Produkty metabolizmu centralnego

background image

Produkty metabolizmu centralnego

Metabolizm – najkrócej mówiąc jest
to przemiana materii. Jest To całość

procesów biochemicznych
zachodzących w żywych organizmach

warunkujących wzrost i
funkcjonowanie organizmów.

Przemiany metaboliczne podzielono

na dwie grupy:
1.Metabolizm centralny

(pierwotny/pierwszorzędny)Obejmu
je on przemiany związków, które są

niezbędne dla funkcjonowania
komórki, czyli jej odżywiania,

oddychania, wydalania. Metabolizm

ten funkcjonuje w podobnej postaci
i zbliżonym zakresie we wszystkich

żywych organizmów. Podstawową
cechą metabolizmu centralnego jest

jego uniwersalność
2.Metabolizm peryferyjny

(drugorzędowy/wtórny)Obejmuje

on przemiany związków
chemicznych, których rola w

organizmach żywych nie jest w pełni
jasna i przemiany te nie są niezbędne

dla życia komórki. Cechą
charakterystyczną tego metabolizmu

jest to, że jest on charakterystyczny
tylko dla wybranej grupy

organizmów. Typowymi produktami

tego metabolizmu są np. antybiotyki.
Podstawowymi szlakami

funkcjonującymi w ramach
metabolizmu centralnego są:

- Glikoliza,
- Szlak heksozo-mono-fosforanowy,

- Cykl Krebsa,

- Cykl Embdena-Dougoroffa.
W ramach metabolizmu

peryferyjnego największą rolę
odgrywa szlak poliketydowy, który

jest zbliżony do szlaku związanego z
przemianami tłuszczowscow.

Katabolizm – przemiany degradacji

subst. Odżywczych do mniejszych
frag. – chodzi o to by zamienić

związki wysokocząsteczkowe
zasobne w energię w związki

prostsze. Są to przemiany związane z
uwalnianiem energii. Anabolizm

reakcje chemiczne w których nast.

Tworzenie związkow bardziej
złożonych i reakcje te wymagają

zwykle dostarczenia energii np.
fotosynteza, chemosynteza,

biosynteza białekm lipidów,
kw.nukleinowych oraz

polisacharydów.

Metabolizm centralny
Cechy szczególne szklaków

metabolizmu centralnego w ramach
biotechnologii korzystamy

z pośredników metabolizmu
centralnego odbywającego się

zarówno w warunkach tlenowych

i beztlenowych.
Schemat glikolizy (EMP)

Cechą charakterystyczną dla szlaku
EMP jest podwójne ufosforylowanie

cząsteczki glukozy i rozbicie
powstałego fruktozo-1,6-difosforanu

do dwóch trioz:

- Pirogronianu,
- Fosfoendopirogronianu,

- Dihydroksyacetonu.
Zapewniając warunki beztlenowe

możemy uzyskać następujące
produkty:

·

Etanol,

·

CO

2

,

·

Kwas mlekowy,

·

Kw. Bursztynowy,

·

Propionowy,

·

Mrówkowy,

·

Masłowy,

·

Butanol,

·

Aceton,

·

Izopropanol,

·

Wodór,

·

Di acetyl,

·

Acetolina,

·

Butandiol.

W warunkach tlenowych

uruchamiany jest cykl Krebsa.

Pirogronian uzyskany w ramach
szlaku EMP zostaje w wyniku reakcji

dekarboksylacji przekształcony do
acetyloCoA i w tej chwili formie

zostaje wlączony do C.K. w ramach
którego tworzone są takie substancje

jak:Kwas szczawiooctowy,
Izocytrynian,JabłczanBursztynian.

Związki te stanowią punkty wyjścia

do syntezy większości aminokwasow
(w tym aomatycznych), glicerolu,

który stanowi podstawę syntezy
tłuszczu.

Regulując parametry natlenienia w
hodowli szczepów, u których

dominującym szlakiem jest glikoliza,

wpływamy w sposób zasadniczy na
tworzone produkty np. kiedy

kierujemy mikroorg. na szlaki
fermentacyjne bądź na syntezę

produktów związanych z obfitym
wzrostem komórek np. synteza AK.

Cykl EMP odpowiada za tworzenie
fragmentów trój węglowych

ulegających w warunkach tlenowych

dekarboksylacji do acetyloCoA i w tej
formie włączany jest do Cyklu

Krebsa.
W warunkach beztlenowych trioza

redukowana jest do subst. 2-
węglowej t.j etanol bądź redukowana

do kwasu mlekowego i innych

podobnych produktów.
W war. Beztl. zysk energetyczny

glikolizy wynosi 2 mole ATP ( w
wyniku fosforylacji substratu).

W warunkach tlenowych – 38 moli
ATP.

Szlak HMP

Glukoza jest utl. Do glikonianu, który
ulega dekarboksylacji do rybulozo-5-

P. Szlak ten traktowany jest jako
równoległy z glikolizą. Zysk

energetyczny wynosi 36 moli ATP.
Szlak ten dzięki powstawaniu

produktów zaw. 4,5,7 atomów węgla

stanowi wspaniały punkt wyjścia do
syntez komórkowych, a tym samym

różnorodnych produktów, których
podstawą syntezy są właśnie

szkielety węglowe.
Szlak Etnera-Doudoroffa

Szlak ten ma początek w taki jak w
szlaku HMP, koniec jak w glikolizie.

Zysk energetyczny jest niewielki,

zaledwie 1 mol NADH i 1 mol
NADPH
. (bakterie Pseudomonas,

metylotroficzne)
Reakcje anaplerotyczne (Rysunek

str. A)
R-e te f-nują na pograniczu glikolizy i

Cyklu Krebsa. Są to głównie reakcje

karboksylacji trioz (pirogronianu i P-
enolopirogronianu) do

szczawiooctanu – najbardziej
reaktywnego komponentu Cyklu

Krebsa. Dzięki tym reakcjom
wspomagającym wiele procesów

biosyntezy zachodzi ze zwiększoną

efektywnością. Sztandarowym
przykładem jest biosynteza kw.

