Изменения содержания жирных кислот, аминокислот и органических кислот — Стеблевые части

ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Установлено, что окисление жирных кислот протекает в печени, почках, скелетных и сердечной мышцах, в жировой ткани. В мозговой ткани скорость окисления жирных кислот весьма незначительна; основным источником энергии в мозговой ткани служит глюкоза.

В 1904 г. Ф. Кнооп (F. Knoop) выдвинул гипотезу β-окисления жирных кислот на основании опытов по скармливанию собакам различных жирных кислот, в которых один атом водорода в концевой метильной группе (ω-углеродного атома) был замещен радикалом (С6Н5–).

Ф. Кнооп высказал предположение, что окисление молекулы жирной кислоты в тканях организма происходит в β-положении. В результате от молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные фрагменты со стороны карбоксильной группы.

Жирные кислоты, входящие в состав естественных жиров животных и растений, имеют четное число углеродных атомов. Любая такая кислота, от которой отщепляется по паре углеродных атомов, в конце концов проходит через стадию масляной кислоты. После очередного β-окисления масляная кислота становится ацетоуксусной. Последняя затем гидроли-зуется до двух молекул уксусной кислоты. Теория β-окисления жирных кислот, предложенная Ф. Кноопом, в значительной мере послужила основой современных представлений о механизме окисления жирных кислот.

Доставка жирных кислот к месту их окисления – к митохондриям – происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транспорт жирной кислоты в клетку; при участии специальных белков (fatty acid binding proteins, FABP) – транспорт в пределах цитозоля; при участии карнитина – транспорт жирной кислоты из цитозоля в митохондрии.

Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих основных этапов.

Активация жирных кислот. Свободная жирная кислота независимо от длины углеводородной цепи является метаболически инертной и не может подвергаться никаким биохимическим превращениям, в том числе окислению, пока не будет активирована. Активация жирной кислоты протекает на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима A (HS-KoA) и ионов Mg 2+ . Реакция катализируется ферментом ацил-КоА-синтетазой:

В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной формой жирной кислоты.

Считают, что активация жирной кислоты протекает в 2 этапа. Сначала жирная кислота реагирует с АТФ с образованием ациладенилата, представляющим собой эфир жирной кислоты и АМФ. Далее сульфгидрильная группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ациладенилат с образованием ацил-КоА и АМФ.

Транспорт жирных кислот внутрь митохондрий. Коэнзимная форма жирной кислоты, в равной мере как и свободные жирные кислоты, не обладает способностью проникать внутрь митохондрий, где, собственно, и протекает их окисление. Переносчиком активированных жирных кислот

с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидроксильную группу карнитина с образованием ацилкарнитина, который диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану:

Реакция протекает при участии специфического цитоплазматического фермента карнитин-ацилтрансферазы. Уже на той стороне мембраны, которая обращена к матриксу, ацильная группа переносится обратно на КоА, что термодинамически выгодно, поскольку О-ацильная связь в кар-нитине обладает высоким потенциалом переноса группы. Иными словами, после прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий происходит обратная реакция – расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы:

Внутримитохондриальное окисление жирных кислот. Процесс окисления жирной кислоты в митохондриях клетки включает несколько последовательных энзиматических реакций.

Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию, при этом ацил-КоА теряет 2 атома водорода в α- и β-положениях, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Таким образом, первой реакцией в каждом цикле распада ацил-КоА является его окисление ацил-КоА-де-гидрогеназой, приводящее к образованию еноил-КоА с двойной связью между С-2 и С-3:

Существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каждая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА с определенной длиной углеродной цепи.

Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется β-оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА):

Заметим, что гидратация еноил-КоА стереоспецифична, подобно гидратации фумарата и аконитата (см. с. 348). В результате гидратации транс-Δ 2 -двойной связи образуется только L-изомер 3-гидроксиацил-КоА.

Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся β-оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАД + -зависимые дегидрогеназы:

Тиолазная реакция. В ходе предыдущих реакций происходило окисление метиленовой группы при С-3 в оксогруппу. Тиолазная реакция представляет собой расщепление 3-оксоацил-КоА с помощью тиоловой группы второй молекулы КоА. В результате образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (β-ке-тотиолазой):

Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикар-боновых кислот, а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь β-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисляется до 2 молекул ацетил-КоА (рис. 11.2). Например, при окислении пальмитиновой кислоты (С16) повторяется 7 циклов β-окисления. Запомним, что при окислении жирной кислоты, содержащей п углеродных

Статья по теме:   Сорт винограда Цветочный

Рис. 11.2. Окисление жирной кислоты («спираль Линена»). Подробно представлен первый цикл окисления — укорочение цепи жирной кислоты на два углеродных атома. Остальные циклы аналогичны первому (по А.Н. Климову и Н.Г. Никульче-вой).

1 — ацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.3.99.3) ; 2 — еноил-КоА-гидратаза (КФ 4.2.1.17.); 3 — β-гидро-ксиацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.1.1.35); 4 — тиолаза (КФ 2.3.1.9).

атомов, происходит n/2–1 цикл β-окисления (т.е. на один цикл меньше, чем n/2, так как при окислении бутирил-КоА сразу происходит образование 2 молекул ацетил-КоА) и всего получится п/2 молекул ацетил-КоА. Следовательно, суммарное уравнение β-окисления активированной кислоты можно записать так:

Пальмитоил-КоА + 7ФАД + 7НАД + + 7Н2O + 7HS-KoA –>

–> 8Ацетил-КоА + 7ФАДН2 + 7НАДН + 7Н + .

Баланс энергии. При каждом цикле β-окисления образуются одна молекула ФАДН2 и одна молекула НАДН. Последние в процессе окисления в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают: ФАДН2 – 2 молекулы АТФ и НАДН – 3 молекулы АТФ, т.е. в сумме за один цикл образуется 5 молекул АТФ. При окислении пальмитиновой кислоты образуется 5 х 7 = 35 молекул АТФ. В процессе β-окисления пальмитиновой кислоты образуется 8 молекул ацетил-КоА, каждая из которых, «сгорая» в цикле трикарбоновых кислот, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул ацетил-КоА дадут 12 х 8 = 96 молекул АТФ.

Таким образом, всего при полном β-окислении пальмитиновой кислоты образуется 35 + 96 = 131 молекула АТФ. С учетом одной молекулы АТФ, потраченной в самом начале на образование активной формы пальмитиновой кислоты (пальмитоил-КоА), общий энергетический выход при полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты в условиях животного организма составит 131 – 1 = 130 молекул АТФ. Изменение свободной энергии ΔF при полном сгорании 1 моля пальмитиновой кислоты составляет 2338 ккал, а богатая энергией фосфатная связь АТФ характеризуется величиной 7,6 ккал/моль. Нетрудно подсчитать, что примерно 990 ккал (7,6 х 130), или 42% от всей потенциальной энергии пальмитиновой кислоты при ее окислении в организме, используется для ресинтеза АТФ, а оставшаяся часть, очевидно, теряется в виде тепла.

Следовательно, эффективность накопления энергии в результате окисления жирных кислот при стандартных условиях составляет

Изменения содержания жирных кислот, аминокислот и органических кислот — Стеблевые части

Органические кислоты

Органические кислоты как промежуточные соединения являются материалом для биосинтеза ряда строительных блоков (аминокислот, глицерина, жирных кислот, мононуклеотидов, моноз и низших олигоз, или простых сахаров). Так, уксусная и малоновая кислоты используются в клетках для синтеза глицерина и жирных кислот; пальмитиновая кислота становится родоначальником всех других жирных кислот (олеиновой, стеариновой, лауриновой и др.) или их альдегидов; глицерин входит в состав липидов [1].

Пировиноградная кислота является основным продуктом в обменных процессах, связанных с превращением глюкозы как источника углерода для многих гетеротрофных микроорганизмов. Речь идет, прежде всего, о фосфоенолпирувате с макроэргической связью. Первичный синтез пирувата из простейших малых молекул у ряда организмов происходит путем образования его из многих аминокислот у гетеротрофных видов.

Множество органических кислот берут участие в биосинтезе аминокислот.

К малым молекулам промежуточных соединений относится молочная кислота, или малат. Фосфоенолпируват и малат участвуют в синтезе углеводов через так называемые центральные и обходные пути. Из органических кислот большое значение имеет мевалоновая кислота — предшественник изопреноидных структур у многих микроорганизмов. Она относится к разряду веществ, называемых факторами роста [14].

