«Дослідження механізмів синтезу молочної кислоти»

Ім'я файлу: біохімія молочної кислоти синтез.docx
Розширення: docx
Розмір: 782кб.
Дата: 20.12.2020
скачати

Міністерство освіти і науки України

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

«Харківський політехнічний інститут»

Курсова робота

З курсу «Біохімія»

На тему: « Дослідження механізмів синтезу молочної кислоти »

Виконала:

Перевірила:

Харків 2019

ЗМІСТ

ВСТУП 2

1 СТРУКТУРА МОЛОЧНОЇ КИСЛОТИ 4

1.1 Оптична ізомерія МК 5

2 ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МОЛОЧНОЇ КИСЛОТИ 7

2.1 Фізичні властивости МК 7

2.2 Хімічні властивості МК 7

2.2.1 Кислотні властивості МК 7

2.2.2 Спиртові властивості МК 9

3 ШЛЯХИ МЕТАБОЛІЗМУ МОЛОЧНОЇ КИСЛОТИ 11

В ОРГАНІЗМІ 11

3.1 Утворення МК в процесах анаеробного розкладу вуглеводів 12

3.1.1 Утворення МК в процесі анаеробного гліколізу 13

3.2 МК як субстрат глюконеогенезу 17

3.3 Міжклітинний транспорт лактату 18

3.3.1 Напрямок транспорту лактату на міжклітинному рівні і в системі цілого організму 20

3.4 Окислення лактату в мітохондріях клітин 21

4 ЗАСТОСУВАННЯ МОЛОЧНОЇ КИСЛОТИ 22

5 ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА МОЛОЧНОЇ КИСЛОТИ 24

5.1 Хімічний синтез МК 24

5.2 Мікробіологічний синтез МК 24

ВИСНОВКИ 28

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 29

ВСТУП
Молочна кислота (МК) є представником оксікислот. Вона займає ключові позиції у метаболізмі речовин в організмі як кінцевий продукт анаеробного гліколізу та глікогенолізу, є субстратом глюконеогенезу.

В даний час в результаті постійної зміни умов середовища і несприятливого впливу антропогенних факторів в клітинах різних органів і тканин тварин спостерігається посилення анаеробного гліколізу, що є компенсаторною реакцією, спрямованої на підтримку рівня енергетичного обміну в умовах зниження інтенсивності процесу окисного фосфорилювання в мітохондріях клітин. Зниження рівня аеробного синтезу АТФ в клітинах різних органів і тканин можливо при дії багатьох факторів, наприклад: при зниженні надходження кисню в клітини, викликаному різними причинами, наприклад − гіпоксією, при порушенні структури і функцій мітохондрій, при інгібуванні активності ферментів окисного фосфорилювання токсичними речовинами, при дії на мітохондріі роз'єднувальних агентів, при розвитку різних патологічних процесів. Молочна кислота, що утворюється в надлишку при інтенсифікації процесу анаеробного гліколізу, вперше була виявлена Я. Берцеліусом в 1808 році. Пізніше, в 1891 році Аракі показав в експерименті, що кількість лактату в м'язах після фізичних навантаженнь пропорційно її силі.

Концентрація лактату в крові є простим і одночасно інформативним лабораторним показником адекватності кровозабезпечення і оксигенації тканин. Експериментальні і клінічні дослідження показують, що тяжкість перебігу ряду патологічних станів і ризик виникнення небажаних негативних наслідків часто безпосередньо залежать від рівня лактату.

Молочна кислота широко використовується в харчовій промисловості для консервування, ароматизації і в виробництві біодеградуючої пластмаси − полілактата (PLA). Світове споживання молочної кислоти становить понад 100000 тон на рік, і очікується значне його збільшення, пов'язане з безліччю перспектив в застосуванні полілактата. Інша сфера використання МК − отримання біодеградуючого розчинника етіллактата, який застосовується при виробництві електротехніки, лаків і фарб, текстилю, мастил, клеїв і т.д. Передбачається, що нетоксичні ефіри молочної кислоти потенційно можуть замінити більше 80% розчинників, які використовуються у світі наразі. У зв'язку з цим актуальною стає задача розробки ефективних способів виробництва молочної кислоти.

Мета роботи – вивчити біохімічні, хімічні та біотехнологічні механізми синтезу молочної кислоти, визначити її роль як активного системного метаболіту.

Завдання роботи – описати загальну структуру молочної кислоти та її властивості, анаболізм та катаболізм в організмі, зробити висновок про роль МК у ресинтезі глюкози та енергетичному обміні клітин, гліколізі, вказати діючі методи хімічного та біотехнологічного виробництва данної речовини.

Значним внеском в область клітинної фізіології і біохімії стали роботи Арчібальда Вів'єн Хілла (1886-1977 рр.) і німецького фізіолога Отто Фріц Мейергофа (1884-1951 рр.). Вони вивчали енергетичні процеси в м'язах. Хілл встановив, що тепло в м'язах утворюється і в період її розслаблення, а Мейергоф пояснив роль молочної кислоти в м'язовому скороченні. За це вони були відзначені Нобелівською премією в 1922 р.

Результати дослідження, отримані Хіллом і Мейергофом, дозволили наблизитися до розуміння головних фізико-хімічних процесів, що відбуваються в працюючих м'язах.

Американські фізіологи Роберт Робергз (Robert Robergs), Фарзенах Гіашванд (Farzenah Ghiasvand) і Деріл Паркер (Daryl Parker) провели детальний розбір біохімічних процесів, які забезпечують енергією активно працюючу м'язову клітку і ведуть до закислення її середовища. Їх звіт в 2004 році вийшов в «Американському журналі фізіології».

