Рабочая программа, письменные консультации и контрольные задания для студентов специальностей 271100 " Технология молока и молочных продуктов" и 271800 " Технология мяса и мясных продуктов" заочного факультета

(рабочие).

Новая ( систематическая) классификация и номенклатура ферментов была разработана Комиссией по ферментам Международного биохимического конгресса в 1961 г. в Москве. По этой классификации ферменты в зависимости от типа катализируемой реакции разделили на шесть главных классов, каждый из которых в свою очередь подразделили на подклассы и подподклассы, более точно характеризующие реакцию.

Согласно новой классификации каждый фермент имеет систематическое название, тривиальное (рабочее) название и шифр (идентификационный номер, кодовое число). Систематические названия ферментов используют в научных статьях, обзорах, указателях, рефератах; тривиальные - в повседневной практике. Перед шифром поставлены буквы КФ. Шифр каждого фермента содержит четыре числа, разделенных точками и составляется по следующему принципу.

Первое число указывает к какому из шести классов списка ферментов принадлежит данный фермент: к 1) оксидоредукиазам, 2) трансферазам,

3) гидролазам, 4) лиазам, 5) изомеразам и 6) лигазам (синтетазам).

Второе число обозначает подкласс. У оксидоредуктаз оно указывает природу группы в молекуле донора, подвергающуюся окислению; у трансфераз - природу транспортируемой группы ( одноуглеродные, альдегидные и др.); у гидролаз - тип гидролизуемой связи; у лиаз - тип связи, подвергающейся разрыву ( между окисляемой группой и остатком молекулы); у изомераз - тип катализируемой реакции изомеризации; у лигаз- тип вновь образуемой связи.

Третье число обозначает подподкласс. У оксидоредуктаз оно указывает для каждой группы доноров тип участвующего в реакции акцептора; у трансфераз - тип транспортируемой группы ( например, является ли одноуглеродная группа метилом или карбоксилом). У гидролаз это число уточняет тип гидролизуемой связи ( сложноэфирная связь тиоловых эфиров, фосфомоноэфиров и т.п.), а у лиаз - тип отщепляемой группы. У изомераз оно уточняет характер превращения субстрата, а у лигаз - природу образующего соединения.

Четвертое число обозначает порядковый номер фермента в данном подподклассе. Например, пируватдекарбоксилаза - фермент, катализирующий расщепление пировиноградной кислоты на СО₂ и уксусный альдегид, по этой системе имеет шифр КФ 4.1.1.1. Это означает, что она относится к четвертому классу ( лиазы) первому подклассу ( углерод-углерод лиазы), первому подподклассу ( карбокси-лиазы) и в списке этого подподкласса значится под № 1.

Ознакомтесь со всеми классами, важнейшими подклассами и отдельными ферментами. Перечень необходимых для изучения ферментов подберите в соответствии с пунктами 4.7, 4.8, 4.9, 4.10.
Вопросы для самопроверки

1. Что такое ферменты? Какова их роль в живом организме и промышленности? Иммобилизованные ферменты.

2. Методы выделения и очистки ферментов. Единицы активности ферментов.

3. Каковы химическая природа и строение ферментов? Коферменты и простетические группы, их строение.

4. Что такое активный центр ферментов? Каков принцип его организации у одно- и двухкомпонентных ферментов?

5. В чем заключается специфичность ферментов? Назовите виды специфичности и приведите примеры.

6. Как зависит активность ферментов от рН и температуры? Назовите оптимальные значения рН и температуры для отдельных ферментов.

7. Как зависит скорость ферментативной реакции от количества субстрата и фермента? Константа Михаэлиса.

8. Каков механизм действия ферментов? Обратимость действия.

9. Что такое активаторы и ингибиторы ферментов? Каков механизм их действия?

10. Номенклатура и классификация ферментов. Назовите классы ферментов и типы катализируемых ими реакций.

11. Каковы строение и роль в обмене пиридинзависимых (анаэробных) и флавинзависимых (аэробных ) дегидрогеназ?

