6 7 Maraz Anyagcsere KK 2010
-
Upload
julie-holmes -
Category
Documents
-
view
62 -
download
1
Transcript of 6 7 Maraz Anyagcsere KK 2010
1
Mikrobiológia
Mikroorganizmusok anyagcsere folyamatai
Dr. Maráz Annae. tanár
Budapesti Corvinus EgyetemMikrobiológia és Biotechnológia Tanszék
2010
Anyagcsere (metabolizmus):
a sejt valamennyi összerendezett
biokémiai reakciója
2
Katabolizmus - Anabolizmus
KATABOLIZMUS
Metabolizmus (Anyagcsere)Anabolizmus (felépítő) – sejt építőanyagainak szintézise
Katabolizmus (lebontó) – energianyerés és anabolizmushoz intermedierek létrehozása
ANABOLIZMUS Intermedierek
Redukció
Anyagcsere - Energia• Katabolizmus: kémiai energia és intermedierek (köztes termékek)
nyerése tápanyagok lebontásából (exergonikus reakciók: oxidáció, H-elvonás)
• Anabolizmus: kémiai energia felhasználása sejtösszetevők szintéziséhez (endergonikus reakciók: redukció, H-felvétel)
• Minden biokémiai reakciót enzimek katalizálnak (aktivációs energia csökken)
• Reakciók sorozata köztestermékeken (intermediereken) át anyagcsere utat képez
• Anyagcsere enzimes szabályozása: anyagcsere utak összerendezése
3
MIKRÓBÁK ANYAGCSERE TÍPUSAI
AUTOTRÓF• Szénforrás: szervetlen(CO2)• A CO2 redukálásával állítják elő saját szerves anyukat
HETEROTRÓF• Szénforrás: szerves szén-vegyületek (pl. glükóz)• Szerves vegyületek átalakításával állítják elősaját szerves anyagukat
FOTOAUTOTRÓFEnergiaforrás a fényPl. fotoszintetizálóbaktériumok és algák
KEMOAUTOTRÓFEnergiaforrás szervetlen vegyületekPl. vasbaktériumok
kénbaktériumoknitrifikáló baktériumok
FOTOHETEROTRÓFEnergiaforrás a fényPl. Bíbor nem-kén
baktériumok,Zöld nem-kén
baktériumok
KEMOHETEROTRÓFEnergiaforrás szerves szénvegyületekPl. baktériumok
többsége, protozoa, gombák,állatok
Glikolízis
ATP
A legtöbb sejttípus lebontó folyamatának közös elsőszakasza. Aerob és anaerob körülmények között is lejátszódik. A piroszőlősav további lebomlása anaerob körülmények között erjesztéssel, míg aerob körülmények között légzéssel történik. Glikolízis energia nyeresége: 2 ATP + 2 NADH/glükóz molekula
4
Baktériumos erjedések főbb típusai
________________________________________Típus Szubsztrátumok és termékek Jellemző baktérium fajok_________________________________________________________________________________
Alkoholos Glükóz → Etanol, CO2 Zymomonas mobilis
Homo-laktátos Glükóz → Tejsav Lactobacillus casei
Hetero-laktátos Glükóz → Tejsav, etanol, CO2 Leuconostoc mesenteroides
Vegyes savas Glükóz → Tejsav, ecetsav, H2, CO2 Escherichia coli
Butándiolos Glükóz → Tejsav, etanol, butándiol Enterobacter aerogenes
Vajsavas Glükóz → Vajsav,ecetsav, H2,CO2 Clostridium butyricum
Aceton-butanolos Glükóz → Vajsav, aceton, butanol Clostridium acetobutylicum
Propionsavas Tejsav → Propionsav,ecetsav,H2 Propionibacterium shermanii
________________________________________________________________________________
Glikolízises erjedések
Legfontosabb baktériumos (glikolízises) erjedési folyamatok és jellemző fajok
5
A tejsavas erjesztés mikrobiológiája
A tejsavas erjesztést elsősorban a tejsavbaktériumok végzik -
aerotoleráns anaerob baktériumok (oxigén jelenlétében is erjesztenek).
