Будь умным!

У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

ПРАКТИКУМ З БІОГІЧНОЇ ХІМІЇ навчальний посібник Харків 20

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 2.6.2024

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ  УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРЧУВАННЯ ТА ТОРГІВЛІ

Павлоцька Л.Ф., Дуденко Н.В., Горбань В.Г.,

Артеменко В.С., Сєрік М.Л., Цибань Л.С.

ПРАКТИКУМ З БІОГІЧНОЇ ХІМІЇ

(навчальний посібник)

Харків 2009

УДК 577.1

 ББК 28.073

Павлоцька Л.Ф., Дуденко Н.В., Горбань В.Г., Артеменко В. С., Серік М.Л., Цибань Л.С.

Практикум з «Біологічної хімії»:

Навчальний посібник / Харківський державний університет харчування та торгівлі. – Харків, 2009

  ISBN 966-525-460-х

Навчальний посібник узагальнює матеріали з теорії та практики курсу „Біологічна хімія” і підготовлений з метою надання допомоги студентам товарознавчих факультетів вищих закладів освіти у доскональному оволодінні  теоретичним матеріалом та набутті відповідних практичних навичок з проведення біохімічних досліджень харчових продуктів та призначений для студентів, аспірантів та працівників підприємств ресторанного господарства і харчової промисловості.

 Навчальний посібник призначено для студентів вищих навчальних закладів за напрямками:

0305 «Економіка та підприємництво»

                                                                                                               ББК 28.073

    РЕКОМЕНДОВАНО:

       як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів

    РЕЦЕНЗЕНТИ:  П.П. Пивоваров, доктор технічних наук, професор  кафедри технології харчування; М.В. Кривоносов, доктор медичних   наук,      професор, зав. кафедрою гігієни харчування Харківського державного медичного університету.

ISBN 966-525-460-х

© Павлоцька Л.Ф., Дуденко Н.В., Горбань В.Г., Артеменко В.С.,Сєрік М.Л., Цибань Л.С., 2009


ЗМІСТ

Вступ…………………………………………………………………………..

План лабораторних занять…………………………………………………...

Правила техніки безпеки для студентів, які працюють у біохімічній лабораторії……………………………………………………………………

Перша допомога при нещасних випадках у біохімічній лабораторії…….

Тема 1. Предмет і завдання біохімії. Хімічний склад організму людини

Лабораторна робота № 1. Хімічний склад організму……………………

Тема 1.2. Білки, амінокислоти: будова, класифікація, властивості, біологічна роль.………………………………………………………………

1.2.1. Амінокислоти: будова, Класифікація, властивості, біологічна роль...

Лабораторна робота № 2. Загальні властивості амінокислот…………..

Лабораторна робота № 3. Кольорові реакції на амінокислоти………….

1.2.2. Білки: будова, класифікакція, властивості, біологічна роль………..

Лабораторна робота № 4. Фізико-хімічні властивості білків…………...

Тема 1.3. Ферменти: будова, властивості, класифікація. Біологічне окислення……………………………………………………………………..

Лабораторна робота № 5. Властивості ферментів……………………….

Лабораторна робота № 6. Окислювально-відновлювальні ферменти (оксидоредуктази)……………………………………………………………

Тема 1.4. Вуглеводи: будова, біологічна роль. Класифікація…………….

Лабораторна робота № 7. Дослідження властивостей вуглеводів……..

Тема 1.5. Ліпіди: будова, біологічна роль. Класифікація…………………

Лабораторна робота № 8. Дослідження властивостей ліпідів…………..

Тема 1.6. Нуклеінові кислоти: будова, біологічна роль. Біосинтез білка...

Лабораторна робота № 9. Виделення та якісне визначенн складу нуклеопротеїндів…………………………………………………………….

Тема 2.1. Обмін білків в організмі:розщеплення білків в шлунково-кишковому тракті, утворення отруйних речовин і їх знешкодження. Обмін білків в тканинах. Знешкодження аміаку…………………………..

Лабораторна робота № 10. Виділення та якісне визначення складу глюкопротеїдів, фосфопротеїдів………………………………………………..

Тема 2.2. Обмін вуглеводів в організмі: розщеплення в шлунково-кишковому тракті, обмін вуглеводів в тканинах. Енергетичний ефект. Регуляція вуглеводного обміну……………………………………………..

Лабораторна робота № 11. Обмін віглеводів…………………………….

Тема 2.3. Обмін ліпідів в організмі: розщеплення в шлунково-кишковому тракті, обмін ліпідів в тканинах, енергетичний ефект, регуляція ліпідного обміну………………………………………………….

Лабораторна робота № 12. Визнгачення якості ліпідів …………………

Тема 2.4, 2.5. Вітаміни. Водорозчинні та жиророзчинні вітаміни: будова, властивості, біологічна роль, джерела в їжі. Добова потреба….

Лабораторна робота № 13. Визначення водорозчинних вітамінів…….

Лабораторна робота № 14. Визначення жиророзчиннних вітамінів

Список літератури


ВСТУП

Біологічна хімія – це наука, що вивчає хімічну природу речовин, з яких побудовано організм, закономірності їхніх перетворень, тобто усі хімічні процеси, що відбуваються в живому організмі від надходження до нього поживних речовин і до утворення та виведення кінцевих продуктів обміну речовин, а також роль хімічних речовин, що регулюють ці процеси. Саме тому, вивчення біологічної хімії є дуже важливим для спеціалістів, що працюють в харчових галузях виробництва, забезпечують виробництво, транспортування, зберігання, приготування та споживання продуктів харчування та страв. Навчальний посібник розраховано на студентів товарознавчих факультетів економічних вузів та вузів харчової промисловості, споживчої кооперації та економічних, які готують спеціалістів для галузі харчування, виробництва продуктів харчування, їх зберігання, переробки, контролю якості.

Навчальний посібник складено у відповідності до програм курсу „Біологічна хімія”.

Таблиця 1

Тематичний план дисципліни «Біологічна хімія» для денної форми навчання

Заліко-вий кредит

Назва та зміст змістового модулю

Всього годин

У тому числі

Оцінка за поточним контролем mаx-mіn балів

Аудиторні заняття

Самос-тійна робота

Інд. - конс. робота

Лек-ції

Лабо-ратор.

1

2

3

4

5

6

7

8

Модуль 1

Змістовний модуль 1 Основи біологічної хімії

1,5

1.1 Предмет і завдання біохімії. Хімічний склад організму

6

2

2

1

1

5-2

1.2 Білки, амінокислоти: будова, властивості, біологічна роль. Класифікація.

12

2

4

2

4

5-3

1.3 Ферменти; будова, властивості, класифікація. Біологічне окиснення

14

4

4

3

3

5-2

1.4 Вуглеводи: будова, біологічна роль. Класифікація

8

2

2

2

2

5-3

1.5 Ліпіди: будова, біологічна роль. Класифікація.

8

2

2

2

2

5-2

1.6 Нуклеїнові кислоти: будова, біологічна роль. Біосинтез білка.

8

2

2

2

2

5-3

Підсумок

56

14

16

12

14

30-15

Змістовний модуль 2 Біологічні основи обміну речовин


Продовження таблиці 1

1

2

3

4

5

6

7

8

1,5

2.1 Обмін білків в організмі: розщеп-лення білків в шлунково-кишковому тракті, утворення отруйних речовин і їх знешкодження. Обмін білків в тканинах. Знешкодження аміаку.

10

2

2

3

3

5-3

2.2 Обмін вуглеводів в організмі: розщеплення в шлунково-кишковому тракті, обмін вуглеводів в тканинах. Енергетичний ефект. Регуляція вуглеводного обміну.

12

2

4

3

3

5-2

2.3 Обмін ліпідів в організмі: роз-щеплення в шлунково-кишковому тракті, обмін ліпідів в тканинах, енергетичний ефект, регуляція ліпідного обміну.

10

2

2

3

3

5-3

2.4 Вітаміни. Водорозчинні вітаміни: будова, властивості, біологічна роль, джерела в їжі. Добова потреба.

8

2

2

2

2

5-2

2.5 Вітаміни. Жиророзчинні вітаміни: будова, властивості, біологічна роль, джерела в їжі. Добова потреба

8

2

2

2

2

5-2

2.6 Регуляція обміну речовин.

4

2

-

1

1

5-3

Підсумок

52

12

12

14

14

30-15

Іспит

40-20

Всього за модулем

108

26

28

26

28

100-50

Всього за дисципліною

108

26

28

26

28

100-50

Таблиця 2

Тематичний план дисципліни «Біологічна хімія» для заочної форми навчання

Залі-ковий кре-дит

Назва та зміст змістового модулю

Всього годин

У тому числі

Оцінка за поточним контролем mаx-mіn балів

Аудиторні заняття

Самос-тійна робота

Інд.-конс. робота

Лек-ції

Лабора-торні

Модуль 1

Змістовний модуль 1 Основи біологічної хімії

1,5

1.1 Предмет і завдання біохімії. Хімічний склад організму. Білки, амінокислоти: будова, властивості, біологічна роль. Класифікація.

18

1

1

8

8

10-5

1.2 Ферменти; будова, властивості, класифікація. Біологічне окиснення. Нуклеїнові кислоти: будова, біологічна роль. Біосинтез білка

22

1

1

10

10

10-5


Продовження таблиці 2

1

2

3

4

5

6

7

8

1.3 Вуглеводи: будова, біологічна роль. Класифікація

8

1

1

3

3

5-3

1.4 Ліпіди: будова, біологічна роль. Класифікація

8

1

1

3

3

5-2

Підсумок

56

4

4

24

24

30-15

Змістовний модуль 2 Біологічні основи обміну речовин

1,5

2.1 Обмін білків в організмі

12

1

1

5

5

7-4

2.2 Обмін вуглеводів в організмі

12

1

5

6

7-3

2.3 Обмін ліпідів в організмі

12

1

5

6

7-3

2.4 Вітаміни водо- та жиророз-чинні.

16

1

1

7

7

9-5

Підсумок

52

4

2

22

24

30-15

Іспит

40-20

Всього за модулем

108

8

6

46

48

100-50

Всього за дисципліною

108

8

6

46

48

100-50

Навчальний посібник підготовлений з метою надання допомоги студентам товарознавчих факультетів вищих закладів освіти у доскональному вивченні теоретичного матеріалу та набутті відповідних практичних навичок виконання біохімічних досліджень харчових продуктів.

Виходячи зі змісту навчальної дисципліни „Біологічна хімія”, даний навчальний посібник покликаний допомогти студентам поєднати теоретичні знання і практичні навички у засвоєнні основних тем курсу, на формування у студентів здатності самостійно мислити, аналізувати отримані результати досліджень, на поглиблене засвоєння навчального матеріалу і теоретичних знань. Він надає студентам можливість готуватися до занять, виконувати лабораторні і біохімічні дослідження та розрахунки кількості відповідних хімічних речовин, здійснювати самоконтроль знань та заздалегідь готуватися до підсумкових занять з курсу.

Вибір тем лабораторних робіт зумовлено не лише необхідністю ілюстрування теоретичного матеріалу і його кращого засвоєння, але й важливістю ряду біохімічних методів для практики підприємств ресторанного господарства і харчових виробництв, для контролю технологічних процесів, якості сировини та готової продукції відповідних підприємств.

Такий практикум сприятиме підвищенню якості підготовки фахівців торгівлі продовольчими товарами та сфери підприємств ресторанного господарства.

Опису методів дослідження передує короткий виклад теоретичного матеріалу з даної теми, який є необхідним для пов'язування з ним лабораторної роботи. У кінці кожного заняття наведено контрольні запитання, відповіді на які мають допомогти студентам краще засвоїти навчальний матеріал.

Для виконання лабораторних робіт крім класичних методів залучено сучасні, які є доступними за умов лабораторії.

До відповідних розділів включено методи, що використовуються в харчових лабораторіях, наприклад, експрес-проба на свіжість молока; визначення активності пероксидази як показника ступеня теплової обробки м'яса; гальмування поліфенолоксидази гіпосульфітом Na, який використовується для попередження потемніння картоплі та інших рослинних об’єктів, і деякі інші.

Практикум призначений для студентів товарознавчих спеціальностей, які навчаються за навчальними планами підготовки бакалаврів відповідних фахових спрямувань.

Таблиця 3

Взаємозв’язок з іншими дисциплінами

Дисципліна, що забезпечує

Розділ

Дисципліна, яку забезпечує

«Органічна хімія»

Амінокислоти. Білки. Вуглеводи. Ліпіди.

Біологічна та харчова цінність білків, вуглеводів, ліпідів.

«Фізіологічні аспекти оцінки якості продуктів»

Фізіологічні аспекти і оцінки якості продуктів тваринного і рослинного походження, їх зміни при зберіганні та технологічній обробці

«Товарознавство вторинної сировини»

«Товарознавство товарів рослинного походження»

«Товарознавство товарів тваринного походження»

Фізіологічні аспекти і оцінки якості продуктів тваринного і рослинного походження, їх зміни при зберіганні та технологічній обробці

«Товарознавчі аспекти підвищення якості безпеки»

Фізіологічні аспекти і оцінки якості продуктів тваринного і рослинного походження, їх зміни при зберіганні та технологічній обробці

«Експертиза товарів та послуг»


2.4 ПЛАН ЛАБОРАТОРНИХ ЗАНЯТЬ

Таблиця 4

Назва теми

Обсяг, годин

№

занят-тя

Зміст

лабораторного

заняття

Форми

поточного контролю

Оцінка max-min балів

д/в

з/в

Модуль І

Змістовий модуль 1. Основи біологічної хімії

1

2

3

4

5

6

7

1.1 Хімічний склад організму

2

1

Вивчення хімічного складу органічних речовин, виявлення наявності азоту, сірки, вуглецю, кальцію, фосфору у складі органічних речовин.

Опитування,

контроль виконання знань

3-2

1.2 Білки, амінокис-лоти: будова, влас-тивості, біологічна роль.

2

2

2

1

2

3

4

Визначення загальних властиво-стей АК (наявність аміногруп у АК, виявлення пептидного зв’яз-ку між АК. Кількісне та якісне визначення АК формольним титруванням).

Кольорові реакції на АК. Вияв-лення наявності тирозину, трип-тофану, метіоніну, гістидину, цистеїну у складі білків.

Вивчення фізико-хімічних влас-тивостей білків (вплив на розчин білка азотної кислоти та розчин-ників, іонів важких металів, хло-риду натрію, органічних кислот).

Опитування,

контроль виконання знань

3-2

1.3 Ферменти; влас-тивості. Біологічне окиснення

2

2

1

5

6

Властивості ферментів: вплив температури, рН, активаторів та інгібіторів на активність ферментів.

Окислювально-відновлювальні ферменти. Вивчення впливу різних факторів на їх активність.

Опитування

контроль виконання знань

3-2

1.4 Вуглеводи: будо-ва, біологічна роль. Класифікація

2

1

7

Дослідження властивостей вуглеводів: взаємодія розчином Троммера, реактивом Фелінга, і Селіванова; виявлення моноса-харидів моркви та редукуючих вуглеводів лактози в молоці.

Опитування, контроль виконання завдання

3-2

1.5 Ліпіди: будова, біологічна роль.

2

1

8

Дослідження властивостей лі-підів та ліпоїдів, вивчення прос-тих і складних ліпідів (реакція з сірчаною кислотою, емульгуван-ня ліпідів, акролеїнова проба, якісна реакція на лецитин).

Опитування,

3-2

1.6 Нуклеїнові кис-лоти, біологічна роль Біосинтез білка.

2

9

Виділення та якісне визначення складу нуклеопротеїнів (вияв-лення наявності вуглеводів, фос-

Опитування контроль виконання

3-2


Продовження таблиці

1

2

3

4

5

6

7

фору і пептидних зв’язків у гідро-лізаті нуклеопротеїнів дріжджів)

завдання

Підсумок

16

4

18-12


Змістовий модуль 2. Біохімічні основи обміну речовин

2.1 Обмін білків. Розщеплення у шлунково-кишково-му тракті і тканинах.

2

1

10

Вивчення перетравленості білків ферментами шлунково-кишкового тракту in vitro. Виділення та якісне визначення складу глюкопротеїнів і фосфопротеїнів

Опитування контроль виконання завдання

3-2

2.2 Обмін вуглеводів.

2

11

Дослідження продуктів обміну вуглеводів: перетравлення сахаро-зи ферментами дріжджів, перет-равлення крохмалю ά-амілазою за методом Вольгемута, виявлення редукуючих вуглеводів лактози у молоці та сахарози у харчовому цукрі.

Опитування контроль виконання завдання

3-2

2.3 Властивості ліпідів.

2

12

Дослідження якості ліпідів: роз-рахунок кислотного, перекісного та йодного чисел.

Опитування, контроль виконання завдання

3-2

2.4 Водорозчинні вітаміни.

2

1

13

Визначення наявності водороз-чинних вітамінів у продуктах рослинного походження (якісна реакція на аскорбінову кислоту, на вітаміни В1, В6, РР)

Опитування, контроль виконання завдання

3-2

2.5 Жиророзчинні вітаміни.

2

14

Вивчення властивостей жиророзчинних вітамінів (вітаміну А, каротиноїдів, вітамінів Е, D, К).

Опитування контроль виконання завдання

3-2

Підсумок:

12

2

14

15-10

Разом:

28

6

14

33-22


Правила техніки безпеки для студентів, які працюють

у біохімічній  лабораторії

Під час роботи у лабораторії слід дотримуватися чистоти, гігієни й ладу. Ніякі речовини у лабораторії не можна куштувати. Категорично забороняється використовувати лабораторний посуд для їжі та пиття.

Досліди слід проводити лише у чистому посуді. Не дозволяється працювати у лабораторії ,якщо відсутні викладач або лаборант.

Забороняється залишати будь-які речовини в посуді без етикеток чи напису. Перед проведенням кожного досліду необхідно уважно прочитати етикетку, старанно оглянути апаратуру і посуд, а також переконатися, що всі хімічні реактиви, матеріали і розчини відповідають зазначеним у даній роботі.

Склянки з речовинами чи розчинами слід брати однією рукою за шийку, а другою підтримувати дно.

Пробірки і колби, в яких нагрівають рідини і тверді тіла, слід тримати похило, отвором від себе і товаришів.

Для відбору концентрованих кислот і лугів необхідно використовувати піпетки з грушами.

Не можна виливати до раковини концентровані розчини кислот і лугів. У таких випадках слід користуватися посудом для зливу. Під час роботи з ефіром, ацетоном та іншими вибуховонебезпечними речовинами необхідно дотримуватися надзвичайної обережності.

Досліди з легкозаймистими органічними речовинами слід проводити під тягою. Категорично забороняється в цей час користуватися у лабораторії вогнем.

Забороняється відганяти ефір та інші легкозаймисті речовини на відкритому вогні. З цією метою слід використовувати колби-нагрівачі з закритою спіраллю або водяні бані. Під час роботи на центрифузі не слід відчиняти кришку, поки ротор не зупиниться.

У разі зіпсованості електричної, газової чи водопровідної мереж, каналізації, лабораторної апаратури, приладів, аналітичних терезів, тяги слід негайно повідомити викладача чи лаборанта.

Залишаючи лабораторію, необхідно перевірити, чи закриті газові, водопровідні крани, чи вимкнуті електроприлади і погашене світло.

У кожній лабораторії мають бути захисні окуляри, маски, респіратори і засоби протипожежного захисту: ящик із піском, азбестова ковдра, наповнені вогнегасники.

У випадку виникнення пожежі слід повідомити чергового пожежної охорони, вжити необхідних заходів, надати першу допомогу потерпілим.

На доступному місці в лабораторії мають знаходитися медикаменти для надання першої медичної допомоги: спиртовий розчин таніну, водяні розчини перманганату калію, борної кислоти, гідрокарбонату натрію, йодний настій, вата, пластир, бинти, мазь від опіків.

Перша допомога при нещасних випадках у біохімічній лабораторії

При попаданні на шкіру концентрованого лугу вражену ділянку слід промити великою кількістю води, потім обробити 1%-м розчином оцту і знову промити великою кількістю води.

При опіках шкіри концентрованим розчином кислоти вражену ділянку промити водою, обробити 3%-м розчином гідрокарбонату натрію, а потім знову промити водою.

При попаданні кислоти або лугу в очі слід одразу промивати то одне око, то інше струменем води протягом 3...5 хвилин. Потім очі необхідно промити розчином гідрокарбонату натрію (при опіках кислотою) або розчином борної кислоти (при опіках лугом). Після цього необхідно негайно звернутися до лікаря.

При термічних опіках першого ступеня обпечене місце слід присипати двовуглекислим натрієм (питна сода), рисовим, картопляним крохмалем чи тальком; або зробити примочки водяним розчином етилового спирту, таніну або свіжо виготовленим 2%-м розчином NаНСО3 чи 5%-м КМnO4.

У випадку виникнення пожежі слід негайно виключити газ, вимкнути електроприлади, засипати піском або накрити азбестовою ковдрою. Сильне полум'я гасять за допомогою вогнегасників.

При займанні одягу потерпілого слід облити водою або обернути простирадлом.


Тема 1.1 Предмет і завдання біохімії. Хімічний склад організму

Біологічна хімія є науку про речовини, із яких складаються живі організми і про хімічні процеси життєдіяльності. Структуру, класифікацію і властивості речовин вивчає статична біохімія, а процеси перетворення цих речовин в організмі – динамічна біохімія. Біохімічні процеси, що відбуваються в окремих органах і тканинах, вивчає функціональна біохімія.

Біохімічні процеси і методи використовуються в різних галузях сільськогосподарського виробництва, харчової промисловості: у переробці рослинної і тваринної сировини, забезпеченні її збереження, захисту від псування готової продукції, у боротьбі з наслідками несприятливого впливу людини на навколишнє середовище.

Тіло людини складається з клітин. Вони об'єднанні у тканини, органи, системи, різні за складом і функціями, що зумовлюють єдність організму, як цілого, забезпечуються наявністю нейрогуморальної регуляції, яка складається з двох відділів: нервової і гуморальної систем.

Всі живі об'єкти складаються з неживих молекул, які поза клітиною підкоряються всім фізичним і хімічним законам. Живі організми володіють низкою особливих властивостей, які відсутні в скупченнях неживої матерії. Серед цих властивостей можна виділити чотири основних:

Складність і високий рівень організації. Живі організми містять численні хімічні сполуки різноманітної будови і володіють ускладненою внутрішньою структурою. Навпаки, навколишнє середовище – грунт, вода і ін. – це неврегульовані суміші відносно простих хімічних сполук.

Кожна складова частина живого об'єкту має спеціальне призначення і виконує певну функцію.

Видобування з навколишнього середовища енергії для побудови і підтримки своєї складної структури. При цьому як сировина використовуються прості хімічні сполуки.

Здібність до точного самовідтворення – це основоположна властивість життя й найдивовижніша властивість живого.

Тому можна сказати, що життя має макромолекулярну систему, що здійснює регульований обмін речовин і енергії, а також процес самовідтворення.

Мінімальна структурна одиниця цієї системи – клітина (Рис.1.1 ), в якій 6 обов'язкових надмолекулярних утворень або органел:

  •  Клітинна мембрана відмежовує вміст клітини від зовнішнього середовища і основна функція її є регуляція обміну речовин між клітиною та навколишнім середовищем.
  •  Мітохондрії – унікальні утворення, в яких відбувається запасання і вивільнення енергії хімічних зв'язків.
  •  Ядро – місце локалізації молекул-носіїв генетичної інформації (ДНК).

Рис. 1.1. Схема будови клітини: 1– мітохондрія; 2 – лізосома; 3 – вільні рибосоми; 4 – цитоплазматична мембрана; 5 – хлоропласт; 6 – ядро; 7 – ядерна мембрана; 8 – ядерце; 9 – ендоплазматичний ретикулум; 10 – апарат Гольджи.

  •  Рибосоми – органела, на якій реалізується генетична інформація шляхом синтезу біомолекул по матриці з ядра.
  •  Лізосоми містять усередині речовини (ферменти), що розщеплюють складні сполуки на простіші.
  •  Апарат Гольджі бере участь в утворенні лізосом і клітинних мембран.

Живі організми постійно взаємодіють із зовнішнім середовищем, одержуючи поживні речовини, що потім переробляються і виділяються з організму у вигляді продуктів обміну.

Усі процеси, що відбуваються в організмі, вимагають енерговитрат, які поповнюються за рахунок запасів поживних речовин у клітинах і їжі, що надходить в організм.

Харчування - постійно діючий фактор, що сприяє не тільки нормальному росту і розвитку організму, але і підвищує його захисні властивості. На сучасну людину впливають стреси, прискорений темп життя, гіподинамія, забруднення зовнішнього середовища і т.д., в цих умовах особливо велике значення має якісне харчування. Тим часом їжа в основному рафінована, із усякими добавками і консервантами. Значна частина населення світу недоїдає. Саме неправильне харчування «винне» у масовому поширенні так званих «хвороб цивілізації»: ожиріння, захворювань серцево-судинної системи, рака і ін.

В даний час відомо більш 60 харчових речовин, що повинні входити в раціон харчування як обов'язкові компоненти. Частина з них (білки, жири, вуглеводи, вітаміни) люди і тварини одержують у виді складних органічних сполук, що утворюються в рослинах з більш простих за рахунок сонячної енергії, що поглинається ними. Мінеральні речовини надходять в основному у виді простих сполук. Незамінною харчовою речовиною є вода.

У природі немає таких продуктів, що містили б усі харчові речовини в кількісних співвідношеннях, необхідних для нормального обміну речовин в організмі людини. Тільки шляхом сполучення різноманітних продуктів можна забезпечити організм усіма харчовими речовинами, яких він потребує.

До основних харчових речовин (нутрієнтів) відносяться білки, жири, вуглеводи, вітаміни і мінеральні речовини.

Білки. Це незамінні харчові речовини, які повинні надходити з їжею при кожному основному її прийомі. Вся життєдіяльність організму пов’язана з різними білками, що входять до складу клітин, де ці речовини виконують різноманітні функції.

Для визначення норм білків в раціоні велике значення має той факт, що вони в запас не відкладаються. При білковій недостатності в першу чергу знижується стійкість організму до шкідливих впливів, порушується ряд основних процесів обміну, що призводить до захворювань, нерідко із летальним виходом. В той же час великий вміст білку в раціоні впливає подразливо на нервову систему, призводить до перевантаження органів, безпосередньо пов’язаних з видаленням продуктів розпаду білкових речовин. Надлишок білку підвищує активність системи згортання крові, а також чутливість до алергенів, тобто підсилює реактивність організму по відношенню до різних речовин, в тому числі і до тих, що містяться в деяких харчових продуктах.

Не всі харчові білкі рівноцінні. Частина з них (головним чином рослинного походження) не може забезпечити нормальне функціонування організму, особливо, того, що зростає, так як вони не мають всього набору незамінних амінокислот.

Біологічно цінні білки містяться в м’ясі і субпродуктах, рибі і морепродуктах, сирі, яйцях, сої.

Вуглеводи – це харчові речовини, джерелами яких є рослини, що містять крохмаль, цукор (бурячний і молочний), глюкозу, фруктозу.

В організмі людини енергія з вуглеводів лігко вивільняється не тільки в умовах достатнього постачання тканин оксигеном, але і при його надлишку. Так, наприклад, під час виконання інтенсивної фізичної роботи кров не встигає повністю забезпечити м’язи оксигеном, і додаткова енергія виділяється за рахунок окиснення вуглеводів.

Деякі вуглеводи входять до складу мозку, сполучної тканини, слизів. Велике їх значення в захисних реакціях організму.

Ліпіди. Це складна група харчових речовин, які беруть участь в побудові структур клітинних оболонок (мембран), в утворенні гормонів (кори наднирок, статевих залоз, простагландинів) та інших процесах. Частина ліпідів в організмі не утворюється, тому вони повинні обов’язково надходити з їжею. До таких речовин відносяться деякі ненасичені жирні кислоти, зокрема незамінна для організму лінолева кислота, яка міститься в рослинних оліях (соняшниковій, кукурудзяній, соєвій, конопляній та ін.).

В тканинах жири окинлюються важче, ніж вуглеводи,  тому слід дотримуватися певного співвідношення даних харчових речовин: в раціоні на 1 г жирів повинно приходитись не менше 4 г вуглеводів.

Значно важливим, з точки зору раціонального харчування, є властивості жирів (особливо які містять насичені жирні кислоти) в тканинах. Жири «захоплюють» все нові ділянки, відкладаються в органах (наприклад, серці) і заважають їх нормальній діяльності. Заповнюючи клітину, жири відтісняють цитоплазму і ядро до периферії і знижують в них інтенсиність обміну речовин.

Вітаміни – низькомолекулярні органічні речовини, необхідні для життєдіяльності  організму. Вони беруть участь в процесах обміну речовин, розмноження і т.д. Добова потреба людини у вітамінах виражається в мінімальних дозах (мг, мкг). В зв’язку з тим, що в організмі вони не синтезуються або утворюються в недостатній кількості, їх відносять до незамінних факторів харчування. Основними джерелами вітамінів для людини служать продукти харчування рослинного і тваринного походження.

Порушення в забезпеченні організму вітамінами можуть проявитися у вигляді авітамінозу (практичної відсутності вітамінів), гіповітамінозу (недоліку вітамінів) і гіпервітамінозу (надлишкового накопичення якого-небудь вітаміну), кожен з яких має специфічні симптоми.

Класифікація вітамінів грунтується на їх здатності розчинятися у воді або жирах, в зв’язку з чим виділяють водо- і жиророзчинні вітаміни. В групу водорозчинних входять вітаміни В1, В2, В6, В12, С, РР, фолієва кислота та ін. До жиророзчинних відносяться вітаміни групи А, Д, Е, К, Ф. Найбільш дефіцитними вітамінами є А, В1, В2, С. Це зумовлено в основному тим, що вони легко руйнуються при зберіганні і технологічній обробці продуктів. Так, дефіцит вітамінів групи В пов’язаний з видаленням периферичної частини зерна (де вони містяться) в процесі виготовлення білого борошна, манної крупи, очищеного рису і інших продуктів.

Мінеральні речовини – незамінні фактори харчування, оскільки вони не синтезуються в організмі. Ці речовини необхідні для діяльності любої клітини, вони входять до складу ферментів, гормонів, беруть участь в побудові орга-ноїдів клітини, в м’язовому скороченні, проводимості нервових імпульсів, під-тримуванні осмотичного тиску і постійності рН внутрішнього середовища і т.д.

Харчові продукти містять різні мінеральні речовини: натрій, калій, кальцій, магній, залізо, мідь, цинк, марганець, хром, хлор, сірку, йод, фтор та ін. Вони входять до складу мінеральних солей і складних органічних сполук. Звичайно в харчовому раціоні недостає кальцію і заліза на відміну від натрію і фосфору, яких часто буває в надлишку. Джерело засвоюваного кальцію – молоко, молочні продукти; заліза – жовток яйця, печінка та інші продукти тваринного походження.

Мінеральні речовини, що входять до складу живих організмів, умовно поділяють на три групи: макро-, мікро- і ультрамікроелементи. До макроелементів відносять ті хімічні елементи, вміст яких перевищує 0,001 % (О, C, Н, Са, K, N, P, S, Mg, Na, Cl, Fe і ін.). Якщо вміст хімічного елемента в організмі складає від 0,001 до 0,000001 %, то його зараховують до мікроелементів (Сu, Мn, Co і ін.). Речовини, що знаходяться в ще менших кількостях, називають ультрамікроелементами (Pb, V, Au, Hg і ін.).

Характеристика окремих елементів.

Натрій – основний катіон позаклітинного відділу. Складає 0,08 % від маси тіла. Грає головну роль в підтримці осмотичного тиску. За відсутності або обмеженні в надходженні натрію в організм його виділення з сечею майже повністю припиняється. Всмоктується у верхньому відділі тонкого кишечнику за участю білків-переносників і вимагає затрати АТФ. Добова потреба варіює залежно від водно-сольового забезпечення організму. Депонується в шкірі і м'язах. Кишкова втрата натрію відбувається при діареях.

Біологічна роль натрію:

  •  бере участь у виникненні і підтримці електрохімічного потенціалу на плазматичних мембранах кліток;
  •  регулює стан водно-сольового обміну;
  •  бере участь в регуляції роботи ферментів;
  •  компонент K+ – Na+ насоса.

Хлор – найважливіший аніон позаклітинного простору. Складає 0,06% від маси тіла. Велика частина його міститься в шлунковому соку. Бере участь в підтримці осмотичної рівноваги. Активує амілазу і пептидазу. Всмоктується у верхніх відділах кишечника, виділяється в основному з сечею. Концентрація хлору і натрію звичайно змінюються паралельно.

Калій – складає 0,25% від маси тіла. Міститься у клітинах, де пов'язаний з вуглеводними сполуками і тільки 2%, від загальної кількості, у позаклітинному просторі. Всмоктується впродовж всього шлунково-кишкового тракту. Частина калію відкладається в печінці і шкірі, а інша надходить в загальний кровотік. Обмін дуже швидко протікає в м'язах, кишечнику, нирках і печінці. У еритроцитах і нервових клітинах обмін калію повільніший.

Біологічна роль: 

  •  грає провідну роль у виникненні і проведенні нервового імпульсу. необхідний для синтезу білків (на 1г білка – 20 міліграм іонів калія), АТФ, глікогену
  •  бере участь у формуванні потенціалу спокою.

Кальцій – позаклітинний катіон. Складає 1,9 % від маси тіла. Вміст підвищується в період росту або вагітності. Функціонує як складова частина опорних тканин або мембран, бере участь в проведенні нервового імпульсу і ініціації м'язового скорочення, є одним з факторів гемокоагуляції. Забезпечує цілісність мембран (впливає на проникність), оскільки сприяє щільній упаковці мембранних білків. Кальцій обмежено бере участь в підтримці осмотичної рівноваги. Разом з інсуліном активує проникнення глюкози в клітини. Всмоктується у верхньому відділі кишечнику. Ступінь його засвоєння залежить від рН середовища (солі кальцію в кислому середовищі нерозчинні). Жири і фосфати перешкоджають всмоктуванню кальцію. Для повного засвоєння з кишечнику необхідна наявність активної форми вітаміну Д3

Велика частина кальцію міститься в кістковій тканині (99%) у складі мікрокристалів карбонатапатита 3Са2(РО4)2 СаСО3 і гидроксилапатита 3Са2(РО4)2 СаОН. Загальний кальцій крові включає три фракції: білковозвязаний, іонізований і неіонізований (який знаходиться у складі цитрату, фосфату і сульфату).

Магній – складає 0,05% від маси тіла. У клітинах його міститься в 10 разів більше, ніж в позаклітинній рідині. Багато чого магнію в м'язовій і кістковій тканині, також в нервовій і печінковій. Утворює комплекси з АТФ, цитратом та деяких білків.

Біологічна роль:

  •  входить в склад майже 300 ферментів;
  •  комплекси магнію з фосфоліпідами знижують текучість клітинних мембран;
  •  бере участь в підтримці нормальної температури тіла;
  •  бере участь в роботі нервово-м'язового апарату.

Неорганічний фосфор – міститься переважно в кістковій тканині. Складає 1% від маси тіла. У плазмі крові при фізіологічних рН фосфор на 80 % представлений двовалентним і на 20 % одновалентним аніоном фосфорної кислоти. Фосфор входить до складу коферментів, нуклеїнових кислот, фосфопротеїнів, фосфоліпідів. Разом з кальцієм фосфор утворює апатити – основу кісткової тканини.

Мідь входить до складу багатьох ферментів і біологічно активних металопротеїнів. Бере участь в синтезі колагену і еластину. Є компонентом цитохрому транспортного ланцюга.

Сірка – складає 0,08% від маси тіла. Надходить до організму в зв'язаному вигляді у складі АК і іонів сульфату. Входить до складу жовчних кислот і гормонів. У складі глутадіону бере участь в біотрансформації отрут.

Залізо входить до складу залізовмісних білків і гема гемоглобіну, цитохромів та перексидаз.

Цинк – являється кофактором ряду ферментів.

Кобальт – входить до складу вітамінуВ2. 

Вода – важливий компонент харчового раціону. Зневоднення призводить до небезпечних наслідків самоотруєння організму внаслідок затримки видалення продуктів розпаду: при накопиченні в крові і тканинах вони стають токсичними.

Надлишок води веде до перевантаження серцево-судинної системи і системи виділення.

Смакові речовини. Своєрідний аромат і смак надають багатьом продуктам, в яких містяться складні органічні сполуки (ефірні олії). Вони збуджують апетит і посилюють виділення травних соків.

Деякі з цих сполук проявляють фітонцидні властивості: затримують або припиняють життєдіяльність мікрорганізмів. Фітонциди є в гірчиці, хроні, цибулі, часнику, петрушці, моркві та деяких інших рослинах. Більшість фітонцидів нестійкі і руйнуються при тепловій обробці, подрібненні або зберіганні продуктів.

Завдяки наявності речовин, що надають продуктам своєрідного смаку та запаху, такі продукти, які лавровий лист, кардамон, гвоздика, кориця, ванілін, кмин, каперси, укроп, м’ята, селера збуджують апетит.

На смакові якості їжі впливає наявність органічних кислот, що входять до складу ряду продуктів. Одні кислоти легко окиснюються в організмі, отже, вони є харчовими речовинами, інші – не засвоюються. До харчових кислот відносяться молочна, лимонна, винна, яблучна, оцтова. Вони стимулюють виділення травних соків.

Нехарчові речовини. Поряд з розглянутими групами речовин до складу продуктів рослинного і тваринного походження входить ряд хімічних сполук, які не є джерелами енергії, пластичного матеріалу тощо. Їх називають нехарчовими. До таких речовин відносяться харчові волокна (клітковина, пектин), біологічно активні речовини, а також хімічні забруднювачі, зокрема, нітрати, пестициді, гербіциди, що потрапляють в їжу із оточуючого середовища.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Хімічний склад організму

Мета заняття: вивчити хімічний склад організму людини.

План заняття

1.Ознайомити студентів з правилами техніки безпеки під час роботи у біохімічній лабораторії.

2.Ознайомити студентів із засобами першої допомоги у разі нещасних випадків, що трапляються  під час роботи в біохімічній лабораторії.

3. Визначити наявність вуглецю в органічних тканинах.

4. Визначити вміст азоту і сірки у тканинах організму людини.

5. Виявити вміст кальцію і фосфору в соляно-кислій витяжці з кістки.

  1.  Визначення наявності вуглецю в органічних тканинах.

Вуглець виявляється за потемнінням тканин під час спалювання органічних сполук концентрованою сірчаною кислотою.

Об'єкт дослідження:  1. Яєчний білок;

2. Сало;

3. Глюкоза.

Обладнання і посуд:  Чашки порцелянові.

Реактиви:    Сірчана кислота (концентрована).

Техніка виконання роботи

В одну порцелянову чашку кладуть шматок яєчного білка, в другу – сало, у третю – глюкозу. До кожного продукту додають по 1 мл концентрованої сірчаної кислоти. Спостерігають швидкість зміни забарвлення продуктів.

  1.  Визначення вмісту азоту і сірки у тканинах організму людини.

Азот визначають у вигляді аміаку, що утворюється під дією лугів на тканини під час нагрівання. Внаслідок летючості NН3 виявляють за запахом, а також за посинінням червоного лакмусового папірця, який вводять у випари, що виділяються під час нагрівання суміші у пробірці.

Наявність сірки виявляють за допомогою плюмбіту натрію, з яким під час

нагрівання вона утворює чорний осад РbS

Об'єкт дослідження: 1. Ніготь;

2. Світле волосся.

Обладнання і посуд:  1. Штатив з пробірками;

2. Нагрівальний прилад.

Реактиви: 1. Гідроксид натрію, 10 %-й розчин;

2. Плюмбіт натрію (утворюється під час додавання до 0,5 %-го розчину оцтовокислого свинцю 20 %-го розчину гідроксиду натрію до розчинення осаду гідрату окису свинцю);

3. Червоний лакмусовий папірець.

Техніка виконання роботи

А. Визначення вмісту азоту в тканинах.

До однієї пробірки кладуть кусочок нігтя, до другої – світле волосся, у кожну додають по 1…2 мл 10 %-го розчину NаОН і кип'ятять. До отвору пробірки притуляють лакмусовий папірець. Слідкують, чи з’явився запах аміаку, а також чи змінився колір лакмусового папірця.

Б. Визначення вмісту сірки в тканинах (Реакція Фоля).

У пробірки з нігтем і волосиною добавляють по 1 мл плюмбіту натрію. Спостерігають зміну забарвлення.

  1.  Виявлення кальцію і фосфору в солянокислій витяжці з кістки.

Об'єкт дослідження:  Солянокисла витяжка з кістки – кістка витримана в 0,5 %-ному розчині НСІ.

Обладнання і посуд: 1. Штатив з пробірками;

2. Нагрівальний прилад.

Реактиви:    1. Щавлевокислий амоній, 4 %-ний розчин;

2. Молібденовий реактив (до 7,5% - ного водневого розчину молібденовокислого амонію добавляють рівний об'єм 32%-го НNОз).

Техніка виконання роботи

А. Виявлення кальцію

У пробірку наливають 1 мл солянокислої витяжки з кістки, додають рівний об'єм щавелевокислого амонію. Спостерігають зміну прозорості розчину.

Б. Виявлення фосфору

У пробірку наливають І мл витяжки з кістки, додають рівний об'єм молібденового реактиву і нагрівають. Спостерігають появу жовтого осаду.

Контрольні запитання

  1.  З яких елементів складається клітина?
  2.  Які елементи клітини відповідають за унікальні утворення, в яких відбувається запасання і вивільнення енергії хімічних зв'язків?
  3.  Які елементи клітини відповідають за реалізацію генетичної інформації?
  4.  Які елементи входять до складу живої матерії в найбільшій кількості?
  5.  Що є джерелом пластичних і енергетичних ресурсів організму?
  6.  Які тканини багаті на сірку?
  7.  Які неорганічні і органічні речовини входять до складу організму?
  8.  Назвіть основні структури клітини і їх функції.
  9.  Опишіть будову цитоплазматичної мембрани і перелічте її функції.
  10.  Що таке обмін речовин?

Тема 1.2. Білки, амінокислоти: будова, властивості, біологічна роль. Класифікація.

1.2.1. Амінокислоти: будова, Класифікація, властивості, біологічна роль. 

Білки – полімери, що не розгалужуються, мінімальна структурна одиниця яких – амінокислота (АК). Амінокислоти з'єднані між собою пептидним зв'язком. У природі зустрічається значно більше АК, чим входить до складу білків тварин і рослин. У природі зустрічається близько 300 амінокислот, їх можна умовно розділити на дві групи:

1) вільні амінокислоти (непротеїногенні), що не беруть участь в утворенні білків. Так, безліч «небілкових» АК міститься в пептидних антибіотиках або є проміжними продуктами обміну білків.

2) протеїногенні, ковалентно зв'язані одна з одною у складі пептидів і білків.

Непротеїногенні амінокислоти більш різноманітні в порівнянні з протеїногенними.

До складу білків входить 20 АК у α-формі, розташованих в різній, але строго визначеної для кожного білка послідовності. Загальна структурна формула -амінокислот може бути представлена в наступному виді:

- Амінокислоти відрізняються одна від одної структурою і складом групи R (бічний ланцюг)

Амінокислоти класифікуються відповідно:

за хімічною будовою

  •  Аліфатичні – гліцин (Глі), аланин (Ала), валін (Вал), лейцин (Лей), ізолейцин (Ілей);
  •  Оксикислоти – серін (Сер), треонін (Тре);
  •  Дикарбонові – аспарагін (Асп), глутамін (Глу), аспарагінова кислота (Аск), глутамінова кислота (Глк);
  •  Двоосновні – лізин (Ліз), гістидин (Гіс), аргінін (Арг);
  •  Ароматичні – феніналанін (Фен), тирозин (Тир), триптофан (Три);
  •  Сіркоутримуючі – цистеін (Цис), метіонін (Мет).

За біохімічним призначенням:

  •  Глюкогенні – через ряд хімічних перетворень надходять на шлях гліколізу (окислення глюкози) – Глі, Ала, Тре, Вал, Аск, Глк, Арг, Гіс, Мет.
  •  Кетогенні – беруть участь в утворенні кетонових тіл – Лей, Ілей, Тир, Фен.

За харчовою цінністю:

  •  Незамінні – не синтезуються в організмі – Гис, Ілей, Лей, Ліз, Мет, Фен, Тре, Три, Вал, а у дітей – Арг, Гис.
  •  Замінні – інші.

За рахунок наявності в молекулі АК одночасно амінної і карбоксильної груп цим сполукам властиві кислотно-основні властивості. У нейтральному середовищі АК існують у вигляді біполярних іонів.

Фізико-хімічні властивості амінокислот. За хімічними властивостями амінокислоти, що мають у своєму складі амінні і карбоксильні групи, є амфотерними електролітами.