12. К какому классу относятся и как называются ферменты, катализирующие гидролиз белков, жиров, углеводов?

13. Назовите различия между лиазами, лигазами, изомеразами, трансферазами.

14. Приведите примеры однокомпонентных и двух-компонентных ферментов.
Витамины

Витамины- природные, биологически активные органические соединения, абсолютно необходимые для нормальной жизнедеятельности человека, животных, растений, микроорганизмов. Они представляют сборную в химическом отношении группу веществ с разнообразными физическими свойствами, объединенных вместе по принципу абсолютной необходимости для человека и животных в качестве дополнительной к белкам, жирам, углеводам и минеральным веществам составной части пищи. Физиологическое действие витаминов на живые организмы тоже различно, и отдельные витамины в этом отношении совершенно не похожи друг на друга.

Витамины были открыты в 1880 г. русским исследователем Н.И.Луниным, название “витамин” им дал в 1912 г. польский исследователь К.Функ.

Потребность в витаминах организмы удовлетворяют по-разному: растения способны синтезировать все необходимые им витамины, человек и животные получают их с пищей в готовом виде или в виде провитаминов - предшественников из которых образуются соответствующие витамины.

Витамины тесно связаны с ферментами, многие из них принимают участие в построении активных ( небелковых ) групп двухкомпонентных ферментов и, тем самым, оказывают влияние на жизнеспособность организма. Отсутствие или недостаток в пище витаминов приводит к нарушению обмена веществ и, в конечном счете, заболеваниям, получившим название гипо- и авитаминозов.

По признаку растворимости витамины делят на две группы: растворимые в жирах (А, Д, Е, К и др.) и растворимые в воде (С, Р, витамины группы В и др.). Обратите внимание на название, строение, свойства, пищевые источники витаминов, биологическую роль и участие в строении ферментов; уясните, что некоторые витамины могут входить в состав различных ферментов.

1. Какие соединения называют витаминами? Принцип их классификации и номенклатура.

2. Строение и биологическое значение витаминов А и Д. Провитамины этих витаминов.

3. Строение и каталитические функции витаминов В₁ и В₂.

4. Почему витамин С обладает кислыми свойствами? Как сохранить витамин С в пищевых продуктах?

5. Строение и каталитические функции витамина РР.

6. Какими индивидуальными веществами представлены витамин В₆? В составе каких ферментов он выполняет свою биологичсекую роль.

7. Какой витамин входит в состав кофермента А?

8. Химическая природа витамина Е. Для каких целей витамин Е используется в пищевой промышленности?
Образование органического вещества растительными организмами
Жизнь на нашей планете зависит от энергии солнечного света, которая используется для синтеза органических соединений из простых предшественников. Сложная система реакций, в процессе которых энергия фотонов превращается в химическую энергии, называется фотосинтезом; организмы,ю в которых происходят эти реакции - фотосинтезирующими.

Фотосинтезирующие организмы ( высшие растенимя, папортники, мхи, водоросли и др.) получают за счет фотосинтеза все необходимые для их роста и обновления органические вещества. В то же время сами они, или продукты их жизнедеятельности служат пищей для животных организмов.

Фотосинтез основной, но не единственный, источник органических соединений и единственный источник свободного кислорода на Земле. Ежегоднозеленый покров нашей планеты запасает более 100 млрд. т органического вещества, усваивая при этом около 200 млрд. т СО₂ освобождая около 145 млрд. т кислорода.

Фотосинтетические реакции.

Поглащаемая фотосинтетическим аппаратом хлоропластов лучистая энергия расходуется: на а) разложение молекул воды

( фотолиз воды), сопровождающееся образованием НАДФН и молекулярного кислорода, и б) синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

Конечные продукты световых реакций фотосинтеза используются как восстановительная сила (НАДФН) и как источник энергии (АТФ) для превращения СО₂ в углеводы. Этапы, из которых слагается это превращение, получили название темновых реакций фотосинтеза.

