Гіркнення олій

При тривалому зберіганні жири і продукти, що їх містять, псуються – гіркнуть, набуваючи неприємних смаку і запаху. Причиною гіркнення може бути дія кисню повітря, мікроорганізмів і ферментів (ліпази та ліпооксидази).

Під дією ферменту ліпази відбувається розщеплення тригліцеридів і накопичення вільних жирних кислот, зростає кислотне число, що призводить до зниження якості олії.

Іноді гіркнення залежить від життєдіяльності мікроорганізмів. У цьому разі неприємний смак і запах олії залежить від кетонів, що утворилися при окисленні вільних жирних кислот. Однак таке кетонне гіркнення можливе тільки при наявності в олії жирних кислот з числом вуглецевих атомів від 6 до 12.

Найбільш поширеним є гіркнення під дією кисню повітря. При цьому він окислює ненасичені жирні кислоти за місцем подвійного зв'язку з утворенням перекису або вуглецевий атом, сусідній із подвійним зв'язком з утворенням гідроперекису.

Перекиси і гідроперекиси розпадаються та утворюються альдегіди і кетони. Останні, як вже було сказано, надають жирам неприємних смаку і запаху. Гіркнення підсилюється під впливом вологи, світла і підвищеної температури.

Оскільки без кисню гіркнення не відбувається, жири добре зберігаються у вакуумі. Крім того, для запобігання окисного гіркнення до жирів додають антиоксиданти. Антиоксидантами є багато фенольних сполук. До найбільш активних антиоксидантів належить вітамін Е (токоферол).

Гідрогенізація олій

Рідкі рослинні олії можна перетворити у тверді шляхом гідрогенізації. Для цього крізь олію пропускають водень у присутності спеціального каталізатора. При цьому водень приєднується до ненасичених жирних кислот за місцем подвійних зв'язків, перетворюючи їх на насичені, а рідку олію – на тверду. Тверді рослинні олії використовуються в харчовій промисловості для виробництва маргарину.

Жироподібні речовини (ліпоїди)

До жироподібних речовин відносять: фосфоліпіди, сфінголіпіди, гліколіпіди, стероїди, воски, кутин і суберин, розчинні у жирах пігменти (хлорофіли, каротиноїди, фікобіліни).

Із перерахованих груп жироподібних речовин розглянемо гліколіпіди, стероїди, воски, кутин і суберин. Фосфоліпіди і сфінголіпіди вивчають в курсі загальної біохімії, а розчинні в жирах пігменти – у курсі фізіології рослин.

Гліколіпіди – це жироподібні речовини, у молекулах яких гліцерин з'єднаний складноефірним зв'язком з двома залишками жирних кислот і глікозидним зв'язком з будь-яким цукром. Гліколіпіди є основними ліпідами мембран хлоропластів. Їх у фотосинтетичних мембранах приблизно в 5 разів більше, ніж фосфоліпідів.

Існує дві групи гліколіпідів – галактоліпіди та сульфоліпіди.

Галактоліпіди містять галактозу як вуглеводний компонент. Причому з дигліцеридом може зв'язуватися один, два, три і навіть чотири залишки галактози. Із них найбільш важливими є β-моногалактозилдигліцерид (β-МГД) і дигалактозилдигліцерид (ДГД), що містять відповідно один і два залишки цукру. Галактоліпіди складають 40 % усіх ліпідів мембран хлоропластів. При цьому в їх складі МГД у 2 рази більше, ніж ДГД. Жирнокислотний компонент галактоліпідів представлений в основному ліноленовою кислотою.

Сульфоліпіди – це також компоненти фотосинтетичних мембран. Але вміст їх у хлоропластах невеликий, біля 3 % від усіх мембранних ліпідів. Вуглеводний залишок сульфоліпідів представлений сульфохіновозою, а жирнокислотні залишки – в основному ліноленовою кислотою.

