Контент-платформа Pandia:     2 872 000 материалов , 128 197 пользователей.     Регистрация


Лекция № 1. Биотехнология. Биотехнологическая промышленность (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4
 просмотров

Лекция № 1

Биотехнология. Биотехнологическая промышленность. Области применения в народном хозяйстве. Необходимые условия для микробиологического синтеза. Состав клеток биомассы. Преимущества микробиологического синтеза по сравнению с химическим.

Микробиологические процессы широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Успехи биологических и инженерных наук позволяют создать высокопроизводительные, основанные на промышленных методах управляемые процессы микробиологического производства ряда пищевых и кормовых продуктов, медикаментов, органических веществ.

В настоящее время микробиологическая промышленность обеспечивает народное хозяйство важными необходимыми продуктами такими как: кормовые дрожжи, аминокислоты, ферменты, антибиотики, витамины, биологические средства защиты растений, бактериальное удобрение и др. Микробиологические процессы широко используются в различных отраслях народного хозяйства.

Достижения биотехнологии позволяют ускоренными темпами развивать микробиологическую промышленность. Уже имеются дрожжевые заводы, созданы биоцеха при кормозаготовительных пунктах для рационального использования местного сырья и превращения малоценных отходов сельскохозяйственного производства в богатые белками и незаменимыми аминокислотами кормовые продукты.

Биотехнология тесно связана с технической микробиологией и биохимией. В биотехнологии применяются многие методы химической технологии, особенно на конечных этапах производственного процесса, при выделении веществ из культуральной жидкости или из биомассы микроорганизмов.

Для того, чтобы получить какое-либо вещество микробиологическим путем, необходима соответствующая культура микроорганизмов, необходимо знать физиологию микроорганизмов этой культуры (т. е. комплекс процессов, протекающих в клетке, и условия, определяющие их протекание в необходимом направлении). В промышленности биологические процессы осуществляются не только с помощью микроорганизмов, но и при помощи клеток или тканевых культур растений и животных, а также при использовании изолированных ферментов.

Провести микробиологический синтез на практике означает культивировать избранную культуру микроорганизмов в питательной среде определенного состава, строго соблюдать технологию, а также ограничить или полностью исключить нежелательную микрофлору. Во время культивирования клетки растут и размножаются. В результате активности находящихся в клетке ферментов не только увеличивается биомасса клеток, но иногда синтезируются различные внеклеточные вещества, которые можно выделить из среды культивации.

В состав клеток микроорганизмов (как и в состав живых клеток) вводят белки, ферменты, аминокислоты, витамины, липиды и другие органические вещества, которые можно выделить из биомассы клеток, применяя методы химической технологии. Эту же биомассу можно использовать как источник получения питательных веществ для человека ( например, дрожжи) и для целей животноводства. Согласно литературных данных при оптимальных условиях в среде культивирования можно достичь выхода до 100 г/л сухой биомассы. Микробиологическим процессам, протекающим в живых клетках присущи огромные потенциальные возможности. Бактерии за сутки могут переработать объем веществ в 30 – 40 раз превышающих массу самих клеток.

Пример: Клетки микроорганизмов растут и делятся очень быстро. Некоторые бактерии дают новую генерацию каждые 30 минут. Это значит, что за 5 часов из одной клетки может образоваться примерно 1000 клеток. Масса одной бактерии равна 0,2 ·10-9 мг, но масса образовавшейся из нее биомассы через 16 часов уже равна 1 мг. Теоретически в течение суток одна клетка образует около 1 кг биомассы, а течение 2 суток – такое количество биомассы, которое трудно было бы вместить в один железнодорожный состав. На практике прирост биомассы значительно меньше и новое поколение клеток, например дрожжевых образуется через каждые 2-3 часа. При выращивании кормовых дрожжей в 1 м3 питательной среды за 1 час можно получить около 3 кг биомассы дрожжевых клеток в пересчете на сухое вещество. Это означает, что с каждого кубического метра аппаратуры в течение суток можно получить приблизительно 30 кг белков. Для получения такого количества животных белков в сутки необходимо: держать 100 коров, а для получения такого же количества растительного белка, используя, например, горох, требовалось бы 18 га посевов этой культуры. Как видно, микроорганизмы в сотни тысяч раз продуктивнее животных и растений.

