Механизм биосинтеза белков, углеводов и липидов молока
Для решения ряда научных и практических вопросов зооинженерам наиболее важно изучить химический состав и пути синтеза органических веществ молока, выявить факторы, контролирующие качество и количество секретируемого молока; разработать методы, позволяющие при минимальной затрате кормов получать максимальный удой. Решить эти вопросы можно только зная механизм биохимических процессов, протекающих в молочной железе.
По химической природе белки, жиры и углеводы молока отличаются от этих же веществ крови. Необходимо знать:
- 1) из каких предшественников образуются белки, жиры и углеводы;
- 2) механизм взаимосвязи предшественников крови с органическими веществами молочной железы.
В каждую минуту лактирующая корова выделяет с молоком около 0,66 г жира, 0,80 г лактозы и 0,60 г белков. Высчитано, что каждая клетка молочной железы в секунду выделяет около 4x106 молекул лактозы и около 4,1х106 молекул жира и примерно до 10000 молекул казеина.
В синтезе этих веществ используются низкомолекулярные соединения. В клетках они активируются и превращаются затем в соответствующие составные части молока.
Синтез белков происходит в молочной железе с большой скоростью. Радиоактивные аминокислоты, введенные в кровь лактирующей коровы, немедленно обнаружились в казеине молока и в Р-лактоглобулине, тогда как белки крови, помеченные радиоактивными изотопами, участвовали в синтезе только в малой степени или совсем не участвовали. Фосфор казеина происходит из неорганического фосфата крови. Лактоглобулины также синтезируются в молочной железе. И только у-глобулины, у-казеины и сывороточный альбумин поступают в молоко из крови. Есть данные, что в синтезе части белков молока принимают участие ацетат, глюкоза и бикарбонаты.
Считают, что 80 - 90% белка возникает из свободных аминокислот, приносимых в железу кровью из «фонда» аминокислот железы.
у-казеин, иммунные глобулины и сывороточный альбумин поступают в молоко непосредственно из кровяного русла.
Например: в течение суток в организме коровы весом 500 кг распадается и синтезируется 104 белков плазмы крови, при суточном удое 15 литров образуется 485 г белков молока.
Между белками плазмы крови и белками органов и молочной железы существует динамическое равновесие. Альбумины и глобулины крови свободно переходят в лимфу и из лимфы в кровоток.
Фосфопептиды молочной железы и свободные аминокислоты участвуют в синтезе казеина.
В каждой ткани есть свои клеточные структуры и общие для всех (ядра, митохондрии, рибосомы). Эти органеллы способны синтезировать белки из свободных аминокислот при участии ферментов и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) по схеме:
ДНК --------? и-РНК --------? белок
транскрипция трансляция
Синтез лактозы. Основными предшественниками лактозы служат глюкоза, уксусная, пропионовая, масляная и другие кислоты.
Лактоза - дисахарид, состоящий из глюкозы и галактозы. Галактоза синтезируется из глюкозы с помощью фермента гексо-киназы (рис. 14).
Молочный сахар образуется из глюкозы крови, причем часть глюкозы вначале превращается в активированную галактозу (УДФ-галактозу), и только затем из глюкозы и галактозы синтезируется лактоза. В эволюционном плане молоко предназначено для вскармливания потомства, а из дисахарида лактозы при ее переваривании образуются моносахариды глюкоза и галактоза. Скорость всасывания галактозы выше, чем других моносахаридов, что имеет определенное биологическое значение.
уридиндифосфатглюкоза
?> уридиндифосфатгалактоза
гексокиназа
Другие компоненты (из крови)
Уридиндифосфогалактоза+глюкоза
?лактоза
Синтетаза лактозы
УДФ-липиды
Галактозилтрансфераза d-лактальбумин Казеин, (А-протеин) (В-протеин) JS-лактоглобулин
Ьелоксинтезирующая система
Рис. 14. Схема биосинтеза лактозы и других компонентов молока в молочной железе (по В. Б. Розену, 1984)
- молоко
Гормональная
Пролактин (ХСМ)
Инсулин, глюкокортикоиды
Прогестины, андрогены
регуляция
Конечные этапы биосинтеза молочного сахара из активированной галактозы и глюкозы контролируются специальной ферментной системой - синтетазой лактозы. В молочной железе эта система состоит из ферментов галактозилтрансферазы (белок А), содержащейся в различных тканях, и ос-лакто-альбумина (белок В), специфичного для лактирующих молочных желез.
Синтез лактозы молока происходит на 80% из глюкозы крови. Частично (до 20%) лактоза синтезируется из ацетата и пропионата. Установлено, что для коровы с суточным удоем в 20 литров молока необходимо при синтезе лактозы около 9000 г лактозы.
