и бобовых растений, особенно велико ее содержание в соевой муке. В результате действия этого фермента происходит прогоркание муки, крупы, макарон и других продуктов. Образующиеся гидроперекиси жирных кислот могут далее окислять жирные кислоты, каротины, витамин А, аминокислоты и аскорбиновую кислоту. Таким образом, снижается пищевая ценность продукта и изменяется цвет. Активность липоксигеназы необходимо учитывать в некоторых технологиях, т.к. она может влиять на потребительские свойства готового продукта. При производстве макарон требуется специальная макаронная мука, вырабатываемая из твердых сортов пшеницы, с низкой активностью липоксигеназы. При высокой активности липоксигеназы, получаются бледные макароны, из-за окисления ею пигментов муки каротиноидов. Потребительские свойства (цвет) таких макарон не высоки. Поэтому при хранении жиров и жиросодержащего сырья используют природные антиокислители (антиоксиданты). К ним относятся: токоферол – витамин Е, витамин С, лецитин, каротиноиды. Эти вещества способны взаимодействовать с образующимися свободными радикалами и прекращать дальнейший процесс окисления, обрывая цепь превращений радикалов. Липоксигеназа может выполнять и положительную роль. При слабом ее действии небольшие количества гидроперекисей жирных кислот (окисляя группы –SH в белках и образуя дисульфидные группы –S–S–) «укрепляют» клейковину, ускоряют процесс «созревания» пшеничной муки, улучшает ее хлебопекарные достоинства. Разработана технология выработки хлеба из слабой пшеничной муки с использованием липоксигеназы. К пшеничной муке добавляют соевую или гороховую муку (источник липоксигеназы) и растительное масло (источник ненасыщенных жирных кислот). В результате разностороннего действия фермента (укрепления клейковины и обесцвечивания пигментов муки) улучшается цвет мякиша (он становится светлее) и увеличивается объем хлеба. Под действием ферментов липазы и липоксигеназы изменяется качество жиров и масел, которое характеризуется следующими показателями или числами: Одна химическая реакция называется автокаталитическая , если один из продуктов реакции является также катализатор для того же самого или в сочетании реакции. Такая реакция называется автокаталитическая реакцию . Множество химических реакций могут быть названо «коллективно автокаталитической» , если некоторые из этих реакций производят, в качестве продуктов реакции, катализаторов для достаточного количества других реакций , что весь набор химических реакций является самоподдерживающимся данным входной энергией и молекулы питания (см автокаталитического набора ). Автокаталитические реакции являются те, в которых по меньшей мере один из продуктов, является реагентом. Возможно, самые простые автокаталитические реакции можно записать с уравнениями скоростей (для элементарной реакции) Эта реакция является той, в которой молекула вида А взаимодействует с молекулой вида Б. молекула превращается в молекулу B. Конечный продукт состоит из исходной молекулы B плюс молекулы B, созданной в реакции. Ключевая особенность этих уравнений скорости является то , что они нелинейны ; второй член в правой части изменяется пропорционально квадрату концентрации B. Эта функция может привести к нескольким неподвижных точек системы, очень как квадратное уравнение может иметь несколько корней. Несколько неподвижных точки позволяют несколько состояний системы. Система существующая в нескольких макроскопических состояниях более упорядоченная (имеет более низкую энтропию) , чем система в одном состоянии. автокаталитических реакций: эти химические реакции протекать медленно в начале (The индукционного периода ) , так как существует мало катализатора присутствует, скорость реакции увеличивается постепенно , по мере протекания реакции как количество катализатора увеличивается , а затем снова замедляется при уменьшении концентрации реагентов. Если концентрация реагента или продукта в эксперименте , повторяет кривую сигмовидной, реакция может быть автокаталитическая. Эти кинетические уравнения применяются, например, кислотно-катализируемой гидролиза некоторых эфиров до карбоновых кислот и спиртов . Там должно быть по крайней мере , некоторое количество кислоты присутствует изначально , чтобы запустить механизм , катализируемой; если не реакция должна начинаться с помощью альтернативного некаталитического пути , который, как правило , медленнее. Приведенное выше уравнение для катализируемого механизма означало бы , что концентрация кислоты продукта остается нулевой навсегда. СИНЕРГИСТЫ, в-ва, действующие таким образом, что активность их смеси (напр., антиокислит., физиол.) превышает сумму активностей компонентов. В ряде случаев активность повышается даже при смешении активного в-ва с в-вом, практически не обладающим активностью. Противоположность синергистовантагонисты; активность их смеси меньше активности наиб. активного компонента. Примеры синергистов: среди лек. ср-в-адреналин и атропин, вызывающие расширению зрачков, адреналин и новокаин, усиливающие анестезирующее действие последнего, неактивная аскорбиновая к-та, усиливающая антиокислит. действие мн. фармацевтич. антиоксидантов, диаминопиримидины, потенцирующие действие сульфаниламидных препаратов; в фотографии-проявляющие в-ва метол и гидрохинон; в с. х-ве-гербициды хлор-ИФК и диурон [N-(3, 4-дихлорфе-нил)-N, Nдиметилмочевина], неактивный шшеронилбут-оксид и инсектициды пиретрины или пиретроиды; в химии полимеров в-ва для стабилизации полимеров-смеси неозо-на-Д и 2,6-ди-трет-бутилфенола, фенилзамещенных фенолов и сульфидов, аскорбиновой к-ты и Fe2O3. Антиоксидантные белки 1. Тиоредоксины – семейство небольших белков, содержащих расположенные рядом остатки цистеина (—Цис-Гли-Про-Цис—). В отношении антиоксидантной защиты их функция сходна с таковой у глутатиона и частично с ней перекрывается. С помощью HS-групп тиоредоксины выполняют функции: восстановление активности некоторых ферментов (пероксиредоксины, метионинсульфоксид-редуктаза), кофактор редуктаз, используемых при синтезе дезоксирибонуклеотидов и при реактивации витамина К, восстановление дисульфидных связей в белках. Тиоредоксин также изменяет степень окисления сигнальных белков клеточных процессов, как например, активация фермента ASK-1 (apoptosis signal-regulating kinase1), который подавляет апоптоз и стимулирует клеточный рост. Участие тиоредоксина в антиоксидантной защите и его восстановление 2. Металлотионеины – небольшие, богатые цистеином (до 30% от состава) белки, способные связывать ионы металлов переменной валентности, такие как железо, цинк и медь, тяжелые металлы (например, кадмий и ртуть). В результате действия этих белков металлы, способные отдавать электроны на кислород (например, в реакции Фентона), "выходят из игры" и не способствуют образованию свободных радикалов. 3. Другие белки проявляют антиоксидантную активность благодаря способности связывать ионы железа и предотвращать реакцию Фентона. Например, ионы Fe3+ в крови связываются с трансферрином, а внутри клетки – с ферритином. Небелковые антиоксиданты Неферментативные небелковые антиоксиданты – это соединения, имеющие такой атом водорода, связь которого гораздо слабее, чем связь C–H в другой молекуле, например, в полиненасыщенной жирной кислоте. Поскольку разрыв связи в молекуле антиоксиданта требует меньше энергии, то он легко отдает этот атом водорода, нейтрализуя свободный радикал. Сам антиоксидант при этом переходит в радикальную форму, но в слабо активную, химически инертную, поскольку взаимодействие с молекулой жирной кислоты для нее энергетически невыгодно. Более вероятно взаимодействие этого радикала с другими свободными радикалами. 1. Природными "целенаправленными" антиоксидантами являются токоферол (витамин Е), каротиноиды (например, ликопин, и в намного меньшей степени ретинол), аскорбиновая кислота (витамин С), липоевая кислота (витамин N). Участие токоферола в нейтрализации перекисных радикалов Восстановление окисленного токоферола 2. Целый ряд веществ с совершенно иной функцией или метаболиты иных процессов могут выступать в роли ловушек свободных радикалов – это бензойная и мочевая кислоты, билирубин, биофлавоноиды, одно- и многоатомные спирты, мелатонин, эстрогены. Их химическая структура позволяет восстанавливать АФК, и далее их малоактивные радикальные формы либо взаимодействуют между собой, либо метаболизируют своим обычным образом, либо нейтрализуются природными антиоксидантами. Витамины- антиоксиданты - это вещества, которые препятствуют развитию процессов свободно-радикального окисления. Это природные оксиданты: Е, С, А. Обмен белков. Переваривание и всасывание продуктов распада белков.. Роль пищеварительных протеолитических ферментов. Из тонкого отдела кишечника в кровь всасываются преимущественно аминокислоты и в небольших количествах низкомолекулярные пептиды. Переваривание белков и связанное с ним всасывание преимущественно аминокислот играют важнейшую защитную роль против поступления в организм чужеродных (неспецифичных) белков. Механизм всасывания аминокислот – сложный биологический процесс, объединяющий фильтрацию, диффузию, осмос и активную всасывающую деятельность ворсинок. Роль ворсинок необходимо подчеркнуть особенно, так как благодаря их большому количеству и активной функции аминокислоты могут всасываться из кишечника и тогда, когда концентрация