Стероїди. Основу стероїдів складають чотири конденсовані карбоцикли: три шестичленних і п'ятичленний. У тваринних організмах стероїдну природу має холестерин і ряд гормонів. У рослинах стероїди більш різноманітні. Частіше вони представлені спиртами – стеролами. Близько 1 % стеролів зв'язані складноефірним зв'язком з жирними кислотами – пальмітиновою, олеїновою, лінолевою та ліноленовою.

У рослинах, а також дріжджах, ріжках, грибах поширений ергостерол. Із нього під впливом ультрафіолету утворюється вітамін D.

Із рослин були виділені різні стероли: із соєвої олії – стигмастерол, із листків шпінату і капусти – спінастерол, із кактусу – лофенол, із багатьох рослин – група ситостеролів.

Стероли відрізняються один від одного розташуванням подвійних зв'язків у циклах і будовою бічного ланцюга. Відмінною рисою рослинних стеролів є бічний ланцюг з одного або двох вуглецевих атомів у С-24.

Стероли входять до складу клітинних мембран рослин; припускають їх участь у контролі проникності. Виявлено, що основна маса стеролів рослинної клітини міститься в мембранах ендоплазматичного ретикулума (ЕР) і мітохондрій, а їхні ефіри зв'язані з фракцією клітинних оболонок.

Воски. Воски містяться в кутикулі й утворюють тонкий шар на її поверхні – восковий наліт, який вкриває листки, стебла і плоди, захищаючи їх від висихання і враження мікроорганізмами.

Воски – це жироподібні речовини, що твердіють при кімнатній температурі. До складу восків входять складні ефіри жирних кислот і одноатомних високомолекулярних спиртів жирного ряду Крім того, воски містять вільні жирні кислоти і спирти, а також вуглеводні парафінового ряду. Жирні кислоти восків, як у складі ефірів, так і вільні, звичайно більш високомолекулярні, ніж у тригліцеридах – С₂₄-С₃₆ і С₂₅-С₂₉ (карнаубова, монтанова, церотинова). Високомолекулярними є також спирти – С₂₂-С₃₂ (цериловий, мірициловий). Вуглеводні мають непарне число вуглецевих атомів – С₂₁-С₃₇. У восках може бути присутня деяка кількість альдегідів і кетонів.

Склад восків у рослин різний. Наприклад, віск листків капусти містить головним чином С₂₉-вуглеводні та їхні похідні, що мають карбонільну групу =С=O. Віск виноградних ягід має ефіри пальмітинової кислоти, церилового та мірицилового спиртів.

Рослинні воски використовують для виготовлення свічок, помад, мила, пластирів, шампунів. Наприклад, на поверхні листків пальми Соriphа сеrірhеra, що росте у Південній Америці, виділяється значна кількість воску – до 5 мм. Цей віск називають карнаубським. Він твердий і ламкий, має жовтувато-зеленуватий колір. Його використовують у виробництві свічок.

Унікальний віск виявлений у плодах і насінні симондзії каліфорнійської, або хохоби, що росте на південному заході США та північному заході Мексики. Цей віск рідкий. Довгий час його вважали за олію. Індіанці здавна вживали його в їжу і використовували для лікування ран та ін. Тільки порівняно недавно з'ясували, що до його складу входять не тригліцериди, а ефіри високомолекулярних кислот і одноатомних спиртів. Серед відомих восків лише цей є запасною поживною речовиною в насінні і використовується при його проростанні.

Вивчення і використання воску хохоби виявилося дуже перспективним. По-перше, він має приємний горіховий смак і успішно може використовуватися як харчова олія. По-друге, не маючи у своєму складі тригліцеридів, він не розкладається і не горить при високих температурах, як звичайна олія. Це дає змогу використовувати віск як мастило швидкісних моторів, що подовжує час їх роботи в 5-6 разів. По-третє, вічнозелений чагарник хохоби невибагливий, він росте на бідних і засолених ґрунтах, а його плоди і насіння містять до 50 % рідкого воску. У наш час плантації хохоби вирощують у різних країнах на різних континентах.

