3. Ацетіл – КоА та піровиноградна кислота як універсальні конструктивні та енергетичні метаболіти.

Піровиногра́дна кислота́ — органічна кислота, перша із ряду α-кетокислот, тобто містить кетогрупу у α-положенні стосовно карбоксильної. Аніон піровиноградої кислоти називається піруват і є однією із ключових молекул у багатьох метаболічних шляхах. Зокрема піруват утворюється як кінцевий продукт гліколізу, і за аеробних умов може бути далі окиснений до ацетил-коферменту А, який вступає в цикл Кребса. В умовах нестачі кисню піруват перетворюється у реакціях бродіння.

Піровинградна кислота також є вихідною речовиною для глюконеогенезу — процесу зворотного до гліколізу. Вона є проміжним метаболітом в обміні багатьох амінокислот, а в бактерій використовується як попередник для синтезу деяких із них.

За аербних умов у клітинах еукаріот піруват, утворений в гліколізі та інших метаболічних реакціях, транспортується до мітохондрій (якщо не синтезується відразу в цій органелі, як у випадку переамінування аланіну). Тут він перетворюється одним із двох можливих шляхів: або вступає в реакцію окисного декарбоксилювання, продуктом якої є ацетли-кофермент А, або каброксилюється до оксалоацетату, який є вихідною молекулою для глюконеогенезу.

Окисне декарбоксилювання пірувату здійснюється піруватдегідрогеназним мультиензимним комлпексом, до складу якого входять три різні ферменти та п'ять коферментів. В цій реакції від молекули пірувату відщеплюється карбоксильна група у формі CO2, утворений залишок оцтової кислоти переноситься на кофермент А, також відновлюється одна молекула НАД:

Сумарна стандартна зміна вільної енергії становить ΔG0= −33,4 кДж/моль. Утворений НАДH переносить пару електронів в електронтранспортний ланцюг, що дає в кінцевому результаті енергію для синтезу 2,5 молекул АТФ. Ацетил-КоА вступає у цикл Кребса або використовується для інших потреб, наприклад для синтезу жирних кислот.

Більшість клітин за умов достатньої кількості жирних кислот використовують їх, а не глюкозу, як джерело енергії. Внаслідок β-окснення жирних кислот концентрація ацетил-КоА у мітохондріях значно підвищується, і ця речовина діє як негативний модулятор піруватдекарбоксилазного комплексу. Схожий ефект спостерігається у випадку, коли енергетичні потреби клітини низькі: в такому разі збільшується концентрація НАДH у порівнянні із НАД+, що призводить до пригнічення циклу Кребса і накопичення ацетил-КоА.

Ацетил-кофермент А одночасно діє як позитивний алостеричний модулятор для піруваткарбоксилази, яка каталізує перетворення пірувату до оксалоацетату із гідролізом однієї молекули АТФ.

Піруват може перетворюватися в етанол, лактат та ацетил-коензим А.

Послідовність реакцій перетворення глюкози на піровиноградну кислоту - піруват - дуже схожі в усіх організмів і в усіх видах клітин.

У той же час доля пірувату в різних клітинах і в залежності від умов різна.

Розглянемо три реакції, які протікають за участю пірувату.

1. Утворення етанолу. Процес перетворення глюкози в етанол у дріжджів і деяких інших мікроорганізмів одержав назву спиртового бродіння. Різниця між гліколізом і спиртовим бродінням складається в тому, що в умовах бродіння піровиноградна кислота зазнає простого анаеробного декарбоксилювання внаслідок дії ферменту піруватдекарбоксилази і перетворюється на ацетальде-гід. Піруватдекарбоксилаза - складний фермент, який містить кофермент тіамінпірофосфат - пірофосфорний ефір вітаміну В1. У тканинах людини і тварин просте анаеробне декарбоксилюван-ня пірувату не відбувається, а має місце тільки складне окислювальне декарбоксилювання в аеробних умовах з утворенням активної форми оцтової кислоти.

Друга стадія полягає у відновленні ацетальдегіду в етанол за рахунок НАДПН+Н+. Ця окислювально-відновна реакція каталізується ферментом алкогольдегідрогеназою, яка має в активному центрі іон цинку.

2.Із пірувату утворюється лактат у клітинах вищих організмів в умовах обмеженого постачання кисню (наприклад, в інтенсивно працюючому м'язі). Як було показано вище, відновлення пірувату з утворенням лактату відбувається за рахунок НАД^Н+Н+і каталізується лактатдегідрогеназою. НАДрН+Н+ утворюється внаслідок окислення глі-церальдегід-3-фосфату з утворенням 3-фосфогліцеринової кислоти і використовується під час відновлення пірувату. Саме регенерування НАД+ під час відновлення пірувату в лактат підтримує в анаеробних умовах безперервне протікання гліколітичного процесу.

