Сахароза, ее химическое строение и свойства. Ферментативный гидролиз сахарозы. Инверсия сахаров. Природные источники сахарозы

Федеральное агентство по образованию

Уфимский филиал государственного образовательного учреждения высшего  профессионального образования  «Оренбургский государственный  университет»

Контрольная работа

По биохимии

Выполнила студентка       ─_{(подпись)}─        Кудрина Н.Н.                                                    

                                                                     шифр 734, гр.ТБС-3

                                                                     №35, 52, 87

 Проверила                        ─_{( подпись)}─       Ямалеева А.А.

г. Уфа-2012г. 

Содержание

№ 35. Сахароза, ее химическое строение и свойства. Ферментативный гидролиз сахарозы. Инверсия сахаров. Природные источники сахарозы…….3

№ 52. Взаимосвязь    процессов    брожения    и    дыхания.     Включение 
пировиноградной  кислоты  в  цикл  Кребса  (цикл  ди- и трикарбоновых 
кислот)…………………………………………………………………………….9

№ 87. Биохимические и биологические процессы, происходящие при главном брожении сусла…………………………………………………………………..12

Список используемой литературы…………………………………...…............15

35. Сахароза, ее химическое  строение и свойства. Ферментативный гидролиз сахарозы. Инверсия сахаров. Природные источники сахарозы.

Сахароза C₁₂H₂₂O₁₁, или свекловичный сахар, тростниковый сахар, в быту просто сахар — дисахарид из группы олигосахаридов, состоящий из двух моносахаридов — α-глюкозы и β-фруктозы.

(2-a -D -глюкопиранозидо-?-D –фруктофуранозид.)

Сахароза является весьма распространённым в природе дисахаридом, она встречается  во многих фруктах, плодах и ягодах. Особенно велико содержание сахарозы в сахарной свёкле и сахарном тростнике, которые и используются для промышленного производства пищевого сахара.

Сахароза имеет высокую растворимость. В химическом отношении сахароза довольно инертна, так как при  перемещении из одного места в  другое почти не вовлекается в метаболизм. Иногда сахароза откладывается в качестве запасного питательного вещества.

Сахароза, попадая в кишечник, быстро гидролизуется альфа-глюкозидазой тонкой кишки на глюкозу и фруктозу, которые затем всасываются в кровь. Ингибиторы альфа-глюкозидазы, такие, как акарбоза, тормозят расщепление и всасывание сахарозы, а также и других углеводов, гидролизуемых альфа-глюкозидазой, в частности, крахмала. Это используется в лечении сахарного диабета 2-го типа.

Внешний вид

Бесцветные  моноклинные кристаллы. При застывании расплавленной сахарозы образуется аморфная прозрачная масса — карамель.

Химические и физические свойства

Молекулярная  масса 342,3 а. е. м. Брутто-формула (система  Хилла): C₁₂H₂₂O₁₁. Вкус сладковатый. Растворимость (грамм на 100 грамм растворителя): в воде 179 (0 °C) и 487 (100 °C), в этаноле 0,9 (20 °C). Малорастворима в метаноле. Не растворима в диэтиловом эфире. Плотность 1,5879 г/см³ (15 °C). Удельное вращение для D-линии натрия: 66,53 (вода; 35 г/100г; 20 °C). При охлаждении жидким воздухом, после освещения ярким светом кристаллы сахарозы фосфоресцируют. Не проявляет восстанавливающих свойств — не реагирует с реактивом Толленса и реактивом Фелинга. Не образует открытую форму, поэтому не проявляет свойств альдегидов и кетонов. Наличие гидроксильных групп в молекуле сахарозы легко подтверждается реакцией с гидроксидами металлов. Если раствор сахарозы прилить к гидроксиду меди (II), образуется ярко-синий раствор сахарата меди. Альдегидной группы в сахарозе нет: при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра (I) она не дает «серебряного зеркала», при нагревании с гидроксидом меди (II) не образует красного оксида меди (I). Из числа изомеров сахарозы, имеющих молекулярную формулу С₁₂Н₂₂О₁₁, можно выделить мальтозу и лактозу.

