22

Всвязи с биологической функцией полисахариды делятся на резервные

иструктурные. Большинство резервных полисахаридов (крахмал, гликоген, инулин) являются важнейшими компонентами пищевых продуктов, выполняя в организме человека функцию источника углерода и энергии. Структурные полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлоза) в клеточных стенках растений образуют протяжные цепи, которые в свою очередь, укладываются в прочные волокна или пластины и служат своего рода каркасом в живом организме.

4.1Гомополисахариды

Крахмал Крахмал – главный резервный полисахарид растений, запасается во

многих семенах, клубнях, корневищах и используется только тогда, когда эти органы прорастают. В клубнях картофеля его содержится около 20%, кукурузе – 55-60%, ржи – около 70%.

Крахмал является одним из важнейших продуктов фотосинтеза, образующийся в зеленых листьях растений в виде так называемых первичных зерен. Затем он расщепляется на моносахариды или их фосфорнокислые эфиры и переносится в другие части растений, например, клубни картофеля или зерна злаков. Здесь вновь происходит отложение крахмала в виде зерен, форма и размер которых характерны для данного вида растений.

Крахмал подобно белкам обладает гидрофильными свойствами, однако в холодной воде крахмальные зерна лишь набухают, но не растворяются. Если взвесь крахмальных зерен в воде постепенно нагревать, то они будут набухать все сильнее и при определенной температуре крахмал образует вязкий коллоидный раствор, называемый крахмальный клейстер.

Температура клейстеризации крахмала для разных растений неодинакова и находится в пределах 55-75°С.

Характерным свойством крахмала является его способность окрашиваться йодом в темно-синий цвет.

Крахмал не является химически индивидуальным веществом. На 9698% он состоит из полисахаридов. В нем найдены в небольшом количестве белки, высокомолекулярные жирные кислоты, минеральные кислоты (фосфорная и кремниевая), которые адсорбированы на крахмальных зернах.

Полисахаридная фракция крахмала состоит из двух компонентов: амилозы и амилопектина.

Амилоза легко растворима в теплой воде и дает нестойкие растворы со сравнительно низкой вязкостью. Длительное хранение раствора амилозы на холоде приводит к выпадению ее в осадок. Этот процесс носит название ретроградации амилозы. Этим, отчасти, можно объяснить процесс черствения хлеба при его хранении.

23

Молекула амилозы имеет линейную структуру, представляет собой длинную цепочку из остатков α-D-глюкопиранозы, соединенных α(1→4)- гликозидными связями:

Дисахаридный фрагмент амилозы - мальтоза

АМИЛОЗА

Количество остатков глюкозы в каждой цепи колеблется от 100 до нескольких тысяч. По данным рентгеноструктурного анализа пространственная конформация цепной макромолекулы амилозы имеет форму спирали.

Конформация макромолекулы амилозы

Такая форма обусловлена тем, что остатки α-Д-глюкозы в составе амилозы имеют конформацию лодки, которая способствует спирализации полигликозидной цепи.. На каждый виток спирали приходится 6 остатков глюкопиранозы. Во внутренний канал спирали могут входить соответствующие по размеру молекулы, например, молекулы йода образуют комплексы, называемые соединениями включения, комплекс амилозы с йодом имеет синий цвет. Это используется в аналитических целях для открытия как крахмала, так и йода.

Амилопектин в отличие от амилозы имеет сильно разветвленную структуру. В его молекулу входит до 50.000 α-D-глюкопиранозных остатков. Наряду с α(1→4) связями в амилопектине имеются также α-(1→6) гликозидные связи, представляющие собой точки ветвления. Между точками ветвления располагается 20-25 глюкопиранозных остатков. Гликозидные α–(1→6) связи составляют около 5% от общего количества связей, содержащихся в молекуле амилопектина.

Методом рентгеноструктурного анализа показано, что структура амилопектина напоминает гроздь винограда.

Фрагмент молекулы амилопектина

Амилопектин с йодом дает красно-фиолетовое окрашивание.

