Prezentacja programu PowerPoint

PODSTAWY
BIOTECHNOLOGII
Chemiczne procesy biotechnologiczne
Sala 3.65 , poniedziałek,
godz.8.45 -10.30
Prof. dr hab. Marek Łaniecki
Zakład Kinetyki i Katalizy
www.kik.amu.edu.pl
krówka
1410 – ?
1605 – ?
Program wykładów
1. Komórka (bakterie, drożdże)
2. Enzymy – katalizatory biologiczne
3. Metabolizm komórkowy i sposoby pozyskiwania
energii
4. Wytwarzanie wina i piwa
5. Biologiczne oczyszczanie ścieków
6. Biopaliwa
7. Związki biologicznie czynne (aminokwasy,
antybiotyki
BIOTECHNOLOGIA – dyscyplina nauk technicznych
wykorzystująca procesy biologiczne na skalę przemysłową
BIOTECHNOLOGIA – interdyscyplinarna dziedzina
nauki wykorzystująca systemy biologiczne, komórki
mikroorganizmów, części komórki lub ich molekularne
analogi dla uzyskania określonych produktów
BIOTECHNOLOGIA – zastosowanie technologiczne
systemów biologicznych, organizmów żywych lub ich
składników do wytwarzania lub modyfikowania
produktów lub procesów do określonego zastosowania
Podział
Biała biotechnologia – systemy biologiczne w produkcji przemysłowej i
ochronie środowiska
Zielona biotechnologia – rolnictwo
Czerwona biotechnologia – ochrona zdrowia (biofarmaceutyki, diagnostyka
genetyczna, genoterapia, transplantologia)
Fioletowa biotechnologia - ustawodawstwo
Biotechnologia zwierząt
Biotechnologia roślin
Biotechnologia żywności
Tradycyjna – naturalne enzymy i organizmy bez obcego materiału
genetycznego
Nowoczesna – organizmy, enzymy, białka zmodyfikowane genetycznie
EuropaBio
A. Chmiel, Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne, PWN, Warszawa, 1998.
Stanley Miller exp.1954
Nobel - 1989
„Prebiotyczna zupa”
CH4 CO2 NH3
H2
H2O
UV
Q
CH3COOH
CH3CH2OHCOOH
NH2-CO-NH2
NH2CH2COOH
NH2CH2(CH3)COOH
NH2-CH2(CH2COOH)COOH
kwas octowy
kwas mlekowy
mocznik
glicyna
alanina
kwas asparaginowy
Komórka
„najprostsza” forma życia
Schemat komórki bakterii
P. Singleton, Bakterie w biologii, biotechnologii i medycynie, PWN, 2000, Warszawa.
Przybliżony skład chemiczny typowej komórki bakterii i
komórki ssaka
Procent całkowitej wagi komórki
Składnik
Bakteria
E. coli
Komórka ssaka
H2O
Jony nieorganiczne (Na+, K+,
Mg2+, Ca2+, Cl- )
Małe metabolity
Białka
RNA
DNA
Fosfolipidy
Inne lipidy
Polisacharydy
70
1
70
1
3
15
6
1
2
2
3
18
1.1
0.25
3
2
2
Całkowita objętość komórki
Względna objętość komórki
2 x 10-12 cm3
1
4 x 10-9
2000
B. Alberts, D. Bray, J.Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D.Watson, Molecular Biology of the Cell,
Garland Publishing Inc. 1983, NY/London
Gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus)
Formy bakterii
gronkowce
pakietowce
paciorkowce
dwoinki
pałeczki
laseczki
średnia wielkość :
0.75 - 2.0 µm
przecinkowce
śrubowce
krętki
srednia wielkość :
0.2(1.0) do 60-80 µm
CYTOLOGIA
Badania morfologii i
działania strukturalnych
składników komórki.
1. Błona komórkowa
2. Cytoplazma z organellami
3. Jądro
4. Membrana z
chromosomami
Drożdże
Saccharomyces – rodzaj z rodziny drożdżowatych - grzyby
jednokomórkowe o komórkach kulistych, jajowatych lub walcowatych.