Микроорганизмы часто оказываются непроницаемыми для органических кислот, особенно кетокислот, и, таким образом, эти соединения не могут быть использованы в качестве источников углерода. Изучая потребления органических кислот микроорганизмами, необходимо помнить о двух обстоятельствах. Во-первых, использование нейтральных органических кислот вызывает увеличение значения рН в культуре, что может неблагоприятно сказаться на росте организма. Во-вторых, некоторые органические кислоты (например, лимонная и винная) являются активными хелатными агентами и, таким образом, недостаток ионов металла может влиять на рост бактерий. Органические кислоты и особенно разнообразные их сочетания более благоприятны для развития многих микроорганизмов, чем углеводы [8].

С помощью микроорганизмов можно получить более 50 различных органических кислот. В настоящее время только шесть кислот производятся в промышленных масштабах микробиологическим путем (лимонная, итаконовая, глюконовая, 2-кетоглюконовая, уксусная, молочная) [14].

Аминокислоты

Важнейшие макромолекулы клеток любых организмов (в том числе микроорганизмов) — белки, они состоят из мономерных единиц — аминокислот, определяющих основные свойства полимеров. Большое значение при этом имеет тип аминокислот, порядок их соединения и пространственное взаимодействие между аминокислотами [1, 15, 16].

Статья по теме:   Ремейли сидлис - виноград

Всего 20 аминокислот участвуют в формировании белковых макромолекул. В белках найдены также и редкие производные этих 20 аминокислот, но свыше 200 других известных аминокислот, являющихся, как правило, производными б-аминокислот, никогда не обнаруживаются в природных белках, они находятся в свободном состоянии или связанном состоянии в других структурах. Кроме того, могут быть в-, г-, д-, е-аминокислоты и аминокислоты с D-конфигурацией [1, 15, 17].

Все аминокислоты (кроме глицина) являются оптически активными, поскольку содержат один или несколько хиральных (асимметрических) атомов углерода. В результате эти аминокислоты в природе могут находиться в двух разных изомерных формах — L и D. Чистые L- или D-стереоизомеры могут за длительный срок самопроизвольно и неферментативно превращаться в эквимолярную смесь L- и D-изомеров. Этот процесс называют рацемизацией. В составе белков присутствуют только L-изомеры аминокислот. D-аминокислоты входят только в состав клеточных стенок бактерий. Так, в клеточных стенках бактерий найдены D-аланин и г-D-глутаминовая кислота, б-д-мезодиаминопимелиновая кислота [17].

Большинство аминокислот не растворяется в полярных растворителях (воде, спирте) и не растворяется в неполярных растворителях (бензоле, гексане, эфире). Гистидин, тирозин, триптофан и фенилаланин поглощают ультрафиолетовые лучи (>240 нм), причем больше всего триптофан.

Наличие карбоксильной и аминной групп обеспечивает аминокислотам способность взаимодействовать с соответствующими ингредиентами в реакциях ацилирования, солеобразования и эстерификации. Главнейшая реакция аминокислот в живой клетке — образование пептидной связи. В отдельных случаях некоторые аминокислоты служат исходными продуктами для синтеза органических аминов, пуринов и других веществ. Например, из аргинина образуются полиамины спермии и спермидин — факторы роста для иерсиний и нейссерий [1, 14].

Большинство прокариот способны синтезировать все аминокислоты, входящие в состав клеточных белков. В качестве исходных углеродных скелетов для биосинтеза аминокислот служит небольшое число промежуточных соединений различных метаболических путей [13].

Аминокислоты являются факторами роста микроорганизмов. Микроорганизмы могут быть ауксотрофными по одной или более из 20 аминокислот, которые входят в состав белков. Возможно, наиболее требовательна в отношении аминокислот бактерия Leuconostoc mesenteroides Р.60, для роста которой необходимо не менее 17 аминокислот. Фактически большинство штаммов молочно-кислых бактерий ауксотрофны по аминокислотам. Обычно микроорганизмы нуждаются в L-аминокислотах, но для некоторых бактерий характерна потребность в D-аланине, необходимом для синтеза гликопептида клеточной стенки. Концентрации аминокислот, обеспечивающие максимальный рост ауксотрофных микроорганизмов, обычно лежат в пределах 20-50 мкг аминокислоты на 1 мл [8].