их в кишечном содержимом такая же или меньше, чем в крови. После всасывания в кровь аминокислоты поступают к органам и тканям, в первую очередь – в печень. Интенсивность всасывания отдельных аминокислот не зависит от молекулярной массы, но их структура, очевидно, играет роль в этом процессе. Неодинаковая скорость всасывания аминокислот из кишечника в кровь лежит в основе нормирования их в рационе по взаимному соотношению или к какой-либо одной аминокислоте (лизин). Дальнейшее превращение белков пищи осуществляется в тонком кишечнике, где на белки действуют ферменты панкреатического и кишечного соков. В поджелудочной железе вырабатываются три белковых фермента: трипсин, химотрипсин и карбоксипептидаза. Первые два фермента действуют на белки аналогично пепсину, но в отличие от него они разрывают другие внутренние пептидные связи. Кроме того, они активны в слабощелочной среде (оптимум pH действия их составляет 7,2-7,8). Благодаря гидролитическому действию всех трех эндопептидаз (пепсина, трипсина, химотрипсина) на белки образуются различной длины пептиды и некоторое количество свободных аминокислот. Дальнейший гидролиз пептидов до свободных аминокислот осуществляется под влиянием группы ферментов — пептидаз. Продукты гидролиза белков всасываются в желудочно-кишечном тракте в основном в виде свободных аминокислот. Кинетика всасывания аминокислот в кишечнике в опытах in vivo и in vitro свидетельствует о том, что аминокислоты, подобно глюкозе, всасываются свободно с ионами натрия. Переваривание и всасывание белков Белки – это состоящие из аминокислот макромолекулы. Во рту переваривания белков не происходит. Содержащаяся в желудке соляная кислота коагулирует пищевые белки. Это значит, что крупные молекулы пищевых белков разворачиваются и образующийся в желудке фермент пепсин может начинать частичное переваривание (гидролиз) белков. Ферменты, необходимые для окончательного переваривания белков, выбрасываются поджелудочной железой в верхний отдел тонкой кишки – двенадцатиперстную кишку. Работающий в желудке пепсин вместе с работающими в двенадцатиперстной кишке трипсином и другими ферментами расщепляют большинство пищевых белков до аминокислот. Образуется также небольшое количество коротких пептидов, которые расщепляются до аминокислот под воздействием ферментов каемчатых энтероцитов тонкой кишки. Во время нахождения перевариваемой пищевой массы в тощей кишке, среднем отделе тонкой кишки, происходит всасывание образовавшихся из белков или присутствовавших в пище свободных аминокислот. Получившиеся вещества всасываются непосредственно в кровоток или лимфатическую систему. Кровь доставляет питательные вещества в первую очередь в печень, где происходит задействование аминокислот. Переваривание и всасывание липидов Жиры (триглицериды – состоят из трех жирных кислот и глицерола) составляют 95– 98 % пищевых липидов. Основными присутствующими в пище липидами как раз и являются жиры. Существенного расщепления жиров во рту не происходит. Тем не менее, во рту присутствует образующийся под языком фермент липаза, который расщепляет небольшие количества жиров. В желудке присутствует фермент желудочная липаза. Он обладает несильным действием, но поскольку он относительно стоек к воздействию кислоты, то в желудке происходит умеренное расщепление некоторого количества триглицеридов. Триглицериды должны быть сначала преобразованы в верхнем отделе тонкой кишки – в двенадцатиперстной кишке – в тонкую эмульсию, и только затем соответствующие ферменты (липазы) смогут расщепить их на глицерол и жирные кислоты. Чрезвычайно большую роль в образовании эмульсии играют желчные соки и их соли. Молочные белки (казеины) – тоже очень хорошие тонкие эмульгаторы пищи. Образованию тонкой эмульсии способствует также то, что выбрасываемые поджелудочной железой бикарбонаты реагируют с поступающей из желудка кислотной пищевой массой, в результате чего образуются необходимые для пищеварения газы, основательно перемешивающие эту пищевую массу. Перистальтика стенок кишечника также помогает перемешивать его содержимое. Из поджелудочной железы в двенадцатиперстную кишку поступает главный фермент процесса переваривания жиров – панкреатическая липаза. Он вместе с другими ферментами расщепляет пищевые липиды на простые соединения (триглицериды, глицерол, свободные жирные кислоты), а фосфолипиды – на их первичные компоненты. Во время нахождения перевариваемой пищевой массы в среднем отделе тонкой кишки происходит всасывание образовавшихся из пищевых жиров глицерола и жирных кислот. Получившиеся вещества всасываются непосредственно в кровоток или лимфатическую систему. Переваривание и всасывание крахмала С точки зрения переваривания сложных углеводов наиболее важным является расщепление именно крахмала. Из всех пищевых углеводов только крахмал начинает перевариваться во рту. Это осуществляется за счет содержащегося в слюне фермента амилазы. Под его воздействием часть крахмала расщепляется на более мелкие составляющие. Если долго пережевывать богатую крахмалом пищу (а это очень полезно), то небольшая часть крахмала будет расщеплена до гликозина (так при долгом жевании хлеба он становится сладким). Прочие содержащиеся в пище углеводы (например, сахароза и лактоза) во рту не расщепляются. Поскольку в желудке из-за соляной кислоты среда сильно кислотная, дальнейшего переваривания углеводов там практически не происходит. Соляная кислота нужна в первую очередь для превращения расщепляющего белки фермента пепсиногена в пепсин и высвобождения многих гормонов, обеспечивающих работу желудочного сока. Соляная кислота также истребляет бактерии. Из поджелудочной железы в верхний отдел тонкой кишки, двенадцатиперстную кишку, выбрасывается панкреатическая амилаза. Это самый важный фермент для переваривания углеводов, который расщепляет основную часть крахмала. Панкреатическая амилаза вместе с собственными ферментами тонкой кишки доводит до конца процесс расщепления крахмала до глюкозы. Под воздействием ферментов каемчатых энтероцитов тонкой кишки (сахаразы, лактазы и других) происходит расщепление на компоненты также и сахарозы и лактозы. Во время нахождения перевариваемой пищевой массы в тощей кишке, среднем отделе тонкой кишки, происходит всасывание образовавшихся из сложных углеводов или присутствовавших в пище свободных глюкозы и фруктозы, которые всасываются напрямую в кровоток или лимфатическую систему. Кровь доставляет питательные вещества в первую очередь в печень, где происходит их использование. Микроорганизмы, обитающие в толстой кишке, расщепляют клетчатку, которую пищеварительные ферменты расщепить не в состоянии. В ходе этого процесса образуются короткие жирные кислоты, которые всасываются в кровь и которые организм может использовать для получения энергии, а также активизации перистальтики. Микрофлора толстой кишки помогает расщепить значительную часть целлюлозы, в результате чего также образуются короткие жирные кислоты. Значительная часть этих жирных кислот всасывается в клетки слизистой оболочки толстой кишки, в которых их расщепление покрывает часть энергетической потребности данных клеток. Протеолитические ферменты (синоним: протеазы) — белки, пептид-гидролазы, ферменты класса гидролаз, расщепляющие пептидные связи между аминокислотами в белках и пептидах. Протеолитические ферменты играют важнейшую роль в переваривании белков пищи в желудке и кишечнике человека. Большинство протеолитических ферментов органов пищеварения продуцируется в виде проферментов. Физиологический смысл этого заключается в том, чтобы акт продукции фермента (профермента) был отделен от акта его активации — превращения в фермент и, таким образом, белки тканей, продуцирующих ферменты, не подвергались воздействию этих самых ферментов. Классификация протеолитических ферментов Протеазы подразделяются на: экзопептидазы (пептидазы), гидролизующие (расщепляющие), преимущественно, внешние пептидые связи в белках и пептидах эндопептидазы (протеиназы), гидролизующие, преимущественно, внутренние пептидые связи К эндопептидазам относятся наиболее важные для желудочного пищеварения протеолитические ферменты пепсин, гастриксин и химозин, а также вырабатываемые в виде проферментов поджелудочной железой и участвующие в кишечном пищеварении трипсин, химотрипсин и эластаза. Экзопептидазами являются протеолитические ферменты карбоксипептидаза А и карбоксипептидаза В, также присутствующие в панкреатическом соке. К экзопептидазам относятся ферменты кишечного сока: аминопептидазы (аланинаминопептидаза и лейцин-аминопептидаза) и дипептидазы (глицилглициндипептидаза, глициллейцин-дипептидаза, пролиназа и пролидаза). Протеазы разделяют на шесть групп, в зависимости от строения активного центра: • • сериновые; в активном центре этих протеаз присутствует серин; сериновые протеазы — трипсин, химотрипсин и эластаза составляют 44% от общего количества белка экзокринной части поджелудочной железы • треониновые • цистеиновые • аспартильные — желудочные протеазы пепсин, гастриксин, катапепсины Д и Е и другие • металлопротеазы — например, карбоксипептидазы А и В являются Znметаллопротеазами • глютаминовые Процессы гниения белков и аминокислот. Характеристика продуктов гниения. Не всосавшиеся аминокислоты поступают в толстую кишку, где подвергаются процессам гниения. Это процесс бактериального распада веществ под действием