Кутин і суберин. Це жироподібні речовини, що покривають зверху або просочують стінки покривних тканин (епідерма, корок), збільшуючи їхні захисні властивості.

Кутин вкриває зверху епідерму тонким шаром – кутикулою, що захищає тканини від висихання та проникнення мікроорганізмів. До складу кутану входять С₁₆- і С₁₈- насичені та мононенасичені жирні гідроксикислоти. Гідроксильні групи – від однієї до трьох – розташовуються наприкінці, а також у середині вуглецевого ланцюга кислоти. Ці групи зв'язуються з карбоксильними ефірними зв'язками та утворюється складна тримірна структура кутину, дуже стійка до різних впливів.

Схема структури молекули кутину.

Суберин – полімер, що просочує клітинні оболонки корку і первинної кори кореня після злущення кореневих волосків. Це робить клітинні стінки міцними і непроникними для води і газів, що підвищує захисні властивості покривної тканини. Суберин схожий на кутин, але є деякі відмінності в складі мономерів. Крім гідроксикислот, характерних для кутину, у суберині зустрічаються дикарбонові жирні кислоти і двоатомні спирти. Зв'язки між мономерами також складноефірні, що утворюються при взаємодії гідроксильних і карбоксильних груп.

Обмін ліпідів

Синтез і розпад жирів

Метаболічні шляхи, пов'язані з синтезом і розпадом тригліцеридів, у тварин і рослин багато в чому подібні, але є і відмінності.

Синтез насичених жирних кислот з парним числом вуглецевих атомів відбувається шляхом послідовного додавання двовуглецевих залишків до ацильного ланцюга, що бере свій початок від ацетил-СоА. Донором двовуглецевих одиниць є малоніл-СоА.

Цей процес каталізується поліферментним комплексом, який називають синтетазою жирних кислот. Кінцевим продуктом її дії є С₁₆-пальмітинова кислота.

У рослинах є ще дві синтетази жирних кислот – складні ферментні системи. Одна з них подовжує вуглецевий ланцюг кислоти від С₁₆ до С₁₈, друга – від С₁₈ до С₃₀ і більше.

Синтетази жирних кислот у рослинних клітинах локалізовані в цитозолі, у стромі хлоропластів та в сферосомах.

Перетворення насичених жирних кислот у ненасичені відбувається за допомогою десатуразної ферментної системи, що вводить подвійний зв'язок у молекулу насиченої кислоти незалежно від довжини її вуглецевого ланцюга. Однак найчастіше субстратом десатурази є С₁₈-стеаринова кислота, а продуктом – олеїнова. У реакції використовується NАDРН і O₂.

Десатурази рослин мають ряд відмінностей від тваринних. Вони локалізовані в матриксі цитоплазми та в сферосомах, а тваринні – у мембранах ЕР. Рослинні десатурази можуть використовувати для реакцій електрони безпосередньо від фотосистеми при фотосинтезі.

Подальше перетворення мононенасичених жирних кислот у ди- і триненасичені ще недостатньо вивчено. Однак припускають участь у цьому процесі спеціальних десатураз. Відомо також, що в цих реакціях потрібні NАDРН і O₂.

Десатурази у тварин утворюють поліненасичені жирні кислоти, вводячи подвійні зв'язки між уже існуючим подвійним зв'язком і карбоксильною групою, а у рослин – між наявним і кінцевою метильною групою.

Завдяки цьому в рослин олеїнова кислота поступово перетворюється у лінолеву та ліноленову, а тварини ці кислоти синтезувати не можуть і повинні одержувати їх з їжею. Дія ж десатурази на ліноленову кислоту у тварин веде до утворення арахідонової кислоти, що має 4 подвійних зв'язки.

Недостатню вивченість механізму десатурації олеїнової кислоти в рослинах пояснюють тим, що ферменти пов'язані з мембранами ЕР, хлоропластів та сферосом і тому важко піддаються виділенню й очищенню.