1 СТРУКТУРА МОЛОЧНОЇ КИСЛОТИ
Молочна кислота (2-гідроксіпропіонова кислота) СН₃СН(ОН)СООН, являє собою оксікислоту з трьома атомами вуглецю; один кінцевий атом вуглецю є частиною кислоти або карбоксильної групи; інший кінцевий атом вуглецю є частиною метиленової або вуглеводневої групи; а центральний атом вуглецю входить в спиртову групу.

Чиста безводна молочна кислота є білою кристалічною речовиною з низькою температурою плавлення. На відміну від інших кислот, молочна кислота є нелетучим з'єднанням, не має запаху, безбарвна, має м'який кислий

смак. Зміст вуглецю, водню і кисню 40%, 6,71% і 53,29% відповідно.
1.1 Оптична ізомерія МК

Молочна кислота C₃H₆O₃ (α-оксіпропіонова, етіліденмолочна) містить асиметричний атом вуглецю і тому може існувати в оптично ізомерних формах.

Існує дві форми ізомерів молочної кислоти, L і D, вони мають різні характеристики.

Чиста молочна (L-молочна) кислота, що має кут обертання поляризованого світла вліво, може бути отримана бродінням цукристих речовин при посередництві особливого збудника бродіння (Bacillus acidi laevolactici). Ізомер молочної (D-молочна) кислоти, що обертається вправо, був відкритий Лібіх (1847) в м'ясному екстракті і отримав назву м'ясомолочної кислоти.

L- молочна кислота утворюється в результаті метаболізму в організмі людини і тварин, а також в процесі життєдіяльності бактерій. D- молочна кислота продукується тільки деякими видами мікроорганізмів.

D- та L- ізомери молочної кислоти є дзеркальніми ізомерами (енантіомери), їх проекційні формули зображенні на рисунку 1 відповідно.

Рисунок 1 Вивод проекційних формул оптичних (дзеркальних) ізомерів

молочної кислоти [1]
Молочна кислота може бути отримана різними синтетичними способами, але при всіх цих синтезах кислота виходить у вигляді оптично недіяльної, тобто завжди виходять рівні кількості правого і лівого ізомерів (рацемат). Те ж спостерігається і у всіх інших випадках, коли шляхом синтетичних реакцій виходять речовини, що містять асиметричний атом вуглецю. Звичайна (недіяльна, рацемічна речовина) молочна кислота, часто звана «молочною кислотою бродіння», довгий час була відома лише у вигляді густої рідини. Обережним випарюванням в високому вакуумі (0,1-0,5 мм рт. ст.) можна отримати її в безводному стані у вигляді кристалічної маси, що плавиться при 18 °С. З солей недіяльної молочної кислоти характерною є добре кристалізуєма цинкова сіль, яка містить три молекули води (С₃Н₅О₃) 2Zn ∙ 3Н₂О. Відмінність властивостей недіяльної молочної кислоти і оптично діяльних кислот і їх солей показує, що недіяльна речовина являє собою не суміш, а рацемічне з'єднання обох (D- і L-) кислот або їх солей (лактатів).

Оптично недіяльна молочна кислота може бути розділена на оптично діяльні ізомери за допомогою цвілевих грибків, а також кристалізацією молочнокислих солей оптично діяльних алкалоїдів: стрихніну, хініну або морфіну.

2 ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МОЛОЧНОЇ КИСЛОТИ
Молочна кислота – одноосновна карбонова кислота, яка відноситься до классу оксікислот (α-оксіпропіонова).

Оксікислоти (оксікарбонові кислоти або гідроксікислоти) − карбонові кислоти, в яких одночасно містяться карбоксильна і гідроксильна групи.
2.1 Фізичні властивости МК

Найпростіші одноосновні гідроксикислоти або являють собою сиропообразні рідини, або існують в кристалічному вигляді. Молочна кислота − густа рідина або легкоплавка кристалічна маса.

Характерною властивістю деяких оксікислот є оптична активність.

Деякі фізичні властивості L та Dнаведені у таблиці 1.
Таблиця 1 Фізичні властивості МК [2]

Властивість	Значення для D-МК	Значення для L-МК
Температура кипіння	103°С	122°С
Температура плавлення	52,8°С	53°С
Константа дисоціації (рКа)	3,83	3,79
Молекулярна маса	90,08	90,08

2.2 Хімічні властивості МК

Спиртова і карбоксильна групи в гідроксикислотах можуть реагувати незалежно один від одного, тому в реакціях гідроксикислоти поводяться або як кислоти або як спирти. Розглянемо властивості обумовлені карбоксильною та спиртовою групами.

2.2.1 Кислотні властивості МК

Завдяки наявності карбоксильної групи гідроксікислоти дисоціюють в

водних розчинах з утворенням іонів водню; при цьому в результаті впливу спиртових гідроксильних груп (головним чином в α-положенні) на карбоксильні групи гідроксікислоти виявляють зазвичай сильніші кислотні властивості, ніж незаміщені карбонові кислоти. Так α-гідроксіпропіоновая (молочна) кислота сильніше, ніж пропіонова.

За рахунок карбоксильних груп гідроксікислоти утворюють солі(рис.2).

Рисунок 2 Реакція утворення лактату натрія [1]
При взаємодії зі спиртами гідроксікислоти проявляють властивості кислот і в результаті реакції етерифікації утворюються складні ефіри гидроксікислот за рахунок карбоксильної групи (рис.3).