На первом этапе темновых реакций фотосинтеза происходит присоединение СО₂ к молекуле рибулозо-1,5-дифосфата и образовавшееся соединение распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). Затем 3-ФГК при участии АТФ и НАДФН восстанавливаются до 3-фосфоглицеринового альдегида из которого через ряд этапов синтезируется фруктозо-6-фосфат. После этого фруктозо-6-фосфат из цикла может направляться либо на синтез сахарозы, крахмала и других углеводов, либо - через дыхательный путь - на построение углеродных скелетов любых других органических соединений клетки. Другая часть молекул фруктозо-6-фосфата расходуется в реакциях самого фотосинтеза на образование рибозо-1,5-дифосфата.

При изучении этого раздела обратите внимание на работы К.А.Тимирязева и других ученых, разберите последовательность световых и темновых реакций фотосинтеза, уясните роль хлорофилла в этом процессе.
Вопросы для самопроверки

1. Фотосинтез и его роль в образовании органических веществ на Земле. Какие организмы называются фотосинтезирующими?

2. Световые реакции фотосинтеза. Роль хлорофилла в этих реакциях. Конечные продукты световых реакций фотосинтеза.

3. Темновые реакции фотосинтеза. Какое соединение является акцептором СО₂ в темновых реакциях фотосинтеза?

4. На каких этапах фотосинтеза используется фосфорная кислота, НАДФН и АТФ?
Углеводы и их ферментативные превращения

Углеводами называют полиоксиальдегиды и полиоксикетоны с общей формулой СmН₂nОn, а также производные этих соединений. Они составляют до 90% сухой массы растительных организмов. В растениях углеводы служат основным питательным и главным опорным материалом. Наряду с этим они являются источником большого числа соединений, необходимых для биосинтеза органических кислот, белков, липидов, нуклеиновых кислот и т.п.

Изучение темы начните с классификации углеводов. Обратите внимание на содержание тех или иных углеводов в растительных биологических объектах и пищевом растительном сырье ( зерне, муке, клубнях, корнях и т.п.). Разбирая материал по строению и свойствам моносахаридов хорошо ознакомьтесь с их восстанавливающими свойствами, формулами ациклических и циклических форм моносахаридов, понятиями: асиметрический атом углерода, рацематы, эпимеры, таутомерия, аномеры, мутаротация; обратиие внимание на производные моносахаридов: гликозиды, глюкозамины, фосфорные эфиры, кислоты ( альдоновые, альдароновые, уроновые), спирты( сорбит, маннит, рибитол).

В разделе олигосахариды ( полисахариды 1-го порядка) следует разобраться в различии химических свойств восстанавливающих и невосстанавливающих сахаров, понятием инверсия и инвертный сахар, методами определения сахаров. Затем изучите строение, свойства, распространение в природе и значение в пищевой промышленности крахмала, гликогена, клетчатки, пентозанов, пектиновых веществ и других полиоз.

Обратите внимание, что пектиновые вещества - это полисахариды плодов, клубней и других частей растений, представленные несколькими группами соединений ( протопектин, пектин, пектиновая кислота). В основе строение этих соединений лежит цепь из остатков -Д-галактуроновой кислоты, связанных 14-связями.

Протопектины - нерастворимые в воде вещества, содержащиеся главным образом в стенках растительных клеток. В протопектинах полигалактуроновая кислота связана с другими веществами - крахмалом, целлюлозой, галактанами, арабанами и др. При созревании плодов протопектины под воздействием фермента протопектиназы разрушаются и переходят в растворимый пектин.

Пектины ( растворимый пектин) - это полигалактуроновые кислоты, часть карбоксильных групп которых этерифицирована метанолом; содержатся в клеточном соке. Пектины в присутствии сахара (65-70%) и кислоты ( при рН 3,1 -3,5) образуют желе. Это их свойство используют при производстве желе, джема, мармелада, пастилы, фруктовых карамельных начинок и т.п. Под воздействие фермента пектинэстеразы пектины расщепляются на метиловый спирт и полигалактуроновую кислоту.

