КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2
43. Обмен азотистых соединений. Пути образования аминокислот в живом организме.
Азот, поглощаемый микроорганизмами и высшими растениями в виде иона аммония, расходуется почти целиком на образование аминокислот, из которых затем синтезируются многие азотсодержащие соединения живых клеток. Избыточных количеств азота ни растения, ни микроорганизмы не поглощают. В отличие от них, у животных количество поглощенного азота зависит от содержащихся в пище белков. Весь азот, поступивший в организм в виде аминокислот и не израсходованный в процессах биосинтеза, довольно быстро выводится из организма с мочой. Происходит это следующим образом. В печени неиспользованные аминокислоты передают свой азот α-кетоглутаровой кислоте с образованием глутаминовой кислоты, которая дезаминируется, высвобождая аммиак. Далее азот аммиака может либо на время запасаться путем синтеза глутамина, либо сразу же использоваться для синтеза мочевины, протекающего в печени.
У глутамина есть и другая роль. Он может подвергаться гидролизу в почках с высвобождением аммиака, который поступает в мочу в обмен на ионы натрия. Этот процесс крайне важен как средство поддержания кислотно-щелочного равновесия в организме животного. Почти весь аммиак, происходящий из аминокислот и, возможно, из других источников, превращается в печени в мочевину, так что свободного аммиака в крови обычно почти нет. Однако при некоторых условиях довольно значительные количества аммиака содержит моча. Этот аммиак образуется в почках из глутамина и переходит в мочу в обмен на ионы натрия, которые таким образом реадсорбируются и задерживаются в организме. Этот процесс усиливается при развитии ацидоза – состояния, при котором организм нуждается в дополнительных количествах катионов натрия для связывания избытка ионов бикарбоната в крови.
Избыточные количества пиримидинов тоже распадаются в печени через ряд реакций, в которых высвобождается аммиак. Что касается пуринов, то их избыток подвергается окислению с образованием мочевой кислоты, выделяющейся с мочой у человека и других приматов, но не у остальных млекопитающих. У птиц отсутствует механизм синтеза мочевины, и именно мочевая кислота, а не мочевина, является у них конечным продуктом обмена всех азотсодержащих соединений.
В организме млекопитающих аминокислоты используются не только для биосинтеза белков, но и как исходный материал для синтеза многих азотсодержащих соединений. Аминокислота тирозин является предшественником гормонов адреналина и норадреналина. Простейшая аминокислота глицин служит исходным материалом для биосинтеза пуринов, входящих в состав нуклеиновых кислот, и порфиринов, входящих в состав цитохромов и гемоглобина. Аспарагиновая кислота – предшественник пиримидинов нуклеиновых кислот. Метильная группа метионина передается ряду других соединений в ходе биосинтеза креатина, холина и саркозина. При биосинтезе креатина от одного соединения к другому передается также и гуанидиновая группировка аргинина. Триптофан служит предшественником никотиновой кислоты, а из валина в растениях синтезируется такой витамин, как пантотеновая кислота. Все это лишь отдельные примеры использования аминокислот в процессах биосинтеза.
Синтез аминокислот. Растения и большинство микроорганизмов могут жить и расти в среде, в которой для их питания имеются только минеральные вещества, диоксид углерода и вода. Это значит, что все обнаруживаемые в них органические вещества эти организмы синтезируют сами. Встречающиеся во всех живых клетках белки построены из 21 вида аминокислот, соединенных в различной последовательности. Аминокислоты синтезируются живыми организмами. В каждом случае ряд химических реакций приводит к образованию -кетокислоты. Одна такая -кетокислота, а именно -кетоглутаровая (обычный компонент цикла трикарбоновых кислот), участвует в связывании азота по следующему уравнению:
-Кетоглутаровая кислота + NH3 + НАДН
Глутаминовая кислота + НАД.
Азот глутаминовой кислоты может быть затем передан любой из других -кетокислот с образованием соответствующей аминокислоты.
Организм человека и большинства других животных сохранил способность синтезировать все аминокислоты за исключением девяти т.н. незаменимых аминокислот. Поскольку кетокислоты, соответствующие этим девяти, не синтезируются, незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей.