Рисунок 3 Реакція етерифікації МК [1]

При заміщенні гідроксильної групи в карбоксилі гідроксікислоти

на галоген або аміногрупу утворюються відповідно галогенангідриди або аміди гидроксікислот.
2.2.2 Спиртові властивості МК

При взаємодії з кислотами гідроксікислоти поводяться як спирти і в результаті реакції етерифікації утворюються складні ефіри гидроксікислот за рахунок спиртової гідроксильної групи.

Водень в спиртовій гідроксильній групі оксікислот може бути заміщений і на вуглеводневі радикали; при цьому гідроксікислоти, подібно спиртам, утворюють прості ефіри. Прикладом може служити простий етиловий ефір молочної кислоти.

Як спирти оксікислоти окислюються з перетворенням спиртових груп у карбонільні; при цьому гідроксікислоти з первинними спиртовими групами перетворюються в альдегідокислоти, а гідроксікислоти з вторинними спиртовими групами (рис.4) - в кетонокислоти.

Рисунок 4 Окислення МК до кетонокислоти [1]
Оксікислоти з різним взаємним розташуванням карбоксильних і спиртових груп виявляють відмінні властивості, обумовлені здатністю цих груп до взаємодії один з одним.

У α-гідроксікислот карбоксильна і спиртова групи всередині однієї молекули не реагують, тому що зближення їх перешкоджає необхідність значного напруження валентних кутів. Для α-гідроксикислот характерна реакція, при якій у взаємодію вступають карбоксильні і спиртові групи двох молекул гідроксікислот; при цьому виділяються дві молекули води і утворюються циклічні складні діефіри зі стійкими кільцями з шести атомів, звані лактидами. Так, при нагріванні α-оксіпропіоновой (молочної) кислоти вона переходить в лактид за схемою на рисунку 5.

Рисунок 5 Перехід МК в лактид при нагріванні [1]
Лактиди гідролізуються з утворенням двох молекул вихідної гідроксікислоти.
3 ШЛЯХИ МЕТАБОЛІЗМУ МОЛОЧНОЇ КИСЛОТИ

В ОРГАНІЗМІ
Найбільші кількості лактату в організмі вищих тварин утворюються в міоцитах гліколітичних (синоніми: білі, швидкі, фазові) поперечносмугастих м'язових волокон при субмаксимальному навантаженні. Гліколіз протікає також в еритроцитах, лейкоцитах, в клітках мозкової речовини нирок і нервової тканини. Для підтримки нормального рівня рН надлишкові кількості молочної кислоти повинні усуватися з клітки.

Існують два шляхи усунення лактату: по-перше, лактат, що утворюється здатний частично окислюватись в тих же самих клітинах, де він утворюється, це − так званий – ендогенний лактат. Звичайно це відбувається в період сниження інтенсивності анаеробних процесів і посилення аеробного метаболізму. По-друге, надлишкові кількості лактату виділяються клітинами у міжклітину речовину і поступають в кров. Велика частина молочної кислоти поглинається клітинами інших типів або інших органів, що мають високу здатність до його окислення. Лактат, що надходить в клітини з міжклітинної речовини або крові, називається – екзогенним. Рух молочної кислоти між клітинами і міжклітинною речовиною відбувається завдяки існуванню механизму міжклітинної лактатного шунта (cell-cell lactate shuttle - CCLS).

До клітин здатних метаболізувати не тільки власний - ендогенний, але також і екзогенний лактат відносяться перш за все - гепатоціти, кардіоміоцити, нейрони і міоцити аеробних (синоніми: червоні, повільні, тонічні) поперечносмугастих м'язових волокон. Однак, кількість екзогенного лактата, що надходить в ці клітини, суворо контролюється і визначається, перш за все, необхідністю регуляції внутрішньоклітинного рН. Це в свою чергу залежить від кількості власного − ендогенного лактату і швидкості метаболічних процесів, в яких утилізується це з'єднання. Подальша доля лактату в клітинах, здатних поглинати екзогенний лактат залежить від особливостей їх метаболізму і виконуваної функції. Велика частина лактату

(75-80% лактату, утвореного в м'язах) поступає в клітини печінки і нирок і там включається в глюконеогенез. Інша частина екзогенної МК включається в енергетичний обмін кардіоміоцитів, нейронів і міоцитів червоних волокон скелетних м'язів. В даний час з використанням найсучасніших біохімічних, імуногістохімічних, радіоізотопних та інших методів для клітин скелетних м'язів, серця і нейронів доведено існування внутрішньоклітинного лактатного шунта (Intracellular lactate shuttle - ILS), за допомогою якого, лактат екзо-, а також ендогенного походження здатний транспортуватися в мітохондрії цих клітин і там піддаватися окисненню. Доведено існування мітохондріальної ЛДГ (лактатдегідрогеназа), а також білків-транспортерів лактату не тільки на клітинних, а й на мітохондріальних мембранах. Під дією мембранозв'язаної мітохондріальної ЛДГ (лактатдегидрогеназа), лактат, що надходить в мітохондрії, перетворюється в піруват, який потім окислюється в циклі Кребса з утворенням 18 молекул АТФ в процесі окисного фосфорилювання.
3.1 Утворення МК в процесах анаеробного розкладу вуглеводів

Універсальним джерелом живлення всіх живих організмів є вуглеводи. Всі вони спочатку перетворюються в глюкозу або фруктозу шляхом гідролізу, потім починається процес розкладу моноцукрів.

Процес анаеробного перетворення глюкози називається гліколізом.

Гліколіз – з грецької glykys - солодкий та lysis - розпад, розклад.