микрофлоры иди ферментов, вырабатывающихся этой микрофлорой, В норме в толстой кишке подвергаются аминокислоты, а при патологии - белки. Это происходит ив других отделах ЖКТ. Все токсические вещества (индол, скатол, фенол), образующиеся при гниении, поступают в печень, где и происходит их обезвреживание. В печени имеется две системы, участвующие в обезвреживании этих веществ: 1. УДФГК - УРИДИНДИФОСФОГЛЮКУРОНОВАЯ К-ТА. 2. ФАФС - ФОСФОАДЕНОЗИНФОСФОСУЛЬФАТ. Процесс обезвреживания - это процесс конъюгации токсических веществ с одной из этих систем и образование конъюгатов, которые являются уже нетоксическими веществами. Индол предварительно подвергается ГИДРОКСИЛИРОВАНИЮ. ИНДОКСИЛСУЛЬФАТ нейтрализуется и превращается в натриевую или калиевую соль. Все эти вещества выводятся из организма с мочой. В норме реакция на индол должна быть отрицательна. При положительной реакции на индол - нарушена детоксикационная функция печени. Положительная реакция на ИНДИКАН наблюдается при очень активном гниении белков в толстом кишечнике. Аминокислоты, которые не всосались в кровь через слизистую оболочку тонкой кишки, подвергаются воздействию микроорганизмов в толстом кишечнике. При этом ферменты микроорганизмов расщепляют аминокислоты и превращают их в амины, жирные кислоты, спирты, фенолы и другие вещества, нередко ядовитые для организма. Этот процесс иногда называют гниением белков в кишечнике. В его основе лежит декарбоксилирование аминокислот, при этом из аминокислот образуются биологические амины. Так, из аминокислоты орнитина NH2(CH2)3CH(NH2)COOH образуется путресцин H2N(CH2)4NH2 (токсическое вещество из группы полиаминов), из лизина H2N(CH2).4CH(NH2).COOH образуется кадаверин NH2(CH2)5NH2 (токсическое вещество из группы птомаинов). Путресцин и кадаверин выводятся из организма с фекальными массами. В тех случаях, когда эти соединения попадают в кровь, они выводятся с мочой в неизмененном виде. Из тирозина OHC6H4CH2CH(NH2)COOH образуется крезол СН3С6Н4ОН (производное фенола, обладающее токсическими свойствами и специфическим неприятным запахом), а если процесс идёт дальше, то и фенол С6Н5ОН (карболовая кислота – гидроксибензол, производное бензола, токсическое вещество). Из аминокислоты триптофана C13H10O2N2 образуются скатол NC₈H₆CH₃ (бесцветное кристаллическое вещество с очень неприятным запахом) и индол C8H7N (токсическое вещество со специфическим неприятным запахом). При глубоком разрушении кишечными микроорганизмами серосодержащих аминокислот — цистина C6H12N2S2O4, цистеина HSCH2CH (NH2) COOH и метионина CH3SCH2CH2CH (NH2) COOH — образуется сероводород (H2S, газ с резким неприятным запахом), меркаптан (CH3SH, летучее вещество с сильным удушливым запахом) и другие серосодержащие соединения. Продукты гниения белков всасываются в венозную кровь, затем попадают в печень, где и обезвреживаются с помощью эндогенной серной кислоты или глюкуроновой кислоты. Индол и скатол также обезвреживаются в печени при участии серной и глюкуроновой кислот. Однако они предварительно окисляются: скатол в скатоксил, индол в индоксил и в виде парных кислот выводятся из организма с мочой. Некоторые ядовитые вещества, например, бензойная кислота C6H5COOH, образующаяся из аминокислоты фенилаланина C3H5CH2CH (NH2) COOH, обезвреживаются в печени с помощью аминокислоты глицина. При этом образуется гиппуровая кислота C6H5CONH2CH2COOH — безвредное соединение, которое выводится с мочой. Возможности печени в обезвреживании продуктов гниения белков, образованных в толстом кишечнике и всосавшихся в кровь, не безграничны. При снижении ее функциональной способности (например, в связи с перенесенными ранее заболеваниями) поступление значительного количества ядовитых веществ может оказаться чрезмерной нагрузкой. Тогда часть необезвреженных ядовитых веществ разносится (большим кругом кровообращения) по всему организму, вызывая его отравление. Происходит преждевременное старение клеток и их гибель. При этом отмечается ухудшение самочувствия человека, его мучают головные боли. Для предупреждения негативного воздействия ядовитых веществ на организм необходимо рационально планировать пищевой рацион. В него должны быть включены продукты, содержащие не только белки, но и жиры и углеводы, полезные кисломолочные продукты, так как молочнокислые бактерии способствуют ускорению гибели гнилостных микроорганизмов толстой кишки. В рационе необходима пища, которая является источником пектиновых веществ и клетчатки, что, повышая двигательную активность кишечника, способствуют выведению шлаков (в том числе и ядовитых веществ) из организма. Понятие об обмене азота у растений. Ассимиляция азота и нитратов растениями. Первичный синтез аминокислот. Высшие растения поглощают соединения азота из почвы. Основным источником азотного питания для растений являются нитраты и аммиак. Однако эти формы не равноценны, каждая из них оказывает свое специфическое влияние на обмен веществ. Изучение отдельных этапов превращения азотистых соединений, а также исследования, показавшие широкое распространение процессов реутилизации соединений азота, привели к представлению о круговороте азотистых веществ в растительном организме. Корневые системы растений хорошо усваивают нитраты, которые, поступая в корни растения, подвергаются ферментативному восстановлению до нитритов и далее до аммиака. Этот процесс происходит главным образом в корнях, однако и клетки листьев обладают этой способностью. Восстановление нитратов до аммиака идет через ряд этапов. Нитраты восстанавливаются до нитритов при участии фермента нитратредуктазы (нитратредуктаза — это флавопротеид, содержащий молибден). Образовавшиеся нитриты восстанавливаются до гипонитрита, гидроксиламина, наконец, до аммиака. Восстановление нитритов до гипонитрита катализируется ферментом нитритредуктазой. Нитритредуктаза активируется медью. Соответственно последующие реакции катализируются ферментами гипонитритредуктазой и гидроксиламинредуктазой. Последний фермент активируется марганцем. Надо, однако, сказать, что, начиная с восстановления нитритов, дальнейший процесс изучен недостаточно. Промежуточные соединения не выделены, не исключено, что они являются иными. Для восстановления нитратов необходимо присутствие донора водорода и электронов, которыми являются восстановленные никотинамиды (НАДФН2 или НАД-Н2). Поставщиком этих соединений является процесс дыхания. Именно поэтому восстановление нитратов тесно связано с дыхательным газообменом. Для нормального протекания процесса дыхания растение должно быть достаточно обеспечено углеводами. При усиленном поступлении нитратов содержание углеводов падает. При искусственном снижении содержания углеводов (выдерживание растений в темноте) нитраты не восстанавливаются, а накапливаются во всех органах растения. Интересно, что растения-нитратонакопители, к которым относятся некоторые среднеазиатские солянки, содержат мало углеводов и большое количество органических кислот. Большое влияние на восстановление нитратов оказывает свет. По-видимому, для восстановления нитратов могут быть непосредственно использованы продукты, образующиеся в процессе нециклического фотофосфорилирования (НАДФ-Н2, АТФ). Восстановление нитратов стимулируется при освещении синим светом. Возможно, это связано с тем, что флавин, который входит в состав нитратредуктазы, поглощает синий свет и активируется им. Наряду с нитратами в растение могут поступать и нитриты, которые также подвергаются восстановлению до аммиака. Однако нитриты при накоплении могут оказаться ядовитыми. Аммиак также может служить источником азотного питания для растений. При этом он поступает в растения даже быстрее, чем нитраты. Более быстрое поглощение аммиака объясняется тем, что для его использования на построение органических веществ не требуется предварительного восстановления, которые необходимы при питании растений нитратами. Аммиак представляет собой основное и, по-видимому, единственное соединение, вовлекаемое в процессы азотистого обмена. При этом аммиак может быть разного происхождения: непосредственно поступивший из почвы, образовавшийся в результате восстановления нитратов или в результате вторичного распада белка в стареющих органах и клетках. Накопление аммиака в клетках приводит к нежелательным последствиям. Однако растения обладают способностью обезвреживать аммиак путем присоединения его к органическим кислотам с образованием амидов (глутамина, аспарагина). Этот процесс аналогичен обезвреживанию аммиака животными организмами в виде мочевины. Существует целая группа растений, накапливающая большое количество органических кислот и с их помощью обезвреживающая аммиак, образуя соли. Это позволило разделить растения на амидные, образующие амиды,— аспарагин и глутамин — и аммиачные, образующие соли аммония. Изменяя рН клеточного сока, можно менять направление азотистого обмена, превращать растения с амидным типом обмена в аммиачные, и наоборот. Каковы же пути образования амидов в растениях? В процессе дыхания в качестве промежуточных продуктов образуются органические кислоты, в том числе αкетоглутаровая и щавелевоуксусная. Эти кислоты в результате реакции прямого восстановительного аминирования присоединяют аммиак. Катализируется реакция ферментом глутаматдегидрогеназой с активной группой НАД. Этот фермент локализован главным образом в митохондриях, так как