BIOTECHNOLOGIA jest sposobem pozyskiwania i wykorzystania energii w specyficzny sposób

• Definicja energii:

• skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca stan układu fizycznego, wszelkiego rodzaju procesy i oddziaływania w przyrodzie. Jest miarą zdolności układów do wykonania pracy.

• Skąd się wzięła energia? Granica poznania

Energia a materia

E = mc2

• gdzie E - energia, m - masa, c - prędkość światła (300 000 km/h)

• Jest to wzór Einsteina wyjaśniający transformację masy w energię i energii w masę.

Rodzaje energii (użyteczne pojęcia)

w zależności od procesów fizycznych: mechaniczna, elektromagnetyczna, grawitacyjna, jądrowa, cieplna, chemiczna itd.

• Jednostką w układzie SI jest dżul (J).

• Energia potencjalna to energia zmagazynowana w ciele lub układzie wskutek jego położenia (np. w polu grawitacyjnym), kształtu lub stanu.

• Energia kinetyczna jest energią ruchu.

• Energia wewnętrzna ciała jest sumą energii potencjalnej i kinetycznej atomów i cząsteczek tegoż ciała.

Procesy życiowe a energia

• Życie i funkcjonowanie organizmów polega na ciągłym przekształcaniu energii wewnętrznej oraz wykorzystywaniu różnych rodzajów energii zewnętrznej.

• Wszystkie procesy życiowe, zachodzące na Ziemi, oparte są głównie na dopływie energii słonecznej.

Czy żeby zrobić użytek z energii wystarczy ją mieć?

Musimy się zdecydować, czy energię przekażemy (dokonamy jej zmiany) na sposób ciepła, czy też pracy (czasami nie mamy wyboru).

Pamiętajmy, ani ciepło ani praca nie są energią, są tylko sposobami przekazywania energii!!!

Źródłem energii w naszym przypadku są różne procesy.

Rodzaje procesów (fizycznych i chemicznych)( a bio?)

• Procesy przy stałym ciśnieniu (i zmieniającej się objętości)

• Procesy przy stałej objętości (i zmieniającym się ciśnieniu)

No to co z tą energią?

• Casus grzejnika

• Casus wybuchu jądrowego

• To znaczy, że musi istnieć jeszcze jakiś inny czynnik decydujący o zmianie energii. Na razie uznajmy, że tym czynnikiem jest kształt energii, czyli ENTROPIA, a właściwie jej zmiany

Jak i dlaczego zachodzą przemiany? I.
(chemiczne, fizykochemiczne i biochemiczne)

1. Reakcje spontaniczne i wymuzone

2. Reakcje odwracalne i nieodwracalne (termodynamicznie)

Jak i dlaczego zachodzą przemiany? I.

To są reakcje odwracalne (termodynamicznie)

To są reakcje nieodwracalne (termodynamicznie). A co z owym S powyżej? Wchodzi w skład B czy się „regeneruje” ?

Kataliza i katalizatory

• Jeśli S się regeneruje, to jest on katalizatorem.

• Jak więc on działa? Jest on w stanie oddziaływać z cząsteczką reagenta tworząc tzw. kompleks aktywny, który potem samorzutnie się rozpada po samoistnym (wewnątrzcząsteczkowym) lub międzycząsyteczkowym przekształceniu reagenta na produkt i katalizator S.

Czym może być katalizator?

• Katalizatorem może być związek chemiczny nieorganiczny lub organiczny, powierzchnia metalu itp.

• Jeśli katalizator jest rozpuszczony w środowisku reakcji jest katalizatorem homogennym, a cały proces jest katalizą homogenną. Katalizator nie rozpuszczony w środowisku reakcji jest katalizatorem heterogennym, a kataliza jest heterogenna.

Dlaczego nie reaguje wszystko z wszystkim ?

• Zawsze pamiętajmy, że przeciwne (różnoimienne) ładunki się przyciągają, a takie same (równoimienne) się odpychają.

• Jest oczywiste, że reakcje zajdą wtedy, gdy reagenty się ze sobą w jakiś sposób „zetkną” tzn. nawiążą ze sobą kontakt elektryczny np. poprzez przyciąganie różnoimiennych ładunków. Tak przyciągają się jony dodatnie z ujemnymi.

A jak związek nie jest jonem, to co?

• Problemy:

• pola energii.

• orbitali molekularnych i atomowych.

