24, 25. Первич метаболиты, их продуценты

Первичными метаболитами называют молекулы, присутствующие во всех клетках организма и необходимые для жизнедеятельности. Они делятся на а/к, ферм, нуклеотиды, моносахариды, витам, коферм, орг к-ты

Биосинтез первичных метаболитов осуществляют различные биологические агенты – микроорганизмы, растительные и животные клетки. При этом используются не только природные организмы, но и специально полученные мутанты. Чтобы обеспечить высокие концентрации продукта на стадии ферментации, необходимо создавать продуценты, противостоящие генетически свойственным их природному виду механизмам регуляции. Например, необходимо устранить накопление конечного продукта, репрессирующего или ингибирующего важный фермент для получения целевого вещества.

А/к - органические соединения, содержащие одновременно амино- и карбоксильную группы, являющиеся структурной единицей белковой молекулы. Аминокислоты участвуют в биосинтезе ферментов, пептидных гормонов, антибиотиков, алкалоидов и других азотсодержащих физиологически активных соединений. Растения и микроорганизмы синтезируют все необходимые им аминокислоты из более простых химических соединений. В животном организме практически половина белковых аминокислот не синтезируется и должна поступать с пищей

Прим а/к - Лекарственные средства, Компоненты биологически активных добавок к пище, Белково-витаминные концентраты для животных, Подсластители (аспартам), Антиоксиданты, Консерванты

Усилители вкуса (натрия глютамат, натрия изонат).

Методы получения аминокислот

1.Гидролиз природного белковосодержащего сырья

Глубокий гидролиз белков обеспечивает 20% раствор хлористоводородной кислоты с последующим использованием иммобилизованных протеаз при температуре 100-105^оС в течение 20-48 ч. При это разруш трипотофан, знач-но теряется метионин, цистеин, тирозин, а/к рацемизируются

2. Химический синтез с последующим разделением рацематов на иммобилизованной аминоацилазе (фенилаланин, метионин, валин, триптофан)

3. Химико-ферментативный синтез

метод применим не всегда, что обусловлено дороговизной и сложностью процесса получения соответствующих органических кислот, которые являются предшественниками аминокислот, также метод экономически не выгоден из-за сложности получения фермента, катализирующего процесс трансформации.

4. Микробиологический синтез

сверхпродуценты аминокислот получают методами индуцированного мутагенеза или генной инженерией, а также совмещением названных методов. Для отбора продуценты выращивают на селективной питательной среде, содержащей аналог целевого продукта или антиметаболит. Наиболее широкое применение в качестве объектов преобразований и селекции для промыщленного получения аминокислот получили следующие микроорганизмы:не образующие спор почвенные автотрофы рода Corynebacterium и Brevibacterium; спорообразующие клетки бацилл Bacillus subtilis; кишечная палочка Esсherichiа coli.

Технологический процесс биосинтеза лизина двухфазный:

В первой фазе в специальных посевных аппаратах идет рост культуры клеток микроорганизма в течение суток при температуре 28-30оС и рН 7,0-7,2.

На второй стадии, которая начинается со средины экспоненциальной фазы роста клеток, биомассу подают в производственный ферментатор, заполненный питательной средой, где происходит синтез лизина. Процесс длится 2-3 суток. Уровень накопления аминокислоты 50-100г/л. Лизин секретируется в культуральную жидкость. Культуральную жидкость отделяют фильтрованием. Высокоочищенную субстанцию лизина получают фракционированием фильтрата с последующей ионообменной хроматографией на катионите. Элюируют лизин раствором аммония гидроксида. Элюат концентрируют под вакуумом при температуре 60^оС, переводят в форму монохлоргидрата, Лизин сушат и подвергают перекристаллизации. В результате получают субстанцию лизина 97-98%.