Как в амилозе, так и в амилопектине, имеется только один восстанавливающий конец, при том его доля невелика, поэтому крахмал относят к нередуцирующим полисахаридам.

В крахмале большинства растений на долю амилопектина приходится 70-90%, остальные 10-30% составляет амилоза. Однако содержание этих компонентов может изменяться в зависимости от сорта растения, типа ткани, из которой он извлечен. Соотношение амилоза / амилопектин изменяется также во время созревания зерна. Крахмал некоторых культур может быть представлен только одним видом полисахарида, так, у яблок это амилоза, у восковидной кукурузы только амилопектин.

Гликоген Гликоген – животный крахмал. Он содержится практически во всех

органах и тканях животных и человека, наибольшее количество его обнаружено в печени и мышцах. Гликоген встречается и в растениях. Так, в кукурузе помимо обычного крахмала находится фитогликоген. Встречается гликоген в грибах и дрожжах. Контроль дрожжей на присутствие гликогена является важным показателем в бродильной технологии, по которому судят о физиологической активности дрожжей. По строению гликоген близок к амилопектину, характеризуется более разветвленной структурой, чем амилопектин. Его молекула построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей, в которых остатки глюкозы соединены α-(1→4)-гликозидными связями, а в точках

ветвления имеются α-(1→6) гликозидные связи. Линейные отрезки в молекуле гликогена включают 11-18 остатков, а точки ветвления у него встречаются через каждые 8-10 остатков.

Под действием йода гликоген окрашивается в красно-коричневый цвет.

Ферментативный гидролиз крахмала и гликогена

Ферментативный гидролиз крахмала и гликогена осуществляется с помощью ферментов класса гидролаз, подкласса карбогидраз, называемых ами-

26

декстрины

β-амилаза – фермент, который катализирует гидролиз крахмала и гликогена по α(1→4) гликозидной связи с нередуцирующих концов молекул.

Она не расщепляет α(1→6) связи. В отличие от α-амилазы, β-амилаза действует упорядоченно и, начиная с нередуцирующего конца, отщепляет по молекуле мальтозы.

Амилозу β-амилаза расщепляет нацело, превращая ее на 100% в мальтозу.

Если субстратом для действия β-амилазы служит амилопектин, то она расщепляет его на мальтозу и продукт неполного гидролиза, получивший название β-амилодекстрин, на оставшихся ответвлениях которого находятся α(1→6) гликозидные связи. Предельный декстрин гидролизуется β-амилазой только в том случае, если в реакционную смесь добавить α-амилазу. При совместном действии α- и β-амилаз на крахмал около 95% его превращается в мальтозу. Схема гидролиза крахмала под действием β-амилазы выглядит следующим образом:

27

НОН мальтоза +

α- и β-амилазы различаются по своему отношению к реакции среды: α- амилаза гораздо более чувствительна к подкислению. Отличаются эти ферменты также по термостабильности и температурному оптимуму: α-амилаза более устойчива к действию повышенных температур, ее температурный оптимум ( 70°С) лежит несколько выше, чем оптимум β-амилазы (50 60°С).

Амилазы имеют большое значение в хлебопекарной, пивоваренной, спиртовой промышленности. Брожение теста и накопление в нем СО2, разрыхляющего его и придающего хлебу равномерную пористость и хороший объем, зависят от присутствия в тесте сбраживаемых дрожжами сахаров. В свою очередь, содержание сахара в тесте зависит не только от количества сахара, находящегося в муке, но также от скорости накопления мальтозы при действии амилазы на крахмал. С другой стороны, слишком энергичное действие α-амилазы, имеющейся в большом количестве в муке из проросшего пшеничного или ржаного зерна, вызывает избыточное накопление в тесте декстринов, придающих мякишу хлеба плохую эластичность, заминаемость, недостаточную пористость и неприятный вкус.