3. Піруват в аеробних умовах зазнає окислювального декарбо-ксилювання під впливом складного поліферментного піруватде-гідрогеназного комплексу і перетворюється в активну форму оцтової кислоти - ацетилкоензим А (ацетил-КоА), який утворюється в мітохондріях.

У животных ацетил-КоА является основой баланса между углеводным обменом и жировым обменом. Обычно ацетил-КоА из метаболизма жирных кислот поступает в цикл трикарбоновых кислот, содействуя энергетическому обеспечению клеток. В печени, когда уровень циркуляции жирных кислот высок, производство ацетил-КоА от разрыва жиров превышает энергетические потребности клетки. Чтобы использовать энергию, доступную из лишних ацетил-КоА, создаются кетоновые тела, которые затем могут циркулировать в крови. В некоторых обстоятельствах это может привести к высокому уровню кетоновых тел в крови, состоянию, называемому кетозом, которое отличается от кетоацидоза, опасного состояния, способного повлиять на диабетиков. У растений синтез новых жирных кислот происходит в пластидах. Многие семена запасают большие количества масел в семенах, чтобы поддерживать прорастание и ранний рост саженцов, пока они не перешли на питание от фотосинтеза. Жирные кислоты включены в липиды мембраны, главнейший компонент большинства мембран.

Ацетіл-кофермент А, ацетил-коензим А, скорочено ацетил-КоА – важливе з`єднання у обміні речовин, що використовується в багатьох біохімічних реакціях. Його головна функція – доставляти атоми вуглецю з ацетил-групою в цикл три карбонових кислот, щоб вони були окислені з виділенням енергії. По своїй хімічній структурі ацетил-КоА – тіоефір між коферментом А (тіолом) та оцтовою кислотою (носієм ацетільної групи). Ацетіл-КоА утворюється під час другого кроку кисневого кліткового дихання, декарбоксилування пірувата, який відбувається в матриці мітохондрії. Ацетіл-КоА потім потрапляє в цикл три карбонових кислот.

У тварин ацетил-КоА є основою балансу між вуглеводневим обміном і жировим обміном. За звичай ацетил-КоА з метаболізму жирних кислот потрапляє в цикл три карбонових кислот, що сприяє енергетичному забезпеченню клітин

С. 1. Будова і властивості жирів, характеристика жирних кислот, що входять до складу константи жирів.

Жири — велика група органічних сполук, які, з фізичного погляду, мають меншу від одиниці питому вагу і, як правило, розчинні в органічних розчинниках, як правило не розчиняються у воді, і під звичайним тиском їх не можна перегнати, не розклавши. Хімічно, жири є тригліцеридами, сполукою складних ефірів триатомного спирту (гліцерину) і будь-якою з кількох жирних кислот. Містяться у тваринних і рослинних організмах. Кожна молекула рослинного або тваринного жиру являє собою змішаний естер гліцерину. Такий жир може бути моно-, ді- та тригліцеридом різних органічних кислот.

Звичайний жир складається з ліпідів, не жирових та азотовмісних речовин, вуглеводів та мінеральних елементів. Чистий жир являє собою складні ефіри триатомного спирту гліцерину СН2ОН — СНОН — СН2ОН і різноманітних жирних кислот. Серед них можуть бути як: насичені жирні кислоти, наприклад пальмітинова С15Н31СООН і стеаринова С17Н35СООН, так і: ненасичені жирні кислоти (у тому разі з одним подвійним зв'язком — наприклад олеїнова кислота С17Н33СООН); з двома — лінолева кислота і з трьома ліноленова кислота подвійними зв'язками, а також з потрійним зв'язком, наприклад тариринова кислота С17Н31СООН), або навіть чотири (як у арахідонової кислоти) подвійні зв'язки між атомами вуглецю, — і трапляються лише в рослинних жирах і так званому риб'ячому жирі, в організмі людини не синтезуються, але потрібні для багатьох біохімічних процесів, і тому їх відносять до незамінних продуктів живлення. Суміш ненасичених жирних кислот називають вітаміномF.

Загальна формула жирів:

де R1, R2, R3 — радикали кислот, що містять від 3 до 25 атомів Карбону

До складу природних жирів входять вищі карбонові кислоти з парним числом атомів Карбону:

пальмітинова C15H31COOH;

стеаринова C17H35COOH;

олеїнова C17H33COOH;

лінолева C17H31COOH;

ліноленова C17H29COOH кислоти.