Гліколіз – універсальний процес, який є одним з центральним шляхів катаболізму глюкози, він виконує цю роль не лише в тваринних та рослинних клітинах, але і у мікроорганізмах.

Ферменти, що каталізують гліколітичні реакції, присутні в розчинній формі в цитозолі, тобто в гомогенній водній фазі цитоплазми.

Якщо процес розпаду починається з глікогену, то говорять про глікогеноліз. Спершу під впливом фосфорилази глікоген перетворюється на глюкозу-1-Р, яка під впливом мутази перетворюється на глюкозу-6-Р. Далі перетворення відбуваються як і в процесі гліколізу.

Анаеробний гліколіз, не зважаючи на невеликий енергетичний ефект, є основним джерелом енергії для скелетних м'язів в початковому періоді інтенсивної роботи, тобто в умовах, коли постачання киснем обмежене. Зрілі еритроцити, які не мають мітохондрій отримують енергію за рахунок анаеробного окислення глюкози.
3.1.1 Утворення МК в процесі анаеробного гліколізу

Гліколіз – це серія реакцій, в яких глюкоза розпадається на дві молекули пірувату (гліколіз аеробний) або лактату (анаеробний гліколіз – рис.6). Всі десять реакцій гліколізу протікають в цитозолі клітин.

Рисунок 6 Схема анаеробного розкладу вуглеводів [3]

Аеробний розпад глюкози включає реакції гліколізу і окислення пірувату до СО₂ і Н₂О, а анаеробний гліколіз включає ті ж реакції специфічного шляху розпаду глюкози до пірувату, але з подальшим перетворенням пірувату на лактат.

На першому етапі молекула глюкози активується для участі в наступних реакціях шляхом фосфорилювання за рахунок АТФ в положенні 6 з утворенням глюкозо-6-фосфату. Ця реакція, яка в умовах клітини протікає необоротно, каталізується ферментом гексокіназою. Для проявлення активності гексокіназі необхідні іони магнію.

На другому етапі фермент глюкозофосфатізомераза каталізує оборотну реакцію ізомеризації, в результаті якої глюкозо-6-фосфат (альдоза) перетворюється у фруктозо-6-фосфат (кетозу). Легко протікає в обох напрямках. Цей фермент потребує присутності іонів магнію.

На третьому етапі фосфофруктокіназа, якій для проявлення активності необхідні іони магнію, каталізує перенесення фосфатної групи від АТФ на фруктозо-6-фосфат, в результаті чого утворюється фруктозо-1,6-дифосфат. В умовах клітини ця реакція практично не оборотна. Реакція є найбільш повільною реакцією гліколізу. Фактично вона визначає швидкість гліколізу в цілому.

На четвертому етапі реакція каталізується фруктозодифосфатальдолазою або просто альдолазою. З двох тріозофосфатів, що утворюються в альдолазній реакції, лише гліцеральдегід-3-фосфат здатен піддаватись розщепленню в наступних реакціях гліколізу. Тому по мірі споживання останнього відбувається оборотне перетворення діоксіацетонфосфату в гліцеральдегід-3-фосфат під дією тріозофофатізомерази.

Утворення 3-фосфогліцеринового альдегіду завершує першу стадію гліколізу. Її називають підготовчою стадією.
Друга стадія – більш складна та важлива. Вона включає окисно-відновну реакцію, пов’язану із субстратним фосфорилюванням, в процесі якої утворюється АТФ.

П’ятий етап. Фермент гліцеральдегідфосфатдегідрогеназа каталізує оборотну реакцію окислення 3-фосфогліцеринового альдегіду у присутності коферменту НАД та неорганічного фосфату з утворенням 1,3-дифосфогліцеринової кислоти та відновленої форми НАДН₂. 1,3-дифосфогліцерат представляє собою високоенергетичну сполуку.

Шостий етап. Фосфогліцераткіназа каталізує перенесення високоенергетичної фосфатної групи від карбоксильної групи 1,3-дифосфогліцеринової кислоти на АДФ з утворенням АТФ та 3-фосфогліцеринової кислоти. Утворення АТФ з високоенергетичних сполук називається субстратним фосфорилюванням.

Сьомий етап. Фосфогліцератмутаза каталізує оборотну реакцію внутрішньомолекулярного перенесення фосфатної групи. Протікає в присутності іонів магнію.

Восьмий етап. Це друга реакція гліколізу, в результаті якої утворюється високоенергетична фосфорильована сполука. Фермент енолаза каталізує оборотну реакцію відщеплення води від 2-фосфогліцерату з утворенням фосфоенолпірувату. Відщеплення молекули води від 2-фосфогліцерату викликає перерозподіл енергії всередині молекули, це супроводжується великим зниженням вільної енергії. Для проявлення активності енолази необхідні іони магнію, з якими фермент утворює комплекс, перш ніж приєднати субстрат. Для енолази характерне інгібування фторидом у присутності фосфату.

Дев’ятий етап. Далі відбувається перенесення високоенергетичної фосфатної групи від фосфоенолпірувату на АДФ. Ця реакція каталізується піруваткіназою і представляє собою ще один прикладфосфорилювання на рівні субстрату. В результаті утворюється енолпіровіноградна кислота.
Десятий етап. Продукт реакції (енолпіровіноградна кислота) утворюється в енольній формі, який швидко переходить неферментативним шляхом в кетоформу. В умовах клітини піруваткіназна реакція практично необоротна. Для прояву активності піруваткінази необхідні іони калію, а також магнію або марганцю.