Для микробиологичекого получения аминокислот используют способность различных культур ауксотрофных мутантов синтезировать определенную аминокислоту, например глутаминовую или лизин. Количество аминокислот, производимых клеткой, в 10-100 раз превышает их расход на построение самих клеток. Эти аминокислоты выделяются в окружающую среду. В течение 2 дней в 1 л питательной среды накапливается 30-60 г аминокислот.

Для культивирования микроорганизмов используют дешевое недефицитное сырье (таким сырьем являются побочные продукты промышленности и сточные воды). Кормовые дрожжи можно получить из отходов спиртовой промышленности, мелассной барды и гидролизатов древесины. Последнее время при помощи микроорганизмов практикуют различные превращения молекул органических веществ – микробиологическую трансформацию. Отбирая особые культуры микроорганизмов (в специальных каталогах ферментативных реакций культур микроорганизмов указано, какие биохимические реакции осуществляет данная культура) можно провести самые различные химические реакции – окисление и восстановление, фосфорилирование, аминирование, специфический гидролиз. Провести эти реакции химическим путем очень трудно, а иногда и невозможно. Микробиологическая трансформация открыла большие возможности препаратов стероидов. Этот метод широко используется для получения кортизона, гидрокортизона, преднизолона и др. С помощью микробиологической трансформации можно превращать продукты химического синтеза в другие необходимые для народного хозяйства вещества.

По сравнению с химическими микробиологические процессы имеют ряд преимуществ. Под действием биологических катализаторов-ферментов реакции протекают при сравнительно низкой температуре (20-600С), нет необходимости и в повышении давления.

Производство и использование микробиологической продукции

В нашей стране предприятия микробиологической промышленности производят белки, ферменты, витамины, аминокислоты и антибиотики, а также различные препараты для сельского хозяйства (нитрагин, азотобактерин, энтобактерин и ацидофильные культуры). Медицинская промышленность также получает ряд препаратов микробиологическим путем (антибиотики, гормоны, токсины).

В пищевой промышленности микроорганизмы используются при получении ряда продуктов. Например; алкогольные напитки - вина, шампанское, пиво, коньяки, ликероводочные изделия, виски и другие продукты брожения получают при помощи дрожжей.

Хлебопекарная промышленность связана с использованием дрожжей и бактериальных заквасок. Органические кислота (лимонную, уксусную, молочную кислоты) получают микробиологическим путем. Перечисленные кислоты играют огромную роль в народном хозяйстве.

Молочная промышленность производит продукты молочного брожения – сметану, кефир, простоквашу, сыры.

Достижения науки и технический прогресс позволяют постоянно совершенствовать технологические схемы, появляется новое оборудование, порой коренным образом меняется сырьевая база В настоящее время благодаря успехам микробиологической науки вступили в строй и дают ценнейшую продукцию для сельского хозяйства гиганты биоиндустрии – крупные заводы по производству белково-витаминных концентратов на основе парафинов нефти.

Лекция №2

Микроорганизмы

Виды микроорганизмов (бесхлорофидьные, хлороыильные, автотрофные, гетеротрофные, аспрофиты, паразиты). Размеры и форма клеток.

Виды микроорганизмов

Микроорганизмы – (микробы) мельчайшие преимущественно одноклеточные организмы, видимые только в микроскоп.

К ним относятся: бактерии, дрожжи, микроскопические грибы, низшие одноклеточные растения и водоросли.

Основным процессом в живой природе, от которого зависит существование человека, является фотосинтез. Он осуществляется растениями, содержащими зеленый пигмент хлорофилл. Микроорганизмы (дрожжи, плесневые грибы, бактерии) являются бесхлорофильными низшими растениями. Однако некоторые низшие одноклеточные растения, например хореллы, содержат хлорофилл и, следовательно, осуществляют фотосинтез - хлорофильные. Суммарную реакцию фотосинтеза можно записать так:

6СО2 + 6Н2О + солнечная энергия → С6Н12О6 + 6О2.

В процессе фотосинтеза получаются не только глюкоза, но и другие вещества очень сложного состава, образующие протоплазму. Водород, который одновременно образуется при фотолизе имеет очень большое энергетическое значение, так как стимулирует превращение особого энергопереносящего вещества – аденозиндифосфата (АДФ) в энергетически более богатое соединение – аденозинтрифосфат(АТФ). В упрощенном виде энергетические процессы фотосинтеза можно представить следующим образом:

1.  фотолиз воды

Еhv+6H2O 3О2+6Н2;

2.  переход АДФ в АТФ

nАДФ + 2Н2+О2 nАТФ + 2Н2О;

3.  синтез биомассы

4.  2Н2 + СО2 + nАТФ [C(H2O)]n + nАТФ + Н2О.

