Биосинтез соединений

На примере выделения продуцента антибиотика
3. Удельная скорость роста продуцента рассчитывается по формуле
μ = (X1-X0) / X1(t1-t0)

41. Особенности метаболизма аэробных микроорганизмов: использование неполных аэробных окислений в биотехнологии. Получение лимонной и уксусной кислот: возбудители, условия биосинтеза кислот.
Аэробы — организмы, нуждающиеся в свободном молекулярном кислороде для синтеза энергии. К ним относятся (вспоминаем микру): 1) облигатные аэробы (Организмы, получающ. энергию и образ. АТФ при помощи только окислительного фосфорилирования субстрата, где окислителем может выступать только молекулярный кислород) 2) микроаэрофилы (низкое парциальное давление кислорода в воздухе, им нужен кислород для роста, но в оч. маленькой концентрации (ок. 2%))
Неполное окисление — когда субстрат не окисляется только до СО2 и Н2О, а в качестве продуктов обмена в среду выделяются так же частично окисленные органические соединения (уксусная, фумаровая, глюконовая и др. кислоты)
Получение лимонной кислоты:
Компоненты питательной среды: Меласcа, хлорид аммония,
сульфат магния, дифосфат калия.
Продуцент: Aspergillus niger, Varrowia lipolytica. Лимоннокислым брожением называется окисление глюкозы грибами в лимонную кислоту. Конечный результат брожения можно представить следующим суммарным уравнением:
2С6Н1206 (сахароза) +302 -> 2С6Н807 + 4Н20.
Основным сырьем служит меласса — черная патока. Раствор ее, содержащий около 15% сахара, в который добавляют необходимые для гриба питательные вещества (в виде различных минеральных солей), наливают невысоким (8—12см) слоем в плоские открытые сосуды (кюветы) и засевают спорами гриба. Кюветы помещают в бродильные камеры, которые хорошо аэрируются. Процесс продолжается 6—8 дней при температуре около 30° С. Гриб развивается на поверхности сбраживаемой жидкости. Выход лимонной кислоты достигает 60—70% израсходованного сахара. По окончании брожения раствор из-под пленки гриба сливают. Лимонную кислоту выделяют из раствора и подвергают очистке и кристаллизации. При отсутствии в растворе сахара эта кислота может быть окислена грибом до более простых продуктов — щавелевой и уксусной кислот, углекислого газа и воды.
Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков, сиропов, кулинарии и медицине.
Получение уксусной кислоты:
Компоненты питательной среды: Этиловый спирт, хлорид аммония, сульфат магния, монофосфат калия.
Продуценты: Bacterium Schutzenbachii, Bacterium Curvum.
Для получения пищевой уксусной кислоты используется способность уксуснокислых бактерий окислять этиловый
спирт до уксусной кислоты. Реакцию образования уксусной кислоты катализирует окислительный фермент
алкогольоксидаза. Этот сложный многоступенчатый процесс выражается суммарным уравнением
СН3СН2ОН + О2 = СН3СООН + Н2О + 490 кДж

42. Характеристика энтеробактерий. Процессы, вызываемые энтеробактериями. Использование энтеробактерий в биотехнологии для получения микробных биомасс и генно-инженерных белков.
Энтеробактерии (лат. Enterobacteriaceae) по форме — бациллы (палочкообразные) длиной 1—5 мкм. Они грамотрицательны.
Энтеробактерии — факультативные анаэробы и ферментируют углеводы с образованием муравьиной кислоты и других конечных продуктов (так называемое формиатное брожение). Некоторые энтеробактерии могут разлагать лактозу. Большинство имеет жгутики для передвижения. Не образуют спор.
Множество представителей семейства являются частью нормальной микробиоты кишечника и могут быть найдены в кишечнике человека и других животных, тогда как остальные обитают в почве, воде или паразитируют на различных растениях и животных. Лучше всего изучена кишечная палочка — важнейший модельный организм, использующийся в генетике, молекулярной биологии из-за высокой изученности её генетики и биохимии.
Энтеробактерии делят на: патогенные и условно-патогенные. Патогенные могут вызывать у человека острые кишечные инфекции, условно-патогенные – гнойно-воспалительные заболевания и пищевые токсикоинфекции.
E. coli играет важную роль в современной промышленной микробиологии и биологической инженерии. Работа Стенли Нормана Коэна и Герберта Бойера на E. coli, с использованием плазмид и эндонуклеаз рестрикции для создания рекомбинантной ДНК, находится у истоков современной биотехнологии.
Кишечную палочку считают универсальным организмом для синтеза чужеродных белков. В E. coli исследователи вводят гены при помощи плазмид, что позволяет осуществлять биосинтез белков для промышленной ферментации. Также разработаны системы для синтеза в E. coli рекомбинантных белков. Одним из первых примеров использования технологии рекомбинантных ДНК является синтез аналога инсулина человека. Модифицированные E. coli используют при разработке вакцин, синтеза иммобилизованных ферментов и решения других задач. Однако, в организме E. coli невозможно получать некоторые крупные белковые комплексы, содержащие дисульфидные связи, в частности, белки, для проявления биологической активности которых требуется посттрансляционная модификация