Кінцева реакція перетворення пірувата в лактат (XI). Для протікання гліколізу потрібно відновлювати вміст НАД. В анаеробних умовах роль акцептора протонів і електронів НАДН+Н⁺ виконує піровиноградна кислота – метаболіт гліколізу (піруват). Реакція каталізуються ферментом лактатдегідрогеназою (ЛДГ), продукт реакції молочна кислота: ПВК + НАД∙Н + H ⁺→ лактат + НАД

Отже, описаний біохімічний процес об’єднує послідовність реакцій, в результаті яких поступово руйнується вуглецевий ланцюг глюкози з утворенням молочної кислоти – кінцевого продукту анаеробного перетворення вуглеводів.

Гліколіз каталізують одинадцять ферментів, які локалізовані в розчинній частині цитоплазми.

Анаеробний і аеробний гліколіз енергетично нерівноцінні. Утворення двох моль лактату з глюкози супроводжується синтезом всього 2 моль АТФ, тому що НАДН, отриманий при окисленні глицероальдегидфосфату, не використовується дихальним ланцюгом, а акцептується піруватом.

Такий процес характерний для тваринних тканин, які змушені функціонувати в умовах анаеробіозу, що характерно для напружено працюючих скелетних м’язів. У цих м’язах цей процес, що називається анаеробним гліколізом, є важливим джерелом енергії при напруженій фізичній роботі. Молочна кислота повинна з м’язових клітин видалятись кров’ю, щоб не настала втома (цикл Корі). Пізніше, в аеробних умовах, вона знову перетворюється в глюкозу в печінці, де глюкоза запасається у вигляді глікогену.
3.2 МК як субстрат глюконеогенезу

У ході глюкозо-лактатного циклу (циклу Корі), утворенний лактат в м'язах в результаті анаеробного гліколізу (особливо в білих м'язових волокнах, які бідні мітохондріями в порівнянні з червоними), переноситься кров'ю в печінку, де в процесі глюконеогенезу перетворюється на глюкозу, яка потім з потоком крові може повертатися в працюючий м'яз. Отже печінка забезпечує м'яз глюкозою і енергією для скорочень. У печінці частина лактату може окислюватися до СО₂ і Н₂О, перетворюючись на піруват і далі в загальних шляхах катаболізму.

Глюконеогенез - це синтез глюкози з невуглеводних попередників (рис. 7).

Рисунок 7 Реакції глюконеогенезу [4]
У ссавців цю функцію виконує в основному печінка, в меншій мірі - нирки і клітки слизової оболонки кишечника. Запасів глікогену в організмі достатньо для задоволення потреб в глюкозі в період між прийомами пищи. При вуглеводному або повному голодуванні, а також в умовах тривалої фізичної роботи концентрація глюкози в крові підтримується за рахунок глюконеогенезу. У цей процес можуть бути залучені речовини, які здатні перетворитися на піруват або будь- який інший метаболит глюконеогенезу.

Синтез глюкози з пірувату протікає, як і при гліколізі, але у зворотному напрямку. Сім реакцій гліколізу оборотні і використовуються в глюконеогенезі. Але три кіназні реакції необортні і повинні шунтуватися. Так, фруктозо-1,6-дифосфат і глюкозо-6-фосфат дефосфорилюються специфічними фосфатазами, а піруват фосфорилюється до утворення фосфоенолпірувату через оксалоацетат. Утворення оксалоацетату каталізує пируваткарбоксилаза, яка містить як кофермент біоцитин. За добу в організмі людини може синтезуватися до 80 г глюкози. Активують глюконеогенез глюкокортикоїди та глюкагон, гальмує інсулін.
3.3 Міжклітинний транспорт лактату

Міжклітинний транспорт лактату здійснюється за допомогою спеціальних білків-транспортерів. Вони називаються - монокарбоксілатні переносники (monocarboxylate transporters - MCTs) і являють собою сімейство генетично-родинних білків, що розрізняються амінокислотною послідовністю і кінетичними властивостями. На підставі даних про амінокислотні послідовності монокарбоксілатних транспортерів Пулі і Хелестрапом була запропонована модель їх просторової організації.

Все МСТs мають 10-12 пов'язаних між собою трансмебранних петлеподібних доменів з внутрішньоклітинними С- і N- кінцевими ділянками поліпептидного ланцюга і великою петлею між 6 і 7 сегментами, зверненої всередину клітини. Передбачається, що дві половинки молекули переносника диференційовані за своїми функціями (Saier, 1994). N-кінець поліпептидного ланцюга з ділянками 1-6 петлею проявляє високу консервативність для всіх транспортерів, найімовірніше ця частина молекули відповідає за енергетичне сполучення (через котранспорт іонів H⁺ або Na⁺), прикріплення до мембрани і/або підтримання структурної конформації. C-кінцева ділянка молекули з петлями 7-12 менш консервативна і різниться у різних типів транспортерів, передбачається, що вона відповідає за субстратну специфічність. Модель MCT наведена на рисунку 8.

Рисунок 8 Модель ймовірної структури сімейства монокарбоксілатних переносників (Juel, Halestrap, 1999) [5]
Найбільш високу субстратну специфічність до лактату проявляють МСТ-1, 2 і 4, що підтверджується також їх сильною генетичною спорідненістю. Транспортери МСТ-3, 5, 6, 7 мають більш низьку субстратну специфічність по відношенню до лактату, а МСТ-8 взагалі не бере участі в транспорті лактату.
3.3.1 Напрямок транспорту лактату на міжклітинному рівні і в системі цілого організму

Встановлено, що МСТ-4, що синтезується у великій кількості на клітинних мембранах гликолитичних скелетних м'язових волокон ссавців і людини, здійснює перенесення лактату переважно з клітин у міжклітинну речовину.