Таблиця 1.1

Класифікація протеїногенних амінокислот

Назва

Структура

Скорочена назва

1

2

3

I. Неполярні або гідрофобні амінокислоти

l. L-Аланін (α –амінопропіонова кислота)

Ала

(Ala)

2. L-Валін (α – аміноізовалеріанова кислота)

Вал

(Val)

3. L-Лейцин (α – аміноізокапронова кислота)

Лей

(Leu)

4. L-Ізолейцин (α-аміно-β-метилвалеріанова кислота)

Иле
(Ile)

5. L-Триптофан (α-аміно-β-індолілпропіонова кислота)

Три

(Try)

6. L-Пролін (пірролідин-α-карбонова кислота)

Про

(Pro)

7. L-Фенілаланін (α-аміно-β-фенілпропіонова кислота)

Фен

(Phe)

8. L-Метіонін (α-амино-γ-метилтіомасляна кислота)

Мет

(Met)

II. Полярні (гідрофільні) незаряджені амінокислоти

9. Гліцин (амінооцтова кислота)

Гли

(Gly)

10. L-Серин (α-аміно-β-оксипропіонова кислота)

Сер
(Ser)

11. L-Треонін (α-аміно-β-окси-масляна кислота)

Тре

(Thr)

12. L-Цистеїн (α-аміно-β-тіопропіонова кислота)

Цис

(Cys)

13. Цистин

Цит

(Cyt)

14. L-Тирозин (α-аміно-β-параоксифенілпропіонова кислота)

Тир

(Туr)


Продовження таблиці 1.1

1

2

3

15. L-Аспарагін (амід аспарагінової кислоти)

Асн

(Asn)

16. L-Глутамин (амід глутамінової кислоти)

Глн

(Gln)

III. Негативно заряджені (кислі) амінокислоти

17. L-Аспарагінова кислота (α-амінобурштинова кислота)

Асп

(Asp)

18. L-Глутамінова кислота (α-аміноглутарова кислота)

Глу

(Glu)

IV. Позитивно заряджені (основні) амінокислоти

19. L-Лізин (α, ε-диамінокапронова кислота)

Лиз

(Lys)

20. L-Аргінін (α-аміно-β-гуанідинвалеріанова кислота)

Арг

(Arg)

21. L-Гістидин (α-аміно-β-імідазолілпропіонова кислота)

Гис

(His)

Крім -аміно- і -карбоксильної груп, у загальному заряді молекули в складі кислих і основних амінокислот є ще і третя – іоногенна група в бічному ланцюзі. Такі амінокислоти несуть додатковий негативний або позитивний заряд. Біполярність молекул амінокислот обумовлює такі їхні властивості, як гарна розчинність у воді, високі значення діелектричних постійних і температури плавлення.

Функціональні групи амінокислот різноманітні, що дозволяє виявляти більшість їх за допомогою кольорових реакцій. Багатьох з них, дуже чуттєвих і специфічних, виявляють навіть в малих кількостях у складі складних сумішей, біологічній сировині рослинного і тваринного походження, білках. Реакція з нінгідрином лежить в основі кількісного визначення амінокислот і білків.

При взаємодії нінгідрину з -аміногрупою утворюється продукт синьо-фіолетового кольору з максимумом поглинання при 580 нм; інтенсивність фарбування при цьому пропорційна кількості амінокислоти. Амінокислота пролін дає з нінгідрином жовте фарбування (максимум поглинання при 440 нм). Цю реакцію використовують у різних видах хроматографії для ідентифікації і кількісного визначення амінокислот.

Аміногрупи амінокислот (пептидів, білків) можуть вступати в реакцію з карбонільними групами альдегідів і цукрами, що відновлюються. Це реакції меланоїдиноутворення.

Одержувані з амінокислот альдегіди мають приємний запах. Сполучення запахів різних альдегідів визначає аромат багатьох харчових продуктів. Фурфурол (оксиметилфурфурол) легко вступає в подальші реакції, утворюючи меланоїдини. Поява останніх обумовлює потемніння ряду продуктів при їхньому виготовленні і збереженні. Особливо інтенсивно протікають реакції меланоїдиноутворення при підвищенні температури: під час сушіння овочів, плодів, випічці хліба, жаренні горіхів, кави, консервуванні молока, виготовленні кондитерських виробів, солоду, цукрових розчинів, при тепловій обробці вина і т.п. 

Утворення пептидного зв'язку. Якщо карбоксильна група однієї АК ацилує аміногрупу іншої АК, то утворюється амідний зв'язок, який називають пептидним. Тому пептиди – це сполуки, які утворені з залишків -АК, з'єднаних між собою пептидним зв'язком.

Даний зв'язок достатньо стабільний і розрив його відбувається лише за участю каталізаторів – специфічних ферментів. За допомогою такого зв'язку АК об'єднуються в достатньо довгі ланцюжки, які носять назву поліпептидних.

Початком поліпептидного ланцюга прийнято вважати амінокислоту з вільною -аміногрупою (N – кінцева амінокислота), кінцем – амінокислоту з вільною карбоксильною групою (С – кінцева амінокислота). Найменування пептидів складається з назви першої амінокислоти з типовим для ацилів закінченням -іл, назва наступних амінокислот (також із закінченням -іл) і повної назви останньої амінокислоти (закінчення не змінюється). Наприклад, зображений нижче тетрапептид називається гліцил-аргініл-глутаміл-аланін, або скорочено Глі-Арг-Глу-Ала.

Поліпептиди, які здатні мимоволі формувати і утримувати певну просторову структуру, яка називається конформацією, відносять до білків. Стабілізація такої структури можлива лише при досягненні поліпептидами певної довжини. Тільки маючи певну просторову будову, білок може функціонувати.

біологічна роль окремих амінокислот

Гліцин або глікокол. Гліцин є попередником пуринового кільця гема крові і утворює так звані парні сполуки з жовчними кислотами, наприклад, холевою кислотою, він утворює глікохолієву кислоту, з бензойною кислотою – гіппурову кислоту.

Глікохолієва кислота бере участь у процесі засвоєння ліпідів, а у формі гіппурової кислоти з організму виводиться токсична бензойна кислота.

Як бічний ланцюжок він входить до складу циклічних амінокислот (фенілаланін, тирозин, гістидин, триптофан). Біологічна роль  визначається також наявністю його похідних: серин, цистеїн, цистін, треонін, метіонін.

Цистеїн. У тканинах організму легко здійснюється ферментативна окиснювально-відновна реакція, обумовлена наявністю в цистеїні реакційно здатної SH-групи. При цьому утворюється цистін.

Властивість даної амінокислоти окиснюватися додає їй захисні і радіопротекторні властивості. У присутності цистеїну знижується інтенсивність окисних процесів у ліпідах і білках, підвищується стійкість організму до іонізуючого випромінювання і стабілізується якість прийнятих лікарських препаратів. При участі двох залишків цистеїну в поліпептидних ланцюгах утворюються дисульфідні зв'язки, що обумовлюють біологічну активність або функціональні властивості білків у складі їжі. Особливо важливу роль дисульфідні зв'язки грають у білках пшениці, тому що вони додають клейковині пружні властивості.

Три амінокислоти – аргінін, гліцин і метіонін – беруть участь у синтезі креатину – сполуки, за допомогою якого в м'язовій тканині відбувається безперервний ресинтез макроерга АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти).

При участі креатину в організмі людини і тварин утворюється креатин- фосфат, що у міру необхідності віддає свою фосфатну групу молекулам АДФ, перетворюючись в креатинін:

Креатин і циклічний креатинін входять до складу м'ясного екстракту, їхнє співвідношення залежить від рН середовища і температури. Так, при нагріванні м'яса в кислому середовищі в екстракті переважає креатинін.

Амінокислоти цитруллін і орнітин беруть участь разом з аргініном у циклі утворення сечовини в людини і тварин.

Фундаментальну роль в обміні речовин живих організмів грають глутамінова і аспарагінова кислоти. Вони беруть участь у процесах розщеплення, синтезу і переносу активних груп, часто у формі амідів.

Глутамін, наприклад, є основною формою переносу аміаку в крові людини і разом з аспарагіновою кислотою служить попередником пиримідинового кільця нуклеотидів.

Реакції декарбоксилювання глутамінової кислоти з утворенням -аміномасляної кислоти, що відноситься до групи медіаторів центральної нервової системи, приділяється важлива роль в обміні речовин у мозку і нервовій тканині.

З обміном глутамінової кислоти тісно зв'язаний обмін проліну, що синтезується з неї в результаті відновлення проліндегідрогеназою. Пролін відіграє важливу роль у формуванні структури колагену і білків пшеничної клейковини, викликаючи вигини в поліпептидних ланцюгах.

У колагені, поряд із проліном, зустрічаються 4-оксипролін і 5-оксилізин, що утворюються за рахунок окиснювання відповідних амінокислот вже після включення в білок. Присутність оксипроліну в м'ясних і ковбасних виробах впливає на їхню якість і враховується при її оцінці.

Основна фізіологічна роль іншої сірковмісної амінокислоти – метіоніну зв'язана з наявністю лабільної метильної групи. Віддаючи групу -СН3 метіонін бере участь у синтезі гліцерофосфоліпідів. Фізіологічна роль амінокислоти серин полягає в тому, що у великій кількості входить до складу складних білків – фосфопротеїдів (казеїну молока і вітелліну яйця).

Серин, у свою чергу, синтезується з гліцину під дією ферменту, що містить тетрагідрофолієву кислоту (ТГФК).

Незамінна амінокислота триптофан служить попередником нікотинової кислоти, серотоніну і індолілоцтової кислоти – гормону росту рослин. Серотонін, володіючи судинозвужувальною дією, синтезується в клітинах кишечнику і нервової тканини.

Тирозин є відповідальним за пігментацію волосся, шкіри, очей, за темний колір харчових продуктів (наприклад, житнього хліба), тому що з його участю синтезуються темнозабарвлені пігменти – меланіни. Механізм реакції до кінця не вивчений, але відомі перші етапи їхнього синтезу. Під дією мідьвмісного ферменту тирозин перетворюється в диоксифенілаланін (ДОФА), що далі окиснюється, циклізується, утворюється індолхінон. Полімеризація останнього приводить до синтезу меланинів.

Утворення меланинів підсилюється під впливом ультрафіолетових променів (при засмазі) і може бути причиною злоякісних новоутворень. При спадкоємному захворюванні – альбінізмі, що характеризується відсутністю ферменту тирозинази, навпаки, не спостерігається пігментація шкіри, волосся. Тирозин утворюється з фенілаланіну.

З тирозину і триптофану, що містяться в їжі, при участі мікробних ферментів у кишечнику утворюються отрутні продукти – крезол, фенол, скатол, індол, знешкодження яких відбувається в печінці шляхом зв'язування із сірчаною або глюкуроновою кислотою з утворенням нетоксичних (парних) кислот, наприклад, фенол-сірчаної кислоти.

У результаті декарбоксилювання амінокислот в організмі утворюються деякі важливі біогенні аміни. Декарбоксилювання аспарагінової кислоти забезпечує синтез  аланіну, що є складовою частиною біологічно активних сполук – КоА й АПБ, а декарбоксилювання лізину й орнітину під впливом ферментів кишкової мікрофлори призводить до утворення отрутних діамінів - кадаверину і путресцину. У здоровому організмі обидва аміни цілком знешкоджуються в слизуватій оболонці кишечнику.

Частина амінокислот виконує роль медіаторів – речовин, що беруть участь у передачі нервових імпульсів від однієї нервової клітини до іншої. При роздратуванні нервових волокон медіатори реагують зі специфічним рецептором і забезпечують відповідну фізіологічну функцію: регуляцію сну, пильнування, серцево-судинну діяльність, терморегуляцію тіла. До медіаторів відносяться ацетилхолін, глютамінова і аспарагінова кислоти, гліцин, гістамін, серотонін, норадреналін та інші.

Таким чином, наведені відомості показують, яку велику роль грають амінокислоти в синтезі найважливіших фізіологічно активних сполук в організмі і забезпеченні деяких властивостей харчової сировини і продуктів.

Майже усі -амінокислоти, що надходять із травного тракту людини в кров'яне русло організму, перетерплюють ряд загальних перетворень, призначення яких полягає в забезпеченні пластичним матеріалом процесів синтезу білків і пептидів.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

«ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ АМІНОКИСЛОТ»

Мета заняття: вивчити загальні властивості амінокислот.

План заняття

1. Визначити наявність ά-аміногруп в амінокислотах за допомогою азотистокислого натрію та оцтової кислоти.

2. Визначити наявність ά-аміногруп в амінокислотах (по нінгідрину).

3. Визначити буферні властивості амінокислот.

4. Виявити пептидний зв’язок між амінокислотами.

  1.  Визначення наявності аміногрупи в  амінокислотах за допомогою азотистокислого натрію та оцтової кислоти

Об'єкт дослідження:  будь-яка амінокислота (5%-й розчин) або гідролізат якого-небудь білка;

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки на 2,5 мл – 3 шт.

Реактиви: 1. Азотистокислий натрій, 3 %-й розчин;

2. Оцтова кислота концентрована (льодяна) або H2SO4 1,5 %-й розчин;

Техніка виконання роботи

В одну пробірку наливають 1 мл розчину, що досліджується (амінокислота або білок). У другу – стільки ж води (контрольна проба). В обидві пробірки доливають рівний об'єм азотистокислого натрію та по1 мл оцтової або сірчаної кислоти. Суміш струшують. Порівнюють інтенсивність утворення бульбашок із газоподібного азоту в обох пробірках – (поодинокі бульбашки газу в контрольній пробі – це окиси азоту, що утворюються в результаті руйнування азотистої кислоти).

2. Дослідження наявності α- аміногрупи в  амінокислотах

Реакцією α-аміногрупи, що характерна та частіше всього застосовується, є нінгідринова реакція (для точного визначення зовсім незначних концентрацій амінокислот). Усі амінокислоти і пептиди, що містять ᾳ-аміногрупу, дають з нінгідрином синє забарвлення.

Об'єкт дослідження: Будь-яка амінокислота (5 %-й розчин) або гідролізат білка (10 %-й розчин).

Обладнання і посуд: 1. Нагрівальний прилад;

2. Штатив з пробірками;

3. Крапельниці.

Реактиви:    нінгідрин, 0,2 % - й спиртовий розчин.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 1 мл розчину, що досліджується, додають 1 мл нінгідрину. Суміш нагрівають до кипіння і дають остигнути. Спостерігають появу забарвлення.

3.Визначення буферних властивостей амінокислот.

Буферні властивості амінокислот визначають шляхом співставлення кількості лугу або кислоти, які потрібно додати до розчину цих речовин і до води, щоб змінити реакцію середовища на лужну або, відповідно, на кислу. Обидві рідини мають близькі вихідні значення рН. З метою визначити, як змінюється цей показник у лужну сторону використовують за індикатор фенолфталеїн, який набуває червоного забарвлення при рН 8,3..10. Зміна реакції середовища на кислу визначається за допомогою метилоранжу, для якого зона переходу жовтого забарвлення в нейтральному і слабкокислому середовищі на оранжеве відбувається при рН 4,4...3,1.

Об'єкт дослідження: Розчин будь-якої амінокислоти або гідролізату білків.

Обладнання і посуд:  1. Штатив з пробірками;

2. Піпетки на 2 мл з поділками.

Реактиви:    1. Гідрооксид натрію, 0,05 н розчин;

2. Соляна кислота 0,05 н розчин;

3. Фенолфталеїн, 0,1 %-й розчин у 50 %-му спир-товому розчині;

    4. Метилоранж, 0,1 %-й розчин.

Техніка виконання роботи

У дві пробірки наливають по 2 мл розчину амінокислоти або гідролізату білків, у дві інші - по 2 мл води. В одну пробірку з джерелом амінокислот і в одну з водою доливають по 1…2 краплі фенолфталеїну, після чого з допомогою NаОН доводять реакцію до слаболужної. Спостерігають, який об'єм лугу витрачений у кожній пробі для зміни рН на лужну.

До решти пробірок наливають по 1-й краплі метилоранжу і титрують НСl до появи оранжевого забарвлення. Відмічають, скільки витрачено НСl для зміни рН.

4. Виявлення пептидного зв'язку між амінокислотами.

У молекулах білків усі амінокислоти зв'язані пептидним зв'язком (первинна структура протеїнів). Пептидний зв'язок виявляється за допомогою біуретової реакції Піотровського по утворенню фіолетово-червоної сполуки груп (СООН) з міддю в сильно-лужному середовищі.

Об'єкт дослідження:  1. Яєчний білок, 1% - й розчин;

2. Молоко;

3. Желатин, 1 %-й розчин;

4 Глікоколь, 1 %-й розчин.

Обладнання і посуд:  1. Штатив з пробірками;

2. Піпетка на 1 мл;

3. Крапельниці.

Реактиви:    1. Гідроксид натрію, 10 % - й розчин;

2. Мідь сірчанокисла, 5 % - й розчин.

Техніка виконання роботи

В одну пробірку наливають 1 мл розчину яєчного білка, другу - стільки ж молока, у третю - желатину, у четверту - глікоколю. До кожної пробірки доливають рівний об'єм гідроксиду натрію, перемішують і додають по 1мл розчину сірчанокислої міді. Слід уникати надміру СuSO4, синій колір якого буде маскувати фіолетово-червоне забарвлення, яке свідчить про наявність пептидних зв'язків. Визначають зміну забарвлення в кожній пробірці.

5. Кількісне визначення ά-аміногруп формольним титруванням.

Кількісне визначення  α-аміногруп можливо виконати одночасно з визна-ченням карбоксильних груп титруванням, тому що кількість карбоксильних груп еквівалентна кількості пов'язаних з формальдегідом α-аміногруп.

Об'єкт дослідження: розчин будь-якої амінокислоти або гідролізат білка.

Обладнання і посуд:  1. Штатив з пробірками;

  2. Піпетки на 1; 5; 10 мл;

  3. Колби 100 мл.

Реактиви: 1. Гідрооксид натрію, 0,05 н розчин;

                 2. Фенолфталеїн, 0,1 % -й розчин у 50 % - му етанолі;

                 3. Формольна суміш;

                 4. Дистильована вода.

Техніка виконання роботи

Готують дві колби об'ємом 100 мл. До однієї вносять 40 мл розчину, який досліджується, до другої – 40 мл дистильованої води. Додають по 10 крапель розчину фенолфталеїну та розчин 0,05 н NаОН до появи ледве помітного рожевого кольору. Потім до обох колб додають по 10 мл формольної суміші та титрують з бюретки розчином гідроксида натрія до появи ледь помітного рожевого забарвлення. Колір контролю та розчину, який досліджується, повинен бути однаковим.

Масову концентрацію амінокислот (мг/мл) розраховують за формулою:

C = (A-B)fQ/V,

де А і В – об'єми розчину гідроксида натрія, що пішов на титрування проби та контролю відповідно (мл);

f – коефіцієнт поправки на титр 0,05 моль/л розчину гідроксида натрія;

Q – маса амінокислот, що еквівалентна 1 мл 0,05 моль/л розчину гідроксида натрія (0,7 мг);

V – об'єм розчину амінокислоти, що був взятий для аналізу.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3

«КОЛЬОРОВІ РЕАКЦІЇ НА АМІНОКИСЛОТИ»

Мета заняття: вивчити кольорові реакції на амінокислоти.

План заняття

1.Виявити наявність тирозину у складі різних білків за допомогою ксантопротеїнової реакції.

2.Виявити наявність триптофану у складі білків за допомогою реакції Адамкевича.

3.Визначити наявність метіоніну у складі білків.

4.Виявити наявність гістидину за допомогою реакції Ерліха.

Присутність білка можна виявити низкою кольорових реакцій. Ці реакції  зумовлені наявністю в молекулі білка тієї чи іншої амінокислоти або хімічного групування, яке вони утворюють. Тому кольорові реакції на білки використовують для доказу білкової природи речовини, вивчення амінокислотного складу різних природних білків і кількісного визначення в білках тієї чи іншої амінокислоти.

1.Виявлення тирозину у складі різних білків (ксантопротеїнова реакція).

Білки під час нагрівання з міцною азотною кислотою дають жовте забарвлення. Реакція зумовлена наявністю в білку ароматичних амінокислот, які зазнають нітрування азотною кислотою. Ці нітропохідні амінокислоти забарвлені у жовтий, а у лужному середовищі — в оранжевий колір (солі хіноїдної структури).

Об'єкт дослідження: 1. Яєчний білок;

2. Розчин желатину.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2.Піпетки;

3. Крапельниці;

4. Нагрівальний прилад.

Реактиви:   1. НNО3 концентрована;

2. NаОН, 30 % - й розчин.

Техніка виконання роботи

В одну пробірку вносять 1 мл  розчину яєчного білка, у другу – 1 мл желатину. Добавляють по 1 мл концентрованої НNОз і обережно (!) нагрівають. У разі появи жовтого забарвлення суміш охолоджують і додають розчин 30 %-й NаОН по краплинах до появи оранжевого забарвлення.

.

2.Виявлення триптофану в складі білків (реакція Адамкевича).

У разі додавання до нерозбавленого білка незначної кількості гліоксилової кислоти в присутності концентрованої Н2SO4 з’являється червоно-фіолетове забарвлення, зумовлене здібністю триптофану в кислому середовищі взаємодія-ти з альдегідами, даючи забарвлені продукти конденсації червоно-фіолетового кольору. Як джерело гліоксилової кислоти можна використати льодяну оцтову, в якій гліоксилова кислота завжди присутня в невеликій кількості.

Об'єкт дослідження: 1. Яєчний білок нерозбавлений або сироватка крові;

    2. Желатин, 1 %-й розчин.

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками;

2. Крапельниці;

3. Піпетки;

4. Нагрівальний прилад.

Реактиви:    1. Концентрована оцтова кислота;

2. Н2SO4  концентрована.

Техніка виконання роботи

У дві пробірки вносять по декілька краплин нерозбавленого яєчного білка (або сироватки крові) і розчину желатину. Добавляють до кожної по 1 мл концентрованої оцтової кислоти (діє, як водоотбираюча речовина) і нагрівають до розчинення осаду, що утворився. Після охолодження по стінці пробірки нашаровують 1 мл концентрованої Н2SO4. На межі двох рідин спостерігають появу червоно-фіолетового кільця при наявності триптофану.

3.Виявлення наявності метіонину у складі білків

Метіонин є важливим джерелом лабільних метільних груп. Вони  потрібні для синтезу ацетілхоліну, адреналіну, креатину та інших біологічно активних речовин. Метіонин відіграє важливу роль в обміні ліпідів, тобто стимулює їхнє окислення і, як наслідок, – зменшення кількості ліпідів у тканинах. Тому харчові джерела метіонину необхідні при захворюваннях печінки, пошкодженому жировому обміні, контакті з пошкоджуючими факторами.

При нагріванні метіонину з концентрованими лугами він руйнується з утворенням Na2S. При додаванні до нього оцтовокислого свинцю утворюється РbS чорного кольору.

Об'єкт дослідження:  1. Яєчний білок, 10 %-й розчин;

2. Желатин, 1 %-й розчин.  

 Обладнання і посуд: 1. Штатив з пробірками;

2.  Нагрівальний прилад.

 Реактиви:   1. Їдкий натрій, 30% - й розчин.

2. Оцтовокислий свинець, 5 % - й розчин.

Техніка виконання роботи

У першу пробірку наливають 1 мл яєчного білка, у другу – 1 мл розчину желатину. У кожну пробірку додають по 5…10 крапель 30 %-го NаОН і по 0,5 мл 5 %-го розчину (СНзСОО)2РЬ. Обидві проби нагрівають і спостерігають утворювання чорного осаду РЬS при наявності в складі білку амінокислот, що містять сірку.

4.Реакція Ерліха  на гістидин.

Під час змішування розчину № 1 (сульфанілова кислота в НС1) з розчином № 2 (NаNО2, водний розчин) і аміаком утворюється діазобензолсульфонова кислота, яка з гістидином дає вишнево-червоне забарвлення.

Об'єкт дослідження:  1. Яєчний білок , 10 %-ний розчин;

2. Желатин ,1 %-розчин.

Обладнання і посуд:   1. Штатив з пробірками.

Реактиви:   1. Розчин №1 ( сульфанілова кислота в НСІ);

2.Розчин №2 (NаNО2, водний розчин);   3. NаОН – 30 %-й розчин.

Техніка виконання роботи

У першу пробірку наливають 1 мл яєчного білка, у другу — 1 мл розчину желатину. В обидві пробірки додають по 1 мл реактиву № 1, по 2...3 краплі реактиву № 2 і NаОН – 30 %-й до лужної реакції. Спостерігають зміну забарвлення.

Контрольні запитання

1. Яка роль білків в організації і функціях живої матерії ?

2. Чим відрізняється елементарний склад білків від інших органічних речовин, що містяться в клітинах організму ?

3. Які є структурні одиниці білків, що зумовлюють їх різноманітність ?

4. Які функціональні групи характерні для всіх амінокислот ?

5. Чим зумовлено буферні властивості амінокислот ?

6. Який тип зв’язку між амінокислотами є характерним для білків ?

7. До водного розчину амінокислот доданий універсальний індикатор. Визначе-на кисла реакція. Яким амінокислотам властиві кислі реакції?

8. За допомогою відповідних реактивів в розчині білка визначена сірка. Які амінокислоти її містять?

9. Що таке незамінні амінокислоти і в яких продуктах вони містяться?

10. В чьому полягає біологічна роль гліцина?

11. В чьому полягає біологічна роль аргініна, гліцина і метіоніна?

12. В чьому полягає біологічна роль тирозина і триптофана

1.2.2 Білки: будова, Класифікація, властивості,

біологічна роль

Всі прояви життєдіяльності – подразнення, травлення, рух, розмноження та інші – пов'язані з білками, вони є незамінними структурними компонентами організму людини, тварин, рослин, мікроорганізмів.

Білки, які поступають з їжею до організму людини, перетравлюються в шлунково-кишковому тракті, перетворюючись на амінокислоти, з яких у тканинах утворюються власні білки з різними функціями: каталітичною (ферменти), захисною (імунні сполуки, антитіла та ін.), інформаційною, регуляторною (ряд гормонів), репродуктивною (разом з нуклеїновими кислотами), транспортною. Вони також беруть участь у багатьох інших життєво важливих процесах.

Функції білків:

  •  Структурна (пластична) – білками утворені багато клітинних компонентів, а в комплексі з ліпідами вони входять до складу клітинних мембран.
  •  Каталітична – всі біологічні каталізатори – ферменти по своїй хімічній природі є білками.
  •  Транспортна – білок гемоглобін транспортує кисень, низка інших білків, утворюючи комплекс з ліпідами, транспортують їх по крові і лімфі (наприклад: міоглобін, сироватковий альбумін).
  •  Механічна – м'язова робота і інші форми руху в організмі здійснюються при безпосередній участі скорочувальних білків з використанням енергії макроергічних зв'язків (наприклад актин, міозин).
  •  Регуляторна –низка гормонів і інших біологічно активних речовин мають білкову природу (наприклад інсулін).
  •  Захисна – антитіла (імуноглобуліни) є білки, крім того основу шкіри складає білок колаген, а волос – креатин. Шкіра і волосся захищають внутрішнє середовище організму від зовнішніх впливів. До складу слизу і синовіальної рідини входять мукопротеіди.
  •  Опорна – сухожилля, поверхні суглобів утворені в значній мірі білковими речовинами (наприклад колаген, еластин).
  •  Енергетична – амінокислоти білків можуть надходити до гліколізу, який забезпечує клітини енергією.
  •  Рецепторна – багато білків беруть участь в процесах виборчого впізнавання (рецептори).

Рівні організації білкової молекули. У сучасній літературі прийнято розглядати 4 рівні організації структури молекули білка.

Первинним рівнем (або структурою) – організації білкової молекули називають послідовність амінокислотних залишків, з'єднаних між собою пептидним зв'язком.

Вторинною структурою –  називають просторове розташування атомів головного ланцюга молекули білка. Утворюється і утримується в просторі за рахунок утворення водневих зв'язків між боковими угрупуваннями АК основного ланцюга.

Третинна структура – це властивий даному білку спосіб укладання поліпептидного ланцюга у просторі. Це основа функціональності білка. Вона забезпечує стабільність обширних ділянок білків, що складаються з безлічі амінокислотних залишків та бокових груп. Такі впорядковані в просторі ділянки білка формують активні центри ферментів або зони зв'язування. Пошкодження третинної структури приводить до втрати функціональної активності білка.

Стабільність третинної структури залежить в основному від не ковален-тних взаємодій всередині білкової глобули, а переважно водневих зв'язків і ван-дер-ваальсових сил. Але деякі білки додатково стабілізуються за рахунок таких ковалентних взаємодій як дисульфідні містки між залишками цистеіну.

Більшість білкових молекул мають ділянки як α-спіралі так і β-складчастості. Але частіше за формою третинної структури білки розділяють на глобулярні – які побудовані на основі α -спіралі і мають форму кулі або еліпса (більшість ферментів). І фібрилярні – що складаються на основі β-складчастості і які мають сплюснуту або ниткоподібну форми (пепсин, білки сполучної тканини і хряща).

Четвертинною структурою – називається розміщення в просторі взаємодіючих між собою субодиниць, утворених окремими поліпептидними ланцюгами. Тобто у формуванні четвертинної структури беруть участь не пептидні ланцюги, а глобули, які утворені з кожного з цих ланцюгів окремо. Четвертинна структура – це вищий рівень організації білкової молекули і він властивий далеко не всім білкам. Зв'язки, що формують цю структуру не ковалентні: водневі, електростатичної взаємодії.

Фізико-хімічні властивості білків

Розчини білка відносять до розчинів високомолекулярних систем які володіють низкою властивостей гідрофільних колоїдів: повільною дифузією – не здатні проникати через напівпроникні мембрани, високою в'язкістю – утворення драглів, опаслеценцією – розсіюють світло, дають конус Тіндаля.

1. Амфотерність пов'язана з наявністю в молекулі білка катинообра-зуючих груп – аміногруп і анінообразуючих – карбоксильних груп. Знак заряду молекули залежить від кількості вільних груп. Якщо мають перевагу карбоксильні групи то заряд молекули негативний (виявляються властивості слабої кислоти), якщо аміногрупи – то позитивний (основні властивості).

Заряд білка також залежить від рН середовища. У кислому середовищі молекула набуває позитивного заряду, в лужній – негативного.

Значення рН при якому число різнойменних зарядів в білковій молекулі однаково, тобто сумарний заряд рівний нулю називається ізоелектричною точкою даного білка. Стійкість білкової молекули до дії фізичних і хімічних факторів в ізоелектричній точці найменша.

Більшість природних білків містять значну кількість дикарбонових амінокислот і тому відносяться до кислих білків. Їх ізоелектрична точка лежить в слабокислому середовищі.

2. Розчини білків володіють буферними властивостями за рахунок їх амфотерності.

3. Розчинність. Оскільки молекула білка містить полярні аміно – і карбоксильні групи, то в розчині поверхневі залишки АК гідратуються – відбувається утворення коацервата.

4. Коацервація – злиття водних оболонок декількох часток, без об'єднання самих часток.

5. Коагуляція – склеювання білкових часток і випадання їх в осад. Це відбувається при видаленні їх гідратної оболонки. Для цього досить змінити структуру частинки білка, так, щоб її гідрофільні групи, які зв'язують воду розчинника, опинилися всередині частинки. Реакції осадження балка в розчині діляться на дві групи: зворотні (висолювання) і незворотні (денатурація).

6. Денатурацією називається суттєва зміна вторинної і третинної структури білка, тобто порушення системи нековалентних взаємодій, що не зачіпає його ковалентної (первинної) структури. Денатурація буває незворотною й зворотною. Денатурований білок позбавлений всякої біологічної активності в клітині і в основному використовується як джерело амінокислот. Денатуруючими агентами можуть бути хімічні фактори: кислоти, луги, що легко гідратують солі, органічні розчинники, різні окислювачі. До фізичних факторів можуть бути віднесені: дія високого тиску, багатократне заморожування і відтаювання, ультразвукові хвилі, УФ-лучі, іонізуюча радіація. Та найбільш поширеним фізичним фактором денатурації білка є підвищення температури. Така денатурація називається незворотною.

Денатурація білка яка відбувається при розтиранні сухих препаратів, енергійному струшуванні розчинів, збиванні, ліофілізації білків (висушування у вакуумі шляхом сублімації вологи з замороженого стану) – називається зворотною.

Класифікація білків

За розчинністю: водорозчинні, сольоворозчинні, спирторозчинні, нерозчинні і ін.

По конформаційній структурі: фібрілярні, глобулярні.

По хімічній будові: прості білки – протеїни – складаються тільки з амінокислот, складні білки – протеїди – крім АК мають в складі небілкову частину (вуглеводи, ліпіди, метали, нуклеїнові кислоти)

Протеїни:

1. Альбуміни – розчинні у воді, не розчинні у концентрованих. сольових розчинах  рН = 4,6…4,7. Існують альбуміни молока, яєць, сироватки крові.

2. Глобуліни – не розчинні у воді, розчинні у сольових розчинах. Імуноглобуліни.

3. Гистони – розчинні у воді, у слабоконцентрованих кислотах. Володіють вираженими основними властивостями. Це ядерні білки, вони пов'язані з ДНК і РНК.

4. Склеропротєїни – білки опорних тканин (хрящів, кісток), шерсті, волосся. Не розчинні у воді, слабких кислотах і лугах.

а) колагени –фібрілярні білки сполучної тканини. При тривалому кип’ячені вони розчиняються у воді і при застиганні утворюється желатин.

б) еластини – білки зв'язок і сухожиль. По властивостях схожі на колаген, але піддаються гідролізу під дією ферментів травного соку;

в) кератин – входить до складу волосся, пір'я, копит;

г) фиброін – білок шовку, в своєму складі містить багато серину;

д) проламіни і глютеніни – білки рослинного походження.

Протеїди 

Ці білки залежно від її хімічної природи простетичної групи класифікуються на:

1. Нуклеопротєїди – простетична група – нуклеїнові кислоти. Серед численних класів нуклепротеідів найбільш вивченими є рибосоми, що складаються з декількох молекул РНК і рибосомних білків, і хроматин – який складається з ДНК і структурообразуючих білків – гістонов (містяться в клітинному ядрі і мітохондріях).

2.– Гемопротєїди – небілковий компонент цих протеїдів – гем, побудований з чотирьох пирольних кілець, з ними пов'язаний іон двовалентного заліза (через атом азоту). До таких білків відносяться: гемоглобін, міоглобін, цитохроми. Цей клас білків ще називають хромопротеіди, оскільки гем є забарвленим з'єднанням. Гемоглобін – транспортує кисень. Міоглобін – запасання кисню в м'язах. Цитохроми  (ферменти) – каталіз окислювально-відновлювальних реакцій і електронний транспорт у дихальному ланцюзі.

3.– Металлопротєїди – до складу простетичної групи входять метали. Хлорофіл – містить гем, але в ньому замість заліза знаходиться магній. Цитохром – містить мідь.

4.–Ліпопротєїди – містять ліпіди. Вони входять до складу клітинних мембран.

5.– Фосфопротєїди – крім білка містять залишок фосфорної кислоти.

6.– Глюкопротєїди – крім білка містять вуглеводи.

Біологічна цінність білків

Білки - найважливіші компоненти харчування. Здатність білка виконувати функцію харчування характеризує його біологічну цінність. Ефективність споживання білкових речовин людиною визначається двома основними факторами: збалансованістю вмісту незамінних амінокислот у білку і його засвоюваністю. Якщо не задовольняється потреба в одній з незамінних амінокислот, то обмежується використання інших, і, отже, знижується цінність білка в цілому. Незамінна амінокислота, що знаходиться в білку в мінімальній кількості, називається  лімітуючою амінокислотою, тому що вона найбільшою мірою зменшує біологічну цінність даного білка.

Збагачення харчових білкових продуктів відсутніми амінокислотами застосовується в харчуванні людини у виняткових випадках. Однак додавання синтетичних амінокислот до кормів тварин є звичайною справою. Подібним чином в усім світі готують кормові суміші для домашніх птахів, свиней, корів, що дозволяє більш ощадливо витрачати корми. Відомо, що добавки цих амінокислот поліпшують утилізацію білка тваринами приблизно на 20 %.

Біологічна цінність білка виражається у відносних величинах. Вона являє собою відношення досліджуваного параметра даного білка до подібного ж параметра «ідеального» білка. У якості останнього використо-вують казеїн молока, білок яєць, суміш м'язових білків, що легко переварюються і містять незамінні амінокислоти в співвідношеннях, близьких до еталонних. Біологічна цінність даного білка в порівнянні з еталонними показує, наскільки він здатний задовольняти потреби організму в амінокислотах. Для оцінки якого-небудь білка або харчового продукту необхідні дані про вміст у ньому окремих амінокислот, тобто  його амінокислотний склад.

Частина рослинних білків (бобові) за своїм амінокислотним складом і біологічною цінністю близька до тваринних. Однак білки насіння більшості сортів зернових (рис, овес) дефіцитні за двома, а частіше (пшениця, кукурудза й ін.) за трьома і чотирьма незамінними амінокислотами. Основною лімітуючою амінокислотою білків зернових культур є лізин. Лімітуючі амінокислоти білків зернових різні в насінні різних культур: у пшениці, рисі і житі – треонін, у кукурудзі – триптофан і т.д. Білки бобових культур відрізняються кращою збалансованістю незамінних амінокислот, що містяться в них, у порівнянні з білками злакових.

У тваринних білків дефіцит незамінних амінокислот виражений слабко. Деяким з них (білки молока, м'яса, субпродуктів) властивий недолік сірковміс-них амінокислот. У цілому для тваринних білків більш характерний надлиш-ковий в порівнянні з потребами організму вміст ряду незамінних амінокислот.

У харчуванні більшої частини населення земної кулі наявний дефіцит трьох незамінних амінокислот: лізину, триптофану і метіоніну. Різний амінокислотний склад рослинних і тваринних білків дозволяє підвищити їхню біологічну цінність при споживанні необхідної кількості різноманітної білкової їжі. Тільки таке харчування можна назвати повноцінним.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4

«ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІЛКІВ»

Мета заняття: вивчити фізико-хімічні властивості білків.

План заняття

1.Визначити вплив азотної кислоти на розчин білку.

2.Провести осадження білків органічними кислотами.

3.Осадити білки іонами важких металів.

4.Провести осадження білків органічними розчинниками.

5.Осадити білки хлоридом натрію.

6.Провести висолювання білків сірчанокислим амонієм.

І. Визначення впливу азотної кислоти на розчини білків.

 

Об'єкт дослідження:  Яєчний білок, 10 %-й розчин;

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки на 1...2 мл;

3. Крапельниця.

Реактиви:  Азотна кислота 30%, приготовлена на насиченому розчині хлористого натрію.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 2 мл азотної кислоти і під кутом 45° обережно по стініці приливають піпеткою розчин білка. На межі обох рідин з'являється біле кільце коагульованого білка.

До суміші кислоти і білка додають воду і впевнюються в незворотності осаджування. Виявлено, що біле кільце на межі кислоти і розчину білка з'являється при його концентрації 0,0033 %. Даний метод використовується для кількісного визначення білка в сечі. Якщо в ній виявлено білок, то цю рідину розбавляють до найменшої концентрації, при якій кільце утворюється. Помножуючи 0,0033 % на розбавлення, знаходять кількість білка в сечі.

2. Осадження білків органічними кислотами.

Об'єкт дослідження: Яєчний білок, 10%-й розчин.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки на 1...2 мл;

3. Крапельниці.

Реактиви:   1. Трихлороцтова кислота, 10%-й розчин;

2. Сульфосаліцилова кислота, 10%-й розчин.

Техніка виконання роботи

У дві пробірки вносять по 2 мл розчину яєчного білка. В першу додають 1 мл розчину трихлороцтової кислоти, в другу – 1 мл розчину сульфосаліцилової кислоти. В обох пробах спостерігають появу осаду білку.

3.Осадження білків іонами важких металів

Об’єкт дослідження: Яєчний білок.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки на 1...2 мл;

3. Крапельниці.

Реактиви:   1. СuSO4, 5%-й розчин;

2. Ацетат свинцю, 5%-й розчин.

Техніка виконання роботи

В дві пробірки вносять по 2 мл розчину яєчного білку. В першу додають 1 мл розчину сірчанокислої міді, в другу – 1 мл ацетата свинцю. Спостерігають утворення осаду: в першій пробірці – блакитного кольору, в другій – білого кольору. При додаванні надлишка розчинів сульфата міді та ацетата свинцю спостерігають зникнення осаду внаслідок його розчинення.

4.  Осадження білків органічними розчинами.

Об'єкт дослідження: Яєчний білок.

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки на 1 ...2 мл;

3. Крапельниці.

Реактиви:   1. Етиловий спирт, 96%-й ;

2. Ацетон, 5%-й розчин.

Техніка виконання роботи

У дві пробірки вносять по 2 мл яєчного білку. У першу додають 1 мл розчину етилового спирту, у другу – 1 мл розчину ацетону. Спостерігають помутніння розчинів.

.

5. Осадження білків хлоридом  натрію.

Об'єкт дослідження: Яєчний білок.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки на 1... 2 мл;

3. Крапельниці.

Реактиви:   1. Хлорид натрію;

2. Оцтова кислота, концентрована.

Техніка виконання роботи

У пробірку вносять 3 мл розчину яєчного білка та хлорид натрію до повного насичення. Спостерігають випадіння в осад глобулінів. Суміш фільтрують крізь паперовий фільтр. У фільтраті будуть альбуміни. Якщо до фільтрату додати 1 мл розчину оцтової кислоти і нагріти суміш до кіпіння на водяній бані, то альбуміни випадуть в осад.

6. Висолювання білків сірчанокислим амонієм.

При дії насиченого розчину сірчанокислого амонію відбувається дегідратація молекул білків і вони коагулюють, оскільки знижується захисна оболонка, яка складається з диполів води. Після розведення водою суміші білків і сірчанокислого амонію знову утворюється їх розчин. Осаджування різних білків починається при неоднаковій концентрації сірчанокислого амонію, а альбумінів – при повному насиченні ним. За допомогою висолювання можна розділити суміш різних білків.

Об'єкт дослідження: Яєчний білок.

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками;

2. Воронки;

3. Піпетка на 2 мл;

4. Фільтр.

Реактиви:    1. Сірчанокислий амоній - насичений розчин;

2. Сірчанокислий амоній кришталевий.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 2 мл розчину яєчного білка, доливають рівний об'єм насиченого розчину сірчанокислого амонію і перемішують. Випадають в осад глобуліни, альбуміни залишаються в розчині. Осад фільтрують крізь бумажний фільтр. Потім до фільтрату додають кристалевий сірчанокислий амоній до появи мутності. Енергійно струшують пробірку для розчинення солі (остання порція солі вже не розчиняється). Переконавшись в коагуляції альбумінів, додають воду і спостерігають, чи станеться розчинення осаду.

П р и м і т к а. З фільтратом можна провести біуретову реакцію на наявність білків. Якщо відбулось повне осадження білків, то реакція повинна бути негативною.

7. Осадження казеїну.

До складу молока входять різні білки: казеїни, лактоглобуліни. альбуміни. За кількістю переважає казеїн. У нейтральному середовищі вони не коагулюють при кип'ятінні, хоча і денатурують. Осадження казеїнів відбувається під впливом молочної кислоти, що утворюється під дією мікроорганізмів у процесі скисання молока. При коагуляції білків молока хлористим кальцієм в осад переходять усі їх фракції. Такий метод використовують, коли готують прісний сир з молока для дітей на молочних кухнях, а також білок молочний харчовий з пахти (відходи, що залишаються при виготовлені масла). Ці продукти в 4-5 разів багатші на кальцій та фосфор, ніж кисломолочний сир.

Об'єкт дослідження: Молоко.

Обладнання і посуд:  1. Нагрівальний прилад;

2. Штатив із пробірками;

3.Крапельниця.

Реактиви:    кальцій хлористий, 10 % - й розчин.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають близько 2 мл молока і доводять його до кипіння, потім додають 5...6 крапель хлористого кальцію, спостерігають появу осаду.

8. Осадження білків молока ацетоном (використовується для вивчення свіжості молока)

Ацетон у нерозбавленому вигляді, визиваючи дегідратацію білків, осаджує їх із розчину. Наполовину розбавлений ацетон не викликає коагуляції білків молока. У разі накопичення в молоці кислот стійкість білків почне знижуватись і додавання 50 %-го розчину ацетону викликає їх коагуляцію. Це відбувається при такій кількості кислот у молоці, яка ще не відчувається на смак. Проба з ацетоном використовується для визначення свіжості молока, що особливо важливо для підприємств харчування, які обслуговують дітей, а також для дієтичних їдалень.

Об'єкт дослідження:  Молоко свіже.

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками;

2. Циліндр на 10 мл.

Реактиви;   1. Ацетон, 50 %-й розчин;

2. Буфер, рН якого дорівнює 5,0 (змішують 10,3 мл 0,2 М розчину  Na2НР04 • 2Н2О із 9,70 мл 0,1 М лимонної кислоти С6Н8О7).

3. Папір індикаторний універсальний.

Техніка виконання роботи

У дві пробірки наливають по 2 мл молока, в одну з них додають рівний об'єм лимоннокислого буфера, доводячи рН суміші до 5,0 (контролюють за допомогою індикаторного папірця). Струшуючи цю пробірку, переконуються у відсутності на стінках коагулянту (крихти на стінках пробірки). Потім в обидві пробірки доливають по 2 мл ацетону, енергійно струшують, спостерігають появу згустків на стінках пробірки.

Контрольні запитання

  1.  Що таке білки і яки їх функції в організмі?
  2.  Перелічте властивості білків.
  3.  Яке структурне і функціональне значення гідрофобних, кислих і основних, сульфгідрильних груп в білках?
  4.  Білки підлягали згорянню, після чого в мінералізаті винайшли залізо. Які білки містять цей елемент?
  5.  Які класифікації амінокислот Вам відомі?
  6.  Що таке незамінні амінокислоти і в  яких продуктах вони містяться?
  7.  В суміші амінокислот після гідролізу казеїну за допомогою відповідних реактивів винайдено гідрофільні групи. Які амінокислоти містять їх? Напишіть їх формули.
  8.  До водного розчину амінокислот доданий універсальний індикатор. Визначена кисла реакція. Яким амінокислотам властиві кислі реакції? Напишіть їх формули.
  9.  За допомогою відповідних реактивів в розчині білка визначена сірка. Які амінокислоти її містять? Напишіть їх формули.
  10.  Розкажіть про класифікацію білків.
  11.  Від чого залежить біологічна цінність білків?