Таким образом, фотосинтез происходит при участии клеточных органоидов – хлоропластов, где находится хлорофилл и митохондрий.

Обратный процесс, который связан с окислением органических веществ, также происходит в митохондриях с образованием углекислого газа, воды и высвобождением энергии.

В природе встречаются хемосинтезирующие микроорганизмы, которые способны синтезировать органические соединения из СО2 без помощи хлорофила и без прямого использования солнечной энергии. Энергию, необходимую для синтеза, они получают, окисляя минеральные вещества. К хемосинтезирующим микроорганизмам относятся нитрифицирующие бактерии, которые, окисляя аммиак до азотистой кислоты, высвобождают необходимую для синтеза энергию:

1) 2NH3+2O2 2HNO2+2H2+энергия

2) СО2+2H2+энергия (CH2O)+H2O.

К хемосинтетикам относятся и водородные бактерии, получающие энергию в процессе окисления молекулярного водорода:

6Н2+2О2+СО2 (СН2О)+5Н2О.

Водородные бактерии, культивируемые в питательной среде, которая содержит минеральные вещества и смесь газов Н2, О2 и СО2, дают богатую белками микробную массу. Так как Н2 и О2 можно получить электролизом из воды, то пригодную для целей питания и животноводства органическую массу можно получать из минеральных веществ, воды, воздуха и электроэнергии.

Микроорганизмы, которые способны сами синтезировать органические вещества из СО2 в процессе хемо - или фотосинтеза, называют автотрофными, а микроорганизмы, для существования которых необходимы уже готовые органические вещества, - гетеротрофными. В круговороте углерода в природе принимают участие как авто-, так и геторотрофные организмы, причем существует определенное равновесие между фиксирующими СО2фотосинтезирующими организмами (главным образом растениями) и микроорганизмами, разрушающими органические соединения.

Иногда к микроорганизмам относятся вирусы. Микроорганизмы характеризуются огромным разнообразием видов, способных существовать в различных условиях (горячие источники, дно океана, снега гор, почва и т. д.). Например: в каждом грамме почвы содержатся иногда миллиарды микроогранизмов; в каждом миллилитре речной воды и бродящего сока имеются миллионы микроогранизмов.

Микроорганизмы, которые питаются органическими остатками, называются сопрофитами.

Паразиты – используют для питания веществ живых организмов.

К наиболее часто встречающимся в природе и широко используемым в микробиологической промышленности группам относятся микроскопические грибы (дрожжи или плесени), актиномицеты или лучистые грибы, а также бактерии.

Размеры и форма клеток

К наиболее часто встречающимся в природе и широко используемым в микробиологической промышленности группам относятся микроскопические грибы (дрожжи или плесени), актиномицеты или лучистые грибы, а также бактерии. Размеры их клеток обычно находятся в пределах 0,5 до 10 мкм, они видны в световых микроскопах. Сравнение размеров микроорганизмов с другими биологическими объектами дано в таблице 1.

В среде, содержащей все необходимые питательные вещества, микроорганизмы растут и размножаются.

На практике это явление можно наблюдать следующим образом:

Если к жидкой питательной среде (например бульон или пивное сусло) добавить агар или желатин, она затвердевает. В пробирках или чашках Петри на поверхности твердой питательной среды невооруженным глазом можно наблюдать как образуются и растут колонии микроорганизмов. По форме, окраске колоний, их величине и скорости роста можно судить о систематической принадлежности микроорганизмов.

Таблица 1.

Линейные размеры биологических объектов

Биологические объекты

Размеры, м

Единицы измерения длины

Возможность различения

Животные, растения

Животные, растения, колонии микроорганизмов, мицелий грибов

Клетки, микроорганизмы

Вирусы, бактериофаги, структурные элементы, биополимеры, молекулы органических веществ

Атомы и положение групп атомов

1-10

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

м

дм

см

мм

100 мкм

10 мкм

1 мкм

100 нм

10 нм

1 нм

0,1 нм

Невооруженным глазом

Невооруженным глазом, с лупой

Оптический микроскоп

Электронный микроскоп

Рентгеноструктурный анализ

Возбудителями многих болезней человека, животных и растений являются вирусы. Их можно рассмотреть только с помощью микроскопа, т. к. размер вирусов колеблется от 10до 400 нм.