Вихідна в міжклітинну речовину молочна кислота здатна на першому етапі поглинатися сусідніми клітинами - аеробними міоцитами скелетних м'язів, в клітини яких вона потрапляє через МСТ-1. Зайві кількості молочної кислоти з міжклітинної речовини скелетних м'язів надходять в кров і вже з крові засвоюються переважно кардіомиоцитами і гепатоцитами, в клітини яких вона потрапляє через МСТ-1 і МСТ-2.

При активізації роботи мозку значно зростає рівень анаеробного обміну і утворення молочної кислоти. Детальне вивчення транспортної кінетики МСТs клітин головного мозку Хертцом і Діенелом (Hertz, Dienel, 2005) підтвердило факт, що надлишок лактату, який утворюється головним чином в астроцитах, може транспортуватися в нейрони і включатися в їх енергообмін, проте показало, що під час значної активації анаеробного обміну в субструктурах головного мозку і зниження, нейрони можуть засвоїти лише частину утворювального лактату, інша кількість надходить в кров і видаляється з головного мозку.

При дослідженні транспортної кінетики лактату в різних типах клітин головного мозку було встановлено, що на мембранах астроцитів ідентифікуються МСТ-1 і МСТ-4, які мають низьку спорідненість до лактату.

Таким чином, співвідношення кількості різних типів переносників, що розрізняються за своїми кінетичними властивостями, на мембранах клітин різних тканин і органів є чинником, який регулює інтенсивність і напрямок метаболізму лактату між клітинами різних типів, між клітинами і кров'ю, між кров'ю і органами, та в системі всього організму в цілому.
3.4 Окислення лактату в мітохондріях клітин

Як було сказано вище, деяка частина ендо- та екзогенного лактату здатна проникати в мітохондрії клітини і там окислюватися, включаючись в процес окисного фосфорилювання.

В даний час встановлено, що окислення лактату в мітохондріях здійснюється мітохондріальним лактат-окислюючим комплексом (mitochondrial lactate oxidation complex, mLOC). Вперше, існування цього комплексу було доведено для клітин скелетних м'язів (Hashimoto et all., 2006; Hashimoto, Brooks, 2008). Було встановлено, що він складається з мембранозв'язаної мітохондріальної ЛДГ, цитохром с оксидази, білка-транспортера лактату МСТ-1 і його шаперона ОХ-47 (CD-147), що контролює його експресію.

Піруват, що утворюється при окисленні надходжувального в мітохондрії лактату, переноситься в матрикс мітохондрій за допомогою МСТ-1 і там окислюється в циклі трикарбонових кислот (ТСА). Мітохондріальна ЛДГ (mLDH) зосереджена на зовнішній стороні внутрішньої мембрани мітохондрій і асоційована з цитохром с оксидазой (COX), що забезпечує сполучення ендергонічної реакції окислення лактату з екзергонічною зміною редокс-потенціалу в електронтранспортному ланцюгу мітохондрій при окисленні цитохрому с. Пізніше існування мітохондріального лактат-окислювального комплексу було доведено також і для клітин головного мозку.

Здатність мітохондрій до окислення лактату є найважливішим адаптивним механізмом регуляції енергозабезпечення клітин багатьох органів як в нормі, так і при патології. Зокрема, виявлено посилення мітохондріального окислення лактату при інтенсивному розвитку нервової системи, голодуванні, при фізичному навантаженні. Особливе значення цей процес має для клітин головного мозку, де може значно активізуватися процес анаеробного синтезу АТФ.
4 ЗАСТОСУВАННЯ МОЛОЧНОЇ КИСЛОТИ
Молочну кислоту застосовують в харчовій промисловості, в медицині і ветеринарії і для різноманітних технічних цілей.

Молочна кислота як харчова добавка використовується в якості регулятора кислотності у виробництві продуктів переробки плодів і овочів, кондитерських виробів, пива, безалкогольних напоїв, хліба і борошняних виробів. Харчова молочна кислота не має протипоказань і дозволена в дієті при різних захворюваннях нирок, жовчного міхура та підшлункової залози.

Хлібопекарське виробництво. В якості харчової добавки в хлібопеченні молочну кислоту використовують найчастіше для профілактики в боротьбі з картопляною хворобою і для поліпшення смаку виробів з пшеничного борошна. Підкислення середовища молочною кислотою прискорює дозрівання тіста перед обробленням, не допускаючи розвитку в ньому сторонніх мікроорганізмів.

У кондитерській промисловості молочна кислота використовується при виготовленні мармеладу, пастили, зефіру, карамелі з фруктовою начинкою, халви соняшникової, пряників і інших виробів.

Виробництво м'яса та м'ясопродуктів. Молочну кислоту застосовують у виробництві м'яса і м'ясопродуктів завдяки високим дифузійним властивостями, антимікробною дією, здатності пластифікувати білки, прискорювати дозрівання м'яса, регулювати рН і смак. Обробка м'яса і м'ясних продуктів водними розчинами молочної кислоти, забезпечує утримання рН на рівні 4,0-5,4, сприяє утворенню на поверхні, просоченої кислотою «захисного шару» від 5 до 20 мм, що перешкоджає розвитку гнильних мікробів.