Cytrynowego oraz takich AK jak
asparaginian, glutaminian jak

również produkcja porfiryn.
Najważniejsze produkty powstające

w wyniku f-wania szlaków

centralnych.
(Tabela str. B) – produkty biosyntezy

w war. Tlenowych.
Produkty biotechnologiczne

metabolizmu peryferyjnego
Mikroorganizmy obok metabolitów

niezbędnych dla własnego rozwoju

mogą wytwarzać produkty – głównie
nisko cząsteczkowe, które

niespełnianą podstawowych f-i
metabolicznych, wykazują jednak

określone właściwości substancji
biologicznie czynnych. Produkty

metabolizmu peryferyjnego określa

się terminem idiolity, ponieważ
tworzone są w idiofazie. (rys 2-1)

- Antybiotyki – leczenie chorób
infekcyjnych i nowotworowych,

przeszczepy, konserwowanie
żywności i pasz.

- Probiotyki – stymulowanie

kiełkowania nasion i plonowania
roślin, stymulowanie wzrostu

zwierząt.
- Toksyny – zwalczanie owadów.

- Inhibitory enzymów – różnorodna
aktywność farmakologiczna

(nadciśnienie, nowotwory,
owrzodzenie żołądka)

- Polisacharydy (dekstran, pululan,

ksantyn, alginian) – zastępowanie
osocza krwi, powłoki ochronne

produktów spożywczych, środki
żelujace.

Typowe idiolity:

Alkaloidy,Aminokwasy,Antocyjany,

Fenazyny,Flawonoidy,Nitryle,Piperaz

ynya,Pirydny,Pirole,Polieny,Steroidy,
Tetracykliny,Polipeptydy

Związki te mogą wykazywać
właściwości:

Anaboliczne,cytotoksyczne,hemolityc
zne,herbicydowe,immunostymulując

e,przeciwdrobnoustrojowe,przeciwza

palne,przeciwnowotworowe,rakotwó
rcze,pobudzające,uspokajające

O ile produkty

metabolizmu centr. były niemal
ideat. u wszystkich organizmów, o

tyle metabolizm peryferyjny jest

charakterystyczny dla określonych
grup mikroorg. I np. antybiotyki

wytwarzane są głównie przez
promieniowce Streptomyces, grzyby

Penicillium, Aspergillus, Mucor i inne
oraz tylko wybrane gatunki bakterii

np. Bacillu.

Charakterystyczne

jest to, że produkty peryferyjne

pojawiają się najczęściej gdy zaczyna
brakować źródła węgla, azotu,

fosforu i szczep chcąc zabezpieczyć
swą populację, przeważnie wydziela

substancje zabezpieczające przed

rozwojem innych mikroorganizmów.
W wielu ośrodkach trwają badania

nad określeniem roli idiolitow w
przyrodzie.

Hipotezy:
1.Ekologiczna – antybiotyki

(wyrzucana broń)

2.Inny rodz. przemian
charakterystyczny dla danego

organizmu, który ma na celu

zapewnić komórce niemającej
możliwości rozwoju, utrzymanie jej

aktywności metabolicznej i staniu
równowagi z otoczeniem w

warunkach gdy typowe przemiany
metaboliczne są niemożliwe.

3.Udowodniono również, że efekt

rozregulowania przemianą materii.
4.Wolna gra ewolucyjna zachodząca

na marginesie ukształtowanych
procesów życiowych – prowadzi do

zmian ewolucyjnych
uniemożliwiających przetwarzanie

danych gatunkowych.

5.Metabolizm ten koordynuje
przemiany metabolizmu centralnego.

Jednakże należy uwzględnić fakt, że
to przemiany centralne dostarczają

energię niezbędną dla syntezy
idiolitów w postaci ATP i NADPH

2

.

Biosynteza idiolitów

jest ściśle powiązana z
podstawowymi syntezami

komórkowymi poprzez wspólne
metabolity pośrednie (rys 14-4).

Pośredniki te włączone są w szlak
poliketydowy podobny do przemian

związanych z biosyntezą kwasow
tłuszczowych (rys 2-2). Starterem

tych reakcji jest acetyloCoA, a

wydłużenie łańcucha kwasu
tłuszczowego polega na dołączeniu

kolejnych cząsteczek malonylo-CoA
z jednoczesnym uwolnieniem CO

2

.

Następny etapem jest redukcja grupy
ketonowej z jednoczesnym

wydzielaniem cząsteczki H

2

O. Kolejny

etap to redukcja podwójnych wiązań.

W zależności od

użytych prekursorów (penicylina), od
stopnia redukcji podwójnych wiązań,

włączenia reakcji cyklizacji (na rys.
tego nie ma) i wprowadzeniu różnych

podstawników istnieje szansa

uzyskiwana w ramach tego
metabolizmu praktycznie nie

wyczerpywanej ilości związków
wykazujących różnorodną

aktywność.

Tak ogromna

różnorodność struktur chemicznych

idiolitów wynika z niskiej
specyficzności substratowej

enzymów przemian specyficznych.
Różnorodność ta wynika również z

istnienia licznych rozgałęzień szlaku
polipeptydowego oraz z istnienia

węzłów metabolicznych

odpowiedzialnych za kontakt miedzy
przemianami centralnymi oraz

specyficznymi.
Biosynteza aminokwasu L-lizyny

(rysunek

A

)

Biosynteza L-lizyny

jest ściśle związana z metabolizmem

centralnym. Związki te (aminokwasy)
powstają z intermediatów glikolizy

(3-P-glicerynianu, P-
enolopirogronianu, pirogronianu),

szlaku pentozo fosforanowego
(rybozo-5-P) i cyklu kwasu

cytrynowego (2-oksoglutaranu,

szczawiooctanu).