Шляхом гідролізу (омилення) жири легко розщеплюються на гліцерин і жирні кислоти, причому різні кислоти проявляють неоднакову стійкість до дії високих температур і мікроорганізмів. Так, насичені жирні кислоти досить стійкі не тільки при звичайних температурах, але й при нагріванні навіть до 400 °C вони важко втрачають свою карбоксильну групу й не розкладаються.

Досить стійкими є й ненасичені жирні кислоти з одним подвійним зв'язком (типу олеїнової).

Ненасичені кислоти із двома й більшим числом подвійних зв'язків менш стійкі; вони окислюються, твердіють, стають темними, набирають неприємного запаху. На це потрібно звертати увагу при використанні їх. Вони легко окислюються й полімеризуються, а при нагріванні до 300 °C розпадаються з розривом вуглецевого ланцюга й утворенням суміші насичених і ненасичених вуглеводнів жирного ряду.

Гідроліз (омилення)

Протікає в присутності каталізаторів (кислот, лугів, оксидів Магнію, Кальцію, Цинку).

Жирам як естерам властива оборотна реакція гідролізу, що каталізується мінеральними кислотами. За участі лугів гідроліз жирів протікає необоротно. Продуктами в цьому випадку є мила — солі вищих карбонових кислот і лужних металів.

Промислове значення має реакція гідрування жирів. У результаті цього процесу олії (що містять ненасичені кислоти) перетворюються на тверді жири (які містять лише насичені кислоти).

Продукт гідрогенізації олій — твердий жир (штучне сало, саломас). Маргарин — харчовий жир, що складається із суміші гідрогенізованих олій (соняшникової, кукурудзяної, бавовняної та ін.), тваринних жирів, молока і смакових добавок (солі, цукру, вітамінів тощо).

У природі жирні кислоти у вільному вигляді зустрічаються рідко. Однак, утворюючи ефірні або амідні зв'язки, вони входять до складу різних класів ліпідів, перерахованих вище, а також багатьох проміжних продуктів метаболізму ліпідів. Доцільно розглянути деякі властивості жирних кислот.

Біологічно важливі жирні кислоти характеризуються наступним:

1) є, як правило, монокарбонові кислоти, що містять одну іонізучу карбоксильну групу і неполярний ациклічний неразгалужеий вуглецево-водневий ланцюг;

2) зазвичай містять парне число атомів вуглецю, хоча в природі зустрічаються також і жирні кислоти з непарним числом вуглецевих атомів;

3) являють собою або насичені сполуки, або з'єднання з одного або декількома подвійними зв'язками.

Температури кипіння і плавлення жирних кислот зростають зі збільшенням довжини вуглеводневого ланцюга. Насичені жирні кислоти з парним числом вуглецевих атомів є при кімнатній температурі рідинами, якщо загальне число вуглецевих атомів менше 10, або твердими, якщо вуглецевий ланцюг довший.

Формула кислоти Назва кислоти Природне джерело

С15Н31СООН Пальмітинова Жири всіх тваринних тканин

С17Н35СООН Стеаринова Жири всіх тваринних тканин

С17Н33СООН Олеїнова Жири тканин та природних олій

С17Н31СООН Лінолева Жири тканин та природних олій

С17Н29СООН Ліноленова Фосфоліпіди тканин

Крім температури плавлення і затвердіння, для характеристики жирів застосовуються такі величини: кислотне число, число омилення, йодне число.

Природні жири нейтральні. Однак при переробці або зберіганні внаслідок процесів гідролізу або окислення утворюються вільні кислоти, кількість яких постійна. Кислотне число є числом міліграмів гідроксиду калію, необхідного для нейтралізації вільних жирних кислот, що містяться в 1 г жиру.

Число омилення дорівнює числу міліграмів гідроксиду калію, витрачається при омиленні 1 г жиру кип'ятіння з надлишком гідроксиду калію в спиртовому розчині. Число омилення чистого триолеїну 192. Високе число омилення вказує на присутність кислот з «меншими молекулами». Малі числа омилення вказують на присутність більш високомолекулярних кислот або ж неомилюмої речовин. При взаємодії з лугами жири гідролізуються з утворенням солей високомолекулярних кислот, званих «милами».

Йодне число виражається числом грамів йоду, що може приєднуватися по подвійним зв'язкам до 100 г жиру. Для визначення йодного числа застосовують розчини хлориду йоду ICl, броміду йоду IBr, або йоду в розчині сулеми, що більш реакційноздатні, ніж сам йод. Йодне число є мірою ненасиченості кислот жирів. Воно важливе для оцінки якості висихаючих олій.