Wielkość – od 1 do 10 mikrometrów
Rozmnażanie – przez pączkowanie ( w niesprzyjających warunkach
rozmnażanie płciowe)
Około 200 gatunków z dużą liczbą odmian.
Fermentacja dolna
Fermentacja górna
d. Piwowarskie
d. Winiarskie
d. Piekarnicze
d. Gorzelnicze
Spożywcze i paszowe
Królestwo – grzyby
Typ
- woreczniaki
Rodzaj
- drożdże
Elementy komórki
Cytoplazma - ciecz, w której zawieszone są wszystkie struktury komórki
oraz składniki pokarmowe, jony, enzymy, produkty przemiany materii.
Nukleoid (chromosom) - zwinięta w ścisłą strukturę nić DNA o długości
około 1mm, połączona z cząsteczkami RNA i białkami. Zawiera komplet
informacji genetycznej.
Plazmid – pozachromosomowy fragment DNA, zazwyczaj o kształcie
kolistym, zdolny do niezależnej replikacji. Koduje różne przydatne komórce
funkcje jak np. oporność na antybiotyki.
Rybosom – zbudowany jest z dwóch podjednostek: dużej (50S) i małej
(30S). Zawiera rRNA (70%) i białka (30%). Jego rolą jest odczytanie kodu
genetycznego i kontrola syntezy białek.
Substancje zapasowe – poli-β-hydroksymaślan (PHB), glikogen,
polifosforany. Synteza oraz magazynowanie PHB i glikogenu zachodzi, gdy
obecne jest źródło węgla przy jednoczesnym deficycie azotu, siarki. Synteza
polifosforanów ma miejsce w warunkach aerobowych przy nadmiarze
fosforanów w środowisku.
Chromatofory – organelle komórkowe zawierające chlorofil i karotenoidy.
U cyjanobakterii i bakterii fotosyntetyzujących zwane są tylakoidami. Mają
formę pęcherzyków lub spłaszczonych, warstwowo ułożonych błon i połączone
są z błoną cytoplazmatyczną. Biorą udział w fotosyntezie.
Wakuole gazowe – występują u niektórych prokariotów np. cyjanobakterii.
Składają się z drobnych, wypełnionych gazem pęcherzyków. Wpływają na
gęstość komórek i pozwalają zwiększyć dostęp światła.
Karboksysomy – wewnątrzkomórkowe struktury błonowe u bakterii
autotroficznych. Zawierają enzym RuBisCo biorący udział w wiązaniu
atmosferycznego CO2.
Osłony komórkowe - błona cytoplazmatyczna , ściana komórkowa,
błona zewnętrzna, warstwy zewnątrzkomórkowe (otoczki lub śluz).
Narządy ruchu - rzęski lub wici, umożliwiają poruszanie się w kierunku
substancji odżywczych i ucieczkę przed substancjami toksycznymi.
Funkcje ściany komórkowej i błony
komórkowej
 nadają kształt i zabezpieczają przed ciśnieniem osmotycznym,
są miejscem, w którym przebiega wiele reakcji,
 uczestniczą w przekazywaniu sygnałów do wnętrza komórki,
są głównymi elementami systemu transportu i magazynowania
energii,
 regulują przemieszczanie się substancji między komórką,
a środowiskiem zewnętrznym: są przepuszczalne dla cząstek
hydrofobowych ( N2 , O2 , węglowodorów) i małych cząstek
polarnych (H2O, CO2, gliceryny, mocznika), a nieprzepuszczalne
dla aminokwasów, H-, HCO3-, Ca2+, K+, Cl-, Mg
Budowa osłon komórkowych
E.P.Solomon, L.R.Berg, D.W.Martin,C.A.Villee, Biologia, Multico Oficyna Wydawnicza, 1996, Warszawa.
Błona cytoplazmatyczna
B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J.Lewis, M. Raff , K. Roberts, P. Walter,
Podstawy biologii komórki, cz 1-2, PWN, 2007, Warszawa.
Rodzaje białek błonowych
Białka transportujące - przenoszą określone substancje odżywcze,
metabolity i jony przez dwuwarstwę lipidową.
Białka kotwiczące - łączą błonę komórkową z makrocząsteczkami po
obu stronach błony.