Виробництво безалкогольних напоїв, пива та квасу. У пивобезалкогольній промисловості молочну кислоту використовують при приготуванні серцевого солоду для зниження жорсткості води, створення оптимального рівня рН, поліпшення фізіологічного стану дріжджів, збільшення виходу екстрактивних речовин із солоду, а також для регулювання смаку і аромату.

Виробництво консервованих плодів і овочів. При приготуванні маринадів рекомендується використовувати суміші оцтової та молочної кислот. Встановлено, що більш сильна антимікробна дія при меншій кислотності досягається при спільному впливі цих добавок. Маринади набувають більш ніжний аромат і м'який кислий смак. Витримування овочів в кислому середовищі з рН 3,0-4,0, створюваної молочною кислотою, в перебігу 30-60 хв. дозволяє видалити з них нітрати, що важливо з гігієнічної точки зору.

Застосування в ветеринарії і птахівництві. Застосування молочної кислоти в ветеринарії та птахівництві обумовлено противобродильною і антисептичною дією, здатністю пригнічувати ріст гнильної мікрофлори кишечника, знижувати утворення токсичних продуктів розкладання органічних речовин в організмі, поліпшувати обмінні процеси і сприяти підвищенню продуктивності.

Етіл- і бутіллактати застосовують в якості розчинників ефірів целюлози, оліфи, ростить. масел; бутіл-лактат також як розчинник деяких синтетичних полімерів.

Застосування у медицині етіллактату. Препарат розроблений для профілактики і лікування оніхомікозів, він знижує рН і створює несприятливі умови для розмноження грибка. Засіб запобігає розвитку інфекції і сприяє максимально швидкому одужанню.

Широка універсальність молочної кислоти обгрунтована її споживчими властивостями, а також тим, що ця кислота є природним метаболітом людського організму, більшості живих організмів і рослин, тобто абсолютно нешкідлива в концентраціях, відповідних природному біологічному фону.

5 ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА МОЛОЧНОЇ КИСЛОТИ
Молочна кислота в промисловості виробляється хімічним і ферментативним (мікробіологічним) синтезами. При отриманні молочної кислоти за допомогою молочнокислих бактерій і хімічного синтезу утворюється оптично недіяльна D, L-молочна кислота (рацемат).
5.1 Хімічний синтез МК

Хімічний синтез заснований на реакції ацетальдегіду з ціаністим воднем, які призводять до отримання лактонітріла, а в подальшому гідроліз останнього дає молочну кислоту. Реакції синтезу наведені на рисунку 9.

Рисунок 9 Реакції хімічного синтезу МК [6]
5.2 Мікробіологічний синтез МК

Молочна кислота (СН3СНОНСООН) - органічна одноосновна кислота,

що утворюється в результаті анаеробного перетворення вуглеводів молочнокислими бактеріями. У 1847 р С. Блодно довів, що дана кислота є продуктом бродіння, а Л. Пастер встановив, що цей процес викликають бактерії.

Промислове виробництво молочної кислоти розпочато в кінці ХІХ століття за участю молочнокислих бактерій Lactobacillus delbrueckii, L. leichmannii, L.bulgaricus.

Розглянемо мікробний синтез молочної кислоти на прикладі бактерії Lactobacillus delbrueckii . Це термофільна зерносуслова бактерія. Цей вид бактерій добре зброджує глюкозу, мальтозу, фруктозу, галактозу і сахарозу.

Молочнокислі бактерії є грампозитивними, нерухомими, факультативними анаеробами. Вони мають форму великих паличок довжиною 7-8 мкм, товщиною 0,5-0,8 мкм і утворюють, як правило, короткі ланцюжки з 2-4 клітин.

У вітчизняному виробництві молочної кислоти сировиною служить суміш тростинного цукру-сирцю, рафінадної патоки і бурякової меляси. Джерелом необхідних органічних і мінеральних речовин служать солодові паростки.

Для отримання молочної кислоти можна використовувати ультрафільтрати молока і сироватки, відходи виробництва фруктового соку. Однак найкращим субстратом є D-глюкоза (вихід молочної кислоти 86%), яку можна замінити, наприклад, гідролізатами деревини, здійснюючи конверсію за допомогою іммобілізованих в альгінат кальцію клітин Lb. plantarum ETH B-4258.

Основні стадії процесу виробництва молочної кислоти показані на рисунку 10.

Отримання посівного матеріалу проводиться також в кілька стадій.

Чисту культуру розсівають у три пробірки з свіжоприготованим живильним середовищем. Культуру з однієї пробірки (інші є «музейною» і запасною) пересівають в колбу (500 мл), а потім в бутель (10 л) і нарешті - в культиватор. Обсяг засіяной культури повинен бути до 30 % від місткості бродильного апарату.

Перші дві стадії проводять на живильному середовищі з солодового сусла, третю - на середовищі з сусла і виробничого середовища (1: 1) і останню – на виробничому середовищі. Тривалість кожної стадії - 20-24 год (48-50 ° С).

Рисунок 10 Технологічна схема отримання молочної кислоти [6]
Показником зрілості і активності культури бактерій в кожній стадії розмноження є щільність популяції, яка повинна становити 700-800 клітин на мл. Активна культура через 10-15 год накопичує до 0,5% молочної кислоти.

При підготовці інокулята бактерії пасерують кілька разів в середовищі з невеликим надлишком крейди, витримуючи при 45-55 ° С; кожна стадія триває 16-18 г. Живильне середовище готують безпосередньо в бродильному апараті.