Синтез глицерина. Глицерин может доставляться в железу с кровью, синтезироваться в ее тканях. Сама ткань вымени превращает глицерин в лактозу, летучие жирные кислоты и серии казеина.
Глицерин синтезируется при гликолитическом и пентозо-фосфатном окислении глюкозы.
В синтезе глицерина активное участие принимает как ацетат, так и глюкоза и даже пропионат.
Синтез липидов. В настоящее время считают, что молочный жир синтезируется путем преобразования в эпителиальных клетках альвеол молекул триглицеридов, фосфолипидов, эфиров холестерина, доставляемых с кровью, а также в результате реакции этерификации свободных жирных кислот тканей железы с а-глицеринфосфорной кислотой.
Поступающие с кровью в ткани железы эти вещества расщепляются в клетках жировой и паренхиматозной тканей, и из продуктов расщепления синтезируется жир молока, отличающийся от жира крови.
В тканях железы есть две синтезирующие системы. Основная система, синтезирующая жирные кислоты с длинной и короткой цепью при наличии переносчиков водорода НАДФ-Н, другая, добавочная система, - в присутствии НАД-Н для восстановления ненасыщенных кислот в насыщенные.
В рубце из углеводов корма образуются кислоты брожения (летучие жирные кислоты), из которых, особенно уксусной, синтезируются в молочной железе насыщенные в жирные кислоты от С4 до С16. Кроме того, высшие жирные кислоты синтезируются за пределами молочной железы. Исходным материалом для образования высших жирных кислот являются углеводы.
Схема синтеза жирных кислот из глюкозы
Глюкоза
I
Глюкозо-6-фосфат ?
I
Фруктозо-6-фосфат
Пентозо-6-фосфат
Жирная кислота
НАДФ+
НАДФН—I
I
Триозо-фосфат
Цитрат
Ацетил-КоА
Пируват
Цитрат
Оксалоацетат
митохондрия ; цитоплазма
СО2 + СН3 — СО ~ S-KoA + АТФ + Н2О
<— ацетил-КоА-карбоксилаза
(биотинпротеид)
СНз — СО- S-KoA СООН
Ацетил-КоА
HS — КоА
СНз — СО - S-KoA АДФ + Н3РО4
Малонил-КоА
<— трансляция
СНз — СО — CH — СО - S-KoA I
СООН
II дегидрогеназа — НАДФ — Н2 —> i —> дегидрогеназа — НАДФ
III
IV
СН3 — CH — CH — СО ~ S-KoA
ОН СООН
Н2О <---xL <---гидратаза
СН3 — СН = С — СО ~ S-KoA
СООН
дегидрогеназа-НАДФ-Н2--> дегидрогеназа-НАДФ V
СН3 — СН2 — CH — СО ~ S-KoA I
СООН
со2
СНз — СН2 — СН2 — СО ~ S-KoA
Бутирил-КоА взаимодействует со следующей молекулой малонил-КоА, и процесс повторяется до образования
СНз — СН2 — СН2 — СН2 — СН2 — СО ~ S-KoA
Так наращивается углеродная цепочка до пальмитиновой, стеариновой и других высших жирных кислот.
В митохондриях имеется ферментная система, катализирующая реакции синтеза высокомолекулярных жирных кислот. В митохондриях также происходит процесс удлинения ненасыщенных жирных кислот.
В микросомах содержатся ферментные системы, участвующие в удлинении углеродной цепи насыщенных и ненасыщенных жирных кислот с использованием малонил-КоА для наращивания цепи, который не связан с АПБ. Для восстановления а, р-двойной связи используется НАДФН.
Механизм биосинтеза ненасыщенных жирных кислот изучен недостаточно. Известно, что отдельные организмы обладают различной способностью образовывать ненасыщенные жирные кислоты. У высших животных синтезируются лишь мононена-сыщенные жирные кислоты (моноевые кислоты). Пальмитиновая и стеариновая кислоты служат предшественниками пальмито-олеиновой и олеиновой кислот. Реакция образования цис-двойных связей катализируется оксигеназами со смешанной функцией.
Полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая и линоленовая) в животном организме не синтезируются, а поступают с пищей. Эти кислоты включаются в систему дегидрирования и удлинения цепи, с образованием кислот с различной длиной цепи и степенью ненасыщенности (С2о:5, ^20:4 и т. д.).