Витамины - группа незаменимых органических низкомолекулярных соединений различной химической природы, оказывающих в низкой концентрации сильное и многофакторное биологическое действие на организм за счет активации ферментативных реакций. Витамины характеризуются следующими особенностями: проявляют выраженную биологическую активность в малых дозах; не являются источником энергии или пластического материала.

Методы получения витаминов: выделение из растительного сырья; химический синтез; микробиологический синтез.

Методом микробиологического синтеза целесообразно производить особо сложные по строению соединения. В настоящее время методом микробиологического синтеза в промышленном масштабе получают витамины В₂, В₁₂, предшественники витамина D и β-каротин. Синтез аскорбиновой кислоты через стадию биотрансформации D-сорбита в L-сорбозу осуществляют с использованием уксуснокислых бактерий.

Орган к-ты - В настоящее время биотехнологическими способами в промышленных масштабах синтезируют ряд органических кислот. Из них лимонную, глюконовую, кетоглюконовую и итаконовую кислоты получают лишь микробиологическим способом; молочную, салициловую и уксусную – как химическим, так и микробиологическим способами; яблочную – химическим и энзиматическим путем.

Уксусная кислота имеет наиболее важное значение среди всех органических кислот. Ее используют при выработке многих химических веществ, включая каучук, пластмассы, волокна, инсектициды, фармацевтические препараты. Микробиологический способ получения уксусной кислоты состоит в окислении этанола в уксусную кислоту при участии бактерий штаммов Gluconobacter и Acetobacter:

Лимонную кислоту широко используют в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности, применяют для очистки металлов. Питательные среды для культивирования продуцентов лимонной кислоты в качестве источника углерода содержат дешевое углеводное сырье: мелассу, крахмал, глюкозный сироп.

Молочная кислота – первая из органических кислот, которую начали производить путем брожения. Ее используют в качестве окислителя в пищевой промышленности, как протраву в текстильной промышленности, а также при производстве пластмасс. Микробиологическим путем молочную кислоту получают при сбраживании глюкозы Lactobacillus.

26, 27 Регуляция метаболизма

Для обеспечения высокой экономичности биохимических процессов в клетке в процессе эволюции образовалось множество эффективных механизмов регуляции метаболизма. Это, прежде всего, касается ферментных белков, их синтеза и функционирования.

Выделяют следующие виды внутриклеточной регуляции:

1) регуляция метаболитами: при постоянном количестве ферментов и соотношении их активностей изменяется концентрация промежуточных продуктов метаболизма, что определяет тот или иной путь обмена, например, регуляцию дыхания.

2) ферментная регуляция: осуществляется путем изменения активности ферментов без изменения их количеств, при этом на молекулы ферментов действуют регулирующие факторы. Каталитическая активность может увеличиваться под влиянием положительного эффектора – активатора или уменьшаться под действием отрицательного эффектора – ингибитора.

3) генная регуляция: происходит изменение количества ферментов, при этом регулирующие факторы влияют на биосинтез или распад ферментов. В клетках микроорганизмов многие ферменты синтезируются непрерывно вне зависимости от субстрата – конститутивные ферменты (участвуют в обменных процессах). Другие ферменты образуются только в присутствии определенных веществ – индукторов. Примером индуцебельных ферментов являются гидролазы, амилазы, целлюлазы. Образование ферментов, участвующих в биосинтезе, регулируется посредством репрессии. Индуктор взаимодействует в клетке с репрессором, инактивирует его, в результате включается генетический аппарат клетки и начинается синтез фермента. Процесс подавления синтеза фермента называется репрессией. В зависимости от природы репрессора выделяют два типа репрессии:

- репрессия конечным продуктом биосинтеза: ферменты определенного биосинтетического пути не синтезируются, если его конечный продукт присутствует в среде;

- катаболитная репрессия: если в питательной среде присутствуют два вещества, микроорганизм в большинстве случаев использует то, которое обеспечивает более быстрый рост, при этом образование ферментов, расщепляющих второе вещество, репрессируется.