Бродильний апарат наповнюють водою і промивними водами на 2/3 місткості, нагрівають до 70 ° С, подають в нього мелясу, рафінадну патоку і розчинений цукор-сирець. У середу вносять (NH₄) 2SO₄ і NH₄HPO₄, а також солод або кукурудзяний екстракт. Розчин нагрівають до 70 ° С і пастеризують при цій температурі протягом 1 год. Після охолодження до температури 48-50 ° С в розчин додають 15 % від маси цукру солодових паростків. З 100 г глюкози виходить 100 г молочної кислоти; практичний вихід складає 90-91 % від маси цукру. Так як при температурі нижче 45 ° С розвивається стороння мікрофлора, бродіння проводять при температурі 48-50 ° С. Зброджування ведеться в апаратах (чанах) місткістю 25-45 м³.

Після приготування живильного середовища в апарат вносять культуральну рідини (20 % від його місткості) з молочнокислими бактеріями. Через 6 год починають перемішування суміші барботируванням повітря. Після досягнення масової частки молочної кислоти 0,5-0,6 % (приблизно через добу після засіву) починають додавати крейдяне молоко, підтримуючи масову частку кислоти в розчині на рівні 0,3-0,4 %.

Для відділення зважених часток культуральну рідину відстоюють протягом 6-12 годин при температурі вище 48 ° С. Після відстоювання суміш фільтрують, і фільтрат з першою порцією промивної води направляють на кристалізацію лактату. При кристалізації лактату кальцію близько 2/3 солі залишається в матковому розчині, тому, поряд з очищенням молочної кислоти кристалізацією лактату, використовується очищення і іонообмінні смоли. Після відділення кристалів фільтруванням або центрифугуванням і їх промивання вихід лактату становить 80 % від маси кристалів, що містяться в утфелі, при доброякісності 96%.

Очищений розчин лактату кальцію розкладається сірчаної кислотою. Сполуки важких металів і миш'яку осаджують сульфідом барію. Для освітлення розчину його обробляють активним вугіллям, осад відокремлюють фільтруванням.

Освітлення і упаривання розчину молочної кислоти проводять за допомогою активного вугілля (ОУ-А) або до відділення гіпсу, або після відділення шламу. Освітлений розчин піддають концентруванню до масової частки молочної кислоти 40% на випарних вакуумних апаратах (80 кПа). Після випарювання розчин знову обробляють активним вугіллям (виправлення) і після фільтрування розливають в тару.
ВИСНОВКИ
Лактат (молочна кислота) - продукт анаеробного метаболізму глюкози (гліколізу), в ході якого вона утворюється з пірувату під дією лактатдегідрогенази. При достатньому надходженні кисню піруват піддається метаболізму в мітохондріях до води і вуглекислоти. В анаеробних умовах, при недостатньому надходженні кисню, піруват перетворюється в лактат. Тобто – наш організм використовує МК в якості біохімічного посередника для переробки вуглеводів.

Молочна кислота широко використовується в різних галузях народного господарства, в першу чергу, в харчовій промисловості. Останнім часом інтерес до молочної кислоти обумовлений можливістю отримання з неї полілактиду - полімеру, що є основою біодеградуючого пластика, що дає можливість застосовувати його в медицині, а також в якості матеріалу для виготовлення одноразового посуду і упаковки, що не завдає шкоди навколишньому середовищу.

В даний час існують технології отримання молочної кислоти, як на основі хімічного синтезу, так і за допомогою ферментації різної сировини молочнокислими мікроорганізмами (L(+) - молочну кислоту утворюють молочнокислі стрептококи S. termophilus, S. lactis, Leuconostoc cremoris, а Lb. lactis і Lb. Bukgaricus продукують близько 90% D (-) - молочної кислоти, збудником молочнокислого бродіння у виробництві молочної кислоти є культура Lactobacillus delbrukii). Причому останні способи отримують перевагу через зростання вартості вуглеводневої сировини для хімічного синтезу і екологічно несприятливих аспектів великотонажних хімічних виробництв.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Писаренко А. П. Курс органической химии : Учебник для нехим. спец. вузов / А. П. Писаренко, З. Я. Хавин. – М: Высшая школа, 1985. – 527 с. – (4-е изд.).

2. Газалиев Т. Ж. Синтез сополимеров молочной и гликолевой кислоты в условиях микроволнового облучения : дис. канд. хім. наук / Газалиев Таир Жанатович – Томск, 2016. – 100 с.

3. Рыскина Е. А. Метаболизм глюкозы в организме - распад глюкозы (гликолиз) и синтез глюкозы (глюконеогенез) [Електронний ресурс] / Е. А. Рыскина. – 2017. – Режим доступу до ресурсу: http://www.myshared.ru/slide/1295130/.

4. Глюконеогенез [Електронний ресурс]. – 2015. – Режим доступу до ресурсу: http://www.xumuk.ru/biologhim/148.html.

5. Мещерякова О. В. Митохондриальный лактат-окисляющий комплекс и его значение для поддержания энергетического гомеостаза клеток (обзор) / О. В. Мещерякова, М. В. Чурова, Н. Н. Немова / / Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов. Т. 1. Экологическая физиология и биохимия водных организмов: сборник научных статей. - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2010. – С. 163–172.

6. Производство молочной кислоты / К. К.Полянский, Г. П. Шуваева, Н. Д. Деменко, В. Ф. Яковлев. // КубГТУ. – 1997. – №1. – С. 8–14.

7. Нуштаев И. А. Нобелевские премии по медицине [Електронний ресурс] / И. А. Нуштаев // Саратовский государственный медицинский университет. – 2005. – Режим доступу до ресурсу: http://www.sgmu.ru/news/paper/2005/07/art05.html.
скачати