Реакция сахарозы с водой

Если прокипятить  раствор сахарозы с несколькими  каплями соляной или серной кислоты  и нейтрализовать кислоту щелочью, а после этого нагреть раствор, то появляются молекулы с альдегидными группами, которые и восстанавливают  гидроксид меди (II) до оксида меди (I). Эта реакция показывает, что сахароза при каталитическом действии кислоты  подвергается гидролизу, в результате чего образуются глюкоза и фруктоза:

Реакция с гидроксидом меди (II)

В молекуле сахарозы имеется несколько гидроксильных  групп. Поэтому соединение взаимодействует  с гидроксидом меди (II) аналогично глицерину и глюкозе. При добавлении раствора сахарозы к осадку гидроксида меди (II) он растворяется; жидкость окрашивается в синий цвет. Но, в отличие  от глюкозы, сахароза не восстанавливает  гидроксид меди (II) до оксида меди (I).

Ферментативный гидролиз сахарозы 

Ферментативный гидролиз сахарозы существенно отличается от реакции, катализируемой кислотой. В своей классической работе 1902 года Браун показал, что абсолютное количество сахарозы, гидролизуемое в единицу времени, не зависит от начальной концентрации сахарозы. Другими словами, оказалось, что реакция гидролиза имеет нулевой порядок по сахарозе. Интерпретация этого наблюдения, предложенная Брауном, послужила основой практически всех возникших в дальнейшем представлений о механизме действия фермента. Браун предположил, что фермент соединяется с сахарозой в комплекс, который затем расщепляется с образованием продуктов реакции и освобождением фермента. Полученные Брауном экспериментальные данные соответствуют тому, что должно происходить в такой системе, содержащей небольшое количество фермента и избыток сахарозы. 

Особый интерес представляет ферментативный гидролиз сахарозы. 

Если раствор содержит вещества, способные соединяться с ферментом, то между этими веществами и субстратом возникнет конкуренция за соединение с ферментом. Напомним, что ферментативный гидролиз сахарозы инвертазой тормозится одним из продуктов реакции, а именно: фруктозой.

Еще один моносахарид, широко распространенный в природе, - это фруктоза, или  плодовый сахар. Извлекая из цветов сладкие  соки, пчелы превращают их в мед, углеводная часть которого является смесью глюкозы и фруктозы. Эта  смесь образуется при ферментативном гидролизе сахарозы. 

Другой моносахарид, широко распространенный в растительном мире, - это фруктоза ( кетогексоза) или плодовый сахар. Извлекая из цветов сладкие соки, пчелы приготовляют мед, который по своему химическому составу представляет собой в основном смесь глюкозы и фруктозы. Эта смесь образуется при ферментативном гидролизе сахарозы, содержащейся в собираемых пчелами соках. 

Еще один моносахарид, широко распространенный в природе, - это фруктоза, или  плодовый сахар. Извлекая из цветов сладкие  соки, пчелы превращают их в мед, углеводная часть которого является смесью глюкозы и фруктозы. Эта  смесь образуется при ферментативном гидролизе сахарозы. 

Другой моносахарид, широко распространенный в растительном мире - это фруктоза ( кетогексоза) или плодовый сахар. Извлекая из цветов сладкие соки, пчелы приготовляют мед, который по своему химическому составу представляет собой в основном смесь глюкозы и фруктозы. Эта смесь образуется при ферментативном гидролизе сахарозы, содержащейся в собираемых пчелами соках. Другие моносахариды почти не встречаются в свободном виде в природе, но входят в состав важных олиго - и полисахаридов. Так, например, ксилоза ( древесный сахар) является составной частью полисахарида ксилана, сопровождающего клетчатку в соломе, кукурузных стеблях, хлопке; арабиноза встречается в растениях в виде полисахарида арабана, входящего в состав вишневого-клея, аравийской камеди ( отсюда и название арабиноза); рибоза имеет очень большое биологическое значение из-за своей связи с нуклеиновыми кислотами.

Другой моносахарид, широко распространенный в растительном мире, - это фруктоза ( кетогексоза) или плодовый сахар. Извлекая из цветов сладкие соки, пчелы приготовляют мед, который по химическому составу представляет собой в основном смесь глюкозы и фруктозы. Эта смесь образуется при ферментативном гидролизе сахарозы, содержащейся в собираемых пчелами соках. 