Жирні кислоти, що відщеплються при гідролізі тригліцеридів під дією ліпази, далі підлягають β-окисленню з утворенням двовуглецевих фрагментів – ацетил-СоА. Цей процес подібний у рослин і тварин. Ферменти, що каталізують β-окислення жирних кислот, зосереджені в мітохондріях рослин.

Ацетил-СоА, що утворився при β-окисленні може піддаватися далі різним перетворенням. Основний шлях – це повне окислення до СO₂ і Н₂O у циклі Кребса. При цьому виділяється велика кількість енергії (12 молекул АТР). Частина молекул ацетил-СоА може знову використовуватися у синтезі жирних кислот або у синтезі інших сполук – каротиноїдів, стероїдів, ефірних олій і смол. Крім того, ацетил-СоА може йти на утворення вуглеводів, включаючись у ланцюг реакцій, які називають гліоксилатним циклом. Процес перетворення жирів у вуглеводи зветься глюконеогенезом.

Як зазначалося, багато рослин як запасні речовини у насінні відкладають жири (олії). Оскільки вони не розчиняються у воді, то і не можуть транспортуватися по рослині. Тому при проростанні насіння олійних рослин із жирів утворюються цукри, які й використовуються у живленні проростків. Це відбувається у процесі глюконеогенезу, через гліоксилатний цикл, що протікає у мікротільцях – гліоксисомах. Вони утворюються та функціонують у насінні олійних рослин при проростанні. Коли проросток зеленіє та переходить до автотрофного живлення, гліоксисоми поступово зникають.

У гліоксисоми надходять вільні жирні кислоти. Тут при дії комплексу всіх необхідних ферментів вони піддаються β-окисленню, яке дає велику кількість ацетил-СоА, що вступає в гліоксилатний цикл.

Він складається із шести реакцій. Чотири з них подібні до реакцій циклу трикарбонових кислот, а дві – специфічні тільки для цього циклу і в інших процесах обміну не зустрічаються.

Схема гліоксилатного циклу и глюконеогенезу

Перші три реакції гліоксилатного циклу ідентичні таким же реакціям циклу трикарбонових кислот. Спочатку ацетил-СоА конденсується з оксалоцетатом з утворенням цитрату під дією цитратсинтази. Цитрат потім ізомеризується в ізоцитрат під впливом аконітат-гідратази. Проміжною сполукою в цій реакції є цис-аконітат.

Четверта реакція характерна тільки для гліоксилатного циклу: під дією ферменту ізоцитрат-ліази молекула ізоцитрату розщеплюється на сукцинат і гліоксилат. Сукцинат виходить з циклу і далі перетворюється у вуглеводи, а гліоксилат вступає в наступну реакцію циклу.

Гліоксилат реагує з ще однією молекулою ацетил-СоА, утворюючи малат. Малат-синтаза, що каталізує цю реакцію, так само специфічна тільки для гліоксилатного циклу, як і ізоцитрат-ліаза. В останній реакції циклу малат під дією малат-дегідрогенази за участю NАD⁺ окислюється до щавелеоцтової кислоти (ЩОК). Ця реакція характерна і для останнього етапу ЦТК.

Продукт гліоксилатного циклу – сукцинат залишає гліоксисому, тому що в ній немає ферментів для його подальшого перетворення, і переходить у мітохондрію. Тут під впливом ферментів ЦТК він перетворюється на ЩОК. Спочатку, за дії сукцинат-дегідрогенази, сукцинат перетворюється на фумарат. Останній приєднує воду під впливом фумарат-гідратази, і утворюється малат. Малат-дегідрогеназа окислює малат до оксало-ацетату. При декарбоксилюванні останнього за участю АТР виникає ФЕП.

ФЕП входить у гліколіз і в процесі його обертання перетворюється на глюкозу.

Такий шлях глюконеогенезу в рослинах: від β-окислення жирних кислот, через гліоксилатний цикл, перетворення сукцинату та обертання гліколізу.

