Молочная кислота

 Молочная кислота (лактат), иначе a-оксипропионовая кислота или этилиденмолочная или 2-гидроксипропановая, СН3СН(ОН)СООН – это одноосновная оксикарбоновая кислота.

Молочная кислота выступает конечным продуктом при молочнокислом брожении. Для молочнокислых бактерий этот процесс является основным путем катаболизма углеводов и основным источником энергии в виде АТФ. Молочнокислое брожение используется для консервации продуктов питания (за счет ингибирования роста микроорганизмов молочной кислотой и понижения рН) с целью длительного сохранения (квашение овощей, сырокопчение), приготовлении кисломолочных продуктов (кефира, ряженки, йогурта, сметаны), силосовании растительной массы, а также биотехнологического способа производства молочной кислоты.

Также молочная кислота образуется при анаэробном гликолизе в организме человека и животных при больших нагрузках. Молочная кислота играет важную роль в выработке энергии во время физических упражнений. В отличие от распространенного мнения, она не является врагом метаболизма. Наоборот, она обеспечивает топливом многие ткани, помогает использовать пищевые углеводы, и служит топливом для печени при производстве глюкозы и гликогена. На самом деле, выработка молочной кислоты является естественным способом помочь нам пережить стрессовые ситуации. Когда наше тело производит молочную кислоту, она распадается на ион лактата (лактат) и ион водорода. Ион водорода является кислотой в молочной кислоте. Он мешает передавать электрические сигналы в мышцах и нервах, замедляет энергетические реакции и ослабляет мышечные сокращения. Жжение, которое мы чувствуем во время интенсивных упражнений, вызвано накоплением ионов водорода. Лактат же наоборот полезен организму. Это очень быстрое топливо, которое предпочитают сердце и мышцы во время физических упражнений. Лактат очень важен для обеспечения нашего организма постоянным притоком углеводов, даже во время тренировки, которая длится несколько часов. Лактат повышает работоспособность и ускоряет восстановление организма.

 

 

 

Оптические изомеры молочной кислоты.

Молочная кислота содержит асимметрический атом углерода и поэтому существует в трех стереоизомерных формах: оптически активные – D (-) левовращающая и L (+) правовращающая; неактивная − рацемическая (±)

 

Рацемическая молочная кислота представляет собой бесцветный гигроскопический сироп без запаха. Она летуча с водяными парами; температура кипения при 12 мм рт. ст. 119°, при 0,5-3 мм рт. ст.—82-85°; растворима в воде, спирте, эфире; при выпаривании в вакууме образуются кристаллы, плавящиеся при 18°.  Молочная кислота может быть получена различными синтетическими способами, но при всех этих синтезах кислота получается в виде оптически недеятельной, т. е. всегда получаются равные количества правого и левого изомеров.

Рацемическая молочная кислота образуется:

1)при молочнокислом брожении молочного и тростникового сахара, глюкозы, рамнозы под влиянием Penicillium glaucum (Пастер) или специальной бактерии (В. acidi lactici, Блондо):

C6H12O6 → 2 CH3−CH(OH)−COOH;

Протеканием этого процесса и объясняется наличие молочной кислоты в кислом молоке, откуда она была впервые выделена Шееле (1780).

2)при окислении кислородом воздуха в присутствии платиновой черни пропиленгликоля — CH3−СН(ОН)−СН2(ОН);

3)из α-хлоро(бромо)пропионовой кислоты при нагревании с окисью серебра ;

4)при действии азотистой кислоты на α-аланин (см.; Штрекер):

CH3−CH(NH2)−COOH + HNO2 = CH3−CH(OH)−COOH + H2O + N2;

5)при нагревании декстрозы (левулозы, молочного сахара) со щелочами (этим объясняется постоянное присутствие молочной кислоты в патоке) и т.д.

Синтетически недеятельная молочая кислота получается из ацетона и синильной кислоты при омылении первоначально образующегося нитрила соляной кислоты:

СН3−СНО + HCN = CH3−CH(OH)−CN

CH3−CH(OH)−CN + 2Н2О + HCl = CH3−СН(ОН)−СООН + NH4Cl

Чистая левовращающая молочная (D-молочная) кислота может быть получена брожением сахаристых веществ при посредстве особого возбудителя брожения (Bacillus acidi laevolactici). Правовращающий изомер молочной кислоты (L-молочная) был открыт Либихом (1847) в мясном экстракте и получил название мясомолочной кислоты. Правовращающая молочная кислота всегда содержится в мышцах человека и животных.

Различие свойств недеятельной молочной кислоты и оптически деятельных кислот и их солей показывает, что недеятельное вещество представляет собой не смесь, а рацемическое соединение обеих (D- и L-) кислот или их солей (лактатов).