Тема 1.3 Ферменти; будова, властивості, класифікація. Біологічне окиснення

Обмін речовин в організмі живої істоти можна визначити як сукупність всіх хімічних перетворень, яким піддаються сполуки, що надходять ззовні. Ці перетворення включають всі відомі види хімічних реакцій: міжмолекулярне перенесення функціональних груп, гідролітичне і не гідролітичне розщеплювання хімічних зв'язків, внутрішньомолекулярну перебудову та новоутворення хімічних зв'язків і окислювально-відновні реакції. Такі реакції протікають в організмі з надзвичайно великою швидкістю тільки у присутності каталізаторів. Всі біологічні каталізатори є речовини білкової природи і носять назви ферменти або ензими.

Ферменти не являються компонентами реакцій, а лише прискорюють досягнення рівноваги збільшуючи швидкість як прямого, так і зворотного перетворення. Прискорення реакції відбувається за рахунок зниження енергії активації того енергетичного бар'єру, який відокремлює один стан системи (початкову хімічну сполуку) від іншого (продукт реакції).

Ферменти прискорюють самі різні реакції в організмі. Так достатньо проста з погляду традиційної хімії реакція відщеплення води від вугільної кислоти з утворенням СО2 вимагає участі ферменту, оскільки без нього вона протікає дуже повільно ця реакція важлива для регулювання рН крові. Завдяки каталітичній дії ферментів в організмі стає можливим протікання таких реакцій, які без каталізатора йшли б в сотні і тисячі разів повільніше.

Властивості ферментів

1. Вплив на швидкість хімічної реакції: ферменти збільшують швидкість хімічної реакції, але самі при цьому не витрачаються.

Швидкість реакції – це зміна концентрації компонентів реакції в одиницю часу. Якщо вона йде в прямому напрямі, то пропорційна концентрації реагуючих речовин, якщо в зворотному – то пропорційна концентрації продуктів реакції. Відношення швидкостей прямої і зворотної реакцій називається константою рівноваги. Ферменти не можуть змінювати величини константи рівноваги, але стан рівноваги у присутності ферментів настає швидше.

2. Специфічність дії ферментів. У клітинах організму протікає 2-3 тис. реакцій, кожна з яких каталізується певним ферментом. Специфічність дії ферменту – це здатність прискорювати протікання однієї певної реакції, не впливаючи на швидкість інших, навіть дуже схожих.

Розрізняють види специфічності

Абсолютну – коли фермент каталізує лише одну певну реакцію (аріназа– розщеплювання аргініну)

Відносну – фермент каталізує певний клас реакцій (напр. гідролітичне розщеплювання) або реакції за участю певного класу речовин.

Специфічність ферментів обумовлена їх унікальною амінокислотною послідовністю, від якої залежить конформація активного центру, що взаємодіє з компонентами реакції.

Речовина, хімічне перетворення якої каталізується ферментом носить назву субстрат.

3. Активність ферментів – здатність різною мірою прискорювати швидкість реакції.

Активність залежить в першу чергу від температури. Найбільшу активність той або інший фермент проявляє при оптимальній температурі. Для ферменту живого організму це значення знаходиться в межах (37,0…39,0)С, залежно від виду тварини. При пониженні температури, сповільнюється броунівський рух, зменшується швидкість дифузії і, отже, сповільнюється процес утворення комплексу між ферментом і компонентами реакції (субстратами). В разі підвищення температури вищі (40,0…50,0)С молекула ферменту, яка являється білком, піддається процесу денатурації. При цьому швидкість хімічної реакції помітно падає (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Залежність швидкості реакції, яку каталізує фермент, від температури. Максимальна швидкість відповідає температурі тіла людини (фермент організму людини).

Активність ферментів залежить також від рН-середовища. Для більшості з них існує певне оптимальне значення рН, при якому їх активність максимальна. Оскільки в клітині містяться сотні ферментів і для кожного з них існують свої межі оптимуму рН-середовища, тому зміна рН це один з важливих чинників регуляції ферментативної активності. Так, в результаті однієї хімічної реакції за участю певного ферменту рН оптімум якого лежить в межах 7.0…7.2 утворюється продукт, який є кислотою. При цьому значення рН зміщується в область 5,5 – 6.0, активність ферменту різко знижується, швидкість утворення продукту  сповільнюється, але при цьому активізується інший фермент, для якого ці значення рН оптимальні і продукт першої реакції піддається подальшому хімічному перетворенню. (Або наприклад: пепсин і трипсин).

Хімічна природа ферментів. Будова ферменту.

Всі ферменти це білки з молекулярною масою від 15 000 до декількох млн. Да. По хімічній будові розрізняють прості ферменти (складаються тільки з АК) і складні ферменти (мають небілкову частину або простатичну групу). Білкова частина носить назву – апофермент, а небілкова, якщо вона пов'язана ковалентно з апоферментом, то називається кофермент, а якщо зв'язок нековалентний (іонний, водневий) – кофактор. Функції простотичної групи: участь в акті каталізу, здійснення контакту між ферментом і субстратом, стабілізація молекули ферменту в просторі.

В ролі кофактора звичайно виступають неорганічні речовини – іони цинку, міді, калія, магнію, кальцію, заліза, молібдену.

Коферменти можна розглядати як складову частину молекули ферменту. Це органічні речовини, серед яких розрізняють: нуклеотіди (АТФ,УМФ і ін.), вітаміни або їх похідні (ТДФ – з тіаміну (В1), ФМН – з рибофлавіну (В2), коэнзим А – з пантотенової кислоти (В3), НАД і ін.) і тетрапиррольні коферменти – геми.

В процесі реакції каталізу в контакт з субстратом вступає не вся молекула ферменту, а певна її ділянка, яка називається активним центром. Ця зона молекули не складається з послідовності амінокислот, а формується при скручуванні білкової молекули в третинну структуру. Окремі ділянки амінокислот зближуються між собою, утворюючи певну конфігурацію активного центру. Важлива особливість структури активного центру – його поверхня комплементарна поверхні субстрату, тобто залишки амінокислот цієї зони ферменту здатні вступати в хімічну взаємодію з певними групами субстрату. Можна уявити, що активний центр ферменту співпадає із структурою субстрату як ключ і замок.

У активному центрі розрізняють дві зони: центр зв’язування, відповідальний за приєднання субстрату, і каталітичний центр, що відповідає за хімічне перетворення субстрату. До складу каталітичного центру більшості ферментів входять такі амінокислоти, як Сер., Цис, Гис, Тир, Ліз. Складні ферменти в каталітичному центрі мають кофактор або кофермент.

Крім активного центру ряд ферментів забезпечений регуляторним (алостеричним) центром. З цією зоною ферменту взаємодіють речовини, що впливають на його каталітичну активність.

Механізм дії ферментів

Реакція каталізу складається з трьох послідовних етапів.

Утворення фермент-субстратного комплексу при взаємодії через активний центр.

Зв’язування субстрату відбувається в декількох точках активного центру, що приводить до зміни структури субстрату, його деформації за рахунок зміни енергії зв'язків в молекулі. Це друга стадія і називається вона активацією субстрату. При цьому відбувається певна хімічна модифікація субстрату і перетворення його в новий продукт або продукти.

В результаті такого перетворення нова речовина (продукт) втрачає здатність утримуватися в активному центрі ферменту і фермент-субстратний, вірніше вже фермент-продуктний комплекс дисоціює (розпадається).

Ферментативні регулятори – це речовини, що змінюють швидкість ферментативного каталізу і регулюючі за рахунок цього метаболізм. Серед них розрізняють інгібітори - уповільнюючи швидкість реакції і активатори - прискорюючи ферментативну реакцію.

Залежно від механізму гальмування реакції розрізняють конкурентні і неконкурентні інгібітори. Будова молекули конкурентного інгібітору схоже із структурою субстрату і співпадає з поверхнею активного центру як ключ із замком (або майже співпадає). Ступінь цієї схожості може навіть бути вище чим з субстратом.

Другий вид інгібіторів – неконкурентні. Вони взаємодіють з ферментом поза активним центром і надлишок субстрату не впливає на їх здатність інгібірування, як у випадку з конкурентними інгібіторами. Ці інгібітори взаємодіють або з певними групами ферменту або, найчастіше, з регуляторним центром, що знижує зв’язуючу здатність активного центру. Власне процес –- це повне або часткове придушення активності ферменту при збереженні його первинної і просторової структури.

Розрізняють також зворотне і незворотне інгібірування. Незворотні інгібітори інактивують фермент, утворюючи з його амінокислотами або іншими компонентами структури хімічний зв'язок. Звичайно це ковалентний зв'язок з| однією з ділянок активного центру. Такий комплекс практично не дисоціюють у фізіологічних умовах. У іншому випадку інгібітор порушує конформаційну структуру молекули ферменту – викликаючи його денатурацію.

Дія зворотних інгібіторів може бути відбуватися при надлишку субстрату або під дією речовин, що змінюють хімічну структуру інгібітору. Конкурентні і неконкурентні інгібітори відносяться в більшості випадків до оборотних.

Крім інгібіторів відомі ще активатори ферментативного каталізу, вони захищають молекулу ферменту від інактиваційних дій; утворюють із субстратом комплекс, який активніше зв'язується з активним центром ферменту, а також взаємодіючи із ферментом, що має четвертинну| структуру, роз'єднують його субодиниці і тим самим відкривають доступ субстрату до активного центру.

Розподіл ферментів в організмі

Ферменти, що беруть участь в синтезі білків, нуклеїнових кислот і ферменти енергетичного обміну присутні у всіх клітинах організму. Але клітини, які виконують спеціальні функції, містять і спеціальні ферменти. Так клітини острівців Лангерганса в підшлунковій залозі містять ферменти, що каталізують синтез гормонів інсуліну і глюкогону. Ферменти, які властиві тільки клітинам певних органів називають органоспецифічними: аргіназа і  урокиназа – печінка, кисла фосфатаза – простата. По зміні концентрації таких ферментів в крові судять про наявність патології в даних органах.

У клітині окремі ферменти розподілені по всій цитоплазмі, інші вбудовані в мембрани мітохондрій і ендоплазматичного ретикулума, такі ферменти утворюють компартменти, в яких відбуваються визначені, тісно зв'язані між собою етапи метаболізму.

Багато ферментів утворюються в клітинах і секретуються в анатомічні порожнини в неактивному стані – це проферменти. Часто у вигляді проферментів утворюються протеолітичні ферменти (що розщеплюють білки). Потім під впливом рН або інших ферментів і субстратів відбувається їх хімічна модифікація і активний центр стає доступним для субстратів.

Існують також ізоферменти - ферменти, що відрізняються по молекулярній структурі, але виконують однакову функцію.

Номенклатура і класифікація ферментів

Назва ферменту формується з наступних частин:

назва субстрату з яким він взаємодіє

характеру реакції, що каталізує

найменування класу ферментів (але це необов'язково)

суфіксу –аза.

Оскільки  вже відомо близько 3 тис. ферментів їх необхідно класифікувати. В даний час прийнята міжнародна класифікація ферментів, в основу якої покладений тип реакції, що каталізує. Виділяють 6 класів, які в свою чергу діляться на ряд підкласів:

  1.  Оксидоредуктаза. Каталізують окислювально-відновні реакції. Діляться на 17 підкласів. Всі ферменти містять небілкову частину у вигляді гема або похідних вітамінів В2, В5. Субстрат, що піддається окисленню виступає як донор водню. (Дегідрогеназа відщеплює від одного субстрату водень і переносить на інші субстрати. Коферменти НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, вони акцептують на собі відщеплений ферментом водень перетворюючись при цьому на відновлену форму (НАДН, НАДФН, ФАДН) і переносять до іншого фермент-субстратного комплексу, де його і віддають.)
  2.  Трансферази – каталізують перенесення різних радикалів від молекули донора до молекули акцептору.
  3.  Гідролази – каталізують реакції гідролізу, тобто розщеплювання речовин з приєднанням по місцю розриву зв'язку води. До цього класу відносяться переважно травні ферменти, вони однокомпонентні (не містять небілкової частини)
  4.  Ліази - каталізують реакції розщеплювання молекул без приєднання води. Ці ферменти мають небілкову частину у вигляді тіамінпірофосфату (В1) і пірідоксальфосфату (В6).
  5.  Ізомерази - каталізують реакції ізомеризації.
  6.  Лігази (синтетази) – каталізують реакції синтезу складніших речовин із простих. Такі реакції йдуть з витратою енергії АТФ. До назви таких ферментів додають «синтетаза».

Використання ферментів в харчовій промисловості

У харчовій промисловості ферменти використовуються для одержання продуктів із заданими властивостями. При цьому можуть використовуватися мікробні ферменти; ферменти, виділені з деяких органів, наприклад, з печінки, підшлункової залози, шлунка. Більш зручним і ефективним є використання іммобілізованих ферментів.

Іммобілізовані ферменти.  Іммобілізація ферментів – це включення об'єкта (ферменту) в ізольовану фазу, що відділена від фази вільного розчину, але здатна обмінюватися з нею молекулами.

Іммобілізовані ферменти одержують шляхом зв'язування з носіями розчинних ферментів або кліток, що володіють ферментативною активністю, тобто  роблять сорбцію ферменту на носії і включення в структуру носіїв-гелів.

Іммобілізація наближає умови їхнього функціонування до природного.

Перевага їхнього використання полягає в тому, що їх можна видаляти з реакційного середовища, тобто контролювати хід реакції і багаторазово його використовувати. Використання іммобілізованих ферментів дозволяє проводити кожен процес безупинно, пропускаючи розчини субстратів через реактори з іммобілізованими ферментами.

Іммобілізовані ферменти мають високу каталітичну активність, її можна змінювати, змінюючи спосіб зв'язування і вид носія. Продукти реакції не забруднюються кристалічними ферментами.

За допомогою іммобілізованих ферментів одержують амінокислоти, ароматичні кислоти, цукри, органічні розчинники, антибіотики, їх використовують для очищення стічних вод і водоймів.

У промисловості застосовують ферменти мікробного походження: протеолітичні, ліполітичні, амілолітичні, гідролази, що розщеплюють пектин, целюлозу і геміцелюлозу.

Характеристика оксидоредуктаз і використання ферментів у виробництві харчової продукції

Глюкозооксидаза є аеробною дегідрогеназою. Молекула ферменту у якості  коферменту містить дві молекули ФАД (флавінаденіндинуклеотид). Вона каталізує відщіплення Н2 від субстрату і перенос його на О2 повітря з утворенням перекису водню. Субстратом є глюкоза, що перетворюється в глюконову кислоту, а  перекис водню, що утворився, розщеплюється каталазою на воду і атомарний оксиген. Глюкозооксидаза синтезується цвілевими грибами.

Цей фермент широко використовується в харчовій промисловості, а також у клінічній хімії для аналізів. Глюкозооксидаза дозволяє видаляти оксиген і глюкозу з субстратів. Вона використовується для видалення кисню з тих харчових речовин, фарбування і аромат яких погіршуються в результаті окисних процесів (пиво, фруктові соки, продукти, що містять жири).

Цей фермент використовують також у тих випадках, коли продукти піддають висушуванню, у ході якого відбувається взаємодія глюкози з білками з утворенням темнопофарбованих продуктів (реакція Майяра). Це має місце при одержанні яєчного і молочного порошку.

У харчовій промисловості глюкозооксидаза як  ендогенний фермент цвілевих грибів знаходить застосування при ферментації глюконової кислоти для одержання D-глюконата кальцію.

Ксантиоксидаза каталізує окиснювання різних за хімічною природою субстратів, наприклад, ксантину і формальдегідів. Ця реакція має низьку специфічність. Як  акцептор електронів виступає кисень повітря. Донором електронів є формальдегід. Як  індикатор використовується метиленовий синій. Ця реакція використовується в молочній промисловості для тестування сирого і пастеризованого молока. У результаті достатньої пастеризації відбувається денатурація ксантиноксидази і знебарвлення метиленового синього не відбувається.

Дифенолоксидаза бере участь в окиснюванні тирозину, фенолу, крезолу. Кінцевими продуктами є темнозабарвлені сполуки - меланіни. Фермент виявлений у грибах, картоплі, фруктах. Функціональною групою фенолоксидази є Сu. Важливе значення мають інгібітори цього ферменту, тому що ферментативне побуріння фруктів, соків і інших рослинних матеріалів при їхній переробці є великою проблемою.

Процес потемніння фруктів, соків, продуктів їхньої переробки під впливом дифенолоксидази може бути уповільнений вітаміном С, двоокисом сірки, сульфітом натрію, додаванням повареної солі. Зменшують активність цього ферменту попередня теплова обробка овочів і фруктів, зокрема , бланшування. У ряді випадків дія дифенолоксидази призводить до появи бажаного фарбування, аромату харчових продуктів, наприклад, при ферментації чаю.

Аскорбатоксидаза діє на аскорбінову кислоту, тобто окисляє її в дегідроаскорбінову кислоту. Цей фермент виявлений у багатьох вищих рослинах. Він містить мідь як  функціональну групу, що змінює свою валентність у ході каталізу.

Через її дію відбувається руйнування вітаміну С при технологічній обробці. Інгібіторами цього ферменту є деякі амінокислоти (гліцин, цистеїн, аспарагінова і глутамінова кислоти), карбонові й оксикарбонові кислоти (щавлева, лимонна, винна), пектини, флавоноїди і дубильні речовини, кверцитин, антоціани, катехіни. Аскорбатоксидаза при технологічній обробці продуктів не тільки зменшує вміст аскорбінової кислоти, а і впливає на фарбування й аромат соків.

Каталаза - оксидоредуктаза - дегідрує молекулу перекису водню з утворенням води й атомарного оксигену. Як  функціональну групу містить ферринпротопорферин ІХ. Молекула ферменту містить чотири гемінові групи, кожна з яких зв'язана з білком. Каталаза інгібується речовинами, що утворюють комплекси з центральним атомом заліза, наприклад, ціанідом, сульфідом, фторидом, CO, NO, ціанамідом і ін. Виявлена у всіх клітинах з аеробним типом обміну речовин. У харчовій промисловості використовують її препарати з печінки і цвілевих грибів у тих випадках, коли спочатку проводиться обробка перекисом водню, а потім він повинен бути вилучений. Наприклад, при пастеризації і стерилізації молока, при відбілюванні волосся, шкір, дезінфекції хірургічного матеріалу.

Пероксидаза сприяє розщепленню перекисів. У її складі, у залежності від джерела, міститься або червоний, або зелений гемін. Пероксидаза з хрону відносно стійка при нагріванні. Прогрівання ферменту при 850С на протязі 30 хвилин приводить до втрати лише половини активності. Її активність гальмують солі важких металів. Використовується для оцінки якості процесу пастеризації. Її достатність визначається за активністю цього ферменту. При ферментації чаю і тютюну цей фермент сприяє утворенню забарвлених і ароматичних компонентів.

Ліпоксигеназа каталізує реакцію: ненасичена жирна кислота + О2    перекис ненасиченої жирної кислоти.  Характеризується високою специфічністю і діє лише на ненасичені жирні кислоти, що знаходяться в цис-формі. Лінолева, ліноленова і арахідонова кислоти окисляються з однаковою швидкістю.  Міститься  в пшениці, насінні олійних культур, бобових, люцерні, соєвому борошні. При переробці харчових продуктів використовують інгібітори ліпоксигенази, що взаємодіють з вільними радикалами, що утворюються як  проміжні продукти при дії цього ферменту на ненасичені жирні кислоти. Цей фермент руйнує каротин, ароматичні сполуки продуктів. Він сприяє прогірканню жирів. При використанні ліпоксигенази в хлібопечінні поліпшується колір м'якушки і збільшується обсяг хліба.

Ліпаза відноситься до гідролаз. Вона каталізує розщеплення ефірів гліцеролу і вищих жирних кислот. Причому швидкість розщеплення залежить від довжини ланцюга жирних кислот. Джерелом для одержання промислових препаратів ліпази є підшлункова залоза, цвілеві гриби, молоко. Активаторами ліпази є солі жовчних кислот, особливо таурохолат. У молоці ліпаза сприяє утворенню ароматичних речовин, а ліпаза пшениці і інших злаків сприяє псуванню борошна. Мікробні препарати ліпази використовуються для гідролізу жирів у тих випадках, коли необхідне омилення при збереженні біологічно активних жиророзчинних речовин (наприклад, токоферолу).

Пектинестераза каталізує розщеплення пектину з утворенням метанолу і пектата. Фермент активується іонами Na+ і Ca2+. Пектинестераза володіє високою субстратною специфічністю, гідролізуючи майже винятково метильні групи пектинових сполук. Вона є важливим складеним компонентом ферментних препаратів, що використовуються для освітлення фруктових і виноградних соків, а також для одержання низькомолекулярних пектинів, використовуваних при виготовленні желе. Цей фермент разом з іншими ферментами відіграє важливу роль при дозріванні фруктів і ягід, сушінню льна, коноплі, ферментації чаю і тютюну.

Глікозидази каталізують розщеплення олігосахаридів і глікозидів. Вони каталізують гідроліз і трансглікозидування, що відіграє важливу роль при синтезі полісахаридів у рослинах. Їх одержують у промислових умовах із пророслого ячменя. Глікозидази поділяють на кілька типів. Специфічність цих типів визначається розміром кільця гелікона, конфігурацією ОН- груп у кільці і конфігурацією глікозидного гідроксилу. До них відносяться: -Д- глікозидаза, -Д- глікозидаза, -Д-галактозидаза та ін. -Д- глікозидаза не має промислового значення. -Д- глікозидаза сприяє видаленню гіркоти із соків цитрусових, а також сприяє звільненню з -глікозидів ароматичних компонентів.

Гліканази відрізняються від глікозидаз більшою довжиною ланцюга субстратів, на які вони діють. На основі субстратної специфічності розрізняють наступні важливі гліканази:  -амілаза (субстрат - крохмаль, декстрини);  -амілаза (субстрат - крохмаль, декстрини); глюкоамілаза (субстрат - крохмаль, декстрини, мальтоза); інулаза (субстрат - інулін); полігалактуроназа (субстрат - пектин, полігалактуронова кислота).

-амілаза розщеплює зв'язок  -1,4  в полісахаридах, що містять три і більш залишків глюкози. Міститься в слині, соку підшлункової залози, у пророслих зернах, у цвілевих грибах і бактеріях. Для прояву максимальної активності ферменту необхідна присутність кофактора Са2+. Цей фермент сприяє швидкому зменшенню в'язкості крохмального клейстеру, тому його називають декстриногенною амілазою. Використовується при виготовленні крохмальної патоки, сусла і затору.

-амілаза каталізує розщеплення крохмалю з утворенням мальтози і декстринів. Оскільки під дією -амілази відбувається звільнення мальтози з амілази й амілопектину, її називають цукровою амілазою. Міститься у вищих рослинах. Джерелами ферменту є ячмінь, жито, пшениця, соєві боби. Використовується у виробництві сусла і затору, крохмальної патоки і як хлібопекарський поліпшувач. Крім того, із крохмалю за допомогою амілаз готують сиропи, що застосовуютьсяі при виготовленні кондитерських виробів і лікерів.

Глюкоамілаза єдина з всіх амілаз швидко гідролізує крохмаль до глюкози, причому вона гідролізує і -1,4 і -1,6 зв'язки. Джерелами цього ферменту є цвілеві гриби. Використовується в спиртовому виробництві.

Застосовуються амілази у пивоварній промисловості. Під дією амілаз перетворюється крохмаль головним чином у мальтозу, якщо як  джерело амілази використовується ячмінний солод. При використанні для оцукрювання крохмалю ферментів цвілевих грибів крохмаль розщеплюється до глюкози. Характерне розходження між пивоварним і спиртовим виробництвом полягає в тому, що в пивоварстві солод служить одночасно субстратом і джерелом ферменту, оскільки містить як крохмаль, так і амілази.

Повне розщеплення крохмалю в пивоварстві небажано, оскільки пиво повинне містити ще багато низькомолекулярних продуктів розщеплення крохмалю (декстрини), що сприяють одержанню тонкого смаку і піноутворенню.

У харчовій промисловості амілази із солоду або цвілевих грибів часто додають у борошно, оскільки власна амілазна  активність борошна не завжди достатня для утворення необхідної для готування тіста кількості цукру, ступінь бродіння тіста виявляється незначним і не досягається потрібний ступінь пористості хліба. Крім того, із крохмалю за допомогою препаратів амілаз готують солодкі сиропи (патоки), що знаходять застосування у виробництві кондитерських виробів і лікерів. Амілази застосовують і при готуванні солодового оцту.

Широке застосування знаходять амілази у виробництві миючих засобів, паперової і  особливо в текстильній промисловості для шліхтування з метою зміцнення і розгладження ниток.

Так само виготовляють аппреатуру, що додає готовим тканинам міцність, твердість і глянець. При одержанні біологічно активних миючих засобів у них додають суміш ферментів, що розщеплюють крохмаль, білки і жири.

Інулаза гідролізує -1,2 зв'язки фруктану в інуліні з утворенням фруктози. Вона має визначене значення при виготовленні горілки з бульб топінамбура (земляної груші).

Полігалактуроназа гідролізує -1,4 D галактуронидні зв'язки в пектатах і інших полігалактуронідах.

Як  джерела полігалактуроназ використовують вищі рослини (помідори, редька, гарбуз, авокадо, боби, морква), цвілеві гриби, дріжджі і бактерії. Мікроорганізми синтезують також ферменти, що розщеплюють пектин, діючі одночасно або послідовно на відповідні субстрати (пектолітичні ферменти).

Температурний оптимум дії пектолітичних ферментів дуже важливий для технології, оскільки освітлення фруктових соків здійснюється найчастіше  при підвищених температурах. Активаторами пектолітичних ферментів є хлориди лужних металів.

Ферментологія дає можливість дослідникам впливати на обмін речовин в організмі, а також керувати технологічними процесами в харчовій промисловості. Використовуючи ферменти, що викликають бродіння, людина одержує продукти (наприклад, молочнокислі), що легше, ніж вихідні (молоко), засвоюються організмом.

Як відомо, до надходження на підприємства харчування, м'ясо після забою худоби повинне "дозріти", у процесі чого усувається післязабійне задубіння і відбувається ряд інших змін, завдяки чому воно здобуває відповідні органолептичні властивості. "Дозрівання" м'яса триває досить довго, однак за допомогою препаратів деяких ферментів, що синтезують деякі гриби, цей процес можна значно прискорити.

На підприємствах харчування використовують ферменти в якості "пом’якшувачів" м'яса: вони діють на сполучну тканину, що саме  і додає твердість продуктові.

Ферменти відіграють важливу роль у збереженні харчової сировини і готової продукції. В одних випадках ферменти мікроорганізмів мають позитивний, в інші - негативний вплив. Так, дріжджі використовують при випічці хліба, виготовленні вин, кефіру, кумису. Псування продуктів також викликають ферменти мікроорганізмів. З метою їх інактивування застосовують нагрівання (стерилізацію, пастеризацію, варіння, жарення), або створюють середовище, у якому ферменти неактивні. Застосування пестицидів засноване на припиненні дії ферментів шкідників сільськогосподарських культур.

За допомогою специфічного ферменту видаляють неприємний запах, властивий сої через альдегіди, що містяться в ній. Він перетворює їх у кислоту.

На дії ферментів засноване виробництво тютюну, шкіри й інших галузей промисловості.

В зарубіжній та вітчизняній практиці ферменти широко використовуються в технології переробки сировини, зокрема, при рішенні питань про інтенсифікацію виробництва, збільшення виходу готової продукції з однієї ж і тієї сировини, і покращення її якості.

В хлібопекарській і кондитерській промисловості при виробництві хлібобулочних виробів використовуються очищені ферментні препарати, які включені в стандарти на хлібобулочні вироби. Практично всюди закордоном і на Україні близько 75 % всього білого хліба випікається з додаванням амілази пліснявих грибів.

В Японії в хлібопекарській промисловості використовується більше 50 різних ферментних препаратів.

В крохмале-патоковій промисловості застосування ферментів - один з шляхів підвищення виробництва пшеничного, картопляного і кукурудзяного крохмалів. При виробництві пива і хлібного квасу використання ферментних препаратів дозволяє значно зменшити витрати солоду.

В молочній промисловості використання ферментів при виробництві твердих сирів значно прискорює процеси його дозрівання.

В консервній промисловості застосування пектолітичних ферментних препаратів підвищує вихід готової продукції на 15…20 % і сприяє освітленню фруктових соків. Використання при замочуванні бобових і круп амілолітичних ферментів дозволяє скоротити час їх варіння і доведення до готовності на 30 %.

В рибній промисловості протеолітичні ферменти використовуються для  прискорення  дозрівання оселедців. Для  переробки відходів рибної промисловос-ті з метою отримання білкових гідролізатів.В м'ясній промисловості ферменти використовуються для приготування гідролізатів, м'ясних паштетів, паст і екстрактів, полегшення відділення м'яса від кісток, при солінні м'яса, субпродуктів, збільшення термінів зберігання м'ясопродуктів.

Для пом'якшення жорстких тканин, особливо яловичих туш і для виробництва жарених напівфабрикатів використовують ферменти мікробного (терезин), тваринного (пепсин, трипсин, СК ПФ - сухий комплексний препарат із підшлункової залози) і рослинного (папаїн, бромелаїн, ферменти із пророслого насіння сої та інші) походження.

Ферменти мікробіального походження сильно впливають на м'язові волокна, ферменти рослинного походження - на елементи сполучної тканини; ферменти тваринного походження займають проміжне положення.

Під дією ферментів  в сполучнотканинних прошарках відмічається роз-пад мукополісахаридів, розрихлення, фрагментація і деструкція колагенових і еластинових волокон. Поряд зі зміною в сполучній тканині відбуваються порушення структури м'язових волокон, що є небажаним, тому що погіршує якість готових виробів.

Важливе  значення  має  також  спосіб  застосування  ферментів,   в які   занурюють шматки м'яса або шірицюють їх за допомогою голок і безгольчастим способом шляхом внутрішньовенного введення ферментів перед забоєм тварини.

Широко використовують ферменти для аналізу харчових продуктів. Ці методи ефективніші традиційних хімічних методів. Окрім позитивної ролі ферменти можуть виконувати і негативну роль в ході зберігання і переробки харчової продукції, тобто:

знижують харчову цінність продуктів в процесі тривалого зберігання;

дія амілази в крохмальвмісних продуктах викликає деградацію крохмалю, знижує хлібопекарські властивості борошна і таким чином якість хліба;

тривала дія протеолітичних ферментів зменшує вміст в пшениці, житі лізину, що знижує їх біологічну цінність;

під дією о-дифенолоксидази відбувається потемніння на повітрі очитщеної картоплі;

під дією оксидаз відбувається потемніння нарізаних яблук і груш.

Біологічне окиснення

У процесі життєдіяльності організми поглинають з навколишнього середовища енергію в адекватній формі, а потім повертають її еквівалентну кількість, але вже в іншому виді.

Основним носієм енергії є електрон (е-). Одержавши визначену кількість енергії, він збуджується: переходить на більш високий енергетичний рівень. Роблячи зворотний шлях на нижню орбіту, електрон вивільняє таку ж кількість енергії.

Для всіх організмів, що живуть на Землі, основним джерелом енергії служить сонячне випромінювання. Існує дві групи організмів, що розрізняються за способом харчування - аутотрофи і гетеротрофи.

Аутотрофи (зелені рослини) здатні безпосередньо уловлювати сонячну енергію і використовувати її для створення органічних сполук.

Гетеротрофи – це організми, що асимілюють готові органічні речовини, які мають визначений запас потенційної енергії. У процесі їхньої життєдіяльності енергія вивільняється.

Великий художник, вчений і натураліст епохи Ренесансу Леонардо Да Вінчі писав: «Життя можливе там, де може горіти вогонь». Іншими словами, процеси життєдіяльності здійснюються тільки при наявності енергії, отриманої при окислюванні.

У живих організмах енергія, що вивільняється при окислюванні, запасається в основному у виді хімічної енергії, що після використання переходить у теплоту.

При окислюванні в неживій природі відбувається пряме приєднання кисню:

Такий процес можливий лише в тому випадку, якщо в реакційній суміші міститься речовина, що з'єднується з  гідрогеном, який вивільнився. Цю речовину називають акцептором гідрогену, а сполуку, що є джерелом гідрогену, – донором цього елемента. Універсальним акцептором гідрогену виступає оксиген повітря.

Загальна умова окислювання – віддача електрона:

Fe2+ →  Fe3+

           –e

Процес вивільнення енергії в живому організмі забезпечує усі форми життєдіяльності (у тому числі перетворення речовин їжі в компоненти клітини), а також підтримку організму в стані динамічної рівноваги, незважаючи на постійні зміни умов зовнішнього середовища.

Типовим прикладом окислювання в неживій природі є горіння. Воно супроводжується значним підвищенням температури. При горінні виділяється величезна кількість енергії, утворюється суміш різноманітних речовин непостійного складу. Характер виділення енергії, що з'являється при горінні, можна порівняти з нищівною силою водоспаду, що падає з високої гори. Якщо розділити його на кілька водоспадів, що падають з невеликої висоти, то кожний з них буде мати менший напір.

У процесі еволюції в живих організмах виробилися механізми перетворення могутнього потоку енергії, що вивільняється при повному окислюванні харчових речовин, у невеликі порції, що запасаються, приблизно на 50 %, у виді хімічної енергії, використовуваної для процесів синтезу, інші 50 % виділяються у виді теплоти.

Встановлено, що універсальним резервом хімічної енергії, що утворюється в процесі окислювання органічних речовин у клітинах, є аденозинтрифосфат (АТФ). Ця сполука складається з аденіну, рибози і трьох залишків фосфорної кислоти. Таким чином, вивільнення енергії при окислюванні органічних речовин, на відміну від горіння, відбувається поступово. При цьому не виникають ті значні перепади температури, що характерні для горіння. Незалежно від окремих етапів окисного розщеплення органічних речовин у кінцевому рахунку утворюються ті ж продукти розпаду (СО2 і Н2О) і виділяється стільки ж енергії.

Оксиген з повітря надходить в організм через дихальні шляхи в легені і кров, що транспортує його до всіх клітин. Однак оксиген у тканинах не приєднується безпосередньо до вихідного джерела енергії - будь то карбоген, амінокислота або жирна кислота. Ці сполуки поступово деградують, втрачаючи гідроген, електрони, що і реагують з оксигеном.

Таким чином, джерелом енергії в організмі стає реакція між гідрогеном і оксигеном, у результаті чого утворюється вода.

Оксид карбогену, що є обов'язковим продуктом окиснювання, відщеплюється тканинними ферментами від кислотних груп - СООН амінокислот, жирних кислот і ін.

На вивчення шляхів взаємодії органічних речовин і оксигену в клітинах були спрямовані зусилля багатьох дослідників, що висували гіпотези, які часом заперечували одна одну. Роль кисню для життя не викликала сумнівів. Задача полягала в тому, щоб з'ясувати, чому оксиген повітря не окисляє організм і сам процес окислювання відбувається тільки в тканинах, а не на шляху до них. Виявилося, що в тканинах відбувається активація оксигену, яку потребує цей елемент для швидкої взаємодії з  речовинами, що окисляються (те ж спостерігається і поза організмом).

На рубежі XІ і XX ст. російський вчений А. Н. Бах і незалежно від нього в Німеччині К. Емглер і В. Вілд висунули гіпотезу про утворення пероксидів органічних сполук як початкового етапу біологічного окислювання. Відповідно до  цієї гіпотези молекула кисню переходить в активний стан за рахунок розриву в ній подвійного зв'язку за допомогою "внутрішньої коливальної енергії" самої  сполуки, що окислюється, і при участі ферментів-оксидаз.

На початку XX сторіччя склалися дві концепції: біологічного активування оксигену і активування гідрогену. Однак протистояння їхніх прихильників продовжувалося недовго. У 1925 р. Д. Кейлін відкрив в аеробних біологічних об'єктах цитохроми, тобто ферменти, що дозволило вченим декількома роками пізніше зв'язати активування оксигену і гідрогену воєдино. Цьому сприяло виявлення О. Варбургом (1928 р.) цитохромоксидази, що називають "дихальним ферментом Варбурга". Саме цитохромоксидаза виявилася тим ферментом, що безпосередньо активує гідроген, а цитохроми - ферментами, що "знімають" електрони у гідрогену і передають їх цитохромоксидазі.

Сучасна теорія біологічного окиснювання об'єднала теорії Баха - Варбурга і Паладіна - Віланда на новому рівні розвитку досліджень цієї наукової проблеми. Отже, біологічне окислювання - це процес відщіплення атомів водню або електронів від субстрату і передача їх через ряд проміжних етапів на молекулярний кисень. У цьому процесі беруть участь ферменти: пирідинозалежні дегідрогенази (їх коферментну функцію виконує нікотинамідаденіндинуклеотид-НАД або нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат - НАДФ), флавінозалежні дегідрогенази – флавінові ферменти (до складу їхньої простетичної групи входить флавінаденіндинуклеотид – ФАД або флавінаденінфосфат – ФАДФ); цитохроми (містять у якості простетичної групи залізопорфіринову кільцеву систему), а також убіхінон (коензим Q) і білки, що містять негемінове залізо.

Роль окислювально-відновних ферментів у біологічному окислюванні

Пірідинозалежні дегідрогенази. До цієї групи каталізаторів відносяться складні ферменти, небілковою частиною яких є НАД і НАДФ (Рис.1.3). Останній відрізняється від НАД наявністю ще одної молекули фосфорникотинамідаденіннуклеотидної кислоти.

Рис. 1.3. Будова никотинамідаденіндинуклеотиду.

У клітинах НАДзалежні дегідрогенази беруть участь переважно в процесах, зв'язаних з переносом електронів від органічних субстратів до кисню.

НАД містить два залишки азотистих основ, залишки двох рибоз і двох фосфорних кислот. Однією азотистою основою є аденін, другою – амід нікотинової кислоти, якому властива функція вітаміну РР (антипелагричного). З назв азотистих основ і виникла абревіатура НАД.

Акцептором гідрогену в НАД і НАДФ є нікотинамід в окисленій формі. В окисленій формі ця сполука містить у кільці п’ятивалентний нітроген. Після відновлення один атом гідрогену приєднується до карбогену, у результаті чого розривається його подвійний зв'язок із сусіднім атомом. Електрон другого атома гідрогену гасить заряд п’ятивалентного нітрогену, і той перетворюється в тривалентний. Приєднання електрону і зниження валентності є відбудовним процесом.  Протон, що залишився, переходить у середовище.

Забираючи атоми водню від субстрату, нікотинамід переходить з окисленої форми у відновлену, і з акцептора водню стає його донатором.

Флавінові ферменти. Наступним акцептором атомів водню виступає група флавінових ферментів, що здійснюють перенос водню (електронів і протонів) від відновленої форми НАД (НАДН2) до цитохромів. До флавінових дегідрогеназ  відносяться складні ферменти, небілковою частиною яких є флавінаденіндинуклеотид (ФАД) (Рис. 1.4). На відміну від нікотинамідаденіндинуклеотиду ФАД містить замість аміду нікотинової кислоти залишок вітаміну В2. Він з'єднаний з похідними рибози (рибітолом), двома залишками фосфорної кислоти, рибозою і аденіном.

Рис. 1.4. Будова флавінаденіндинуклеотиду.

Гетероциклічне ядро вітаміну В2 є ізоалоксазином. Його сполуки називають флавінами, а білки, з'єднані з флавінами – флавопротеїнами. До них відноситься фермент, що є дегідрогеназою, що реагує з НАДН2. Отже, цей флавопротеїн, як правило, не вступає в реакцію безпосередньо з  органічними сполуками, що окисляються, тому його називають вторинною дегідрогеназою. Разом з тим, є субстрати, що безпосередньо окисляються флавопротеїнами, вони транспортують відщиплені протони і електрони на оксиген, і в результаті утворюється не вода, а оксид гідрогену. Під впливом ферменту каталази пероксид гідрогену розщеплюється на воду і молекулярний оксиген.

Активною частиною молекули ФАД є ізоалоксазинове кільце рибофлавіну, до атомів нітрогену якого можуть приєднуватися два атоми гідрогену, тобто  два електрони і два протони при відповідному внутрімолекулярному перегрупуванні подвійних зв'язків.

Крім ФАД, в окислювально-відновних реакціях бере участь його фосфоролюване похідне – ФАДФ, що містить додатковий залишок фосфорної кислоти, приєднаний до рибози. В усіх цих сполуках вихідними речовинами є вітаміни, що повинні надходити в організм у складі їжі, щоб не порушився фундаментальний процес біологічного окиснювання - основне джерело енергії для процесів життєдіяльності.

Наступним ферментом, який каталізує перенос атомів гідрогену від відновлених флавонуклеотидів, є кофермент Q, або убіхінон, сполука близька до вітаміну К.

Кофермент Q виступає посередником між ФАДН2 і цитохромами. Він являє собою похідне бензохінону з довгим бічним ланцюгом, що складається з 10 ізопреноїдних одиниць.

Відновлена форма флавінових дегідрогеназ у ланцюзі дихальних ферментів передає атоми водню (електрони і протони) до Q. Приєднуючи гідроген, убіхінон з окисленої форми перетворюється у відновлену.

Подальший перенос електронів від відновленої форми убіхінону на оксиген здійснює система цитохромів.

Цитохроми. Цитохроми (від грец. cytos – клітина, chroma – колір) - пігменти, пофарбовані в червоний колір завдяки наявності в їхній молекулі заліза. Встановлено, що в ланцюзі окиснювання ланка цитохромів включається у визначеній послідовності між убіхіноном і оксиген.

цит В → цит С1 → цит С → цит А → цит А3

Причому цитохроми В, С1, А, А3 виконують роль проміжних переносників електронів, а цитохром А3 (цитохромоксидаза) є кінцевим дихальним ферментом, що вступає в безпосередній контакт із оксигеном. Усі цитохроми мають простетичну гемінову  групу, ідентичну гему гемоглобіну.

Цитохроми відрізняються друг від друга не тільки простетичними групами. Розходження у властивостях окремих їхніх видів обумовлені будовою білкової частини. Так, у цитохромах В и С гем прикритий "ширмою" з пептидів, що перешкоджає їхній безпосередньої реакції з киснем. У ході каталітичного процесу валентність залізо, що міститься в цитохромах, зворотно міняється (Fe2+ > Fe3+).

Окислена форма цитохромоксидази (Fe3+) приймає електрони від відновленого цитохрому С, переходячи у відновлену форму (Fe2+), що потім знову окисляється в Fe3+ молекулярним оксигеном на етапі цитохрому А3. При цьому утворюється активний оксиген, що приєднує два протони з навколишнього середовища, у результаті чого і виникає молекула води.

У такий спосіб цитохроми завершують транспорт електронів від  субстрату, що окисляється, на оксиген.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

«ВЛАСТИВОСТІ ФЕРМЕНТІВ»

Мета заняття: вивчити властивості ферментів.

План заняття

1.Вивчити вплив різних температур на активність амілази.

2.Визначити чутливість ферментів до рН середовища.

3.Вивчити вплив активаторів та інгібіторів на активність ферментів.

4.Визначити специфічність дії ферментів.

1. Визначення впливу різних температур на активність амілази

Фермент амілаза каталізує гідроліз крохмалю до декстринів і мальтози. Такий процес відбувається, наприклад, у ротовій порожнині при вживанні з їжею продуктів, що містять крохмаль: картоплі, хліба, макаронних виробів. Джерелом амілази є слина. Цей фермент знаходиться і в інших відділах травного тракту, а також у печінці та інших тканинах. Різні типи амілаз використовуються в харчовій промисловості, наприклад, у пивоварній, де їх джерелом є рослини (ячмінь).

Дію амілази розпізнають по зникненню синього забарвлення, яке утворюється при додаванні йоду.

Об’єкт дослідження: Слина, розбавлена в 500 разів або розчин панкреатину.

Обладнання і посуд:  1. Термостат, нагрітий до 37оС;

2. Холодильник;

3. Піпетки на 1...2 мл;

4. Крапельниці;

5. Нагрівальний прилад.

Реактиви:   1. Крохмаль картопляний, 1%-й розчин;

2. Розчин йоду – 0,1 н, розбавлений безпосередньо перед  визначенням до 0,004 н.

Техніка виконання роботи

У 3 пробірки наливають по 1 мл джерела амілази. Першу пробірку кип’ятять протягом не менш, ніж 3 хв., дають охолонути. Потім до всіх 3 пробірок приливають по 1 мл крохмалю. Другу пробірку кладуть у холодильник для охолодження до 100С. Третю ставлять у термостат, нагрітий до 370С. Через 10…15 хв. до всіх трьох пробірок приливають по 1...2 краплі розчину йоду. Якщо крохмаль не перетравився амілазою, то утворюється синє забарвлення. При наявності продуктів гідролізу колір з йодом стає фіолетовим, червоним або жовтим в залежності від глибини розщеплення та розміру утворених молекул декстринів. Амілодекстрини забарвлюються йодом у фіолетовий колір, ерітродекстрини – у червоний, ахродекстрини – утворюють жовте забарвлення, як і мальтоза. По кольору визначають глибину розщеплення крохмалю.

2. Визначення чутливості ферментів до рН середовища

Об’єкт дослідження: Джерела амілази ті самі, що і в попередньому досліді.