Klasyfikacja AK. Na

podstawie związkow wyjściowych
wykorzystanych do ich syntezy

można je podzielić na 6 rodzin
biosyntetycznych:

-Z szczawiooctanu (asparaginian,
asparagina, metionina, treonina,

lizyna, izoleucyna,

- Z pirogronianu (alanina, walina,
leucyna),

- Z rybozo-5-P (histydyna),
- Z P-enolopirogronianu + erytrozo-4-

P (fenyloalanina, tyrozyna,
tryptofan),

- Z 2-oksoglutaranu (glutaminian,

prolina, arginina),
- Z 3-P-glicerynianu (seryna, cysteina,

glicyna).
(rysunek

B

)

Przemysłowa produkcja L-lizyny
Najczęściej wykorzystywana jest

metoda biosyntezy z udziałem

mikroorganizmów (Corynebacterium
glutamicum).
Na początku była

produkowana z wykorzystaniem
szczepów dzikich. Jednak aktualnie

produkcja lizyny jest przy
wykorzystaniu mutantów, ponieważ

chcemy by cały węgiel był

przekserowany na produkcję lizyny.
W szczepach dzikich obserwujemy

brak „nadproduktywności” lizyny i
izoenzymów (odpowiedzialnych za

kontrolę i hamowanie produkcji
lizyny).

Do przeprowadzenia produkcji lizyny

potrzeba jest ogromna ilość węgla.
Głównym źródłem węgla są reakcje

anaplerotyczne.
Szczegółowy schemat produkcji

lizyny -> rysunek

C

.

Bakterie c.glutamicum –

uwarunkowania do nadprodukcji L-

lizyny i kwasu L-glutaminowego.
Bakterie te są przemysłowymi

producentami egzogennej L-lizyny
(800 tys. ton/rok) i endogennego

kwasu L-glutaminowego (1,2 mln
ton/rok). Posiadają one zespół

korzystnych cech sprzyjających super

syntezie tych aminokwasów.

1.Bakterie c.glutamicum dysponują

unikalnym zespołem enzymów
anaplerotycznych, które odgrywają

kluczową rolę w nadprodukcji lizyny i
kwasu glutaminowego.

Spośród tych enzymów
najważniejszymi są:

a)Karboksylaza pirogronianowa

b)Karboksykinaza
fosfenolopirogronianowa

c)Kinaza pirogronianowa
Enzymy te generują w dużych

ilościach dwa ważne metabolity:
szczawiooctanu i pirogronian, które

są węglowymi substratami do

syntezy tych aminokwasów.

2.Wytworzony pirogronian dostarcza
ponadto acetyloCoA, który

przyczynia się do generowania ATP w
procesie oksydatywnej fosforylacji.

Utworzony ATP jest energetycznym

substratem niezbędnym do syntezy
lizyny i glutaminiau. Funkcjonujacym

w Komorkach cykl pentozowy
dostarcza NADPH w ilościach

wymaganych do nadprodukcji AK.

3.Bakterie c. glutami cum dysponują
prostym systemem kontroli

enzymów, uczestniczących w

syntezie aminokwasów. Nie
posiadają one izoenzymów (enzymy

które katalizują identyczne reakcje,
ale ich aktywność jest regulowana w

zróżnicowany sposób) i związanych z
tym dodatkowych mechanizmów

regulacji.

4.Właczenie NH4+ do szkieletu

prekursorów węglowych
aminokwasów (szczawiooctan) może

przebiegać u korynobakterii
niezależnie od stężenia tych jonów.

Bakterie te posiadają bowiem dwie

drogi aminacji 2-okso-glutaranu:
a)z udzialem dehydrogenazy

glutaminianowej (duża ilość NH4+ w
podłożu)

b)oraz szlak alternatywny z syntezą L-
glutaminianową i syntetazą L-

glutaminową (ograniczona ilość

NH4+).

5.Bakterie te są naturalnymi
auksotrofami biotyno zależnymi. Ta

cecha umożliwia sterowanie
przepuszczalności osłon

komórkowych (?). Deficyt biotyny w

podłożu powoduje powstanie
niepełnosprawnej błony

cytoplazmatycznej, przepuszczalnej
dla kwasu glutaminowego, natomiast

nadmiar blokuje wypływ i syntezę
tego aminokwasu, a sprzyja syntezie i

transportowi lizyny z Komorek do

podloża.
6. Bakterie c.glutamicum nie

posiadają enzymów degradujących
aminokwasy.

LIZYNA
Bakterie c.glutamicum syntezują

lizynę z asparaginianu, utworzonego

z szczawiooctanu. Przepływ
metabolitów od asparaginianu do

lizyny jest kontrolowany tylko w 3
miejscach:

1.Działania kinazy asparginianowej
(hamowanie aktywności enzymu

przez treoinię z lizyną)
2.W dystrybucji beta-serianbla ba

(schemat):

a)Uczestniczą 2 enzymy (synteza
dihydrodipokolinianowa i

(SCHAMEAT)
b)Pierwszy enzym przekształca cos

do lizyny, drugi do homoseryny i
dalej do treoniny, metioniny i l-

lizyny.

c)Aktywność syntazy nie jest
kontrolowana natomiast

dehydrogenazy homoserynowej
hamowana przez treoninę

Transport AK z komórek do podłoża
9transport aktywny), regulowany

przez wew. Komorkowe stezeie AK.