Другой моносахарид, широко распространенный в растительном мире - это фруктоза ( кетогексоза), или плодовый сахар. Извлекая из цветов сладкие соки, пчелы приготовляют мед, который по химическому составу представляет собой в основном смесь глюкозы и фруктозы. Эта смесь образуется при ферментативном гидролизе сахарозы, содержащейся в собираемых пчелами соках. 

Такое пространственное строение глюкозы  и определяет ее предпочтительную биохимическую  роль: глюкоза - термодинамически наиболее выгодный, а поэтому самый устойчивый моносахарид. Другой моносахарид, широко распространенный в растительном мире, - это фруктоза, или плодовый сахар. Извлекая из цветов сладкие соки, пчелы превращают их в мед, с химической точки зрения являющийся в основном смесью глюкозы и фруктозы. Эта смесь образуется при ферментативном гидролизе сахарозы, содержащейся в собираемых пчелами соках. 

Инверсия  сахаров

Преимущественным компонентом  нектара является сахароза. Это —  сложный сахар, который не всасывается  через стенки кишечника в кровь  ни у пчелы, ни у человека. Но в  процессе пищеварения сахароза разлагается  на два простых сахара: глюкозу (виноградный) и фруктозу (плодовый). Разложение сахарозы в пищеварительной системе животных и человека происходит под воздействием фермента инвертазы, а сам процесс называют инверсией сахара. Он происходит одновременно с удалением из нектара избытка воды.

Инвертаза вырабатывается в глоточной  железе пчелы, расположенной в передней части головы. Железа состоит из двух длинных, извивающихся протоков, вокруг которых расположены альвеолы, состоящие из нескольких крупных  секреторных клеток. Железа имеет  два выводных отверстия, которые  находятся на глоточной пластинке  — в полости, куда насасывается нектар, поступающий из хоботка. Глоточная  железа у молодой пчелы после  выхода из ячейки быстро развивается  и в первые две недели жизни  выделяет секрет, составляющий основную часть молочка для кормления  личинок. В это время инвертаза  хотя и выделяется, но в незначительном количестве. Во вторую же половину жизни, когда пчела прекращает кормление  личинок и переходит к летной работе, железа перестраивается, усиливается  ее активность по выделению инвертазы. Наибольшей интенсивности она достигает с 20-го по 30-й день жизни пчелы. Затем активность инвертазы снижается, и старые пчелы уже совсем ее не выделяют.

В сильных семьях пчелы переходят  к летной работе раньше, чем в  слабых. Соответственно у пчел из сильных семей раньше наступает стадия активного выделения инвертазы. Пчелы весеннего поколения дольше выращивают расплод, поэтому активное выделение инвертазы у «их начинается позднее.

Уже во время всасывания нектара  из цветков к нему примешивается  секрет глоточной железы и в медовом зобике начинается инверсия сахарозы. Этот процесс продолжается и в улье, когда пчелы неоднократно переносят его из одних ячеек в другие. Исследования показав ли, что инвертаза пчел наиболее активна при температуре 34—35°С, т.е. при такой, какая бывает в гнезде вблизи расплода.

Пчела, набравшая нектар в медовый  зобик, садится где-либо на соте головой кверху и то выпрямляет, втягивает хоботок. На вытянутый, слегка изогнутый хоботок пчела выпускает капельку нектара, которая оказывается как бы подвешенной к хоботку. Затем пчелы постепенно выпрямляет хоботок, и нектар вновь втягивается в глотку и медовый зобик. Пчела много раз выпускает и вновь втягивает капельку нектара. Окончив; работу, она складывает нектар в ячейку. При пропускании через хоботок каждый раз к нектару подмешивается секрет глоточной железы, который обогащает нектар ферментами, ускоряющими инверсию, и белком.

В опыте после скармливания пчелам чистого сахарного сиропа (в нем  вовсе нет белка) в сиропе оказалось, 0,08% белка; после повторного скармливания того же сиропа содержание белка возросло до 0,14%.