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками, закритими пробками;

2. Піпетки на 1...2 мл;

Реактиви:  1. Буферний розчин, рН якого дорівнює 5,0 (10,30 мл О,2 М Na2HPO4 2H2O змішується з 9,70  0,1 М розчину лимонної кислоти);

2. Буферний розчин з рН 6,8 (15,45 мл 0,2 М Na2HPO4 змішується з 4,55 мл 0,1 М розчину лимонної кислоти);

3. Крохмаль, 1%-й розчин;

4. Розчин йоду в йодистому калії 0,004 н., приготовлений шляхом розбавлення з 0,1 н. безпосередньо перед дослідженням. У такій концентрації, йод забарвлює крохмаль у синій колір і не припиняє дії амілази.

Техніка виконання роботи

У 2 пробірки наливають по 1 мл джерела амілази, в одну з них додають 1 мл буфера з рН 5,0; у другу – стільки ж із рН 6,8, в обидві пробірки приливають по 2 краплі йоду і по 1 мл крохмалю. Пробірки закривають пробками і залишають їх при кімнатній температурі, спостерігають за зникненням синього забарвлення в кожній пробі. Відзначають, при якому значенні рН швидше гідролізувався крохмаль.

Примітка: якщо під дією двох крапель йоду крохмаль не посинів, додають ще однакову кількість розчину крохмалю в усі пробірки, доки не з’явиться синє забарвлення.

3. Визначення впливу активаторів та інгібіторів на активність ферментів

В організмі дія ферментів регулюється різноманітними механізмами: інтенсивністю синтезу каталітичних білків генетичним апаратом, їхнім руйнуванням продуктами реакції каталізу, гормонами і іншими факторами.

Важлива роль належить активаторам та інгібіторам ферментів, які впливають на різні їхні ділянки або беруть участь в утворенні тимчасових комплексів із субстратами.

Активатори та інгібітори дії ферментів використовуються для регуляції відповідних технологічних процесів, наприклад, заміс тіста, а також, в медичній практиці, для припинення життєдіяльності мікроорганізмів або заміщення недостатньої активності ензимів у тканинах, наприклад, у підшлунковому соку.

Об’єкт дослідження: Джерела амілази ті самі, що і в попередньому досліді.

Обладнання і посуд: штатив із пробірками.

Реактиви:   1. NaCl, 1 %-й розчин;

2. Сірчанокисла мідь, 5%-й розчин;

3. Розчин йоду у йодистому калії, 0,004 н. свіжовиготовлений;

4. Крохмаль 1%-й розчин.

Техніка виконання роботи

Готують три пробірки. У першу приливають 2,5 мл води, у другу – 2 мл води та 0,5 мл розчину NaCl, у третю – 2 мл води та 0,5 мл розчину CuSO4. В усі три пробірки вносять по 2,5 мл розчину амілази, перемішують і додають по 1 мл розчину крохмалю, потім знов перемішують і ставлять у термостат при температурі 370 С. Через 5…10 хвилин додають по 5 крапель розчину йоду. Рідина у першій пробірці забарвлюється у фіолетовий або червоний колір, у другій – в червоний або жовтий, у третій – у синій.

4. Визначення специфічності дії ферментів

Ферментам притаманна специфічність дії, оскільки вони здатні каталізувати тільки певні хімічні реакції.

Специфічність дії ферментів буває абсолютна, відносна, групова і стереохімічна.

Ферменти специфічні відносно як типу реакцій, що каталізуються, так і субстратів, на які вони діють. Деяким ферментам притаманна абсолютна специфічність, що виявляється з дії тільки на один будь-який субстрат. Висока специфічність ферментів визначається тим, що тільки деякі строго визначені функціональні групи, що входять до складу ферментів, можуть брати участь в утворенні фермент-субстратних комплексів.

Амілаза слини прискорює гідроліз тільки полісахаридів, не впливаючи на дисахариди. Мальтаза слини прискорює гідроліз дисахарида мальтози, що утворюється при гідролізі крохмалю, але зовсім не впливає на інший дисахарид – сахарозу. Сахароза не має вільної альдегідної групи, тому не дає реакції з реактивом Фелінга. Реакція може бути позитивною тільки в тому разі, якщо сахароза розщепиться на свої складові – глюкозу і фруктозу. Сахарозу розщеплює фермент сахараза на глюкозу і фруктозу і не розщеплює крохмаль та інші дисахариди.

Об’єкт дослідження: 1. Слина, розведена в 5 разів;

2. Дріжджі.

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками;

2. Термостат або водяна баня 38оС;

3. Крапельниці;

4. Піпетки.

Реактиви:    1. Сахароза, 1% розчин;

2. Крохмаль, 1%-й розчин;

3. Їдкий натр, 10%-й розчин;

4. Сульфат міді, 5%-й розчин;

5. Реактив Фелінга І;

6. Реактив Фелінга ІІ.

Техніка виконання роботи

У дві пробірки приливають по 5 крапель слини або 1 мл розчину амілази.У першу пробірку додають 1 мл 1 %-го розчину крохмалю, у другу – 1 мл 1 %-го розчину сахарози. Обидві пробірки ставлять на 10 хв. у термостат або водяну баню при температурі 380С, після чого проводять реакцію Фелінга, тобто в обидві пробірки додають 0,5 мл реактиву Фелінга І і 0,5 мл Фелінга ІІ і нагрівають до кипіння.

Позитивна реакція Фелінга має місце в пробірці, де зустрічаються субстрат та відповідний фермент, результатом дії якого є гідроліз, наприклад, крохмалю та амілази слини. При цій реакції утворюються мальтоза, а потім глюкоза, яка має вільну альдегідну групу, що забезпечує появу червоного осаду закісі міді.

Сахароза не має вільної альдегідної групи і відновлювальними властивостями не володіє, тому не дає реакції з реактивом Фелінга (червоного осаду). Реакція може бути позитивною тільки в тому разі, якщо сахарозу розщепить фермент сахараза на свої складові – глюкозу і фруктозу.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6

«ОКИСЛЮВАЛЬНО-ВІДНОВЛЮВАЛЬНІ ФЕРМЕНТИ (ОКСИДОРЕДУКТАЗИ)»

Мета заняття: вивчити вплив різних факторів на активність оксидоредуктаз.

План заняття

1.Вивчити окислення формальдегіду дегідрогеназою молока.

2.Виявити вплив підвищеної температури на активність пероксидази хріну.

3.Дослідити властивості рибофлавіну утворювати зворотню окислювально-відновлювальну систему.

4.Визначити роль поліфенолоксидази овочів у зміні їх забарвлення.

Клас оксидоредуктаз включає ферменти, що беруть участь в окисленні та відновлюванні різних речовин. Окислення може здійснюватися декількома шляхами:

1. АО + ½ О2             АО2 (приєднання кисню);

2. АН2 + В                 А + ВН2 (відняття водню);

3. А2+                А3+ + е­0 (відняття електрона).

Ферментам цього класу належить важлива роль у диханні та бродінні. До оксидоредуктаз належать, зокрема, дегідрогенази, оксидази і пероксидази.

Дегідрогенази. Дегідрогенази каталізують окислення субстрату шляхом відняття від нього водню, тобто перенесення водню від донора (здатного до окислення субстрату) на відповідний акцептор. Акцептором може бути кисень або будь-яка речовина, що міститься у тканинах організму. У дослідах використовують штучний акцептор – метиленову синь (МС). Дегідрогеназа відбирає водень від субстрату і віддає його МС, яка відновлюється і перетворюється в безбарвну сполуку (МСН2). Отже, обезбарвлення розчину може свідчити про дію дегідрогенази. Лейкоформа (МСН2) легко окислюється киснем повітря, тому досліди проводять при відсутності повітря ( у пробірках Тунберга або звичайних пробірках під шаром рослинної олії).

Оксидази. Окислення різних субстратів за рахунок кисню повітря каталізують оксидази. До цієї групи ферментів належать поліфенолоксидаза і тирозиназа. Саме дією поліфенолоксидази пояснюється потемніння поверхні розрізаного яблука або картоплини. Цей фермент окислює полі- і монофеноли, дубильні речовини та інші органічні сполуки з утворенням темнозабарвлених продуктів. Тирозиназа бере участь в окисленні амінокислоти тирозину до темного пігменту меланіна («мелас» – від грецьк. чорний).

Пероксидаза. У лабораторіях широко використовують метод визначення активності пероксидази, в основу якого покладено окислення пірогалолу в присутності перекису водню до пурпурогаліну, що утворює в розчині червоно-бурий осад.

1. Окислення формальдегіду дегідрогеназою молока

У молоці містяться дегідрогенази, що потрапляють із молочної залози та з мікрофлори молока. Альдегіддегідрогеназа окислює формальдегід до мурашиної кислоти.

Об’єкт дослідження: Молоко (джерело ферменту).

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Термостат;

3. Водяна баня на 40оС;

4. Годинник або секундомір.

Реактиви:    1.Формальдегід, 0,4%-й розчин;

2. Метиленова синь (МС), 0,001%-й розчин;

3. Трихлороцтова кислота, 20%-й розчин.

Техніка виконання роботи

В одну пробірку вливають 5 мл кип’яченого молока, у другу – 5 мл свіжого. В обидві пробірки додають 0,5 мл розчину формальдегіду та 3 краплі розчину МС. Вміст струшують і пробірки розташовують у водяній бані (400С). Фіксують час, необхідний для знебарвлення МС. Активність дегідрогенази виражають у хвилинах, необхідних для знебарвлення МС. Одержані результати записують і роблять висновок.

Одержані результати записують і пояснюють.

У всіх дослідах з дегідрогеназами використовували ТХО або високу температуру для інактивації ферменту. Ці фактори незворотне денатурують ферментний білок, тому при послідуючій інкубації в оптимальних умовах активність ферментів не виявлялася (контрольний варіант дослідів).

2. Вплив температури на активність пероксидази хрону

Об’єкт дослідження:  екстракт хрону.

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками;

2. Палички скляні;

3. Піпетки;

4. Термостат.

Реактиви:    1. Пірогалол, 1 %-й розчин;

2. Перекис водню, 2 %-й розчин.

Техніка виконання роботи

Щоб визначити вплив температури на активність пероксидази, проводять досліди при 0...4оС (холодильник), 37оС (термостат).

В пробірку вносять 1 мл розчину перекису водню й 1,5 мл розчину пірогалолу. Вміст пробірки доводять до заданої температури (нагріваючи або охолоджуючи), а потім додають 1,5 мл екстракту хрону, заздалегідь термостатованого при тій самій температурі в окремій пробірці. Вміст пробірки постійно перемішують скляною паличкою. Заміряють час до появи червоно-бурого осаду. Активність пероксидази виражають у секундах, необхідних для появи забарвлення.

3. Дослідження властивості рибофлавіну утворювати зворотню окислювально-відновлювальну систему

Об’єкт дослідження:  Рибофлавін.

Обладнання і посуд:   1. Штатив із пробірками;

2. Гумові або коркові пробки.

Реактиви:    1. Рибофлавіна, 10%-й розчин;

    2. НСl, 5%-й розчин;

3. Цинк, шматочки.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 1 мл розчину рибофлавіну, потім додають 5 крапель НСl та шматочок цинку. Закорковують і залишають на 10...20 хв. спостерігають зникнення жовтого кольору рибофлавіну. Частину цього розчину переливають в другу пробірку. Через 10...20 хв., спостерігають появу жовтого кольору окисленого рибофлавіну.

4. Визначення ролі поліфенолоксидази в зміні забарвлення картоплі та впливу на  неї гіпосульфіту натрію

Під впливом цього ферменту з циклічних амінокислот, що входять до складу білків картоплі, утворюються темнозабарвлені сполуки, внаслідок чого він темніє

Об’єкт дослідження: Сира картопля.

Обладнання і посуд:  Парцелянові ступки з товкачиками.

Реактиви:   Гіпосульфіт натрію, 0,1 н розчин.

Техніка виконання роботи

У дві ступки кладуть по шматочку картоплі (1...2 г) і розтирають до однородної маси. Потім в першу ступку додають 2...3 мл розчину гіпосульфіту Na та перемішують. Сполуки залишають на повітрі на 15...20 хв., потім фіксують зміну забарвлення у кожній ступці.

Контрольні запитання

  1.  Яка роль ферментів в організмі ?
  2.  Розповідайте про будову ферментів й їхніх активних центрів.
  3.  Якими властивостями володіють ферменти ?
  4.  Як впливають на активність ферментів фізичні й хімічні фактори ?
  5.  Чим обумовлена специфічність дії ферментів ? Види специфічності.
  6.  Які номенклатура й класифікація ферментів ?
  7.  Охарактеризуйте різні класи ферментів.
  8.  Які процеси харчових виробництв засновані на дії ферментів ?
  9.  Які ферменти застосовуються в консервній промисловості?
  10.  Які ферменти застосовуються в м‘ясопереробній промисловості?
  11.  Які ферменти застосовуються в крохмале-патоковій промисловості?
  12.  Яка роль біологічного окислювання для процесів життєдіяльності організму ?
  13.  Які розходження біологічного окислювання й окислювання в неживій природі ?
  14.  Назвіть групи ферментів, що приймають участь у біологічному окислюванні.
  15.  Як побудовані анаеробні і аеробні дегідрогенази?
  16.  Розповісти про ролі гемінових ферментів у біологічному окислюванні.
  17.  Як здійснюється транспорт електронів і протонів у біологічному окислюванні?
  18.  Опишіть відмінності тканинного дихання і окисного фосфорилювання.
  19.  Які речовини є кінцевими продуктами біологічного окислювання?
  20.  Чим відрізняються окислені форми НАД і ФАД від відновлених?
  21.  Які вітаміни беруть участь у побудові дегідрогеназ?
  22.  Які шляхи використання енергії в організмі?
  23.  При підвищенні функції щитовидної залози різко збільшується утворення тепла, підвищується температура тіла. Які біохімічні процеси обумовлюють це явище ?

Тема 1.4 Вуглеводи: будова, біологічна роль. Класифікація

Вуглеводи - біохімічні сполуки, що утворюються в рослинах як  первинні продукти фотосинтезу. Їхня назва походить від загальної формули цієї групи речовин - Сn(Н2О)n, у яку входять карбоген, гідроген і оксиген (співвідношення атомів гідрогену й оксигену в них таке ж, як у воді).

У рослинах вуглеводи становлять 80…90 % маси, причому в різних час-тинах вміст їх різний. Так, у зелених частинах рослин він становить 2,5…6 %, у бульбах картоплі і коренеплодах – 10…20 %, у зернах злаків – до 70 %.

У складі організму людини і тварин вуглеводи присутні в меншій кількості, ніж білки та ліпіди, і становлять усього приблизно 2 % від маси сухих речовин.

Однак для людини їхнє значення дуже велике. Про це свідчать різноманітні функції, які виконують вуглеводи.

Енергетична функція. Вуглеводи на 60 % забезпечують організм енергією. При окиснюванні 1 г вуглеводів виділяється близько 4 ккал енергії.

Пластична функція. Вуглеводи беруть участь у синтезі багатьох речовин, необхідних для життєдіяльності організму, таких, як нуклеопротеїни, липоїди, складні ферменти, мукополісахариди й ін.

Функція поживних речовин. Вуглеводи мають здатність відкладатися в організмі у вигляді глікогену – запасного вуглеводу, що витрачається в міру необхідності. Глікоген в основному зосереджений у печінці й м'язах. При повноцінному харчуванні в печінці може накопичуватися до 10 % глікогену від маси печінки, у м'язах – до 2 %. При голодуванні запаси глікогену знижуються до 0,2 %.

Захисна функція. Густі секрети (слизи), виділювані різними залозами, багаті мукополісахаридами. Вони охороняють стінки порожніх органів від механічних ушкоджень, від проникнення патогенних бактерій і вірусів.

Регуляторна функція. Представник вуглеводів - клітковина має грубу структуру. Потрапляючи з їжею в шлунково-кишковий тракт, вона викликає механічне роздратування стінок шлунка і кишечнику, підвищує їхню активність і сприяє спорожнюванню.

Специфічна функція. Окремі представники вуглеводів виконують особливі функції в організмі, наприклад беруть участь у проведенні нервових імпульсів, утворенні антитіл, забезпеченні специфічності груп крові, нормальної діяльності центральної нервової системи.

За сучасною класифікацією вуглеводи підрозділяються на три основні групи залежно від їхнього складу, структури й властивостей: моносахариди, олігосахариди й полісахариди.

Моносахариди. Вуглеводи цієї групи мають карбонільну групу (альдегідну або кетонну), є похідними багатоатомних спиртів. Вони мають склад Cn2nOn.

Моносахариди відрізняються різним характером будови і просторовим розташуванням функціональних груп. За характером останніх вони підрозділяються на альдози і кетози.

Моносахариди можуть існувати у двох формах: лінійній (ациклічній) з відкритим карбогеновим ланцюгом і циклічній (кільцевій). Обидві форми перебувають у динамічній рівновазі, їх взаїмоперехід називається кільчасто-ланцюговою таутомерією.

При утворенні циклічної форми глюкози відбувається реакція між спиртовою гідроксильною групою при С-5 і карбогеном альдегідної групи С-1, замикається оксигеновий місток й утворюється шестичленний гетероцикл типу пірана.

Моносахариди існують, в основному, у напівацетальних формах. Напівацетальний гідроксил відрізняється великою реакційною здатністю. У реакціях зі спиртом, карбоновими кислотами, фенолами він може заміщатися іншими угрупованнями.

Сполуки, що діють на напівацетальний гідроксил моносахариду, називається агліконом, а продукт реакції – глікозидом. Глікозиди – фізіологічно активні речовини, - і -ізомерам моносахаридів відповідають - і -глікозиди.

O-глікозиди утворюються при реакції зі спиртами й фенолами (зв'язок здійснюється через кисень); N-глікозиди - глікозидний зв'язок здійснюється через азот з радикалом органічної сполуки, що не є вуглеводом.

Глікозиди відіграють важливу роль в обміні речовин. Вони є продуктами розщеплення нуклеїнових кислот і нуклеопротеїнів (нуклеотиди і нуклеозиди), АТФ, НАД, НАДФ; до них відносяться деякі антибіотики, рослинні пігменти, алкалоїди й ін.

D-глюконова й D-галактонова кислоти утворюються при перетворенні альдегідної групи в положенні С-1 у карбоксильну. Фосфорильована форма D-глюконової кислоти – важливий проміжний продукт вуглеводного обміну. З D-глюкози при окиснюванні шостого вуглецевого атома утворюється D-глюкуронова кислота, з D-галактози – D-галактуронова кислота.

Уронові кислоти – біологічні сполуки, що входять до складу полісахаридів. Так, D-глюкуронова кислота перебуває в складі полісахаридів сполучної тканини, ксиланів, камедів, глюкопротеїнів крові. У вільному стані вона виконує важливу захисну функцію – взаємодіє з токсичними речовинами, що утворюються в товстому кишечнику з амінокислот; при цьому утворюються ефіри, які виділяються з організму із сечею. Аналогічним чином за допомогою глюкуронової кислоти знешкоджуються і виводяться з організму деякі лікарські речовини. Галактуронова кислота входить до складу пектинових речовин та інших полісахаридів. α-Гулуронова і D-мануронова кислоти містяться в полісахариді бурих водоростей – альгіновій кислоті.

Моносахариди легко гідруються за зв'язком С–О, перетворюючись при цьому в багатоатомні спирти. Так, з D-глюкози і D-фруктози утворюється сорбіт, що застосовується в лікувальному харчуванні як  замінник цукру.

Важливою властивістю моносахаридів є їхня здатність етерифікуватися під дією фосфорної кислоти. Фосфорні ефіри цукрів беруть активну участь в обміні речовин. Зокрема, такі сполуки, як глюкозо-1-фосфат, фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат, являють собою проміжні продукти анаеробного розщеплення вуглеводів.

При заміщенні ОН-групи моносахариду NH2-групою утворюється відповідний аміноцукор. Аміноцукри мають властивості амінів, моносахаридів, а також специфічні властивості, обумовлені просторовою близькістю активних (гідроксильних і амінних) груп. Вони входять до складу слизуватих речовин, синовіальної рідини, склоподібного тіла ока, беруть участь у регуляції згортання крові. Найбільш важливими є D-глюкозамін й D-гaлактозамін.

Аміноцукри входять до складу мукополісахаридів різного походження, вони є також вуглеводними компонентами різних глікопротеїнів і гліколіпідів.

За числом атомів у ланцюзі моносахаридів розрізняють: біози, тріози, тетрози, пентози, гексози та ін. Найбільше значення в організмі людини й тварин мають тріози, пентози і гексози.

В обміні вуглеводів у тканинах беруть участь дві тріози (гліцериновий альдегід і диоксіацетон), що є продуктами окиснювання відповідних первинних і вторинних спиртових груп триатомного спирту гліцерину. Загальна їхня формула С3Н6О3. Тріози утворюються в організмі у вигляді фосфорних ефірів у реакціях гліколізу, спиртового бродіння, а також із гліцерину, що входить до складу ліпідів.

Загальна формула пентоз – С5Н10О5. Вони синтезуються рослинами і входять до складу багатьох сполук організмів тварин. Найбільш важливими є арабіноза, ксилоза, рибоза і дезоксірибоза.

Арабіноза (L і D) міститься в рослинних слизах, пектинових речовинах, геміцелюлозі, гумміарабіці, вишневому клеї та ін.

D-ксилулоза і D-рибулоза утворюються в організмі людини і тварин у пентозофосфатному циклі окиснювання глюкози. Вони беруть участь у біосинтезі нуклеїнових кислот.

D-ксилоза входить до складу рослинних полісахаридів, особливо багато її в деревині, соломі, кукурудзяних качанах, оболонках зерна.

Ця пентоза має солодкий смак, тому її використовують у кондитерській промисловості і при вирощуванні кормових дріжджів. При окиснюванні з неї утворюється ксиланова кислота, а потім триоксіксилолглутарова, використовувана в харчовій промисловості як  замінник лимонної кислоти. Із ксилози одержують п‘ятиатомний спирт ксиліт, застосовуваний у дієтичному харчуванні хворих ожирінням і цукровим діабетом для заміни солодких вуглеводів.

D-рибоза може перебувати в розчинах у циклічній формі:

Рибоза міститься в рибонуклеїнових кислотах, вільних нуклеотидах, деяких коферментах. Фосфорні ефіри рибози утворюються в організмі при окиснюванні глюкози в пентозофосфатному циклі. При відновленні рибози виділяється п‘ятиатомний спирт рибітол, що входить до складу деяких вітамінів (наприклад, вітаміну В2 і коферментів (ФАД).

D-дезоксирибоза є вуглеводним компонентом ДНК і нуклеотидів. Вона може перебувати в ациклічній і циклічній формах.

Загальна формула гексоз – С6Н12О6. Вони зустрічаються у вільному стані та в оліго- і полісахаридах. До них відносяться глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза.

 -D-глюкоза (декстроза, виноградний цукор) зустрічається в ациклічній і циклічної формах.

Глюкоза міститься в крові, лімфі, церебральній рідині. Вона широко поширена в продуктах рослинного походження, у великій кількості знаходиться  в плодах, насінні, листах і квітах рослин, особливо її багато (17-20 %) у плодах винограду. Глюкоза входить до складу полісахаридів (глікогену, крохмалю, клітковини), дисахаридів (мальтози, сахарози, лактози, целлобіози). При окиснюванні первинної спиртової групи із глюкози утворюэться глюкуронова кислота, а при відновленні – шестиатомний спирт D-сорбіт. Цю реакцію використовують при промисловому виробництві сорбіту – замінника солодких вуглеводів у харчуванні людей, що страждають ожирінням і цукровим діабетом.

Із глюкози одержують також препарати аскорбінової кислоти.

D-фруктоза (левулоза, плодовий цукор) має ациклічну і циклічну форми.

Фруктоза відноситься до солодких вуглеводів: вона в 2,5 рази сладша глюкози і в 1,7 рази - сахарози. У вільному виді фруктоза зустрічається в плодах, бджолиному меді (45 %); є складовою частиною дисахариду сахарози і полісахариду інуліну.

При нагріванні, дії кислот і лугів фруктоза піддається деструкції з утворенням 5-оксиметилфурфурола. Відновлення фруктози приводить до утворення маніту й сорбіту.

В організмі людини більшу роль грають фосфорні ефіри фруктози (фруктозо-6-фосфат і фруктозо-1,6-дифосфат), що є проміжними продуктами вуглеводного обміну. Фруктозу використовують у харчуванні хворих цукровим діабетом і людей, що страждають ожирінням.

D-манноза може перебувати в ациклічній і циклічній формах.

У вільному виді вона рідко зустрічається (наприклад, у шкірці апельсинів) і звичайно входить до складу складних вуглеводів – мананів. В організмі людини і тварин міститсья в сироватці крові, слині, слизу кишечнику, у суглобній рідині.

Шестиатомний спирт маніт, що утворюється при відновленні манози, є присутнім у соку деяких тропічних рослин і водоростей. Оскільки ця гексоза зброджується дріжджами, її вводять до складу поживних середовищ для деяких мікроорганізмів.

D-галактоза (цереброза) зустрічається в ациклічній і циклічній формах.

Ця гексоза є складовою частиною дисахариду лактози і трисахариду раффінози.

Галактоза міститься в ліпідах нервової тканини і глікопротеїнах людини і тварин. Вона є фрагментом полісахариду агар-агару, гумміарабіка, галактанів, слизів, глікозидів.

Під дією ферментів галактоза може перетворюватися в глюкозу. Її використовують як  поживне середовище для деяких мікроорганізмів, а також у кондитерської промисловості.

Олігосахариди. У складі молекул олігосахаридів перебуває від 2 до 10 залишків моносахаридів, з'єднаних глікозидними зв'язками. У цю групу входять дисахариди, трисахариди і т.п.

Дисахариди – складні цукри, кожна молекула яких при гідролізі розпадається на дві молекули моносахаридів. Емпірична формула С12Н22О11. Серед дисахаридів найбільше значення мають мальтоза, лактоза, сахароза, целобіоза. Поряд з полісахаридами дисахариди є основними вуглеводами в їжі людини і тварин.

Мальтоза – солодовий цукор – (-глюкопіранозил (14) – -глюкопіраноза) містить два залишки -D-глюкози. Мальтоза утворюється як проміжний продукт при дії амілаз на крохмаль або глікоген. Наявність вільного напівацетального гідроксилу в другому залишку глюкози, що входить до скла-ду мальтози, дозволяє віднести цей дисахарид до цукрів, що відновлюються.

Сахароза -глюкопіранозил (12) – -фруктофуранозид – харчовий (бурячний, очеретяний) цукор – найбільш важливий і широко розповсюджений дисахарид. Сахароза складається з -D-глюкози і -D-фруктози.

У зв'язку з відсутністю вільного напівацетального гідроксилу цей дисахарид не має редукуючих властивостей.

Сахарози багато в стеблах, коріннях, бульбах і плодах рослин. У цукровому буряку її накопичується до 24 %, у стеблах очерету – до 20 %. Процес розщеплення сахарози на глюкозу й фруктозу називається інверсією цукру, а гідролізована сахароза – інвертним цукром.

Сахароза піддається спиртовому, кисломолочному і маслянокислому бродінню.

Лактоза – молочний цукор – (β -галактопіранозил (14)- -глюкопіраноза) складається з β-галактози і  -глюкози. Вона міститься в молоці та молочних продуктах.

Лактоза добре засвоюється організмом після розщеплення в тонкому кишечнику під дією ферменту лактази (β-галактозидази). При вродженому або придбаному дефіциті цього ферменту виникає нестерпність молока, що проявляється здуттям кишечнику за рахунок підвищеного газоутворення, порушенням функції кишечнику.

Целобіоза (β-глюкопіранозил-(14)- β-глюкопіраноза) утворюється при ферментативному гідролізі целюлози під дією ферменту, що синтезується мікроорганізмами, β- целюлази.

 

Серед природних трисахаридів найбільше значення має рафіноза, що містить фруктозу, глюкозу і галактозу. У значній кількості вона перебуває в цукровому буряку, насінні бавовни, морських водоростях, грибах і інших рослинах. Рафіноза піддається гідролізу під дією сахарази і галактозидази.

Типовим представником тетрасахаридів є стахіоза, що складається із двох залишків галактози, однієї молекули глюкози і однієї – фруктози. У більших кількостях міститься в цибулинах і коріннях деяких рослин, у насінні бобових.

Полісахариди. Це високомолекулярні вуглеводи, що складаються з великого числа моносахаридів. Вони мають гідрофільні властивості і при розчиненні у воді утворюють колоїдні розчини. Полісахариди підрозділяються на гомо- і гетерополісахариди.

Гомополісахариди. До їхнього складу входять моносахариди одного типу. Наприклад, крохмаль і глікоген побудовані тільки з молекул глюкози, інулін - із фруктози.

Найбільш важливими гомополісахаридами є крохмаль, глікоген, клітковина (целюлоза), що складаються із залишків молекул глюкози, а також пектинові речовини. Із залишків молекул фруктози побудований полісахарид інулін, манани містять залишки молекул манози, галактани – галактози.

Крохмаль являє собою суміш лінійного полісахариду – амілози (10-30 %) і амілопектину (70..90 %), загальна формула яких – (С6Н10О5)n. Цей полісахарид побудований із залишків глюкози, з'єднаних в амілозі і лінійних ланцюгах амілопектину -1,4-зв'язками, у точках розгалуження амілопектину –міжлан-цюговими -1,6-зв'язками (рис. 1.5). Крохмаль є продуктом фотосинтезу і основною поживною речовиною рослин. Він накопичується у вигляді крохмальних зерен у листах, бульбах, плодах. Великий вміст крохмалю в насін-нях пшениці (75-80 %), значно нижче в рисі (30 %), бульбах картоплі (25 %).

 

Рис. 1.5.  Будова крохмалю і глікогену

А – будова амілози; Б – будова амілопектину; В – будова глікогену

Різне відношення фракцій крохмалю до йоду: амілоза дає в реакції з йодом синє забарвлення , амілопектин – фіолетове. Гідролітичне розщеплення крохмалю відбувається поступово, з утворенням проміжних продуктів - декстринів і мальтози, при повному гідролізі виділяється глюкоза.

Декстрини – уламки молекул крохмалю і глікогену – розчинні речовини, що легко засвоюються організмом людини. Частковий гідроліз крохмалю протікає при варінні продуктів рослинного походження і при хлібопеченні.

Гідроліз крохмалю відбувається поступово:

Процеси декстринізації і оцукрювання крохмалю використовують у харчовій і спиртовій промисловості.

При ферментативному гідролізі крохмалю в травному тракті також утворюються декстрини, частина їх (після вживання їжі, багатої вуглеводами) всмоктується стінками тонкого кишечнику і надходить у кров воротной вени людини. Амілоза гідролізується -амілазою слини і підшлункової залози. Амілопектин піддається гідролізу - і -амілазами.

Глікоген ("тваринний крохмаль") - головний резервний полісахарид людини і вищих тварин. За своєю будовою він близький до амілопектину і складається із залишків глюкози. В основному ланцюзі вони з'єднані за типом 1,4, бічні відгалуження йдуть від шостих вуглецевих атомів (1,6-зв'язки). З йодом глікоген дає червоно-буре забарвлення; при гідролізі розщеплюється на декстрини, мальтозу, потім глюкозу. Глікоген, що міститься в органах і тканинах являє собою суміш полісахаридів різного ступеня розгалуження і різної молекулярної маси. У найбільшій кількості глікоген присутній у печінці (до 15 % маси), м'язах (2..4 %), вміст його в інших органах (головний мозок, серцевий м'яз) невеликий. При недоліку глюкози він швидко розщеплюється і відновлює її нормальний рівень у крові. У клітинах глікоген пов'язаний з білком цитоплазми і частково із внутрішньоклітинними мембранами.

Інулін складається, в основному, із залишків молекул фруктози. Будучи резервним енергетичним матеріалом рослин, інулін накопичується в бульбах земляної груші, жоржини, коріннях кок-сагизу, цикорію. При гідролізі він розщеплюється до фруктози. Інулін солодкий на смак, тому його використовують у дієті хворих цукровим діабетом для заміни сахарози і крохмалю.

Целюлоза (клітковина) С6Н10О5 широко поширена в рослинному світі. Вона є основною структурою стінок клітин, обумовлюючи їхню міцність і еластичність. Целюлоза складається з α- и β-D-глюкозних залишків в -піранозній формі, лінійно з'єднаних між собою (14)-зв'язками. Ці лінійні молекули розташовуються паралельно один одному, між ними виникають водневі зв'язки і утворюються мікрофібріли.

При частковому гідролізі целюлози виділяється дисахарид целобіоза, а при повному гідролізі утворюється D-глюкоза.

Клітковина не переварюється в шлунково-кишковому тракті людини через відсутність у ній -глюкозидази. Однак вона необхідна для нормального травлення, тому що стимулює рухову активність кишечнику і жовчного міхура, поліпшує просування харчової кашки по травному каналу, підсилює виділення жовчі з жовчного міхура, сприяє формуванню калових мас і виділенню їх з кишечнику.

При недостатньому вмісті клітковини в харчовому раціоні в людини розвиваються запори, виникають умови, що сприяють роздратуванню слизової оболонки кишечнику і її запаленню.

При взаємодії клітковини з кислотами йі спиртами утворюються різні ефіри. За допомогою цих реакцій одержують целофан, целулоїд, фотоплівку, вибухові речовини. Широке застосування в іонообмінній хроматографії одержали карбоксіметілцелюлоза (Км-целюлоза) і діетиламіноетилцелюлоза (ДЭАЭ-целюлоза), використовувані для розділу амінокислот, білків, нуклеїнових кислот. Крім того, Км-целюлозу використовують у лікувальному харчуванні людей з надмірною вагою для зменшення калорійності їжі.

Структурним полісахаридом є хітин. Він входить до складу нижчих рослин (зокрема, грибів) і безхребетних тварин. Хітин складається із залишків 2-ацетамід-2-дезокси-D-глюкози, зв'язаних між собою -1,4-зв'язками.

Пектинові речовини – полісахариди рослинного походження. Вони являють собою високомолекулярні сполуки, що перебувають у великій кількості в ягодах, фруктах і овочах. У якості мономерних залишків містять D-галактуронову кислоту.

Пектинові речовини неоднорідні і зустрічаються у вигляді протопектину, пектину і пектинової кислоти.

Пектинова кислота являє собою полігалактуронову кислоту. Це лінійний полісахарид із залишків D-галактуронової кислоти, з'єднаних -1,4-зв'язками.

Пектин є похідним пектинової кислоти, у якої частина карбоксильних груп утворює ефіри з метиловим спиртом, інакше сказати: пектин – це складний ефір метилового спирту і пектинової кислоти.

 

Пектин у чистому виді – це білий порошок без смаку і запаху, добре розчинний у воді. У рослинних тканинах 1/4 частина пектинових речовин перебуває у вигляді розчинного пектину, що входить до складу клітинного соку, а 3/4 – представлені нерозчинними у воді протопектином. Протопектин утворює міжклітинний прошарок у рослинній тканині і обумовлює твердість останньої.

Характерною властивістю багатьох полісахаридів є їхня здатність до гелеутворення у водяних розчинах. Для цього потрібно, щоб лінійні молекули були організовані в пухку просторову сітку, в осередках якої перебуває вода. У гелях пектинів вузли сітки утворюються за рахунок високо метильованих ділянок різних ланцюгів пектинових кислот, які зв'язуються у водяних розчинах гідрофобними взаємодіями, а низько метильовані і тому добре гідратовані ділянки утворюють міжвузлові проміжки. Отже, чим більше метоксильних груп у молекулі пектину, тим більшу желюючу здатність мають ці сполуки. Високої желюючою здатністю відрізняється пектин деяких сортів яблук, апельсинів, айви, чорної смородини. Пектин овочів характеризується низькою здатністю утворювати гелі.

Одержання пектинових гелів у присутності сахарози є основою кондитерських виробництв, таких, як виготовлення варення, конфітюрів, мармеладів, пастили, желе і т.д.

Желююча здатність пектину в присутності цукру збільшується в кислих розчинах. Так, для желювання 750 г кислого розчину цукру досить 1 г пектину.

Процес дозрівання плодів, овочів і ягід, а також їхнє розм'якшення при тепловій кулінарній обробці пов'язані з перетвореннями пектинових речовин. Під час розвитку рослинних тканин в них накопичується нерозчинний протопектин.

При дозріванні і зберіганні плодів і овочів вміст протопектину поступово зменшується і одночасно накопичується розчинний пектин. Цей процес каталізується ферментом протопектиназою. При цьому тканини рослинного матеріалу стають м'якше і ніжніше. Теплова обробка продуктів рослинного походження послабляє зчеплення між клітинами, тому що протопектин перетворюється в пектин і консистенція тканини розм'якшується.

Пектинові речовини відіграють важливу роль у харчуванні: вони сприяють нормальному травленню, тому що стимулюють рухову активність кишечнику, виводять із організму солі важких металів, зв'язують надлишок холестерину, виконують роль протирадіаційних сполук.

Гетерополісахариди складаються з різного виду моносахаридів (глюкози, галактози) і їхніх похідних (аміносахарів, гексуронових кислот). У їхньому складі виявлені і інші речовини: азотисті основи, органічні кислоти.

Мукополісахариди являють собою желеподібні липкі речовини. Вони виконують різні функції, у тому числі структурну, захисну, регуляторну. Мукополісахариди становлять основну масу міжклітинної речовини тканин, входять до складу шкіри, хрящів, синовіальної рідини. В організмі мукополісахариди зустрічаються в комплексі з білками (глікопротеїни) і жирами (гліколіпіди). У рослинах вони представлені камедями.

Гіалуронова кислота входить до складу сполучної тканини в якості основного "цементуючого" компонента клітин і міжклітинної речовини. У зв'язку із цим їй належить важлива роль у формуванні бар'єрних функцій організму, що сприяє захисту його від інфекцій,  іонізуючої радіації, вона також бере участь в обміні води в організмі. Гіалуронова кислота розпадається під дією специфічного ферменту гіалуронидази, що міститься в тканинах. Це приводить до порушення структури міжклітинної речовини, в його складі виявляються «тріщини» і збільшується проникність для води й інших речовин. Цей фермент перебуває в бджолиній і зміїній отрутах, сперматозоїдах. Гіалуронідазу містять також і деякі бактерії, що полегшує їхнє проникнення в клітину. При ряді захворювань, особливо при променевій хворобі, підсилюється розщеплення гіалуронової кислоти, що послабляє функцію сполучної тканини і підвищує проникність клітинних мембран. Це збільшує імовірність потрапляння мікрофлори в організм.

Хондроітинсірчана кислота – високомолекулярна сполука. Вона входить до складу хрящової і кісткової тканин у вигляді комплексів з білком колагеном і виконує опорні функції. Крім того, хондроітинсірчана кислота бере участь у регуляції процесів проникності клітинних мембран, сприяє відкладенню кальцію в кістках.

Гепарин міститься в печінці, легенях, стінках великих судин. У крові він зв'язується з білками і перешкоджає згортанню крові, виконуючи функцію антикоагулянту. Крім того, гепарин має протизапальну дію, впливає на обмін калію і натрію, виконує антитоксичну функцію.

Сіалові кислоти. Вони є структурними елементами глікопротеїнів і гліколіпідів клітинних мембран тканин тварин. Сіалові кислоти виявлені в слині і інших травних соках, слизових секретах носової порожнини, матки. При запальних захворюваннях рівень сіалових кислот підвищується.

Геміцелюлози відносяться до гетерополісахаридів, тому що побудовані з різних моносахарів. Геміцелюлози в рослинах супроводжують целюлозу. При їхньому гідролізі утворюється суміш різних моносахаридів (D-галактоза, D-ксилоза, D-арабіноза, уронові кислоти, D-маноза, D-глюкоза).

Використання вглеводіву харчовій промисловості

Вуглеводи є важливим субстратом переробки рослинної сировини і харчових продуктів, мікробіологічних синтезів.

Так, D-глюкоза (виноградний цукор, декстроза) зброджується пивними, пекарськими і винними дріжджами. У вільній формі глюкоза міститься в ягодах і плодах. Це сировина і одержувані з нього соки використовують на підприємствах виноробної і спиртоводочній промисловості як  джерело цукру, що зброджується. У зв'язаній формі глюкоза присутня в крохмалі, целюлозі, геміцелюлозі, декстринах, сахарозі, мальтозі, рафінозі та ін.

Для ферментації цих субстратів необхідний їх попередній гідроліз із відщіпленням глюкози.

D-фруктоза (плодовий, фруктовий цукор, левулеза) входить разом із глюкозою до складу бджолиного меду, плодів, фруктів і одержуваних з них соків і вин. Її використовують як субстрат бродіння при готуванні плодово-ягідних вин. У складі сахарози вона міститься в мелясі бурячного і очеретяного цукрів, що є основною сировиною при проведенні ферментативних реакцій у промислових масштабах.

Сахарозу широко застосовують у технології виробництва харчових продуктів і при різних ферментаціях. Цей дисахарид, поряд зі спиртом, - єдиний харчовий продукт, що одержують у великій кількості в чистому виді.

Лактоза міститься в молоці, молочній сироватці, стоках молочних заводів. Частково її використовують для виготовлення кормових дріжджів, а також для одержання молочної кислоти у ферментаційному процесі.

Крохмаль є вихідним субстратом для вироблення ряду важливих продуктів. У результаті нагрівання (вище температури утворення клейстеру) і висушування крохмалю одержують продукти, здатні набухати у воді. Їх використовують як  суху суміш для пудингів, кремів, покращувачів тіста в хлібопекарській промисловості.

При кислотному гідролізі крохмалю під тиском одержують крохмальну патоку і крохмальний цукор. Рідка крохмальна патока йде на виготовлення мальтози, маринадів, лікерів, морозива.

Кристалічний крохмальний цукор застосовують у виробництві цукрових виробів і карамелі.

Крохмальну сировину використовують у бродильному виробництві для виготовлення спирту і алкогольних напоїв.

Пектини мають особливі колоїдно-хімічні властивості, у зв'язку із чим обумовлюють можливість желювання концентрованих (згущених) соків. Їх широко використовують при виготовленні желе і начинок для карамелі.

Пектини відіграють негативну роль при виготовленні соків, оскільки погіршують умови фільтрації і прозорість готового продукту. Крім того, вони сприяють утворенню метанолу у фруктових соках і плодово-ягідних винах.

Інулін використають у спиртовому бродінні.

Важливе значення мають глікозиди. Залежно від агліконів, що містяться в них, вони діляться на наступні групи: алкогольглікозиди, флавон- або енолглікозиди, глікозиди синильної кислоти, глікозиди гірчичного масла, азотовмісні глюкозиди і ін. Вони використовуються як  підсилювачі аромату.

β-Глікозид-глікованілін – перебуває в плодах ванілі, розщеплюється -глюкозидазою на ароматичну речовину ванілін і глюкозу. Ванілін застосовують у технології готування ряду харчових продуктів.

Типовим представником флавонглікозидів є кверцитрін, що міститься в листах чаю. У гречці є флавонглікозид – рутин, у шкірці плодів цитрусових - гесперидин. Ці сполуки  впливають на проникність капілярів.

Антоціани – барвники  крові і плодів. Вони являють собою глікозиди, у яких залишки глюкози, галактози або раменози з'єднані з пофарбованим агліконом із групи антоцианідину.

Антоціани забарвлені в червоний, пурпурний, фіолетовий або синій кольори, які залежать від присутності того чи іншого антоціану.

Присутність в плодах та ягодах різних антотоціанів в сполученні з іншими пігментами зумовлює ті чи інші відтінки їх забарвлення. Забарвлення антоціанів залежить від рН середовища, так в кислому середовищі вони червоні, а в нейтральному – фіолетові, в лужному середовищі – сині.

При промисловій та кулінарній обробці плодів та ягід антоціани можуть підлягати окислювальній деградації та вступають в реакції з металами, в результаті чого забарвлення продуктів буде змінюватися. Наприклад, при виготовленні солодких страв (киселі, желе, мусів) з ягід і плодів віджимають сік і деякий час зберігають. Це може викликати послаблення інтенсивності його забарвлення, тобто антоціани здатні руйнуватися під дією світла і окислення киснем повітря з участю поліфенолоксидаз. Найменші зміни забарвлення спостерігаються при рН 2. В межах рН від 3 до 4, що характерно для плодів та ягід. Найбільш стабільні при зберіганні соку пігменти вишні, черешні та полуниці.

Зміни забарвлення соків може викликати присутність в них іонів деяких металів (Fe, Cu, Zn), потрапляючи з водопровідної води при промиванні ягід і плодів або із матеріалу обладнання при подрібненні продуктів і віджиманні соків. При варці ягід та плодів відбуваються помітні зміни  їх забарвлення. Вважають, що стабілізація забарвлення відбувається при температурі 70оС, коли ферменти інактивовані, а термічна деградація фітоцианів практично не відбувається.

Як правило, при приготуванні компотів, желе, мусів проварюють тільки мезгу, яка залишилася після віджимання соків. Додавання соків в киселі, желе і муси перед закінченням доведення до кипіння сиропу сприяє зберіганню забарвлення.

Червоно-фіолетове забарвлення буряку зумовлюють два пігменти: пурпурний та жовтий. Кількісний вміст і співвідношення цих пігментів зумовлюють відмінності у відтінках сортів буряку. При тепловій обробці пігменти буряку руйнуються, що змінює інтенсивність його забарвлення і переважання бурого відтінку. Ступень руйнування забарвлення залежить від  концентрації пігментів і реакції середовищі. Цим пояснюється рекомендація щодо варіння  буряку в шкірці і тушінню нарізаного сирого буряку в кислому середовищі при додаванні оцту та томату.