Dzikie szczepy!! Nie mogą być
producentami lizyny – nie

wytwarzają one w zwiekszonej ilości
tego AK.i nie wydzielają go do

podłoża. Dowodem tego jest wysoka
aktywność dehydrogenazy

homoserynowej, wielokrotnie

przewyższająca aktywność syntazy
dihydrodipokilinianowej. Oznacza to

że duże ilości lizyny wytwarzaja tylko
mutanty korynobakterii. W pzmeysle

SA stosowane:
Mutanty auksotroficzne, które nie

wykazują aktywności dehydrogenazy

homoserynowej. Wymagaja one do
wzrostu homoseryny lub metioniny i

treoniny. (w ilościach
suboptymalnych dla wzrostu

komórek)
Mutanty regulatorowe –

wyeliminowano u nich 9uchylono)

system kontroli kinazy asparginowej
Mutanty auksotroficzne-

regulatorowe
Biosynteza metabolitów wtórnych

Metabolizm i

peryferyjne używane są powszechnie

w opisach fizjologii i możliwościach

biosyntezy produktu w
biotechnologii. Obydwa rodzaje

metabolizmu maja cechy szczególne

wyróżniające się, jednakże podział
ten jest w dużym stopniu umowny,

ponieważ wiele substancji
wytwarzanych w ramach

metabolizmu centralnego jest
wykorzystywana do produkcji

metabolitów wtórnych i niektóre

enzymy klasyczne dla metabolizmu
peryferyjnego wykorzystywane są do

przemian centralnych.

Cechami

wyróżniającymi metabolizm
peryferyjny są:

- produkcja na sygnał –

rozpoczynająca się pod wpływem
czynników środowiska: wyczerpanie

żródla węgla, azotu, fosforu; deficyt
tlenu.

- Niska specyficzność enzymów
szlaków peryferyjnych (!!),

- Funkcjonowanie (uaktywnienie się)

szlaków peryferyjnych w fazie
stacjonarnej – niektóre antybiotyki

szczególnie bakteryjne wytwarzane
są już w fazie wzrostu wykładniczego.

- Do syntezy idiolitów potrzebna jest
obecność prekursora.

Synteza na sygnał – zaczyna

brakować źródła węgla i azotu.

Opis: prostokąt – metabolizm
centralny

W ramach metabolizmu
peryferyjnego funkcjonują 3 podst.

Drogi biosyntezy metabolitów
wtórnych:

1.Szlak poliketydowy - droga zbliżona
do pierwszych etapów syntezy kw. Tł.

(patrz rys ^)

2.Biosynteza z wykorzystaniem AK,
na drodze innej niż wykorzystanie w

translacji i transkrypcji i polega ona

na aktywacji aminokwasów przy
udziale ATP i uaktywniona grupa

karboksylowa jest przenoszona na
resztę aminową innego ak. Powstają

w ten sposób AK. I peptydy
o budowie innej niż komponenty

typowych białek komórkowych.

3.Biosznteza z wykorzystaniem

pięciowęglowych-terpendoidów,
synteza na kondensacji 3 jednostek

acetyloCoA a następnie ich
przekształceniu na skutek reakcji

redukcji i fosforylacji do
pirofosforanu izopentylu i

pirofosforanu dimetyloallilu. Szlaki te

funkcjonują u promieniowców,
grzybów, roślin i zwierząt.

Zainteresowanie tymi związkami
dotyczy nie tylko farmacji, ale

również realizacji pomyslów
produkcji węglowodorow z udziałem

mikroorganizmów.

Zarówno metabolizm jak i

peryferyjny podlegają podlegają
podobnym zasadom regulacji

biosyntezy. Najważniejsze z nich to:
1.represja kataboliczna –

spowodowana obecnością łatwo

dostępnego źrodla węgla i to
powoduje zahamowanie biosyntezy

metabolitów wtórnych. Indukcja
substratowa – przez efektory

metaboliczne, prekursory.
2.Regulacja stężeniem i rodzajem

użytego źródła azotu węgla i fosforu.

3.Sprzężenie zwrotne (za dużo
metabolitu – zahamowanie szlaku.

4.Regulacja innymi
czynnikami:Obecność wybranych

pierwiastków śladowych (Fe, Mg,
Mn, Zn),dostęp tlenu, temperatura,

pH.

Produkcja streptomycyny

Streptomyces to

grupa promieniowców klasyfikowana

jako bakterie z uwagi na typową dla
bakterii budowę komórki. Wszystkie

szczepy Streptomyces są gram

dodatnie, tlenowe i typowym
środowiskiem ich bytowania jest

gleba i woda. Morfologia szczepów
Streptomyces jest zbliżona do

grzybów strzępkowych.

Strzępki

Streptomyces są bardziej delikatne,
cieńsze w porównaniu z strzępkami

pleśni. Strzępki mogą mieć długość

do kilku metrów i typową jest
fermentacja tych strzępek po

zakończeniu wzrostu wykładniczego.
Genom wielu szczepów Streptomyces

został w ostatnich latach
zsekwencjonowany i posiada on

formy liniowych chromosomów, w

przeciwieństwie do genomu
większości bakterii, u których

genomy przybierają formę kulistą. W
genomie Streptomyces znajdują się

duże ilości cytozyny i guaniny.

Znaczenie

przemysłowe Streptomyces wynika z

background image

ich wyjątkowych uzdolnień do

produkcji wielu antybiotyków (2/3
produkowanych antybiotyków to

antybiotyki Streptomyces). W kilku
laboratoriach świata prowadzone są

badania by wykorzystać szczepy
Streptomyces do produkcji

rekombinowanych białek ludzkich.

