3. Анаеробний розклад вуглеводів, гліколіз, глікогеноліз, енергетика анаеробного
розкладу глюкози.
Утворення енергії в клітинах відбувається не тільки в процесі окислювального фосфорилювання (аеробним шляхом), але і в процесі розпаду поживних речовин без участі молекулярного кисню (анаеробним шляхом).
При провідній ролі тканинного дихання в людини і вищих тварин реакції анаеробного обміну вуглеводів відіграють хоча й обмежену, але важливу роль у забезпеченні організму енергією.
Майже універсальним процесом генерування метаболічної енергії в біологічних системах є гліколіз. Термін гліколіз походить від грецьких слів glykys - цукор (солодкий) и lysis - розчинення.
Гліколіз - це послідовність реакцій, які призводять до перетворення глюкози в молочну кислоту (лактат) з одночасним утворенням АТФ.
У людини й інших аеробних організмів гліколіз передує циклу трикарбонових кислот і ланцюга переносу електронів, у процесі яких вилучається велика частина енергії, що міститься в глюкозі.
В аеробних умовах метаболіт гліколізу - піруват проникає в мі-тохондрії, де він повністю окислюється до CO2 и H2O.
У разі недостатнього вмісту кисню, як це може мати місце, наприклад, у м'язах, що активно скорочуються, піруват перетворюється у лактат. В анаеробних організмах, таких, як дріжджі, піруват перетворюється не в лактат, а в етанол. Утворення етанолу із глюкози -це приклад спиртового бродіння.
Основні молекулярні механізми гліколізу і глікогенолізу
Якщо процес починається з глікогену, його називають глікогено-лізом. Окремі стадії цих процесів каталізуються відповідно 10 і 11 основними ферментами. Вони утворюють ланцюг функціонально зв'язаних ферментів (поліферментна функціональна система), у якому продукт реакції попереднього ферменту є субстратом для наступного. Ферменти гліколізу лабільно сполучені з мембранами ендоплазматичної сітки.
Першою фазою глікогенолізу і гліколізу є утворення глюкозо-фосфорних ефірів. Якщо процес починається з глікогену, то внаслідок дії ферменту глікогенфосфорилази від нього відщеплюється глюкозо-1-монофосфат (I продукт), який внаслідок дії ферменту фосфоглюкомутази за участю глюкозо-1,6-дифосфату перетворюється на глюкозо-6-монофосфат (II продукт).
Якщо процес починається з глюкози, то глюкозо-6-моно-фосфат під впливом гексокінази утворюється за рахунок переносу залишку фосфорної кислоти з АТФ на глюкозу, при цьому АТФ перетворюється в АДФ.
Доля глюкози всередині клітини однозначна: вона фосфори-люється за участю АТФ з утворенням глюкозо-6-фосфату. Перенос фосфатної групи з АТФ на гідроксильну групу біля С-6 глюкози каталізується гексокіназою.
Гексокіназа - це фермент, здатний переносити фосфатну групу від АТФ до різних шестивуглецевих сахарів (гексоз). Гексокіназа, подібно до всіх інших кіназ, потребує для прояву своєї активності іон (або інший двовалентний іон металу), які утворюють комплекс з АТФ.
Наступний етап гліколізу - це ізомеризація глюкозо-6-фосфату (продукту II) у фруктозо-6-фосфат (продукт III). Шестичленне піра-нозне кільце глюкозо-6-фосфату перетворюється на п'ятичленне фу-ранозне кільце фруктозо-6-фосфату. Ця оборотна реакція каталізується ферментом глюкозофосфатізомеразою.
На наступному етапі гліколізу відбувається реакція перефосфо-рилювання між 1,3-дифосфогліцериновою кислотою й АДФ, у процесі якої залишок фосфорної кислоти й енергія, що міститься в мак-роергічному ацилфосфатному зв'язку 1,3-дифосфогліцеринової кислоти переноситься без втрат на АДФ. Наслідком реакції є утворення 3-фосфогліцеринової кислоти й АТФ. Реакція каталізується ферментом фосфогліцераткіназою.