Одним із глікозидів синильної кислоти є амігдалін. Він міститься в листах і кісточках плодів розоквіткових (абрикосах, гіркому мигдалі, яблуках, горобині, вишні, персиках, сливі).

До азотвмісних глікозидів відносяться нуклеотиди і нуклеозиди, які мають властивість підсилювати аромат.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7

«ДОСЛІДЖЕННЯ властивостей ВУГЛЕВОДІВ»

Мета заняття: провести дослідження властивостей вуглеводів.

План заняття

1. Визначити взаємодію вуглеводів із гідрооксидом міді за допомогою реакції Троммера.

2.Вивчити взаємодію вуглеводів з реактивом Фелінга.

3. Визначення кетоз за допомогою реакції Селіванова.

4. Виявити моносахариди моркви.

5. Виявити редукуючих вуглеводів лактози в молоці.

1. Взаємодія вуглеводів із гідроокисом міді (реакція Троммера)

Всі моносахариди, а також більш складні сахари, що мають вільну карбонільну (альдегідну або кетонну) групу, мають здатність відновлюватися у лужному середовищі.

Реакція Троммера полягає у відновленні окисної міді в закисну. При цій реакції сірчанокисла мідь реагує з лугом, утворюючи блакитний гідрат окису міді. При його нагріванні колір змінюється на жовтий, а потім на червоний.

Об’єкт дослідження: Набір вуглеводів.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Нагрівальний прилад.

Реактиви:    1. Глюкоза, 1%-й розчин;

    2. Мальтоза, 1%-й розчин;

3. Фруктоза, 1%-й розчин;

4. Лактоза, 1%-й розчин;

5. Сахароза, 1%-й розчин;

6. Крохмаль, 1%-й розчин;

7. Гідроокис натрію, 10%-й розчин;

8. Сульфат міді, 5% розчин.

Техніка виконання роботи

У пробірки (за кількістю існуючих у лабораторії вуглеводів) наливають по 1 мл глюкози, лактози, мальтози, фруктози, сахарози, крохмалю, добавляють такий же об’єм гідроокису натрію і 0,5 мл сульфату міді до появи блакитного осаду гідроокису міді. Усі пробірки обережно нагрівають. Моносахариди і поновлені дисахариди (лактоза і мальтоза) відновлюють гідроокис міді до закисі міді – осад жовтого кольору, який при тривалому нагріванні перетворюється на оксид міді – осад цеглисто-червоного кольору. Сахароза і крохмаль (необновлені вуглеводи) не змінюють забарвлення гідроокису міді.

Роблять висновок щодо відповідності властивостей вуглеводів у залежності від хімічної будови.

  1.  Взаємодія вуглеводів з реактивом Фелінга

Механізм реакції з Фелінговою рідиною такий само, як і реакції Троммера. Перевагою Фелінгової рідини є те, що мідь при надлишку реактиву не випадає у вигляді окису міді.

Об’єкт дослідження: Набор вуглеводів.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Нагрівальний прилад.

Реактиви:   1. Глюкоза, 1%-й розчин;

2. Мальтоза, 1%-й розчин;

3. Фруктоза, 1%-й розчин;

4. Лактоза, 1%-й розчин;

5. Сахароза, 1 %-й розчин;

6. Крохмаль, 1 %-й розчин;

7. Реактив Фелінга (Фелінг І+ФелінгІІ у рівних об’ємах)

Техніка виконання роботи  

У пробірки (за кількістю існуючих у лабораторії вуглеводів) наливають по 1 мл глюкози, фруктози, лактози, мальтози, сахарози, крохмалю, додають такий же об’єм реактиву Фелінга (0,5 мл розчину Фелінга І+0,5 мл розчину Фелінга ІІ). Пробірки обережно нагрівають. Моносахариди, відновлені дисахариди (лактоза і мальтоза), відновлюють реактив Фелінга через гідрооксид міді жовтого кольору до окису міді цеглисто-червоного кольору. Сахароза і крохмаль (невідновлені вуглеводи) не змінюють забарвлення реактиву Фелінга.

Роблять висновок щодо відповідності властивостей вуглеводів у залежності від хімічної будови.

3. Реакція Селіванова на визначення кетоз.

Найважливішою кетозою є фруктоза. Вона зустрічається в природі як у вільному (у складі меду), так і у зв’язаному (у складі сахарози, деяких інших полісахаридів) стані. У живих організмах фруктоза перетворюється на глюкозу.

Характерною реакцією на фруктозу та інші кетози є реакція Селіванова. Суть реакції полягає в тому, що при нагріванні розчину кетози з концентрова-ною соляною кислотою утворюється оксиметилфурфурол, який із резорцином дає продукт конденсації червоного кольору. Ця реакція дає можливість визначити як вільні, так і зв’язані кетози.

Швидше реакція Селіванова відбувається з фруктозою.

Об’єкт дослідження : Фруктоза, 1 %-й розчин.

Обладнання і посуд : 1. Штатив із пробірками;

2. Водяна баня;

Реактиви:   1. Реактив Селіванова.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 0,5 мл розчину фруктози, додають 1 мл реактиву Селіванова і кілька хвилин нагрівають на водяній бані. Спостерігають червоне забарвлення розчину.

Роблять висновок щодо значення цієї реакції для визначення фруктози.

4. Виявлення моносахаридів у моркві.

Об’єкт дослідження: Морква.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2.  Нагрівальний прилад.

Реактиви: 1. Реактив Фелінга (Фелінг І+ Фелінг ІІ у рівних об’ємах);

2. Реактив Селіванова.

Техніка виконання роботи

Кладуть у пробірку трохи протертої моркви, додають 5 мл води, струшують 2-3 хвилини, фільтрують і фільтрат ділять на дві частини. В одній пробірці відкривають моносахариди реакцією Фелінга, у другій – фруктозу – реакцією Селіванова.

5. Виявлення редукуючого вуглеводу лактози в молоці.

Об’єкт дослідження: Молоко.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Фільтри паперові;

3.  Нагрівальний прилад.

Реактиви: 1. Реактив Фелінга (Фелінг І+Фелінг ІІ у рівних об’ємах);

2. КОН, 1 %-ий розчин.

Техніка виконання роботи

В мірний циліндр на 50 мл виміряють 2,5 мл молока, додають 40 мл дистильованої води і 1 мл 1 % розчину КОН. Об’єм суміші доводять до 50 мл. Струшують вміст. Фільтрують. Відмірюють в окрему пробірку 2-3 мл фільтрату і проводять реакцію Фелінга.

Контрольні запитання

  1.  Які функції виконують вуглеводи в організмі ?
  2.  Напишіть формули різних моно- і дисахаридів.
  3.  Які продукти раціону людини є джерелами моно- і дисахаридів ? Яка їхня роль ?
  4.  Яке будова полісахаридів ?
  5.  Назвіть харчові джерела полісахаридів (крохмаль, глікоген, клітковина, пектинові речовини). Яка їхня будова й роль ?
  6.  Включення яких продуктів у раціон буде сприяти зниженню його енергетичної цінності й чому ?
  7.  Яке біологічне значення фотосинтезу?
  8.  Яке значення реакції меланоїдиноутворення в харчових технологіях?
  9.  Яке технологічне значення мають пектинові речовини в харчовій промисловості?
  10.  Як отримують модифіковані крохмалі і як вони використовуються при виготовленні харчових продуктів?

ТЕМА 1.5. ЛІПІДИ: БУДОВА, БІОЛОГІЧНА РОЛЬ. кЛАСиФІКАЦІЯ

Ліпіди (від грец. lіpos - жир) є похідними вищих жирних кислот, спиртів і альдегідів, що відрізняються різним ступенем розчинності в органічних розчинниках. Вегетативні частини рослин накопичують не більш 5 % ліпідів, насіння – 50 % і більше.

У тканинах людини кількість ліпідів різко варіює. Так, в організмі людини в нормі міститься 10…20 % жиру, але при деяких порушеннях жирового обміну його кількість може зрости до 50 %. Ліпіди входять до складу всіх органів і тканин. Найбільша їхня кількість (до 90 %) знаходиться в жировій тканині. Ліпіди складають біля половини маси мозку.

Ліпіди виконують різноманітні функції.

Енергетична. Ці речовини є джерелом енергії: при окиснюванні в організмі 1 г жиру виділяється 9 ккал. Так, за рахунок жирів забезпечується 25-35 % добової потреби в енергії в жителів середніх широт, а в жителів півночі їхня частка в енергетичній забезпеченості раціону ще більша.

Регуляторна. Ліпіди – важливі фактори регулювання обміну води в організмі. Кількість води, що утворюється в організмі при повній деградації жирів, досить велика: при окиснюванні 100 г жиру виділяється 107 г ендогенної води, що має особливе значення в екстремальних умовах (наприклад, при недостатньому надходженні води ззовні).

Пластична. Ліпіди виконують структурно-пластичну роль, тому що входять до складу клітинних і позаклітинних мембран усіх тканин у виді ліпопротеїнів (комплексів з білками) і гліколіпідів (ліпідів, що містять вуглеводи).

Ліпопротеїни містяться в органелах клітин (мітохондріїта ін.) і, отже, беруть участь в окиснювально-відновних процесах, біосинтезі білків, транспорті речовин у клітини.

З ліпідів утворюються деякі гормони (статеві, кори надниркових залоз), а також вітаміни групи D.

Захисна. Ліпіди шкіри і внутрішніх органів виконують захисну роль. Вони охороняють організм людини і тварин від переохолодження (перешкоджають віддачі теплоти) і від механічного ушкодження органів (наприклад, нирки). Ліпіди, які виділяються сальними залозами, додають шкірі еластичність і охороняють її від висихання.

Жири є розчинниками вітамінів A, D, Е,К, F і сприяють їх засвоєнню. З харчовими жирами в організм надходить ряд біологічно активних речовин: фосфатиди, поліненасичені жирні кислоти (ПНЖК), стерини й ін.

Жири, що входять до складу їжі, поліпшують її смакові якості, а також підвищують поживну та енергетичну цінність.

В організмі людини жир знаходиться у виді структурного (протоплазматичного, конституційного) і резервного (жир "жирових депо").

Структурний жир у клітинах представлений у вигляді складних ліпідів або утворює відносно міцні сполуки з білками – ліпопротеїнові комплекси. Вони містяться в крові, беруть участь у побудові клітинних органел (ядра, рибосом, мітохондрій). Протоплазматичний жир знаходиться в органах і тканинах у постійній кількості (близько 25 % усіх ліпідів), що не змінюється навіть при повному голодуванні.

Резервні жири відкладаються в так званих "жирових депо" (підшкірній клітковині, брижах, жировій капсулі нирок і ін.). Вони також утворюють ліпопротеїнові комплекси, але не стійкі, тому їхня кількість швидко зменшується при голодуванні, деяких нервових і гуморальних розладах. У резервному жирі постійно відбувається синтез і розпад, разом з тим він є джерелом відновлення внутрішньоклітинного структурного жиру.

Резервні жири виконують механічну роль, захищаючи організм від ударів, поштовхів, травм. Усі внутрішні органи мають жирову "підкладку", але найбільшу – нирки і серце. Резервний жир бере участь у тепловій регуляції деякі захворювання і недостатнє харчування сприяють зменшенню запасів жиру. Навпроти, надлишкове харчування, гіподинамія, зниження функції статевих і щитовидних залоз сприяють збільшенню його кількості.

Жири являють собою ефіри гліцеролу і вищих жирних кислот. У природних жирах міститься також до 2 % супутніх речовин, від яких залежать їхнє забарвлення, аромат і смакові особливості.

За хімічним складом ліпіди поділяються на прості і складні.

Прості ліпіди – речовини, молекули яких складаються з залишків жирних кислот (або альдегідів) і спиртів. До них відносяться нейтральні жири (триацилгліцероли, інші гліцероли) і воски. У цю групу входять також ефіри вітамінів А і D з вищими жирними кислотами. До їхнього складу входять насичені і ненасичені жирні кислоти (найбільш часто зустрічаються пальмітинова, стеаринова і олеїнова кислоти). Якщо триацилгліцерол містить одну жирну кислоту, то він називається простим (наприклад, тристеарин, трипальмітин), якщо ж кислотні радикали належать різним жирним кислотам, то утворюються змішані тригліцероли, їхні назви залежать від вхідних жирних кислот (наприклад, 1-пальміто-2-стеарино-3-олеїн). 

Жирні кислоти містять, як правило, парне число карбогенових атомів і нерозгалужений ланцюг. Вони поділяються на дві великі групи: насичені (граничні) і ненасичені (неграничні), що містять подвійні зв'язки. Саме від подвійних зв'язків у молекулі залежать всі основні властивості ненасичених жирних кислот.

У тканинах тварин синтезуються різні кислоти. Насичені жирні кислоти входять до складу тваринних жирів. У тканинах людини присутні ненасичені жирні кислоти, що відносяться до чотирьох сімейств: пальмітоолеїнової, олеїнової, лінолевої і ліноленової кислот.

Разом з тим, тканини людини не здатні синтезувати лінолеву і ліноленову кислоти, а повинні одержувати їх з їжею, у зв'язку з чим їх відносять до ессенціальних факторів харчування. Всі інші поліненасичені жирні кислоти (ПНЖК) утворюються шляхом подовження ланцюга або введення нових подвійних зв'язків.

Біологічна роль ПНЖК досить важлива: вони беруть участь як структурні елементи у фосфатидах, ліпопротеїнах клітинних мембран. А крім того, входять до складу оболонок нервових волокон, сполучної тканини, впливають на обмін холестерину, підвищуючи його окиснювання і сприяючи його перетворенню в лабільну сполуку. ПНЖК також нормалізують стан стінок кровоносних судин. Ці кислоти зв'язані з обміном вітамінів групи В (піридоксину і тіаміну), стимулюють захисні механізми організму, підвищують його стійкість до інфекційних захворювань і дії радіації, впливають на стан шкірного і волосяного покриву. Арахідонова кислота є попередником простагландинів - модуляторів гормональної активності. Добова потреба людини в ПНЖК складає 5-10 г. Джерелами ПНЖК у їжі є рослинні олії, особливо нерафіновані.

Складні ліпіди, крім вищих жирних кислот і спиртів, містять похідні ортофосфорної кислоти (фосфоліпіди), залишки цукрів (гліколіпіди), азотисті сполуки (холін, коламін, серин).

Гліцерофосфоліпіди (складні ліпіди) являють собою ефіри гліцеролу, жирних кислот, фосфорної кислоти і азотвмісних сполук. Характерною рисою їхньої будови є наявність у молекулі гідрофобних (радикали жирних кислот) і гідрофільних (фосфорна кислота, азотиста основа) груп. Завдяки цьому гліцерофосфоліпіди взаємодіють з жирами і водорозчинними сполуками.

Гліцерофосфоліпіди поділяються на наступні групи (підкласи): 1) фосфатидилхоліни (лецитини); 2) фосфатидилетаноламіни (кефаліни); 3) фосфатидилсерини; 4) ацетальфосфатиди (плазмалогени); 5) фосфатидилінозити.

У комплексі з білками ці речовини входять до складу нервової тканини, печінки, серцевого м'яза, статевих залоз. Вони беруть участь у побудові мембран кліток, визначають ступінь їхньої проникності для жиророзчинних речовин, беруть участь в активному транспорті складних речовин і окремих іонів у клітині і з них, підвищують активність протромбіну в процесах згортання крові. Гліцерофосфоліпіди сприяють кращому використанню білка і жиру в тканинах, беруть участь у біосинтезі білка, попереджають жирову інфільтрацію печінки. Будучи антиоксидантами, вони запобігають окислюванню інших сполук, у тому числі вітамінів А и Е.

Добова потреба людини у фосфоліпідах 5-6 г. Вони містяться в таких харчових продуктах, як нерафіновані рослинні олії, вершкове масло, яєчний жовток.

Сфінголіпіди (сфінгомієліни) складаються з двох молекул жирних кислот, однієї молекули аміноспирту сфінгозину, азотистої основи і фосфорної кислоти. Ці ліпіди містяться в мембрані тваринних і рослинних клітин, ними багаті нервова тканина, нирки, печінка.

До складних ліпідів відносяться також гліколіпіди. Вони побудовані зі сфінгозину, вищої жирної кислоти і вуглеводної частини (галактози, глюкози, галактозаміну або нейрамінової кислоти). До гліколіпідів відносяться цереброзиди, сульфатиди, гангліозиди, що відіграють визначену роль у здійсненні функцій біологічних мембран. Складні ліпіди містяться в білій речовині головного мозку, клітинах крові та ін.

До складу цереброзидів входять D-галактоза, жирні кислоти, аміноспирт сфінгозин. Вони знаходяться в сірій речовині мозку.

Сульфатиди за  будовою подібні  цереброзидам, але містять у молекулі залишок сірчаної кислоти. У молекули гангліозидів входять вища жирна кислота, сфінгозин, D-глюкоза, D-галактоза, похідні аміносахарів.

Стероїди. Це група ефірів, утворених при взаємодії високомолекулярних циклічних спиртів і вищих жирних кислот. Найбільш важливим представником стероїдів є холестерол (холестерин). В організмі він виконує наступні функції: виступає попередником багатьох біологічно важливих сполук (стероїдних гормонів, жовчних кислот, вітаміну D), входить до складу клітинних мембран, підвищує стійкість еритроцитів до гемолізу, бере участь у проведенні нервових імпульсів, являє собою своєрідний ізолятор для нервових клітин.

Важливе значення для організму мають похідні ліпідів. Вони близькі за будовою і фізико-хімічними властивостями, тісно зв'язані в структурі клітин і процесах обміну. До них відносяться насичені і ненасичені жирні кислоти, моно- і диацилгліцероли, вищі спирти, пігменти (каротини), жиророзчинні вітаміни та ін.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8

«ДОСЛІДЖЕННЯ ЛІПІДІВ ТА ЛІПОЇДІВ»

Мета заняття: вивчити властивості простих та складних ліпідів.

План заняття

1.Визначити реакції стеринів з сірчаною кислотою.

2.Провести дослідження емульгування жирів в шлунково-кишковому тракті.

3.Визначити якість жирів по акролеїновій пробі.

4.Провести дослідження якісної реакції на лецитін.

  1.  Реакція стеридів з сірчаною кислотою

Водовідбираючі речовини перетворюють стерини на ненасичені вуглеводи, які утворюють забарвлені комплекси з сірчаною кислотою.

Об’єкт дослідження:1. Холестерин, 0,3 %-й розчин в хлороформі;

     2. Лецитин, 0,3 %-й розчин в хлороформі;

     3. Соняшникова олія, 0,3 %-й розчин в хлороформі.

Обладнання та посуд: 1. Штатив з пробірками;

2. Піпетки.

Реактиви:   Концентрована сірчана кислота.

Техніка виконання роботи

У сухі пробірки наливають по 1 мл хлороформних розчинів, що будуть досліджуватися, і в кожну додають по стінці пробірки 1 мл концентрованої сірчаної кислоти. Вміст пробірок обережно перемішують. У присутності стеринів верхній шар рідини забарвлюється в темно-червоний колір, нижній – у жовто-червоний з зеленою флуоресценцією.

Результати усіх  трьох дослідів оформлюють у вигляді таблиці, позначаючи характер реакції знаками «+», «–» (табл. 1.3).

Таблиця 1.3

Реактиви

Характер реакції з різними видами ліпідів

соняшникова олія

лецитин

холестерин

  1.  Емульгування жирів

Емульгуванням називають розподіл однієї нерозчинної рідини в інший у вигляді краплин. Таке подріблення на краплини звичайно здійснюється при енергійному перемішуванні двох рідин. Щоб емульсія не розшаровувалася, використовують спеціальні речовини – емульгатори або стабілізатори. Емуль-гатор розподіляється по поверхні краплинок диспергованої рідини у вигляді тонкої плівки і перешкоджає їх злиттю. Стійкість одержаної емульсії в значній мірі залежить від природи емульгатора. Наприклад, молочно-жирова емульсія маргарину має високу стійкість і не розшаровується при механічній і термічній діях. У вітчизняному маргариновому виробництві як емульгатори використо-вують суміші моно- і дигліцеридів, фосфатиди, сухе молоко. При виготовленні майонезів з цією метою використовують яєчний і гірчичний порошки.

Основними емульгаторами в шлунково-кишковому тракті є солі жовч-них кислот, білки, фосфатиди, мила, гідрокарбонати лужних металів. Емуль-гування жирів сприяє кращому їх розщепленню та всмоктуванню в кишечнику.

Об’єкт дослідження: Олія.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки;

3. Воронки;

4. Фільтри паперові.

Реактиви:   1. Жовч;

2. Висушений яєчний жовток – джерело лецитину;

3. Гідрокарбонат натрію, 1% розчин;

4. Дистильована вода.

Техніка виконання роботи

У чотири пробірки наливають по 5 мл дистильованої води. До другої пробірки вносять на кінчику ножа висушений яєчний жовток (лецитин), до третьої – 1 мл жовчі, до четвертої – 1 мл розчину гідрокарбонату натрію. Потім до всіх пробірок додають по 0,2 мл олії. Пробірки енергійно струшують і залишають на 5 хвилин. У першій пробірці емульсія швидко розшаровується на воду і олію. У інших пробірках завдяки присутності жовчі, лецитину і соди утворюються стійкі емульсії.

Вміст пробірок фільтрують через паперові фільтри у другі пробірки. У першій пробірці через фільтр проходить прозорий розчин, а олія залишається на фільтрі. У інших пробірках фільтрується мутна рідина (емульсія). Отже, стабілізатори сприяють емульгуванню жирів і значно полегшують їхнє проходження через мембрани.

3. Проба на гліцерин (акролеїнова проба)

Якісною реакцією на якість жиру є акролеїнова проба. При нагріванні гліцерин втрачає воду і утворює ненасичений альдегід – акролеїн, який легко виявляється завдяки специфічному подразливому запаху.

Акролеїнову пробу здійснюють нагріваючи жир у присутності бісульфату Na або К, NaHSO4 або KHSO4 (як водовіднімаючий засіб).

Об’єкт дослідження: Гліцерин або рослинна олія.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із сухими пробірками;

2. Скляна палиця.

Реактиви:   1. NaCl,суха;

2. Сірчана кислота, концентрована.

Техніка виконання роботи

В суху пробірку сиплють 1 г сухої солі (NaCl), капають дві краплі концентрованої H2SO4, накапують 1...2 краплі жиру і нагрівають. Різкий подразний запах свідчить про наявність акролеїну. Ця реакція протікає поступово.

4. Якісна реакція на лецитін

Лецитин є фосфоліпідом, тобто жироподібною сполукою. Він відіграє велику біологічну роль: входить до складу біологічних мембран, має ліпотропну дію, тобто запобігає атеросклерозу судин, протидіє ожирінню печінки та інше. Лецитин є гарним емульгатором. Він не розчиняється у ацетоні, а з водою утворює стійку емульсію.

Об’єкт дослідження: Сухий яєчний жовток.

Обладнання і реактиви: 1. Хімічні склянки;

2. Штатив із пробірками;

3. Крапельниці;

4. Воронки;

5. Піпетки;

6. Паперові фільтри.

Реактиви:    1. Етиловий спирт;

2. Ацетон, 5 %-розчин.

Техніка виконання роботи

В хімічну склянку кладуть 200 мг сухого розтертого яєчного жовтка, додають 3…5 мл гарячого спирту, перемішують. Через 10...15 хв. суміш охолоджують і фільтрують у суху пробірку. В другу суху пробірку вливають 1 мл ацетону, потім краплями додають фільтрат з першої пробірки. Спостерігають появу помутніння, а потім випадає осад лецитину, який не розчиняється в ацетоні. При додаванні до 2...3 мл фільтрату декілька краплин дистильованої води утворюється стійка емульсія.

Контрольні запитання

  1.  Що таке ліпіди і які їхні функції в організмі ?
  2.  У складі свинячого жиру виявлені трипальмітин, триолеїн, пальмітодиолеїн. Напишіть їхні формули.
  3.  У кокосовій і пальмовій оліях знайдені стеародипальмітин, олеодипальмітин. Напишіть їхні формули.
  4.  У яєчному жовтку виявлені фосфоліпіди. Напишіть їхні формули і перелічите основні функції.
  5.  Який стероїд тваринного походження сприяє розвиткові атеросклерозу кровоносних судин ?
  6.  Напишіть формулу холестеролу і вкажіть його значення для організму людини.
  7.  Назвіть основні функції ліпопротеїнів, гліколіпідів.
  8.  Які продукти є джерелами поліненасичених жирних кислот ?

тЕМА 1.6 нУКЛЕІНОВІ КИСЛОТИ:БУДОВА, БІОЛОГІЧНА РОЛЬ. БІОСИНТЕЗ БІЛКА

Нуклеїнові кислоти були відкриті в 1868 році швейцарським хіміком Ф. Мішером. Учений виділив ці речовини з ядер кліток і назвав їх нуклеїном (від лат. nucleus – ядро). Однак більш докладне вивчення цих сполук було проведе-но лише наприкінці 40-х років нашого сторіччя. Великий внесок у розшиф-ровку складу і ролі нуклеїнових кислот внесли хіміки П. Левін, Е. Чаргафф, Дж. Уотсон, Ф. Лемент, Б. В. Кедровський, А. М. Бєлозерський, А. С. Спірін і інші.

Нуклеїнові кислоти – це клас полімерів, відповідальних за збереження і передачу генетичної інформації, а також її реалізацію в процесах синтезу клітинних білків. Вони універсальні компоненти всіх живих організмів. Нуклеїнові кислоти являють собою речовини білого кольору, у вільному стані погано розчинні у воді.

Ці сполуки мають високу молекулярну масу (мільйони Да), містять близько 15 % нітрогену і 10 % фосфору, відрізняються різко вираженими кислотними властивостями (за рахунок фосфорної кислоти) і при фізіологічному значенні рН несуть високий негативний заряд, унаслідок чого рухливі в електричному полі.

Хімічний склад і будова

Молекула нуклеїнової кислоти являє собою полінуклеотид, що складається з великого числа мононуклеотидів. Мононуклеотиди можуть по-різному розташовуватися в молекулі полінуклеотида, що обумовлює різноманіття нуклеїнових кислот у природі.

Кожен мононуклеотид складається з азотистої основи (пуринової або піримідинової), вуглеводу – пентози (рібози або дезоксирібози) і фосфорної кислоти. Мононуклеотиди позначають за назвою азотистої основи, що входить до їхнього складу: цитидинмонофосфат (ЦМФ) або цитидинмонофосфорна кислота; урідинмонофосфат (УМФ) або урідинмонофосфорна кислота; аденозінмонофосфат (АМФ) або аденозінмонофосфорна кислота; гуанозінмонофосфат (ГМФ) або гуанозінмонофосфорна кислота.

Найбільше значення з азотистих основ мають дві пуринових основи (похідні пурину) – аденін (6-амінопурин) і гуанін (2-аміно-6-гідроксипурин) і три піримідинових (похідні піримідину) – тимін (5-метилурацил), цитозин (2-гідрокси-6-амінопіиримідин) і урацил (2,6-гідроксипіримідин), що у складі нуклеїнових кислот представлені в кетоформі. До складу нуклеїнових кислот входять вуглеводи: рибоза, дезоксірибоза.

В молекулі дезоксірибонуклеїнової кислоти, крім цих вуглеводів, міститься глюкоза.

Пуринові або піримідинові основи, рибоза і дезоксирибоза і фосфорна кислота зв'язані в молекулах нуклеотидів однаково. Пентози приєднуються до нітрогену основ через глікозидні зв'язки у пуринових основ у дев'ятому положенні, у піримідинових – у третьому.

При гідролізі мононуклеотидів утворюється два види продуктів: сполуки азотистої основи з пентозою і вільна фосфорна кислота або азотиста основа і пентозофосфорний ефір. При цьому вуглевод знаходиться посередині молекули мононуклеотиду, будучи сполучною ланкою між азотистою основою і фосфорною кислотою.

Сполуки азотистої основи (наприклад, аденіну) з пентозою називають нуклеозидом. Нуклеозиди являють собою двокомпонентні речовини, приєднуючи фосфорну кислоту вони перетворюються в мононуклеотиди - трикомпонентні сполуки. Фосфорна кислота приєднується до нуклеозидів за рахунок складноефірних зв'язків зі спиртовим гідроксилом пентози.

За складом вхідних у нуклеїнові кислоти вуглеводів розрізняють дезоксирибонуклеїнову (ДНК) і рибонуклеїнову (РНК) кислоти.

Дезоксирибонуклеїнова кислота. ДНК локалізується в основному в ядрах кліток (у хромосомах) і лише незначна кількість її виявлена в мітохондріях і хлоропластах. Молекулярна маса складає (0,5–20) × 106 Да й вище. Основна функція ДНК полягає в тому, що вона є носієм-хоронителем генетичної інформації. У ній закодовані всі спадкоємні властивості організму, у першу чергу всі структури білків і, отже, особливості обміну речовин. Це обумовлено визначеною послідовністю розташування азотистих основ у структурі ДНК.

До складу ДНК входять азотисті основи: аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т) і цитозин (Ц), вуглевод - дезоксирибоза і фосфорна кислота. Первинна структура молекули являє собою унікальну послідовність з'єднаних між собою мононуклеотидів за типом 3,5,-зв'язку. У нуклеотидах виявлені фосфодиефирні зв'язки, що утворюються між ОН-групою в положенні 5' дезоксирибози одного нуклеотида і ОН-групою в положенні 3' пентози іншого (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Фрагмент первинної структури ДНК

При цьому азотисті основи певним чином з'єднуються між собою за принципом компліментарності (доповнення): пуринові основи доповнюють піримідинові. Наприклад, аденін завжди з'єднується тільки з тиміном, а гуанін - з цитозином.

Молекулярний вміст у ДНК пуринів дорівнює вмістові піримідинів, тобто  вміст аденіну дорівнює вмістові тиміну (А = Т або А/Т =1), вміст гуаніну дорівнює вмістові цитозину (Г = Ц або Г/Ц = 1), сумарний вміст аденіну і гуаніну дорівнює сумарному вмістові цитозину і тиміну (А + Г) = (Ц + Т) або (А + Г): (Ц + Т) = 1.

Крім того, встановлено, що кількість аміногруп, що входять до складу ДНК пуринових основ (аденіну і гуаніну), дорівнює кількості аміногруп (6), що входять до складу піримідинових основ (цитозину і тиміну) (рис. 1.7). Між аденіном і тиміном утворюються два водневі зв'язки, а між гуаніном і цитозином – три.

Рис. 1.7. Компліментарність основ у ДНК

Усі ці дані дозволили американським хімікам Дж. Уотсону і Ф. Лементу створити модель вторинної структури ДНК, що являє собою двотяжну антипаралельну спіраль. Схематично це можна показати у виді кручених сходів (рис.1.8).

Рис. 1.8. Схематичне зображення подвійної спіралі ДНК

Крім первинної і вторинної структур, розрізняють також і третинну структуру нуклеїнових кислот, зв'язану з просторовим розташуванням ДНК.

Рибонуклеїнова кислота. Будова РНК за характером зв'язків між окремими нуклеотидами ланцюга така ж, як і в молекулі ДНК. Залишок пентози одного нуклеотиду в РНК з'єднується складноефірним зв'язком із залишком фосфорної кислоти іншого мононуклеотиду.

Більшість типів РНК, на відміну від ДНК, являє собою однотяжну спіраль. Нитка РНК закручується сама по собі в спіраль, утворює водневі зв'язки між азотистими основами аденін-урацил-гуанін-цитозин. РНК зосереджена в основному в цитоплазмі, але нерідко зустрічається і у ядрі. Особливо багаті на РНК ядерце і рибосомальна фракція мікросом.

РНК виконує дещо інші функції, ніж ДНК. Вона «зчитує» інформацію з ДНК про порядок чергування азотистих основ і несе її в цитоплазму. РНК відповідальна за специфічність синтезованих молекул.

У клітинах існує три головних різновиди РНК: матрична - інформаційна (М-РНК), рибосомальна (Р-РНК) і транспортна (Т-РНК).

Матрична (М-РНК) синтезується в ядрі і присутня як у ядрі, так і в цитоплазмі. Вона складає 4-10 % РНК клітини. Молекулярна маса М-РНК коливається від 3 × 105 до 2 × 106  Да. Цей вид РНК містить чотири азотистих основи: аденін, гуанін, цитозин і урацил. М-РНК відіграє роль сполучної ланки між ядерною ДНК і рибосомами, вона передає генетичну інформацію від ДНК на  поліпептидний ланцюг білка, що синтезується. Ферментативним шляхом відбувається "переписування" інформації з хромосомної ДНК. Після одержання інформації М-РНК переходить на рибосоми і стає матрицею для синтезу білка. Синтез кожного білка в клітині забезпечується специфічною М-РНК.

Рибосомальна (Р-РНК) у клітині тісно зв'язана з білками рибосом, утворює рибонуклеопротеїни. Вона складає 75-80 % усієї РНК клітки. Молекулярна маса Р-РНК – від 5 105 до 1,2 106 Да.

Транспортна (Т-РНК) знаходиться головним чином у цитоплазмі, де вона складає 10-15 % РНК клітини. Молекулярна маса Т-РНК - від 1,8 104 до 3,5 104 Да. Поряд з аденіном, гуаніном, урацилом і цитозином Т-РНК містить визначену кількість так званих мінорних основ. Функція Т-РНК полягає в доставці до рибосом визначених амінокислот. Кожна амінокислота має свою особливу Т-РНК.

Основні характеристики нуклеїнових кислот представлені в таблиці 1.3.

Таблиця 1.2. 

Основні характеристики нуклеїнових кислот

Вид нуклеїно-вих кислот

Основне місце локалізації

Функція

Молекул ярна маса, Да

Складові компоненти

Форма

вуглевод

азотиста

основа

ДНК

Ядро

Носій спадкової

інформації

Мільйони

Дезокси-рибоза

Аденін (А)

Гуанін (Г)

Цитозин (Ц)

Тимин (Т)

Подвійна спіраль

І-РНК

(інформаційна)

Ядро і цитоплазма

Передача інформації зДНК

Варіює

Рибоза

А, Г, Ц, У

Лінійна

Р-РНК

(рибосомальна)

Цитоплазма

Місце передачи інформації з І-РНК

Високопо-

лімери

(105–106)

Рибоза

А, Г, Ц, У

Містить сферичні частки

Т-РНК (транс-

портна)

Цитоплазма

Транспорт аміно-кислот до місця синтезу білку

2500

Рибоза

А, Г, Ц, У

Спірале-

видна

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 10

«ВИДІЛЕННЯ ТА ЯКІСНЕ ВИЗНАЧЕННЯ СКЛАДУ НУКЛЕОПРОТЕЇНІВ»

Мета заняття: вивчити, з яких компонентів складаються нуклеопротеїни.

План заняття

1.Провести гідроліз дріжджів.

2.Виявити у гідролізаті дріжджів наявність вуглеводів, фосфору, пептидних зв’язків.

1. Виявлення наявності вуглеводів, фосфору і пептидних зв’язків у гідролізаті нуклеопротеїнів дріжджів

Дослідження складу нуклеопротеїнів виконується після їх гідролізу, в результаті якого від білків відокремлюється компоненти нуклеїнових кислот. У гідролізаті можна виявити наявність поліпептидів (джерелом є білки нуклео-протеїнів), вуглеводи і фосфорну кислоту (джерело – нуклеїнові кислоти).

Одержання гідролізату дріжджів: 5 г дріжджів кладуть до ступки, додають 10 крапель діетилового ефіру, 10 крапель води. Додають щіпку піску і ретельно розтирають до утворення гомогенату, приливають 30 мл розчину гідроксиду натрію і розтирають протягом 15 хв. потім центрифугують вміст ступки; осад, що випав, використовують для реакції гідролізу, який здійснюють шляхом кип’ятіння з 5 % сірчаною кислотою протягом 1 години. В результаті цього утворюються низькомолекулярні поліпептиди, пуринові основи, пентози і фосфорна кислота.

А. Виявлення наявності поліпептидів у гідролізаті дріжджів

Об’єкт дослідження:  Гідролізат дріжджів.

Обладнання і посуд:  1. Нагрівальний прилад;

2. Штатив із пробірками.

Реактиви:   1. NaOH, 10 %-й розчин;

2. CuSO4, 5 %-й розчин.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 1 мл гідролізату, додають 1 мл 10 % розчину NaOH і 0,5 мл 5 % розчину сірчанокислої міді. Спостерігають появу фіолетового забарвлення, що свідчить про наяність пептидних зв’язків.

В. Проба Троммера на рибозу і дезоксирибозу, які містяться у гідролізаті дріжджів

Об’єкт дослідження:  Гідролізат дріжджів.

Обладнання і посуд:  1. Нагрівальний прилад;

2. Штатив із пробірками.

Реактиви:    1. NaOH, 10 %-й розчин;

2. CuSO4, 5 %-й розчин.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 1 мл гідролізату, додають 0,5 мл 10 % -го розчину їдкого натра і 5 крапель 5 %-го розчину сірчанокислої міді. Суміш перемішують і підігрівають до кіпіння. Спостерігають появу жовтого забарвлення, яке свідчить про утворення гідроксиду міді. Він при тривалому нагріванні перетворюється на оксид міді цеглисто-червоного кольору.

С. Молібденова проба  на  фосфорну кислоту

Об’єкт дослідження: Гідролізат дріжджів.

Обладнання і посуд: 1. Нагрівальний прилад;

2. Штатив із пробірками.

Реактиви:   Молібденовий реактив.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 1 мл гідролізату, додають 1 мл молібденового реактиву і кип’ятять декілька хвилин. Спостерігають появу жовтого осаду фосфомолібденовокислого амонію.

Контрольні запитання

  1.  Що таке нуклеопротеїни, який їхній склад і біологічне значення ?
  2.  Яке будівля ДНК? Розповісти про її значення.
  3.  Назвіть особливості будівлі і функції різних видів РНК.
  4.  Напишіть формули пуринових і пиримідинових основ.
  5.  Напишіть мононуклеотиди ДНК, з'єднаєте них між собою.
  6.  Напишіть пари азотистих основ – аденін-тимін, гуанін-цитозин, з'єднайте водневими зв'язками.

тема 2.1. Обмін білків в організмі: розщеплення білків в шлунково-кишковому тракті, утворення отруйних речовин і їх знешкодження. Обмін білків в тканинах. Знешкодження аміаку

Протягом всього  життя в організмі відбуваються одночасні руйнування і біосинтез клітин і тканин. Ці протилежні, але тісно зв'язані між собою процеси – асиміляція і дисиміляція – складають основу життя. Отже, в організм повинні постійно надходити речовини, необхідні для побудови нових кліток. Головна роль у цьому належить білкам, тому що ні вуглеводи, ні жири не можуть їх замінити в утворенні основних структурних елементів органів і тканин. Серед різноманітних перетворень, властивих живій матерії, основне місце займає білковий обмін.

У зв'язку з тим, що білки є азотвмісними речовинами, одним з методів, що характеризують стан білкового обміну в організмі, може бути визначення балансу нітрогену. У здорової людини при нормальному харчуванні відзначається стан білкової рівноваги, коли надходження нітрогену компенсує його витрати. При негативному азотистому балансі кількість виведеного нітрогену перевищує його кількість, що надходить. Такий стан може спостерігатися при порушенні діяльності травної системи, білковому голодуванні і т п.

Позитивний азотистий баланс буває в тих випадках, коли кількість виведеного азоту менше того, що надходить у складі білків. Це характерно для зростаючого організму, при вагітності, при підвищенні активності процесів біосинтезу білка (наприклад, при фізичних навантаженнях).

Для синтезу білків в організмі необхідні різні амінокислоти. Деякі з них, що утворюються в самому організмі, називаються замінними. Амінокислоти, що не синтезуються в організмі людини, називаються незамінними. Вони повинні регулярно надходити з їжею. Білки, до складу яких входять замінні і незамінні амінокислоти в співвідношеннях, що наближаються до таких в організмі, називають повноцінними. Серед харчових продуктів практично немає білків, що цілком відповідають цим вимогам. Більш близькі до повноцінного білки материнського молока, курячого яйця. Отже, для повного забезпечення здорового організму повноцінними білками в добовий раціон повинні бути включені різні харчові продукти як тваринного, так і рослинного походження.

Для нормальної життєдіяльності людини необхідне надходження такої кількості повноцінного білка, що буде покривати всі потреби організму. Вони залежать від статі, віку, інтенсивності праці і т.д. З урахуванням цих факторів розроблені норми білкового харчування. Недостатнє споживання білків приводить до порушення процесів життєдіяльності, погіршення здоров'я, а тривале білкове голодування неминуче закінчується загибеллю.

Білки, необхідні для організму, насамперед, як пластичний матеріал, з якого будуються клітини всіх органів, тканин і систем. Однак харчові білки не можуть бути використані без попереднього розщеплення в організмі, тому що вони мають складну структуру і видову специфічність.

Розщеплення (гідроліз) білків на амінокислоти, що позбавлені видової і тканинної специфічності, відбувається в шлунково-кишковому тракті.

ПЕРЕВАРЮВАННЯ БІЛКІВ У ТРАВНОМУ ТРАКТІ

Перетравлення поживних речовин (білків, вуглеводів, ліпідів) – це процес гідролізу відповідних сполук, що входять до складу продуктів харчування, відбувається в травному каналі і призводить до утворення простих біомолекул, які за рахунок дії спеціальних механізмів мембранного транспорту всмоктуються в кров або лімфу.

Переварювання білків починається в шлунку під дією шлункового соку. У його склад входить хлоридна кислота, що виробляється обкладовими клітками слизової оболонки шлунка. Вона денатурує білок, що полегшує його наступне розщеплення. До складу шлункового соку входять кислі фосфати та деякі органічні кислоти. Хлорна кислота сприяє перетворенню проферменту пепсиногену, який секретується  головними клітками слизової оболонки шлунка, в активний протеолітичний фермент пепсин.

Оптимальна концентрація водневих іонів для пепсину складає 1,5-2,5, що відповідає кислотності шлункового соку в процесі травлення. При збільшенні рН середовища до 6,0 (у кишечнику) пепсин втрачає свою активність. Пепсин відноситься до однокомпонентних ферментів, тобто до ферментів-протеїнів. За добу в шлунку виробляється близько 2 г пепсину. Каталітична активність пепсину шлунка дуже висока. Він каталізує розщеплення пептидних зв'язків у молекулі білка, утворених аміногрупами ароматичних і дикарбонових амінокислот. У результаті дії пепсину утворюються поліпептиди різної величини й окремі вільні амінокислоти.

Крім пепсину, у шлунковому соку міститься протеолітичний фермент гастріксин, оптимальні значення рН якого знаходяться в межах 3,5-4,5. Гастріксин вступає в дію на останніх етапах переварювання їжі в шлунку.

У шлунку грудних дітей виявлений сичуговий фермент – хімозин. Оптимум дії цього ферменту відповідає рН 3,5-4,0. Під впливом хімозину в присутності солей кальцію казеїноген молока в ході гідролізу перетворюється в казеїн і молоко згортаються.

Легше інших у шлунку переварюються альбуміни і глобуліни тваринного і рослинного походження; погано розщеплюються білки сполучної тканини (колаген і еластин) і зовсім не розщеплюються кератин і протаміни.

Частково перетравлена напіврідка маса поживних сполук, що утворюється в шлунку (хімус) періодично надходить через пілоричний клапан у дванадцятипалу кишку. В цю ж частину травного каналу надходять із підшлункової залози протеолітичні ферменти та пептидази, які діють на пептиди, що надходять із шлунка. Каталітична дія цих ферментів відбувається в слабколужному середовищі (рН 7,5-8,0), яке утворюється наявними в кишковому соку бікарбонатами. Більшість ферментів протеолітичної дії, що функціонують у тонкій кишці, синтезуються в екзокринних клітинах підшлункової залози у вигляді проферментів, які активуються після їх надходження в дванадцятипалу кишку (трипсиноген, хімотрипсиноген, проеластаза, прокарбоксипептидази А і Б). Гідроліз білків та пептидів, що надходять із шлунка, відбувається як у порожнині тонкої кишки, так і на поверхні ентероцитів. Гідроліз білків та пептидів, що надходить із шлунка, відбувається як у порожнині тонкої кишки, так і на поверхні ентероцитів – пристінкове або мембранне травлення.

Сік підшлункової залози надходить у дванадцятипалу кишку і змішується з кишковим соком. Ця суміш містить протеолітичні ферменти, що розщеплюють білки, альбумози і пептони до невеликих пептидів, а потім  до амінокислот. До протеолітичних ферментів відносяться трипсин, хімотрипсин, карбоксипептидази, амінопептидази і велика група три- і дипептидаз.

Трипсин знаходиться в соку підшлункової залози в неактивній формі, у виді проферменту трипсиногену. Його активація відбувається під дією ферменту кишкового соку – ентерокінази. Для процесу активування необхідні іони Са2+. Процес перетворення трипсиногену в трипсин здійснюється шляхом відщіплення невеликого пептиду з N-кінця пептидного ланцюга ферменту.

Трипсин гідролізує як нерозщеплені в шлунку білки, так і високомолекулярні пептиди, діючи головним чином на пептидні зв'язки між аргініном і лізином. Оптимум рН для трипсину складає 7,0-8,0. Трипсин робить порівняно неглибокий гідроліз білка, утворює поліпептиди і невелику кількість вільних амінокислот.

Активність трипсину може знижатися під впливом ряду інгібіторів. До них відносяться основні пептиди з молекулярною масою 9000 Да. Вони виявлені в підшлунковій залозі, крові, легенях, у бобах сої. Знижує активність трипсину і мукопротеїн, що міститься в сирих яйцях – авідин.