Пектовая кислота - это полигалактуровая кислота. Она не образует студни, но способна образовывать соли - пектаты. В виде пектата кальция легко осаждается из раствора; этим пользуются при количественном определении пектиновых веществ. Под воздействием пектиназы в полигалактуроновой кислоте происходит гидролиз гликозидных связей.

Важное место в этом разделе занимают ферментативные превращения углеводов. Обратите внимание, что в процессе фотосинтеза образуется фруктозо-6-фосфат, который является исходным веществом для биосинтеза

всех остальных углеводов; основным углеводом, окисляющимся в клетках живых организмов, является глюкоза, которая в свою очередь образуется из синтезированных углеводов. Следовательно, в зависимости от физиологического состояния растений или от условий их выращивания, обмен углеводов в них может направлятся в сторону синтеза или распада тех или иных веществ. Знание этих процессов имеет важное значение для инженера-технолога, так как многие технологические процессы при производстве пищевых продуктов связаны с взаимопревращениями углеводов ( выращивание солода, созревание дрожжевого теста, производство спирта).

Взаимопревращения сахаров происходит через фосфорные эфиры или через уридиндифосфатпроизводные (УДФ-производные), представляющие собой тот или иной сахар, соединенный через два остатка фосфорной кислоты с уридином. Хорошо ознакомтесь с взаимопревращениями гексоз, образованием уроновых кислот и пентоз. Изучите ферментативный распад и биосинтез сахарозы и крахмала. Обратите внимание на два типа распада крахмала - гидролитический и фосфоролитический.

Уясните, что растительная -амилаза катализирует гидролиз в крахмале ( 14)-связей без определенного порядка; при ее участии образуется низкомолекулярные декстрины незначительное количество мальтозы. - амилаза также катализирует в крахмале гидролиз (14)-связей, но в отличие от -амилазы, она последовательно отщепляет от нередуцирующих концов молекулы крахмала остатки мальтозы. В молекуле амилопектина действие ее прекращается местом разветвления. Под воздействием -амилазы крахмал расщепляется до мальтозы и высокомолекулярных декстринов. Оба эти фермента содержатся в зерне пшеницы, ржи, ячменя и др., причем в проросших семенах высокая активность -амилазы, в покоящихся (нормальных) - -амилазы. Эти ферменты различаются также по температурному максимуму и рН Среды.

Вопросы для самоподготовки

1. Классификация углеводов. Углеводы растений и животных организмов.

2. Какие моносахариды-гексозы и их производные встречаются в организмах и каковы их свойства? Что такое пентозы?

3. Какие дисахариды встречаются в растениях и каковы их свойства?

Инвертный сахар. Восстанавливающие и невосстанавливающие сахара.

4. Строение, свойства, биологическое и пищевое значение крахмала, гликогена.

5. Строение и использование в пищевой промышленности пектиновых веществ.

6. Ферментативные превращения моносахаридов в растениях. Что такое нуклеотидные производные сахаров?

7. Какие ферменты катализируют гидролиз сахарозы, мальтозы, лактозы? Источники этих ферментов.

8. Основные пути ферментативного распада крахмала. Роль амилаз в пищевой промышленности.

9. Биосинтез сахарозы и крахмала.
Брожение и дыхание

Все живые организмы ( как растительные, так и животные) для своей жизнедеятельности требуют энергии. В качестве важнейшего источника энергии они используют углеводы (главным образом Д-глюкозу); источником энергии могут служить и другие окисляемые вещества. Окисление углеводов (глюкозы) может происходить двумя путями: анаэробно( в отсутствии кислорода) и аэробно ( с учетом кислорода). Анаэробное окисление глюкозы называют еще брожением. Процесс анаэробного и аэробного окисления в клетках живых организмов состоит в отнятии водорода ( электронов и протонов) и переносе их от донора к акцептору.

Обратите внимание, что при брожении роль конечного акцептора водорода выполняет какая-либо органическая молекула, образующаяся в процессе самого брожения; при дыхании эту роль выполняет кислород.