именно в них образуются органические кислоты и восстановленные никотинамидные коферменты. Аспарагиновая кислота образуется по аналогии с глутаминовой кислотой путем восстановительного аминирования щавелевоуксусной кислоты. Кроме того, аспарагиновая кислота может образовываться путем прямого аминирования фумаровой кислоты при участии фермента аспартазы. Синтез аспарагиновой кислоты стимулируется светом и локализован главным образом в хлоропластах. Глутаминовая и аспарагиновая аминокислоты, присоединяя еще одну молекулу аммиака, дают амиды — глутамин и аспарагин. Амидная группировка предохраняет глутаминовую и аспарагиновую кислоты от обратного отщепления аммиака при окислительном дезаминировании. Для того чтобы амиды образовались, необходима затрата энергии (АТФ) и присутствие ионов магния. Реакция катализируется ферментом глутаматсинтетазой. Образование аспарагина происходит аналогичным путем. Для образования амидов особенное значение имеет возраст растений. Как правило, чем моложе растение, тем больше его способность к образованию амидов. В более молодых органах (листьях) и даже в более молодых клетках одного и того же органа образование амидов идет интенсивнее. В пасоке и в соке гуттации обычно присутствуют амиды. Это показывает, что аммиак, поступивший в растения, может преобразовываться в форму амидов в живых клетках корня. В тех случаях, когда углеводов не хватает или интенсивность дыхания ослаблена, амиды не образуются и аммиак накапливается, в результате может наступить отравление растений. Относительное количество образовавшегося аспарагина и глутамина и их роль различны в зависимости от вида растений и условий среды. Все же, по-видимому, образование аспарагина преобладает в том случае, когда происходит распад белков в семенах. В клетках корня и листа растущего растения идет главным образом образование глутамина. Таким образом, аспарагин — форма обезвреживания аммиака, образовавшегося на пути распада белка (регрессивная ветвь азотного обмена), тогда как глутамин—форма обезвреживания аммиака, используемого на пути синтеза белка (прогрессивная ветвь азотного обмена). Растительный организм, в отличие от животного, обладает способностью синтезировать все необходимые ему аминокислоты, которые могут образовываться в разных органах растений — в листьях, корнях, верхушках стебля. Некоторые аминокислоты образуются непосредственно в хлоропластах и здесь используются на образование белка. Наиболее интенсивно синтез белка происходит в меристематических и молодых развивающихся тканях. Интересно, что в отрезанных листьях синтез белка полностью прекращается, это служит еще одним доказательством, что для синтеза белка нужен какой-то фактор, образующийся в корнях растений. Можно предположить, что это фитогормон, относящийся к группе цитокининов, или близкое к нему вещество. Для нормального протекания синтеза белка в растительном организме нужны следующие условия: 1) обеспеченность азотом; 2) обеспеченность углеводами (углеводы необходимы и как материал для построения углеродистого скелета аминокислот, и как субстрат для дыхания); 3) высокая интенсивность и сопряженность процесса дыхания и фосфорилирования. На всех этапах преобразования азотистых веществ (восстановление нитратов, образование амидов, активизация аминокислот при синтезе белка и др.) необходима энергия, заключенная в макроэргических фосфорных связях (АТФ); 4) присутствие нуклеиновых кислот: ДНК необходима как вещество, в котором зашифрована информация о последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка; и-РНК — как агент, обеспечивающий перенос информации от ДНК к рибосомам; т-РНК — как обеспечивающая перенос аминокислот к рибосомам; 5) рибосомы, структурные единицы, где происходит синтез белка; б) белки-ферменты, катализаторы синтеза белка (аминоацил-т-РНК-синтетазы); 7) ряд минеральных элементов (ионы Мg2+, Са2+). Образованием белка заканчивается прогрессивная ветвь азотистого обмена в растениях, которая преобладает главным образом в молодых растущих органах (первичный синтез белковых веществ). Однако в растениях идет и непрерывный распад белка. За 48 ч до 60% белка организма синтезируется вновь. Вторая половина схемы Прянишникова показывает последовательность появления соединений в процессе распада белков (регрессивная ветвь азотистого обмена). Белки распадаются до аминокислот и далее до аммиака. Аммиак вновь обезвреживается в виде амидов (аспарагин и глутамин). На основе этих соединений образуются аминокислоты. Это позволяет организму синтезировать новый набор аминокислот, который обеспечит построение иных белков со своим специфическим набором и последовательностью аминокислот (вторичный синтез белковых веществ). В условиях, обеспечивающих достаточно высокий уровень синтетических процессов, аммиак представляет собой прекрасный источник азотного питания для растений. Значение аммиака как источника азотного питания имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Получение удобрений, содержащих аммиачные соли.— процесс более простой и дешевый по сравнению с удобрениями, где азот содержится в форме нитратов. Опыты, проведенные в стерильных условиях, показали, что в качестве источника азотного питания могут быть использованы растениями и растворимые органические соединения (аминокислоты, амиды и мочевина). В естественных условиях эти соединения редко могут быть источником питания, поскольку их содержание в почве, как правило, очень мало. Для некоторых растений с уклоняющимся типом питания (паразиты, полупаразиты, сапрофиты, насекомоядные растения) источником питания может служить органический азот. Промежуточный метаболизм белков и аминокислот. Ферментативный гидролиз белков в тканях. Процессы трансаминирования, дезаминирования, декарбоксилирования аминокислот. В организме взрослого человека метаболизм азота в целом сбалансирован, т. е. количества поступающего и выделяемого белкового азота примерно равны. Если выделяется только часть вновь поступающего азота, баланс положителен. Это наблюдается, например, при росте организма. Отрицательный баланс встречается редко, главным образом как следствие заболеваний. Полученные с пищей белки подвергаются полному гидролизу в желудочнокишечном тракте до аминокислот, которые всасываются и кровотоком распределяются в организме (см. с. 260). 8 из 20 белковых аминокислот не могут синтезироваться в организме человека (см. с. 66). Эти незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей (см. с. 348). Через кишечник и в небольшом объеме также через почки организм постоянно теряет белок. В связи с этими неизбежными потерями ежедневно необходимо получать с пищей не менее 30 г белка. Эта минимальная норма едва ли соблюдается в некоторых странах, в то время как в индустриальных странах содержание белка в пище чаще всего значительно превышает норму. Аминокислоты не запасаются в организме, при избыточном поступлении аминокислот в печени окисляется или используется до 100 г аминокислот в сутки. Содержащийся в них азот превращается в мочевину (см. с. 184) и в этой форме выделяется с мочой, а углеродный скелет используется в синтезе углеводов, липидов (см. с. 182) или окисляется с образованием АТФ. Предполагается, что в организме взрослого человека ежедневно разрушается до аминокислот 300-400 г белка (протеолиз) В тоже время примерно то же самое количество аминокислот включается во вновь образованные молекулы белков (белковый биосинтез). Высокий оборот белка в организме необходим потому, что многие белки относительно недолговечны: они начинают обновляться спустя несколько часов после синтеза, а биохимический полупериод составляет 2-8 дней. Еще более короткоживущими оказываются ключевые ферменты промежуточного обмена. Они обновляются спустя несколько часов после синтеза. Это постоянное разрушение и ресинтез позволяют клеткам быстро приводить в соответствие с метаболическими потребностями уровень и активность наиболее важных ферментов. В противоположность этому особенно долговечны структурные белки, гистоны, гемоглобин или компоненты цитоскелета. Почти все клетки способны осуществлять биосинтез белков (на схеме наверху слева). Построение пептидной цепи путем трансляции на рибосоме рассмотрено на сс. 244249. Однако активные формы большинства белков возникают только после ряда дальнейших шагов. Прежде всего при помощи вспомогательных белков шаперонов должна сложиться биологически активная конформация пептидной цепи (свертывание, см. сс. 80, 230). При посттрансляционном созревании у многих белков удаляются части пептидной цепи или присоединяются дополнительные группы, например олигосахариды или липиды. Эти процессы происходят в эндоплазматическом ретикулуме и в аппарате Гольджи (см. с. 226). Наконец, белки должны транспортироваться в соответствующую ткань или орган (сортировка, см. с. 228). Внутриклеточное разрушение белков (протеолиз) происходит частично в липосомах (см. с. 228). Кроме того, в цитоплазме имеются органеллы, так называемые протеасомы, в которых разрушаются неправильно свернутые или денатурированные белки. Такие молекулы узнаются с помощью специальных маркеров (см. с. 178). Белковый обмен, совокупность превращений белков и продуктов их распада — аминокислот в организмах. Б. о. — существенная часть обмена веществ. Поскольку обмен аминокислот тесно связан с обменом других азотистых соединений, Б. о. часто включают в более общее понятие азотистого обмена. У автотрофных организмов — растений (кроме грибов) и хемосинтезирующих бактерий — Б. о. начинается с усвоения неорганического азота и синтеза аминокислот и амидов (см. Азот в организме). У человека и животных лишь часть аминокислот (т. н. заменимых) может синтезироваться в организме из более простых органических соединений. Другая часть — незаменимые аминокислоты — должна поступать с пищей (обычно в составе белков). Белки, содержащиеся в различных пищевых продуктах, подвергаются в пищеварительном тракте перевариванию (расщеплению под действием протеолитических ферментов — пепсина, трипсина, химотрипсина и др.) до аминокислот, которые всасываются в кровь и разносятся по органам и тканям (см. Пищеварение). В тканях растений также имеются протеолитические ферменты, гидролитические расщепляющие белки. Дальнейшие процессы Б. о. у растений и животных по существу являются обменом аминокислот. Значительная часть аминокислот идёт на образование и восполнение различных белков организма, в том числе функционально активных белков (ферменты, гормоны, антитела и т.