Шпаргалка по "Биотехнологии"

Важнейшими свойствами живых организмов являются способность, к самовоспроизведению и теснейшая  взаимосвязь их с окружающей средой. Любой организм может существовать только при условии постоянного  притока питательных веществ  их внешней среды и выделения  в нее продуктов жизнедеятельности. Питательные вещества, поглощаемые  клеткой, в результате сложных биохимических  реакций превращаются в специфические  клеточные компоненты. Совокупность биохимических процессов поглощения, усвоения питательных веществ и  создания за их счет структурных элементов  клетки называется конструктивным обменом или анаболизмом. Конструктивные процессы идут с поглощением энергии. Энергию, необходимую для процессов биосинтеза других клеточных функций, таких, как движение, осморегуляция и т.д., клетка получает за счет потока окислительных реакций, совокупность которых представляет собой энергетический обмен или катаболизм.

Анаболизм и катаболизм неразрывно связаны, составляя единое целое, поскольку продукты энергетического  обмена непосредственно используются в конструктивном обмене клетки. В  клетках микроорганизмов соотношение  между энергетическим и конструктивном обмене клетки. В клетках микроорганизмов  соотношение между энергетическими  и конструктивными процессами зависит от ряда конкретных условий, в частности от характера питательных веществ. Тем не менее, по объему катаболические реакции обычно превосходят биосинтетические процессы. Взаимосвязь и сопряженность этих двух видов метаболизма проявляется прежде всего в том, что суммарный объем конструктивных процессов полностью зависит от количества доступной энергии, получаемой в ходе энергетического обмена.

6. Понятие о биологическом окислении. Ферменты, участвующие в процессе.

Биологическое окисление - совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках. Осн. функция — обеспечение организма энергией. Биологическое окисление связано с передачей т. н. восстанавливающих эквивалентов (ВЭ) — атомов водорода или электронов — от донора к акцептору. У аэробов — большинства животных, растений и мн. микроорганизмов — конечным акцептором ВЭ служит кислород.

Поставщиками ВЭ могут  быть как органич., так и неорганич. вещества. Реакции биологического окисления  катализируют ферменты класса оксидоредуктаз. В процессе дыхания углеводы, жиры и белки подвергаются многоступенчатому  окислению, которое приводит к восстановлению осн. поставщиков ВЭ для дыхательной  цепи: флавинов, НАД, НАДФ и липоевой кислоты. Восстановление этих соединений в значит, мере осуществляется в  цикле трикарбоновых кислот, которым  завершаются основные пути окислит, расщепления углеводов (оно начинается с гликолиза), жиров и аминокислот. Некоторое кол-во восстановленных  коферментов — ФАД и НАД  — образуется при окислении жирных кислот, а также при окислит, дезаминировании  глутаминовой к-ты (НАД) и в пентозофосфатном цикле (восстановленный НАДФ). Основной путь использования энергии, освобождающейся  при биологическом окислении,—  накопление её в молекулах АТФ  и др. макроэргич. соединений. Биологическое  окисление, сопровождающееся синтезом АТФ из АДФ и неорганич. фосфата, происходит при гликолизе, окислении а-кетоглутаровой кислоты — субстратное фосфорилирование, а также при переносе ВЭ в цепи окислительных (дыхательных) ферментов — окислительное фосфорилирование. Гликолиз, цикл трикарбоновых кислот и дыхательная цепь характерны для большинства эукариот.

Соединения могут  окислятся по современным представлениям тремя различными способами :1) Реакции  оксиденации, т.е. окисление путем  прямого присоединения кислорода  к окисляемому субстрату. 2) Путь передачи электронов.  Некоторые  реакции окислительные сопровождаются только потерей электронов, а затем  происходит присоединение протонов. 3) главный (основной). Путем отщепления атомов водорода от окисляемого субстрата  – дегидрирование.  Принято различать 2 вида дегидрирования а) Аэробное б) Анаэробное .