Поскольку α-амилаза весьма чувствительна к повышению кислотности и резко понижает при этом свою активность, то тесто надо замешивать на так называемых жидких дрожжах или молочнокислых заквасках. Это обеспечивает накопление в тесте повышенного количества молочной кислоты, угнетающей α-амилазу и нежелательное образование декстринов.

Напротив, в пивоваренной промышленности конечные декстрины необходимы в сусле, поскольку в дальнейшем создают полноту вкуса пива, в определенной степени обусловливают его пеностойкость.

Глюкоамилаза – фермент, действующий с нередуцирующих концов амилозы и амилопектина, отщепляет молекулу глюкозы. Глюкоамилаза расщепляет не только α-1,4-, но и α-1,6-гликозидные связи. Амилоза и амилопектин полностью превращаются в глюкозу.

29

Врастительных клеточных стенках молекулы целлюлозы связаны друг

сдругом бок о бок, образуя структурные единицы, получившие названия ми-

крофибрилл.

Каждая микрофибрилла состоит из пучка молекул целлюлозы, расположенных по ее длине параллельно друг другу.

Рентгеноструктурные исследования показали, что в полимерной цепи остатки молекул глюкозы повернуты относительно друг друга на 180°С, что делает возможным образование водородных связей между ОН-группой при атоме С-3 одного глюкозного остатка и кислородом пиранозного кольца следующего остатка глюкозы. Это препятствует вращению расположенных рядом остатков глюкозы вокруг соединяющей их гликозидной связи. В результате образуется жесткая линейная и пространственная структуры.

Целлюлоза не растворяется в воде, но в ней набухает. Она не усваивается организмом человека, т.к. в организме не вырабатывается фермент, способный расщеплять β-гликозидную связь. Однако она является необходимым для нормального питания балластным веществом, выполняющим энтеросорбентную функцию. Целлюлоза усваивается травоядными животными, в желудочно-кишечном тракте которых находится специфическая микрофлора, вырабатывающая фермент целлюлазу.

Схему гидролиза целлюлозы можно представить:

Кислотный гидролиз целлюлозы при температуре 170°С приводит к образованию глюкозы, которая используется для получения кормовых дрожжей, этилового спирта. В промышленности из целлюлозы получают хлопчатобумажные ткани, бумагу и целый ряд химических продуктов: вискозу, целлоффан, кинопленку, ацетатный шелк и др.

4.2 Гетерополисахариды

Пектиновые вещества Пектиновые вещества – это соединения, состоящие главным образом,

из метоксилированной полигалактуроновой кислоты. Остатки галактуроновой кислоты соединены α-1,4 гликозидной связью. Вместе с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином пектиновые вещества образуют клеточные стенки растений, являясь цементирующим материалом этих стенок, объединяют клетки в единое целое в том или ином органе растений.

32

Пектинэстеразы удаляют метильные группы, гидролизуя сложноэфирные связи находящиеся рядом со свободными карбоксильными группами, т.е. идет реакция:

пектин + n Н2О → n метанол + пектин (менее этерифицированный)

Таким образом, пектиновые вещества ответственны за содержание токсичного вещества метанола во фруктовых соках, плодово-ягодных винах

Полигалактуроназа катализирует расщепление α-(1-4)-гликозидной связи, образованной неэтерифицированной галактуроновой кислотой..

Препараты, содержащие ферменты, гидролизующие пектиновые вещества, получают обычно из различных плесневых грибов. Эти препараты применяются в пищевой промышленности для осветления фруктовых соков и повышения их выхода, а также для осветления плодовых и виноградных вин, в которых обычно содержится большое количество растворимого пектина, затрудняющего фильтрование и являющегося причиной недостаточной прозрачности вин.

Гемицеллюлозы Гемицеллюлозы – это сложная смесь полисахаридов, не растворяю-

щихся в воде, но растворимых в щелочных растворах. Гемицеллюлозы всегда сопутствуют целлюлозе, в больших количествах содержатся в соломе, семенах, отрубях, кукурузных початках, древесине. В комплексе с целлюлозой выполняют структурную функцию.