Синтез белков. Аминокислоты нужны для биосинтеза белка. Процесс биосинтеза протекает обычно следующим образом. В цитоплазме клетки каждая аминокислота «активируется» в реакции с АТФ, а затем присоединяется к концевой группе молекулы рибонуклеиновой кислоты, специфичной именно для данной аминокислоты. Эта сложная молекула связывается с небольшим тельцем, т.н. рибосомой, в положении, определяемом более длинной молекулой рибонуклеиновой кислоты, прикрепленной к рибосоме. После того как все эти сложные молекулы соответствующим образом выстроились, связи между исходной аминокислотой и рибонуклеиновой кислотой разрываются и возникают связи между соседними аминокислотами – синтезируется специфичный белок. Процесс биосинтеза поставляет белки не только для роста организма или для секреции в среду. Все белки живых клеток со временем претерпевают распад до составляющих их аминокислот, и для поддержания жизни клетки должны синтезироваться вновь.
Аланин.
Аланин, аминопропионовая кислота, ациклическая аминокислота, широко распространенная в живой природе. Молекулярная масса 89,09. аланин [CH3CH(NH2)COOH] входит в состав всех белков и встречается в организмах в свободном состоянии. Относится к числу заменяемых аминокислот, так как легко синтезируется в организме животных и человека из без азотистых предшественников и усвояемого азота. аланин [CH2(NH2)CH2COOH] в составе белков не встречается, но является продуктом промежуточного обмена аминокислот и входит в состав некоторых биологически активных соединений, например азотистых экстрактивных веществ скелетной мускулатуры - карнозина и анзерина, коэнзима аланина, а также одного из витаминов В - пантотеновой кислоты.
Аргинин.
Аргинин, амино-гуанидинвалериановая кислота,
диаминомонокарбоновая аминокислота, в молекуле которой, помимо аиногруппы, есть амидиновая группа (NH2-C=NH). Аргинин имеет основные свойства (изоэлектрическая точка при рН 10,76), образует бесцветные кристаллы, растворимые в воде. Молекулярная масса 174,3. Аргинин входит в состав почти всех растительных и животных белков (некоторые простейшие белки клеточных ядер спермиев рыб - протамины - содержат около 80% аргинина). В мышцах беспозвоночных животных содержится свободная аргининфосфорная кислота - продукт фосфорилирования аргинина. Под действием фермента аргиназы, а также при щелочном гидролизе аргинин распадается на аминокислоты орнитин и мочевину; эта реакция играет важную роль в образовании мочевины в печени млекопитающих.
Глицин.
Глицин, аминоуксусная кислота, гликокол, простейшая алифатическая аминокислота H2NCH2СOOH, бесцветные кристаллы, tпл. 232-236С (с разложением), плотность 1,595 г(см (15С). В 100 г воды при 25С растворяется 25 г глицина. В абсолютном спирте и эфире нерастворим. С кислотами и основаниями образует соли, с многими катионами- комплексные соединения. Внутренние соли N- триалкилзамещенного глицина называют бетаинами. Глицин входит в состав большинства растительных и животных белков. Получают глицин гидролизом желатины или фиброина шелка. Глицин может быть синтезирован из монохлоруксусной кислоты и аммиака. Биологическое значение глицина обусловлено участием его в построении белков и биосинтезе многих физиологических активных соединений (глутатиона, гиппуровой и гликохолевой кислот, порфиринов). Глицин применяют для приготовления буферных растворов, для синтеза гиппуровой и аминогиппуровой кислот и в пептидном синтезе.
Гистидин.
Гистидин, амино-имидазолилпропионовая кислота - аминокислота, обладающая основными свойствами, незаменимая для многих животных. Организм человека способен к ограниченному синтезу гистидина. Входит в состав активных центров многих ферментов, в частности рибонуклеазы, транскетолазы. Начальная стадия ферментативного разрушения гистидина в организме - отщеплениеаммиака с образованием уроканиновой кислоты, выводящейся с мочой. Реакция дезаминирования гистидина необратима, катализирует ее фермент гистидин-аммиак-лиаза (гистидин-дезаминаза), обнаруженный в печени животных и у бактерий. Недостаток гистидина приводит ко многим нарушениям обмена веществ, т.ч. к торможению синтеза гемоглобина. Гистидин - предшественник специфических дипептидов скелетной мускулатуры - карнозина и анзерина. Декарбоксилирование гистидина ведет к образованию биологически активного амина - гистамина. Этот процесс катализирует гистидин-декарбоксилаза-фермент, относящийся к классу лиаз. Фермент действует только на L-изометр (природную форму) гистидина. Реакция обратимо тормозится ингибиторами дыхания - цианидом, гидроксиламином, семикарбазидом.