Завершальна стадія гліколізу полягає в утворенні піровиноградної кислоти і другої молекули АТФ.
Послідовність перетворень на цій стадії така. Унаслідок дії ферменту фосфогліцеромутази продукт IX - 3-фосфогліцеринова кислота перетворюється на 2-фосфогліцеринову кислоту (продукт X), тобто відбувається внутрішньомолекулярний перенос фосфатної групи. Далі
продукт X (2-фосфогліцеринова кислота) під впливом ферменту єно-лази втрачає молекулу води (дегідратується) і переходить в єнольну форму 2-фосфопіровиноградної кислоти (XI продукт).
Потенціал переносу фосфатної групи внаслідок реакції дегідратації значно підвищується. Фосфоєнолпіруват характеризується високим потенціалом переносу фосфатної групи, тоді як у випадку фосфатного ефіру звичайного спирту цей потенціал знаходиться на низькому рівні. 2-Фосфоєнолпіровиноградна кислота є другим субстратом, енергію якого використовує організм.
Єнольна форма 2-фосфопіровиноградної кислоти, подібно до 1,3-дифосфогліцеринової кислоти, вступає в реакцію переетерифікації з АДФ, що каталізується піруваткіназою. При цьому фосфат і енергія переносяться без втрат на АДФ, яка перетворюється на АТФ.
Потім єнольна форма піровиноградної кислоти переходить у ке-тоформу (XIII продукт). Зрештою піровиноградна кислота під впливом ферменту лактатдегідрогенази реагує з відновленою формою НАД+ (НАДрН+Н+), яка утворилася при окисленні гліцеральдегід-3-фосфату в 1,3-дифосфогліцеринову кислоту, і перетворюється на кінцевий продукт гліколізу - молочну кислоту (XIV продукт).
Біологічне значення гліколізу зумовлюється не тільки тим, що він є джерелом (правда, не єдиним) енергії для організму, особливо для працюючої м'язової системи. Суттєвим є те, що в процесі гліколізу утворюються речовини, які використовуються в організмі для біосинтезу простих і складних ліпідів. Такою речовиною є дигідроксиацетонфосфат, який відновлюється до гліце-ринфосфату. Врешті-решт, значення гліколізу полягає в тому, що ряд його продуктів, а саме піровиноградна і молочна кислоти, є необхідним субстратом для подальших ферментативних перетворень в аеробних умовах, оскільки лише невелика частина енергії, що міститься в глюкозі, звільняється під час її анаеробного перетворення в лактат. Значно більша кількість енергії утворюється в аеробних умовах у циклі трикарбонових кислот і в ланцюзі переносу електронів. При цьому в організмі ссавців і людини звільнюється приблизно 95\% енергії вуглеводів.
Т. 1. Перетворення, що відбуваються в жирах при його зберіганні, окислення жирів.
Під час перероблення і зберігання жирової тканини або виділених з неї жирів відбуваються численні їх перетворення під впливом біологічних, фізичних і хімічних чинників, внаслідок чого змінюється хімічний склад, погіршуються органолептичні показники і харчова цінність жирів, що призводить до їхнього псування. Виділяють гідролітичне й окислювальне псування. Нерідко обидва види відбуваються одночасно.
До дефектів тваринних жирів, за якими вони бракуються, відносять: гідроліз (підвищена кислотність, закисання); окислення з утворенням: перекисів (перекисне число), альдегідів (згіркнення – поява специфічного неприємного смаку і запаху), альдегідокислот та дікарбонових кислот (затвердіння), кетонів (запашне згіркнення), оксикислот (засалювання); знебарвлення, невластиве забарвлення (позеленілий, сірий колір), сторонні смак і запах, вміст антиоксидантів вище допустимих кількостей.
Початковою стадією руйнування жирів є їх гідроліз (омилення) на гліцерин і жирні кислоти. Цей процес легко відбувається при високій температурі під дією лугів або кислот. Під впливом ферментів (ліпаз) гідроліз протікає при звичайній температурі. Ферменти, що руйнують жири, виробляються багатьма мікроорганізмами.