п.), а также пластических, структурных и др. (см. Белки, биосинтез). В то же время белки организма подвергаются постоянному распаду и обновлению, пополняя фонд свободных аминокислот. Другая часть аминокислот используется для образования ряда низкомолекулярных гормонов, биологически активных пептидов, аминов, пигментов и других веществ, необходимых для жизнедеятельности. Так, для образования пуриновых оснований используется аминокислота глицин; аспарагиновая кислота идёт для синтеза пиримидиновых оснований. Глицин является главным источником образования пигментной группировки гемоглобина. Гормоны щитовидной железы — тироксин и его производные и гормоны надпочечника — адреналин и норадреналин — образуются из аминокислоты тирозина. Триптофан служит источником образования аминов биогенных, а также (частично) никотиновой кислоты и её производных. Ряд других азотистых веществ животного организма, как, например, глутатион, карнозин, анзерин, креатин и другие, являются продуктами соединения или превращения аминокислот. Алкалоиды у растений также образуются из аминокислот. Взаимное превращение аминокислот в значительной мере обусловлено широко распространённым у всех организмов ферментативным процессом переноса аминогруппы — переаминированием, открытым советским учёными А. Е. Браунштейном и М. Г. Крицман. Избыток аминокислот подвергается процессам ферментативного распада. Наиболее общей начальной реакцией распада аминокислот является дезаминирование, главным образом окислительное дезаминирование, после которого безазотистый остаток молекулы аминокислоты распадается до конечных продуктов — двуокиси углерода, воды и азота, отщепляемого в виде аммиака. У животных аммиак обезвреживается путём синтеза мочевины (она образуется у человека, млекопитающих и некоторых других животных в печени и выделяется с мочой) или мочевой кислоты (у птиц, пресмыкающихся и насекомых) и частично выделяется в виде аммонийных солей. У растений (и части бактерий) неорганический аммонийный азот может реутилизироваться, т. е. включаться вновь в синтез аминокислот и амидов, а затем белков. В этих процессах большую роль играют амиды аспарагиновой и глутаминовой кислот — аспарагин и глутамин, являющиеся важнейшими резервными соединениями азота у растений. Эти соединения играют важную роль и в организме животных. Мочевина найдена также и в ряде растений; установлена её существенная роль в обезвреживании аммиака у грибов, бактерий и высших растений. В отличие от животных, у растений мочевина может при образовании достаточного количества углеводов снова включиться в процессы синтеза белка. Т. о., принципиальное отличие Б. о. у животных и растений в том, что растения синтезируют белок, предварительно образуя аминокислоты и амиды из неорганических веществ, а образующийся при дезаминировании аминокислот аммиак снова включается (через глутамин, аспарагин и мочевину) в ресинтез белка. Напротив, животные и человек синтезируют белок из аминокислот, получаемых с пищей и частично образованных в результате переаминирования; продукты расщепления аминокислот выделяются из организма. Промежуточные этапы Б. о. у растений и животных имеют много общего. Соотношение общего количества азота, поступившего в организм человека или животного, и выделенного азота называют азотистым балансом. Азотистый баланс зависит не только от количества потребленных белков, вида, возраста и физиологического состояния организма, но и от аминокислотного состава белков пищи. Если организм обеспечен незаменимыми аминокислотами в должном соотношении, то азотистое равновесие может быть установлено при минимальном приёме белка с пищей. Регуляция Б. о. в организме животных и человека осуществляется при участии нервной системы (есть данные о наличии в гипоталамусе центра Б. о.) и путём изменения выделения гормонов щитовидной и другими эндокринными железами (см. Гормональная регуляция). Конечные продукты обмена простых и сложных белков у животных. Биосинтез мочевины. При расщеплении белков, нуклеиновых кислот и других азотсодержащих соединений образуются токсичные вещества — аммиак, мочевина и мочевая кислота, токсический эффект которых соответственно снижается в приведенном ряду. В зависимости от того, в какой из этих трех форм преимущественно выделяется азот, животных подразделяют на три группы: аммониотелические (выделяющие свободный аммиак), уреотелические (выделяющие мочевину) и урикотелические (выделяющие мочевую кислоту). Форма выделения продуктов азотистого обмена тесно связана с условиями жизни животного и обеспеченностью водой. Аммиак весьма токсичен даже в малых концентрациях. Благодаря хорошей растворимости и небольшому молекулярному весу, он легко диффундирует через любую поверхность, соприкасающуюся с водой. Аммиак является конечным продуктом азотистого обмена у водных беспозвоночных, костных рыб, личинок и постоянно живущих в воде земноводных. Наземные животные ограничены в воде: чтобы избежать накопления аммиака в тканях и жидкостях тела, они должны преобразовать его в конечные продукты, нетоксичные для организма. Наземные ресничные черви, земноводные, млекопитающие выделяют мочевину. Низкая растворимость мочевой кислоты, выпадение ее в осадок делает ее осмотически неактивной. Для ее выведения из организма вода практически не нужна. Урикотелия в основном характерна для животных, освоивших наземную, в том числе и засушливую, среду (наземные насекомые, чешуйчатые пресмыкающиеся, птицы). Биосинтез белков. Рекомбинантные ДНК и генетически модифицированные продукты Биосинтез белка имеет важнейшее научное и клиническое значение. Отличие одного индивидуального белка от другого определяется природой и последовательностью чередования аминокислот, входящих в его состав. Носителем наследственной информации являются молекулы ДНК (гены), в которых закодированы генетические особенности организма, в том числе состав и структура синтезируемых белков. Первичная структура ДНК представляет собой последовательность мононуклеотидов, каждые три из которых носят название триплет и кодируют определенную аминокислоту. Таким образом, последовательность аминокислот любого синтезируемого белка контролируется последовательностью триплетов ДНК. Этот процесс составляет сущность биосинтеза белка. Процесс биосинтеза белка состоит из трех этапов. 1 этап – синтез информационной РНК (и-РНК) – транскрипция и перенос её к месту синтеза белка – к рибосомам. 2 этап – активация аминокислот – присоединение их к транспортной РНК (т-РНК) и перенос их к рибосомам. 3 этап – собственно биосинтез (трансляция). 1 этап – синтез и-РНК происходит в ядре и заключаются в том, что молекула ДНК, состоящая из двух цепочек раскручивается и на одной цепи ДНК строится и-РНК по принципу комплементарности, т.е. каждому азотистому основанию ДНК соответствует азотистое основание РНК. Таким образом, молекула и-РНК в точности повторяет последовательность ДНК, а значит, служит переносчиком наследственной генетической информации, т.е. матрицей. 2 этап начинается с активации аминокислот при участии ферментов и АТФ с сохранением комплексов аминоациладенилатов. Для каждой аминокислоты есть своя т-РНК, к которой аминокислота и присоединяется. Этот комплекс движется к рибосомам. Особенность т-РНК заключается в наличии в ней антикодона – триплета строго определенного состава для каждой аминокислоты (пр. фенилаланин – это ААА, метионин УАЦ, аланин – ЦГГ). 