• chmur elektronowych

Elektropowinowactwo atomów a ich położenie w układzie okresowym. (UKŁAD)

Co wynika z różnic w elektropowinowactwie związanych ze sobą atomów?

• 1. Polaryzacja wiązań chemicznych i fluktuacje gęstości elektronowych w różnych miejscach cząsteczek i w konsekwencji w orbitalach molekularnych. Cząsteczki uzyskują tzw. moment dipolowy. Dipole przyciągają się wykorzystując różnoimienność biegunów dipoli.

Polaryzacja i polaryzowalność

• Polaryzacja - odpowiada za powstanie momentu dipolowego trwałego

• Polaryzowalność - zmiana momentu dipolowego wywołana polem elektrycznym zbliżającego się reagenta. Może ten moment dipolowy zwiększać lub zmniejszać.

• Momenty dipolowe indukowane - wywołane drganiami cząsteczek

Wiązania chemiczne

• 1. Wiązania walencyjne

• 1.1. Wiązania atomowe niespolaryzowane

• 1.2. Wiązania atomowe spolaryzowane

1.3. Wiązania jonowe

• 2. Wiązania koordynacyjne

• (oczywiście, o charakterze spolaryzowanym)

Rodzaje drgań cząsteczek

• 1. Rotacyjne i translacyjne

• 2. Deformacyjne

• 3. Rozciągające:

• 3.1. symetryczne

• 3.2 . asymetryczne

Tylko drgania 2 i 3 wywołują (indukują) powstawanie chwilowych momentów dipolowych (indukowane momenty dipolowe)

Oddziaływania międzycząsteczkowe (wiązania fizyczne)

• 1. Jon - jon (oddziaływania elektrostatyczne)

• 2. Dipol trwały - dipol trwały

• 3. Dipol trwały - dipol indukowany (siły van der Waalsa)

• 3. Dipol indukowany - dipol indukowany (siły dyspersyjne Londona)

• 4. Wiązania wodorowe

Kompleksy

• 1. Kompleksy sorpcyjne

• 2.Kompleksy s

• 3. Kompleksy p

• 4. Kompleksy inkluzyjne

• 5. Kompleksy interkalacyjne

• 6. Kompleksy klatkowe (klatraty)

Struktura a oddziaływania wewnątrz- i międzycząsteczkowe

• Doprowadzają do reakcji lub zmiany stanu skupienia

• Znając rozkład gęstości elektronowych w cząsteczce można z dużą dozą prawdopodobieństwa ustalić, które miejsca w cząsteczkach będą podatne na oddziaływania z poszczególnymi reagentami, czyli gdzie znajdują się ich miejsca aktywne (miejsca reakcji).

Procesy biochemiczne

• Procesy biochemiczne zachodzą zazwyczaj dzięki katalitycznemu działaniu enzymów. Z reguły są one selektywne. W wyniku określonej dla danego substratu i enzymu ścieżki reakcji (mechanizmu) powstaje jeden produkt. Reakcje enzymatyczne zachodzą zazwyczaj w temperaturze 20-40oC z niewielkim wydatkiem energetycznym, są szybkie i wydajne, ale wymagają sterylności.

Procesy chemiczne

• Są mało selektywne, powstaje kilka produktów, są często mało wydajne, reakcje bywają powolne, wymagają ogrzewania lub są wyraźnie egzotermiczne lub endotermiczne.

• W odróżnieniu od procesów biochemicznych zmieniają pH lub wymagają pH nie tolerowanego przez organizmy żywe.

Oto różnica

ENZYNY (INSULINA)

Co to są enzymy?

• Enzymy są białkami zawierającymi od 60 do 1000 różnych aminokwasów, a konkretnie

L-a-aminokwasów nazywanych biogennymi lub proteogennymi aminokwasami.

Izomeria optyczna I

Izomery optyczne sacharydu mające się do siebie jak przedmiot do swego odbicia lustrzanego enancjomery

Izomeria optyczna II

Dwa izomery optyczne nie będące odbiciami lustrzanymi -diastereoizomery

Klasyfikacja enzymów

1. OKSYDOREDUKTAZY - katalizują reakcje redox.

2. TRANSFERAZY - katalizują transfer odpowiednich grup funkcyjnych.

3. HYDROLAZY - katalizują tworzenie lub zrywanie wiązań C-O, C-N, C-S, P-O.

4. LIAZY - katalizują rozerwanie wiązań C-C, C-O, C-N poprzez eliminację.

5. IZOMERAZY - katalizują geometryczne lub strukturalne przegrupowania wewnątrz cząsteczki.

6. LIGAZY - syntetyzują cząsteczki ważne zwłaszcza w biologii molekularnej.

Hydrolazy

• LIPAZY:

• Lipaza z Pseudomonas cepacia, PFL (Lipaza z Pseudomonas

• fluorescens), CAL (lipase z Candida antarctica), CRL (lipaza z

• Candida rugosa) i inne.

• ESTERAZY:

• Esteraza z wątroby wieprzowej (PLE), cholinoesteraza i inne.

• PROTEAZY:

• Chymotrypsyna, subtylizyna, papaina, pepsina i inne.

• AMIDAZY, NITRYLAZY.

• FOSFATAZY, NUKLEAZY, FOSFOLIPAZY

Źródła enzymów

1. Enzymy naturalne izolowane z organizmów roślinnych i zwierzęcych (dostępne także w handlu). Zazwyczaj pochodzą one z płynów wyższych organizmów, ale częściej z grzybów i drożdży

2. Enzymy syntetyczne po modyfikacji genetycznej enzymów naturalnych izolowanych lub ich producentów (mikroorganizmów)

3. Producenci enzymów - mikroorganizmy

Pojedyncze enzymy jak i ich mieszaniny (koktajle enzymatyczne) mogą być stosowane w stanie wolnym jak i osadzone na nośnikach (immobilizowane)

Izolowane enzymy

• Zalety: Prosta aparatura

• Prosta przeróbka mieszaniny reakcyjnej

• Specyficzne dla wybranych reakcji

• Lepiej tolerowane dodatkowe rozpuszczalniki

• Wady: Koszty

• Wymagany dodatek kofaktora, który zazwyczaj się odzyskuje w odrębnym procesie

Mikroorganizmy

• Zalety: Tanie

• Obecność wymaganych kofaktorów

• Wady: Skomplikowana aparatura

• Utrudniona obróbka mieszaniny reakcyjnej

• Możliwość wystąpienia reakcji ubocznych

Kofaktory

• Kofaktory - związki chemiczne potrzebne enzymom do katalizowania konkretnych reakcji chemicznych.

• Apoenzym i kofaktor tworzą katalitycznie aktywny enzym, nazywany holoenzymem[2].

• Kofaktory możemy podzielić na[2]:

• grupy prostetyczne - silnie, kowalencyjnie związane z enzymami

• koenzymy - luźno, niekowalencyjnie związane

• Niektóre kofaktory to związki nieorganiczne, takie jak atomy metali: cynku, żelaza, miedzi w odpowiednich formach. Inne, jak na przykład większość witamin, to związki organiczne. Kofaktory są zdolne do przeprowadzania reakcji biochemicznych, których nie może katalizować zwykły zestaw 20 aminokwasów.

Typy selektywności wykazywane przez enzymy

• Chemoselektywność

• Regioselektywność;

• Diastereoselektywność

• Enancjoselektywność

Pożądane cechy reakcji enzymatycznych

Chemoselektywność:

W procesie powstaje tylko jeden produkt.

Regioselektywność:

Powstaje nadmiar jednego z kilku możliwych produktów (gdy powstaje wyłącznie jeden produkt mówimy o regiospecyficzności)

• Diastereoselektywność

• Enancjoselektywność

Inhibicja i inhibitory

Enzym + substrat => kompleks

Jeśli energia kompleksowania jest wysoka, nie dochodzi w trakcie reakcji do jego rozszczepienia i dochodzi do inhibitowania reakcji enzymatycznej.

Inhibitowanie może być odwracalne lub nieodwracalne.

Niejednokrotnie dodaje się substancji inhibitującej, aby zapobiegać pewnym niepożądanym reakcjom.

Procesy enzymatyczne użyteczne w produkcji kosmetyków

Przetwórstwo polisacharydów

Rozszczepianie błonnika

• Enzym b-glukanaza (a także inne) rozszczepiają błonnik ułatwiając ekstrakcję biologicznie czynnych roślinnych składników stosowanych w produkcji kosmetyków, np. fitochormonów, witamin, barwników i olejków zapachowych, kwasu hialuronowego oraz cennych dla kosmetyków białek (np. z soi).

Wykorzystanie skrobi
Skrobia -> dekstryny jako wypełniacze i zagęstniki oraz składniki do kosmetyków jak pudry i zasypki. Są to procesy polegające na hydrolitycznym rozszczepieniu skrobi za pomocą takich hydrolaz jak a- i b-amylazy, glukoamylaza, pululanaza, izoamylaza, a- i b- glukozydazy, i inne.

Estryfikacja skrobi
-Skrobię estryfikuje się kwasami nieorganicznymi, zwłaszcza kwasem fosforowym (enzym fosforylaza) lub organicznymi (różne esterazy).
-Uzyskuje się produkty o konsystencji tłuszczów. Służą jako substancje poślizgowe i smarowe.

Produkcja cyklodekstryn
Cyklodekstryny jako osłony mikrokapsułek barwników, środków zapachowych i innych składników kosmetyków. Otrzymuje się je z hydrolizatów skrobiowych przy użyciu enzymu z grupy cyklaz (CGT-aza).

Mikrokapsułkowanie zapobiega

• utlenianiu tych składników w kontakcie z powietrzem

• Ulatnianiu się z powodu wysokiej prężności par

• Utrzymuje stałe stężenie substancji czynnej przez długi okres czasu

Modyfikowane cyklodekstryny

2-Hydroksypropylo-b-cyklodekstryna jako kosmetyczny środek napinający skórę (kremy przeciwzmarszczkowe).

b-CD-CH2-CH(OH)-CH3

Zastępuje białka, które z powodu większej masy cząsteczkowej znacznie gorzej wnikają w skórę, a ich działanie zasadza się raczej na tworzeniu cienkiego filmu na powierzchni skóry (Preparat Phytodermina Lifting firmy I.R.A.)

Demetylacja pektyn

Pektyny - substancje żelujące - teksturotwórcze.

Normalnie są one w różnym stopniu „zmetylowane” czyli zestryfikowane metanolem. Im bardziej tym gorsze mają właściwości funkcjonalne. Najlepsze właściwości ma pektyna z cytrusów, najgorsze pektyna jabłkowa. Ze względów ekonomicznych pektynę jabłkową się enzymatycznie demetyluje.

Otrzymywanie gum roślinnych
W kosmetyce używa się różnych gum roślinnych pochodzenia naturalnego i syntetyczne (np. guma ksantanowa, gelan i inne). Są to dodatki teksturotwórcze w kremach, pastach płynnych środkach myjących. W syntezie gumy ksantanowej wykorzystuje się bakterie Xantomonas campestris.

Guma ksantanowa i gelan

[D-Glc(β1→4)D-GlcA(β1→4)D-Glc(β1→4)L-Rha(α1→3)]n.

Kwas hialuronowy

Jest to aminopolisacharyd

Kwas hialuronowy II

• Środek utrzymujący wodę w skórze właściwej. Regeneruje skórę i tkanki.

• Wydzielany z materiału naturalnego (grzebienie kogucie, skóra rekina, gałki oczne)jak i biosyntetycznie.

Kosmetyki na bazie produktów pochodzących z fermentacji wina

Nowoczesna i innowacyjna technologia pozyskiwania surowców kosmetycznych z produktów pofermentacyjnych wina.

• Susz pozostający jako końcowy produkt fermentacji wina, jest cennym źródłem substancji biologicznie aktywnych, o wysokiej biodostępności
  (cenne peptydy, witaminy z grupy B , polifenole oraz minerały). Substancje te wykazują działanie odżywcze , przeciwzmarszczkowe oraz regeneracyjne. 
  
  Trwają również prace na opracowaniem koncentratu w formie proszku, użytecznego jako produkt kosmetyczny o działaniu ani-aging.

Enzymatyczne przekształcenia białek (protein)

• Antarcticine - glikoproteina produkowana przez bakterię Pseudoaleromonas antarctica w czasie jej wzrostu.

• Ta glikoproteina jest stosowana do ochrony skóry przed jej wysuszeniem, regeneracji skóry oraz ochrony skóry przed zimnem.

Białka bakteryjne i rekombinowane

To już się robi, ale dotąd nie ma pewnych wiadomości o ich zastosowaniach w kosmetologii.

Białka rekombinowane to raczej dziedzina związana z genetyką.

Peptydy w kosmetykach? Owszem ale równie dobrze można mówić o kosmetykach zawierających witaminy, hormony, saponiny, lecytynę, syntetyczny ludzki kolagen i inne produkty naturalne

---