43. Характеристика пропионовокислого брожения. Использование в биотехнологических процессах.
Пропионовое брожение происходит при фумаратном дыхании.
Возбудители: Thallobacteria, Propionibacteriaceae.
Сбраживание молочной к-ты лактатом
Пропионовые бактерии способны фиксировать CO2, при этом из пировиноградной кислоты и CO2 образуется щавелевоуксусная кислота, превращающаяся в янтарную к-ту, из которой декарбоксилированием образуется пропионовая кислота: Суммарно, можно так описать реакцию сбраживания глюкозы C6H12O6 при пропионовокислом брожении:
СН3СН(ОН)СООН-окисление->СН3С(О)СООН-+СО2 (фермент — витамин В12)-> НООССН2С(О)СООН -+НАД Н2->НООССН2СН(ОН)СООН (ябл. к-та) -(-Н2О)-> НООССНСНСООН (фумаров. к-та) -НАД Н2->НООССН2СН2СООН (сукцинат) + АТФ -+SHKoA-> НООССН2СН2СОSKoA (сукцинил-КоА) -(фермент изомераза)-> НООССН(СН3)СОSKoA (метилмалонил-КоА -(декарбоксилаза)-> СО2 + СН3СН2СОSKoA (пропионил-КоА)
Сл. цикл: СООНСН2СН2СООН + СН3СН2СОSKoA —> СООНСН2СН2СОSKoA + СН3СН2СООН
Смысл: Получение АТФ
Использование: используется в сыроварении

44.. Ферментные препараты в биотехнологичесих процессах, использование биокатализа в процессах биотрансформации.
Ферменты как биокатализаторы обладают рядом уникальных свойств, например, таких как высокая каталитическая активность и избирательность действия. В ряде случаев ферменты обладают абсолютной специфичностью, катализируя превращение только одного вещества. Для каждого фермента существует свой оптимум рН, при котором его каталитическое действие максимально. При резком изменении рН ферменты инактивируются из-за необратимой денатурации. Ускорение реакции при повышении температуры также лимитировано определенными пределами, поскольку уже при температуре 40-50оС многие ферменты денатурируют. Эти свойства ферментов приходится учитывать при разработке технологии нового препарата.
Биокатализ [греч. bio(s) — жизнь и katalysis — разрушение] — ускорение с помощью ферментов химических реакций, протекающих в живых организмах. Б. — процесс высокоэффективный, специфичный и, в отличие от химического катализа, происходит в более «мягких» условиях, т. е. условиях, свойственных живому организму (температуре, давление, реакции среды и т. д.).
Биотрансформация — процесс, в котором под действием микроорганизмов или ферментов (чаще) происходит изменение состава исходного химического вещества.
При очистке сточных вод используют потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ.
При извлечении тяжёлых и благородных материалов из руд используют выщелачивание с помощью микроорганизмов
При приготовлении хлеба, шампанского, пива и др. используют жизнедеятельность микроорганизмов для образования газа и создания пористых материалов

45. Характеристика ферментов: строение, каталитическая активность ферментов.

По строению ферменты делятся на простые (однокомпонентные) и сложные (двухкомпонентные). Простой фермент состоит только из белковой части; в состав сложного фермента входит белковая и небелковая составляющие. Иначе сложный фермент называют холоферментом. Белковую часть в его составе называют апоферментом, а небелковую - коферментом.. Особенностью сложных ферментов является то, что отдельно апофермент и кофермент не обладают каталитической активностью.
В составе как простого, так и сложного фермента, выделяют субстратный, аллостерический и каталитический центры.
Каталитический центр простого фермента представляет собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, расположенных на разных участках полипептидной цепи. Образование каталитического центра происходит одновременно с формированием третичной структуры белковой молекулы фермента. Чаще всего в состав каталитического центра простого фермента входят остатки серина, цистеина, тирозина, гистидина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.
Субстратный центр простого фермента - это участок белковой молекулы фермента, который отвечает за связывание субстрата. Субстратный центр образно называют "якорной площадкой", где субстрат прикрепляется к ферменту за счет различных взаимодействий между определенными боковыми радикалами аминокислотных остатков и соответствующими группами молекулы субстрата. Субстрат с ферментом связывается посредством ионных взаимодействий, водородных связей; иногда субстрат и фермент связываются ковалентно. Гидрофобные взаимодействия также играют определенную роль при связывании субстрата с ферментом.
Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому какого-то низкомолекулярного вещества изменяется третичная структура белковой молекулы фермента, что влечет за собой изменение его активности. Аллостерический центр является регуляторным центром
Каталитическая активность ферментов зависит от температуры, рН среды и присутствия различных веществ.

46. Культивирование микроорганизмов в замкнутой системе. Фазы роста и особенности физиологии продуцентов в различных фазах роста.
Вспомнить кривую Иерусалимского, соотв. фазам роста популяции микробов в замкнутой системе. (График: по оси ординат — количество микроорганизмов N, по оси абцисс — время t)
Фазы:
1. Лаг-фаза (aka фаза адаптации) — клетки приспосабливаются к субстрату. численность популяции — постоянна.
2. Лог-фаза (aka фаза экспоненциального (логарифмического) роста) — численность популяции = 2^n где n — это число делений
3. Фаза линейного роста — клетки делятся с меньшей скоростью, чем в лог-фазе, вмирания НЕТ
4. Стационарная фаза — число вымирающих клеток=числу делящихся клеток. Численность популяции — максимальна
Физиологические особенности клеток в стац. фазе от клеток в лог-фазе: 1) клетки меньшего размера 2) вялый метаболизм (иногда — состояние покоя) 3) появляются клетки в инволюционной форме — большие, но не делящиеся
5. Фаза автолиза (aka фаза отмирания) — популяция начинает сама себя убивать по экспоненте
6. Фаза выживания — клетки покоятся. Численность популяции — постоянна.