3 этап. В молекуле и-РНК имеются определенные триплеты, которые называются кодонами и которые комплементарны антикодонам и-РНК. По мере передвижения иРНК по рибосоме происходит их присоединение к комплементарным кодонам и-РНК, а соединенные с т-РНК аминокислоты соответственно взаимодействуют между собой в той последовательности, которая строго зафиксирована порядком соединения кодона и антикодона путем образования полипептидной цепи, специфичной для данного белка (первичная структура, которая в дальнейшем приобретает вторичную и третичную структуру). Рекомбинантные ДНК и генетически модифицированные продукты Рекомбинантная ДНК (или сокращенно рДНК) — это искусственно созданная цепь ДНК, полученная в результате сочетания двух или более последовательностей генов разных видов. Рекомбинантные белки - это белки, ДНК которых была создана искусственно. ДНК из двух или более источников включают в одну рекомбинантную молекулу. ДНК сначала обрабатывается эндонуклеазой рестрикции. В результате образуется ДНК с "липкими концами", которая может соединяться с любой молекулой ДНК, имеющей комплементарные липкие концы. ДНК лигаза ковалентно связывает 2 нити в одну рекомбинантную молекулу ДНК. Все мы знаем, что мякоть яблока, начинающая контактировать с воздухом, темнеет. Это происходит из-за того, что в яблоке есть тирозиназа, на воздухе катализирующая реакцию железосодержащих полифенолов. Если на срез обычного яблока капнуть лимонной кислоты, то темнеть срез не будет, поскольку лимонная кислота — один из сильнейших антиоксидантов. Не так давно биотехнологическая компания Okaganan Specialty Fruits Inc. вывела новый сорт ГМ-яблок, в которых фермент полифенола оксидазы просто «выключен». Как результат — не образуется меланин при взаимодействии с кислородом. Сверхсладкие плоды Плюс ко всему, эти же ученые создали яблоки без косточек и пленок, которые располагаются рядом с косточками. Здесь уже проявили себя российские ученые из Института биоорганической химии (ИБХ). Еще в конце 90-х годов ученые научились вставлять в ДНК растений ген из ДНК западноафриканского растения тауматококкуса. Оказалось, что этот ген отвечает за производство белка тауматина II, который слаще обычного сахара во много тысяч раз. Ученые смогли добавить ген тауматококкуса в землянику, груши, яблоки и даже помидоры. В итоге плоды стали гораздо более сладкими, а в случае с земляникой еще и проявилось другое свойство нового гена — устойчивость к «бичу земляники» — серой гнили. Витаминизированный рис Создатели нового сорта риса добавили в ДНК растения ген кукурузы и ген почвенной бактерии Erwinia uredovora. Как результат, новый сорт риса содержит большое количество витамина А. Примерно в 150 граммах такого риса — суточная норма витамина А для взрослого человека. По мнению ученых, ГМ-рис сможет обеспечить «витамиинизацию» широких масс населения, при условии, конечно. что сорт будет разрешен в различных странах. А разрешения добиться не так и просто. Взаимосвязь и регуляция обменных процессов. Взаимосвязь обмена углеводов, жиров, белков проявляется в двух аспектах: а) в наличии единых промежуточных продуктов обмена и б) во взаимопревращениях углеродов, жиров, белков. В обмене этих веществ можно выделить три основные стадии: 1) подготовительную, стадию универсализации, 3) стадию окисления в цикле трикарбоновых кислот. В первой стадии представлены реакции гидролиза. Ди- и полисахариды преобразуются до моносахаридов или их эфиров с фосфорной кислотой, жиры расщепляются на глицерин и жирные кислоты, белки – на аминокислоты. На стадии универсализации из углеводов, глицерина, жирных кислот, некоторых аминокислот образуется один и тот же продукт – КоА. Превращения аминокислот в ацетил КоА проходит через стадию дезаминирования и некоторые другие превращения. Например, превращения аланина проходит через стадию образования пировиноградной кислоты (ПВК). Превращения других аминокислот смыкаются с превращениями жиров, белков, углеводов на третьей стадии, стадии окисления ацетил КоА в цикле трикарбоновых кислот. Таким образом, процессы распада жиров, белков, углеводов сходятся (в большинстве своем на стадии образования ацетил КоА), образуя в дальнейшем единый метаболический цикл (цикл трикарбоновых кислот)(цикл Кребса), завершающий их превращения. Этим достигается определенная экономия на разнообразии ферментов, на внутриклеточных структурных образованиях, обеспечивающих локализацию ферментных систем и процессов. Немаловажную значение такая организация метаболизма имеет и для ее регуляции. Конечно, взаимосвязь обменных процессов не исчерпывается связью между превращениями углеводов, жиров, белков. Превращения в организме углеводов, липидов, белков теснейшим образом связаны с обменом минеральных веществ. Последние могут использоваться для образования сложных белков, липидов, оказывать влияние на обменные процессы, выступая в качестве составных частей, активаторов или ингибиторов ферментов. Большое влияние на состояние обменных процессов оказывает поступление и превращение витаминов, которые, как и минеральные вещества, могут входить в состав ферментов, активировать их деятельность, выполнять роль своеобразных катализаторов. Очень важное значение для обмена веществ имеет вода. Особенно болезненно отражается на протекании обменных процессов недостаток воды. Вода, биологическая роль в обменных процессах. Почки - орган, на уровне которого происходит гормональная регуляция водного обмена. С одной стороны, диуретический гормон, выделяемый передней долей гипофиза, способствует усиленному выведению воды из организма с мочой (диурез), с другой - антидиуретический гормон (вазопрессин), образуемый Биологическое значение воды. Вода в организме выполняет ряд жизненно важных функций. Прежде всего, она является универсальным растворителем минеральных и органических веществ, входящих в корма, и продуктов обмена веществ. Вода - пластический материал, из которого построены органы, ткани и клетки. Множественные функции воды определяются ее физико-химическими свойствами. Молекулы воды, как диполи, ассоциированы между собой при помощи водородных связей. На разрыв этих связей затрачивается значительное количество энергии, что придает воде высокую теплоемкость (у воды она в 4 рaзa выше, чем у воздуха, являющегося «внешней средой» обитания большинства высших животных). Благодаря этому вода играет важную роль в процессах терморегуляции организмов. Около 25% избытка тепловой энергии выделяется из организма в результате испарения воды с поверхности кожи. Приблизительно столько же тепла выделяется из организма с парами выдыхаемого воздуха. Молекулы воды участвуют в создании вторичной и третичной структуры молекул белков.Все питательные вещества корма усваиваются в пищевом канале с участием воды (реакции гидролиза).Для воды характерна очень низкая вязкость, что придает водным растворам хорошую текучесть и быстрое перемещение жидкостей в организме. Вода и ее растворы смачивают трущиеся поверхности, способствуя улучшению их скольжения. 1. Участие в ферментативных реакциях гидролиза. Поэтому катаболизм в клетке любых полимерных молекул (триацилглицеролов, гликогена) и получение из них энергии не может происходить без воды, переваривание пищевых веществ ухудшается в состоянии недостаточности воды. 2. Формирование клеточных мембран основано на амфифильности фосфолипидов, т.е. на способности фосфолипидов автоматически формировать полярную поверхность мембраны и гидрофобную внутреннюю фазу. Как следствие, при снижении объема внутри- и внеклеточной воды часть фосфолипидов оказывается "лишней" и происходит деформация мембран клеток. 3. Вода формирует гидратную оболочку вокруг молекул. Это обеспечивает растворимость веществ, в частности белков-ферментов, и должное взаимодействие их поверхностных гидрофильных аминокислот с окружающей водной средой. При уменьшении доли воды в среде взаимодействие ухудшается, изменяется конформация фермента и, значит, варьирует скорость ферментативных реакций, транспорт веществ в крови и в клетке. 4. Вода создает активный объем клетки и межклеточного пространства. Связывание воды с органическими структурами межклеточного матрикса – коллагеном, гиалуроновой кислотой, хондроитин-сульфатами и другими соединениями обеспечивает тургор и упругость тканей. Наглядно это проявляется при крайнем обезвоживании организма, когда наблюдается спадение глазных яблок и неэластичность кожи. В качестве примера проявления скрытого дефицита воды можно указать дегенерацию суставов при артрозах. В доклинической стадии сухость и шероховатость хрящевых поверхностей приводят к повышению трения и сцепления в суставе, что проявляется как слышимый при движении скрип и хруст. В дальнейшем развиваются истончение и истирание суставного хряща, снижение его аммортизационных свойств, появление болей и начало клинических стадий остеоартроза. 5. Состояние жидких сред организма (кровь, лимфа, пот, моча, желчь) напрямую зависит от количества в них воды. Сгущение и концентрирование этих жидкостей приводит к снижению растворимости их компонентов – солей, органических веществ, и усилению кристаллообразования в моче и желчи. Таким образом, при наличии других факторов, например, избытка оксалатов или мочевой кислоты (для мочекаменной болезни) или дефицита липотропных веществ (для желчекаменной болезни) дефицит воды потенциирует развитие этих заболеваний. 