Dotychczas te badania prowadzono
głównie ze szczepami E. coli (dobry

biorca obcego DNA). Jednakże
okazuje się, że w E. coli bialka ulegają

nieprawidłowej glikozylacji i również
białka nieprawidłowo się zmieniają i

prowadzi to do powstania

nieczynnych, niefunkcjonalnych
produktów. Okazuje się, że szczepy

Streptomyces równie chętnie
przyjmują obce DNA, wykazuja

zdolność do sekrecji prawidłowo
zwiniętych białek i stanowią

atrakcyjną alternatywę dla E.coli i B.

subtilis. Ta właściwość
wykorzystywana jest do opracowania

technologii produkcji tzw.
antybiotyków hybrydowych.

Szczep + obce DNA

-> Produkcja nowego antybiotyku

Streptomycyna została wykryta w
1943 r., czyli po uruchomieniu

produkcji penicyliny i wykrył ją Albert

Schatz. Proces biosyntezy
Streptomycyna i charakterystyczne

elementy.

Glukoza w podłożu,

uruchomiają się 3 szlaki
metaboliczne. Wytwarzany jest

inositol -> pośredniki (nie trzeba

umieć) -> streptydyno-6P. Drugi szlak
-> DTP-L-dihytostreptosa.

Streptomycyna –

pierwszy antybiotyk aktywny w

stosunku do prątków gruźlicy.
- Podłoże do produkcji –

streptomycyna (łatwiej i trudniej

przyswajalne źrodło węgla i azotu) –
glukoza i skrobia

- Doprowadzamy grzybnię do…

Podst. Surowcami

do produkcji streptomycyny są np.
Glukoza + skrobia oraz azotan i

amoniak. (ograniczona ilość

fosforanów!! – nadmiar blokuje
syntezę antybiotyku)

Geny –czynnik A ->

metabolizm szczepu

Szczepy

Streptomyces są wykorzystywane na

skalę przemysłową do produkcji

innych antybiotykow
(chlorotetracyklina, chloramfenikol,

neomycyna, kanamycyna). Przy
użyciu tych szczepow produkowane

są również fungicydy, insektycydy i
herbicydy. Trwają intensywnie

badania do ich wykorzystania w

walce z nowotworami i wirusami.
Bioremediacja – jest to technologia

usuwania zanieczyszczeń z gleby i
zasobów wodnych za pomocą

żywych mikroorganizmów w celu
degradacji lub przynajmniej

transformacji rożnego rodzaju

zanieczyszczeń w formy mniej
szkodliwe. W bioremediacji

wykorzystuje się naturalne zdolności
mikroorganizmów do rozkładu

związków toksycznych.
Najczęstsze zanieczyszczenia

usuwane z wykorzystaniem
mikroorganizmów to:

- związki ropopochodne zarówno

alifatyczne, cykliczne, aromatyczne
jak i poliaromatyczne.

- Pestycydy – szczególnie te
produkowane w latach 1950-1970 r.,

które zalegają do dziś w gruntach.
- Fenole (oczyszczanie wody pitnej)

- Dioksyny – powst. podczas spalania

rożnego rodz. materiału
biologicznego np. drewna, kości

- Chlorowcopochodne –
węglowodorów aromatycznych

(bifenyle)
Dwie ostatnie grupy to związki

najbardziej toksyczne. Dbamy o to by

było ich jak najmniej w środowisku.

Bioremediacja jest

procesem podpatrzonym: Rodzaje:
- Naturalna (podstawowa) –

wykorzystuje naturalne zdolności
ekosystemu do degradacji substancji

toksycznych, trwa długo kilka

kilkadziesiąt lat.
- Inżynieryjna – wspomagana przez

człowieka
+Biostymulacja – polega na

stworzeniu warunków sprzyjających
rozwojowi mikroflory naturalnej,

która zaangażowana zostaniew

rozkład zanieczyszczeń; zapewnienie
odpowiedniej wilgotności, dostępu

tlenu, substancji biogennych (źródło
azotu, fosforu), podregulowanie pH i

ewentualnie zmiany temperatury.
+Bioaugmentacja – obejmuje zabiegi

biostymulacji jak również inokulację

zanieczyszczonego miejsca
wyselekcjonowaną mikroflorą,

aktywną w stosunku do
zanieczyszczeń. Te kultury

starterowe określa się terminem
biopreparaty są to zwykle mieszaniny

kultur trzech – sześciu rodzajów

bakterii wyselekcjonowanych w
laboratoriach pod kątem określonych

grup związków np. węglowodory

polliaromatyczne (trudno ulegajace
degradacji).Procesy bioremediacji

dzielimy również na:
- In situ – dotyczą oczyszczaania w

miejscu wystąpienia zanieczyszczenia
- Ex situ – stosowane są wówczas gdy

oczyszczanie gruntu czy wód na

skutek wysokiej toksyczności
zanieczyszczeń i możliwości

rozprzestrzenienia się
zanieczyszczenia nie jest możliwe.

Zanieczyszczony grunt musi być jak
najszybciej usunięty z tego miejsca

i oczyszczanie prowadzone jest w

miejscu do tego przeznaczonym,
bezpiecznym.

Technologia bioremediacji nie jest
procesem, który można zastosować

zawsze i wszędzie. Dotyczy
określonego typu zanieczyszczeń,

występujących w danym zakresie

stężeń, pewne ograniczenie stanowią
rownież warunki klimatyczne i

geograficzne.
BIOTRANSFORMACJA

Transformacja – przekształcenie,
przeobrażenie.

Biotransformacja to jednoetapowe
(rzadziej dwuetapowe)

przekształcenie chemiczne

egzogennych związków organicznych
w strukturalnie im podobne produkty

dokonywane przez żywą komórkę.

Powstający produkt w

biotransformacji może być szkodliwy
dla komórki np. produkty

biotransformacji steroidów.