Существует много путей анаэробного расщепления глюкозы, но наиболее распостраненным среди всех типов клеток является ее распад через образование фруктозо-1,6-дифосфата(ФДФ), называемый гликолизом, путем Эмбдена-Мейергофа-Парнаса, ФДФ-путем. Расщепление глюкозы по этому пути идет в две стадии. В первую стадию ( подготовительную) глюкоза фосфорилируется и превращается в ФДФ, расщепляющийся затем с образованием двух триозофосфатов - 3-фосфо-гли-церинового альдегида ( 3-ФГА) и диоксиацетонфосфата. Во вторую стадию эти триозофосфаты окисляются до пировиноградной кислоты (ПВК). В результате гликолиза происходит образование восстановленного НАД и накопление энергии в виде АТФ.

Образовавшаяся в результате гликолиза ПВК при отсутствии кислорода вступает в реакции, последовательность которых носит название БРОЖЕНИЯ. Эти реакции расматривают ныне как простейшую форму получения энергии из питательных веществ ( глюкозы) организмами, способными существовать в анаэробных условиях ( молочнокислое, маслянокислое и пропионовокислые бактерии, дрожжи, некоторые простейшие и др.). Обратите внимание , что дрожжи - аэробные организмы, но при отсутствии в среде кислорода они способны получать энергию за счет брожения.

В соответствии с основными продуктами, образующимися при брожении, различают спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и другие виды брожения. Сбраживание сахаров микроорганизмами происходит с различной скоростью. Наиболее легко сбраживаются глюкоза и фруктоза, медленнее - манноза и галактоза; сахароза, мальтоза, лактоза сбраживаются лишь после предварительного гидролиза на составляющие их моносахариды.

Аэробные организмы ( высшие растения, животные и др.) получают энергию за счет ДЫХАНИЯ. Распад глюкозы у них происходит при участии молекулярного кислорода, выполняющего роль конечного акцептора водорода. Различают три стадии процесса дыхания. Первая носит название гликолиза и, следовательно, представляет собой последовательность реакций, характерных для анаэробного окисления глюкозы до ПВК. Последняя во второй стадии дыхания при участии пируватдегидрогеназной системы подвергается окислительному декарбоксилированию одним из продуктов которого является ацетил-КоА, расщепляемый далее в цикле Кребса до СО₂ с образованием НАДН,

ФАДН₂ и синтезом некоторого количества АТФ. На третьей стадии дыхания НАДН и ФАДН₂ передают свой водород (электроны и протоны) через систему переносчиков, называемую дыхательной цепью, свободному кислороду. Энергия, высвобождаемая в результате этой передачи, расходуется на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Процесс синтеза АТФ за счет энергии, высвобождаемой при передачи электронов и протонов ( водорода) по дыхательной цепи на сводобный кислород, называют окислительным фосфорилированием.

Изучите химизм анаэродного и аэробного окисления углеводов, подсчитайте сколько молекул АТФ образуется при брожении и дыхании. Обратите внимание на центральное положение ПВК в химизме брожения и дыхания и на использовании промежуточных продуктов этих процессов в обмене веществ. Уясните, что клубни картофеля, корни сахарной свеклы, зерна злаков и бобовых, плоды и т.п. - живые организмы и их жизнедеятельность проявляется в дыхании. Интенсивность дыхания этих организмов зависит от различных факторов и существенно отражается на хранении растительного сырья.
Вопросы для самопроверки

1. Что такое брожение и дыхание?

2. Каков химизм спиртового и молочнокислого брожений?

3. Что такое дыхательный коэффициент? От каких факторов зависит интенсивность дыхания? Влияние интенсивности дыхания на сохранность пищевого растительного сырья.

4. Каков механизм окислительного и неокислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты? Какие продукты образуются в результате этих видов декарбоксилирования пировиноградной кислоты?

5. Цикл Кребса и его суммарный результат.

6. Что представляет собой цепь переноса водорода и электронов на кислород? Что такое окислительное фосфорилирование?

