Biotechnologia II W01
Metabolizm centralny i peryferyjny:
W wyniku procesów biosyntezy powstają metabolity, które stanowią bioprodukty.
Bioprodukty powstające podczas hodowli mikroorganizmów są metabolitami, czyli związkami ściśle związanymi z funkcjami życiowymi komórki. Metabolit definiowany jest jako związek organiczny bądź nieorganiczny produkowany przez komórki. Przyjęto jednak, że określenie to nie dotyczy białek i kwasów nukleinowych. Mówiąc o metabolitach myśli się raczej o substancjach niskocząsteczkowych. Określenie to również nie jest ścisłe, ponieważ enzymy z jednej strony są białkami i substancjami o stosunkowo dużym ciężarze cząsteczkowym (masie cząsteczkowej), a są jak najbardziej metabolitami.
Metabolizm - całokształt reakcji chemicznych i związanych z nimi przemian energii zachodzących w żywych komórkach, stanowiący podstawę wszelkich zjawisk biologicznych. Procesy te pozwalają komórce na wzrost i rozmnażanie, zarządzanie swoją strukturą wewnętrzną oraz odpowiadanie na bodźce zewnętrzne.
Przyjęto również stosowanie 2 terminów: metabolizm centralny (pierwotny, I-rzędowy) i peryferyjny (wtórny, drugorzędowy).
Metabolizm centralny to zespół przemian odbywający się u wszystkich organizmów żywych i związany bezpośrednio z realizacją funkcji życiowych organizmów. Są to takie przemiany jak np. przyswajanie źródła azotu, przemiany w warunkach beztlenowych, takie jak produkcja etanolu czy kwasu mlekowego.
Metabolizm peryferyjny jest bardziej różnorodny, charakterystyczny dla danego organizmu, a produkty tych przemian są bardziej różnorodne. Typowymi produktami metabolizmu peryferyjnego są antybiotyki, insektycydy, hormony, kauczuk naturalny.
Anabolizm i katabolizm
Ogólnie jest to zespół procesów prowadzących do tworzenia i magazynowania substancji lub ich rozkładu. Przemiany kataboliczne biegną w przeciwnym kierunku niż anaboliczne ale wszystkie są ściśle ze sobą powiązane.
Anabolizm - reakcje syntez odbywające się w komórce, w następstwie których odbywa się powstawanie związków złożonych. Rekcje te wymagają dostarczenia energii. Przykładem takich reakcji jest fotosynteza, chemosynteza, biosynteza białek, lipidów i kwasów nukleinowych.
Reakcje anaboliczne kumulują energię, a powstające produkty zawierają więcej energii niż substraty, które brały udział w tej syntezie.
Katabolizm - reakcje rozkładu/degradacja związków złożonych, bogatych w energię. Tworzeniu związków prostszych towarzyszy uwalnianie energii. Przykładami takich reakcji są m.in. oddychanie, fermentacja (np. etanolowa, kwasu mlekowego). Utworzone produkty mają mniej energii niż substraty.
Reakcje metaboliczne zachodzące w komórkach podlegają złożonym mechanizmom kontrolnym. Odbywa się to zwykle poprzez regulacje określonych aktywności enzymów. Charakterystyczne jest również, że produkty metabolizmu centralnego tworzone są w fazie wzrostu wykładniczego, a produkty peryferyjne w fazie stacjonarnej, która jest określana terminem - idiofaza, a produkty tej fazy nazywa się idiolitami.
Przemianami charakterystycznymi dla metabolizmu centralnego są glikoliza (szlak Embdena-Meyerhofa-Parnasa, EMP) szlak heksozomonofosforanowy oraz cykl Krebsa (cykl kwasu cytrynowego, cykl kwasów trikarboksylowych), a także szlak Entnera-Doudoroffa.
Mikroorganizmy spalają glukozę najczęściej według szlaku EMP, po czym w zależności od warunków tlenowych, tworzony w ramach glikolizy kwas pirogronowy, przy obecności tlenu zostaje przekształcony do acetylo-CoA i kierowany do cyklu Krebsa.
W warunkach ograniczonego natlenienia ujawnia się metabolizm beztlenowy i dochodzi tam do fermentacji, czyli tworzenia takich produktów jak kwas mlekowy, propionowy, etanol czy CO2. W zależności od dostępu tlenu zysk energetyczny tych przemian będzie różny, ponieważ w czasie glikolizy w warunkach tlenowych powstaje 32 cząsteczek ATP, a w warunkach beztlenowych 2 cząsteczki ATP. Tak więc warunki natlenienia mają zasadniczy wpływ na wzrost i tworzenie metabolitów przez dany mikroorganizm. Ilustracją tego zjawiska jest wzrost szczepu S. cerevisiae w warunkach tlenowych i beztlenowych. W warunkach tlenowych uzyskamy znaczny przyrost biomasy, natomiast w warunkach beztlenowych będzie on niewielki.
2