В ускорении инверсии сахарозы большое  значение имеют многократные переносы созревающего нектара из одних ячеек  в другие, при которых каждый раз  пчела добавляют к нектару  секрет, содержащий инвертазу. Сотрудник  Института пчеловодства в своем  опыте скормил семьям пчел 50%-ный сахарный сироп, который пчелы сложили в ячейки сотов. Через 18 часов 50% ячеек со сложенным кормом в каждом соте он покрыл густой металлической сеткой, чтобы лишить пчел доступа к созревшему корму

Рис. 1. Скорость инверсии сахарозы:

I — корм в ячейках был в  течение всего времени доступен  для пчел; II — корм а ячейках был доступен для пчел только в течение первых 18 ч.

Рисунок 1, на котором отражена скорость инверсии сахарозы в ячейках со свободным доступом к ним пчел (верхняя кривая) и в ячейках, закрытых металлической сеткой (нижняя кривая), показывает, что доступ пчел к корму значительно ускорил процесс инверсии.

На активность ферментов в созревающем  нектаре влияет количество нектара, поступающего в улей за день. При  сборе нектара небольшими капельками (путем слизывания язычком) в медовом зобике оказывается больше инвертазы, чем при быстром засасывании его. Замечено, что подкормка пчел сахарным сиропом из кормушки всегда усиливает секрецию глоточных желез.

Инверсия сахарозы продолжается и  после запечатывания меда в ячейках  восковыми крышечками. В свежезапечатанном меде может быть до 6% сахарозы; со временем же количество ее снижается до 1% и менее.

У трутней и маток глоточные  железы не содержат инвертазы; они не участвуют в переработке нектара, а питаются уже готовым медом.

Пчелиная семья может внести 8—12 кг и больше нектара за день. Весь этот нектар пчелы перерабатывают, расходуя энергию и белок, входящий в состав фермента. Пчелы подготавливают углеводную пищу (мед), которая непосредственно  из кишечника всасывается в кровь (гемолимфу) и усваивается клетками тела без каких-либо затрат на переваривание.

Природные и антропогенные источники

Содержится  в сахарном тростнике, сахарной свёкле (до 28 % сухого вещества), соках растений и плодах (например, берёзы, клёна, дыни и моркови). Источник получения сахарозы — из свёклы или из тростника, определяют по соотношению содержания стабильных изотопов углерода ¹²C и ¹³C. Сахарная свёкла имеет C3-механизм усвоения углекислого газа (через фосфоглицериновую кислоту) и предпочтительно поглощает изотоп ¹²C; сахарный тростник имеет C4-механизм поглощения углекислого газа (через щавелевоуксусную кислоту) и предпочтительно поглощает изотоп ¹³C.

Мировое производство в 1990 году — 110 000 000 тонн.

№ 52 Взаимосвязь процессов дыхания и брожения.

Включение пировиноградной  кислоты  в  цикл  Кребса  (цикл  ди- и трикарбоновых кислот).

Брожение — это внутренний окислительно-восстановительный процесс, при котором акцептором электронов служит органическая молекула и суммарная степень окисления образующихся продуктов, отличается от степени окисления сбраживаемого вещества. С.П. Костычев выдвинул положение о генетической связи процессов брожения и дыхания. При этом он опирался на следующие факты:

1. У высших растений был найден  весь набор ферментов, который  катализирует отдельные этапы процесса брожения.

2. При временном попадании в  условия анаэробиоза высшие растения  определенное время существуют за счет энергии, выделяющейся в процессе брожения. Правда, поскольку процесс брожения энергетически значительно менее эффективен, в анаэробных условиях рост растений приостанавливается. Кроме того, продукты брожения, в частности спирт, ядовиты, и их накопление приводит к гибели растения.

3. При добавлении к клеткам  факультативных анаэробов (дрожжи) полусброженных Сахаров интенсивность дыхания у них резко возрастает, следовательно, полусброженные продукты являются лучшим субстратом дыхания по сравнению с неизмененными сахарами.