Аспарагиновая кислота.
Аспарагиновая кислота, аминоянтарная кислота, COOHCH2CHNH2COOH, одна из дикарбоновых аминокислот, имеет слабокислые свойства ( изоэлектрическая точка при рН 2,77), молекулярная масса 133,10. Кристаллизуется в виде ромбических призм, плохо растворимых в холодной воде. Аспарагиновая кислота в значительных количествах входит в состав белков животных и растений, играет важную роль в обмене азотистых веществ. Участвует в образовании пиримидиновых оснований, синтезе мочевины. Наряду с глутаминовой кислотой играет важнейшую роль в реакциях переаминирования. Эта кислота может быть синтезирована в животном организме. Продуктом амидирования аспарагиновой кислоты является аспарагин.
Глутаминовая кислота.
Глутаминовая кислота, глютаминовая, или аминоглутаровая кислота, аминокислота COOHCH2=CH2=CH(NH2)=COOH. Кристаллы, растворимые в воде, температура плавления 202С. Входит в состав белков и ряда важных низкомолекулярных соединений (например, глутатиона, фолиевой кислоты). Природная форма представляет D(+) изомер.
Оксипролин.
Оксипролин, 4-оксипирролидин-2-карбоновая кислота. Оксипролин - гетероциклическая аминокислота (по химическому строению- иминокислота). Впервые выделена в 1902 году Э. Фишером из гидролизата желатины. Благодаря наличию двух асимметричных атомов углерода, оксипролин имеет 4 оптическиактивные формы (L- и D-О. и алло-L- и алло-D-О.), а также 2 рацемата. Природный L-О. -специфическая составная часть белков соединительной ткани - коллагена и эластина (до 13%), а также некоторых растительных белков; в других белках отсутствует или содержится в небольших количествах. Алло - L-О. обнаружен в свободном состоянии в сандаловом дереве, входит в состав ядовитых пептидов бледной поганки. В живых клетках L-О. образуется гидроксилированием связанного в белках пролина (кислородный атом гидроксила включается в оксипролин путем фиксации атмосферного О2). Один из продуктов превращения L-О. в организме - глутаминовая кислота.
Норлейцин.
Норлейцин, CH3(CH2)3CH(NH2)COOH, аминокапроновая кислота, органическое вещество из класса аминокислот. В природных объектах не встречается, физиологической активностью не обладает. Имеет значение как модельное вещество (наряду с норвалином) при разработке методов синтеза аминокислот.
Лейцин.
Лейцин (от греческого leukos - белый), аминоизокапроновая кислота, моноаминомонокарбоновая аминокислота; бесцветные кристаллы с tпл 293-293(С (с разложением), плохо растворимые в холодной воде, молекулярная масса 131,18. Лейцин выделен в 1820 году из мышечной ткани. Природный L-лейцин входит в состав всех белков животных и растений, является незаменимой аминокислотой, так как в организме человека и животных не синтезируется углеродный скелет его предшественника - кетоизовалериановой кислоты. Отсутствие лейцина в пище приводит к отрицательному балансу азота и прекращению роста у детей. Суточная потребность в лейцине у взрослых - 31мг/кг веса, у младенцев - 425мг/кг.Один из продуктов распада лейцина в организме - окси-метилглутаровая кислота (в виде ацилкофермента А), является важным промежуточным соединением при биосинтезе холестерина и других стероидов. Лейцин вместе с глутаминовой кислотой, метионином и другими аминокислотами применяется для лечения болезней печени, анемий, а также при некоторых психических заболеваниях.
Лизин.