Biotransformacja nie jest celem
działania komórki; zachodzi ona

często jako proces niezależny od jej
funkcji życiowych. Biotechnolog

wykorzystuje naturalny aparat
enzymatyczny komórki, podstawia jej

pewne związki organiczne i oczekuje,

że zostaną one przekształcone
zgodnie z jego przewidywaniami.

Biotransformacja jest

procesem (reakcją) wysoce

specyficzną pod względem: kierunku,
swoistości substratowej oraz

stereospecyficzności.

Stereospecyficzność. Wiele
enzymów rozróżnia izomery

i wykazuje aktywność katalityczną
wyłącznie w stosunku do jednej z

odmian izomerycznych związku lub
też tworzy jedynie jedną z nich, np.

cis lub trans, α- lub β-, D- lub L-, itp.

Klasycznym przykładem jest
dehydrogenaza bursztynianowa,

która przekształca bursztynian do
fumaranu Można uznać, że w wielu

przypadkach „komórka nawet nie
zdaje sobie sprawy z tego, że zostaje

oszukana i wykorzystana do

przekształcenia podsuniętego jej
związku organicznego”.

Przykładem może być

reakcja kondensacji. Podstawia się
komórce egzogenny związek a

komórka nieświadomie kondensuje

go z naturalnym metabolitem
występującym w komórce np.

acetylo~SCoA. Tym egzogennym
substratem może być np. anilina:

Progesteron -

Progesteron jest syntetycznie

otrzymywanym naturalnym
hormonem ciałka żółtego jajnika. W

lecznictwie progesteron stosowany

jest zapobiegawczo przy ryzyku
poronienia, niewydolności ciałka

żółtego, zatruciu ciążowym,
zaburzeniach miesiączkowania.

Biotransformacje są odwracalne –
metody i sposób prowadzenia reakcji

wpływa na jej kierunek. np. Oksydaza

glukozowa (enzym) – technologia

Glukonolakton rzadko jest
wykorzystywany, częściej jego

pochodne mają szerokie
zastosowanie jak np.

glukoniansodowy lub glukonian

wapnia. Jak otrzymywać glukonian
wapnia -> biotransformacja !! (enz.

Przekształcenie glukozy w
glukonolakton) – Acetobacter,

glukonobacter, Pseudomonas
Jest to enzym wewnątrzkomorkowy

u grzybów, ewentualnie związany z

membraną, u Pseudomonas jest to
enzym zewnątrzkomórkowy. Jest to

enzym indukcyjny, czyli w podłożu
musi być glukoza, ponieważ:

·

do indukcji enzymu

·

jest źródłem energii i węgla

·

potrzebny jest do tej reakcji

Zatem dobranie ilości glukozy jest

bardzo istotne (ok. 300 g/dm

3

, pH

6,0-6,5, ilość tlenu w podłożu zależy

od rpm i vvm (napowietrzania i

mieszania)).
Przykłady biotransformacji

Oksydaza glukozowa -
Biotransformacja glukozy do

glukonolaktonu

Szczepy Aspergillus,

Penicillium, Acetobacter,
Gluconobacter
oraz Pseudomonas

wytwarzają oksydazę glukozową (EC

1.1.3.4). Enzym ten katalizuje
utlenienie D-glukozy do δ-D-

glukonolaktonu.

Enzym jest częściowo

wewnątrz-, a częściowo

pozakomórkowy. Jest to enzym

indukcyjny – induktorem jego
biosyntezy jest glukoza. Intensywnej

biosyntezie sprzyja pH 6,0-6,5 i silne
natlenienie podłoża hodowlanego.

Zastosowanie oksydazy
glukozowej:

1.do produkcji glukonianów:

- Glukonian sodowy – środek
alkalizujący (np. myjnie butelek, itp.),

- Glukonian wapniowy – lek (w
terapii wapniowe).

1.Przemysł spożywczy, analityka
biochemiczna, biosensory,

diagnostyka laboratoryjna.

Wytwarzanie
Podłoże hodowlane:

·

glukoza (stężenie >
150g/dm3),

·

namok kukurydziany,

·

PO43-,

·

NH4+,

·

Mg2+,

·

CaCO3 lub NaOH
dozowany do pH 6,0.

Temp. 30°C, hodowla wgłębna, tlen
w podłożu około 80% nasycenia, 24
godziny. 14°C - woda głębinowa do
schłodzenia po procesie

Wyodrębnianie produktu

Bacillus przetrwalnikuje i jest
obślizgły – najlepiej oddzielić go

wirowaniem. Jest to długi proces

w zależności od produktu – glukonian
wapniowy lub sodowy;

- gdy zostaje ciecz (krystalizacja, dla
cieczy ph=7),

- gdy zostaje biomasa (co z nią? 3%
bacillusa + kazeina -> do pasz; dla

odmiany gluconobacter jest

oddzielna technologia francuska)
Z biomasy izolujemy enzym.

Następnie go zatężamy (ultrafiltracja)
i suszymy (suszenie rozpyłowe)

Kwas asparaginowy
Kwas asparaginowy znalazł

zastosowanie w lecznictwie lub
przemyśle spożywczym.

Wykorzystuje się reakcję

transformacji kwasu fumarowego do
kwasu asparaginowego katalizowaną

prze amoniakoliazę asparaginianową
(aspartazę – EC 4.3.1.1.). Enzym ten

jest mało stabilny, wrażliwy na wiele
czynników pozakomórkowych.

Dlatego w praktyce stosuje się dwa

różne typy procesu
technologicznego: z

immobilizowanymi komórkami lub
immobilizowanym enzymem

Typ I technologii.

Wykorzystuje się E.coli - szczep
specjalnie wyizolowany i

udoskonalony na drodze mutacji
genetycznej o zwiększonej

produktywności aspartazy. Komórki

immobilizuje się na poliakryloamidzie
lub wg nowszego patentu na

karaginianie aktywowanym
aldehydem glutarowym i

heksametylenodiaminą [podobne
prace z subtilizyną autorstwa

Trzmiela z 1991].