Среди микроорганизмов обнаружено много бактерий, ряд дрожжей и других грибов, которые являются продуцентами глутаминовой кислоты. Много обследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают б-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин, лизин. Строгой корреляции между видовой принадлежностью микроорганизмов и способностью их накапливать аминокислоты нет.

Наиболее распространенные продуценты аминокислот — грамположительные бесспоровые бактерии, относимые к родам Corynebacterium, Micrococcus, Arthrobacter, Brevibacterium и некоторым другим, но точное таксономическое положение большинства из них определить трудно.

Ферментативные реакции синтеза аминокислот протекают внутри клеток. Первоначально аминокислоты накапливаются внутри клеток в виде так называемых свободных аминокислот. На ранних этапах роста культуры свободные аминокислоты включаются в конструктивный обмен микроорганизма. Активное накопление аминокислот в среде в периодической культуре происходит обычно с середины экспоненциальной фазы ее роста, достигая максимума к концу [8, 14].

10.15. БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ

Органические кислоты являются промежуточными или конечными метаболитами ферментативных реакций, которые протекают в клетках бактерий, растений и животных. В основном органические кислоты образуются в ферментативных реакциях гликолиза (пировиноградная, молочная, фос- фоенолпировиноградная и др.), цикла трикарбоновых кислот (щавелевоуксусная, лимонная, изолимонная, а-кетоглутаровая, янтарная, фумаровая, яблочная), глиоксилатном цикле (лимонная, яблочная, янтарная, фумаровая), в реакциях синтеза аскорбиновой кислоты (глюкуроновая, гулоновая, аскорбиновая), синтеза жирных кислот (уксусная, масляная) и т. д.

Органические кислоты обусловливают вкусовые качества растениеводческой и животноводческой продукции. Органические кислоты являются продуктами реакций окисления моносахаридов, спиртов и альдегидов, отличаясь от альдегидов тем, что имеют более сильную поляризацию двойной связи за счет оттягивания электронной плотности от атома кислорода ОН- группы, проявляемого в ослаблении энергии связи в гидроксиле (0 + ).

Органические кислоты, в отличие от спиртов и альдегидов, имеют более высокие температуры плавления и кипения. Все органические кислоты проявляют кислую реакцию и в водном растворе способны диссоциировать лишь в малой степени, являясь слабыми кислотами.

Здесь рКа — отрицательный логарифм константы диссоциации (-1дКд).

Органические кислоты образуют более прочные водородные связи, чем спирты. Кроме того, органические кислоты легко образуют соли CH,COONa, CH.COOK, (CH,COO),Mg и др.:

Реагируя со спиртами, органические кислоты образуют сложные эфиры:

Для большинства одноосновных органические кислот рКа* 3,7. 4,8, что объясняется отсутствием электродонорного эффекта алкильных групп. Органические кислоты с числом атомов углерода от 1 до 4 смешиваются с водой во всех отношениях и называются летучими жирными кислотами. Кислоты, в молекуле которых содержатся от пяти до десяти и более атомов углерода, представляют собой маслянистые жидкости со слабой растворимостью в воде — высшие жирные кислоты. Среди карбоновых кислот муравьиная, уксусная и пропионовая имеют резкий специфический запах, кислоты среднего ряда обладают неприятным запахом, тогда как высшие жирные кислоты запаха не имеют.

Статья по теме:   Щелкуны (проволочники) - виноград

Органические кислоты в живых организмах могут образовываться в результате реакций последовательного превращения спиртов (метанол, этанол, пропанол, бутанол и др.) и альдегидов (формальдегида, ацетальдегида идр.), в частности реакций, катализируемых при участии алкоголь- и альдегиддегидрогеназ, высокое содержание которых отмечается в зародышах зерновок злаковых культур.

Алкогольдегидрогеназа (АДГ) способна катализировать реакцию окисления этанола и восстановления ацетальдегида (см. также п. 10.4). Тогда как альдегиддегидрогеназа (АльДГ) участвует в реакциях окисления ацетальдегида. Обе реакции протекают в присутствии окисленных и восстановленных форм НАД.