6. Достаточное количество воды поддерживает стабильность артериального давления. При нехватке воды активируется секреция вазопрессина и ангиотензина, часть эффектов которых направлена на сужение сосудов для приведения в соответствие объема крови и емкости сосудистого русла, повышение артериального давления для обеспечения кровоснабжения головного мозга, почек и других органов. Экзогенная и эндогенная вода Экзогенная вода поступает в организм Эндогенная вода образуется в организме в процессе обмена веществ: при окислении 100 г жира образуется 107 г воды; 100 г белка - 41 г; 100 г углеводов - 55 г. Образование эндогенной воды увеличивается во время мышечной работы, а также при охлаждении организма. Эндогенный источник воды имеет особенно важное значение для животных, обитающих в пустынях и полупустынях. Всосавшаяся в ЖКТ вода по воротной кровеносной системе поступает в печень, частично задерживается там, а остальная транспортируется в другие органы, из которых она снова попадает в кровь и пищеварительный тракт. Распределение и состояние воды в живых тканях. Содержание воды в пищевом сырье и пищевых продуктах. Физическая и термодинамическая характеристики воды, связанной с биомакромолекулами Вода - одно из самых распространенных веществ на земле, она является необходимым условием жизни и входит в состав всех пищевых продуктов и материалов. Излишнее содержание влаги может привести к быстрой порче продуктов, и ,поэтому, продукты, предназначенные для длительного хранения, подвергаются сушке. Эти аномальные свойства воды объясняются существованием в ней водородных связей, которые связывают между собой молекулы как в жидком, так и в твердом состоянии. Вода плохо проводит электрический ток, но становится хорошим проводником, если в ней растворены даже небольшие количества ионных веществ. Вода широко используется в качестве растворителя в химической технологии, а также в лабораторной практике. Она представляет универсальный растворитель, необходимый для протекания биохимических реакций. Способность воды хорошо растворять многие вещества обусловлена полярностью ее молекул. Молекула воды обладает сравнительно большим дипольным моментом. Поэтому при растворении в ней ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг ионов, т.е. сольватируют их. Водные растворы ионных веществ являются электролитами. Свободная и связанная влага в продуктах и сырье. Методы определения Вода - очень важное с точки зрения ее связи с пищевыми продуктами вещество. Она обусловливает консистенцию и структуру пищевого продукта; ее взаимодействие с присутствующими в продукте химическими компонентами определяет устойчивость его при хранении. Степень взаимодействия воды с химическими компонентами и влияние на консистенцию пищевого продукта определяется как ее количеством в продукте, называемым содержанием влаги (г воды/100 г сухих веществ),(или свободной влагой), так и ее термодинамическим состоянием, называемым химическим потенциалом (связанная влага). Для определения свободной влаги в сырье или продуктах используются относительно несложные методики с использованием рефрактометра, или методика высушивания до постоянной массы, или разделение двух или более компоненных жидкостей отгонкой более летучих компонентов и другие. В пищевых продуктах вода может быть в свободном и в связанном состоянии. Свободная вода находится в виде мельчайших капель на поверхности или в массе продукта. В свежих овощах, плодах, мясе, рыбе свободная вода находится в клеточном соке и между клетками, а в таких продуктах, как сушеные плоды, овощи, сухое молоко, чай — в микрокапиллярах. Свободная вода легко удаляется из продукта при замораживании, высушивании, прессовании, отжатии. Плотность свободной воды около единицы, температура замерзания 0°С, в ней нормально развивается микрофлора. За счет свободной воды происходят усушка, потеря массы и качества продуктов. Связанной водой называют воду, молекулы которой более или менее прочно соединены с другими веществами продукта. Связанная вода с трудом удаляется из продуктов. Вода свободная и связанная при хранении и переработке пищевых продуктов может переходить из одного состояния в другое и вызывать изменение их свойств. Например, во время хранения хлеба связанная вода частично переходит в свободное состояние, в результате чего происходит его черствение. Вода содержится во всех пищевых продуктах, но в разных количествах. Минимальное ее количество в сахаре (0,1—0,4%), в растительном масле, в кулинарных жирах (0,2—1,0%), в леденцовой карамели, сухом молоке, чае (0,5— 5,0%), в муке, крупе, сушеных плодах и овощах (12—17%). Воды в свежих плодах и овощах 65—95%, молоке — 87—90, мясе — 58—74, рыбе — 62— 84, пиве— 80— 89%. Содержание воды в продуктах существенно влияет на их пищевую ценность, потребительские свойства, условия хранения. Чем больше в продуктах воды, тем ниже их питательная ценность и меньше срок хранения. Пищевые продукты с большим количеством воды нестойки в хранении, так как в них легко развиваются микроорганизмы и активно проходят ферментативные процессы. Такие товары, как молоко и молочные продукты, овощи и фрукты, мясо и рыба, являются скоропортящимися. Продукты сушеные, а также содержащие меньшее количество влаги, например крупа, макароны и пр., хранятся значительно дольше. В каждом пищевом продукте содержание воды должно быть определенным: увеличение содержания воды в печенье, крупе, муке, чае вызывает плесневение, в варенье, меде — брожение, а его уменьшение в овощах, плодах приводит к их быстрой порче Мышечная ткань, Строение мышцы и мышечного волокна. Механизм мышечного сокращения Мышечная ткань составляет 40% от веса тела человека. Биохимические процессы, протекающие в мышцах, оказывают большое влияние на весь организм человека. ФУНКЦИЯ МЫШЦ - МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ, в котором химическая энергия превращается в механическую при постоянном давлении и постоянной температуре. Ни один искусственный механизм к этому не способен. ТОЛСТАЯ НИТЬ Состоит из молекул белка миозина. МИОЗИН - крупный олигомерный белок, молекулярная масса 500 кДа, состоит из 6 субъединиц, попарно одинаковых. Тяжелая цепь: на С-конце - альфа-спираль, на N-конце - глобула. При соединении двух тяжелых цепей С-концевыми участками образуется суперспираль. Две легкие цепи входят в состав глобулы (головки). Стержневой участок суперспирали имеет 2 отдела, где спирали оголены - эти места открыты для действия протеолитических ферментов и имеют повышенную подвижность. Свойства миозина. 1. В физиологических условиях (оптимальные pH, температура, концентрации солей) молекулы миозина спонтанно взаимодействуют между собой своими стержневыми участками ("конец в конец", "бок в бок") с помощью слабых типов связей. Взаимодействуют только стержни, головки остаются свободными. 2. Молекула миозина обладает ферментативной активностью (АТФ-азная активность: АТФ+Н2О----->АДФ+Ф). Активные центры расположены на головках миозина. 1-я стадия. Сорбция субстрата. В ходе этой стадии АТФ фиксируется на адсорбционном участке активного центра головки миозина. 2-я стадия. Гидролиз АТФ. Происходит на каталитическом участке активного центра головки. Продукты гидролиза (АДФ и Ф) остаются фиксированными, а выделившаяся энергия аккумулируется в головке. 3-я стадия. Миозин способен взаимодействовать с актином тонких нитей. Присоединение актина к миозину увеличивает АТФазную активность миозина, в результате скорость гидролиза АТФ возрастает в 200 раз. Ускоряется именно 3-я стадия катализа. Освобождение продуктов реакции (АДФ и Ф) из активного центра головки миозина. Примечание: чистый миозин обладает ферментативной активностью, но она очень низкая. 3. Миозин своими головками способен взаимодействовать с актином (актинсократительный белок), входящим в состав тонких нитей. Присоединение актина к миозину мгновенно увеличивает АТФ-азную активность миозина (больше, чем в 200 раз). Актин является аллостерическим активатором миозина. ТОНКИЕ НИТИ В состав тонких нитей входят три белка: - сократительный белок актин - регуляторный белок тропомиозин - регуляторный белок тропонин АКТИН - небольшой глобулярный белок, его молекулярная масса - 42 кDа. G-актин представляет собой глобулу. В физиологических условиях его молекулы способны к спонтанной агрегации, образуя F-актин. В состав тонкой нити входят две F-актиновые нити, образуется суперспираль (2 перекрученные нити). В области Z-линий актин прикрепляется к a-актинину. МЕХАНИЗМ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ. 1. Сродство комплекса "миозин-АТФ" к актину очень низкое. 2. Сродство комплекса "миозин-АДФ" к актину очень высокое. 3. Актин ускоряет отщепление АДФ и Ф от миозина и при этом происходит конформационная перестройка - поворот головки миозина. 1-я стадия 2-я стадия 3-я стадия 4-я стадия 1-я стадия. Фиксация АТФ на головке миозина. 2-я стадия. Гидролиз АТФ. Продукты гидролиза (АДФ и Ф) остаются фиксированными, а выделившаяся энергия аккумулируется в головке. Мышца готова к сокращению. 3-я стадия. Образование комплекса “актин-миозин”. Он очень прочен. Может быть разрушен только при сорбции новой молекулы АТФ. 4-я стадия Конформационные изменения молекулы миозина, в результате которых происходит поворот головки миозина. Освобождение продуктов реакции (АДФ и Ф) из активного центра головки миозина. Головки миозина ”работают” циклично, как плавники у рыбы или как весла у лодки, поэтому этот процесс называется “вёсельным механизмом” мышечного сокращения. Исследователь Дьерди впервые выделил чистые актин и миозин. In vitro были созданы необходимые физиологические условия, при которых наблюдалось спонтанное образование толстых и тонких нитей, затем был добавлен АТФ - в пробирке происходило мышечное сокращение. СОКРАЩЕНИЕ 1. Мышечное сокращение начинается с нервного импульса. Под воздействием ацетилхолина развивается возбуждение клеточной мембраны и резко повышается ее проницаемость для Са2+. 2. Са2+ поступает в цитоплазму мышечной клетки (саркоплазма) из депо - цистерн цитоплазматического ретикулума. Концентрация Са2+ в саркоплазме мгновенно увеличивается в 100 раз (с 10-7М до 10-5М). 