Биосинтез триглицеридов. Большую часть липидов в различных тканях составляют триацилглицерины (триглицериды), которые играют роль запасных липидов. Синтез триглицеридов идет в молочной железе в период лактации. Существует три самостоятельных пути биосинтеза триглицеридов: а-глицерофос-фатный, диоксиацетонфосфатный и моно-глицерид-ный, где в качестве предшественников используются соответсвенно a-глицерофосфат, диоксиацетонфосфат, моноглицерид и высшие жирные кислоты в активированном состоянии. Моноглицеридный путь преобладает при синтезе в стенке кишечника.
В печени и жировой ткани синтез триглицеридов идет в основном через образование фосфатидной кислоты. Фосфатидная кислота является предшественником не только глицеридов, но и фосфолипидов и других глицеринсодержащих липидов. Реакция образования фосфатидной кислоты может быть представлена следующим образом:
2R - СН2 - COSRKoA + ацетил-КоА
СН2ОН
I
снон ------
I
сн2о - Р = о
~^он
Глицеро-З-фосфат
ch2ocor
I
CHOCOR + 2KoASH
СН2О - Р = О
'"'"'"ОН
Фосфатидная кислота
Реакция идет преимущественно с С16 и насыщенными и ненасыщенными кислотами.
L-глицеро-З-фосфат образуется из диоксиацетонфосфата, возникшего в реакциях гликолиза или путем фосфорилирования свободного глицерина. В первом случае диоксиацетон восстанавливается цитоплазматической НАД-зависимой глицерофосфатдегидрогеназой:
СН2ОН СН2ОН
|
С =0 + ^ОН сн2о - Р = 0 ^он Диоксиацетон фосфат |
НАДН + Н+ ---> СНОН + НАД+ ^ОН СН2О - Р = 0 L-глицерол-З- фосфат |
Во втором случае реакция катализируется глицеролкиназой:
СН2ОН СН2ОН
|
СНОН 1 |
4- АТФ ------> СНОН + АДФ ^^ОН |
|
СН2ОН |
сн2о - Р = 0 |
|
Глицерин |
'"'"'"ОН L-глицерол-З-фосфат |
Фосфатидная кислота далее гидролизуется специфической фосфатазой с образованием диацилглицерина. Он взаимодействует с ацил-КоА и образуется триацилглицерин:
Фосфатидная кислота + Н2О ----> 1,2-диацилглицерин + Фн
Диацилглицерин + Ацил-КоА ---> Триацилглицерин 4- KoA-SH
Схема путей превращения углеводов в составные компоненты
На схеме показано, что образование составных компонентов молока тесно связано с использованием и превращением углеводов. Все пути превращения углеводов в процессах биосинтеза составных компонентов молока взаимодополняются и в значительной степени служат для образования липидов и заменимых аминокислот для синтеза белков.
Минеральные вещества переходят в молоко из плазмы крови, однако этот процесс имеет избирательный характер. Так, в плазме крови преобладают натрий и кальций; в молоке, наоборот, больше кальция и меньше натрия.
Другие компоненты (ферменты, витамины, гормоны, иммунные тела), по-видимому, попадают в молоко непосредственно из крови.
Регуляция синтетической деятельности молочной железы
Образование специфических факторов молока и собственно лактация как секреторный процесс начинаются еще при беременности, однако обильная секреция молока происходит в первые дни после родов. У всех видов животных главным стимулятором секреции молока после родов является ЛТГ, что определяется относительно высоким уровнем эстрогенов и низким содержанием прогестинов в организме кормящей матери. Помимо эндокринных факторов стимулятором лактации служит акт сосания молока новорожденным как в результате прямого действия на железу, так и рефлекторно через гипоталамические вазомоторные центры, увеличивая секрецию ЛТГ и АКТГ.
Эвакуация молока из лактирующей молочной железы регулируется гормоном окситоцином, который секретируется гипофизом рефлекторно на акт сосания и вызывает сокращение особых миоэпителиальных клеток. Обеспечивая эвакуацию молока из железистых клеток, окситоцин косвенно стимулирует процесс лактации.
Специфическими гормонозависимыми факторами молока являются белки - казеин (фосфопротеин), а-лактоальбумин, Р-лактоглобулин, а также дисахарид лактоза. Биосинтез белков, в частности казеина, которого нет в крови и лимфе, осуществляется из предшественников (аминокислот) в полисомах, связанных с эндоплазматическим ретикулумом. Синтезируемые белки депонируются в агрегируемой форме в секреторных гранулах и освобождаются в протоки под действием гормональных стимулов путем экзоцитоза.
Таким образом, биосинтез молока является сложным процессом, в котором принимает участие весь организм. О напряженности процессов синтеза в молочной железе свидетельствует тот факт, что для образования 1 л молока через вымя должно пройти в среднем 450 л крови. Регуляция секреции молочной железы осуществляется нервной системой с участием медиаторов и гормонов.