(1нм =10-9м) (1мкм =10-6м)

В клетках бактерий паразитируют бактериофаги или вирусы бактерий. Бактерии могут быть шаровидные, палочковидные и спиральные.

Если шаровидные бактерии (кокки) расположены в группе по две, их называют диплококками, в группе по четыре – тетракокками, в группе по восемь – сарцинами, цепочками – стептококками.

 

кокки диплококки тетракокки сарцины стрептококки

Рис.1. Колонии микроорганизмов: а — Penicillium potatum, б — Bacillus mycoides

Клетки дрожжей могут быть круглыми, продолговатыми, лимонообразными или сильно удлиненными.

Плесени образуют длинные нитевидные мицелии, которые часто переплетаются друг с другом.

У некоторых видов бактерий имеется специальный двигательный аппарат – жгутики.

Лекция №3

Структура клетки.

Структура клетки. Структурные элементы клетки и их характеристики.

В общих чертах строение клеток животных, растений и микроорганизмов одинаково.

От внешней среды клетку отделяет оболочка, под которой находится цитоплазматическая мембрана. Цитоплазма содержит органоиды – ядро, митохондрии, мезосомы, рибосомы (Рис.2.).

Структурные элементы клетки и их характеристики

Клеточная стенка дрожжей, например, составляет примерно 15 % массы клетки, ее толщина достигает 400 нм. В состав клеточной стенки входят белково-полисахаридные комплексы и липиды.

Примерно 70 % сухой массы клеточной стенки дрожжей составляют полисахариды маннан и глюкан. Полисахариды играют большую роль в сохранении ее механической прочности.

Основу клеточной стенки бактерий образует гликопептид муреин. Этот полимер состоит из N – ацетилглюкозамина, N – ацетилмурамовой кислоты и бактериальных липидов особого состава. В состав пептидов клеточной стенки входят L–аланин, D-глутоминовая кислота, мезодиаминопимелиновая кислота или L – лизин и D – аланин.

Диаминопимелиновая кислота, лизин, а иногда аргинин и диаминомасляная кислота связывают гетерополимерные цепи. От этих веществ зависит механическая прочность клеточной стенки.

Количество белков в клеточной стенке обычно не превышает 13 % общей массы оболочки клеток. Установлено, что часть белков клеточной стенки находится в виде ферментов.

Рис.2. Разрез клетки хлебопекарных дрожжей Sacch. cerevisiae:

1 — клеточная оболочка, 2 — цитоплазма, 3 — цитоплазматическая мембрана, 4 — мито­хондрия, 5 — пора ядерной мембраны, 6 — ядерная мембрана, 7 — ядро, 8 — эндоплаз-матическая сеть, 9 — вакуоль.


Содержание липидов в клеточной стенке дрожжей составляет от 1 до 10 % общего количества биомассы. Фракцию липидов образуют жирные кислоты, фосфолипиды, стеролы. Обычно липидые молекулы ориентированы перпендикулярно по отношению к поверхности клеток и образуют гидрофобные микроканалы, которые играют важную роль в транспорте водонерастворимых веществ, например, в проникновении парафина в клетку. Все микроорганизмы делятся на грамположительные (окрашиваются) или грамотрицательные (не окрашиваются).Существует мнение (по Граму), что компоненты клеточной стенки влияют на окраску препаратов микроорганизмов. Таким образом, химический состав клеточной стенки микроорганизмов различных групп неодинаков. Он изменяется константе Михаэлиса и в зависимости от условий культивирования. Механически и химически клеточная стенка является очень прочным образованием. Она сохраняет форму клетки и поддерживает нужное осмотическое давление в ней, а также принимает участие в транспорте веществ.

В научных исследованиях и в биохимической технологии часто необходимо разрушить клеточную стенку. Для этого используют механические дезинтеграторы, ультразвук литические ферменты. Полученную после такой обработки массу, содержащую активные ферменты и не разрушенные структурные элементы клетки, называют клеточным гомогенатом.

Рис. 3. Мозаичная модель клеточной мембраны:

маленькие шарики с хвостами — липиды, большие комки неправильной формы — белки.