B i o p r o c e s :

bioreaktor sekcyjny w kształcie

kolumny wypełniony nośnikiem
z immobilizowanymi komórkami

E.coli przemywa się przez 48 godzin
1M wodnym roztworem substratu o

pH8,5 (powolna częściowa liza
komórek) i temp. 27°C. pH8,5 sprzyja
powolnej częściowej lizie komórek,

co zwiększa przepuszczalność błony
komórkowej. Substrat dostaje się do

wnętrza komórki, gdzie zostaje
transformowany i następnie

wydzielany na zewnątrz.
Aktywatorem reakcji są jony Mg

2+

.

Typ II technologii.

Wykorzystuje się immobilizowany
enzymu. Operacyjny okres

połowicznego zaniku aktywności
immobilizowanego enzymu wynosi 2

lata. Ogólny schemat technologiczny
procesu jak w typie I.

Kwas jabłkowy

Wykorzystuje się bądź

enzym - z cyklu Krebsa - hydratazę
fumaranową (EC 4.2.1.2) lub też

komórki Brevibacterium
ammoniogenes
albo B.flavum.

Komórki bakterii immobilizuje się na

żelu poliakrylo-amidowym.

Substrat: 1M

fumaran sodu, pH 7,0- 7,3 temp.
37°C, szybkość przepływu przez

kolumnę 0,2 dm3/dm3
wypełnienia/h. Wydajność procesu

70%. Aktywatorem procesu są
związki powierzchniowo czynne

(ostatnio biosurfaktanty)
zwiększające przepuszczalność błony

komórkowej.

Produktem ubocznym jest

kwas bursztynowy:

Mikrobiologiczna

biosynteza biosulfaktanty

Bisulfaktanty wytwarzane

są przez wiele grup

mikroorganizmów: bakterie, grzyby,

rośliny (saponiny), organizmy wyższe
(kwasy żółciowe, składniki śliny).

Związki te wytwarzane są dla potrzeb
komórek ułatwiając im przyswajanie

hydrofobowych substatów
(węglowodory, oleje, tłuszcze) oraz

stworzenie siedliska rozwoju

populacji (biofilm).

Podstawowy podział

biosulfaktantów:
a)związki niskocząsteczkowe –

redukują napięcie powierzchniowe
na granicy faz woda-olej i są słabymi

emulgatorami

b)związki wysokocząsteczkowe – w
niewielkim stopniu redukują napiecie

powierzchniowe, są natomiast
dobrymi emulgatorami

Typowa budowa cząsteczki

biosulfaktantu. Cząsteczka

biosulfaktantu składa się z główki

hydrofilowej i hydrofobowego
ogonka. Główka jest rozpuszczalna w

wodzie, część hudrofobowa nie jest
rozpuszczalna. Za część hydrofilową

odpowiadają grupy cukrowe,
karboksylowe, hydroksylowe. Za

zcęść hydrofobową stanowi część

węglowodorowa kwasów
tłuszczowych.(schemat) Rammolipid

niskocząsteczkowy (Pseudomonas)
najlepiej znany i wykorzystywany.

Substancja hydrofobowa

np. olej mineralny w obecności

biosulfaktantu zostaje sukcesywnie
emulgowana do mikrokropli o

wymiarach takich, że może być

wchłonięta do komórki
mikroorganizmu i tam nastąpi

asymilacja węglowodorów.

Emulgowanie do

wytworzenia makrokropli i wówczas
mikroorganizmy zdolne do degradacji

weglowodorów i wytwarzające

biosulfaktanty związane z
powierzchnią komórki mogą

zasiedlać krople substancji
hydrofobowych. Po wyczerpaniu

przyswajalnych przez nich
składników szybko odlączają się od

makrokropli, która zostaje nastepnie

zasiedlona przez inna grupę
mikroorganizmów.

Zalety biosulfaktantow w

porównaniu do związkow sztucznymi

powierzchniowo czynnymi
1.biodegradowalność - po spełnieniu

swojej funkcji substancje te są latwo

przyswajalne dla różnych
organizmów,

2.niska toksyczność, co pozwala na
ich stosowanie w kosmetyce,

farmacji i przemysle spozywczym
3.wysoka specyficzność – są to

związki kompleksowe zawierajace

określone grupy funkcyjne,
charakteryyzujące się dużą

specyficznością w stosunku do
określonych grup związków,

Mimo, że biosynteza tych

ziązków nie wymaga stosowania

kosztownych substratów i jest

stosunkowo tania to biosulfaktanty
mimo swych zalet nie wyparły jeszcze

powszechnie stosowanych
sulfaktantów syntetycznych.

Uwarunkowania

mikrobiologicznej syntezy

biosulfaktantów
1.obecność podłożu hydrofobowego

substratu
2.limitacja łatwo przyswajalnych

źródeł węgla przede wszystkim
glukozy

3.zróżnicowane wymagania odnośnie
źródła azotu, w części prac poleca się

obecność w podłożu jonów

azotanowych. Generalnie uznaje się,
że pula związków azotowych

powinna być ograniczona
4.w syntezie biosulfaktantów sprzyja

wysokie natlenienie
Biosulfaktanty w zależności od

funkcji jakie mają pełnić

produkowane są bądź w fazie
intensywnego wzrostu bądź w fazie

stacjonarnej. Zawsze ich biosynteza
uzależniona jest ściśle od warunków

hodowli.