Утворені в результаті гідролітичного розщеплення гліцерин і жирні кислоти потім піддаються подальшому руйнуванню. Найбільш легко руйнується гліцерин, який слугує джерелом вуглецю для багатьох мікроорганізмів. Руйнування гліцерину відбувається в аеробних і анаеробних умовах.
Жирні кислоти менш схильні до руйнування, однак і вони поступово окислюються переважно в аеробних умовах. Кінцевою стадією руйнування гліцерину і жирних кислот є їх мінералізація, яка супроводжується утворенням вуглекислого газу і води.
Процес гідролізу жиру приводить до накопичення вільних жирних кислот.У присутності води гідроліз жиру протікає в три стадії. На першій стадії від молекули тригліцериду відщеплюється одна молекула жирної кислоти з утворенням диглицеридов. Потім від дигліцеридів відщеплюється інша молекула жирної кислоти з утворенням моногліцериди. І нарешті, в результаті відділення від моногліцериди останньої молекули жирної кислоти утворюється вільний гліцерин. Складні ефірні зв’язки руйнуються ступінчасто з повільним утворенням ди — і моногліцеридів. Повного розщеплення молекул в звичайних умовах не відбувається. При гідролізі фосфоліпідів поряд з вказаними речовинами утворюються фосфорна кислота і аміноспирт. Гідролітичний розпад ліпідів в тканинах каталізується лііюлитичними ферментами, і його швидкість залежить від ступеня контакту ліпідів з водою, величини рН, температури. Хоча оптимальна температура для дії ліпази 35—40°С, цей фермент виявляє активність і в умовах низьких температур.
Швидкість гідролітичного розпаду жиру зростає при підвищенні температури. Однак збільшення швидкості гідролізу, що викликається підвищенням температури, має практичне значення лише при температурах вище 100°С і при тривалому про* цесі. Наприклад, нагрів свинячого жиру в автоклаві з водою протягом 7 годин при температурі 125°С викликає підвищення кислотного числа на 0,64, а при 130°С — на 0,98.
Наряду з дією тканинних ліпаз гідроліз ліпідів може бути обумовлений ліполитичиими ферментами, які продукують мікроорганізмами. Інактивація ферментів і видалення вологи в процесі виділення жирів роблять їх стійкими до гідролітичного розпаду.
Прогіркання жиру відбувається за рахунок окиснення його киснем повітря. При цьому утворюються альдегіди й кетони, що забезпечують йому неприємний смак і різкий запах. Як правило, прогіркання супроводжується осалюванням, у результаті чого жири здобувають білий відтінок, смак і запах стеарину.
При вільному доступі повітря відбувається окиснення жирів, яке прискорюється з підвищенням їх температури. При температурах зберігання (від 2 до 25 ° С) в жирі відбувається автоокислення, при температурах смаження (від 140 до 200 ° С) - термічне окислення. Між автоокислення і термічним окисленням є багато спільного, хоча склад продуктів, що утворяться може дещо відрізнятися. Автоокисления зазвичай супроводжує, а нерідко і випереджає термічне окислення, і тому ці два процеси необхідно розглядати разом.
У початковий період автоокисления має місце тривалий індукційний період, протягом якого накопичуються вільні радикали. Однак, як тільки концентрація їх досягне певного значення, індукційний період закінчується і починається автокаталітічна ланцюгова реакція - процес швидкого приєднання до радикалів кисню. Первинними продуктами автокаталітічної ланцюгової реакції є гідропероксиду, схильні до реакцій розпаду, в результаті яких утворюються два нових радикала, що збільшують швидкість ланцюгової реакції. При з'єднанні двох радикалів з утворенням неактивної молекули може статися обрив ланцюга автокаталітічної ланцюгової реакції.
Якщо жир нагрітий до температури від 140 до 200 ° С у повітряному середовищі (умови, що виникають при смаженні продуктів), індукційний період різко скорочується. Приєднання кисню до вуглеводневим радикалам жирних кислот відбувається більш безладно, минаючи деякі стадії, які мають місце при автоокислення. Деякі продукти окислення жирів (гідропероксиду, епоксиди, альдегіди та ін), відносно стійкі при температурах автоокислення, не можуть довго існувати при високих температурах термічного окислення і розпадаються в міру освіти. У результаті їх розпаду утворюється численна група нових реакційноздатних речовин, що збільшують можливість вторинних хімічних реакцій в нагрітому жирі і їх різноманіття.
Продукти, що утворюються при авто-і термічному окислюванні, можна підрозділити на три групи:
продукти окисної деструкції жирних кислот, в результаті якої утворюються речовини з укороченою ланцюгом;
продукти ізомеризації, а також окислені тригліцериди, які містять ту ж кількість вуглецевих атомів, що і вихідні тригліцериди, але відрізняються від останніх наявністю у вуглеводневих частинах молекул жирних кислот нових функціональних груп, що містять кисень;
продукти окислення, що містять полімеризовані або конденсовані жирні кислоти, в яких можуть знаходитися і нові функціональні групи, що містять кисень.
В основі окислення жирів лежить їх взаємодія з киснем повітря. Стійкість жирів до окислення визначається перш за все їх жирнокислотним складом.
Окислення ліпідів починається в субклітинних мембранах у фракції високоненасичених фосфоліпідів. Здатність до окислення ненасичених жирних кислот, особливо з двома і більше подвійними зв'язками, призводить в ході зберігання до прогіркання і погіршення кольору м'яса.
2. Специфічність дії протеїназ, їх використання у харчовій промисловості.
Серед протеїназ необхідно відмітити пепсин, трипсин, химотрипсин. Всі ці протеїнази гідролізують безпосередньо білок. При цьому з білка утворюються пептони, поліпептиди і вільні амінокислоти. Багато протеїназ здатні викликати згортання молока. Пепсини являють собою протеїнази, виділяємі слизовою оболонкою шлунку. Пепсин може бути отриан у вигляді білкових кристалів. Молекула пепсину являє собою один поліпептидний ланцюг, складений з 327 амінокислотних залишків.
Для дії пепсину оптимальним значенням кислотності середовища є рН 1,2-1,5. Кристалічний пепсин володіє дуже виликою кристалічною активністю – 1 г його розчинює за дві години 50 000 г звареного яєчного білка і викликає згуртування 100 000 л молока.
Як вже було вказано, пепсин гідролізує нелише білки, але також поліпептиди і дипептиди. Встановлено, що він переважно розщеплює лише ті пептидні зв`язки, в утворенні яких приймає участь амінні груми тирозина або фенілаланіна.
В клітинах слизової оболонки шлунка пепсин є в наявності у вигляді свого неактивного зимо гену, що має назву пепсиноген. Пепсиноген також може бути отриман у вигляді білкових кристалів, але вони не володіють гідролітичною або згортувальною дією. У результаті вплив на пепсоген вільного пепсину та соляної кислоти він перетворюється на активний пепсин.
Ренін. Відомо, що в сичу зі (4-му відділі шлунку) теля міститься так званий сичужний фермент, що викликає згуртування молока. Саме завдяки згортувальній дії цього ферменту сичуг використовується у якості згортувального засобу при виготовленні сирів. Сичужний фермент інакше ще називають хімозин або лабферментом. Він перетворює наявний у молоці білок казеїноген у згусток казеїнат кальцію.
Очищений сичужний фермент отриман у вигляді білкових кристалів. Химозин присутній в сичузі у вигляді зимогену, з якого під дією слабкої кислоти утворюється активний фермент.
Трипсин являє собою пртеїназу, яка міститься серед інших ферментів в соці, що виділяється підшлунковою залозою. Також як і пепсин, трипсин може бути отриманий у вигляді білкових кристалів. Оптимальна зона кислотності для трипсину відповідає рН 8-9. Степінь гідролізу білків під дією кристалічного трипсину приблизно відповідає дії кристалічного пепсину. Наразі неочищений пепсин володіє набагато більшою гідролітичною активністю по відношенню до білків.