Цитоплазматическая мембрана отделяет протоплазму от клеточной стенки. Она является главным определителем осмотического давления, транспорта веществ и проницаемости в клетке. Поверхность цитоплазматической мембраны складчатая, ее толщина 8 нм. В настоящее время утверждается, что цитоплазматическая мембрана построена из биомолекулярного слоя липидов, в котором свободно плавают белковые молекулы или их комплексы, - это «мозаичная» структура построения цитоплазматической мембраны (рис.3). В бимолекулярном липидном слое благодаря гидрофобному взаимодействию молекул фосфолипидрв полярные части из молекул обращены к внешней поверхности, а гидрофобные части их молекул липидов – к внетренней поверхности слоя. При этом как фосфолипиды, так и молекулы белков находятся в непрерывном движении и взаимодействии. В активном состоянии мембрана имеет жидкую консистенцию, которая зависит от соотношения насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в мембране.

Транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану осуществляется диффузией веществ по градиенту концентрации. Известно, что клеточная мембрана полупроницаема, поэтому вещества в клетку могут попасть только в том случае, если их концентрация в клетке ниже, чем в окружающей среде. Одновременно в клетке постоянно наблюдается дефицит этих веществ, так как попавшие в клетку вещества сразу же используются в различных ферментативных реакциях. Таким образом, клетка работает как насос. Проницаемость клеток зависит от условий культивирования. Известно, что содержание биотина в питательной среде меняет проницаемость мембран. Это явление используют при получении глутаминовой кислоты, чтобы обеспечить выделение этой синтезированной в клетке кислоты через мембрану в окружающую среду.

Внутренняя поверхность цитоплазматической мембраны граничит с цитоплазмой, которая представляет собой коллоидный раствор углеводов, аминокислот, ферментов, минеральных и других веществ в воде. Вязкость цитоплазмы в 800 раз выше вязкости воды.

В цитоплазме находятся важнейшие клеточные органоиды – ядро, митохондрии, рибосомы, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджы и др. В них протекают все ферментативные процессы жизни.

Эндоплазматическая сеть представляет собой мембранное образование, которое в виде мелких канальцев или пузырьков локализуется в любом месте цитоплазмы. Эндоплазматическая сеть содержит около 50 % липидов. Своей обширной мембранной поверхностью это образование в клеточной цитоплазме как бы изолирует и локализует различные ферментативные системы, которые катализируют синтез липидов, углеводов и других веществ.

Комплекс Гольджи – мембранное образование, которое морфологически связано с эндоплазматической сетью. Он участвует в выводе вредных веществ из клетки, обеспечивает транспорт веществ между другими структурными элементами и участвует в образовании новых структурных элементов (например мезосом).

Митохондрии – сравнительно большие изогнутые палочковидные структуры, длина которых достигает 1500 нм, а диаметр – 500 нм. Митохондрии покрывает оболочка, которая состоит из двух мембран. Между мембранами находится водянистая жидкость. Как внешняя, так и внутренняя мембраны состоят из белков (80%) и липидов (20%).

Доказано, что митохондрии являются автономными структурами в клетке, которые самостоятельно размножаются.

Форма и строение митохондрий у различных микроорганизмов неодинаковы.

Лекция №4

Химический состав клеток.

Влияние воды и микроэлементов на жизнь клетки. Связанная и свободная вода.

Сухая клеточная масса микроорганизмов составляет 15–25% общей массы. В состав, которой входит до 50% фосфора, много калия, натрия, магния, серы, кальция, хлора и железа. Из микроэлементов в биомассе встречаются марганец, цинк, молибден, кобальт, хром и др. часть сухой биомассы составляют органогенные элементы – углерод (45–50%), кислород (30%), азот (7–14%) и водород (6–8%). Около половины сухой биомассы приходится на белки (30–80%), которые в клетках микроорганизмов находятся главным образом в виде физиологически активных комплексов – нуклеопротеидов, липопротеидов или ферментов.

Аминокислотный состав белков практически для всех микроорганизмов известен. (В литературе по составу микроорганизмов имеются данные).

Известно, что по составу аминокислот и их содержанию, белки микроорганизмов близки к казеину.

Микробная биомасса содержит 5–30% нуклеиновых кислот (РНК и ДНК).