Mikrobiologiczna synteza

węglowodorów
Dodatki stosowane aktualne do

paliw. Etanol dodawany jest do
benzyn – nie dostarcza tyle energii na

jednostkę objętości co gazolina i
powoduje korozję i jest

higroskopijny. Następny taki dodatek

to są estry kwasów tłuszczowych
dodawane do diesela. Mają

niekorzystną charakterystykę
w niskich temperaturach – powoduje

wysoką emisję tlenków azotu i
ulegają szybciej utlenieniu od

węglowodorów. Mają dobrą smar

owalność, niską emisję dwutlenku
węgla, ale zawierają związki

aromatyczne (wśród niech
kancerogenne).

C8-C35 izoprenoidy, alkany
rozgałęzione, alkeny, cykloalkany i

węglowodory gazowe (nie metan) –

tego szukamy.

Badania skamielin z przed 3mln lat

wskazują, że w miejscach
występowania ropy naftowej

współbytowały bakterie i algi, co
wskazywało na ich udział w

powstawaniu ropy naftowej.
Pierwsze wzmianki dotyczące

wytwarzania czy gromadzenia

węglowodorów przez
mikroorganizmy dot. Lat 60, jednakże

główne badania z tego zakresu
rozpoczęto od 2005 roku.

Węglowodory mogą pełnić
przeróżne funkcje biologiczne:

1.przechowywanie energii (związki

inertne biologicznie), ochrona
komórki przed czynnikami

zewnętrznymi, rola w adhezji
komórek – tworzenie aglomeratów

2.węglowodory związane z
membrana cytoplazmatyczna chronią

spory grzybni

3.alkany wydzielane poza komórkę
przez szczepy Clostridium uczestniczą

w tworzeniu kapsuł, chroniących
komórkę przed wydzielanymi przez

nie fazami.
4.Węglowodory wydzielane przez

szczepy Pseudomonas odpowiadają

za adhezję komórek do szkła i
tworzenie agregatów

5.Lotne izotreny pełnia rolę
czynników odstraszających

drapieżniki glebowe
6.Chronią przed rozwojem

konkurencyjnej mikroflory

7.Substancje izotrenowe mogą
stymulować wzrost roślin i mogą

chronić przed atakiem grzybów
8.Izotrenoidy odgrywają dużą rolę w

komunikacji bakterii, ze względu na
dużą lotność tych związków, służą

jako nośniki informacji

Jakie mikroorganizmy brane są pod
uwagę opracowania technologii

biosyntezy węglowodorów:
Cyjanobakterie

Beztlenowe bakterie fototropiczne
Gram- bakterie redukujące siarczany

Gram- względne beztlenowce

Gram+ bakterie beztlenowe
Gram+ bakterie tlenowe

Drożdże
grzyby strzępkowe

Jakie grupy węglowodorów:
alkany (C11-C35)

estry metylow (heksa-, hepta, penta
izoprenoidy (Tristan, fitan, skwalan,

skwalene

Warunki determinujące syntezę
węglowodorów:

- obecność w podłożu związku
kierunkującego na biosytnteze,

glicerol, propanol, octan, kwas
glutaminowy izoleucyna i walina

- zalecana jest limitacja źródła azotu

- ograniczenie dostępu światła
(fotobakterie) i tlenu (bakterie

względnie beztlenowe i drożdże)
Ważnym problemem uznaje się, że

nie możliwe jest opracowanie
wydajnej technologii produkcji

węglowodorów w oparciu o ich

mikrobiologiczną syntezę. Trwają
natomiast intensywne zadania nad

znalezieniem genów
odpowiedzialnych za tą syntezę, a

następnie możliwe będzie
skonstruowanie szczepów

prawdopodobnie bakterii, których

będą intensywnie wydzielały
określone grupy węglowodorów.

Rokuje się również, że jako pierwsze
opracowana będzie technologia

produkcji węglowodorów, które
zastąpią olej diesela, nieco dłużej

trwać będzie opracowanie

technologii syntezy węglowodorów
wchodzących w skład gazolin

(benzyn). Znanych jest kilka grup
biosyntezy węglowodorów

(biosyntezy n-alkanów) i do najlepiej
znanych należy:

1.droga elongacji - patrz synteza

kwasów tłuszczowych
2.szlak nazywany head-to-head

(schemat)

a-D-glukopiranoza

OH

O H

H

H

H

OH

H

H

HO

CH

2

OH

C

C

O

C

C

C

1

2

3

4

5

6

OH

H

H

OH

H

H

HO

CH

2

OH

C

C

O

C

C

C=O

O

2

H

2

O

2

d-D-glukonolakton

oksydaza
glukozowa

K

CH COOH

HC

HOOC

fumaran

NH

3

aspartaza

CH COOH

CH

2

H

2

N

COOH

kwas asparaginowy

CH COOH

HC

HOOC

fumaran

hydrataza
fumaranowa

CH COOH

CH

2

COOH

HO

kwas jabkowy

H

2

O

CH COOH

HC

HOOC

fumaran

FADH2

FAD

dehydrogenaza
bursztynianowa

CH COOH

CH

2

COOH

kwas bursztynowy

2


Document Outline


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Produkty metabolizmu centralnego
9 produkty metabolizmu
Metaboliczny szlak produkcji psilocybiny
BANK CENTRALNY I JEGO FUNKCJE
Produkty przeciwwskazane w chorobach jelit II
Ewolucja marketingu era produkcyjna, sprzedazowa, marketingowa Rynek definicja
download Zarządzanie Produkcja Archiwum w 09 pomiar pracy [ www potrzebujegotowki pl ]
Przygotowanie PRODUKCJI 2009 w1
PodMar 5a (istota produktow)
Wyklad 2 zarzadzanie produkcja
strategie produktu
Referat Inżynieria Produkcji Rolniczej
Produkt turystyczny 2
zarzdzanie produkcja i uslygami
zarządanie produk

więcej podobnych podstron