Receptory – wykrywają sygnały chemiczne w otoczeniu komórki
i przekazują informacje do wnętrza komórki.
Enzymy – katalizują określone reakcje biochemiczne.
Sposoby wiązania białek błonowych z
błoną cytoplazmatyczną
B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J.Lewis, M. Raff , K. Roberts, P. Walter,
Podstawy biologii komórki, cz 1-2, PWN, 2007, Warszawa.
Rodzaje transportu przez błony komórkowe
 dyfuzja bierna –zachodzi zgodnie z gradientem stężenia, bez udziału
energii (transport CO2, O2),
 dyfuzja ułatwiona - zachodzi zgodnie z gradientem stężenia, bez
zużycia energii, ale z udziałem swoistych białek błonowych, np.
transport wody przez akwaporyny,
 transport aktywny – przebiega wbrew gradientowi stężeń;
prowadzony jest z nakładem energii z udziałem białek
transportowych,
 pierwotny transport aktywny – wyrzucenie protonów na zewnątrz
błony cytoplazmatycznej przy użyciu energii uzyskanej z hydrolizy
ATP, absorpcji fotonu lub przepływu elektronów w procesach
oddechowych (wytworzenie siły protonomotorycznej),
 wtórny transport czynny – siła protonomotoryczna napędza
transport różnych cząsteczek lub jonów przez błonę, przy udziale
białek (permeaz).
Sposoby transportu cząsteczek i jonów
B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J.Lewis, M. Raff , K. Roberts, P. Walter,
Podstawy biologii komórki, cz 1-2, PWN, 2007, Warszawa.
Klasy białek transportujących
Nośniki – wiążą rozpuszczoną substancję po jednej stronie błony i
przenoszą ją na drugą stronę– towarzyszy temu zmiana konformacji
nośnika. Są bardzo selektywne.
Pompy – białka transportujące daną substancję przez błonę z jednoczesnym
wykorzystaniem energii (pompa protonowa).
Kanały jonowe – małe hydrofilowe pory, przez które substancja może
przechodzić na drodze dyfuzji. Rozpoznanie cząsteczki transportowanej
następuje na podstawie jej wielkości i ładunku elektrycznego.
Przepływ jonów zmienia napięcie w po obu stronach błony (potencjał
błonowy).
Pompa protonowa
Energia
konformacji
białka
NASTĘPNY
CYKL
B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J.Lewis, M. Raff , K. Roberts, P. Walter,
Podstawy biologii komórki, cz 1-2, PWN, 2007, Warszawa.
Wzrost bakterii
Komórki bakterii mogą rosnąć i dzielić się, żyjąc pojedynczo lub w koloniach.
Czas podwojenia liczby komórek (generacji) - czas konieczny do przebiegu
pełnego cyklu komórkowego. Jego długość waha się od kilku minut do kilku
tygodni.
Podłoża (pożywki) do hodowli bakterii:
 stałe (żel agarowy),
 płynne.
Rodzaje hodowli:
 okresowe – po pewnym czasie następuje wyczerpanie substancji
odżywczych i nagromadzenie toksycznych produktów,
 ciągłe – systemy przepływowe, do których w sposób ciągły wprowadza się
świeże podłoże i usuwa jednocześnie jego nadmiar, utrzymując stały poziom
płynu hodowlanego. Po pewnym czasie układ osiąga homeostazę.
Typowa krzywa wzrostu okresowej hodowli bakterii
Warunki wzrostu bakterii
 substraty odżywcze: CO2, NH3, alkohole, węglowodory,
węglowodany, sole nieorganiczne, ( źródło C, N, P, S, H, O ),
 woda
 energia
 temperatura:
0 - 15oC psychrofile,
15 - 45oC mezofile,
45 - 105oC termofile
 pH:
 tlen:
0.8 - 4 acydofile,
ok. 7.0 większość bakterii,
8 - 9.5 alkalofile
- tlenowce – tlen jest niezbędny do ich wzrostu,
- beztlenowce – rosną tylko w warunkach, w których nie ma
tlenu
- względne beztlenowce - mogą rosnąć w obecności tlenu lub
w warunkach beztlenowych