Правовращающая (L-молочная) и левовращающая (D-молочная) кислоты представляют собой расплывающиеся на воздухе призмы с т. пл. 25—26° С. Они обладают равным, но противоположным оптическим вращением (в 10%-ном растворе [α]D15°C=±3,82° и в 2,5%-ном [α]D15°C=±2,67°). При продолжительном нагревании до 130—150°С оптически деятельные изомеры рацемизуются и дают ангидриды недеятельной молочной кислоты. Цинковые соли оптически деятельных изомеров молочной кислоты кристаллизуются только с двумя молекулами воды (C3H5O3)2Zn ∙ 2H2O и обе обладают совершенно одинаковой растворимостью в воде (1 : 175 при 15° С), отличной от растворимости недеятельной соли (1 : 50 при 10° С).

Оптически недеятельная молочная кислота может быть разделена на оптически деятельные изомеры с помощью плесневых грибков, а также кристаллизацией молочнокислых солей оптически деятельных алкалоидов: стрихнина, хинина или морфина.

В промышленности молочную кислоту получают гидролизом 2-хлорпропионовой кислоты и ее солей (100 °C) или лактонитрила с последующим образованием эфиров, выделение и гидролиз которых приводит к продукту высокого качества. Известны другие способы получения молочной кислоты, например, окисление пропилена оксидами азота (15-20°C) с последующей обработкой H2SO4; взаимодействие CH3CHO с СО (200 °C, 20 МПа).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Качественные реакции.

Молочную кислоту можно обнаружить по следующим качественным реакциям:

1) Взаимодействие с n-оксидифенилом и серной кислотой:

При осторожном нагревании молочной кислоты с концентрированной серной кислотой она вначале образует уксусный альдегид и муравьиную кислоту; последняя немедленно разлагается:

CH3CH(OH)COOH → CH3CHO + HCOOH (→ H2O + CO)

Уксусный альдегид взаимодействует с n-оксидифенилом, причём, по-видимому, происходит конденсация в o-положении к OH-группе с образованием 1,1-ди(оксидифенил)этана:

В растворе серной кислоты медленно окисляется в фиолетовый продукт неизвестного состава. Поэтому, как и при обнаружении гликолевой кислоты с помощью 2,7-диоксинафталина, в данном случае происходит взаимодействие альдегида с фенолом, при котором концентрированная серная кислота действует как конденсирующий агент и окислитель. Такую же цветную реакцию дают α-оксимасляная и пировиноградная кислоты.

Выполнение реакции: В сухой пробирке нагревают в течение 2 минут на водяной бане при 85 °C каплю исследуемого раствора с 1 мл концентрированной серной кислоты. После этого охлаждают под краном до 28 °C, добавляют небольшое количество твёрдого n-оксидифенила и, перемешав несколько раз, дают постоять 10-30 минут. Фиолетовое окрашивание появляется постепенно и через некоторое время становится более глубоким. Открываемый минимум: 1,5·10−6 г молочной кислоты.

2) Взаимодействие с подкисленным серной кислотой раствором перманганата калия

Выполнение реакции: В пробирку прилить 1 мл молочной кислоты, а затем немного подкисленного серной кислотой раствора перманганата калия. Нагревать в течение 2 минут на слабом огне. Ощущается запах уксусной кислоты. Продуктом данной реакции может быть пировиноградная кислота С3Н4О3, которая тоже имеет запах уксусной кислоты.

С3Н6О3 + [O] = C3Н4O3 + H2O↑

Однако пировиноградная кислота при обычных условиях неустойчива и быстро окисляется до уксусной кислоты, поэтому реакция протекает согласно суммарному уравнению:

С3Н6О3 + 2[O] = CH3COOH + CO2↑ + H2O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Молочнокислое брожение.

Молочнокислое брожение — процесс анаэробного окисления углеводов молочнокислыми бактериями, конечным продуктом при котором выступает молочная кислота. Название этот тип брожения получил по характерному продукту — молочной кислоте. Молочнокислое брожение вызывается бактериями родов Lactobacillus и Streptococcus. Для молочнокислого брожения, как и для спиртового, доказано существование особого энзима, зимазы молочнокислого брожения, могущего вызывать брожение и без живых бактерий (Бухнер и Мейзенгеймер).Обычно молочнокислое брожение приводит к образованию оптически недеятельной молочной кислоты, однако часто при этом получается кислота, обладающая слабым правым или левым вращением. Химический механизм данного вида брожения сводится к простой формуле:

 глюкоза → молочная  кислота + этанол:

Различают гомоферментативное и гетероферментативное молочнокислое брожение, в зависимости от выделяющихся продуктов помимо молочной кислоты и их процентного соотношения. Отличие также заключается и в разных путях получения пирувата при деградации углеводов гомо- и гетероферментативными молочнокислыми бактериями.

При гомоферментативном молочнокислом брожении:

C6H12O6 → 2CH3—CHOH—COOH + 21,8 · 104 дж

Углевод сначала окисляется до пирувата по гликолитическому пути, затем пируват восстанавливается до молочной кислоты НАДН+Н (образовавшегося на стадии гликолиза при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата) при помощи лактатдегидрогеназы. От стереоспецифичности лактатдегидрогеназы и наличия лактатрацемазы зависит, какой энантиомер молочной кислоты будет превалировать в продуктах- L-, D- молочная кислота или же DL-рацемат. Продуктом гомоферментативного молочнокислого брожения является молочная кислота, которая составляет не менее 90 % всех продуктов брожения. Примеры гомоферментативных молочнокислых бактерий: Lactobacillus casei , L. acidophilus, Streptococcus lactis.

При гетероферментативном молочнокислом брожении:

C6H12O6 → CH3—CHOH—COOH + C2H5OH + CO2

Метаболизм глюкозы до глицеральдегид-3-фосфата осуществляется по фосфоглюконатному пути по схеме:

 

где АТФ - аденозинтрифосфат, АДФ - аденозиндифосфат. Затем глицеральдегид-3-фосфат по тому же пути, как в гликолизе, окисляется до молочной к-ты. Образующийся смешанный ангидрид уксусной и фосфорной к-т превращается в уксусную к-ту или восстанавливается до этанола: Таким образом, при гетероферментативном молочнокислом брожении образуется больше продуктов: молочная кислота, уксусная кислота, этанол, двуокись углерода. примеры гетероферментативных молочнокислых бактерий: L. fermentum, L. brevis, Leuconostoc mesenteroides, Oenococcus oeni .

Молочнокислое брожение широко применяется в пищевой промышленности — при выпечке хлебобулочных изделий (позволяет предотвратить развитие вредных бактерий в тесте, вызывающих кар­тофельную болезнь (тягучесть) хлеба, а также способствует улучшению вкусовых свойств хлеба) , в квашении овощей, закваске, биологическом консервировании овощей и фруктов, в мясной и рыбной промышленности, а также в сельском хозяйстве при силосовании кормов.

При этом используются бактерицидные свойства молочной кислоты.

В то же время молочнокислое брожение может быть причиной порчи некоторых продуктов

Гликолиз.

Гликолиз (от греч. glycys – сладкий и lysis – растворение, распад) – это последовательность ферментативных реакций, приводящих к превращению глюкозы в пируват с одновременным образованием АТФ.

При аэробных условиях пируват проникает в митохондрии, где полностью окисляется до СО2 и Н2О. Если содержание кислорода недостаточно, как это может иметь место в активно сокращающейся мышце, пируват превращается в лактат.

Итак, гликолиз – не только главный путь утилизации глюкозы в клетках, но и уникальный путь, поскольку он может использовать кислород, если последний доступен (аэробные условия), но может протекать и в отсутствие кислорода (анаэробные условия).

Анаэробный гликолиз – сложный ферментативный процесс распада глюкозы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно представить следующим образом:

В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря гликолизу организм человека и животных определенный период может осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об аэробном гликолизе.

Последовательность реакций анаэробного гликолиза, так же как и их промежуточные продукты, хорошо изучена. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в гомогенном, кристаллическом или высокоочищенном виде и свойства которых достаточно известны. Заметим, что гликолиз протекает в гиалоплазме (цитозоле) клетки.

Последовательность протекающих при гликолизе реакций :

1 - гексокиназа; 2 - фосфоглюкоизоме-раза; 3 - фосфофруктокиназа; 4 - альдо-лаза; 5 - триозофосфатизомераза; 6 - гли-церальдегидфосфатдегидрогеназа; 7 -фосфоглицераткиназа; 8 - фосфоглице-ромутаза; 9 - енолаза; 10 - пируваткиназа; 11 - лактатдегидрогеназа.

Реакция восстановления пирувата завершает внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. НАД+ при этом играет роль промежуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (6-я реакция) на пировиноградную кислоту (11-я реакция), при этом сам он регенерируется и вновь может участвовать в циклическом процессе, получившем название гликолитический оксидоредукции.

 

Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего в образовании богатых энергией фосфорных соединений. На первых стадиях гликолиза затрачиваются 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофрук-токиназная реакции). На последующих образуются 4 молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза в анаэробных условиях составляет 2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Основной реакцией, лимитирующей скорость гликолиза, является фосфофруктокиназная. Вторая реакция, лимитирующая скорость и регулирующая гликолиз – гексокиназная реакция. Кроме того, контроль гликолиза осуществляется также ЛДГ и ее изоферментами.