Шпаргалка по "Биотехнологии"

Окисление питательных веществ  не всегда идет до конца. Некоторые  аэробы окисляют органические соединения частично, при этом в среде накапливаются  промежуточные продукты окисления. Такие окислительно-восстановительные  процессы, протекающие в аэробных условиях называются неполным окислением или окислительным брожением.

Примерами неполных окислений являются окисление углеводов до органической кислоты, аэробными микроорганизмами, микроскопическими грибами и  уксусно-кислыми бактериями.

Анаэробное дыхание – окислительно-восстановительный процесс, проходящий с образованием АТФ, в котором роль донора водорода играют органические соединения, а акцептором – неорганические соединения. Осуществляется прокариотами в анаэробных условиях. При этом факультативные анаэробы используют акцепторы электронов с высоким окислительно-восставительным потенциалом (NO₃ ^-; NO₂^-; FE³⁺ ).

Акцепторы с низким окислительно-восстановительным  потенциалом (S; SO₄ ^2-; CO₂).

Механизмы окисления органических субстратов при анаэробном дыхании, как правило, аналогичны организмам окисления при анаэробном дыхании.

Нитратное и нитритное  дыхание – прокариоты возможностью использовать в качестве акцептора электрона в дыхательной цепи вместо кислорода различные окисленные соединения азота. Ферментом катализирующим финальную стадию транспорта аниона является нитрат редуктаза. В этом процессе выделяют две стадии:

1. NO, образующая нитрит редуктаза, восстанавливает нитрит до окиси азота.
2. NH₃, образующая нитрит редуктаза, восстанавливает нитрит до иона аммония.

 Сульфатное дыхание – в настоящее время известен ряд бактерий, способных окислять органические соединения или молекулярный водород в анаэробных условиях, используются в качестве акцепторов – электронов дыхательной цепи. Сульфаты, тиосульфаты используют в качестве акцепторов, сульфиты, молекулярную среду. Этот процесс получил название диссимиляционной сульфат реакцией, а бактерии, осуществляющие этот процесс – сульфат восстанавливающих или сульфатредуцирующие.

Сульфатвосстановительные бактерии широко распределены в анаэробных зонах, водоемах, в иле, в почве, в пищевом  тракте животных. Сульфатвосстанавливающим бактериям принадлежит ведущая  роль в образовании сероводорода в природе и в отложении  сульфидных минералов. Накопление в  среде H₂S часто приводит к отрицательным последствиям: в водоемах – к гибели рыбы; в почвах – к угнетению растений. В коррозии в анаэробных условиях различного металлического оборудования, в частности металлических труб.

10. Энергетический метаболизм хемоорганотрофов, использующих процесс брожения.

Брожение – окислительно-восстановительный  процесс, проходящий в анаэробных условиях и приводящий к образованию АТФ, в котором роль донора и акцепторов атома водорода играют органические соединения. Образование АТФ при  брожении происходит путем субстратного фосфорилирования. Чаще всего в процессах  брожения, названия каоторых даются по конечному продукту.

Первый этап. Окисление углеводов в процессе брожения включает гидролиз углеводов до простых сахаров и изомеризацию их до глюкозы.

На втором этапе глюкоза через ряд последовательных реакций окисляется в пировиноградную кислоту. Этот процесс называется гликолизом. Основными стадиями гликолиза является присоединение фосфатных групп от молекулы АТФ и превращение во фруктозо-1,6-дифосфат. Далее фруктозо-1,6-дифосфат превращается в фосфоглицериновый альдегид, который через ряд последовательных реакций превращается в пировиноградную кислоту, при этом образуется свободная энергия, достаточная для образования 4 молекул АТФ. Но т.к. две АТФ затрачиваются на активацию глюкозы, то энергетическая ценность  любого брожения образования из одной молекулы глюкозы двух молекул АТФ. Также при гликолизе восстанавливается дегидрогеназа ( 2 молекулы НАД H₂+).

Третий этап. Пировиноградная кислота при серии последовательных реакций претерпевает превращение, характер которых зависит от ферментативных особенностей того или иного возбудителя.

В клетках дрожжей имеются специфические  ферменты пируватдекарбоксилаза, осуществляется превращение пировиноградной кислоты  в этиловый спирт.

11. Ферменты микроорганизмов. Общая характеристика.

Ферменты — биологические катализаторы. Они катализируют тысячи химических реакций, из которых слагается метаболизм микроорганизма. В настоящее время известно около двух тысяч ферментов.