Гемицеллюлозы могут быть подразделены на гексозаны (маннаны, галактаны) и пентозаны (арабаны, ксиланы). Продуктами гидролиза у различных гемицеллюлоз являются манноза, галактоза, арабиноза, ксилоза.

Гемицеллюлозы пшеничных отрубей – это высокоразвитые ксиланы, состоящие в основном из Д-ксилозы, L-арабинозы и глюкуроновой кислоты.

Из гемицеллюлоз промышленное применение нашли галактоманнаны, построенные из маннозы, образующей главную цепь, и галактозы, образующей короткие боковые цепи. Галактоманнаны обладают большой способностью связывать воду, поэтому они улучшают качество замеса, участвуют в формировании структуры теста, в частности, в формировании клейковины, тормозят черствение хлеба. Растворы галактоманнанов даже при концентрации 1% обладают высокой вязкостью, что объясняется вытянутой формой макромолекул и их склонностью образовывать в растворах крупные ассоциаты. Это свойство позволяет использовать их в качестве загустителей, стабилизаторов дисперсных систем, гелеобразователей.

Галактоманнаны получают из семян бобовых культур.

Их используют при производстве различных пищевых продуктов, супов, соусов, мороженого, кремов, желе, напитков.

Фирма «Юнипектин» (Швейцария) использует галактоманнаны в 40 наименованиях пищевых продуктов.

33

Камеди и слизи

К полисахаридам близки камеди и слизи. В их состав входят сахара – арабиноза, ксилоза, галактоза, рамноза, а также глюкуроновая и галактуроновая кислоты.

Камеди образуют при набухании в воде вязкие гели или клейкие растворы, слизи при контакте с водой образуют слизистые массы. Камеди образуются в ответ на повреждения тканей растения в виде плотных блестящих натеков (вишневый, сливовый клей). Слизи содержатся в покровных тканях семян льна и зерновки ржи. Кроме защитной функции камеди и слизи могут повышать засухоустойчивость растения, способствуя удержанию влаги.

Слизи имеют большое значение при переработке зерна ржи. Они повышают вязкость ржи при размоле, поэтому оно вымалывается труднее, чем пшеница и энергозатраты на размол у него выше. Слизи влияют на структур- но-механические свойства в тесте, а, следовательно, и на качество хлеба.

Мукополисахариды

Мукополисахариды получили свое название потому, что ряд веществ этого класса имеют слизистую консистенцию (от лат. mucus – слизь). Для мукополисахаридов характерно наличие их в молекулах значительного количества остатков аминосахаров и уроновых кислот. Это полисахариды соединительной ткани. Мукополисахариды обычно связаны с белками. Важнейшими представителями этой группы полисахаридов являются гиалуроновая кислота, хондроитин-серные кислоты и гепарин.

Гиалуроновая кислота построена из дисахаридных остатков, соединенных β-1,4-гликозидными связями. Дисахаридный фрагмент состоит из

остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозамина, связанных β- 1,3-гликозидной связью:

Фрагмент гиалуроновой кислоты

Гиалуроновая кислота имеет высокую молекулярную массу порядка 106, растворы ее обладают высокой вязкостью. Высокая вязкость гиалуроновой кислоты отчасти вызвана ее полианионным характером при физиологических значениях рН, которые способствуют гидратированию цепей и образованию между ними водородных связей. Вследствие высокой вязкости она понижает проницаемость тканевых оболочек и препятствует проникновению в ткани болезнетворных микроорганизмов. Особенно высоко ее содержание в коже, стекловидном теле глаза, сухожилиях. Гиалуроновой кислоте присущи не только структурные функции. Пронизывая ткани в качестве межклеточного вещества гиалуроновая кислота регулирует поступление в клетки тех соеди-

34

нений, которые или нужны для жизнедеятельности клетки или являются ее продуктом.