АДГ не очень специфична по отношению к субстрату и поэтому способна катализировать реакции с участием первичных и вторичных спиртов, альдегидов и кетонов. При этом спирты в клетках растений обеспечивают энергетические потребности живых систем, тогда как альдегиды способны вступать в реакции с аминосодержащими соединениями с образованием оснований Шиффа, что проявляется в модификации и нейтрализации активного действия соединений, содержащих свободные NH,-группы (белки, пептиды, аминокислоты и др.).

Основные представители карбоновых кислот в биогенных системах образуются в реакциях анаэробного и аэробного окисления углеводов (уксусная, пропионовая и масляная кислоты). Среди карбоновых кислот встречаются соединения, содержащие кето-группы (пировиноградная, шавелевоуксусная, сх-кетоглутаровая кислоты). Кроме того, карбоновые кислоты образуются в результате протекания реакций дезаминирования аминокислот, а также в реакциях трансаминирования. Среди них встречаются соединения, относящиеся к высшим жирным кислотам, которые входят в состав мембран клеток, образуют мицеллярные структуры.

Все органические кислоты хорошо растворимы в воде, а их кислотность обусловлена наличием карбоксильной группы. На процесс диссоциации карбоксильной группы влияет природа радикала. Поэтому органические кислоты в водном растворе могут различаться по вкусовым ощущениям. Так, лимонная кислота имеет кислый невяжущий вкус, у винной кислоты — кислый вяжущий, у яблочной кислоты — кислый мягкий, невяжущий. Продукты приобретают привкус этих кислот, даже если они присутствуют в малых концентрациях.

Различают активную и титруемую кислотность. Активная кислотность зависит от природы и количества кислоты. Кислый вкус начинают воспринимать при наличии в 100 см 3 раствора: винной кислоты 6,0 мг, уксусной — 13,2, яблочной — 10,7, лимонной — 15,4, молочной — 20,7 мг.

Титруемая кислотность выражается количеством кубических сантиметров раствора щелочи, пошедшего на нейтрализацию кислоты во взятой навеске исследуемого образца. При титровании часть щелочи может быть связана присутствующими в продукте кислыми солями, аминокислотами, белками.

Органические кислоты, содержащиеся в определенных количествах в продуктах, могут оказывать сильное возбуждающее действие на пищеварительные железы, инициируя выработку пищеварительного сока в различных отделах желудочно-кишечного тракта. При этом активируется процесс переваривания. Высокая растворимость и малые размеры органических кислот позволяют им легко проникать в организм и там быстро метаболизироваться. Некоторые из органических кислот инициируют синтез индуцибельных ферментов. Кроме того, многие органические кислоты используются в качестве консервантов растительных и животных тканей. Их утилизация в организме позволит организму получить дополнительный питательный ресурс.

Ежедневная потребность взрослого человека в органических кислотах составляет около 2 г и может быть полностью удовлетворена за счет употребления в пишу овощей, плодов, кисломолочных продуктов.

Показатели кислотности продуктов свидетельствуют о накоплении в них различных органических кислот, которые синтезируются в различных биохимических процессах. Так, в основном кислотность молока зависит от деятельности кисломолочных бактерий, продукты жизнедеятельности которых приводят к его скисанию. Высокая кислотность капусты обусловлена кислотами, которые накапливаются в продукте во время его квашения. При хранении фруктов и ягод наблюдаются процессы биохимического брожения, которые протекают при участии бактерий. Некоторые органические кислоты (молочная, пропионовая, масляная) образуются в соответствующих процессах брожения (молочнокислом, пропионовокислом, маслянокислом).

В виноградных винах летучие органические кислоты в концентрации 0,1 % обусловливают появление специфического аромата, а при 0,2 % появляется недопустимый кислый вкус из-за высокой концентрации уксусной кислоты, лимонной, виннокаменной, яблочной и др. Небольшое количество органических кислот в сырах улучшает их качество, проявляет специфический запах и приятный вкус.

При послеуборочном дозревании плодов в них может изменяться состав органических кислот. При длительном хранении в неблагоприятных условиях в плодах могут накапливаться свободные жирные кислоты, а также продукты окисления ненасыщенных жирных кислот.

Источники:

http://www.xumuk.ru/biologhim/159.html
http://studbooks.net/904974/meditsina/organicheskie_kisloty
http://ozlib.com/882931/tovarovedenie/biohimicheskaya_harakteristika_organicheskih_kislot

Ссылка на основную публикацию

Adblock
detector