Классификация фермента» участвующих в биоокислении. Оксиредуктазы . Все ферменты катализирующие окислительно-восстан овительные процессы.  Какие же здесь группы: 1) Отщепление атомов водорода от окисляемого субстрата катализируется ферментами. Их разделяют на 2 подподкласса а) Аэробные дегидрогиназы б) Анаэробные дегидрогиназы.  Аэробные дегидрогиназы катализируют перенос отщепленных атомов водорода от окисляемого субстрата на кислород в итоге образуется токсичная перекись водорода H-S-H + О2 -> S окисл + Н2О2 Анаэробные дегидрогиназы катализируют перенос отщепленных атомов водорода на какое-то соединение отличающееся от кислорода (НАД, ФАД, ФМН), а субстрат окисляется, потеряв 2 атома водорода H-S-H + X ->ХН2 + Зокисл.  2) Оксигеназы, ферменты катализирующие присоединение кислорода или реакцию оксидинации.  Принято длить на 2 группы а) Монооксигеназы (гидроксилазы) присоединяют атомарный кислород к окисляемому субстрату б) Дноксигеназы присоединяют молекулу кислорода а) р H-S + О2 + КН2 -» S ^H2O + Кокисл.  Реакции монооксигеназного типа требуют еще одного участника так называемого Косубстрата. Чаще всего выступает восстановленный НАД К субстрату присоединяется один атом кислорода б) H-S-H + О2 >HO- S-OH ->S--O + H2O . 3) Цитохромы, катализируют окисление веществ путем отдачи электронов Гемовое железо В одном из цитохромов имеется так же атом меди. 4) Вспомогательные ферменты биологического окисления К ним относятся такие ферменты как католаза и пероксидаза. которые играют защитную роль разрушая перекись водорода или органические перекиси образующихся в ходе окислительных процессах Перекиси представляют собой достаточно агрессивные соединения которые могут вызвать значительные изменения в клеточных структурах.  ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ 1.  Важнейшей функцией биологического окисления является несомненно высвобождение энергии которая в дальнейшем используется в эндоорганических процессах. 2. В ходе окисления питательных веществ образуется ряд низкомолекулярных соединений, которые клетка использует потом для биосинтеза называется - пластическая функция. 4. Окислительные процессы несут защитную роль. Многие ксенобиотики обезвреживаются путем окисления в том числе многие лекарственные препараты 5. Огромная роль в поддержании температуры тела. Таким образом существование живых существ невозможно без окислительных процессов.

7. Распределение микроорганизмов на группы в зависимости от конечного акцептора водорода и отношения к молекулярному кислороду. Привести примеры отдельных представителей.

Водород и электроны отнятые  от окисляемого субстрата переносятся  к конечному акцептору поэтапно с помощью окислительно – восстановительных  ферментов. К таким ферментам  относят дегидрогеназы и ферменты цитохромной системы – цитохромы  и цитохромоксидазы. Набором окислительно – восстановительных ферментов  объясняется отношение микроорганизмов в их молекулярному кислороду. В зависимости от способа получения энергии и от конечного акцептора водорода микроорганизмы можно разделить на 3 физиологические группы:

1. Облигатные аэробы. У этих микроорганизмов в клетках имеется полный набор окислительно-восстановительных ферментов, осуществляющий перенос протонов и электронов водорода на кислород. Примером микроорганизмов этой группы является микроскопические грибы и уксусно-кислые бактерии.
2. Облигатные анаэробы. Такие микроорганизмы получают энергию в процессе брожения, в составе клеток облигатных анаэробов имеются специфические дегидрогеназы и отсутствуют цитохромы и цитохромоксидазы. Представителями облигатных анаэробов являются масляно-кислые бактерии рода клостридиум и бифидобактерии.
3. Факультативные анаэробы ( как в присутствии кислорода, так и без него). В клетках факультативных анаэробов присутствуют кроме окислительно-восстановительных ферментов переносящих водород и электроны на кислород, специальные ферменты, которые участвуют в процессе брожения. Относятся дрожжи, молочно-кислые, пропионово-кислые и другие микроорганизмы.

8. Механизмы образования АТФ.

Энергия, образуемая при  энергетическом обмене трансформируется в энергию макроэргических связей молекул АТФ. Процесс образования  АТФ называется фосфолированием.

Механизм образования  АТФ у разных групп микроорганизмов  не одинаков, поэтому различают субстратное, окислительное и фотофосфолирование.

Фотофосфолирование – образование АТФ при поглощении квантов света молекулами хлорофилла. В результате от молекул хлорофилла отрываются электроны, которые проходя по цепи переноса электронов отдают свою энергию системе АДФ – АТФ; в результате чего энергия света трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ.

ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ, синтез аденозинтрифосфата (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического  фосфора (Фн) в хлоропластах, сопряженный  с транспортом электронов, индуцируемым светом. Открыто Д. Арноном в 1954.

Субстратное фосфолирование – образование АТФ непосредственно на молекуле субстрата. Протекает в анаэробных условиях на стадиях превращения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в трифосфоглицериновую кислоту и фосфоэнол пировиноградной кислоты в пировиноградную кислоту ( в процессе гидролиза).

Реакции, в которых энергия, освобождающаяся на определенных окислительных  этапах брожения запасается в молекулах АТФ , получили название субстратного фосфорилирования. Их особенностью является катализирование растворимыми ферментами. Образующийся в восстановительной части окислительно-восстановительных преобразований сбраживаемого субстрата восстановитель ( НАД*Н2 , восстановленный ферредоксин ) переносит электроны на подходящий эндогенный акцептор электрона ( пируват , ацетальдегид , ацетон и др.) или освобождается в виде газообразного водорода (Н2).

Согласно распространенным представлениям, наиболее древние формы  жизни, источником энергии для которых  служили реакции субстратного фосфорилирования, использовали органические соединения внешней среды одновременно по двум каналам: в качестве источника энергии  и источника углерода. Постепенное  исчерпание таких соединений из окружающей среды поставило организмы перед  двумя проблемами: поиском новых  источников энергии и новых источников углерода. В первом случае это привело  к использованию энергии света, во втором - к использованию углекислоты.

Окислительное фосфолирование – образование АТФ одновременно с процессом переноса протонов и электронов по дыхательной цепи ферментов. При этом на каждые два атома водорода поступивших в дыхательную цепь синтезируется три молекулы АТФ. Окислительное фосфолирование осуществляется анаэробными и факультативно-анаэробными микроорганизмами.

Окислительное фосфорилирование, осуществляющийся в живых клетках синтез молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной (АДФ) и фосфорной кислот за счёт энергии окисления молекул органических веществ (субстратов). В результате О. ф. в клетках накапливается АТФ — важнейшее макроэргическое соединение, расходуемое затем на обеспечение энергией различных процессов жизнедеятельности. Основные субстраты О. ф. — органические кислоты, образующиеся в трикарбоновых кислот цикле. О. ф. было открыто в 1930 советским биохимиком В. А. Энгельгардтом. В 1939 В. А. Белицер и Е. Т. Цыбакова показали, что О. ф. сопряжено с переносом электронов по цепи дыхательных ферментов, встроенных (как было установлено позднее) во внутреннюю мембрану митохондрий. Электроны поступают в дыхательную цепь от восстановленногоникотинамидадениндинуклеотида (НАД · Н) или никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ · Н) и через кофермент Q (см. схему) последовательно передаются от соединений с более отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом к соединениям с более положительным потенциалом.

Перенос электронов по цепи завершается  восстановлением О₂ с помощью сложного ферментного комплекса — цитохромоксидазы. Т. о., процесс окисления субстрата кислородом опосредован серией окислительно-восстановительных реакций; в результате каждой из этих реакций энергия, запасённая в молекуле окисляемого субстрата, освобождается небольшими порциями, что позволяет клетке использовать её более полно. Утилизация высвобождаемой энергии происходит в т. н. пунктах энергетического сопряжения. Синтез АТФ из АДФ и фосфата осуществляется ферментным комплексом АТФ-синтетазой (который может катализировать и обратную реакцию — расщепление АТФ).

Эффективность О. ф. оценивают с  помощью отношения Р/О, т. е. количества фосфата, связанного при фосфорилировании АДФ, отнесённого к поглощённому О₂. Одна молекула АТФ образуется при переносе 2 электронов через пункт энергетического сопряжения. Р/О при окислении НАД · Н равно 3, янтарной кислоты — 2. См. также Аденозинфосфорные кислоты, Окисление биологическое, Цитохромы и лит. при этих статьях.

аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). аденозиндифосфорной (АДФ).

9. Энергетический обмен хемоорганогетеротрофов, использующих процесс дыхания.

Аэробное дыхание – окислительно-восстановительный процесс, идущий с образованием АТФ, при которой роль доноров водорода играют органические соединения, а роль акцепторов – молекулярный кислород. Процесс протекает в аэробных условиях, конечными продуктами дыхания являются: углекислый газ и вода.

Суммарно процесс дыхания при  окислении углеводов выражено уравнением: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6 H₂O + 280 кДж

Начальная стадия превращения углеводов  до образования пировиноградной  кислоты идентична ферментативным реакциям окисления в процессе брожения.

 В клетках аэробах пировиноградная  кислота может быть окислена  полностью в цикле Кребса через  промежуточное соединение ацетил  КоА, при этом водород отнятый  дегидрогеназами в цикле передается  в дыхательную цепь ферментов,  которая у аэробов, кроме НАД,  включая ФАД, систему цитохромов  и конечный акцептор водород  = кислород. При этом на каждый  второй атом водорода, поступающий  в дыхательную цепь синтезируется  три молекулы АТФ.

Суммарный энергетический эффект окисления  одной молекулы глюкозы составляет 38 молекул АТФ. Причем две молекулы АТФ образуется в результате субстрактного  форфолирования, а 36 – при окислительном.