Количество воды в клетках значительно превышает содержание всех остальных компонентов, содержание воды в клетках достигает 65–80%. В протоплазме на каждую молекулу белка приходится около 1800 молекул воды, условия культивирования микроорганизмов оказывает непосредственное влияние на содержание воды в клетках. Состав воды в клетках непрерывно обновляется, находящаяся вода в клетках может быть в свободном и в связанном с поверхностью макромолекул виде. Известно, что состав воды в клетках постоянно обновляется.

В биологических системах связанной называют воду, которая прочно связана с поверхностью макромолекул биополимеров. Известно, что каждый грамм ДНК связывает 0,45 г. воды, которая образует гидратный слой толщиной 0,3 нм.

В микроорганизмах обнаружено около 15–18% связанной воды. Связанная вода значительно отличается по своим свойствам от обычной воды, ее нельзя, например, использовать в качестве растворителя веществ, она не замерзает даже при –700С. (Это обусловлено, возможно, с тем, что молекула воды прочно связана с поверхностью макромолекул биополимеров). Для связанной воды характерна пониженная электропроводность. Термодинамически эта вода мало отличается ото льда. Связанную воду целесообразно рассматривать как структурный элемент, а не как среду.

Безусловно, что большую часть находящейся в клетке воды составляет свободная вода, которая является реакционной средой и растворителем веществ. При участии гидролитических ферментов она включается во множество реакций, в результате которых образуются новое вещество с абсолютно новыми свойствами. Т. о., вода является не только средой, в которой протекают все биохимические процессы, но и активным преобразователем веществ. (Эти важные функции она осуществляет благодаря малой молекулярной массе и особенностям строения).

Т. о., обмен веществ в клетках, их рост и размножение может происходить только тогда, когда в ней имеется достаточное количество воды и если клетки погружены в водную среду с растворенными в ней питательными веществами. При отделении клеток от питательной среды, обмен веществ в клетках продолжается до тех пор, пока в межклеточном пространстве имеется вода и в ней растворены питательные вещества. После их использования обмен веществ в клетках продолжается за счет клеточных резервов (углеводы, липиды) в том случае, если сохраняются оптимальные температура и реакция среды. Когда использованы и резервные вещества, начинается автолиз (саморазрушение) клеток, в результате этого белки распадаются на аминокислоты, и углерод аминокислот идет для энергетических нужд.

Известно, что при влажности биомассы свыше 20% воды полностью заполняет объем клетки и функционирует как непрерывная среда. При этих условиях в клетке могут свободно протекать все ферментативные процессы (рис. 4).

Если биомасса содержит 10–20% влаги (это в основном связанная вода) – при этом клеточные коллоиды переходят в гели и протекание всех ферментативных процессов затруднено.

При влажности 5–10% – физические свойства биомассы резко изменяются, в этих условиях возможен обмен между молекулами воды и некоторыми веществами на ближайших участках.

Если влажность биомассы меньше 5%, вода в клетке локализуется в пределах определенных структурных элементов. При таком обезвоживании биомассы микробной культуры часть клеток повреждается и инактивируется.

Как следует из вышесказанного, при уменьшении содержания воды снижается интенсивность биохимических реакций и, соответственно, интенсивность жизненных процессов.

Состояние, в котором все активные жизненные процессы в клетках замедленны или приостановлены, называют анабиозом. Доказано, что сухие или замороженные культуры сохраняют свою жизнеспособность в течение тысячелетий.

Лекция №5

Обмен веществ и ферментативные процессы.

Ассимиляция и диссимиляция. Метаболизм. Классификация ферментов. Классификация коферментов. Кинетика ферментативных реакций.

Ассимиляция – это процесс поглощения веществ из окружающей среды и превращение этих веществ в специфические клеточные компоненты.

Диссимиляция – это процесс обратный ассимиляции – разрушение специфических клеточных веществ и выделение их в окружающую среду.

Эндотермические процессы ассимиляции питательных веществ, идущие с поглощением энергии, называют анаболическими, а экзотермические процессы диссимиляции, связанные с выделением энергии – катаболическими. Продукты, образующиеся в результате этих процессов, называются метаболитами. А все эти процессы в целом составляют обмен веществ – метаболизм.

Синтез клеточных компонентов обеспечивает конструктивный метаболизм, а энергию, необходимую для этих процессов – энергетический метаболизм.

Результат клеточной деятельности выражается увеличением размеров клетки и количества образующейся в результате клеточного деления биомассы.