Хондроитинсульфат – непременная составляющая часть хряща, костной ткани, сухожилий, сердечных клапанов. Хондроитинсульфат прочно связан с белком коллагеном.

Хондроитинсульфаты состоят из дисахаридных остатков N-ацетилиро- ванного хондрозина, соединенных β-1,4-гликозидными связями. В состав хондрозина входят D-глюкуроновая кислота и D-галактозамин, связанные между собой β-1,3-гликозидной связью.

N-ацетилхондрозин

Как свидетельствует само название, эти полисахариды являются эфирами серной кислоты (сульфатами). Сульфатная группа образует эфирную связь с гидрокисльной группой N-ацетил-D-галактозамина, находящейся либо в 4-м, либо в 6-м положении. Соответственно различают хондроитин-4- сульфат и хондроитин-6-сульфат.

Наличие дополнительных SO3-группировок сообщает еще больший полианионный характер хондроитинам.

Хондроитин-4-сульфат

Гепарин – гетерополисахарид, широко распространенный в тканях животного организма и особенно в значительных количествах содержащийся в печени, сердце, мышцах и легких. Ничтожные количества гепарина задерживают свертывание крови, т.е. он является сильным природным антикоагулянтом. Благодаря этому гепарин получил практическое применение в медицине.

Гепарин состоит из повторяющихся дисахаридных единиц, в состав которых входят остатки D-глюкозамина и двух уроновых кислот – D-глюкуро- новой и L-идуроновой (преобладает). Внутри дисахаридного фрагмента осу-

35

ществляется α-1,4-связь, если фрагмент оканчивается L-идуроновой кислотой, и β-1,4-связь, если D-глюкуроновой кислотой.

Аминогруппа у большинства глюкозаминных остатков сульфатирована, а у некоторых из них – ацетилирована.

Фрагмент молекулы гепарина

4.3Пищевые волокна

Основным источником углеводов в пище человека являются продукты растениеводства. С биохимической точки зрения все углеводы пищи можно подразделить на усвояемые организмом и неусвояемые.

Усвояемые углеводы являются основным источником химической энергии в организме, т.е. при их диссимиляции выделяется энергия, необходимая для различных метаболических процессов.

Неусвояемые углеводы не перевариваются в желудочно-кишечном тракте, не всасываются в кишечнике, а если и всасываются, то не вступают в метаболические процессы в организме. К неусвояемым углеводам относятся полисахариды: целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые вещества; олигосахариды: рафиноза, а также некоторые простые сахара. Пищеварительные секреты слюнной железы, желудка и кишечника не выделяют ферментов, способных расщеплять эти углеводы. Неусвояемые полисахариды образуют группу балластных веществ, называемых пищевыми волокнами. В технологии пищевых продуктов стремятся от них избавиться с целью получения более «рафинированной» пищи. Однако, присутствие их в пищевых продуктах необходимо. Доказано, что недостаток в рационе пищевых волокон является причиной многих желудочно-кишечных заболеваний, атеросклероза и диабета, поскольку они играют существенную роль в поддержании нормальной регуляции питания и метаболизма ряда веществ способствуют лучшему функционированию кишечника. Пищевые волокна, набухая в кишечнике, приобретают способность сорбировать и удалять из организма вредные вещества (токсины), катионы тяжелых металлов, радионуклиды, т.е. выполняют энтеросорбентную функцию. Кроме того, пищевые волокна нормализуют обмен холестерина, способствуют нормальному развитию полезной кишечной микрофлоры.

Плоды и овощи - морковь, капуста, свекла – содержат относительно большое количество пищевых волокон – до 1,5%.

Не обладая высокой энергетической ценностью, большинство овощей из-за обилия в них клетчатки способствуют раннему и довольно стойкому

36

чувству насыщения. Это свойство пищевых волокон трудно переоценить в комплексе мер профилактики и терапии ожирения.

Все это позволило отнести пищевые волокна к одному из резервов здорового долголетия. В суточном рационе взрослого человека должно содержаться 25-30 г пищевых волокон.

Наиболее полезны – пектины, лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза пшеничных отрубей, затем идут волокна капусты, затем – морковь.

5 Обмен углеводов

5.1Общие представления об обмене веществ и энергии

Обмен веществ и энергии составляет сущность жизнедеятельности любого организма. Обмен веществ представляет собой непрерывный, самосовершающийся и саморегулируемый круговорот веществ, протекающий в процессе существования живой материи и сопровождающийся ее постоянным самообновлением. Иными словами обмен веществ есть диалектическое единство противоположных процессов: ассимиляции (синтеза) и диссимиляции (распада), т.е. единство противоположных процессов питания и выделения, усвоения и разрушения, синтеза и распада.

Обмен веществ невозможен без сопутствующего ему обмена энергии. Каждое органическое соединение, входящее в состав живой материи, обладает определенным запасом потенциальной энергии, за счет которой может быть совершена работа. Эту энергию называют свободной энергией. Уровни свободной энергии индивидуальных исходных веществ и продуктов реакции, как правило, различны, вследствие чего в процессе преобразования веществ происходит перераспределение свободной энергии между компонентами реакционной смеси, т.е. протекает обмен энергией между веществами. Главными материальными носителями свободной энергии в органических веществах являются химические связи между атомами, поэтому при преобразовании химических связей в молекуле уровень свободной энергии соединения изменяется. Нормальными считаются связи, при возникновении или распаде которой уровень свободной энергии составляет около 12,5 кДж/моль. Однако, при новообразовании и распаде некоторых связей уровень свободной энергии в молекулах ряда органических веществ изменяется в гораздо большей степени и составляет 25-50 кДж/моль и более. Такие соединения называются макроэргическими, а связи, при образовании которых наступают столь крупные изменения в энергетическом балансе вещества – макроэргическими связями. В отличие от обычных они обозначаются значком ( ). В качестве примеров можно привести АТФ, глицерол-3-фосфат, коэнзим А, креатин-фосфат и др.

Макроэргические вещества выполняют функцию и доноров, и акцепторов энергии в обмене веществ, они служат как аккумуляторами, так и проводниками энергии в биохимических процессах. Кроме того, им свойственна роль трансформаторов энергии, так как они способны преобразовывать стационарную форму энергии химической связи в мобильную, т.е. в энергию

37

возбужденного состояния молекулы. Наиболее важным макроэргическим со- единением в организме является аденозинтрифосфорная кислота – АТФ:

макроэргические связи

5.2 Биологическое окисление

Совокупность окислительных реакций, происходящих в биологических объектах и обеспечивающих их энергией и метаболитами для осуществления процессов жизнедеятельности, называется биологическим окислением.

Существует два типа окисления: свободное окисление, не сопряженное с фосфорилированием АДФ (его называют еще микросомальное окисление) и окисление, сопряженное с фосфорилированием АДФ.

При свободном окислении высвобождающаяся при распаде химических связей энергия переходит в тепловую и рассеивается. По типу свободного окисления идут все без исключения оксигеназные реакции, все окислительные реакции, ускоряемые пероксидазами, многие реакции, катализируемые оксидазами. Процессы свободного окисления сосредоточены в цитоплазме, в мембранах эндоплазматической сети клетки, в мембранах лизосом, пероксисом и аппарата Гольджи.

Свободное окисление выполняет важную функцию модификации чужеродных соединений, например, лекарственных средств, гербицидов, продуктов загрязнения окружающей среды, попадающих в организм с водой, пищей. Многие из них являются канцерогенными. Их гидроксилирование в ходе свободного окисления облегчает последующую деструкцию (разложение) и выведение из организма.

При других видах окисления происходит накопление энергии в макро-

эргических связях АТФ. Реакция АДФ + Н3РО4 → АТФ + НОН называется реакцией фосфорилирования. Окисление, сопряженное с фосфорилированием АДФ, осуществляется двумя способами: путем субстратного фосфорилирования и путем окислительного фосфорилирования.

Если фосфорилирование АДФ происходит за счет разрыва макроэргической связи субстрата, такое фосфорилирование называется субстратным.

Если атомы водорода с коферментов дегидрогеназ, принимающих участие в окислении субстратов, передаются в оксидоредуктазную цепь, где сопряженно с переносом протонов и электронов на молекулярный кислород происходит фосфорилирование АДФ с образованием АТФ, такое фосфорилирование называется окислительным.

5.2.1 Брожение и дыхание

38

Окисление органических соединений, как уже указывалось, является основным источником энергии в живом организме в целом, и в клетке, в частности.

Окисление органических соединений (углеводов, жиров, белков) в организме может протекать двумя путями: в присутствии кислорода воздуха – этот тип окисления называется аэробным, или дыханием, и в отсутствии кислорода – этот тип окисления называется анаэробным, или брожением.

Общее уравнение дыхания глюкозы, например:

С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 2780 кДж. Различают три основных типа брожения:

Кроме этих основных видов брожения в природе существуют пропионовокислое, уксуснокислое, ацетоновое и другие виды, но они являются определенным сочетанием основных типов брожение и находят применение или сопровождают технологические процессы в различных отраслях промышленности.

Здесь мы приводим суммарные уравнения реакций аэробного и анаэробного окисления глюкозы. Но процесс окисления, в целом, представляет собой множество последовательно протекающих ферментативных реакций в клетках.

Конечной целью обоих этих процессов является:

а) синтез АТФ за счет утилизации энергии, аккумулированной в углеводах;

б) получение пластических соединений, являющихся исходным материалом для синтеза компонентов клетки.

5.2.2 Гликолиз

Гликолиз – универсальный и основной процесс катаболизма углеводов для большинства организмов, это последовательность реакций, приводящих к превращению глюкозы в пируват с одновременным образованием АТФ.

Важнейшими моносахаридами, катаболизм которых осуществляется по гликолитическому пути, являются Д-глюкоза и Д-фруктоза. Однако и другие моносахариды способны распадаться по пути гликолиза, поскольку они легко превращаются в эти сахара. Гликолиз – процесс анаэробный, однако он мо-

40

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза (класс лиазы). Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две фосфотриозы:

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов, катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно – глицеральде- гид-3-фосфат. Вследствие этого по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы, дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат, т.е. дальнейшему окислению подвергается 2 молекулы фосфотриозы.

Образованием глицеральдегид-3-фосфата завершается первая стадия гликолиза.

Вторая стадия включает в себя окислительно-восстановительную реакцию, сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы (класс оксидоредуктазы), кофермента НАД+ и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАДН:

41

1,3-бисфосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соединение.

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой (класс трансферазы), при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты:

кислота

Данная реакция является реакцией субстратного фосфорилирования. Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом

оставшейся фосфатной группы под действием фермента фосфоглицеромутазы (класс изомеразы).

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой (класс лиазы):

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэнергетической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпировиноградной кислоты на АДФ (субстратное фосфорилирование).

Катализируется ферментом пируваткиназой (класс трансферазы):

43

Рис.1 Схема гликолиза

5.2.4Молочнокислое брожение

44

Молочнокислое брожение отличается от спиртового тем, что пировиноградная кислота не декарбоксилируется как при спиртовом брожении, а непосредственно восстанавливается лактатдегидрогеназой (класс оксидоредуктазы) с участием НАДН, образовавшегося при гликолизе в шестой реакции:

HO

Молочнокислое брожение является основной стадией в производстве ржаного хлеба, в консервировании овощей и плодов, в изготовлении кисломолочных продуктов.

Молочнокислое брожение играет большую роль в засолке огурцов и помидоров, квашении капусты, мочке яблок. Молочная кислота является консервирующим фактором, предотвращающим развитие посторонней, особенно гнилостной, микрофлоры, придает продукту специфический вкус и аромат.

5.2.5Биоэнергетика анаэробного разложения углеводов

В процессе гликолиза затрачиваются две молекулы АТФ. Это реакции: первая – образования глюкозо-6-фосфата и третья – фруктозо-1,6-бисфосфа- та. В двух реакциях синтезируется АТФ за счет субстратного фосфорилирования. Это реакции образования глицерат-3-фосфата (см. реакцию 7) и ПВК (реакция 10). Поскольку в ходе гликолиза каждая молекула гексозы расщепляется на 2 трехуглеродных фрагмента, то, следовательно, в этом процессе синтезируются 4 молекулы АТФ. В шестой реакции (окисления глицеральде- гид-3-фосфата) образуется 2 молекулы НАДН2, которые в дыхательной цепи дадут 6 молекул АТФ. Итого в процессе гликолиза синтезируется 4+6–2=8 молекул АТФ. При образовании этилового спирта или молочной кислоты НАДН2 затрачивается на восстановление уксусного альдегида и ПВК соответственно. Поэтому выход АТФ при спиртовом или молочнокислом брожении глюкозы составит 4+6–2––6=2 молекулы АТФ.

5.2.6 Аэробное окисление

Клетки, недостаточно снабжаемые кислородом, могут частично или полностью существовать за счет энергии гликолиза. Однако большинство животных и растительных клеток в норме находятся в аэробных условиях. В этих условиях пируват, образовавшийся при расщеплении глюкозы, не восстанавливается до лактата, а постепенно окисляется до СО2 и Н2О в аэробной стадии катаболизма, при этом первоначально происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты.

45

5.2.6.1 Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (ПВК)

Окисление ПВК до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс».

Процесс окислительного декарбоксилирования ПВК происходит в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе пируватдегидрогеназного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилдегидрогеназа и дигидролипоилацетилтрансфераза) и 5 коферментов (тиаминпирофосфат (ТПФ (витамин В1)), амид липоевой кислоты, коэнзим А (СоА (витамин В3)), ФАД (флавинадениндинуклеотид (витамин В2)),НАД+(никотинамидадениндинуклеотид (витамин РР)).

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом:

ПВК

ацетил-СоА

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования аце- тил-СоА окисляется далее в цикле трикарбоновых кислот с образованием СО2 и АТФ.

5.2.6.2 Цикл трикарбоновых кислот (Цикл Кребса).

Этот цикл известен также под названием цикла лимонной кислоты или цикла Кребса в честь Г. Кребса, определившего последовательность реакций цикла. За это открытие Кребс получил в 1953 году Нобелевскую премию.

Хотя цикл трикарбоновых кислот мы рассматриваем во взаимосвязи с катаболизмом углеводов, однако его роль в метаболизме веществ гораздо шире.

Цикл Кребса выполняет следующие функции:

1.Интегративную – объединяет пути катаболизма углеводов, жиров, белков; во всех аэробных организмах он выступает в роли центрального метаболического пути углерода.

2.Амфиболическую – выполняет не только катаболическую функцию распада ацетильных остатков, но и анаболическую, поскольку субстраты цикла используются для синтеза других веществ;

3.Энергетическую – совместно с цепью переноса электронов является основным поставщиком химической энергии в форме АТФ.

Реакции цикла протекают в матриксе митохондрий и представляют восемь последовательных превращений.

Первая реакция цикла начинается с конденсации ацетил-СоА с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота.

Реакция катализируется цитрат-синтазой (класс лиазы):

46

В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидрагированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную (изоцитрат). Обратимые реакции гидратации-дегидратации катализирует фермент аконитаза (класс лиазы):

Третья реакция лимитирует скорость цикла Кребса. Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД–зависимой дегидрогеназы ( класс оксидоредуктазы):

Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-СоА.

Механизм этой реакции сходен с механизмом реакции окислительного декарбоксилирования ПВК. α-кетоглутаратдегидроге-назный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс (см. пируватдегидрогеназный комплекс):