Процессы биосинтеза многих незаменимых или так называемых первичных метаболитов характеризуются тем, что конечный продукт данного биосинтетического пути при повышении его концентрации подавляет активность первого фермента этого пути. В результате такого подавления соответствующий процесс биосинтеза останавливается — конечный продукт, а также промежуточные продукты, участвующие в его образовании, не накапливаются в клетке. Таким образом, интенсивность процесса биосинтеза зависит от скорости потребления конечного продукта. Этот механизм автоматической регуляции называют подавлением под действием конечного продукта или ретроингибирование м.

Координация химических превращений, обеспечивающая экономность метаболизма, осуществляется у микроорганизмов тремя основными механизмами: регуляцией активности ферментов, в том числе путем ретроингибирования; регуляцией объема синтеза ферментов (индукция и репрессия биосинтеза ферментов); катаболитной репрессией.

28. А/к.

А/к - органические соединения, содержащие одновременно амино- и карбоксильную группы, являющиеся структурной единицей белковой молекулы. Аминокислоты участвуют в биосинтезе ферментов, пептидных гормонов, антибиотиков, алкалоидов и других азотсодержащих физиологически активных соединений. Растения и микроорганизмы синтезируют все необходимые им аминокислоты из более простых химических соединений. В животном организме практически половина белковых аминокислот не синтезируется и должна поступать с пищей

Прим а/к - Лекарственные средства, Компоненты биологически активных добавок к пище, Белково-витаминные концентраты для животных, Подсластители (аспартам), Антиоксиданты, Консерванты

Усилители вкуса (натрия глютамат, натрия изонат).

Методы получения аминокислот

1.Гидролиз природного белковосодержащего сырья

Глубокий гидролиз белков обеспечивает 20% раствор хлористоводородной кислоты с последующим использованием иммобилизованных протеаз при температуре 100-105^оС в течение 20-48 ч. При это разруш трипотофан, знач-но теряется метионин, цистеин, тирозин, а/к рацемизируются

2. Химический синтез с последующим разделением рацематов на иммобилизованной аминоацилазе (фенилаланин, метионин, валин, триптофан)

3. Химико-ферментативный синтез

метод применим не всегда, что обусловлено дороговизной и сложностью процесса получения соответствующих органических кислот, которые являются предшественниками аминокислот, также метод экономически не выгоден из-за сложности получения фермента, катализирующего процесс трансформации.

4. Микробиологический синтез

сверхпродуценты аминокислот получают методами индуцированного мутагенеза или генной инженерией, а также совмещением названных методов. Для отбора продуценты выращивают на селективной питательной среде, содержащей аналог целевого продукта или антиметаболит. Наиболее широкое применение в качестве объектов преобразований и селекции для промыщленного получения аминокислот получили следующие микроорганизмы:не образующие спор почвенные автотрофы рода Corynebacterium и Brevibacterium; спорообразующие клетки бацилл Bacillus subtilis; кишечная палочка Esсherichiа coli.

Технологический процесс биосинтеза лизина двухфазный:

В первой фазе в специальных посевных аппаратах идет рост культуры клеток микроорганизма в течение суток при температуре 28-30оС и рН 7,0-7,2.

На второй стадии, которая начинается со средины экспоненциальной фазы роста клеток, биомассу подают в производственный ферментатор, заполненный питательной средой, где происходит синтез лизина. Процесс длится 2-3 суток. Уровень накопления аминокислоты 50-100г/л. Лизин секретируется в культуральную жидкость. Культуральную жидкость отделяют фильтрованием. Высокоочищенную субстанцию лизина получают фракционированием фильтрата с последующей ионообменной хроматографией на катионите. Элюируют лизин раствором аммония гидроксида. Элюат концентрируют под вакуумом при температуре 60^оС, переводят в форму монохлоргидрата, Лизин сушат и подвергают перекристаллизации. В результате получают субстанцию лизина 97-98%.