Раніше вказувалось, що трипсин гідролізує не тільки білки, а й пептиди. Кристалічний трипсин специфічно каталізує гідроліз тільки таких пептидних зв`язків, в яких бере участь карбоксильна група лізину і аргініну. Було встановлено, що в соці, який виділяє підшлункова залоза, трипсин міститься в не активному стані у вигляді зимогену. Цей зимо ген був названий трипсиногеном. Перетворення трипсогену у трипсин відбувається під впливом незначної кількості трипсину, який, в свою чергу, утворюється з трипсогену під дією фермента етерокенази.
Молекула трипсина активує молекулу трипсогену шляхом гідролізу останнього по визначеному пептидному зв`язку. В процесі активації з одної молекули трипсогена звільняється одна молекула гексапептида.
В травному соці, що є в наявності у підшлунковій залозі, міститься зимоген, що має назву хімотрипсиноген. Під дією слідів трипсину він перетворюється в дуже активну протеїн азу – хімотрипсин. Хімотрипсоген не активується ентерокеназою та хімотрипсином. Таким чином, протеїнази, щор містяться в соці, що виділяє підшлункова залоза, залишаються неактивними до тих пір, поки не попадуть в тонкий кішечник і не вступлять в контакт з етерокеназою. Вона активує трипсоген з утворенням трипсину, який в свою чергу активує трипсиноген тп хімотрипсиноген. Активація зимо гену та перетворення його в активну форму ферментна здійснюється дуже малою кількістю активатора. Так, наприклад, активування кристалічного хімотрипсину відбувається вже в присутності 0,001 мг трипсину.
В рослинах злаків, насінні бобових, в клубнях картофелю містяться білкі, що інгібують протеїнази, в тому числі трипсин та хімотрипсин. Інгібітор з насіння сої отриман в кристалічному вигляді і являє собою білок, що належить до групи глобулінів. При нагрівнні цей інгібітор руйнується.
У поєднанні з амилазой протеїнази, що виділяються з грибів, що відносяться до роду Aspergillus, застосовують в хлібопекарській промисловості. Будучи додані в кількості 20-50 г на 1 т борошна, вони покращують якість і пахощі хліба, прискорюють дозрівання теста на 30%, скорочують витрати цукру на виробництво вищих сортів булочних виробів вдвічі, збільшують пористість м'якушки і об'єм хліба на 20%.
У кулінарії застосування пептид-гідролаз (протелін і проназа) для обробки м'яса перед його приготуванням різко покращує якість м'ясних страв.
У м'ясній промисловості протеолітичні ферменти застосовують для прискорення дозрівання м'яса і підвищення виходу м'яса 1-го сорту з 15% до 40%.
У молочній промисловості використання протеїназ прискорює дозрівання сирів вдвічі і знижує їх собівартість на 10%.
Трипсин і хомотрипсин кталізуют не тільки розщеплення пептидних, а й також складно ефірних та амідних зв`язків. Хімотрипсин та інші протеїнази каналізують також перенос залишків амінокислот вад одного з’єднання до іншого. Тому, один і той самий фермент може володіти декількома каталітичними функціями.
Пепсин харчовий, фермент для виготовлення сиру в домашніх умовах та на виробництві. Застосовується при виготовленні м`яких і рас сольних сирів, таких як бринза, сулу гуні, чечил (косичка), звичайний домашній, адегеський, моцарелла, чанах та інших сортів м`якого та рассольного сиру з козячого та коров`ячого молока.
Пепсин без тваринних жирів називається «суха грибна закваска», відповідно не тваринного походження, а рослинного та використовується у вегетаріанців, що віддають перевагу сирам без тваринних жирів.
Сичужна закваска, сама по собі – це висушена і оброблена частина четвертої камери шлунка жуйних тварин, яка виробляє фермент, що згортує молоко при нейтральній реакції.