В сложных и разнообразных клеточных процессах обмена веществ участвуют многие биокатализаторы – ферменты. Деятельность, как отдельных клеточных структурных элементов, так и всей клетки в целом происходит лишь при участии ферментов, следовательно, все биохимические процессы в клетках являются ферментативными.

В зависимости от характера катализируемых реакций ферменты разделяются на шесть основных групп:

1.  оксидоредуктазы

2.  трансферазы

3.  гидролазы

4.  лиазы

5.  изомеразы

6.  лигазы.

Оксидоредуктазы – катализируют перенос атомов водорода или электронов. Участвуют в процессах дыхания и брожения. В результате их деятельности из органических веществ выделяется энергия.

Трансферазы – катализируют перенос групп атомов, например, остаток фосфорной кислоты – фосфотрансфераза, аминогруппаминотрансфераза и др.

Гидролазы – катализируют гидролиз сложных органических соединений в присутствии воды, например, эстеразы (липазы, пектинэстеразы), карбогидразы (лактаза, инвертаза, амилаза, целлюлоза).

Лиазы – катализируют негидролитическое отщепление различных групп от молекул субстрата, например, дикарбоксилазы аминокислот, альдолазы, енолазы.

Изомеразы – катализируют превращение органических веществ в их изомеры, например, триозофосфатизомераза катализирует превращение 3-фосфоглицеральдегида в диоксиацетонфосфат.

Лигазы (синтетазы) – катализируют процесс соединения двух молекул при одновременном распаде молекул АТФ (рис.5) по схеме:

В + АТФ = ВФ + АДФ

А + ВФ = АВ + Ф

Ферменты – это белки.

Молекулы белков очень большие, поэтому и молекулярная масса ферментов обычно превышает миллион. Часть молекулы белка фермента обладает специфическими свойствами. Под специфичностью понимают способность фермента воздействовать только на определенный субстрат, например, сахароза гидролизует только сахарозу. Свою специфичность ферменты реализуют при помощи каталитического центра. Обычно этот центр образует участок аминокислотной цепи в молекуле ферментного белка строго определенной аминокислотной последовательности и пространственной конфигурации.

Часть ферментов представляет собой сложные белки – протеиды, содержащие кроме белковой части (апофермента), еще и небелковую (простетическую) часть – кофермент.

Во многих случаях коферментами являются витамины. Коферменты определяют природу катализируемой реакции.

По выполняемым функциям коферменты можно разделить на три группы.

В первую группу входят коферменты, содержащие никотинамид. Они являются нуклеотидами – (производные пиридина). Никотинамид обеспечивает перенос пары электронов или протонов от субстрата. Таким образом, коферменты первой группы связаны с окислительно-восстановительными ферментами.

Во вторую группу входят коферменты, участвующие в переносе групп атомов. Они связаны с трансферазами.

В третью группу входят коферменты, катализирующие реакции синтеза, распада и изомеризацию углеродных связей. Эта группа связана действием лиаз, изомераз и лигаз.

Отсюда механизм действия ферментов.

Каталитически активные белки называют ферментами (от лат. слова fermentum – закваска) или энзимами (от греч. эн – внутри, зим – закваска). Первые сведения о существовании ферментов были получены при изучении процессов брожения.

Роль ферментов в жизнедеятельности растений и микроорганизмов огромна. Благодаря каталитической функции разнообразные ферменты обеспечивают быстрое протекание огромного числа химических реакций. Складываясь в единый ансамбль саморегулируемых биохимических процессов, эти реакции преобразования веществ составляют материальную и энергетическую основу непрерывного самообновления белковых тел, т. е. самой сущности жизненных явлений. По ферменты – “есть возбудители всех химических превращений”, трансредукторы (датчики) в регуляции обмена веществ.

В настоящее время в биологических объектах обнаружено несколько тысяч индивидуальных ферментов, несколько сотен из них выделено и изучено. Известно, что живая клетка может содержать до 1000 различных ферментов, каждый из которых ускоряет индивидуальную химическую реакцию.

Биологические катализаторы (ферменты) по ряду признаков резко отличаются от неорганических катализаторов, хотя и те и другие лишь ускоряют достижение равновесия в химических процессах, которые протекают сами по себе, но с очень малыми скоростями.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4

Мы в соцсетях:


Подпишитесь на рассылку:
Посмотрите по Вашей теме:

Биотехнологии

Проекты по теме:

Биология
Основные порталы, построенные редакторами

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства