6. Кинетические показатели, характеризующие скорость образования продуктов метаболизма: Определение понятий и математическое описание.
Ответ.
Скорость биосинтеза продукта метаболизма при периодическом процессе характеризуется показателями общая скорость образования продукта и удельная скорость образования продукта единицей биомассы
Общая скорость образования продукта QP описывается уравнением
QP
=
где Р – концентрация продукта, г/л
dt = t – t0 , час – продолжительность культивирования:
t0 и t – время начала и окончания культивирования
Удельная скорость образования продукта qp
характеризует скорость образования продукта единицей биомассы в периодическом процессе и описывается уравнением
qp
=
,
поскольку QP
=
qp
=
7. Влияние концентрации субстрата на скорость образования продукта: уравнение Михаэлиса – Ментен.
Ответ.
Одну из наиболее используемых моделей описания кинетики ферментативных реакций предложили ученые Л. Михаэлис и М. Ментен на основании изучения механизма действия ферментов.
С субстратом ферменты образуют нестабильный промежуточный продукт, при этом получается фермент-субстратный комплекс, который затем распадается на свободный фермент и продукт реакции. Соединение фермента с субстратом идет в каталитическом центре. Оно может происходить за счет ковалентных или слабых межмолекулярных связей.
Механизм взаимодействия фермента с субстратом идет по следующей схеме:
Е + S
ES
ЕР
E + P
где Е – фермент, S – субстрат, ES – фермент–субстратный комплекс, ЕР комплекс – фермент, субстрат, преобразованный при перегруппировке в процессе реакции и продукт, Р – продукт
Зависимость скорости ферментативной реакции V от концентрации субстрата описывается уравнением Михаэлиса–Ментен:
,
где S – концентрация субстрата,
Vmax – максимально возможная скорость ЕР реакции при данной концентрации фермента,
Кm – константа насыщения, называемая константой Михаэлиса–Ментен – величина постоянная для данной реакции. Она численно равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной.
Поскольку в каждом ферментативном процессе в реакцию вступает питательный субстрат и образуется какой – либо метаболит, скорость ферментативной реакции будет равна скорости потребления субстрата и скорости образования продукта метаболизма.
8. Влияние концентрации субстрата на скорость роста: уравнение Моно. Определение параметров уравнения Моно по экспериментальным данным. Понятие о лимитирующем субстрате.
Ответ.
Зависимость скорости роста бактерий от концентрации субстрата установил Моно в 1942 г. предположив, что кинетика потребления субстрата будет соответствовать кинетике самой медленной ферментативной реакции.
Субстрат, от концентрации которого зависит скорость роста, называется лимитирующим.
Моно предложил следующее уравнение:
=
,
где – удельная скорость роста, час–1
max – максимально возможная скорость роста на данной среде (час–1),
Кs – константа насыщения, численно равная концентрации лимитирующего субстрата, которая обеспечивает скорость роста, равную половине максимальной (т.е. Кs = маx/2),
S – концентрация субстрата, г/л
Уравнение Моно напоминает уравнение Михаэлиса – Ментена для ферментативных реакций, которое описывает скорость одной ферментативной реакции. Но скорость роста культуры зависит от скорости всех ферментативных реакций, идущих в клетке, что учитывает уравнение Моно.
Это уравнение позволяет предвидеть скорость роста популяции в том случае, когда рост замедляется вследствие недостатка субстрата.
При избытке субстрата = макс., так как в этом случае значение Кs, по сравнению с S, невелико и им в уравнении Моно можно пренебречь.
Одним из способов практического определения Кs является метод «острых опытов».
Для этого определяют начальную скорость роста при различных концентрациях субстрата в течение возможно более короткого промежутка времени и вычисляют значения . Зная S и вычисляют Кs.
Другим способом является графический. Для этого уравнение Моно преобразовывают в линейный вид:
По экспериментальным данным вычисляют
и величины
Откладывая на осях величины
получают прямую, которая ось ординат
пересекает в точке 1/
max,
а продолжение этой прямой отсекает
на оси абсцисс по левую сторону ординаты
величину
,
соответствующую 1/Кs.
9. Ингибирование роста продуктами обмена (уравнение Иерусалимского). Торможение роста культуры недостатком субстрата и избытком продуктов обмена (объединенное уравнение Иерусалимского). Понятие о лимитирующем субстрате
Ответ.
Иерусалимский с сотрудниками при изучении торможения роста продуктами обмена установил, что замедление роста культуры от действия различных концентраций продуктов обмена подчиняется уравнению неконкурентного торможения активности фермента продуктами энзиматических реакций, и предложил его вариант для описания скорости роста.
где – удельная скорость роста, час–1
max – максимально возможная скорость роста на данной среде (час–1),
Р – концентрация продукта обмена
Кр – константа Иерусалимского, численно равная концентрации вредного продукта, при
которой удельная скорость роста равна половине скорости роста в среде без вредного
продукта.
Увеличение концентрации метаболита (Р) уменьшает скорость роста
Известно, что рост культуры может замедляться как от недостатка питательного субстрата в среде, так и от избытка продуктов обмена в культуральной жидкости.
Иерусалимский предложил объединенное уравнение, в котором учитывается зависимость удельной скорости роста от концентраций, как лимитирующего субстрата так и какого либо продукта обмена.
=
Кs – константа насыщения, численно равная концентрации лимитирующего субстрата, которая обеспечивает скорость роста, равную половине максимальной (т.е. Кs = маx/2),
S – концентрация субстрата, г/л
Как видно из уравнения увеличение концентрации продукта метаболизма снижает удельную скорость роста
10. Торможение роста культуры недостатком субстрата и избытком продуктов обмена (объединенное уравнение Иерусалимского). Ингибирование роста избытком субстрата (уравнение Николаева). Понятие о лимитирующем субстрате.
Ответ.
Лимитирующим называют субстрат, от концентрации которого в питательной среде зависит скорость роста микроорганизма при его культивировании.
Известно, что скорость роста культуры может замедляться как при недостатке питательного лимитирующего субстрата в среде, так при избытке продуктов обмена, накапливающихся в культуральной жидкости.
Иерусалимский предложил объединенное уравнение, в котором одновременно учитывается зависимость удельной скорости роста культуры от концентраций, как лимитирующего субстрата, так и какого либо продукта обмена..
=
Кs – константа насыщения, численно равная концентрации лимитирующего субстрата, которая обеспечивает скорость роста, равную половине максимальной (т.е. Кs = мах/2),
S – концентрация субстрата, г/л
Р – концентрация продукта обмена
Кр – константа Иерусалимского, численно равная концентрации вредного продукта,
которой соответствует удельная скорость роста равная половине скорости роста на
среде без вредного продукта.
Как видно из уравнения увеличение концентрации продукта метаболизма снижает удельную скорость роста
Николаев заменил в уравнении концентрацию продукта количеством субстрата, пошедшего на его образование
=
где S0 – исходная концентрация субстрата
S – текущая концентрация субстрата в среде.
Как видно избыток субстрата также может быть фактором, ограничивающим скорость роста.
Данный вывод подтвержден, например, экспериментами по изучению влияния концентрации лактата на скорость роста микроорганизма – продуцента при пропионовокислом брожении (работы Иерусалимского и Нероновой).
Таким образом, рост микроорганизмов может замедляться от двух причин – истощения субстрата и отравления продуктами обмена.