Хімотрипсин – другий протеолітичний фермент підшлункової залози. Він також секретується в неактивній формі, у виді хімотрипсиногену. Під дією трипсину хімотрипсиноген переходить в активний фермент – хімотрипсин. Дія хімотрипсину подібна дії трипсину. Оптимум рН для обох ферментів приблизно однаковий, хімотрипсин діє на білки і поліпептиди, що містять ароматичні амінокислоти (тирозин, фенілаланін, триптофан), а також на пептидні зв'язки, що не піддаються впливові трипсину (метіонін, лейцин).

Пептиди, що утворилися в результаті дії на білки пепсину, трипсину і хімотрипсину в нижніх відділах тонкої кишки, піддаються подальшому розщепленню. Цей процес здійснюють карбоксипептидази, амінопептидази. Ці ферменти відносяться до металоферментів. Вони активуються двовалентними іонами Mg2+, Mn2+, Со2+, що відіграють важливу роль у формуванні фермент-субстратного комплексу.

Механізм дії аміно- і карбоксипептидаз полягає у відщіпленні від пептидів кінцевих амінокислот, що мають вільну амінну або карбоксильну групу. Невеликі пептиди, що залишилися нерозщепленими і складаються з трьох-чотирьох амінокислотних залишків, піддаються гідролізу специфічними ди- і триамінопептидазами.

Еластаза – ендопептидаза, що також має широку субстратну специфічність, розщеплюючи пептидні звязки, що утворюються залишками амінокислот малого розміру – гліцину, аланіну, серину.

Таким чином, у результаті послідовної дії на білки протеолітичних ферментів у кишечнику утворюються вільні амінокислоти, що всмоктуються в кров через стінку кишечнику.

УТВОРЕННЯ В КИШЕЧНИКУ ОТРУТНИХ ПРОДУКТІВ РОЗПАДУ БІЛКІВ Й ЇХНЄ ЗНЕШКОДЖЕННЯ

Амінокислоти, що не всмокталися в кров через слизову оболонку тонкої кишки, піддаються впливу мікроорганізмів у товстому кишечнику. При цьому ферменти мікроорганізмів розщеплюють амінокислоти і перетворюють їх в аміни, жирні кислоти, спирти, феноли й інші речовини, нерідко отрутні для організму. Цей процес іноді називають гниттям білків у кишечнику. У його основі лежить декарбоксилювання амінокислот, при цьому з амінокислот з'являються біологічні аміни. Так, з амінокислоти орнітину утворюється путресцин:

З лізину утворюється кадаверин:

Путресцин і кадаверин виводяться з організму з фекальними масами. У тих випадках, коли ці сполуки попадають у кров, вони виводяться із сечею в незміненому виді.

З тирозину утворюється крезол, а якщо процес йде далі, то і фенол:

З триптофану утворюються скатол і індол:

При глибокому руйнуванні кишковими мікроорганізмами сірковмісних амінокислот – цистіну, цистеїну і метіоніну – утворюється сірководень (H2S), меркаптан (CH3SH) і інші сірковмісні сполуки.

Продукти гниття білків всмоктуються у венозну кров, потім попадають у печінку, де і знешкоджуються за допомогою сірчаної або глюкуронової кислоти.

Цей процес здійснюється за наступною схемою:

Індол і скатол також знешкоджуються в печінці при участі сірчаної і глюкуронової кислот. Однак вони попередньо окислюються: скатол у скатоксил, індол у індоксил і у виді парних кислот виводяться з організму із сечею.

 

Деякі отруйні речовини, наприклад бензойна кислота, що утворилася з фенілаланина, знешкоджуються в печінці за допомогою гліцину. При цьому утворюється гіпурова кислота – нешкідлива сполука, що виділяється із сечею.

Можливості печінки в знешкодженні утворених в товстій кишці отрутних речовин, що всмокталися в кров, не безмежні. При зниженні її функціональної здатності (наприклад, у зв'язку з перенесеними раніше захворюваннями) надходження значної кількості отруйних речовин може виявитися надмірним навантаженням, тоді частина незнешкоджених отруйних речовин розноситься (великим колом кровообігу) по всьому організму, викликаючи його отруєння. Відбувається передчасне старіння клітин і їхня загибель. При цьому відзначається погіршення самопочуття людини, її мучать головні болі.

Для попередження негативного впливу отруйних речовин на організм необхідно раціонально планувати харчовий раціон. У нього повинні бути включені продукти, що містять не тільки білки, але і жири і вуглеводи, корисні кисломолочні продукти, тому що молочнокислі бактерії сприяють прискоренню загибелі гнильних мікроорганізмів товстої кишки. У раціоні необхідна їжа, що є джерелом пектинових речовин і клітковини, що, підвищуючи рухову активність кишечнику, сприяють виведенню шлаків (у тому числі й отруйних речовин) з організму.

обмін білків в тканинах

Основна частина амінокислот, що утворюються в кишечнику з білків, надходить у кров (95%) і невелика частина - у лімфу. По ворітний вені амінокислоти попадають у печінку, де витрачаються для біосинтезу різних специфічних білків (альбумінів, глобулінів, фібриногену), інші амінокислоти струмом крові розносяться до всіх органів і тканин, транспортуються усередину кліток, де вони використовуються для біосинтезу білків. Невикористані амінокислоти окиснюються до кінцевих продуктів обміну.

Процес розщеплення тканинних білків каталізується тканинними ферментами - протеїназами- катепсинами.

Співвідношення між амінокислотами в білках, що розпадаються і синтезуються, різне, тому частина вільних амінокислот повинна бути перетворена в інші амінокислоти або окиснена до простих сполук і виведена з організму. Отже, в організмі існує внутрішньоклітинний запас амінокислот, що значною мірою  поповнюється за рахунок процесів взаємоперетворення амінокислот, гідролізу білків, синтезу амінокислот і надходження їх з позаклітинної рідини. У той же час завдяки синтезові білків і інших реакцій (утворенню сечовини, пуринів і т.п.) постійно відбувається видалення вільних амінокислот з позаклітинної рідини.

Шляхи обміну амінокислот

В основі різних шляхів обміну амінокислот лежить три типи реакцій: за амінною і карбоксильною групами і за бічним ланцюгом. Реакції за амінною групою включають процеси дезамінування, переамінування, амінування, за карбоксильною групою – декарбоксилювання. Безазотиста частина вуглецевого кістяка амінокислот піддається різним перетворенням з утворенням сполук, що потім можуть включатися в цикл Кребса для подальшого окиснювання.

Шляхи внутрішньоклітинного перетворення амінокислот складні і перехрещуються з багатьма іншими реакціями обміну, у результаті чого проміжні продукти обміну амінокислот можуть служити необхідним попередником для синтезу різних компонентів клітин і бути біологічно активними речовинами.

Катаболізм амінокислот у ссавців відбувається в основному в печінці і трохи слабкіше в нирках.

Дезамінування амінокислот. Суть дезамінування полягає в розщепленні амінокислот під дією ферментів на аміак і безазотистий залишок (жирні кислоти, оксикислоти, кетокислоти). Дезамінування може йти у виді відбудовного, гідролітичного, окисного і внутрімолекулярного процесів. Останні два типи переважають у людини і тварин.

Окисне дезамінування підрозділяється на дві стадії. Перша стадія є ферментативною, вона закінчується утворенням нестійкого проміжного продукту – імінокислоти, що у другій стадії спонтанно в присутності води розпадається на аміак і -кетокислоту. Ферменти, які каталізують цей процес, містять у якості простетичної групи НАД або ФАД.

В організмі людини найбільше активно протікає дезамінування глутамінової кислоти під дією ферменту глутаматдегідрогенази, що знаходиться в мітохондріях клітин усіх тканин. У результаті цього процесу утворює -кетоглутарова кислота, що бере участь у багатьох процесах обміну речовин.

Трансамінування (переамінування) амінокислот. Обов'язковою умовою трансамінування є участь дикарбонових амінокислот (глутамінової і аспарагінової), що у виді відповідних їм кетокислот - -кетоглутарової і щавелевооцтової можуть взаємодіяти з всіма амінокислотами, за винятком лізину, треоніну й аргініну.

При переамінуванні відбувається безпосередній перенос аміногрупи з амінокислоти на кетокислоту, а кетогрупи - з кетокислоти на амінокислоту без звільнення при цьому аміаку.

Цей процес протікає в кілька етапів. У загальному виді реакція виглядає так:

Реакцію каталізують ферменти, що відносяться до класу трансфераз, їх простетичною групою є фосфорпіридоксаль – фосфорний ефір вітаміну В6.

Процес переамінування широко розповсюджений у живій природі. Його особливість – легка оборотність.

Реакції переамінування відіграють велику роль в обміні речовин. Від них залежать такі найважливіші процеси, як біосинтез багатьох замінних амінокислот з відповідних їм кетокислот, розпад амінокислот, об'єднання шляхів вуглеводного й амінокислотного обміну, коли з продуктів розпаду глюкози, наприклад піровиноградної кислоти, може утворитися амінокислота аланін, і навпаки.

Відбудовне амінування. Цей процес протилежний дезамінуванню. Він забезпечує зв'язування аміаку кетокислотами з утворенням відповідних амінокислот.

Відбудовне амінування каталізується добре функціонуючою ферментною системою, що забезпечує амінування -кетоглутарової або щавелевооцтової кислоти з утворенням глутамінової або аспарагінової кислоти.

При знешкодженні аміаку неорганічними й органічними кислотами відбувається утворення амонійних солей. Цей процес здійснюється в нирках.  Амонійні солі, що утворилися, виводяться з організму із сечею і потім.

Декарбоксилювання амінокислот. Процес декарбоксилювання каталі-зується декарбоксилазами, специфічними для кожної амінокислоти, простетичною групою яких служить піридоксальфосфат. Ці ферменти відносяться до класу ліаз. Процес декарбоксилювання, що полягає у відщіпленні від амінокислот СО2 з утворенням амінів, можна показати на наступній схемі:

Механізм реакції декарбоксилювання амінокислот відповідно до  загальної теорії піридоксалевого каталізу зводиться до утворення піридоксальфосфат-субстратного комплексу в активному центрі ферменту.

Таким шляхом із триптофану утворюється триптамін, з гідрокситриптофана – серотонін. З амінокислоти гістидину утворюється гістамін. З глутамінової кислоти при декарбоксилюванні утворюється -аміномасляна кислота (ГАМК).

Аміни, утворені з амінокислот, називають біогенними амінами, тому що вони виявляють на організм могутній біологічний ефект.

Біогенні аміни виявляють фізіологічну дію в дуже малих концентраціях. Так, введення в організм гістамину приводить до розширення капілярів і підвищення їхньої проникності, звуження великих судин, скорочення гладких м'язів різних органів і тканин, підвищення секреції соляної кислоти в шлунку. Крім того, гістамін бере участь у передачі нервового порушення.

Серотонін сприяє підвищенню кров'яного тиску і звуженню бронхів; його малі дози придушують активність центральної нервової системи, у великих дозах ця речовина робить стимулюючу дію. У різних тканинах організму великі кількості гістаміну і серотоніну знаходяться в зв'язаній, неактивній формі. Біологічну дію вони виявляють тільки у вільній формі.

Гама-аміномасляна кислота (ГАМК) накопичується в мозковій тканині і являє собою нейрогуморальний інгібітор-медіатор гальмування центральної нервової системи.

Великі концентрації цих сполук можуть являти загрозу для нормального функціонування організму. Однак у тваринних тканинах мається аміноксидаза, що розщеплює аміни до відповідних альдегідів, що потім перетворюються в жирні кислоти і розпадаються до кінцевих продуктів.

ПРОЦЕСИ ЗНЕШКОДЖЕННЯ АМІАКУ

У процесі перетворення амінокислот у тканинах утворюються їхні кінцеві продукти обміну – оксид карбогену, вода й аміак. Вода використовується організмом для забезпечення біохімічних процесів. Оксид карбогену частково виводиться з організму з видихуваним повітрям, інша його частина утилізується в процесах синтезу (наприклад, при синтезі жирних кислот, пуринових основ і т.д. ). Аміак, що утворюється в результаті дезамінування амінокислот, є токсичною речовиною, збільшення його концентрації в крові й інших тканинах робить несприятливу дію, особливо на нервову систему. Токсичність аміаку обумовлена тим, що він сприяє відбудовному амінуванню -кетоглутарової кислоти в мітохондріях. Це приводить до видалення її з циклу Кребса і, як наслідок, до падіння тканинного дихання і надлишкового утворення кетонових тіл з ацетил-КоА.

У процесі еволюції живі організми виробили різні ефективні механізми зі знешкодження токсичної дії аміаку, основними з яких є: утворення амінів глутаміну або аспарагіну, відбудовне амінування, нейтралізація кислот, синтез сечовини.

Синтез глютаміну або аспарагіну має велике значення для організму. Він протікає в місцях безпосереднього утворення аміаку (наприклад, у печінці, мозку), там же знаходиться і фермент, каталізуючий цей процес, глутамінсинтетаза, що відноситься до класу лігаз. Синтез амідів вимагає доставки енергії у виді АТФ, присутності глутамінової або аспарагінової кислот, вільного аміаку і відповідних специфічних ферментів. Реакція синтезу аміду пов’язана з розпадом АТФ.

Аналогічно утворюється і аспарагін.

У результаті взаємодії аміаку з глутаміновою і аспарагіновою кислотами відбувається його зв'язування, і в такий спосіб аміак знешкоджується. Зв'язаний аміак може бути використаний як  джерело азоту (наприклад, для синтезу пуринових і піримідинових основ, мукополисахаридів). Глутамін і аспарагін не тільки знешкоджують аміак, але і виступають у якості його транспортної форми. У зв'язаному виді аміак доставляється до місця остаточної утилізації - у печінку, де з нього синтезується сечовина.

Синтез сечовини. Одним з найбільш ефективних методів знешкодження аміаку є синтез сечовини. Вперше схема синтезу сечовини була запропонована російським біохіміком М. В. Ненцким, який вважав, що сечовина утворюється з двох молекул аміаку й однієї молекули вугільної кислоти, але ця теорія виявилася помилковою.

У спеціальних дослідах М. В. Залесского і С. С. Салазкіна на тваринах (лабораторія акад. І. П. Павлова) було встановлено, що якщо венозну кров направити не в печінку, а, минаючи її, у нижню порожню вену, то спостерігаються різке збільшення вмісту аміаку в крові й отруєння. На підставі цих результатів був зроблений висновок, що печінка є органом, у якому відбувається знешкодження аміаку.

У роботах X. А. Кребса й інших дослідників була показана участь у даному процесі речовин і ферментів, каталізуючих реакції синтезу сечовини. Англійський біохімік Х. Кребс вніс великий вклад у сучасну теорію синтезу сечовини. Він встановив, що цей процес носить циклічний характер, і вказав на роль у ньому орнітину. Передумовою для створення теорії синтезу сечовини було виявлення в печінці амінокислоти орнітину і ферменту аргінази, що розщеплює аргінін на орнітин і сечовину. За теорії Кребса, синтез сечовини починається взаємодією орнітину з аміаком і оксидом карбогену. При цьому утворюється цитрулін, що взаємодіє з ще одною молекулою аміаку з виділенням аргініну. Останній гідролізується аргіназою на орнітин і сечовину. Орнітин у цих реакціях виконує роль каталізатора. За відкриття цього циклу X. А. Кребс був визнаний гідним Нобелівської премії.

Замкнутий цикл синтезу сечовини умовно можна розділити на три етапи. На першому і другому етапах відбувається зв'язування двох молекул аміаку в нешкідливу для організму сполуку, на третьому етапі утворюється сечовина.

Перший етап. За рахунок енергії АТФ із молекули аміаку й оксиду карбогену синтезується карбомоїлфосфат. Потім відбувається конденсація карбомоїлфосфату з орнітином, у результаті якої синтезується цитрулін. При цьому вивільняється неорганічний фосфат.

Синтез цитруліну забезпечується за рахунок енергії, акумульованої в карбомоїлфосфаті.

Таким чином, у цитруліні зафіксована одна молекула аміаку.

Другий етап. Відбувається зв'язування ще однієї молекули аміаку в глутамінову кислоту шляхом відбудовного амінування з -кетоглутаровою кислотою. Глутамінова кислота передає зафіксовану молекулу аміаку у виді NH2-групи на щавелевооцтову кислоту, що перетворюється в аспарагінову кислоту (процес переамінування):

Третій етап. На цьому етапі здійснюється синтез сечовини. Цитрулін, взаємодіючи з аміногрупою аспарагінової кислоти, утворює аргінінобурштинову кислоту (аргінінсукцинат).

У цьому процесі використовується енергія ще однієї молекули АТФ.

Аргінінобурштинова кислота розщеплюється на аргінін і фумарову кислоту. Фумарова кислота включається у вуглеводний обмін, перетворюючись в яблучну, котра шляхом дегідрування переходить у щавелевоцтову.

Щавелевооцтова кислота може приєднувати до себе аміак і знову перетворюватися в аспарагінову кислоту або, піддаючись декарбоксилюванню, у піровиноградну, а потім у коензим А, що використовується в різних реакціях біосинтезу або окисляється до СО2 і Н2О.

Аргінін, що утворився, під дією аргінази гідролітично розщеплюється на орнітин і сечовину. Орнітин, що вивільнився, може знову вступити в реакцію з новою молекулою карбомоїлфосфату і процес повториться.

Підраховано, що в стані азотистої рівноваги організм дорослої людини споживає і відповідно виділяє 15 г азоту; з екскретованого із сечею азоту на долю сечовини приходиться близько 85 %, креатініну - 5, амонійних солей - 3, сечової кислоти - 1, інших його форм - 6.

ОБМІН НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ В ОРГАНІЗМІ

Нуклеїнові кислоти входять до складу клітин у виді складних білків – нуклеопротеїнів, що надходять в організм із продуктами харчування. У шлунку під дією соляної кислоти і пепсину вони розщеплюються на прості білки і нуклеїнові кислоти. Соляна кислота розриває зв'язки між нуклеїновою кислотою і білками (гістаміни і протаміни), а інші, більш стійкі зв'язки при рН шлункового соку (1,5-2,5), розщеплює головним чином пепсин.

У тонкому кишечнику під дією трипсину, хімотрипсину і пептидаз білки розщеплюються до амінокислот, які всмоктуються слизовою оболонкою і надходять у кров. Нуклеїнові кислоти під впливом ферментів підшлункової залози і тонкого кишечнику – нуклеаз - розпадаються до мононуклеотидів. Останні під дією ферментів кишкового соку втрачають фосфорну кислоту і перетворюються в нуклеозиди. Далі нуклеозиди під дією нуклеозидаз розпадаються на складові частини – азотисті основи і пентози. Однак нуклеозидази тонкого кишечнику недостатньо активні і не можуть забезпечити розщеплення всієї маси нуклеотидів. У зв'язку з цим у кров всмоктуються в основному мононуклеотиди і нуклеозиди, що піддаються специфічним перетворенням у тканинах.

Тканинні нуклеїнові кислоти під дією нуклеаз розщеплюються до мононуклеотидів, а потім до азотистих основ, пентоз і фосфорної кислоти.

Фосфорна кислота бере участь у фосфорилюванні, а також у буферних системах, синтезі фосфоліпідів, фосфопротеїнів, АТФ і інших сполук. З організму виводиться переважно у виді кислих солей натрію разом із сечею.

Пентози можуть окислятися до СО2 і Н2О або використовуватися для синтезу глюкози, нуклеотидів

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №10

«ВИДІЛЕННЯ ТА ЯКІСНЕ ВИЗНАЧЕННЯ СКЛАДУ ГЛЮКОПРОТЕЇНІВ, ФОСФОПРОТЕЇНІВ»

Мета заняття: вивчити, з яких компонентів складаються складні білки.

План заняття

1. Вивчити склад глюкопротеїнів.

2. Вивчити фосфопротеїни молока.

1. Дослідження складу глюкопротеїнів

Глюкопротеїни містять як простетичну групу вуглеводу або їх похідні, а також залишки сірчаної або оцтової кислоти. Деякі з глюкопротеїнів мають велику в’язкість і називаються мукополісахаридами (mucos – слиз).

Одним із видів мукополісахаридів є муцин, який входить до складу слини, інших травних соків, слизів, що покривають поверхню шлунково-кишкового тракту. Ці слизові протеїни обволікають тверді частинки їжі і завдяки цьому захищають стінки травного тракту від пошкоджень.

В муцині, що виділяється зі слини, визначають наявність пептидних зв’язків за допомогою біуретової реакції і вуглеводу використовуючи α-нафтол (реакція Подобєдова). Реакція відбувається в концентрованій сірчаній кислоті, де з моносахаридів, що входять у муцин, утворюється оксиметилфурфурол. Він конденсується з α-нафтолом, утворюючи сполуку фіолетового кольору.

Об’єкт дослідження: Слина (джерело глюкопротеїнів).

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками;

2. Скляна паличка;

3. Нагрівальний прилад;

4. Крапельниці.

Реактиви:   1. Оцтова кислота, (концентрована);

2. Гідрооксид натрію, 1%-й розчин;

3. Сірчанокисла мідь, 5%-й розчин;

4. Сірчана кислота концентрована;

5. ά-нафтол, 0,2%-й розчин в етиловому спирті.

Техніка виконання роботи

А. Виділення муцину зі слини

Слину збирають у пробірку, потім додають розчин оцтової кислоти до появи згустку муцину. Згусток притискають до стінки пробірки скляною паличкою та промивають водою.

Б. Виявлення пептидів у муцині

Згустки муцину кладуть у пробірку і проводять біуретову реакцію: додають 1...2 мл NaOH та 1…5 крапель CuSO4. Відзначають зміну забарвлення.

В. Виділення вуглеводів з муцину

У пробірку кладуть згусток муцину, додають 5...6 крапель α-нафтолу, змішують і обережно по стінці доливають 1...2 мл концентрованої сірчаної кислоти. Спостерігають зміни забарвлення на межі двох шарів.

2.Вивчення складу фосфопротеїнів молока

Об’єкт дослідження: Молоко.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Паперові фільтри.

3. Воронки;

4. Скляна паличка або лопатка

Реактиви:   1. Оцтова кислота, 10%-й розчин;

2. NaOH, 1%-й розчин;

3. CuSO4, 5%-й розчин;

4. СН3СООН, 10%-й розчин;

5. Молібденовий реактив.

6. Дистильована вода.

Техніка виконання роботи

А. Виділення казеїну з молока

У пробірку наливають 3 мл молока, додають 1 мл дистильованої води і по краплинах 10 %-й розчин оцтової кислоти (уникати надлишку кислоти!). Випадає осад, який отфільтровують, декілька разів промивають дистильованою водою, знімають з фільтру у пробірку скляною паличкою або лопаткою.

Б. Вивчення складу фосфопротеїнів молока

Осад казеїну у пробірці розчиняють в 1 %-му розчині NaOH. Для цього до осаду додають 1…2 мл 1 %-го NaOH. Кип’ятять 1...2 хвилини. Охолоджують. При кип’ятінні у лужному середовищі відбувається частковий гідроліз фосфопротеїнів. Розчин фільтрують через бумажний фільтр. Гідролізат (фільтрат) використовують для проведення біуретової реакції і проби на фосфорну кислоту з молібденовим реактивом за методиками, які наведено раніше.

.

Контрольні запитання

  1.  Як відбувається розщеплення білків у шлунково-кишковому тракті ?
  2.  Охарактеризуйте ферменти, що беруть участь у переварюванні білків.
  3.  Які отруйні речовини утворюються в товстій кишці ?
  4.  Як відбувається знешкодження отруйних речовин у печінці ?
  5.  Яким перетворенням піддаються амінокислоти в тканинах ?
  6.  Розповісти, як і де утворюються біологічно активні аміни.
  7.  Назвіть кінцеві продукти білкового обміну, що містяться в тканинах.
  8.  Як відбувається знешкодження аміаку?
  9.  Як відбувається обмін нуклеїнових кислот в організмі ?
  10.  Які порушення пуринового обміну бувають в організмі людини ?
  11.  Напишіть, як утворюється сечова кислота.
  12.  У яких харчових продуктах містяться нуклеїнові кислоти ?

Тема 2.2. Обмін вуглеводів в організмі: розщеплення в шлунково-кишковому тракті, Обмін вуглеводів в тканинах. Енергетичний ефект. Регуляція вуглеводного обміну

РОЗЩЕПЛЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ У ТРАВНОМУ ТРАКТІ ЛЮДИНИ

Основним джерелом енергії в організмі людини є засвоювані вуглеводи. У добу людина споживає 450…800 г вуглеводів. З них 35 % становлять моносахариди і дисахариди, 65 % – полісахариди. Останні представлені переважно крохмалем. Кількість глікогену в їжі невелика: 4…15 г/добу. Основними джерелами вуглеводів їжі є продукти рослинного походження: хліб, крупи, овочі, плоди, фрукти і ягоди.

Всі вуглеводи, крім клітковини і пектинових речовин, піддаються в шлунково-кишковому тракті гідролітичному розщепленню ферментами. Ферменти, які каталізують гідроліз крохмалю і дисахаридів, мають оптимум дії при слаболужній реакції і неактивні в кислому середовищі. Виключення - амілаза слини, що проявляє максимальну активність при рН 6,8.

Крохмаль і глікоген починають переварюватися в ротовій порожнині під дією α-амілази слини, при цьому утворюються "уламки" молекул - декстрини і невелика кількість мальтози, що розщеплює до глюкози мальтаза слини.

Декстрини мають редукуючі властивості, причому вони збільшуються в міру зменшення молекулярної маси, їхнє фарбування під дією йоду змінюється. Розрізняють амілодекстрини, які забарвлюються йодом у фіолетово-блакитний колір; еритродекстрини, що дають із йодом червоно-коричневе забарвлення; ахродекстрини і мальтодекстрини в реакції з йодом забарвлення не дають.

У шлунку відсутні ферменти, які каталізують гідроліз вуглеводів, що припиняється в кислому середовищі. Подальше розщеплення крохмалю й декстринів відбувається у дванадцятипалій кишці під впливом ферментів соку підшлункової залози: α-амілази, мальтази, лактази, сахарази. Кінцевий розпад полісахаридів до моносахаридів (глюкози) відбувається в тощій і підвздошній кишках.

Гідроліз дисахаридів протікає не в самому просвіті тонкої кишки, а на мембрані клітин її слизової оболонки під дією відповідних ферментів, локалізованих у щітковій облямівці епітелію. При цьому мальтоза розщеплюється на дві молекули глюкози, сахароза – на глюкозу і фруктозу, лактоза – на глюкозу і галактозу.

Особливий інтерес представляє розщеплення клітковини (целюлози). У травних соках людини відсутній фермент целюлаза. У невеликій кількості целюлоза розщеплюється в товстому кишечнику під впливом ферментів мікрофлори. Ферменти мікроорганізмів – целюлаза і целобіаза здійснюють гідроліз клітковини до глюкози, що піддається різним видам бродіння з утворенням Н2, СО2, СН4, спиртів і органічних кислот (оцтової, масляної та ін.). Частина цих продуктів всмоктується стінкою кишечнику й використовується як енергетичний матеріал, а частина витрачається як  поживне середовище для мікроорганізмів і для біосинтезу ними деяких вітамінів (наприклад, К, В12, фолієвої кислоти).

Ступінь розщеплення клітковини ферментами мікроорганізмів у значній мірі залежить від зрілості плодів. Клітковина недоспілих і зрілих плодів, овочів і фруктів переварюється краще, ніж переспілих. Поживна цінність продуктів бродіння для людини дуже незначна і не враховується при розрахунках раціону. Однак клітковина є незамінним подразником секреторної і моторної функцій кишечнику.

Надлишок клітковини підсилює перистальтику кишечнику людини, що прискорює просування їжі через шлунково-кишковий тракт. Це призводить до недостатнього переварювання й усмоктування їжі, у зв'язку із чим у кал попадає багато невикористаних організмом поживних речовин. Втрати їх збільшуються ще й тому, що клітковина затримує доступ ферментів до засвоюваних вуглеводів й, отже, ускладнює переварювання їжі.

Попередня кулінарна обробка продуктів харчування й ретельне пережовування сприяють руйнуванню клітковини. При великій її кількості підсилюються процеси бродіння в кишечнику, що приводить до виникнення метеоризму. Він викликає неприємні відчуття й ряд ускладнень при захворюваннях кишечнику, а осоюливо у людей, ведучих малорухомий спосіб життя. Основна маса целюлози в незмінному виді виводиться з організму з калом.

Всмоктування вуглеводів у тонкій кишці являє собою складний біохімічний процес. Прості цукри всмоктуються шляхом трансмембранного транспорту за допомогою білків. На зовнішній поверхні мембран клітин тонкої кишки вони з'єднуються з певним вуглеводом (глюкозою або галактозою), утворюючи рухливий комплекс "переносник – вуглевод". У вигляді такого комплексу вуглевод переноситься через мембрану усередину клітини. Тут комплекс розпадається, вуглевод використовується або транспортується далі кров'ю, а білок повертається й повторно вступає в реакцію транспорту. Важлива роль у цьому належить іонам Na+, тобто цей процес є Na+-залежним. Процес відбувається з витратою енергії АТФ, його каталізує фермент гексокіназа. При цьому підсилюються окисні реакції в стінці кишечнику, що забезпечують ресинтез АТФ, яка витрачається на всмоктування моносахарів.

Всмоктування різних моносахаридів у кров з кишечнику здійснюється з різною швидкістю. Якщо швидкість всмоктування глюкози прийняти за 100 %, то всмоктування галактози буде становити 110, фруктози – 43, маннози – 19, ксилози – 15, арабінози – 9.

Моносахариди, що всмокталися, через воротну вену надходять у печінку, де піддаються різного роду перетворенням, зокрема, там відбувається взаємне перетворення мономерів: з галактози й фруктози при участі ферментів ізомераз утворюється глюкоза.

У печінці під дією ферменту фосфорилази синтезується й накопичується глікоген. При необхідності відбувається його мобілізація й розщеплення до вільної глюкози. В організмі людини запас глікогену становить 350 г, причому 250 г міститься в м'язах.

У печінці протікає й реакція глюконеогенеза: глюкоза утворюється з невуглеводів (молочної кислоти, гліцерину, амінокислот). З печінки глюкоза доставляється до різних органів, де використовується клітинами в міру необхідності. У нирках здорової людини глюкоза повністю реабсорбується і надходить у кров.

ОБМІН ВУГЛЕВОДІВ

У клітинах тканин гетеротрофних організмів вуглеводи синтезуються із глюкози і сполук невуглеводної природи. Надлишок глюкози в крові використовується для біосинтезу глікогену в печінці й м'язах. Глікоген накопичується у вигляді гранул, у яких містяться також ферменти його синтезу, розпаду і регуляції цих процесів.

Біосинтез глікогену відбувається в аеробних умовах. На початку цього процесу глюкоза фосфорилюється під впливом гексокінази (глюкокінази) з використанням АТФ з утворенням глюкозо-6-фосфату:

Потім глюкозо-6-фосфат при участі фосфоглюкомутази ізомеризується в глюкозо-1-фосфат:

Глюкозо-1-фосфат вступає в реакцію з УТФ (урідинтрифосфатом) і утворює УДФ-глюкозу, що представляє собою активовану форму глюкози. Ця реакція каталізується глюкозо-1-фосфат-уридиліл-трансферазою (УДФГ-пірофосфорилазою).

Пірофосфат піддається гідролізу, і  енергія, що вивільняється, «запускає» синтез УДФ-глюкози.

На наступному етапі активований глікозидний компонент УДФ-глюкози переноситься на гідроксильну групу С-4 кінцевого залишку глюкози ланцюга, утворюючи 1,4-глікозидний зв'язок. Для синтезу глікогену необхідна наявність невеликої, «затравочної» його кількості, що містить не менш чотирьох залишків глюкози. При цьому відбувається перенос залишку глюкози з УДФ-глюкози на глікоген і подовження його ланцюга шляхом утворення зв'язку 1,4:

Регенерація УТФ здійснюється за рахунок АТФ:

АТФ + УДФ → АДФ + УТФ.

Розпад глікогену й вивільнення глюкози відбуваються при зростаючій потребі в ній. Цей процес здійснюється двома шляхами: фосфорилітичним і гідролітичним, які доповнюють один одного. У депо, де накопичується глікоген (печінка, м'язи, інші органи й тканини), він розпадається фосфорилітичним шляхом, у шлунково-кишковому тракті - гідролітичним.

Фосфороліз глікогену здійснюється шляхом послідовного відщіплення глюкозо-1-фосфата при участі ферменту фосфорілази:

Причому фосфорилаза каталізує відщіплення глюкозильних залишків до точки розгалуження ланцюга глікогену, потім вступає в дію декстраназа, що розриває 1-6-зв'язок глікогену й забезпечує подальшу дію фосфорилази. Фосфорилаза існує у двох формах: неактивній (b) і активній(а). Перетворення фосфорилази b у фосфорилазу а відбувається за участю АТФ, ферменту кінази, фосфорилази й ц-АМФ як  коферменту. Причому із двох молекул неактивної фосфорилази виходить одна активна. Цей процес стимулюється гормонами адреналіном і глюкагоном, які сприяють утворенню ц-АМФ. Швидкість фосфорилазної реакції залежить від концентрації глікогену, фосфорної кислоти і глюкозо-6-фосфата. При зменшенні концентрації глікогену і фосфорної кислоти швидкість цього процесу знижується.

Глюкозо-1-фосфат, що виділився, перетворюється в глюкозо-6-фосфат під дією ферменту фосфоглюкомутази.

Глюкозо-6-фосфат включається в процеси гліколізу або перетворюється у вільну глюкозу, яка з «депо» надходить у кров і використовується тканинами як  енергетичний матеріал.

Таким чином, постійна концентрація глюкози в крові є результатом одночасного протікання двох процесів: надходження глюкози в кров з печінки й споживання її із крові тканинами.

У тканинах органів (у тому числі печінки) розпад глюкози відбувається двома шляхами: анаеробним (при недостатньому вмісті оксигену в клітинах) і аеробним (протікає лише в присутності оксигену).

Анаеробне окиснювання субстратів – найпростіша форма утворення й акумулювання енергії у фосфатних зв'язках АТФ; в еволюційному шляху розвитку воно є більше раннім і виникло ще в безкисневому середовищі.

Вищі тварини і людина відносяться до факультативних анаеробних, тобто  організмів, які можуть функціонувати в аеробних і анаеробних умовах. Однак етапу аеробного розщеплення, незалежно від присутності кисню, передує анаеробний розпад.

При анаеробному розпаді вуглеводів головним енергетичним субстратом є глюкоза. Її анаеробне перетворення може здійснюватися різними способами: гліколіз або глікогеноліз (якщо процес починається із глікогену) або спиртове бродіння з утворенням відповідно молочної кислоти або етанолу і СО2. Аеробному розщепленню піддаються, як правило, продукти анаеробного розпаду (наприклад молочна і піровиноградна кислоти).

Гліколіз (від греч. glycys – солодкий, lysіs – розкладання, розчинення) є складним ферментативним процесом, що протікає в основному в м'язовій тканині. Він супроводжується вивільненням енергії, що частково акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ, а частково диспергується у вигляді теплоти. Значна частина енергії зберігається в кінцевих продуктах гліколізу і спиртового бродіння – у лактаті (молочна кислота) і етанолі.

Анаеробне розщеплення глюкози протікає у дві стадії. На першій стадії глюкоза при дії глюкокінази (гексокінази) фосфорилюється, використовуючи АТФ як  донора фосфатної групи.

 

Процес первинного фосфорилювання глюкози з утворенням фосфорного ефіру називається «шлюзовою» реакцією, або реакцією «запала», після якої цей моносахарид включається в інші реакції.

Глюкозо-6-фосфат, що утворюється при цьому, перетворюється потім під дією ферменту фосфоглюкомутази у фруктозо-6-фосфат.

Надалі  при участі фосфофруктокінази й АТФ відбувається фосфорилювання фруктозо-6-фосфата з утворенням фруктозо-1,6-дифосфата.

Фруктозо-1,6-дифосфат є типовим продуктом гліколізу. Під дією ферменту альдолази відбувається його розщеплення на дві тріози: фосфодиоксиацетон і фосфогліцероловий альдегід. Такий розподіл називається дихотомією, а гліколіз - дихотомічним циклом обміну вуглеводів.

Під дією ферменту тріозофосфатізомерази можливо взаємне перетворення тріоз. При співвідношенні 5 % фосфогліцеролового альдегіду й 95 % фосфодиоксиацетону встановлюється рухлива рівновага.

Фосфодиоксиацетон перетворюється в гліцеральдегід-3-фосфат і всі наступні реакції йдуть із двома молекулами фосфогліцеролового альдегіду. Крім того, він відновлюється в гліцеральдегід-3-фосфат, що використається для синтезу різних ліпідів. Таким чином, він є сполучною ланкою між гліколізом й обміном ліпідів.

Утворенням гліцеральдегід-3-фосфату завершується перший, підготовчий етап гліколізу.

Друга стадія, що має важливе значення - найбільш складна. Вона включає окиснювально-відновну реакцію (гліколітичная оксидоредукція), сполучену із субстратним фосфорилюванням, у процесі якого утворюється АТФ.

При взаємодії гліцеральдегід-3-фосфату з особливим ферментом – HSE, у білковій частині якого міститься сульфгідрильна група (SH), утвориться проміжний фермент-субстратний комплекс:

Потім відбувається його дегідрування за участю НАД, при цьому з'являються відновлена форма НАДН2 і проміжний макроергічний комплекс.

При взаємодії його з неорганічною фосфорною кислотою утворюється 1,3-дифосфогліцеролова кислота.

Після цього макроергічна сполука взаємодіє з АДФ, утворюються АТФ і 3-фосфогліцерат.

У цій реакції відбувається перетворення альдегідної групи глицеральдегид-3-фосфата в карбоксильну з виділенням енергії, що запасається в АТФ. Утворення АТФ із високо енергетичних сполук називається субстратним фосфорилюванням.

Під дією ферменту фосфогліцератфосфомутази (фосфогліцеромутази) 3-фосфогліцеролова кислота перетворюється в 2-фосфогліцеролову кислоту, що потім під впливом ферменту єнолази дегідрується й переходить в єнольну форму 2-фосфопіровиноградної кислоти.

Остання взаємодіє з АДФ, при цьому утворюються АТФ і піровиноградна кислота (ПВК):

Якщо до моменту утворення пірувата в тканині не надійде достатня кількість кисню, то ПВК відновлюється до лактату (молочна кислота) при участі відновленого НАД (НАДН2).

В анаеробних умовах 85 % лактату відновлюється до глікогену, а 15 % окисляється до СО2 і Н2О. Таким чином, лактат є кінцевим продуктом анаеробного окиснювання глюкози. В аеробних умовах лактат знову перетворюється в піруват або використовується для біосинтезу глюкози в печінці. Цей процес протікає в цитоплазмі, де локалізовані всі ферменти гліколізу.

При активній роботі м'язів в них накопичується багато молочної кислоти, що викликає їхнє стомлення.

Щоб відновити працездатність м'язів, необхідно звільнити їх від молочної кислоти, що досягається виведенням її в кров, з якої вона надходить у печінку. Так, в аеробних умовах, молочна кислота в процесі глюконеогенеза перетворюється в глюкозу, що знову із кров'ю надходить у м'язи й включається в обмінні процеси.

Біологічне значення процесу гліколізу полягає насамперед  в утворенні багатих енергією фосфорних сполук. На перших етапах гліколізу витрачаються дві молекули АТФ (гексозна і фосфофруктокіназна реакції). На наступних етапах утворюються чотири молекули АТФ (фосфогліцераткіназна і піруваткіназна реакції). Крім того, утворюється дві молекули НАДН2, кожна з яких при біологічному окиснюванні на мітохондріях виділяє три молекули АТФ. Таким чином, у результаті гліколізу утворються вісім молекул АТФ із однієї молекули глюкози.

З енергетичної точки зору гліколіз неефективний, тому що для виробництва енергії використовується велика кількість вуглеводів. Разом з тим фізіологічне значення цього процесу надзвичайно велике, оскільки він дозволяє організму виконувати свої функції в умовах недостатнього постачання киснем, а кінцеві продукти гліколізу (піруват і лактат) є субстратами аеробного окиснювання.

Значення гліколізу визначається також і тим, що в ході відповідних реакцій утворюються речовини, які необхідні для біосинтезу деяких життєво важливих сполук. Так, наприклад, фосфодиоксиацетон використовується для біосинтезу простих і складних ліпідів.

Таким чином, саме гліколіз готовить "напівфабрикати", які надалі  окисляються до СО2 і Н2О в аеробних умовах.

Луї Пастер, вивчаючи взаємозв'язок між анаеробним та аеробним окиснюванням, звернув увагу на гальмування гліколізу в процесі дихання. Це явище одержало назву «пастеровского ефекту». Гальмування відбувається на стадії перетворення фруктозо-6-фосфата у фруктозо-1,6-дифосфат. Значення ефекту Пастера, тобто  переходу в присутності кисню від анаеробного гліколізу до дихання, складається в перемиканні клітини на більш ощадливий шлях одержання енергії.

Однією із причин пригнічення гліколізу диханням є конкуренція за неорганічний фосфат й АДФ. У деяких клітинах, наприклад ракових, більш інтенсивно протікає гліколіз. При рості злоякісних пухлин має місце зворотний пастеровскому ефект Кребтри - гальмування дихання гліколізом.

Аеробне окиснювання вуглеводів. Клітини, які недостатньо постачаються киснем, можуть частково або повністю існувати за рахунок енергії гліколізу.

В аеробних умовах перетворення лактату, що утворився із глюкози в процесі гліколізу, іде у двох напрямках: приблизно 1/5 лактату окисляється до СО2 і Н2О, інша кількість перетворюється в глікоген.

Перший етап аеробного розпаду лактату – його окиснювання до пірувату за участю лактатдегідрогенази.

Однак переважна більшість тваринних і рослинних клітин у нормі перебуває в аеробних умовах, і піруват, що утворюється при розщепленні глюкози, не відновлюється до лактату, а поступово окисляється до СО2, і Н2О в аеробної стадії катаболізму. При цьому спочатку відбувається окисне декарбоксилювання пірувату з утворенням ацетил-КоА.

Окисне декарбоксилювання протікає на мітохондріях. Воно каталізується складними поліферментними і полікоферментними системами, які складаються з декількох ферментів (власне дегідрогенази й ін.) і декількох коферментів, у тому числі тіамінпірофосфату (ТПФ), тіаміндифосфату (ТДФ), ліпоєвої кислоти (ЛК), НАД, HSKoА, ФАД, Mg2+. Кожен компонент ферментної системи бере участь у здійсненні відповідної ланки процесу. Реакції відбуваються в кілька етапів.

Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса)

У ході аеробного окиснювання вуглеводів піровиноградна кислота піддається окисному декарбоксилюванню з утворенням ацетил-КоА.

Ацетил-КоА, що утворився, вступає в різні реакції обміну й окислюється до СО2 і Н2О. Повне окиснювання ацетил-КоА відбувається в циклі трикарбонових кислот - циклі Кребса.

70 % ПВК окисляється до СО2 і Н2О через стадію утворення ацетил-КоА. При обміні білків, жирів і вуглеводів протягом  доби на кожен 1 кг маси тіла утворюється близько 10 г ацетату.

Цикл Кребса є центром, де сходяться всі метаболічні шляхи, він - загальний кінцевий шлях окиснювання ацетильних груп (у вигляді ацетил-КоА), у які перетворюється в процесі катаболізму більша частина органічних молекул, що грають роль "клітинного палива" – вуглеводів, жирних кислот, амінокислот.

Він протікає в матриксі мітохондрій і складається з восьми послідовних реакцій.

Перша реакція каталізується цитрат-синтетазою, при цьому ацетил-КоА конденсується із щавелевооцтовою кислотою (оксалоацетатом), у результаті чого утворюється лимонна кислота (цитрат).

У другій реакції лимонна кислота піддається дегідратуванню з утворенням цисаконітової кислоти, що, приєднуючи молекулу води, переходить в ізолимонну кислоту (ізоцитрат).

 

Третя реакція – ізолимонна кислота окиснюється шляхом відщіплення двох атомів водню й перетворюється в щавелевобурштинову кислоту, що декарбоксилюється до α-кетоглутарової кислоти (α-кетаглутарат).

Четверта реакція: α-кетоглутарова кислота піддається окисному декарбоксилюванню під впливом складних ферментів До складу цих ферментів входять коферменти: (ТПФ, HSKoА, ліпоєва кислота, НАД, ФАД). Для реакції необхідні також іони Mg2+. У результаті окисного декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти утворюється сукциніл-КоА, що має макроергічний карбоксилтіоловий зв'язок, у якому резервується енергія окисного декарбоксилювання. При цьому виділяється друга молекула СО2 і НАДН2.

У ході п'ятої реакції сукциніл-КоА взаємодіє з неорганічним фосфатом, потім реагує з гуанідилдифосфатом (ГДФ) і перетворюється в бурштинову кислоту, а ГДФ, приєднуючи фосфат, переходить у ГТФ.

У результаті шостої реакції бурштинова кислота при участі ФАД окисляється у фумарову кислоту (фумарат). Остання гідратується з утворенням яблучної кислоти (сьома реакція). Під впливом НАД вона окисляється до щавлевооцтової кислоти (оксалоацетат) – восьма реакція, тобто  до того субстрату, з якого починається цикл трикарбонових кислот.

Процес аеробного окиснювання вуглеводів відбувається з виділенням енергії (за рахунок НАДН2 і ФАДН,). Одна молекула НАДН2 виділяється на стадії декарбоксилювання пірувата з утворенням ацетил-КоА.