У той час як у тварин розпад насичених жирних кислот відбувається виключно шляхом β-окислення, рослини мають ще один шлях розщеплення жирних кислот – α-окислення. При цьому відбувається окислення α-вуглецевого атому жирної кислоти, що призводить до видалення карбоксилу у вигляді СO₂ й утворення кислоти, вуглецевий ланцюжок якої коротше вихідної на один атом.

Кожне обертання α-окислення включає дві реакції. Перша рeакція відбувається під впливом пероксидази жирних кислот і за участю перекису – Н₂O₂. Продуктами реакції є альдегід, що містить на один вуглецевий атом менше, ніж кислота, вуглекислий газ і вода. Звичайно α-окислення відбувається в мікротільцях – пероксисомах, де в рослинній клітині утворюється перекис, необхідний у цьому процесі. Перекис звичайно виникає при окисленні гліколату під дією гліколат-оксидази.

У другій реакції відбувається окислення альдегіду. Тут діє фермент альдегід-дегідрогеназа за участю NaD⁺ і води.

Фізіологічна роль α-окислення у рослині ще цілком не з'ясована. Припускають, що в результаті цього процесу утворюються жирні кислоти з непарним числом вуглецевих атомів. Крім того, обговорюється можливість окислення таким шляхом рідкісних жирних кислот, у яких біля β-вуглецевого атома є який-небудь замісник (-СН₃, -ОН), що виключає можливість розщеплення даної кислоти звичайним шляхом β-окислення. Після α-окислення вуглець із замісником переміщується у α-положення і не заважає дії ферментів β-окислення.

Енергетично α-окислення майже в 3 рази менш ефективне, ніж β-окислення: у першому випадку утворюється лише 6 АТР проти 16 у другому. Хоча при α-окисленні відбувається менше реакцій і не потрібна активація жирної кислоти за допомогою Co А.

Синтез і розпад гліколіпідів

Донором галактозних залишків при синтезі галактоліпідів і є UDP-галактоза. Перенос залишків здійснюють спеціальні галактозилтрансферази.

Перший залишок галактози приєднується до дигліцериду, другий – до β-МГД.

Розпад галактоліпідів здійснюють галактоліпази і галактозидази. Під дією галактоліпаз від гліколіпіду гідролітично відщеплюються залишки жирних кислот і залишається галактозилгліцерин.

Відщеплення залишків галактози від галактоліпідів відбувається під впливом α- і β-галактозидаз.

Утворення восків

Спочатку утворюються вихідні компоненти восків – жирні кислоти, спирти, вуглеводні, а потім складні ефіри.

Жирні кислоти синтезуються комплексами синтетаз, про які йшлося раніше: С₁₆→С₁₈, С₁₈→С₃₀ і більше.

Спирти жирного ряду синтезуються шляхом відновлення ацил-СоА.

Вуглеводні з непарним числом вуглецевих атомів утворюються з вільних жирних кислот при їх декарбоксилюванні.

Складні ефіри восків синтезуються шляхом переносу залишку кислоти на спирт жирного ряду. Донором кислотного залишку може бути, по-перше, будь-який фосфоліпід (наприклад фосфатидилхолін), по-друге, ацил-СоА.

Утворення кутину

Синтез кутину, як і восків, починається з утворення його компонентів – мономерів. С₁₆- і С₁₈-жирні кислоти гідроксилюються спочатку наприкінці молекули (-вуглецевий атом), а потім у середині – С-9 і С-10.

Далі відбувається включення мономерів у кутин. Донорами кислотних залишків є гідрокси-ацили-СоА, акцептором – молекула кутину, що росте. Перенос ацильних залишків здійснює фермент кутин-ацилтрансфераза. При цьому карбоксильна група однієї кислоти реагує з гідроксилом іншої, утворюючи складно-сфірний зв'язок.

Біосинтез кутину, як і восків, у рослин відбувається тільки в клітинах епідерми, зовнішні оболонки яких вони і вкривають.