Теоретические основы биотехнологии. Учебно-методическое пособие

Исходным субстратом является глюкоза, конечным продуктом – пировиноградная кислота (ПВК, пируват). Катаболизм глюкозы состоит в ее фосфорилировании, а также фосфорилировании промежуточных соединений с накоплением максимума энергии субстрата внутри клетки, поскольку сильно ионизированные органические вещества не диффундируют через клеточную мембрану из клетки и являются источником энергии для

конструктивного и энергетического обмена. Накопление внутриклеточной энергии вследствие присоединения фосфатной группы HPO42- к молекулам органического субстрата называют

субстратным фосфорилированием.

В процессе катаболизма глюкозы осуществляются

энергозатратные реакции, когда изменение свободной энергии

∆G≥0; энергодающей реакцией для их протекания является сопряженная реакция гидролиза АТФ (рис. 2.1). Спонтанные реакции фосфорилирования АДФ с образованием АТФ

осуществляются, начиная с превращения двух молекул

3-фосфоглицеринового альдегида через ряд промежуточных продуктов в две молекулы пирувата (рис. 2.1). Таким образом,

катаболизм 1 молекулы глюкозы с образованием 2 молекул пирувата сопровождается первоначальным гидролизом 2 молекул АТФ и последующим образованием 4 молекул АТФ.

Общая стехиометрия пути ЭМП выглядит следующим

образом:

32

Рис. 2.2 – Биохимическая схема ассимиляции

углеродных субстратов дрожжами

36

На рис. 2.2 отмечена передача четырех пар протонов (2Н),

высвобождающихся в цикле ЦТК при катаболизме углеводов, в

электронтранспортную цепь (ЭТЦ) дыхания с их окислением до

Н2О.

При ассимиляции этанола в ЭТЦ дополнительно передается 2

пары протонов (2Н).

Сопряженно с транспортом электронов в дыхательной цепи протекает процесс регенерации АТФ и, как следствие,

накапливается внутриклеточная энергия. Этот процесс называется

окислительным фосфорилированием.

Стехиометрия процессов культивирования микроорганизмов

Если в результате химического взаимодействия реагентов А и В образуются продукты С и D и выделяются тепло ∆Н, то можно с учетом стехиометрических коэффициентов νА, νВ, νC, νD и νН

можно записать стехиометрическое уравнение реакции:

отражают закон сохранения материи: количество атомов элементов, составляющих вещества А, В, С и D, не должно изменяться в процессе превращения веществ.

Действие закона сохранения энергии в биологии приводит к

перегруппировке макро- и микроэлементов. Такая перегруппировка предполагает, что общее количество углерода, азота, фосфора,

водорода, кислорода, металлов и др. элементов, включенное в структурные компоненты клетки (ядро, клеточную стенку,

37

митохондрии, др.), внутри- и внеклеточные вещества (АТФ, белки,

липиды, нуклеиновые кислоты, эндо- и экзоферменты,

антибиотики), равно количеству этих элементов, потребленных из питательной среды.

Рис. 2.3 – Схема процесса культивирования микроорганизмов

Стехиометрическое уравнение для ферментативной реакции превращения субстратов (S) в продукты (Р) и биомассу (Х) в

процессе культивирования можно записать следующим образом

(квадратные скобки традиционно обозначают концентрации веществ, в данном случае различных субстратов):

νС [углеродный субстрат] + νN [азотный субстрат] + νФ [фосфорный

субстрат] + νО2 [кислород как субстрат] =

νХ [биомасса] + νР [продукт метаболизма] + …+ νСО2 [СО2] + νН2О [Н2О]

В процессах культивирования биомасса (Х) накапливается как

продукт реакции; она же в качестве инокулята является важнейшим

исходным реагентом, от ферментативной (катализирующей)

38

активности которого зависит протекание реакции. Поэтому правильнее было бы показать биомассу в качестве субстрата с коэффициентом νХ, а в качестве продукта с коэффициентом (νХ+1).

Однако количество инокулята принимается пренебрежимо малым в сравнении с количеством биомассы, накопленной в процессе культивирования.

Реакции, в которых продукт является катализатором реакции,

называются автокаталитическими.

Формула биомассы микроорганизмов.

Молекулярный вес биомассы (биомоль)

Для работы со стехиометрическим уравнением нужно определить формулу биомассы. Элементный состав биомассы микроорганизмов приведен в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Элементный состав биомассы различных микроорганизмов

Если принять сухой вес биомассы равным 100 г, масса соответствующего элемента (С, H, O, N, P, S) в граммах (грамм-

атомах) равна отношению его процентного содержания к его атомной массе (табл. 2.2). При этом зольными компонентами биомассы пренебрегают.

39

Таблица 2.2 – Удельно-весовой элементный состав биомассы

различных микроорганизмов

Таким образом, формула биомассы записывается так:

для дрожжей – C3,92H6,5O1,88N0,54P0,05S0,03 ,

для бактерий – C4,42H7,0O1,25N0,86P0,1S0,03 ,

для микроорганизмов «усредненного» состава –

C4,17H8,0O1,25N1,0P0,1S0,03 .

Молекулярный вес биомассы (биомоль) составляет около 100 (с учетом зольности биомассы).

Для простоты расчетов по стехиометрическим уравнениям из формулы биомассы можно исключить некоторые элементы, чаще всего фосфор и серу.

Далее, для расчетов удобнее принять формулу биомассы из расчета на 1 атом углерода. Для этого нужно разделить индексы при всех атомах на индекс при углероде:

для дрожжей – CH1,66O0,48N0,14

для бактерий – CH1,58O0,28N0,19

для биомассы «усредненного» состава – CH1,92O0,3N0,24

Для практических расчетов биомоля «усредненного» состава часто используют формулу Стоутхамера:

CH1,8O0,5N0,2 с молекулярной массой 24,6.

40