В настоящее время общепризнано, что первые этапы (гликолиз) протекают  одинаково при процессах, как  дыхания, так и брожения. Поворотным моментом является образование пировиноградной  кислоты. В аэробных условиях пировиноградная  кислота распадается до С0₂ и воды в результате декарбоксилирования и цикла Кребса (дыхание), тогда как в анаэробных она преобразуется в различные органические соединения (брожение). Организм обладает способностью при изменении условий переключать процессы, прекращая брожение и усиливая дыхание и наоборот. Впервые в опытах Пастера было показано, что в присутствии кислорода процесс брожения у дрожжей тормозится и заменяется процессом дыхания. Одновременно резко сокращается распад глюкозы. Сокращение расхода глюкозы в присутствии кислорода целесообразно, поскольку при дыхательном распаде выход энергии значительно выше, а следовательно, глюкоза используется более экономно. Однако осуществление разбираемого эффекта требует специальных механизмов, которые будут рассмотрены далее. В зависимости от получаемого продукта различают разные типы брожения. При спиртовом брожении пировиноградная кислота, образовавшаяся в процессе гликолиза, декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида при участии фермента пируватдекарбоксилазы, а затем восстанавливается до этилового спирта ферментом алкогольдегидрогеназой:

Обе эти реакции не сопровождаются образованием АТФ. В связи с этим выход АТФ при спиртовом брожении такой же, как при гликолизе (первой фазы брожения и дыхания), и составляет две молекулы при распаде 1 моль глюкозы. Восстановленные никотинамидные коферменты НАДН + Н⁺, образовавшиеся в процессе гликолиза, не поступают в дыхательную цепь (у анаэробных организмов ее и нет), а используются для восстановления уксусного альдегида до спирта. Следовательно, энергетический выход процессов брожения крайне низок. Разные микроорганизмы осуществляют и разные типы брожения. Так, молочнокислые бактерии накапливают молочную кислоту. При этом пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты:

       Для некоторых облигатных анаэробных микроорганизмов, например азотфиксирующей бактерии Clostridium pasteurianum, характерно образование в процессе брожения масляной кислоты, С0₂ и N₂. Процесс брожения служит источником энергии для облигатных (обязательных) или факультативных анаэробных организмов. Обе эти реакции не сопровождаются образованием АТФ. В связи с этим выход АТФ при спиртовом брожении такой же, как при гликолизе (первой фазы брожения и дыхания), и составляет две молекулы при распаде 1 моль глюкозы. Восстановленные никотинамидные коферменты НАДН + Н⁺, образовавшиеся в процессе гликолиза, не поступают в дыхательную цепь (у анаэробных организмов ее и нет), а используются для восстановления уксусного альдегида до спирта. Следовательно, энергетический выход процессов брожения крайне низок. Разные микроорганизмы осуществляют и разные типы брожения. Так, молочнокислые бактерии накапливают молочную кислоту. При этом пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты: Для некоторых облигатных анаэробных микроорганизмов, например азотфиксирующей бактерии Clostridium pasteurianum, характерно образование в процессе брожения масляной кислоты, С0₂ и N₂. Процесс брожения служит источником энергии для облигатных (обязательных) или факультативных анаэробных организмов.

Включение пировиноградной  кислоты  в  цикл  Кребса  (цикл  ди- и трикарбоновых кислот).

№87 Биохимические и биологические процессы, происходящие при главном брожении сусла

При главном брожении сусла протекают  биологические, биохимические и физико-химические процессы, которые обусловливают формирование состава молодого пива.

Биологические процессы. К ним относится процесс размножения дрожжей. Способность дрожжей к размножению, т. е. к увеличению числа их клеток, зависит от состава питательных веществ в сусле, температуры, рН среды, доступа кислорода и др.

Размножение дрожжей при сбраживании  пивного сусла проходит четыре основные фазы:

-Латентную, когда клетки приспосабливаются к среде и видимые признаки размножения дрожжей отсутствуют;

-Логарифмическую, характеризующуюся интенсивным размножением при некотором отставании прироста биомассы дрожжей;

-Стационарную, в которой размножение дрожжей замедляется и количество клеток остается без изменений;

-Затухания, характеризующуюся снижением активности размножения клеток, что обусловлено уменьшением массы питательных веществ и увеличением количества продуктов обмена.

Размножение дрожжей прекращается, мертвые клетки оседают на дно  бродильного аппарата. Количество дрожжевых  клеток в конце брожения увеличивается  в 2.. .5 раз.

Биохимические процессы. К ним относится спиртовое брожение, представляющее собой цепь ферментативных процессов, конечным результатом которых является распад глюкозы с образованием этилового спирта и диоксида углерода, высвобождение энергии и теплоты. Вместе с тем эта энергия необходима дрожжевой клетке для образования новых тканевых веществ, используемых для жизнедеятельности, в том числе для роста и размножения.

Спиртовое брожение — каталитический процесс, происходящий под действием  биологических катализаторов —  ферментов. Этот сложный непрерывный  процесс распада сахара катализируется разными ферментами с образованием 12 промежуточных продуктов. Углеводы сбраживаются в определенной последовательности, обусловленной скоростью их проникновения в дрожжевую клетку. Вначале сбраживаются глюкоза и фруктоза. Сахароза предварительно гидролизуется ферментом β-фруктофуранозидазой дрожжей до глюкозы и фруктозы, которые расходуются дрожжами еще в начале брожения. Когда в сусле почти не остается фруктозы и глюкозы, дрожжи начинают потреблять мальтозу. В среднем в 100 мл 12%-ного сусла содержится около 7,8 г сбраживаемых сахаров. Из них приходится, например, 14% на глюкозу и фруктозу, 4% на сахарозу, 64% на мальтозу и 18% на мальтотриозу (триозы). Из этих видов сахаров сначала сбраживаются моносахариды и ди-сахариды. Триозы сбраживаются большей частью во время дображивания, и от интенсивности протекания этого процесса зависит степень сбраживания готового пива.

При ферментативном распаде углеводов  в качестве побочных продуктов брожения в небольших количествах образуются высшие спирты, сложные эфиры, альдегиды  и их производные, органические кислоты, а также соединения, содержащие серу. Эти вещества имеют значение для аромата и вкуса пива.

Высокая температура брожения, интенсивная  аэрация и перемешивание сусла обусловливают высокую концентрацию спиртов, а брожение под давлением снижает их образование. При низком содержании а-аминокислот в сусле увеличивается концентрация высших спиртов. Те же закономерности действуют при образовании сложных эфиров.

Содержание альдегидов при ускорении  брожения несколько понижается. Увеличение содержания четырехуглеродных соединений — ацетоина, диацетила, 2,3-бутиленгликоля — находится в прямой зависимости от повышения температуры брожения, нормы введения дрожжей и количества кислорода.

В процессе главного брожения образуются органические кислоты — уксусная, молочная, янтарная, муравьиная, пировиноградная, лимонная, яблочная и др.

К летучим относят уксусную и муравьиную кислоты, образующиеся в результате расщепления глюкозы. Образование уксусной кислоты усиливается при увеличении нормы введения дрожжей, повышении температуры и интенсивной аэрации. В пиве может содержаться 20… 150 мг/л уксусной кислоты, 20…40 мг/л муравьиной.

Нелетучие кислоты — пировиноградная, янтарная, лимонная, молочная — образуются как продукт обмена дрожжей при  брожении, а также при дезаминироваиии аминокислот. В пиве может находиться пировиноградной кислоты 40…75 мг/л, янтарной в среднем 60…100, молочной 20…120 и лимонной 110…120 мг/л.

В течение трех-четырех дней главного брожения образуются как продукты обмена дрожжей карбоновые (жирные) кислоты: капроновая, каприловая, каприновая и лауриновая.

При ускоренном брожении содержание этих кислот понижается, а в случае автолиза дрожжей возрастает. Эти  кислоты могут отрицательно влиять на вкус и пеностойкость готового пива. В процессе брожения образуется 1300.. .2000 мг/л глицерина. При высокой температуре брожения и массовой доле сухих веществ в сусле, а также повышенной норме введения дрожжей накапливается наибольшее количество глицерина.

Содержание азотистых веществ при брожении уменьшается примерно на 30%. В молодом пиве, приготовленном только из солода, содержится около 650 мг/л азотистых веществ. Из них почти 25…45% — аминокислоты и пептиды, которые ассимилируются дрожжами. Количество ассимилируемого дрожжами низкомолекулярного азота зависит от штамма дрожжей, способа брожения, аэрации сусла и т. п. Ассимиляция азота, уменьшение его общего содержания являются условием для размножения дрожжей при брожении и образования веществ, создающих аромат пива. В процессе брожения происходит выделение дрожжами до 33% ассимилированного азота, который придает пиву бархатистую консистенцию и полноту вкуса. Кроме того, вследствие понижения рН сусла при брожении выделяется высокомолекулярный азот и изменяется степень дисперсности отдельных его фракций.