7. В чем заключается взаимосвязь процессов брожения и дыхания? Каково значение ПВК в химизме брожения и дыхания?

8. Энергетическое значение анаэробного и аэробного распада глюкозы.
Липиды. Обмен липидов в организме

Липиды - это разнообразная группа нерастворимых в воде органических веществ, которые содержатся в клетках организмов и могут быть экстрагированны из них неполярными ( эфиром, бензолом, хлороформом, петролейным эфиром и др.). Липиды подразделяются на нейтральные жиры ( ацилглицерины) и жиропобные вещества ( липоиды). К липоидам относят воска, фосфолипиды ( фосфатиды), гликолипиды, стероиды, растворимые в жирах пигменты ( каротиноиды, хлорофилл), жирорастворимые витамины.

При изучении этого раздела особое внимание обратите на строение, физико-химические свойства, применение в пищевой промышленности нейтральных жиров и фосфатидов ( лецитина и кефалина). Ознакомтесь со строением каротинов, хлорофилла, восков и стероидов. Обратите внимание, что липиды играют важную роль как запасные питательные вещества (особенно в семенах масличных культур) и как структурные компоненты клеток.

Для биосинтеза липидов необходимы глицерин и жирные кислоты. Эти соединения образуются из промежуточных продуктов процесса дыхания: глицерин - из диоксиацетонфосфата, являющегося одним из промежуточных продуктов гликолиза, а жирные кислоты - из ацетил-КоА, который является продуктом окислительного декарбоксилирования ПВК. Внимательно разберите механизм биосинтеза глицерофосфата, жирных кислот и нейтральных жиров. Обратите внимание, что в биосинтезе жирных кислот участвует малонилкофермент А и мультиферментный комплекс, называемый ацилпереносящим белком (АПБ).

Уясните, что при биосинтезе фосфолипидов к третьему углеродному атому глицерофосфата вместо КоА-производных жирных кислот присоединяется какое-либо азотосодержащее соединение ( холин, этаноламин и др.), связанное с фосфорной кислотой.

Распад жиров наиболее интенсивно происходит при прорастании семян масличных культур. Продукты их распада в семенах этих растений служат источником энергии и материалом для построения тканей развивающегося зародыша. При этом главным продуктом, возникающим при распаде жиров, является сахар.

В общей форме процесс превращения жиров при прорастании семян масличных культур можно представить следующим образом. Вначале под действием фермента липазы жиры гидролитически расщепляются на глицерин и жирные кислоты.

Глицерин при участии АТФ и НАД окисляется до 3-ФГА. Последний превращается в сахар в соответствии со схемой, полученнй Вами в разделе

6, или может окисляться до СО₂ и Н₂О ( см 8). Жирные кислоты активируются, соединяясь с коферментом А , а затем, посредством так называемого -окисления, постепенно расщепляются до ацетил-КоА, часть которого вступает в цикл Кребса и, в конечном итоге, окисляется до воды и СО₂ .

Другая часть ацетил-КоА, образовавшегося при -окислении жирных кислот, может использоваться для синтеза углеводов. В этом случае он вступает в глиоксилатный цикл, одним из конечных продуктов которого является янтарная кислота. Последняя вовлекается в цикл Кребса, где превращается в щавелевоуксусную кислоту. Затем щавелевоуксусная кислота, выйдя из цикла Кребса, переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту и через триозофосфаты из нее синтезируются сахара.

Гидролиз фосфатидов на структурные единицы происходит с участием ферментов фосфолипаз. Разберите схему окисления глицерина и жирных кислот до конечных продуктов. Познакомтесь с процессом биосинтеза углеводов из продуктов распада жиров.
Вопросы для самопроверки

1. Классификация и биологическая роль липидов.

2. Строение , свойства, содержание в растениях нейтральных жиров (ацилглицеринов ) и восков. Прогоркание жиров. Липоксигеназа.

3. Строение, свойства и роль в пищевой промышленности фосфатидов (лецитинов и кефалинов).

4. Строение и биологическая роль каротиноидов и растительных стероидов.