Ферменты представляют собой белки  с  молекулярной массой от 10000 до нескольких миллионов. Название ферменту дается по веществу, на которое он действует  с изменением окончания на «аза». Например, целлюлаза катализирует гидролиз целлюлозы до целлобиозы, уреаза катализирует гидролиз мочевины до аммиака и С0₂ и т. п. Однако чаще фермент получает название, которое указывает на природу катализируемой, им химической реакции.

Ферменты синтезируются самой  микробной клеткой и имеют  сложное строение. Некоторые состоят  из белка – протеина, а другие представляют собой протеиды, состоящие из белка – апофермента и структуры небелковой природы – кофермента. В этом случае апофермент соединяется с активной группой изменяемого вещества, а кофермент способствует течению реакции.

Оксидоредуктазы — это ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Они играют большую роль в процессах биологического получения энергии. К ним относятся дегидрогеназы (НАД, НАДФ, ФАД), цитохромы (Ь, с, с, а а₃) ферменты, участвующие в переносе водорода, электронов и кислорода, и др.

Трансферазы катализируют перенос отдельных радикалов, частей молекул или целых атомных группировок от одних соединении к другим. Например, ацетилтрансферазы переносят остатки уксусной кислоты - СНзСО, а также молекул жирных кислот-фосфотрансферазы, или киназы, обусловливают перенос остатков фосфорной кислоты Н₂РО₃²-. Известны многие другие трансферазы (аминотрансферазы, фосфорилазы и т. д.).

Гидролазы катализируют реакции расщепления и синтеза таких сложных соединений, как белки, жиры и углеводы, с участием воды. К этому классу относятся протеолитические ферменты (или пептидгидролазы), действующие на белки или пептиды- гидролазы глкжозидов, осуществляющие каталитическое расщепление углеводов и глюкозидов (р-фруктофуранозидаза, а-глюкозидаза а- и р-амилаза, р-галактозидаза и др.); эстеразы, катализирующие расщепление и синтез сложных эфиров (липазы, фосфатазы).

Лиазы включают в себя ферменты, катализирующие отщепление _от субстратов определенных химических групп с образованием двойных связей или присоединение отдельных групп или радикалов к двойным связям. Так, пируватдекарбоксилаза катализирует отщепление СО₂ от пировиноградной кислоты.

Изомеразы осуществляют превращение органических соединений в их изомеры. При изомеризации происходит внутримолекулярное перемещение атомов, атомных группировок, различных радикалов и т. п. Изомеризации подвергаются углеводы и их производные, органические кислоты, аминокислоты и т. д. Ферменты этой группы играют большую роль в ряде процессов метаболизма. К ним относятся триозофосфатизомераза, глюкозофосфатизомера-за и др.

Лигазы катализируют синтез сложных органических соединений из простых. Например, аспарагинсинтетаза осуществляет синтез амида аспарагина из аспарагиновой кислоты и аммиака с обязательным участием аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), дающей энергию для этой реакции. 
К группе лигаз относятся также карбоксилазы, катализирующие присоединение С02 к различным органическим кислотам. Например, фермент пируваткарбоксилаза катализирует синтез щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной и С02.

В соответствии со строением ферменты делятся на два больших класса: 1) представляющие собой простые белки, 2) являющиеся сложными белками. К первому классу относятся гидролитические ферменты, ко второму, более многочисленному классу,— ферменты, осуществляющие функции окисления и участвующие в реакциях переноса различных химических групп. Ферменты второго класса, кроме белковой части, называемой апофермен-том, имеют и небелковую группу, определяющую активность фермента, — кофактор. В отдельности эти части (белковая и небелковая) лишены ферментативной активности. Они приобретают характерные свойства ферментов только после соединения. Комплекс апофермента с кофактором называется холофермен-том.

Кофакторами могут быть либо ионы металлов (Fe, Си, Со, Zn, Mo и др.), либо сложные  органические соединения, называемые коферментами, либо те и другие. Коферменты обычно играют роль промежуточных переносчиков электронов, атомов, групп, которые в результате ферментативной реакции перемещаются с одного соединения на другое. Некоторые коферменты прочно связаны с ферментным белком; их называют простетической группой фермента. Многие коферменты или идентичны определенным витаминам группы В, или являются их производными.