Лизин, диаминокапроновая кислота, диаминомонокарбоновая аминокислота, бесцветные кристаллы, молекулярная масса 146,19:
Лизин известен в виде двух оптически активных D- и L-формах. Природный L.- лизин (tпл 224-225С, с разложением) хорошо растворим в воде, кислотах и основаниях, плохо - в спирте. Выделен в 1889 году из гидролизата казеина, синтезирован в 1902 году; входит в состав почти всех белков животного и растительного происхождения (в большом количестве лизин содержится в гистонах и протаминах, в малом - в белках злаков. Лизин - незаменимая аминокислота, которая не синтезируется в организме человека и животных. Отсутствие лизина в пище замедляет рост у детей, у взрослых приводит к отрицательному балансу азота и нарушению нормальной жизнедеятельности организма. Суточная потребность в лизине у взрослых составляет 23мг/кг массытела, у младенцев - 170 мг/кг. В промышленности лизин получают микробиологическим синтезом; применяют для обогащения кормов животных и некоторых пищевых продуктов.
Пролин.
Пролин, пирролидинкарбоновая кислота; гетероцикличная аминокислота (точнее иминокислота); существует в оптически-активных D- и L- и рацемической DL-формах. Вторичная аминогруппа пролина обусловливает его необычную нингидриновую реакцию (оранжевая окраска вместо сине-фиолетовой). L-пролин содержится во всех природных белках. Особенно богаты им растительные белки - проламины, белки соединительной ткани (10-15% в коллагене), казеин. L-пролин входит в состав инсулина, адренокортикотропного гормона, грамицидина С и других биологически важных пептидов. D-пролин входит в состав некоторых алколоидов. Гидролиз пептидных связей входящего в пептиды L-пролина катализируют ферменты пролиназа (связь по СО-группе) и пролидаза (связь по NH-группе). Пролин - заменимая аминокислота; ее биосинтез в живом организме протекает через полуальдегид глутаминовой кислоты или из орнитина. Окислением с участием аскорбиновой кислоты пролин превращается в оксипролин. DL-пролин синтезирован в 1900 году Р. Вильштеттером и выделен вместе с L-пролином в 1901 году из гидролизата казеина Э. Фишером.
56. Биохимические процессы, происходящие в тесте-хлебе при выпечке.
Микробиологическне процессы в выпекаемом тесте, вызываемие жизнедеятельностью дрожжевих грибов и кислотообразующнх бактерий, в первые минуты вьпечки форсируются, а потом с отмиранием микрофлоры затухают. Процесс спиртового брожения достигает максимума при прогревании соответствующего слоя теста до 35°С; с повншением температури до 45°С . газообразование резко снижается, а при 50° С практически прекращаетея.
Молочнокислое брожение, вызываемое различньми видами молочнокислих бактерий, вначале также интенсифицируетея, а затем снижается. Сначала подавляется жизнедеятельность нетермофильньых бактерий, а затем (при температуре 75° С) отмирают и термофильнне молочнокислые бактерии. Работами М. И. Ратнер и 3. И. Фалуниной установлено, что часть дрожжевих клеток н кислотообразующих бактерий в ослабленном состоянии сохраняется в центре мякиша готового хлеба. В результате жизнедеятельности бродильной микрофлоры в первые минуты выпечки содержание спирта, углекнелого газа и кислот в тесте несколько повышается, что способствует увеличению обьема хлеба и улучшєнию его вкусовых свойств. Активность ферментов в каждом слое прогреваемого теста сначала возрастает до максимума, а затем снижаетея до нуля вследствие тепловой денатурации ферментов. Быстрее всего ферменти инактивируются в поверхностных слоях теста, в центре куска ферментативние процессы протекают почти до конца випечки. Коллоиды теста оказывают на ферменты защитное влияние.