3. Кальций связывается с тропонином "С". Это приводит к конформационным изменениям молекулы тропонина, в результате устраняется пространственное препятствие в виде тропонина "I", в результате конформационных изменений тропонина "Т" молекула тропомиозина оттягивается в сторону и открывает на поверхности актина миозин-связывающие центры. Дальше мышечное сокращение идет по схеме (смотрите предыдущий рисунок на странице 3 ). РАССЛАБЛЕНИЕ Чтобы произошло расслабление мышцы, необходимы следующие условия: 1. Освобождение тропонина "С" от Са2+ - для этого работает мембрано-связанный фермент Са2+-зависимая АТФаза. Этот фермент использует энергию гидролиза АТФ для переноса Са2+ обратно в цистерны против градиента их концентраций. Накоплению ионов кальция в цистернах помогает белок КАЛЬСЕКВЕСТРИН. Кальсеквестрин - связывает Са2+ в цистернах. Когда мышца готова к сокращению, концентрация Са2+ в цистернах велика. Не только процесс сокращения, но и процесс расслабления нуждается в АТФ, потому что если нет АТФ, то не работает Са2+-зависимая АТФаза. В этих условиях кальций связан с тропонином "С" - вся система находится в активном состоянии, нет распада актомиозинового комплекса - мышца постоянно находится в состоянии сокращения. Такая ситуация наблюдается после смерти человека в состоянии "трупного окоченения". Запасы АТФ в клетке значительны, но их хватает для обеспечения мышечной работы только в течение 0.1 секунды. Но в мышечной клетке идет очень быстрый ресинтез АТФ. Особенность мышечной ткани - очень быстрые изменения концентрации АТФ (в 100 и более раз). Белки мышечной ткани, классификация, биологическая роль. Выделяют три группы белков: 1. миофибриллярные белки – 45 %; 2. саркоплазматические белки – 35 %; 3. белки стромы – 20 %. Миофибриллярные белки. К этой группе относятся: 1. миозин; 2. актин; 3. актомиозин; а также так называемые регуляторные белки: 4. тропомиозин; 5. тропонин; 6. a - и b-актин. Саркоплазматические белки. Характеризуются растворимостью в солевых растворах с низкой ионной силой. К числу саркоплазматических белков относятся: дыхательный пигмент миоглобин, разнообразные белки-ферменты (гликолиза, дыхания и окислительного фосфорилирования, азотистого и липидного обмена) и др. Белки стромы. Представлены в основном коллагеном и эластином. Белок миостромин участвует в образовании сарколеммы и линии Z. Экстрактивные вещества мышц: 1. адениловые нуклеотиды (АТФ, АДФ, АМФ); 2. гликоген – запасной источник энергии; 3. креатин, креатинфосфат – резервный источник ресинтеза АТФ; 4. свободные аминокислоты; 5. карнозин, ансерин – специфические азотистые вещества; увеличивают амплитуду мышечного сокращения, сниженную утомлением; 6. неорганические соли. Биохимический цикл мышечного сокращения состоит из 5 стадий: 1. 1–2–3 – стадии сокращения; 2. 4–5 – стадии расслабления. 1 стадия – в стадии покоя миозиновая «головка» может гидролизовать АТФ до АДФ и Фн, но не обеспечивает освобождения продуктов гидролиза. Образуется стабильный комплекс: миозин-АДФ-Фн. 2 стадия – возбуждение двигательного нерва приводит к освобождению ионов Са2+ из саркоплазматического ритикулума мышечного волокна. Ионы Са2+ связываются тропонином С (Тн-С). В результате этого взаимодействия изменяется конформация всей молекулы тропонина, а затем – тропомиозина. Вследствие этого в актине открываются центры связывания с миозином. Миозиновая «головка» связывается с F-актином, образуя с осью фибриллы угол около 900. 3 стадия – присоединение актина к миозину обеспечивает высвобождение АДФ и Фн из актин-миозинового комплекса. Это приводит к изменению конформации этого комплекса и угол между актином и миозиновой «головкой» изменяется с 900 до 450. В результате изменения угла филаменты актина втягиваются между филаментами миозина, т. е. происходит их скольжение навстречу друг другу. Укорачиваются саркомеры, сокращаются мышечные волокна. 4 стадия – новая молекула АТФ связывается с комплексом актин-миозин. 5 стадия – комплекс миозин-АТФ обладает низким сродством к актину и поэтому происходит отделение миозиновой «головки» от F-актина. Филаменты возвращаются в исходное состояние, мышца расслабляется. Затем цикл возобновляется. Биохимический механизм посмертных изменений мышечных тканей пищевого сырья. Автолиз мяса - Превращение белков и азотистых экстрактивных веществ во время Превращение белков и их производных под действием микроорганизмов, получило название гниения. Бактерии рода Clostridium и Bacillus содержат протеолитические ферментные системы, которые выделяются во внешнюю среду и гидролизируют белковые молекулы мяса. Микроорганизмы усваивают продукты распада белков и быстро подвергают их последующим преобразованием. Таким образом проходит гниение мяса. В процессе гниения мяса, анаэробные и аэробные микроорганизмы участвуют последовательно или вместе. Обычно в начале процесса гниения на поверхности мяса развиваются аэробы, затем анаэробы. Накопление кислых продуктов в процессе автолиза образует неблагоприятные условия для развития микроорганизмов, а также для каталитического действия протеолитических ферментов некоторых микроорганизмов. От усталых, больных или возбужденных перед убоем животных, содержащих в мышечной ткани мало гликогена, получают мясо, неустойчивое к хранению, поскольку рН его через сутки после забоя составляет более 6,0. Но на поверхности мясопродуктов, имеющих достаточно кислую реакцию, развивается плесень, активность протеаз которых проявляется в кислой среде. Жизнедеятельность плесени сопровождается образованием аммиака и азотистых оснований, которые повышают рН и делают среду благоприятным для развития гнилостных микроорганизмов. Разложение белков под действием ферментных систем микроорганизмов зависит от свойств белков, разлагающихся внешних условий и вида микроорганизмов. Разложение происходит путем распада белков сначала на белковые фрагменты и полипептиды, которые впоследствии разлагаются до аминокислот с последующим дезаминированием, декарбоксилирования и специфическим преобразованиям. Распад белков, аминокислот и азотистых экстрактивных веществ под воздействием ферментных систем микробов, в процессе гниения мяса, приводит к образованию конечных продуктов, придают мясу неприятный вкус и запах (органические кислоты: уксусная, масляная, муравьиная, пропионовая и др.) и вообще являются ядовитыми веществами (индол, скатол, метилгуанидин, гистамин и др.). Одновременно в больших количествах выделяются аммиак и углекислый газ. Автолиз мяса - Преобразование пигментов Цвет свежего мяса - от ярко красного (оксимиоглобин), до пурпурного (оксигемоглобин). Окисления в гемме двухвалентного железа до трехвалентного вызывает образование коричневых производных гем протеина (метмиоглобин). Зеленые гемпигменты и продукты их дальнейшего окисления образуются в мясопродуктах преимущественно при микробном порче бактериального происхождения (сульфмиоглобин, холемиоглобин). Пигменты мяса изменяются вследствие непосредственного химической реакции с продуктами, образующимися при микробно-ферментативных превращений (перекиси, сероводород и др.) или в результате изменения окислительно- восстановительного потенциала при накоплении продуктов ферментативномикробного распада компонентов тканей. Сульфмиоглобин (взаимодействие сульфида с миоглобином и кислородом) может быть вновь переведен в первоначальный миоглобин. Холемиоглобин (окисления миоглобина веществами, не содержат серы, при наличии кислорода) уже не может быть преобразован в первоначальный миоглобин. Во время дальнейшего окисления сульфмиоглобин и холемиоглобин распадаются на свободный глобин, железо и порфирины, что приводит к появлению коричневого или желтого цвета или обесцвечивание. Преобразование липидов во время автолиза мяса Липолитические грамотрицательные микроорганизмы (Pseudomonas) и плесени имеющих ферментные системы, которые вызывают гидролитические (липазы) и окислительные превращения липидов мяса. Окислению легче поддаются ненасыщенные жирные кислоты и насыщенные жирные кислоты с короткой цепью. Высокомолекулярные жирные кислоты устойчивы к таким преобразованиям. Во время бактериального расщепления лецитина, холин, высвобождающийся, окисляясь, образует ядовитые вещества (нейрин, мускарин и триметиламин). Автолиз мяса - Превращение углеводов Окисления углеводов мяса микроорганизмами (Pseudomonas, плесени, дрожжи) в аэробных условиях приводит к повреждениям поверхности мяса (интенсивное накопление биомассы патогенных микроорганизмов), с образованием углекислого газа и воды. Продукты неполного аэробного окисления углеводов – органические кислоты – подкисляя мясо, незначительно влияют на его запах и вкус. При анаэробных превращениях углеводов мяса в зависимости от вида микроорганизмов, образуются различные продукты. Гомоферментативного молочнокислые бактерии (стрептококки, некоторые лактобациллы и др.) расщепляют глюкозу с образованием молочной кислоты. Гетероферментативных молочнокислые бактерии способствуют расщеплению углеводов с образованием эквимолекулярных количеств этанола, углекислого газа и молочной кислоты. У многих видов Clostridium разнообразные активные ферментные системы способствуют образованию из углеводов большого количества газа (углекислый газ и водород), уксусной и масляной кислот, ацетона, этанола и бутанола, иногда изопропилового спирта.