Окиснювання ізолимонної кислоти в щавелевобурштинову також супроводжується виділенням молекули НАДН2. При декарбоксилюванні α-кетоглутарової кислоти утворюється сукциніл-КоА й НАДН2. Сукциніл-КоА перетворюється в бурштинову кислоту з утворенням 1 молекули АТФ (за рахунок ГТФ). Дегідрування бурштинової кислоти відбувається з виділенням ФАДН2, а дегідрування яблучної – з виділенням НАДН2. Відомо, що 1 молекула НАДН2 еквівалентна 3 молекулам АТФ, а 1 молекула ФАДН2 – 2 молекулам АТФ.

Отже, з однієї тріози в аеробному циклі утворюється 4 молекули НАДН2 (12 молекул АТФ), 1 молекула ФАДН2 (2 молекули АТФ) і 1 молекула АТФ (ГТФ). Оскільки з однієї молекули глюкози утворюється 2 тріози, вихід енергії буде становити 15 х 2 = 30 молекул АТФ, а повне окиснювання 1 молекули глюкози в анаеробному і аеробному циклах складе 8 + 30 = 38 молекул АТФ.

Щавелевооцтова кислота, що утворилася, може вступати в реакцію з іншою молекулою ацетил-КоА й процес починається спочатку. Таким чином, певна кількість щавелевооцтової кислоти неодноразово бере участь у реакції й забезпечує окиснювання до СО2 і Н2О великої кількості оцтової кислоти, що утворюється з вуглеводів, ліпідів, білків й інших сполук. Але цей процес не нескінченний. Щавелевооцтова кислота в мітохондріях декарбоксилюється з утворенням піровиноградної кислоти, що у свою чергу перетворюється в ацетил-КоА.

Виділенням енергії не вичерпується значення циклу трикарбонових кислот. Роль його полягає також в тому, що при аеробному окиснюванні вуглеводів утворюються проміжні речовини, які використовуються для різних процесів біосинтезу. Так, α-кетоглутарова й щавелевооцтова кислоти можуть перетворюватися в амінокислоти (глутамінову й аспарагінову), необхідні для синтезу білків, азотистих основ, гормонів, нуклеотидів.

Цикл Кребса поставляє відбудовні еквіваленти в ланцюг дихальних ферментів, де потік електронів і протонів сполучений з утворенням АТФ. Цикл не може протікати швидше, ніж це дозволяє використання АТФ. Він регулюється за типом зворотного зв'язку: інгібується АТФ й активується АДФ, що накопичується в міру утилізації АТФ.

Пентозний цикл окиснювання вуглеводів. Подання про існування в тканинах тварин, рослин і мікробів іншого механізму окиснювання вуглеводів, що відрізняється від розглянутого вище, були розвинені на основі робіт головним чином Варбурга, Дікенса й В.А. Енгельгардта, що показали можливість окиснювання гексозомонофосфата в клітинах тварин (наприклад, в еритроцитах) без попереднього розщеплення на дві фосфотріози. Розбіжність шляхів окиснювання вуглеводів – класичного – лимоннокислого циклу Кребса й «пентозного» – починається на стадії утворення гексозомонофосфату. Якщо гексозомонофосфат (фруктозо-6-монофосфорний ефір) піддається ще раз фосфорилюванню й перетворюється у фруктозодифосфат, то в цьому випадку подальший розпад вуглеводів відбувається за звичайним гліколітичним шляхом з утворенням фосфотріоз і піровиноградної кислоти, яка «згоряє» потім у лимоннокислому «казані».

Якщо ж приєднання другої частки фосфату до гексозо-6-монофосфорному ефіру не відбувається, то глюкозомонофосфат може піддаватися прямому окислюванню з відщіпленням СО2 й утворенням пентозофосфату. Звідси відбулася й назва – пряме окиснювання вуглеводів у пентозному циклі.

Основний шлях окиснювання вуглеводів в організмі тварин здійснюється за звичайним гліколітичним шляхом (за схемою Ембдена-Мейергофа-Парнаса-Кребса). Тільки в окремих органах і тканинах, наприклад у жировій тканині, печінці, еритроцитах, надниркових залозах, лімфатичних вузлах і деяких інших тканинах має істотне значення окиснювання гексозофосфатів у пентозному циклі.

РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ ВУГЛЕВОДІВ І ЙОГО ПОРУШЕННЯ

Рівень глюкози в крові здорових людей постійний, він відображає стан вуглеводного обміну взагалі й глюкози зокрема . У нормі в крові міститься 3,33…5,55 ммоль/л (~ 4-6 одиниць) вуглеводів.

Моносахариди крові використовуються головним чином для енергетичних потреб організму (70 %), частина з них бере участь у біосинтезі ліпідів, антитіл, мукополісахаридів, тобто  виконує пластичну функцію.

Найбільше значення в організмі має глюкоза. Це пов'язано з високим, у порівнянні з іншими моносахаридами, вмістом її в харчових продуктах й в організмі, а також з більшою активністю клітинних ферментів, які  каталізують її перетворення. Крім того, у печінці активно протікають процеси перетворення різних моносахаридів у глюкозу, і тільки вона може запасатися у вигляді глікогену, що, розпадаючись, забезпечує потреби організму в цьому вуглеводі.

Різні порушення обміну вуглеводів проявляються в першу чергу зміною вмісту глюкози в крові, а регуляцію цього виду обміну речовин можна розглядати як регуляцію рівня глюкози в крові.

Обмін вуглеводів у цілому і кількість глюкози в крові, зокрема, регулюються нервовою системою і залозами внутрішньої секреції. Природним подразником служить зниження вмісту глюкози в крові (гіпоглікемія), що наступає у випадках, коли перерви між черговими прийомами їжі перевищують 5…6 год. Збіднена глюкозою кров надходить у мозок, викликаючи рефлекторне порушення метаболічних центрів гіпоталамуса і довгастого мозку. У відповідь виникають імпульси, що стимулюють розпад глікогену печінки до глюкози й відновлення її рівня в крові до норми.

Важливе місце в регуляції обміну вуглеводів належить гормону підшлункової залози - інсуліну, що утворюється в β-клітках острівкової тканини підшлункової залози. Інсулін знижує рівень глюкози в крові шляхом активного використання її клітинами тканин, тобто  підвищує проникність мембран кліток для глюкози, що приводить до зменшення її вмісту в крові (гіпоглікемічний ефект). Глюкоза, що надійшла в клітини, при участі АТФ і гексокінази перетворюється в глюкозо-6-фосфат.

Глюкозо-6-фосфат, що утворився, не може вийти із клітини й піддається різним перетворенням. При надлишку глюкози в клітинах інсулін стимулює синтез глікогену в печінці й м'язах, окиснювання моносахаридів і перетворення їх у ліпіди.

При недостатності інсуліну спостерігається підвищення рівня глюкози в крові (гіперглікемія), надлишкове виведення глюкози із сечею (глюкозурія) і зниження кількості глікогену в печінці. Постійна гіперглікемія і глюкозурія є симптомами цукрового діабету – важкого захворювання, викликаного порушенням функції підшлункової залози.

Тимчасове підвищення кількості глюкози в крові й поява її в сечі називають відповідно до аліментарної (харчової) гіперглікемією й глюкозурією. Вони виникають при високому споживанні солодких вуглеводів (понад 100 г за один прийом).

З інших гормонів важливе значення має адреналін – гормон мозкової речовини надниркових залоз. Він викликає гіперглікемію, тому що активує фермент печінки фосфорилазу, яка каталізує розпад глікогену до вільної глюкози. Механізм дії адреналіну складний. У печінці він активує перетворення неактивної форми фосфорилази в активну через ряд проміжних передавачів (рецептори клітин, аденілатциклаза, ц-АМФ, протеїнкіназа та ін.). У м'язах адреналін активує розпад глюкози до молочної кислоти.

Бере участь у регуляції вуглеводного обміну  і глюкагон – гормон α-кліток острівців Лангерганса підшлункової залози. Він підвищує рівень глюкози у крові.

Впливають на рівень глюкози в крові гормони коркової речовини надниркових залоз – глюкокортикоїди. Вони підвищують її кількість шляхом активації вироблення глюкози з невуглеводних компонентів (глюконеогенез). Гормони гіпофіза (адренокортикотропний, соматотропний й ін.) стимулюють вироблення глюкокортикоїдів й, отже, сприяють підвищенню рівня глюкози в крові.

Особлива роль у регуляції обміну вуглеводів належить печінці. У ній активно протікає розпад і синтез глікогену. При гіпоглікемії відбувається активний розпад глікогену печінки до глюкози, що потім надходить у кров. При гіперглікемії клітини печінки активно захоплюють глюкозу із крові і використовують її для синтезу глікогену. Участь печінки в регуляції обміну вуглеводів проявляється в інактивації глюкокортикоїдів і в активації синтезу інсулінази - ферменту, що розщеплює інсулін. Крім того, є ще один шлях регуляції - за типом зворотного зв'язку: при надлишку глюкозо-6-фосфата активізується синтез глікогену і гальмується його розпад, а недолік глюкози в крові запускає гідроліз глюкозо-6-фосфата до вільної глюкози.

Ознаками порушення вуглеводного обміну є гіперглікемія, глюкозурія, гіпоглікемія.

Гіперглікемія може бути інсулярного або екстраінсулярного походження. Інсулярная гіперглікемія розвивається при зниженні вироблення інсуліну в результаті поразки острівців Лангерганса підшлункової залози. Гіперглікемії, не пов'язані з виробленням інсуліну, можуть бути викликані фізіологічними й іншими причинами. Як відомо, аліментарні гіперглікемії виникають при надлишковому споживанні їжі, багатої вуглеводами (наприклад, фруктів, солодощів). Нейрогенні гіперглікемії (центральні) пов'язані з різними емоційни-ми факторами (радість, страх), які стимулюють вироблення адреналіну, що викликає посилений розпад глікогену до глюкози і надходження її в кров. Причинами екстраінсулярних гіперглікемій можуть бути захворювання залоз внутрішньої секреції (пухлини гіпофіза, надниркових залоз, тиреотоксикоз), що викликають гіперсекрецію відповідних гормонів. До гіперглікемії приводять отруєння фосфором, окислом карбогену, травми, пухлини мозку та ін.

Зниження рівня обміну глюкози і як наслідок – підвищення її вмісту в крові, можуть бути обумовлені порушеннями функцій ферментних систем при запальних процесах в організмі.

У сечі здорової людини глюкози практично немає, тому що вона піддається зворотному всмоктуванню в ниркових канальцях. Якщо рівень вмісту глюкози в крові перевищує «нирковий поріг» (6,68 ммоль/г), то нирки перестають ресорбувати цей моносахарид, частина глюкози попадає в сечу, розвивається глюкозурія.

Зниження рівня глюкози в крові (нижче 2,40 ммоль/г) - гіпоглікемія проявляється симптомами: слабкістю, сильним потовідділенням, погіршенням діяльності центральної нервової системи, втратою свідомості. Вона може розвиватися при передозуванні інсуліну у хворих цукровим діабетом. Гіпоглікемія спостерігається також при підвищеному виділенні інсуліну підшлунковою залозою, зниженому синтезу гормонів щитовидної залози, захворюваннях надниркових залоз (Адісонова хвороба). Знижується надходження глюкози в кров через порушення її всмоктування в кишечнику при захворюваннях тонкої кишки (ентероколітах) і жовчних шляхів. Гіпоглікемія виникає також при захворюваннях печінки (її жирова інфільтрація та ін.) і ряді інфекційних хвороб.

Серед інших порушень вуглеводного обміну варто виділити деякі спадкоємні захворювання, що приводять до зміни синтезу ряду ферментів. Так, спадкоємні захворювання, в основі яких лежать порушення діяльності ферментів, які каталізують процеси розпаду глікогену, називаються глікогенозами. Вони пов'язані з недостатністю фосфорилази в печінці або в кісткових м'язах, відсутністю глюкозо-6-фосфатази в печінці та ін.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №11

«обмін ВУГЛЕВОДІВ»

Мета заняття: провести дослідження здатності вуглеводів до перетравлення ферментами.

План заняття

1. Дослідити перетравлення сахарози ферментами дріжджів.

2. Вивчити перетравлення крохмалю ά-амілазою за методом Вольгемута.

3. Виявити редукуючі вуглеводи лактози у молоці

4. Виявити сахарозу у харчовому цукрі

1. Дослідження перетравлення сахарози ферментами дріжджів

Об’єкт дослідження: Сахароза, 1%-й розчин;

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Нагрівальний прилад.

Реактиви:    1. Витяжка з дріжджів;

2. Мідь сірчанокисла, 5%-й розчин;

3. Гідроксид натрію, 10%-й розчин.

Техніка виконання роботи

У дві пробірки наливають по 1 мл 1 %-го розчину сахарози. У першу додають 1 мл витяжки з дріжджів. Обидві проби ставлять у термостат на 15 хв. при температурі 37оС. Потім проводять пробу Троммера на наявність редукуючих вуглеводів.

2. Дослідження перетравлюваності крохмалю

(кількісне визначення активності α-амілази за методом Вольгемута)

Об’єкт дослідження: Крохмаль, 1 %-й розчин.

Обладнання і посуд: Штатив із пробірками.

Реактиви:  1. Витяжка з підшлункової залози, розбавлена в 1000 разів (джерело α-амілази);

2. Йод, 0,02 н. розчин.

Техніка виконання роботи

У чотири пробірки наливають по 1 мл води. У першу приливають 1 мл джерела ферменту, потім з неї відбирають 1мл вмісту і переносять у другу пробірку, а потім з другої 1 мл приливають у третю пробірку, з третьої – в четверту, а з неї 1 мл рідини виливають, тобто послідовно розбавляють фермент у  2, 4, 8, і 16 разів.

До всіх пробірок додають по 1 мл 1 %-го розчину крохмалю і поміщують у термостат при температурі 37оС. Через 10 хвилин додають по 1 краплі 0,02 н. розчину йоду. Відзначають забарвлення. Активність ферменту визначають за найменшою концентрацією джерела ферменту, яка викликала зникнення синього забарвлення. Потім помножують розбавлення в цій пробі на 1000 і одержують показник активності, який виражається кількістю мілілітрів 1 %-го розчину крохмалю, що розщеплює 1 мл нерозбавленого джерела ферменту при температурі 37оС протягом 10 хвилин:

Д 10/37о = 1000·а,

де : Д – активність ферменту;

а – розбавлення ферменту в пробірці, що передує тій, в якій забарвлення синє.

Результати дослідів заносяться в табл. 1.2.

Таблиця1.2

№ проби

1

2

3

4

Розбавлення джерела ферменту

Забарвлення з I2

Наявність декстринів

3. Виявлення редукуючого вуглеводу лактози в молоці.

Об’єкт дослідження: Молоко.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Фільтри паперові;

3.  Нагрівальний прилад.

Реактиви: 1. Реактив Фелінга (Фелінг І+Фелінг ІІ у рівних об’ємах);

2. КОН, 1 %-ий розчин.

Техніка виконання роботи

В мірний циліндр на 50 мл виміряють 2,5 мл молока, додають 40 мл дистильованої води і 1 мл 1 % розчину КОН. Об’єм суміші доводять до 50 мл. Струшують вміст. Фільтрують. Відмірюють в окрему пробірку 2…3 мл фільтрату і проводять реакцію Фелінга.

4.Виявлення сахарози в харчовому цукрі.

Об’єкт дослідження: Цукор, 1 % розчин.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Нагрівальний прилад.

Реактиви:    1. Сірчана кислота, концентрована;

2. Реактив Фелінга (Фелінг 1+Фелінг 11 у рівних об’ємах);

3. Реактив Селіванова.

Готують 1 %-й розчин харчового цукру. З 1…2 мл розчину проводять реакцію Фелінга. 2…3 мл розчину цукру піддають кислотному гідролізу (приливають 1…3 краплини сірчаної кислоти), гідролізат розливають у дві пробірки: в одній після нейтралізації проводять реакцію Фелінга, у другій – реакцію Селіванова.

5.Ізомерізація глюкози у фруктозу.

Глюкоза і фруктоза – моносахариди.Глюкоза – виноградний, фруктоза – плодовий цукор. Моносахариди, що містять альдегідну групу, одержали назву альдоз (глюкоза), а ті, що містять кетонну групу – кетоз (фруктоза). Усі альдози і кетози є ізомерами. Це ізомерія альдоз і кетоз з відкритим ланцюгом і з однаковим числом атомів вуглевода в молекулі.

Глюкоза і фруктоза мають однакову молекулярну формулу С6Н12О6, отже є ізомерами.

Всі моносахариди, що мають в окисній формі вільний глюкозидний гідроксил, а у відкритій – вільну карбонільну групу, в тому числі глюкоза, фруктоза, при нагріванні в лужному розчині легко розщеплюються, подібно до альдегідів і кетонів, утворюючи брунатний або чорний розчин.

При осмолюванні утворюється складна суміш речовин, при цьому вуглеводи ізомерізуються по різних напрямках. При дії дуже слабких лугів вуглеводи не зазнають глибоких змін, проте все ж здатні ізомеризуватися. Так, глюкоза в таких умовах частково ізомерізується у фруктозу.

Об’єкт дослідження: Набор вуглеводів.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки;

3. Крапельниці;

4. Нагрівальний прилад.

Реактиви: 1. Моносахариди, 10 %-й розчини (глюкоза, фруктоза, цукор);

               2. Концентрований розчин лугу (30 %-ний розчин NaOH);

     3. Сірчана кислота, 10 %-й розчин.

Техніка виконання роботи

Дослід проводять одночасно з кількома різними вуглеводами, використовуючи готові 5…10 %-і розчини або розчинюючи 0,1…0,2 г вуглеводів в 1…2 мл дистильованої води.

До 1…2 мл розчину вуглеводу додають удвічі менший об’єм концентрованого розчину лугу, нагрівають суміш до кипіння і кип’ятять 2…3 хв. Відзначають зміну забарвлення розчину, якщо таке спостерігається. Потім охолоджують рідину і підкислюють її розбавленою сірчаною кислотою, при цьому забарвлення блідніє і з’являється виразний запах карамелі (палений цукор).

Контрольні запитання

  1.  Як відбуваються процеси переварювання вуглеводів у шлунково-кишковому тракті людини ?
  2.  Як регулюється вміст цукру в крові людини ?
  3.  Охарактеризуйте процеси біосинтезу глікогену.
  4.  У чому полягає суть гліколізу (анаеробне окиснювання глюкози)?
  5.  Напишіть реакції гліколізу.
  6.  Напишіть реакцію окисного декарбоксілювання піровиноградної кислоти.
  7.  Напишіть реакції циклу Кребса.
  8.  Який енергетичний вихід циклу Кребса ?
  9.  Як протікає пентозофосфатний шлях окиснювання вуглеводів ?
  10.  Які види бродіння лежать в основі одержання молочно-кислих продуктів, квашення овочів, виробництва хліба й хлібобулочних виробів, вин, чаю? Опишіть хімічні реакції різних видів бродіння.

тема 2.3. Обмін ліпідів в організмі: розщеплення в шлунково-кишковому тракті, Обмін ліпідів в тканинах, енергетичний ефект, регуляція ліпідного обміну. Добова потреба

РОЗЩЕПЛЕННЯ ЛІПІДІВ У ТРАВНОМУ ТРАКТІ ЛЮДИНИ

Тріацилгліцеріди або просто жири надходять в організм з їжею тваринного і рослинного походження. У великій кількості вони містяться в салі, рослинній олії і вершковому маслі, м'ясі, курячих яйцях, печінці.

Розщеплення ліпідів у травному тракті людини має кілька стадій. Для цього процесу необхідні ліполітичні ферменти (і відповідні умови для їхньої діяльності) і емульгатори (детергенти). За сучасною класифікацією ліполітичні ферменти відносяться до групи гідролаз, які каталізують розщеплення різних ліпідів. У травному тракті людини субстратами гідролітичного розщеплення є триацилгліцероли, фосфоліпіди, ефіри холестеролу.

Оптимальна умова для дії ліполітичних ферментів – рН 7,8…8,2. Гідролітичному розщепленню в шлунку піддаються тільки емульговані жири. Такі ліпіди містяться  в молоці і молочних продуктах, яєчному жовтку, майонезах. Всі інші жири їжі мають потребу в емульгаторах, що знижують поверхневий натяг і перешкоджають склеюванню жирових крапель.

Емульгатори мають гідрофільні і гідрофобні групи, вони оточують кожну краплю жиру таким чином, що гідрофільні групи звертаються до води, а гідрофобні – до жиру. Основними емульгаторами жирів у травному тракті людини є солі жовчних кислот.

У порожнині рота переварювання ліпідів не відбувається через відсутність ліпаз. У шлунку йде незначний гідроліз емульгованих жирів під дією малоактивної ліпази шлункового соку. Основна кількість харчових жирів гідролізується в тонкому кишечнику під дією ліпази, що утворюється в підшлунковій залозі (це можливо тільки після емульгування жирів).

Емульгування жирів відбувається в порожнині кишечнику під впливом дрібних пухирців вуглекислого газу, що рясно виділяються при нейтралізації соляної кислоти харчової кашки бікарбонатами підшлункового і кишкового соків. У процесі перистальтики кишечнику жири роздрібнюються на дуже дрібні краплі, що емульгуються при участі парних жовчних кислот і моноацилгліцеролів. Основну роль при цьому грають солі жовчних кислот (мила), що виділяються з жовчю в просвіт кишечнику. Вони адсорбуються на поверхні крапель жиру, утворюють на них найтоншу плівку, що перешкоджає злиттю крапельок у більш великі краплі. Разом з тим жовчні кислоти різко зменшують натяг на поверхні двох фаз – води і жиру, що сприяє дробленню його крапель на більш дрібні. При цьому утвориться тонка емульсія (діаметр часток не перевищує 0,5 мкм), що полегшує ферментативний гідроліз жиру. Одночасно жовчні кислоти активують ліпазу.

Жовчні кислоти являють собою похідні холанової кислоти, що синтезується з холестеролу. У жовчі людини містяться в основному похідні холанової кислоти: холева, дезоксихолева, глікохолева, хенодезоксихолева, таурохолєва і літохолева кислоти, причому головним чином їх натрієві солі, що складаються з холевої і дезоксихолевої кислот, глікоколу і таурину.

Велика частина емульгованого жиру піддається гідролітичному розщепленню під дією ліпаз з утворенням гліцеролу і вищих жирних кислот.

Ліпази бувають двох типів: одна розщеплює ефірні зв'язки триацилгліцеролів у положеннях 1 і 3, інша – у положенні 2. У розщепленні моноацилгліцеролів бере участь також ліпаза, що міститься в кишковому соку.

Гідроліз є першою фазою обміну жирів. Він протікає східчасто, причому спочатку розщеплюються зовнішні складноефірні зв'язки. -моноацилгліцероли, що утворилися, всмоктуються стінкою кишечнику. Потім вони або йдуть на ресинтез триацилгліцеролів у кишковій стінці, або розпадаються під дією неспецифічних естераз. Жирні кислоти, що виділилися з розщеплених гліцеролів, погано розчиняються у воді і всмоктуються ворсинками кишечнику лише після взаємодії з жовчними кислотами з утворенням парних розчинних комплексів. В епітеліальних клітинах ворсинок кишечнику відбувається їхнє розщеплення на жовчні і жирні кислоти.  Жовчні кислоти знову безпосередньо надходять у просвіт кишечнику або проходять більш складний шлях: кров - печінка - жовчний міхур – жовч.

Постійна циркуляція жовчних кислот забезпечує велику кількість всмоктуваних жирів при порівняно обмеженому виробленні печінкою жовчних кислот (2,8…3,5 г у добу).

Переварювання ліпідів відбувається як у порожнині кишок (порожнинне травлення), так і на слизовій оболонці тонкої кишки (пристінкове або контактне травлення). Зокрема, на поверхні клітин адсорбується ліпаза соку підшлункової залози (панкреатична), яка каталізує гідроліз жирів.

З епітеліальних клітин стінки кишечнику жири у виді дрібних жирових крапель, оточених білками (хіломікрони), попадають у лімфу.

Хіломікрони відносяться до складних ліпідів. За будовою це сферичні частки (100…5000 нм), зовнішня оболонка яких утворена білками, а внутрішня – ліпідами і їхніми похідними. Хіломікрони – найбільш великі з ліпопротеїнів. До їхнього складу входить 98…99 % ліпідів і 1…2 % білка. Утворюючись в клітинах слизової оболонки кишечнику, вони забезпечують транспорт ліпідів (триацилгліцеролів) з кишечнику в лімфу.

Хіломікрони через грудну лімфатичну протоку надходять у кровоток і транспортуються в "жирові депо" і печінку.

Таким чином, за допомогою хіломікронів здійснюється транспорт із кишечнику в кров екзогенних триацилгліцеролів, холестеролу і частково фосфоліпідів. Через 1…2 год після прийому їжі спостерігається аліментарна гіперліпемія, максимальної величини вона досягає через 4…6 годин після прийому жирної їжі. Через 10…12 годин вміст триацилгліцеролів повертається до норми, а хіломікрони зникають із кров'яного русла, тому що розпадаються на більш дрібні частки під впливом ліпопротеїнліпази (фактор просвітління) внутрішньої оболонки стінок судин.

Ліпопротеїнліпаза не тільки розщеплює хіломікрони, але і гідролізує триацилгліцероли, що  виділилися при цьому, на гліцерол і жирні кислоти, що можуть безпосередньо надходити в клітки і піддаватися процесам розпаду. Частина жирних кислот попадає в кров, де адсорбується альбуміном сироватки, потім переноситься до органів і включається в процеси обміну (рис. 2.1).

Частина жирів безпосередньо всмоктується в кров, минаючи лімфатичну систему, і надходить у печінку. Через деякий час з печінки жири переходять у периферичне депо: підшкірну клітковину, сальник, брижі. Жири з «жирових депо» осідають в інших тканинах, головним чином у печінці, де піддаються окисному розщепленню до кінцевих продуктів обміну речовин. Транспорт жирів у крові забезпечують білки плазми: - і -глобуліни, альбуміни.

Рис 2.1. Модель ліпопротеїнів

1 – ефіри холестерола; 2 – триацилгліцероли; 3 – фосфоліпіди; 4 – холестерол; 5 – полярний шар

Холестерол попадає в шлунково-кишковий тракт людини переважно з яєчним жовтком, м'ясом, печінкою, мізками. З їжею людина одержує щодня 0,1…0,3 г холестеролу у вільному виді або у виді його ефірів. Останні при участі ферменту панкреатичного соку – холестеролестерази розщеплюються на холестерол, що може всмоктуватися у виді комплексу з жовчними кислотами, і жирні кислоти.

Фосфоліпіди, зокрема  лецитини, під впливом відповідних гідролаз, розщеплюються на гліцерол, вищі жирні кислоти, холін і фосфорну кислоту. Компоненти фосфоліпідів усмоктуються кишковою стінкою і надходять у кров (фосфорна кислота в основному у виді натрієвих і калієвих солей).

З продуктів гідролізу харчових ліпідів у клітинах кишкового епітелію ресинтезуються ліпіди, специфічні для певного виду тварини.

Важлива роль в обміні жирів належить печінки. Її ферментативні системи каталізують переважну більшість реакцій метаболізму ліпідів. У печінці синтезуються триацилгліцероли, що або затримуються в ній, або у виді ліпопротеїнів надходять у кров.

Розрізняють два види ліпопротеїнів, що утворюються в печінці: пре--ліпопротеїни (ліпопротеїни дуже низької щільності - ЛПОНП) і -ліпопротеїни (ліпопротеїни високої щільності – ЛПВП). У плазмі крові людини з пре--ліпопротеїнів утворюються -ліпопротеїни (ліпопротеїни низкої щільності - ЛПНП).

З усіх ліпопротеїнів плазми крові атерогеністю володіють -ліпопротеїни низької і дуже низької щільності. Вони здатні проникати всередину судинної стінки з плазми крові, будучи первинним субстратом, що викликає атероскле-ротичну поразку артерій. При атеросклерозі рівень холестеролу в крові підвищується в 2…5 разів (іноді до 13 ммоль/л). Причиною гіперхолестеролемії є порушення рівноваги між кількістю холестеролу, що розпадається, і синтезованого холестеролу. Основну роль у виникненні гіперхолестеролемії належить ендогенному холестеролу. Збільшення цього показника відзначено при надлишковому споживанні жирів і вуглеводів і порушенні їх утилізації.

Холестерол з ацетил-КоА також синтезується в печінці. Активність цього процесу залежить від кількості екзогенного холестеролу, що надходить з їжею. Біосинтез холестеролу в печінці регулюється за принципом негативного зворотного зв'язку: чим більше його надходить з їжею, тим менше синтезується в печінці, і навпаки.

Частина синтезованого холестеролу перетворюється в жовчні кислоти і виділяється з організму з жовчю, крім того він використовується для синтезу стероїдних гормонів і інших сполук. У печінці відбувається його взаємодія з жирними кислотами з утворенням ефірів, що надходять у кров.

У печінці відбувається розпад і синтез фосфоліпідів. Для їхнього синтезу, крім гліцеролу і вищих жирних кислот, необхідні неорганічні фосфати і азотисті основи, зокрема холін. Неорганічні фосфати в печінці містяться в достатній кількості, а холіну мало, тому він обов'язково повинний надходити з їжею.

При дефіциті холіну синтез фосфоліпідів з нейтрального жиру різко знижується або зовсім припиняється, і нейтральний жир відкладається в печінці, тобто  відбувається жирова інфільтрація цього органа, що грозить перейти в її жирову дистрофію. Запобігають цьому ліпотропні речовини (холін, метіонін і інші джерела метильних груп), що містяться в сирі й інших молочних продуктах, м'ясі та ін.

ОБМІН ЛІПІДІВ У ТКАНИНАХ

Обмін ліпідів у тканинах є біологічно найбільш важливим етапом їхнього перетворення. На цій фазі відбувається асиміляція ліпідів у виді пластичного матеріалу і розщеплення їх з вивільненням енергії.

Головним ендогенним джерелом ліпідів, що грають роль метаболічного палива, служить резервний жир, що міститься в протоплазмі клітин у виді крапельок. Для цієї мети використовуються також фосфоліпіди мембран.

У «жирових депо» при участі тканинних ліпаз відбувається гідроліз простих жирів на глицерол і вільні жирні кислоти. Гліцерол фосфорилюється за рахунок АТФ, через ряд проміжних реакцій перетворюється у фосфогліцеро-ловий альдегід, що потім окисляється в процесі гліколізу до фосфогліцеролової і піровиноградної кислот. Остання, піддаючи окисному декарбоксилюванню, перетворюється в ацетил-КоА, що у циклі трикарбонових кислот окисляється до СО2 і Н2О.

У виді комплексу з альбумінами вільні жирні кислоти зі струмом крові попадають в органи і тканини, де комплекс розпадається, а жирні кислоти або піддаються -окислюванню, або використовуються в синтезі триацилгліцеролів, холестеролу, гліцерофосфоліпідів, сфінголіпідів і т.д.

-окиснення вищих жирних кислот. Теорія окислення вищих жирних кислот була висунута А. Кноопом у 1904 р. Він висловив припущення, що окиснювання молекул жирної кислоти в тканинах організму відбувається в -положенні шляхом послідовного відщіплення від молекули жирної кислоти з боку карбоксильної групи двох карбогенових фрагментів. У зв'язку з цим процес окислення жирних кислот називають -окисленням.

Оскільки будь-яка жирна кислота, що входить до складу природних жирів, має парне число вуглецевих атомів, то відщіплення в кожній реакції по парі карбогенів обов'язково приводить процес до утворення масляної кислоти. Після чергового циклу -окислення вона перетворюється в ацетооцтову кислоту, що гідролізується до двох молекул оцтової кислоти. Ця теорія не втратила свого значення дотепер і є основою сучасних уявлень про механізм окиснювання вищих жирних кислот.

-Окислення вищих жирних кислот відбувається в мітохондріях клітин при участі мультиферментного комплексу.

Початковим етапом -окислення є активація молекул вищих жирних кислот при участі АТФ і HSKoА. При цьому утворюються активовані форми: КоА-ефіри цих кислот.

Утворюється активна форма (ацетил-КоА) з жирної кислоти і коензиму А за рахунок енергії АТФ за участю ферменту ацетил-КоА-синтетази. Перенос ацильних груп з цитоплазми на матрикс мітохондрії здійснює карнітин. При участі ферменту карнітин-ацил-трансферази синтезується ацилкарнітин, здатний проникати усередину мітохондрій. Після чого карнітин повертається в цитоплазму клітки, а ацетил-КоА піддається окисленню.

Наступний етап - дегідрування жирних кислот за участю ФАД, при цьому відщепляються два атоми гідрогену в - і -положеннях і ацил-КоА перетворюється в КоА-ефир ненасиченої кислоти (єноїл-КоА).

На стадії гідратації єноїл-КоА, взаємодіючи з молекулою води, перетворюється в -оксикислоту (-гідрооксиацил).

Друга стадія дегідрування протікає при участі НАД - залежної дегідрогенази з утворенням -кетокислоти (-кетоацил-КоА).

Потім відбувається тіолазна реакція: взаємодія кетоацил-КоА з ацетил-КоА.

У результаті цієї реакції внаслідок розщеплення -кетоацилу виділяється укорочена на два карбогенових атоми активована вища жирна кислота і двовуглецевий фрагмент у виді ацетил-КоА. Ацетил-КоА, що утворився, окислюється в циклі трикарбонових кислот, а активована вища жирна кислота багаторазово проходить весь шлях -окиснення аж до утворення чотирьохвуглецевої сполуки - бутирил-КоА, що у свою чергу окисляється до двох молекул ацетил-КоА.

Енергетичний ефект -окиснення. Число циклів окислення, яким піддається вища жирна кислота, залежить від кількості карбогенових атомів у її молекулі. При окисленні однієї молекули жирної кислоти утвориться n/2 молекул ацетил-КоА, де n – кількість атомів карбогену, а цикл повториться (n/2 -1) раз, тому що молекула бутирил-КоА відразу розщеплюється на дві молекули ацетил-КоА. У кожнім циклі з'являються молекула ФАДН2 і молекула НАДН2. Молекула ФАДН2 при окиснюванні в дихальному ланцюзі і сполученого з ним фосфорилювання дає дві молекули АТФ, а НАДН2 – три молекули АТФ, тобто  за один цикл -окиснювання утворюється п'ять молекул АТФ.

Кожна молекула ацетил-КоА включається в цикл трикарбонових кислот, поступово розщеплюється до СО2 і Н2О з виділенням 12 молекул АТФ. Як приклад розглянемо -окиснення пальмітинової кислоти.

При окисненні пальмітинової кислоти відбувається сім циклів -окиснювання – (16/2 - 1), що веде до утворення 35 молекул АТФ. У результаті -окиснення цієї кислоти утворюється вісім молекул ацетил-КоА (16/2), кожна з яких, окисляючись в циклі трикарбонових кислот, дає 12 молекул АТФ, тобто  утворює 96 молекул АТФ. Таким чином, сумарний вихід енергії при окисленні однієї молекули пальмітинової кислоти складе: 35 + 96 = 131 молекула АТФ. Оскільки одна молекула АТФ була витрачена на активізацію вищої жирної кислоти на початку процесу вихід енергії складе 130 молекул АТФ. Близько 45 % усієї потенційної енергії пальмітинової кислоти при її окисленні в організмі може бути використана для ресинтезу АТФ, інша утилізується у виді теплоти.

Окиснення ненасичених жирних кислот відбувається так само, як і насичених, але має свої особливості, обумовлені положенням подвійних зв'язків. До початку -окиснення в молекулі жирної кислоти відбувається переміщення подвійного зв'язку з положення 3-4 у 2-3 і зміна конфігурації подвійного зв'язку з цис- у транс-положення.

Більшість природних ліпідів містить жирні кислоти з парним числом вуглецевих атомів. Однак у ліпідах рослин і деяких морських організмів виявляються жирні кислоти з непарним числом вуглецевих атомів. Вони також піддаються -окисненню, у результаті якого з'являються ацетил-КоА і пропіоніл-КоА. Останній перетворюється в сукциніл-КоА - метаболіт циклу Кребса.

Процес -окиснення вищих жирних кислот за участю НS коензиму А активніше протікає в печінці, жировій тканині, серцевому і кістяковому м'язах, слабкіше – у нирках, підшлунковій залозі та інших органах.

РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ ЛІПІДІВ І ЙОГО ПОРУШЕННЯ

Обмін ліпідів в організмі залежить від впливу ряду факторів внутрішнього і зовнішнього середовища. Істотну роль грають також вік, стать, характер харчування, вид трудової діяльності, режим дня, форми відпочинку, кліматогеографічні умови проживання і т.д.  Активує процеси синтезу ліпідів і призводить до надлишкового їх накопичення в «жирових депо», а надалі до порушення обміну і виникненню захворювань, такий фактор, як нерегулярне харчування, особливо якщо велика калорійність раціону приходиться на другу половину дня і вечірні години. Несприятливо впливає на обмін жирів різка перевага в раціоні засвоюваних вуглеводів, моносахаридів, що утворюються з них, при малорухомому способі життя повною мірою  не використовуються, а перетворюються в жири.

Ліпідний обмін в організмі регулюється центральною нервовою системою. Кора головного мозку впливає на жирову тканину через симпатичну і парасимпатичну нервову систему і ендокринні залози. Кількість жиру в «жирових депо» зменшується при тривалому негативному емоційному стресі, що супроводжується збільшенням викиду гормону надниркових залоз адреналіну в кровоносне русло, що призводить до зменшення маси тіла. Цей ефект пояснюється тим, що жирова тканина рясно інервована волокнами симпатичної нервової системи, а норадреналін, що виділяється, як і адреналін, збільшує швидкість ліполізу в жировій тканині. Крім того, адреналін через систему відповідних ферментів сприяє утворенню активної форми ліпази. Дія глюкагону і тироксину подібно впливу адреналіну і норадреналіну (катехоламінів): вони стимулюють ліполіз.

На ліпідний обмін впливає гормон росту (СТГ), що утворюється в передній частці гіпофіза. При недоліку цього гормону збільшується відкладен-ня жиру в організмі, розвивається гіпофізарне ожиріння. При підвищеній продукції його збільшується ліполіз і вміст жирних кислот у плазмі крові.

Інсулін має дію, протилежну адреналінові і глюкагону: він зменшує утворення активної ліпази в клітинах, підсилює процеси ліпогенезу, сприяє перетворенню вуглеводів у жири, пригнічує окиснювання вищих жирних кислот у тканинах (табл. 2.1.).

Таблица 2.1.

Вплив деяких факторів на мобілізацію жирних кислот із жирової тканини

Фактор

Характер впливу

Передбачуваний механізм дії

Катехоламіни, глюкагон, тироксин, глюкокортикоїди

Посилення

Активація аденілатциклази

СТГ, АКТГ (гормони
гіпофізу)

»

Посилення синтезу аденілатциклази і гормоночутливої ліпази

Стрес, фізичне навантаження, голодування, охолодження

»

Стимуляція секреції катехоламінів и пригнічення  секреції інсуліну

Простагландини

Пригнічення

Ослаблена дія катехоламінів на аденілатциклазу, пригнічення аденілатциклази

Інсулін

»

Гальмування вивільнення жирних кислот в результаті активації гліколізу в жировій тканині; активація фосфодиестерази Ц-АМФ

Статеві гормони також виражено діють на жировий обмін: при їхньому недоліку збільшується синтез і відбувається гальмування розпаду жирів, що є однією з причин збільшення маси тіла людей похилого віку, у яких відзначається вікове зниження функції статевих залоз.

Важливе значення в регуляції обміну ліпідів має співвідношення синтезу триацилгліцеролів і фосфоліпідів у тканинах, особливо в печінці. Це поясню-ється тим, що жирні кислоти необхідні як для синтезу триацилгліцеролів, так і фосфоліпідів. Триацилгліцероли здатні відкладатися в резерв і при надлишковому накопиченні можуть викликати порушення діяльності кліток, аж до їхньої загибелі. Фосфоліпіди є гідрофільними сполуками: вони виводяться з печінки і доставляються до інших органів і тканин, що стимулює їх синтез і відповідно знижує утворення триацилгліцеролів.

У нормі вміст загальних ліпідів у крові складає 400…800 мг/л. Він змінюється в залежності від статі, віку, характеру і режиму харчування, рівня фізичної активності.

Порушення ліпідного обміну можуть наставати вже в процесі переварювання й усмоктування жирів унаслідок захворювань травного тракту. Крім того, вони можуть бути зв'язані з недостатнім надходженням у кишечник ліпази соку підшлункової залози або жовчі.

При спадкоємному захворюванні, обумовленому недостатньою активністю ліпопротеїнліпази крові, порушується перехід жирних кислот з хіломікронів плазми в «жирові депо». У плазмі збільшується вміст хіломікро-нів, внаслідок чого вона здобуває молочний колір. Підвищення рівня ліпідів у крові (гіперліпемія) може бути викликано фізіологічними причинами, наприклад, прийомом їжі (аліментарна гіперліпемія). Гіперліпемії виникають нерідко при цукровому діабеті, захворюваннях підшлункової залози (панкреа-тити), печінки (гепатити), нирок (нефрози). У їхній основі лежать порушення енергетичного обміну, зв'язані з недостатнім використанням вуглеводів і посиленим окиснюванням жирів. При цьому активізуються процеси мобілізації жиру (триацилгліцеролів) з «жирових депо». Він надходить у кров (транспортна гіперліпемія) і доставляється до тих органів, що мають недолік в енергії.

Гіперліпемії спостерігаються при деяких отруєннях, порушенні функції щитовидної, статевих і надниркових залоз.

У ряді випадків підвищується вміст ліпідів у сечі (ліпурія). Вона може виникати, наприклад, після їжі, особливо після прийому великої кількості риб'ячого жиру. Накопичення ліпідів у сечі відзначається при цукровому діабеті, туберкульозі легень, хворобах нирок, отруєннях, пухлинах підшлункової залози, інфекційних і гнійних процесах.

Гіполіпемія – зменшений вміст ліпідів у крові, спостерігається при цирозі печінки і зниженій функції щитовидної залози.

Недостатнє якісне і кількісне надходження ліпідів з їжею приводить до розвитку авітамінозів і гіповітамінозів жиророзчинних вітамінів. Так, зниження споживання з їжею рослинної олії приводить до появи ознак недостатності вітаміну F.

До захворювань, в основі яких лежать порушення обміну ліпідів, відносяться ожиріння, жирова дистрофія печінки, атеросклероз. У людей, що страждають на ожиріння, підсилюються процеси синтезу жирних кислот і триацилгліцеролів, що обумовлює їхнє накопичення і відкладення в клітинах. Жирова дистрофія печінки характеризується накопиченням надлишкової кількості триацилгліцеролів у її клітинах, що веде до дегенеративних змін клітин і порушенню їхніх функцій. У печінці активно відбувається обмін жирів, у тому числі два взаємозалежних процеси – синтез триацилгліцеролів і синтез фосфоліпідів. Посилення синтезу триацилгліцеролів гальмує утворення фосфоліпідів, і навпаки. При цьому триацилгліцероли легко відкладаються в печінкових клітках, а фосфоліпіди транспортуються до тканин, де беруть участь у різних процесах. При недоліку ліпотропних речовин, необхідних для синтезу фосфоліпідів, відбувається його гальмування, а жирні кислоти йдуть на синтез триацилгліцеролів, що накопичуються в клітках печінки, викликаючи її дистрофію.

Харчові речовини беруть участь у нормалізації порушень обміну ліпідів. Джерелами рухливих метильних груп, необхідних для синтезу ліпотропних речовин, є метіонін, вітаміни U, В15, холін, лецитин, бетаїн. На метилювання багатьох сполук впливають фолацин і вітамін В12.

В окисленні ліпідів, у тому числі холестеролу, до кінцевих продуктів беруть участь ніацин, триптофан, з якого частково утворюється ніацин при наявності вітаміну В6, В12,  вітаміни С, Р, ліпоєва кислота, лецитин, холін.

Випаданню холестеролу в осад з рідких середовищ організму (зумовлюючому розвиток атеросклерозу, утворення жовчних каменів) перешкоджають поліненасичені жирні кислоти, що входять до складу рослинних олій. Важлива також їхня роль у зниженні формування ліпопротеїнів низкої щільності (які містять холестерол) і посиленні руйнування цих часток у крові. Вітамін С попереджає зменшення кількості ліпопротеїнів високої щільності, у складі яких холестерол швидше метаболізується, чим у частках низької щільності. Усмоктування цього ліпіду з кишечнику в кров гальмується -ситостеролом, що міститься в рослинних жирах. Виведення холестеролу з організму через товсту кишку стимулюють вітаміни групи В (особливо тіамін), інозит, ПНЖК, а також магній, баластові речовини, сорбіт, ксиліт. Протисклеротичну дію мають деякі морепродукти внаслідок вмісту в них ПНЖК і йоду.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №12

«виЗначення якості ліпідів»

Мета заняття: вивчити якість простих та складних ліпідів.

План заняття

1. Визначення кислотного числа

2. Визначення перекісного числа

3. Визначення йодного числа

1. Проба на згіркнення жиру

При зберіганні або тепловій обробці жирів відбуваються різні хімічні перетворення (гідроліз, окислення жирних кислот), які викликають зміни фізико-хімічних і органолептичних характеристик жирів. Накопичення в продукті вільних жирних кислот, перекисів, альдегідів і кетонів призводить до погіршення харчових властивостей жирів. На практиці при оцінюванні якості жирів використовуються такі хімічні показники, як кислотне і йодне числа. Для аналізу різних жирів (свіжих, після зберігання або після жаріння у фритюрі, тобто у великій кількості жиру при 150...190оС) група студентів проводить спільну роботу. Кожен студент проводить дослід з одним із досліджуваних  жирів.