Во время випечки в тесте-хлебе происходит ферментативний, а отчасти и кислотний гидролиз крахмала. В процессе брожения и расстойки теста крахмал гидролизуется слабо, клейстеризация крахмала при прогревании теста значительно повышает его атакуемость ферментами. Активность же амилолитических ферментов в определенном интервале температур резко возрастает, что приводит к интенсификации амилолиза во время вьпечки (рис. 1). В пшеничном тесте, имеющем незначитєльную кислотность, активность обэих амилаз сохраняется сравнительно долго. При этом температурный оптимум β-амилазы находится в пределах 62—64е С, а α-амилазы 74—75° С. Температура инактивации амилаз соответственно равна 82—84 и 97—98° С. Как у видно, в узком интервале температур для каждого. слоя теста-хлеба создаётся положение, когда β-амилаза инактивирована, а α -амилаза еще активна. Если в пшеничном тесте содержится в значительном количестве α -амилазы, то зто может вызвать образование большого количества декстринов, что ухудшает физические свойства н влагоемкость мякиша повышая кислотность пшеничного теста, снижают тем самым температуру инактивации α -амилазы и сокращают процесс ферментативного гидролиза крахмала. Кислотний гидролиз крахмала в пшеничном тесте практического значення не имеет. При длительной вьпечке ферменты инактивируютея при более низкой температуре, чем во время короткой выпечки.
В ржаном тесте, имеющем високую кислотность, инактивация амилолитических ферментов при прочих равных условиях наступает гораздо быстрее. В тесте из ржаной обойной муки с кислотностью 12°Н β-амилаза полностью инактивируетея при температуре 60° С, а α-амилаза — при 71° С. Кислотний гидроллз крахмала в ржаном тесте более интенсивный. Кроме того, при выпечке частично гидролизуются и слизи ржаного теста, поэтому прирост водорастворимых углеводов, в ржаном хлебе значительно выше, чем в пшеничних изделнях. Протеолитические ферменти инактивируются во время выпечки при температуре 85-90° С.
Тепловая денатурация значительно повышает атакуемость белков протеолитическими ферментами; однако содержание водорастворимих белков при выпечке снижаетея на 50—70%, что обясняется расходом продуктов протеолиза на меланоидинообразавание.
Большое значение имеет образование ароматических и вкусовых веществ в тесте-хлебе в процессе вьпечки. В комплекс ароматических и вкусовнх веществ хлеба входит более 70 различиых соединений. Большая часть их относится к карбонильньм соединениям (альдегиды и кетони), значительноє мэсто принадлежит сложным эфирам, спиртам и органическим кислотам, образующимся при бродильних процессах. Альдегиды и кетони (фурфурол, оксиметилфурфурол, диацетил и др.), обусловливающие в основном аромат хлеба, появляются при окислительно-восстановительном взаимодействии между продуктами протеолиза белка и редуцирующими сахарами (реакция меланоидинообразования), наряду с ними образуются также темноокрашенньїе вещества — меланоидины.
Реакция образования меланоидинов и ароматических веществ протекает в основном в корке, так как ее температура выше, чем температура мякиша. Полагали, что ароматические вещества из корки частично диффундируют в мякиш хлеба, однако последние исследования показали, что содержание их в мякише в процессе выпечки снижается по сравнению с содержанием в тесте перед посадкой в печь.
В хлэбе с плотной и гладкой коркой ароматические вещества сохраняются более продолжительное время, корка служит для них своего рода упаковкой. Таким образом, окраска корки н образование ароматических веществ в хлебе — явления взаимосвязанные. В хлебе с бледноокрашенной коркой содержится меньше карбонильных соединений, являющихся ароматизаторами хлеба.
Интенсивность окраски корки зависит от содержания в тесте аминокислот и редуцирующих сахаров, а также от температуры в пекарной камере, плотности посадки тестовых заготовок на поду и длительности выпечки. Считают, что для нормальной окраски корки в пшеничном тесте должно содержаться около 2 — 3% несброженных сахаров (к массе муки в хлебе). В ржаном хлебе ароматических веществ образуется больше, чем в пшенпчном, так как в ржаном тесте содержится больше кислот, спиртов, сахаров и водорастворимых продуктов протеолиза белка. Количество ароматических веществ, образующихся во время выпечки, зависит в основном от температуры корки и продолжительиости процесса. В ржаном хлебе, вьпекаемом продолжительное время, накапливается больше ароматических соединений, что улучшает его качество. Перепекать пшеничний хлеб не рекомендуется: мякищ хлеба становится грубим, излищне сухим.
1 2 3 4