К коферментам относятся, например, активные группы дегидро-геназ —  никотинамидадениндинуклеотид (НАД) или  никотинамид-адениндинуклеотидфосфат (НАДФ). В эти коферменты входит никотиновая  кислота—один из витаминов группы В. Витамины имеются в составе  и других коферментов. Так, тиамин (витамин В]) входит в состав тиаминпирофосфокиназы, участвующей в обмене пировиноградной кислоты, пантотеновая кислота является составной частью кофермента А, а рибофлавин (витамин В₂) представляет собой простетическую группу флавопротеиновых ферментов. Важное значение витаминов в питании живых организмов обусловлено именно тем, что они находятся в составе коферментов.

По современным представлениям, ферменты ускоряют химические реакции, понижая свободную энергию активации (количество энергии, . необходимое для перевода при данной температуре всех молекул одного моля вещества в активированное состояние).

Главное свойство ферментов, отличающее их от других катализаторов,— это специфичность катализируемых ими ферментативных реакций. Каждый фермент катализирует только одну определенную реакцию.

Активность ферментов зависит  от различных факторов: относительной концентрации фермента и субстрата, температуры, рН и др. Для каждого фермента существует свой оптимум температуры и рН. Многие ферментативные реакции обратимы, хотя активность фермента редко бывает одинаковой в обоих направлениях.

Ферменты играют значительную роль в питании микроорганизмов. Большое число разнообразных ферментов, синтезируемых клетками микроорганизмов, позволяет им использовать для питания многочисленные соединения (углеводы, белки, жиры, воска, нефть, парафины и т. д.) путем их расщепления.

12. Условия действия ферментов. Влияние температуры и лучистой энергии на активность ферментов.

Температура. Ферменты теряют активность при нагревании; при температуре от 50 до 60° С большинство ферментов быстро инактивируются. Инактивация ферментов необратима, так как после охлаждения активность не восстанавливается. Этим можно объяснить, почему непродолжительное воздействие высокой температуры убивает большинство организмов: часть их ферментов инактивируется и обмен веществ продолжаться не может.

Замораживание обычно не приводит к инактивации ферментов; при  низких температурах ферментативные реакции  идут очень медленно или не идут вовсе, но при повышении температуры  до нормальной каталитическая активность возобновляется.

Кислотность. Ферменты чувствительны к изменениям pH, т. е. к изменению кислотности или щелочности среды. Пепсин — фермент, переваривающий белки, выделяемый слизистой оболочкой желудка, — замечателен тем, что он активен только в очень кислой среде и лучше всего действует при pH 2. Трипсин, расщепляющий белки и выделяемый поджелудочной железой, служит примером фермента, проявляющего оптимальную активность в щелочной среде, при pH около 8,5. Большинство внутриклеточных ферментов имеют оптимумы pH близ нейтральной точки, а в кислой или щелочной среде их активность значительно ниже; под действием сильных кислот и оснований они необратимо инактивируются.

Яды, отравляющие  ферменты. Некоторые ферменты специфически чувствительны к определенным ядам: цианиду, иодуксусной кислоте, фториду, люизиту и т. д., и даже очень низкие концентрации этих ядов инактивируют ферменты. Цитохромоксидаза — один из ферментов системы переноса электронов — особенно чувствительна к цианиду; при отравлении цианидом смерть наступает вследствие инактивации ферментов, относящихся к группе цитохромов. Одну из ферментативных реакций, участвующих в расщеплении глюкозы, тормозит фторид, а другую — иодуксусная кислота; биохимики использовали такого рода ингибиторы для изучения свойств и последовательности действия множества различных ферментных систем.

И н г и б и т  о р а м и называют вещества, вызывающие частичное или полное торможение химических реакций, включая и ферментативные. 

А к т и в а т  о р а м и называют вещества, увеличивающие каталитическую активность ферментов.

13. Влияние концентрации водородных ионов, химических веществ и концентрации субстрата на ход ферментативных процессов.

Концентрация фермента, субстрата и кофакторов. Если pH и температура ферментной системы постоянны и субстрат имеется в избытке, скорость реакции прямо пропорциональна количеству фермента. Эту зависимость используют для определения содержания того или иного фермента в тканевом экстракте. При постоянстве pH, температуры и концентрации фермента в системе начальная скорость реакции возрастает вплоть до известного предела пропорционально количеству субстрата. Если ферментная система нуждается в каком-либо коферменте или специфическом ионе-активаторе, то концентрация этого вещества или иона может при определенных обстоятельствах определять общую скорость реакции.