Для одержання добрих результатів необхідно акуратно проводити титрування: об’єм розчинів у бюретці відраховувати від нуля, розчини додають краплями при постійному перемішуванні суміші в колбі. Титрування зупиня-ють при появі забарвлення, яке не зникає після струшування протягом 30 с.

А. Визначення кислотного числа

Об’єкт дослідження: Олія соняшникова після зберігання

Обладнання і посуд: 1. Колби конічні на 50...100 мл з пробками;

2. Бюретки;

3. Піпетки.

Реактиви:    1. Нейтралізована спиртово-ефірна суміш;

2. Гідроокис калію, 0,1 н. розчин ;.

3. Фенолфталеїн, 0,1 % розчин.

Техніка виконання роботи

В колбу вносять наважку (близько 1 г) досліджуваного матеріалу (за різницею маси колби до і після внесення масла), приливають 10 мл нейтралізованої суміші спирту і ефіру, вміст колби перемішують до розчинення жиру. Додають у колбу 2...3 краплі розчину фенолфталеїну і титрують суміш 0,1 н. розчином КОН до появи рожевого забарвлення.

Кислотне число визначають по формулі:

де  В – кількість 0,1 н. спиртового розчину гідроокису калію (мл), витраченого на титрування наважки жиру;

К – поправочний коефіцієнт до титру 0,1 н. розчину КОН;

5,61 – титр точно 0,1 н. розчину КОН;

Н – наважка жиру (г).

Б. Визначення перекісного числа

Ненасичені жирні кислоти легко піддаються окисленню під впливом кисню, вологи, світла. Цей процес каталізує фермент ліпооксигеназа.

Кількісне вимірювання перекисей олії, що утворилися, засновано на реакції виділення йоду з йодистого калію в кислому середовищі. Йод потім титрують розчином гіпосульфіту.

Перекисне число – ПЧ – це кількість г йоду, виділене перекисами, що містяться у 100 г олії.

Об’єкт дослідження: Рослинна олія.

Обладнання і посуд: 1. Колби конічні на 200 мл з притертими корками;

2. Бюретки;

3. Піпетки.

Реактиви:  1. Суміш льодяної оцтової кислоти і хлороформу (2:1);

2. Йодистий калій, насичений розчин;

3. Дистильована вода;

4. Гіпосульфіт натрію, 0,002 н. розчин;

5. Крохмаль, 1 % розчин.

Техніка виконання роботи

У конічну колбу або склянку з притертою коркою вміщують 2 г рослинної олії,суміш льодяної оцтової кислоти і хлороформу – 20 мл. Додають 5 мл насиченого розчину йодистого калію. Паралельно проводять контрольну пробу з водою

Колби укупорюють і ставлять у темне місце на 10 хв. Потім доливають 50 мл дистильованої води, титрують йод, що виділяється, 0,002 н. розчином гіпосульфіту (індикатор – крохмаль, додають у колбу 1...2 краплини)..

Перекисне число розраховують за формулою:

де С – кількість 0,002 н. розчину гіпосульфіту натрію (мл), що була витрачена на контрольне вимірювання;

О – кількість 0,002 н. розчину гіпосульфіту натрію (мл), що була витрачена на титрування дослідного зразка;

0,0002538 – титр 0,002 н. розчину гіпосульфату натрію по йоду;

Н – наважка олії.

В. Визначення йодного числа

Об’єкт дослідження: Хлороформні розчини масел.

Обладнання і посуд: 1. Колби конічні на 50...100 мл з пробками;

2. Бюретки;

3. Піпетки.

Реактиви:    1. Хлороформ;

2. Йод, 0,1 н. спиртовий розчин;

3. Крохмаль, 1 % розчин;

4. Гіпосульфіт натрію, 0,1 н. розчин.

Техніка виконання роботи

В колбу з пробкою вносять близько 5 мл досліджуваного масла. До другої колби (контрольної) вносять рівний об’єм дистильованої води. В обидві додають по 5 мл хлороформу. Колби закривають пробками і струшують. У колби (точно) піпеткою приливають по 10 мл 0,1 н. розчину йоду, закривають пробками, струшують і ставлять у темне місце на 5 хвилин. Потім проби титрують 0,1 н. розчином гіпосульфіту натрію до світло-жовтого кольору, після чого додають 1 мл розчину крохмалю і продовжують титрувати до зникнення синього забарвлення.

Йодне число (ЙЧ, г) визначають за формулою:

де    (А-Б) – різниця об’ємів 0,1 н. гіпосульфіту натрію, що витрачається для титрування в дослідній і контрольній пробах;

К – поправочний коефіцієнт на титр емпіричного 0,1 н. розчину гіпосульфіту натрію;

0,01269 – коефіцієнт перерахунку витраченого розчину гіпосульфіту натрію ( 1 мл 0,1 н. розчину гіпосульфату натрію еквівалентний 0,01269 г йоду);

С – наважка жиру, г;

100 – коефіцієнт перерахунку на 100 г жиру.

Контрольні запитання

Що таке ліпіди і які їхні функції в організмі ?

У складі свинячого жиру виявлені трипальмітин, триолеїн, пальмітодиолеїн. Напишіть їхні формули.

У кокосовій і пальмовій оліях знайдені стеародипальмітин, олеодипальмітин. Напишіть їхні формули.

У яєчному жовтку виявлені фосфоліпіди. Напишіть їхні формули і перелічите основні функції.

Який стероїд тваринного походження сприяє розвиткові атеросклерозу кровоносних судин ?

Напишіть формулу холестеролу і вкажіть його значення для організму людини.

Назвіть основні функції ліпопротеїнів, гліколіпідів.

Які продукти є джерелами поліненасичених жирних кислот ?

Від чого залежить характер і ступінь зміни жирів при технологічній обробці?

Присутність яких речовин каталізує процеси окислення жирів при технологічній обробці?

Як відбувається розщеплення ліпідів у шлунково-кишковому тракті людини ?

Який склад жовчі і її роль у розщепленні ліпідів ?

Яким перетворенням у клітці піддається гліцерол ?

Напишіть реакції b-окиснювання вищих жирних кислот.

Який енергетичний ефект b-окиснювання вищих жирних кислот ?

Які фактори здійснюють регуляцію ліпідного обміну ?

Охарактеризуйте порушення обміну ліпідів.

Тема 2.4 Вітаміни. Водорозчинні вітаміни: будова, властивості, біологічна роль, джерела в їжі.

В даний час відомо більш 30 вітамінів, розшифрована їхня хімічна структура, що дало можливості синтезувати більшість з них.

Для вітамінів характерний ряд особливостей:

1. На відміну від інших незамінних речовин (амінокислоти, поліненасичені жирні кислоти та ін.) вітаміни не є пластичним матеріалом або джерелом енергії.

2. Вітаміни активні в мінімальних кількостях. Добова потреба в них обчислюється в тисячних і навіть мільйонних частках грама.

3. Вітаміни в організмі людини не синтезуються, за винятком деяких з них. Так, вітаміни В6, В12, К, фолієва кислота утворюються в організмі мікрофлорою товстої кишки, вітамін D - під дією ультрафіолетових променів, однак, у недостатній кількості.

4. Вітаміни, як правило, не відкладаються «про запас». Отже, ці речовини повинні надходити в організм при кожному прийомі їжі.

5. Найбільш ефективні вітаміни не синтетичні, а ті, що містяться в харчових продуктах. Це обумовлено тим, що до складу їжі входять кілька різних вітамінів, що підсилюють фізіологічний ефект один одного, а також стимулятори, або стабілізатори їхньої дії.

Функції вітамінів. Вітаміни забезпечують нормальне протікання біохімічних і фізіологічних процесів в організмі. Вони беруть участь у каталізі обмінних процесів, тому що містяться в активних групах ферментів. Так, наприклад, вітамін РР є коферментом дегідрогеназ, що здійснюють перший етап окиснювання білків, жирів, вуглеводів; вітамін В1 входить до складу активної групи ферменту, який каталізує розщеплення одного з центральних проміжних продуктів обміну речовин – піровиноградної кислоти; вітамін В12 відіграє визначну роль у процесах синтезу білків. От чому недолік вітамінів у їжі або порушення їхньої асиміляції негативно позначаються на багатьох фундаментальних процесах обміну речовин.

Вітаміни мають захисну дію, нейтралізуючи вплив різних негативних факторів. У здорових людей вони підвищують стійкість до холоду, інфекційних хвороб, фізичних перевантажень, додають сил. У хворих вітаміни сприяють нормалізації обміну, поліпшують ефект лікувальних засобів, нейтралізують побічну дію лікарських препаратів, зменшують наслідки опромінення.

При відсутності в продуктах харчування одного або декількох вітамінів розвивається вітамінна недостатність. Вона буває двох ступенів: авітаміноз і гіповітаміноз.

Авітаміноз – це стан глибокого дефіциту якого-небудь вітаміну в організмі з розгорнутою клінічною картиною недостатності (цинга, бери-бери, пелагра і т.д. ).

Гіповітаміноз – стан організму при недостатньому вмісті одного або декількох вітамінів у їжі. Гіповітамінози частіше зустрічаються наприкінці  зими, навесні, коли надходження вітамінів з їжею досить обмежено, оскільки вони руйнуються в процесі зберігання продуктів харчування. Розрізняють первинні і вторинні гіповітамінози.

Первинні гіповітамінози зв'язані з низьким вмістом вітамінів у продуктах харчування, що може мати місце в результаті наступних причин:

1. Однобічне незбалансоване харчування переважно рафінованими продуктами, недостатнє вживання продуктів рослинного походження.

2. Неправильна кулінарна обробка їжі, що приводить до руйнування вітамінів.

3. Застосування консервантів, що руйнують вітаміни.

4. Неправильні умови зберігання продуктів, що містять вітаміни.

Вторинні гіповітамінози розвиваються в тих випадках, коли знижується здатність засвоювати вітаміни або підвищується потреба в них. Це може бути зв'язане з порушенням функції шлунково-кишкового тракту. При інфекційних захворюваннях підвищується потреба у вітамінах внаслідок їхньої витрати в процесі утворення антитіл. Лікування деякими препаратами може збільшувати потребу у вітамінах у результаті їхнього підвищеного виділення з організму або порушення синтезу в товстій кишці. У такий спосіб впливають на організм, наприклад, антибіотики й інші антибактеріальні речовини.

При надлишковому надходженні вітамінів вони, як правило, виводяться з організму через нирки із сечею. У деяких випадках їхній вміст підвищується і розвивається гіпервітаміноз, що приводить до порушення обмінних процесів. Особливо небезпечне в цьому відношенні передозування вітамінів А и D, що призначають дітям для профілактики рахіту і порушень росту.

Класифікація вітамінів

У процесі вивчення вітамінів спочатку кожному з них давали назву за тим захворюванням, що розвивалося при відсутності даного вітаміну в їжі. При цьому до назви відповідного захворювання додавалася приставка анти-, тому що додавання відповідного вітаміну в дієту сприяло швидкому видужанню (наприклад, антицинготний, антианемічний, антирахітичний і т.д. ). Пізніше, за пропозицією Мак-Колума (1913 р.), окремі вітаміни в міру їхнього виділення умовилися позначати буквами латинського алфавіту: В1, В2, С и т.д. Після того як була досліджена хімічна природа вітамінів, стали використовувати їхні хімічні назви.

У 1956 р. біохімічною секцією Міжнародного союзу чистої і прикладної хімії була затверджена єдина класифікація вітамінів (табл. 2.2).

Широке поширення одержала систематизація вітамінів на основі їхньої розчинності у воді або жирах.

Одну групу склали водорозчинні вітаміни, іншу – жиророзчинні. Однак для деяких жиророзчинних вітамінів був синтезований водорозчинний аналог. Наприклад, вікасол є водорозчинним аналогом вітаміну К, розчинного в жирах.

Ряд вітамінів представлений не одним, а декількома сполуками, що виявляють біологічну активність. Прикладом може служити група вітамінів D. Для позначення таких сполук користуються цифрами – D2, D3.

У групі вітамінів розрізняють вітаміноподібні речовини, ступінь незамінності яких ще не визначена. Однак вони роблять сприятливий ефект на процеси обміну речовин, особливо в екстремальних умовах.

Таблиця 2.2

Класифікація та властивості вітамінів

Класи-фікація, назва  вітамінів

Біологічна роль

Добова потреба, мг

Джерела надходження

Властивості вітамінів

1

2

3

4

5

І. Водорозчинні вітаміни

В1 (тіамін)

Антиневритний. Авітаміноз В1 призводить до розлад-нання нервової, серцево-судинної та травної систем. В1 входить до складу деяких ферментів (декарбоксилаз-зи), регулюючих обмін вуглеводів, жирів, білків і води.

1,3...1,9

Хліб, крупи, соя, горіхи, дріжджі, овочі, фрукти, сви-нина, нирки, печінка, мозок, яловичина, яйця, жовток, молоко.

Віт. В1 розчинний у воді, стійкий до кислого середо-вища навіть при температурі 100...12оС, у лужному сере-довищі при нагріванні руй-нується під час випікання борошняних виробів із додаванням соди

В2 (рибофла-він)

Авітаміноз В2 призводить до зупинки росту, ураження нервової системи, шкіряних покровів. Вітамін В2 у фор-мі ФМН і ФАД входить до складу флавінових фермен-тів, що каталізують багато окислювально-відновних реакцій.

2,0...4,0

Дріжджі, жов-ток яйця, мед, чай, молоко, печінка, нир-ки, м’ясо, ри-ба, серце, ово-чі, хліб, крупи, горох.

В2 розчинний у воді, стійкий при нагрівання (до 1000С), кислого середовища, але чутливий до світла та лужного середовища при нагріванні. Заморожування та розморожування продук-тів призводить до втрати вітаміну В2.

В6 (піридоксин)

Антидерматичний. Нестача В6 веде до ураження шкіря-них покровів. Входить до складу ферментів, що регу-люють азотистий обмін. Наприклад, обмін амінокис-лот, їх переамінування і декарбоксилування.

2,0...3,0

Хліб, горох, квасоля, кар-топля, м’ясо, нирки, сир, пе-чінка, оселед-ці, яйця, дріж-джі, овочі.

Розчинний у воді та спирті, стійкий до кислот, лугів і нагрівання, але чутливий до світла. Дуже руйнується під впливом світла при рН 6,8.

В5,РР (ніацин, нікотино-ва кислота)

Антипелагричний (запобі-гає захворювання пелагрою – шершава шкіра). РР у формі НАД і НАДФ вхо-дить до складу ферментів дегідрогеназ, що каталізу-ють окислювально-відновні реакції.

15,0...

25,0

Рис, хліб, гре-чана і вівсяна крупи, картоп-ля, яйця, моло-ко, дріжджі, м’ясо, печінка, нирки, овочі, фрукти, гриби.

Малорозчинний у воді, добре розчинний у лужних розчинах, Серед усіх вітамі-нів найбільш стійкий при зберіганні, консервуванні, звичайній кулінарній обробці.

В12 (ціанкобаламін,ко-ринаїди)

Антианемічний (запобігає виникненню злоякісної ане-мії). В12 бере участь у багат-ьох метаболічних реакціях організму – синтезі метиль-них груп, відновлені ди-сульфідних груп в суль-фгідрильні, синтезі білків і нуклеїнових кислот, в реакціях ізомеризації та ін.; забезпечення нормального гемопоезу активацією дозрівання еритроцитів.

10,0...

15,0

Продукти тва-ринного походження: печінка, нир-ки, м’язи, молоко, яйця.

Голчасті кристали рубіново-червоного кольору, без запа-ху і смаку. Добре розчинний у воді і спирті, не розчинний в жирових розчинниках – бензолі, ефірі, хлороформі. В сухому виді стійкий до дії зовнішніх факторів. Витри-мує автоклавування при 120оС. Добре зберігається в темному сухому місці. На світлі швидко втрачає біологічну активність.

С (аскорбінова кис- лота)

Антицинготний (запобігає захворюванню цингою). Нестача С призводить до зниження  опору організму різним інфекційним захво-рюванням. С бере участь в окислювально-відновних процесах, синтезі стероїд-них гормонів надниркових залоз.

75,0...100,0

Плоди, ягоди, лимони, овочі, чорна сморо-дина, обліпи-ха, шипшина, помідори, ка-пуста, картоп-ля, перець, цибуля, хрін, кріп, чай.

Вітамін С розчинний у воді, стійкий у кислих середо-вищах і витримує кип’ятіння при відсутності кисню, легко руйнується при нагріванні в лужному середовищі і при доступі кисню повітря, на сонці.

Р (рутин, катехіни,

Біофлаво-ноїди)

Антигеморагійний (запо-бігає порушенням проник-ності капілярів, розвитку геморагій)

50,0...

60,0

Поширений в рослинних продуктах, особливо в смородині, шипшині, цитрусових, чорноплідній горобині, зеленому чаї.

Жовті кристалічні речовини без запаху і смаку, погано розчинні в холодній воді (краще в киплячій воді або в спирті). Не розчинні в жирових розчинниках. Стійкі до дії кислот і лугів.

ІІ Жиророзчинні вітаміни

Група А (ретинол)

Антиксерофтальмічний (запобігає захворюванню ксерофтальмією – сухістю очей). Вітамін А бере участь у процесах росту організму і регулює світо-відчуття в складі зорового пігменту – родопсину.

1,0...2,5

Печінка, моло-ко, вершкове і рослинне мас-ло, сир, яйця, фрукти, овочі. В овочах і фруктах – у вигляді каро-тиноїдів (про-вітамін А).

Вітамін А розчинний в жирах  і жиророзчинниках, стійкий до теплової обро-бки, але чутливий до світла; руйнується при окисленні і згіркнення жирів. Втрати вітаміну А при кулінарній обробці досягають 40%.

Група D (кальцифероли)

Антирахітичний (запобігає порушенню фосфорно-кальцієвого обміну) регу-лює всмоктування кальцію та фосфору в кишечнику та відкладання фосфату кальцію в кістковій тканині.

0,012...0,025

Жир, печінка, риба, яєчний жовток, верш-кове масло, сир, дріжджі, молоко, олії.

Розчинний у жирах і жиро-розчинниках. Утворюється в організмі під дією УФ променів. Стійкий до кулі-нарної обробки та консерву-вання. Руйнується тільки при тривалому смаженні у фритюрі.

Група Е (токофе – роли)

Антистерильний (нестача Е викликає безпліддя, пору-шує діяльність залоз внутрі-шньої секреції). Вітамін Е, зв’язаний з диханням орга-нізму і окисленням ліпідів, регулює синтез коензиму Q.

20,0...

30,0

Олії, салат, капуста, злаки, горох, м’ясо, вершкове масло, жовток яйця, молоко.

Розчинний у жирах і жи-ророзчинниках. Стійкий до нагрівання і кислот. Чутли-вий до УФ-променів. Кулінарна обробка значно знижує вміст вітаміну Е в оліях.

Група К (філохінони)

Антигеморагічний (нестача вітаміну К призводить до крововиливів, тому що зни-жується здатність крові до згортання. Віт. К приймає участь у синтезі білку – протромбіну, що приймає участь у згортанні крові.

0,2...0,3

Листові овочі, цвітна та біло-качанна капус-та, томати, картопля, печінка, яйця

Не розчинний у воді. Дуже чутливий до нагрівання у лужному середовищі та дії світла.

F (ненасичені жирні

кислоти)

Антидерматичний (нестача ненасичених Жирних кис-лот призводить до припи-нення росту, дерматитам, екземам, сухості шкіри, ви-падінню волосся, крихкості і розшаруванню кісток, ураженню нирок). Підви-щує еластичність і стійкість кровоносних судин, а також резистентність організму.

2,0...

10,0

Рослинні олії, сало

Оліїсті рідини, добре роз-чинні в жирових розчинни-ках і не розчинні у воді. Легко окислюються киснем повітря.

ІІІ Вітаміноподібні речовини

Вітамін U

Противиразковий фактор шлунка і дванадцятипалої кишки.

Не встановлено

Сирі овочі, мо-локо, печінка, сік капусти, зелень Петру-ки, зелений чай, фрукти.

Розчинний у воді, стійкий до кислого середовища, але руйнується за 100оС, особи-во в нейтральному і лужному середовищі.

Ліпоєва кислота

Регулює обмін ліпідів і вуглеводів у складі фермен-тних комплексів. Бере участь в окисленні і переносі ацильних груп.

500,0

Печінка, нир-ки, серце, м’ясо, молоко, капуста, рис.

У ряді продуктів містяться провітаміни, тобто  сполуки, з яких в організмі утворюються вітаміни. До них відносять каротини, що розщеплюються в ряді тканин з утворенням ретинолу (вітамін А), деякі стерини (ергостерини, 7-дегідрохолестерин і ін.), що перетворюються у вітамін D під впливом ультрафіолетових променів.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №13

«виЗначення Водорозчинних вітамінів»

Мета заняття: вивчити наявність водорозчинних вітамінів та аскорбінової кислоти у продуктах рослинного походження.

План заняття

1. Провести якісну реакцію на аскорбінову кислоту.

2. Провести дослідження окислення вітаміну С.

3. Виявити наявність вітаміну Р.

4. Провести якісну реакцію на вітамін В1.

5. Вивчити якісну реакцію на вітамін В6.

6. Визначити вітамін РР з постановкою проби на мідь.

7. Визначити кількість аскорбінової кислоти у продуктах рослинного походження.

1. Якісна реакція на аскорбінову кислоту

Аскорбінова кислота – вітамін С – широко розповсюджена в рослинних продуктах. Особливо багаті на вміст цього вітаміну свіжі овочі і ягоди, цитрусові, чорна смородина, гілки хвої, болгарський перець та ін.

Відсутність вітаміну С призводить до тяжкого захворювання – цинги або скорбуту.

Виявлення аскорбінової кислоти відбувається за допомогою розчину 2,6 діхлорфеноліндофенолята натрію синього кольору (краска Тільманса). Ця сполука є слабким окислювачем, який швидко реагує з сильними відновлювачами, до яких відносять вітамін С. В кислому середовищі краска стає червоною, а при відновленні – втрачає забарвлення.

Об’єкт дослідження: 1. Сік картоплі;

2. Сік моркви або капусти.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Крапельниці;

3. Піпетки;

4. Колби мірні, вогнетривкі;

5. Нагрівальний прилад.

Реактиви:   1. Н2О2, 3 %-й розчин;

2. НС1, 10 %-й розчин;

3. Діхлофеноліндофенолят натрію (краска Тіль-манса), 0,001 н розчин.

Техніка виконання роботи

Виявляють вітамін С в соках, які вироблено з картоплі, моркви або капусти. Для одержання соку матеріал, який досліджують, пропускають через тертушку і одержану масу віджимають через полотно. Потім сік повторно фільтрують крізь марлю. В дві пробірки наливають по 2 мл розчину, який досліджують. До однієї з них додають кілька крапель 3 %-го розчину перекису водню, вміст пробірки нагрівають. За цих умов вітамін С руйнується.

Далі в обидві пробірки додають по 2 краплі 10 %-го розчину НС1 та по одній краплі натрієвої солі 2,6 діхлорфенліндофенолята. У кислому середовищі барвник набуває рожевого кольору, але в присутності аскорбінової кислоти розчин знебарвлюється внаслідок відновлення барвника. У тій пробірці, де вітамін С був зруйнований, рожеве забарвлення зберігається.

2 .Дослідження окислення вітаміну С

Об’єкт дослідження: 1. Аскорбінова кислота;

2. Глюкоза, 1 %- розчин.

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки.

Реактиви:   1. НС1, 10 %-й розчин;

2. CuSO4, 5 %-й розчин;

3. NaOH, 10 %-й розчин;

4. 2,6 – ДХФІФ, 0,001 н розчин (краска Тільман-са).

Техніка виконання роботи

В першу пробірку вливають 5 крапель краски Тільманса та 5 крапель соляної кислоти, а в другу – 10 крапель NaOH та 5 крапель сірчанокислої міді. Потім додають по 5 крапель аскорбінової кислоти. В третю і четверту пробірки вливають такі ж самі реактиви, але замість аскорбінової кислоти додають глюкозу. Спостерігають зміну забарвлення.

3.Виявлення наявності вітаміну Р

Наявність речовин з Р-вітамінною дією визначають по реакції цих речовин з хлорним залізом. При цьому утворюється комплексна сполука, що має зелене забарвлення.

Об’єкт дослідження: 1. Чай чорний;

2. Чай зелений.

Обладнання і посуд:  Штатив із пробірками.

Реактиви:   1. Етиловий спирт;

2. Трихлористе залізо, 10 %-розчин.

Техніка виконання роботи

В першу пробірку насипають 1 г зеленого чаю, в другу – 1 г чорного чаю. В обидві додають по 10 мл етилового спирту, енергійно перемішують. Через 15 хвилин суміш фільтрують. Від фільтратів відбирають у дві пробірки по 10 краплин розчину, в кожну додають по 1 мл трихлористого заліза. Спостерігають появу зеленого забарвлення у пробірці з зеленим чаєм.

4. Якісна реакція на вітамін В1.

Вітамін В1 виявляють по утворенню у лужному середовищі з діазореактивом (суміш сульфонілової кислоти з розчином нітріту натрію) складну комплексну сполуку червоного або оранжевого кольору.

Об’єкт дослідження: Тіамін (вітамін В1).

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Флюориметр.

Реактиви:   1. Сульфанілова кислота, 1%-й розчин;

2. Нітріт натрію, 5%-й розчин;

3. Їдкий натр, 10 %-й розчин;

4. Na2CO3, 5 %-й розчин.

Техніка виконання роботи

Спочатку готовлять карбонатно-лужний розчин: змішують 1 мл 10 %-го розчину NaОН та 1 мл 5 %-го розчину Na2CO3.

У другій пробірці готовлять діазореактив: змішують 1 мл розчину 1 %-ої сульфанілової кислоти та 1 мл 5 %-го розчину нітріта натрію.

Потім до 2 мл карбонатно-лужного розчину доливають 1 мл діазореактиву і по стінці пробірки обережно приливають 1 мл тіаміну. Відзначають появу кільця червоного або оранжеве забарвлення.

При окисленні тіаміну, при його зберіганні, може утворюватися тіохром, який дає синю флюорисценцію у ультрофіолетовому промені. Тобто, якщо помістити ампулу з тіаміном у флюориметр, то можна спостерігати флюорисценцію.

5. Якісна реакція на вітамін В6

Наявність вітаміну В6 можливо виявити по утворенню комплексної сполуки червоного кольору з трихлористим залізом.

Об’єкт дослідження: Піридоксин (вітамін В6).

Обладнання і посуд: Штатив із пробірками.

Реактиви:   Трихлористе залізо,10 %-й розчин.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 1 мл піридоксину і 1..3 краплі трихлорного заліза. Перемішують і спостерігають появу червоного забарвлення.

6. Проба з міддю на вітамін РР (нікотинова кислота)

Об’єкт дослідження: Нікотинова кислота (вітамін РР).

Обладнання і посуд:  1. Штатив із пробірками;

2. Нагрівальний прилад;

3. Піпетки.

Реактиви:   1. Оцтова кислота, 10 %-й розчин;

2. Оцтовокисла мідь, насичений розчин.

Техніка виконання роботи

До 2 мл нікотинової кислоти приливають 1 мл 10 %-го розчину оцтової кислоти і нагрівають до початку кипіння. До нагрітого до кипіння розчину додають 1-1,5 мл розчину оцтовокислої міді і знов гріють до кипіння. У пробірці з’являється голубувата муть, а потім випадає у синій осад мідна сіль нікотинової кислоти.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №14

«виЗначення жиророзчинних вітамінів»

Мета заняття: вивчити наявність водорозчинних вітамінів та аскорбінової кислоти у продуктах рослинного походження.

План заняття

1.Провести дослідження якісної реакції на вітамін А.

2.Виділити каротиноїди з зелених частин рослин.

3.Провести дослідження якісної реакції на вітамін Е.

4.Провести дослідження якісної реакції на вітамін Д.

5.Провести дослідження якісної реакції на вітамін К.

1. Якісна реакція на вітамін А

Об’єкт дослідження: Ретінол (вітамін А).

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки або крапельниці.

Реактиви:    1. Хлороформ;

2. Концентрована сірчана кислота.

Техніка виконання роботи

В пробірку наливають 1 мл вітаміну А і 1 мл хлороформу. Перемішують і додають 1 мл концентрованої сірчаної кислоти. Спостерігають появу синього забарвлення.

2. Виділення каротиноїдів з зелених частин рослин.

Каротиноїди виявляють у зелених частинах рослин шляхом відділення від хлорофілу, який маскує оранжеве забарвлення провітаміну А. З цією метою використовують хроматографічний метод.

Об’єкт дослідження: 1. Зелена цибуля;

2. Листя петрушки.

Обладнання і посуд: 1.Парцелянові ступки з товкачиком;

2. Хроматографічний папір;

3. Воронки.

Реактиви:   1. Хлороформ;

2. Сірчанокислий натрій (Na2SO4), сухий;

3. Етанол.

Техніка виконання роботи

Готують наважку (3...5 г) зеленої цибулі або іншого джерела каротиноїдів, яку поміщають у парцелянову ступку. Ретельно розтирають з 2 г сірчанокислого натрію, який зневожує суміш. Додають 5 мл етанолу, перемішують та фільтрують. У фільтрат занурюють кінчик хроматографічного паперу і залишають на деякий час. Після того, як фронт розчинника підніметься на 10...12 см, полоску паперу просушують на повітрі. Фіксують забарвлення окремих ділянок паперу.

3. Якісна реакція на вітамін Е

Об’єкт дослідження: Токоферол (вітамін Е).

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Крапельниці.

Реактиви:   Азотна кислота, концентрована.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 2…5 крапель розчину вітаміну Є, обережно додають 8…10 крапель азотної кислоти і пробірку злегка струшують. Залишають на 30 хвилин. Спостерігають появу забарвлення, що свідчить про наявність вітаміну Е.

4. Якісна реакція на вітамін D

Об’єкт дослідження: Кальциферол (вітамін D).

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки або крапельниці.

Реактиви:   1. Хлороформ;

2. Аніліновий реактив.

Техніка виконання роботи

У пробірку наливають 2…5 крапель розчину вітаміну D, додають 5 крапель хлороформу і перемішують. Потім додають 1..3 краплини анілінового реактиву. Спостерігають появу забарвлення.

5. Якісна реакція на вітамін К

Об’єкт дослідження: Філлохінон (вітамін К) або вікасол (водорозчинний аналог вітаміну К).

Обладнання і посуд: 1. Штатив із пробірками;

2. Піпетки або крапельниці.

Реактиви:   1. Аніліновий реактив.

Техніка виконання роботи

В пробірку наливають 1 мл розчину філлохінону або вікасолу. Додають 2…5 краплі анілінового реактиву і перемішують. Відзначають появу забарвлення.

Контрольні запитання

  1.  Що таке вітаміни ?
  2.  Класифікація вітамінів.
  3.  Фізіологічна роль вітамінів.
  4.  Вітаміни групи В. Джерела надходження, зв’язок з ферментами (В1,В2,В6,В12), добова потреба.
  5.  Вітамін РР, будова, зв’язок з ферментами, участь в обміні речовин, джерела надходження, добова потреба.
  6.  Пантотенова кислота (В15),будова, зв’язок з коферментом А.
  7.  Вітамін С, будова, властивості, стійкість при переробці і зберіганні рослинної сировини, джерела надходження, добова потреба.
  8.  Способи зберігання вітаміну С в рослинній сировині.
  9.  Які прояви свідчать про наявність гіповітамінозу А ?
  10.  Які ознаки гіповітамінозу Д ?
  11.  У чому полягає фізіологічна дія вітамінів К і Е ?
  12.  Наведіть приклади авітамінозів.
  13.  Назвіть харчові джерела жиророзчинних вітамінів та укажіть їх участь у обміні речовин.

Тема 2.6. регуляція обміну речовин

Обмін речовин і енергії – це закономірний порядок перетворення речовин і енергії в живих системах, спрямований на їхнє збереження і самовідтворення. Уся сукупність хімічних реакцій, що протікають в живих організмах, включаючи засвоєння речовин, що надходять ззовні (асиміляція), і їхнє розщеплення (дисиміляція) аж до утворення кінцевих продуктів, що підлягають виведенню з організму, складає суть даного процесу. У кожній клітині органів і тканин відбуваються одночасно тисячі хімічних реакцій, тісно зв'язаних одна з одною у просторі і в часі.

Сутність життєдіяльності будь-якого організму полягає в обміні речовин і енергії. Живі організми відрізняються високим ступенем упорядкованості метаболізму, представляючи собою складні цілеспрямовані регулюючі системи.

Головну роль у цій нескінченній безлічі взаємодій виконують білкові тіла. Завдяки їхній каталітичній функції здійснюється величезна кількість хімічних процесів розпаду і синтезу. При участі нуклеїнових кислот підтримується строга специфічність біосинтезу макромолекул, а отже, і видова специфічність у будові найважливіших біополімерів.

З обміном вуглеводів і ліпідів зв'язане постійне утворення запасів АТФ – універсального донора енергії для хімічних реакцій. Ці ж речовини є джерелом найпростіших органічних молекул, з яких синтезуються біополімери та інші сполуки. У результаті здійснюється безперервний процес самовідновлення живої матерії. Загальний хід біохімічних процесів в організмі являє собою єдине ціле, а сам організм діє як самонастроювальна система, що підтримує власне існування за рахунок обміну речовин.

Основними етапами обміну речовин є споживання поживних речовин, переварювання і всмоктування їх у шлунково-кишковому тракті, транспорт сполук до органів і тканин організму, надходження їх до структурних утворень клітин – органоїдів, де відбуваються специфічні перетворення і виділення продуктів розпаду.

На кожнім з цих етапів діють визначені регуляторні механізми. Надходження, переварювання й всмоктування поживних речовин у травній системі регулюються на рівні цілісного організму і систем органів. Так, фактори зовнішнього середовища (температура, вологість, тиск і ін.) і харчування через центральну нервову систему впливають  на обмінні процеси всього організму.

Надходження речовин до органів і тканин знаходиться під контролем різних транспортних систем. До них відносяться фракції білків, що зворотно зв'язують вітамін А (ретинолзв’язуючий білок), трансферин (білок, що транспортує залізо), транскортин (білок, що переносить стероїдні гормони), ліпопротеїни (беруть участь у переносі ліпідів) і ін.

На наступному етапі контролюється надходження і виведення речовин із клітин, тобто  має місце клітинний рівень регуляції. Важлива роль у цьому належить клітинній мембрані, що відокремлює внутрішній вміст клітки і її органоїдів від середовища.

Всередині клітин обмін речовин регулюється рівнем і спрямованістю перетворень джерел енергії. Так, якщо її недостатньо, то ацетил-КоА переходить з цитоплазми в мітохондрії, де він окислюється з виділенням енергії. При надлишку енергії ацетил-КоА використовується для синтезу жирних кислот, холестеролу, ацетонових тіл.

Регуляція може здійснюватися на етапі перетворення окремих молекул, тобто на молекулярному рівні. Так реалізуються процеси розпаду і синтезу молекул глюкози, гліцеролу, вищих жирних кислот, амінокислот і ін. Молекулярний рівень контролюється сполучною діяльністю ферментів, субстратів, наявністю активаторів і інгібіторів, оптимальними умовами діяльності ферментів і т.д.

Таким чином, обмін речовин і енергії в організмі регулюється на різних рівнях і забезпечується найрізноманітнішими факторами. Однак контроль над усією регуляторною діяльністю організму здійснює нейрогуморальна система. Про тісний зв'язок нервової і гуморальної систем свідчить той факт, що зниження активності однієї з них компенсується посиленням діяльності іншої. Регуляторний вплив нервової системи в значній мірі виявляється через гуморальні фактори, до яких відносяться гормони, медіатори, метаболіти й ін. Нервовій системі в регуляції належить головна роль, оскільки вона характеризується більш точною реакцією на дію різних подразників і може швидше, ніж гормони, викликати необхідні функціональні зміни. Гуморальні фактори діють повільніше, ніж нервові сигнали, але більш довгостроково.

У нервових клітинах синтезуються гормоноподібні речовини, що виконують функцію нейромедіаторів або нейрогормонів. У функцію нейрогормонів входить передача хімічного сигналу на відстань від місця утворення і виділення, а нейромедіатори забезпечують передачу нервового імпульсу сусідній клітині.

РОЛЬ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ В РЕГУЛЯЦІЇ ОБМІНУ РЕЧОВИН

Структурним елементом нервової системи є нервова клітина - нейрон. Нейрони з'єднуються між собою і з різними органами і тканинами за допомогою відростків. Між відростками нервових клітин, що передають і сприймають сигнали, існують проміжки, заповнені міжтканинною рідиною, що називаються «сінапси». У них знаходяться хімічні сполуки – «передавачі» – нейромедіатори, за допомогою яких здійснюється передача сигналу з одного нейрона на інший. Одні нейромедіатори активують порушення обміну речовин і функції у відповідній системі, інші – обумовлюють гальмування.

До нейромедіаторів, що збуджують діяльність нервової системи, відносяться ацетилхолін, норадреналін, адреналін, дофамін, серотонін, гістамін; що гальмують – -аміномасляна кислота (ГАМК), гліцин.

Ацетилхолін – це один з найбільш універсальних медіаторів. Він синтезується з холіну і ацетил-КоА при участі ферменту холінацетилтрансферази, а також іонів Mg2+, К+ і Са2+.

Ацетилхолін збуджує нейрони, що регулюють рухи кісткових м'язів і функцію деяких відділів центральної нервової системи.

Нервові закінчення, що містять ацетилхолін, називають холінергичними. У них знаходяться не тільки ферменти, що забезпечують синтез ацетилхоліну, але і фермент, який каталізує його розпад – ацетилхолінестераза (АХЕ).

У результаті розщеплення ацетилхоліну припиняється його медіаторна функція. Таким чином, від активності АХЕ залежить динаміка вмісту ацетилхоліну в нервовій системі, а отже, і її регуляторний вплив на різні органи.

Норадреналін – один з високоактивних медіаторів, особливо в передачі нервових імпульсів у периферичній нервовій системі. Він утворюється з амінокислоти тирозин.

Концентрація норадреналіну в нервовій тканині залежить від інтенсивності його утворення і швидкості руйнування ферментом моноаміноксидазою.

Серотонін (5-окситриптамін). Активність нейромедіатору серотоніну зв'язують з функцією вищої нервової діяльності. Молекулярні механізми функцій серотоніну ще недостатньо вивчені. Встановлено, що в малих концентраціях він підвищує збудливість нервових вузлів (гангліїв), а у великих – знижує активність ацетилхолінестерази мозку і викликає гальмування передачі нервового порушення через центральні сінапси. Було виявлено і гнітючу дію серотоніну на тканинне дихання і біосинтез АТФ. Він викликає спазм артеріол, а також бере участь у центральній регуляції артеріального тиску, температури тіла, дихання, ниркової фільтрації (має антидіуретичну дію). Серотонін відносять до радіопротекторів у зв'язку з його здатністю реагувати з вільними радикалами, що утворюються в тканинах при опроміненні.

Джерелом серотоніну є амінокислота триптофан. Спочатку він окисляється з утворенням окситриптофану, що потім піддається ферментативному декарбоксилюванню при участі вітаміну В6 з утворенням 5-окситриптаміну (серотоніну).

Дофамін (ДОФА). Нервові клітини, що містять медіатор дофамін, беруть участь у контролі рухів м'язів. ДОФА є попередником норадреналіну і адреналіну. Його джерелом в організмі є тирозин, що під дією специфічної гідролази перетворюється в 3,4-диоксифенілаланін (дофамін).

Гістамін. Цей медіатор розширює дрібні судини (артеріоли і капіляри), регулює тонус гладких м'язів, підсилює секрецію соку в шлунку. Гістамін утворюється з амінокислоти гістидину при участі вітаміну В6.

Усунення надлишку гістаміну відбувається за допомогою ферменту гістамінази, що викликає його дезамінування. Інактивація гістаміну здійснюється шляхом метилювання його імідазольного кільця з утворенням 1,5-метилгістидину, а також у результаті ацетилування (у реакції з ацетил-КоА) і зв'язування з клітинними білками.

-Аміномасляна кислота (ГАМК). Вона викликає гальмування в центральній нервовій системі. ГАМК має гальмуючу дію на дендрити нейронів головного і спинного мозку. Даній кислоті належить важлива роль в енергетичному обміні мозку. ГАМК утворюється при декарбоксилюванні глутамінової кислоти.

У свою чергу глютамінова кислота утворюється з -кетоглутарової кислоти, що є найважливішим субстратом циклу трикарбонових кислот.

Гліцин – це медіатор гальмуючої дії в спинному мозку та у стовбурі головного мозку. Утворюється із серину під дією ферменту, що містить похідне фолієвої кислоти - тетрагідрофолієву кислоту (ТГФК).

РОЛЬ ГОРМОНІВ У РЕГУЛЯЦІЇ ОБМІНУ РЕЧОВИН

Гормони (від грец. hormao - надаю руху, спонукую) – біологічно активні речовини органічної природи. Вони виробляються спеціалізованими клітинами залоз внутрішньої секреції і, надходячи з рідинами організму, впливають  на обмін речовин і фізіологічні функції відповідних органів – «мішеней».

До залоз внутрішньої секреції відносяться гіпоталамус, гіпофіз, щитовидна, білящитовидна, вилочкова залози, надниркові залози, а також підшлункова і статеві залози.

Гормони відносяться до групи інформонів, вони можуть утворюватися як у залозах внутрішньої секреції (дійсні гормони), так і в тканинах інших органів (гістогормони).

Біологічне значення гормонів складається в їхньому регулюючому впливі на  процеси обміну речовин в організмі. Вони підтримують гомеостаз (сталість внутрішнього середовища), беруть участь в адаптивній діяльності організму до мінливих умов зовнішнього і внутрішнього середовища, впливають на швидкість хімічних реакцій, фізіологічні функції, диференціювання клітин, механізм імунітету, психічну діяльність.

Вироблювані залозами внутрішньої секреції гормони виявляють високу специфічність дії. Вона виявляється дистанційно, тобто  на відстані від місця утворення гормону.

У клітинах тканин, що сприймають гормони, є специфічні білки, що мають особливу структуру, які забезпечують можливість їхньої взаємодії з визначеним гормоном.

Початковою ланкою дії гормонів на клітину є з'єднання гормону з білками – рецепторами. Це з’єднання відбувається з рецепторами або на зовнішній поверхні плазматичної мембрани, або в цитоплазмі. Однак і в тому, і в іншому випадку білки-рецептори завдяки своїй специфічності «утягують» гормони всередину клітини і далі передають їхні сигнали на ферменти.

Дія гормонів спрямована, в основному, на регуляцію обмінних процесів у клітинах шляхом зміни швидкості ферментативного перетворення речовин.

Ряд гормонів впливає  на синтез ферментів. Таку дію виявляють гормони коркової речовини надниркових залоз (глюкокортикоїди), гормони щитовидної залози (тироксин), гіпофіза (гормон росту). Для цих гормонів характерна здатність проникати всередину клітини і з'єднуватися там зі специфічними рецепторами в цитоплазмі. При цьому утворюється гормонрецепторний комплекс, який після молекулярної перебудови, що приводить до його активації, здатний проникати в ядро клітини. У ядрі гормонрецепторний комплекс взаємодіє з хроматином, у результаті чого відбувається перебудова синтетичної активності клітини – «мішені». Таким чином, гормональний ефект реалізується на рівні генетичного апарата клітини – «мішені» та виявляється, головним чином, у впливі на ріст і диференціювання тканин і органів.

Контрольні запитання

Яка роль нервової системи в регуляції обміну речовин ?

Назвіть нейромедіатори та розповісти про значення кожного з них.

Яка роль гуморальної системи в обміні речовин? Що таке гормони і яка їхня участь у регуляції обмінних процесів у клітках ?

Які ви знаєте білково-пептидні гормони, де вони виробляються і яка їхня роль в обміні речовин ?

Назвіть стероїдні гормони. Де вони синтезуються і яка їхня функція в обміні речовин ?

Перелічите гормони, що відносяться до похідних амінокислот. Де вони утворюються і яка їхня роль ?




1. числовой луч; учить строить числовой луч; формировать умение выполнять сложение и вычитание с помощью числ
2. Тема онкологии волнует миллионы людей
3. Предмет РЧП РЧП сисма правовых норм регулировавших в Древнем Риме отношения между частными лицами
4. О садоводческих огороднических идачных некоммерческих i граждан на данный момент последние изменения.html
5. I. Происхождение сознания
6. Основні поняття мови програмування Delphi 50
7.  деятельность в области права гос
8. Реферат- Вузькі місця в договорах оренди нерухомого майна- аналіз судової практики
9. Реферат- Работа в системе Eureka
10. Польша в XV в Объединение с Великим княжеством Литовски
11. Реферат- Организация работы женской консультации
12. Растирание фасции трапециевидной мыш^ между внутренним краем лопатки и позвоночником следу ^ проводить с н
13. ТЕМА- ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ СОЦИОЛОГИИ
14. Про страхування від 07
15. ШКОЛА Игровой номер Позиция Фами
16. Лекция вторая ИЗ КАКИХ ИДЕЙ РОДИЛАСЬ СОЦИОЛОГИЯ- ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИСТОКИ НОВОЙ НАУКИ Содержание 1
17. Тема- Определить расчетный расход газа
18.  прилет расселение по комнатам знакомство
19. на тему- Бізнес планування Виконав-
20. прп научности; 2 прп прородосообразности; 3 прп культуросообразности; 4 прп ненасилия и толерантности; 5 п

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе