По современным представлениям все белки молока можно разделить на две группы – белки, образующиеся в самой молочной железе, и белки, поступающие в молоко через железу из крови, где они находятся в готовом виде. К первой группе относят: альфа-казеин, альфалактоальбумин, бета-лактоглобулин; на их долю приходится свыше 90% общего количества белков молока. Синтез белков первой группы секреторными клетками железы подтвержден путем инкубации клеток лактирующих молочных желез с мечеными аминокислотами. При этом синтез белков молока сопровождается максимальными величинами РНК в клетках. Клетки молочной железы имеют все компоненты аппарата биосинтеза белка, как и в случаях синтеза простых белков в других тканях организма.
Синтез казеина происходит в несколько этапов. В начале синтезируется казеиноген, предшественник казеина, который затем переходит в казеин. Лактирующая железа, в отличие от нелактирующей, задерживает свободные аминокислоты крови, необходимые для синтеза белков молока. Для синтеза белков молока могут быть использованы и белки плазмы крови, но их роль в этом процессе незначительна; при этом белки плазмы поступают в клетки молочной железы, где и распадаются до свободных аминокислот.
Представителями белков второй группы являются: сывороточный альбумин и иммунные гамма-глобулины, содержание которых значительно повышается в начале периода лактации (в период образования молозива). Эти белки не синтезируются железой, а поступают в молоко в готовом виде из крови. Белки-ферменты молока имеют тканевое происхождение и переходят в молоко из клеток молочной железы. Однако возможен и переход ряда ферментов в молоко из крови.
Предшественниками молочного жира являются глицерин, высшие жирные кислоты, летучие жирные кислоты. Источником образования высших жирных кислот служат липиды кормов, углеводы. Глицерин и жирные кислоты частично поступают в железу с кровью, частично синтезируются и в клетках железы. У жвачных животных наиболее важными предшественниками синтеза жирных кислот являются уксусная кислота, поступающая из рубца, и бета-гидроксимасляная кислота, образующаяся в стенке рубца. На синтез жирных кислот активно используется до 50% уксусной кислоты в форме ацетил-КоА, образующейся из клетчатки кормов в процессе рубцового пищеварения.
Известно, что у животных с однокамерным желудком глюкоза в процессе гликолиза трансформируется в пируват. В реакции с щавелевоуксусной кислотой пируват переходит в цитрат в митохондриях клеток. Цитрат путем диффузии из митохондрий поступает в цитозоль, где при участии цитрат-лиазы и HS-КoA формируется ацетилКоА и щавелевоуксусная кислота. Ацетил-КоА – это активная форма уксусной кислоты, которая является основой синтеза жирных кислот.
175
Однако у жвачных животных выявлен недостаток цитрат-лиазы, а поэтому они не способны использовать глюкозу для синтеза жирных кислот. Жвачные активно для синтеза жирных кислот молока используют уксусную кислоту, образующуюся в рубце из полисахаров. На первом этапе биосинтеза жирной кислоты происходит взаимодействие ацетилКоА со специальным ацетилпереносящим белком (HS-AПБ):
СН3–СО–S-КоА + HS-АПБ → СН3–СО–АПБ + HS-КоА
Ацетил-КоА Ацетил-АПБ
Полученная молекула ацетил-АПБ далее взаимодействует с молекулой малонил-КоА, которая образуется в результате карбоксилирования ацетил-КоА с участием АТФ и биотинсодержащего фермента – ацетил-КоА-карбоксилазы:
СН3–СО–S-КоА + АТФ + СО2 → НООС–СН2–СО–S-КоА + АДФ + Фн Малонил-КоА
Ацетил-КоА-карбоксилаза является ферментом, который лимитирует скорость синтеза жирной кислоты. Отметим, что инсулин стимулирует синтез жирной кислоты, активируя карбоксилазу, тогда как адреналин и глюкагон имеют обратный эффект. Последовательное объединение 8 молекул ацетил-КоА при участии малонил-КоА приводит к получению пальмитиновой кислоты (С 16:0). Донором атомов водорода для гидрогенизации непредельных связей получаемых кислот является кофермент НАДФН2, образующийся в реакциях пентозо-фосфатного пути. Для синтеза одной молекулы пальмитиновой кислоты необходимо затратить 7 молекул АТФ, 14 молекул НАДФН2. Следовательно, синтез жирной кислоты в клетке является энергетически дорогостоящим процессом.
Эпителиальные клетки молочной железы содержат уникальный фермент тиоэстеразу, при участии которого происходит синтез жирных кислот жиров молока, включающих 8, 10, 12 атомов углерода. Молоко жвачных содержит также до 8% низкомолекулярных кислот, таких как капроновая и масляная. Молоко жвачных включает также небольшое число разветвленных жирных кислот и кислот с нечетным числом атомов углерода, поступающих из пищеварительного тракта животного.
Около 70% глицерина жиров молока синтезируются в молочной железе из глюкозы. Активированные жирные кислоты (в форме ацилКоА) поступают на синтез триглицеридов молока. Свежее молоко содержит очень низкую концентрацию свободных жирных кислот. При повышении концентрации свободных жирных кислот молоко приобретает прогорклый запах. Жир в составе молока коровы находится в форме жировых шариков (1–3 мкм в диаметре), представляющих собой комплекс жира с белком.
В ранний период лактации при недостатке энергии питательных веществ рациона организм коровы мобилизует для синтеза жиров молока жирные кислоты из жировой ткани. При этом значительный распад жирных кислот приводит к получению большого количества молекул ацетил-КоА, часть из которых поступает на синтез кетоновых тел. Кетонемия вызывает снижение синтез пропионовой и уксусной кислот в рубце жвачных животных. В свою очередь снижение синтеза пропионата приводит к снижению активности глюконеогенеза, а недостаток ацетата вызывает снижение синтеза жиров молока. В результате отмечают снижение живой массы дойных коров.
Молочный сахар – лактоза (С12Н22О11), состоит из галактозы и глюкозы и синтезируется исключительно в аппарате Гольджи молочных эпителиальных клеток железы. Предшественником синтеза молекул лактозы у жвачных является глюкоза крови. Специальный глюкозотранспортирующий белок облегчает перенос глюкозы сквозь мембраны аппарата Гольджи. Синтез лактозы осуществляется под контролем лактозо-синтазы, димерного комплекса, включающего два белка: альфалактальбумин и галактозилтрансферазу. Галактозилтрансфераза присутствует во всех клетках животного и обычно обеспечивает внедрение галактозы в гликопротеины. В период беременности пролактин индуцирует продукцию альфа-лактальбумина клетками молочной железы. Альфа-лактальбумин – белок, включающий в своей структуре 123 аминокислотных остатков. В комплексе с галактозилтрансферазой он формирует лактозо-синтазу, обеспечивающую синтез лактозы. Этот процесс, в котором главную роль играет глюкоза, можно представить в виде ряда последовательных реакций:
Глюкоза + АТФ → глюкозо-1-фосфат + АДФ
Глюкозо-1-фосфат + УТФ → УДФ-глюкоза + пирофосфат
УДФ-глюкоза → УДФ-галактоза
УДФ-галактоза + глюкозо-1-фосфат → лактозо-1-фосфат + УДФ
Лактозо-1-фосфат → лактоза + Н3РО4
УДФ-галактоза имеет две связи, богатые энергией. При присоединении глюкозы образующаяся молекула лактозы теряет одну связь, богатую энергией в форме УДФ.
Лактоза активно синтезируется в молочной железе у крупного рогатого скота из пропионовой кислоты. В начале лактации гормон пролактин индуцирует синтез альфа-лактальбумина, что в свою очередь стимулирует продукцию лактозы.