Tejsavas erjesztés: Szénhidrátok lebontása anaerob úton tejsavvá.
Tejsavbaktériumok anyagcsere típusai
♦ Homofermentatív (homolaktikus) tejsavbaktériumok: csak tejsav keletkezik (pl. Lactococcus, Streptococcus, Pediococcusfajok)
♦ Heterofermentatív (heterolaktikus) tejsavbaktériumok: tejsav, CO2 és etanol/ecetsav keletkezik (pl. Lactobacillusbrevis, Leuconostoc fajok)
6
Tejsavas erjedés típusaiHomofermentativ- Heterofermentativ-(homolaktikus ferm.) (heterolaktikus ferm.)Glikolitikus út Foszfoketoláz út
glükóz (aldoláz enzim hiányzik)
Fruktóz -1,6-P
2 trióz-3-P
2 piruvát
2 tejsav
glükóz
xilulóz-P+CO2
trióz-3-P + acetil-P acetát
piruvát
tejsav Etanol
Tejsav:etanol/acetát: CO2=1:1:1
Glükonsav-P (GSP)
foszfoketoláz
aldoláz GSP-dehidrogenáz
Tejsav-dehidrogenáz
NAD
NADH
Tejsavasan erjesztett tejtermékek
Penészgombák:Penicillium rocquefortiiP. glaucum
Leuconostoc sp. Rokfort-típusú sajtok:Uaz, mint az előzőnél
Penészgombák:Penicillium camembertiP. candidum
Lactococcus lactisCamembert/Brie sajtok:Tejsavtermelőtejsavbaktérium és a tejsavat asszimilálópenészgomba
Élesztőgombák:•Kluyveromyces marxianus•Saccharomyces cerevisiae•Candida kefir
•Lactococcus lactis•Lactobacillus casei
Kefír: erős savtermelőtejsavbaktérium(ok) és alkoholosan erjesztőélesztőgomba(k)
•Streptococcusthermophilus
•Lactobacillus bulgaricus
Joghurt: termofil erős nyálkatermelő és mezofilerős savtermelőtejsavbaktériumumok
KíSÉRŐ MIKRÓBÁKSTARTER tejsavbaktériumok
TERMÉK
7
Penészes érlelésű sajtok
Penicillium camembertiPenicillium rocquefortii
Camembert-típusú sajt Rokfort-típusú sajt
Tejsavasan fermentált (erjesztett) húskészítmények
Fermentáció előnye:
• Tápérték nő (protein-tartalom nő)
• Biztonság nő, eltarthatósági idő nő(néhány naptól évekig)
• Tárolási hőmérséklet magasabb lehet (pl. szobahőmérséklet is).
8
Fermentált húskészítmények jellegét meghatározza
♦ Az alkalmazott hús típusa (sertés, marha, ritkán szárnyas vagy egyéb)♦ Termék előállítás technológiája (sózás, nitrit/nitrát adagolása, cukortartalom, fűszerek adagolása).
- Természetes cukortartalom alacsony ( 0,1%), ezért 1-2% cukor adagolása szükséges - pH csökkentése (~ 4,8), tejsav vízmegkötő hatású- Fűszerek antimikróbás hatást fejtenek ki.
Spontán tejsavas erjedés vagy starterkultúra alkalmazása: Lb. plantarum, Pediococcus acidilactici
Penészgombák által termelt proteázok és lipázok hatására aromaanyagokképződése. Tejsav asszimilálása → pH nő (6,0-6,2).
Domináns fajok: Penicillium camemberti, P. roquefortii
Penészes érlelésű szalámik
9
Erjesztett zöldségfélékFolyamat:
1. Zöldségfélék leszedése, begyűjtése (káposzta, uborka, paprika)
2. Tisztítás, sérült részek eltávolítása
3. Sózás – célja lé nyeréséhez a zöldség víztartalmának kivonása vagy lé adagolása
- Ozmózis útján a sejtek víztartalmának leadása
- A sejtek plazmolízisével tápanyagok kerülnek a lébe – baktériumok számára növekedési faktorok
- Az erjesztő mikrobiótát szelektálja – előnyös a tejsavbaktériumok elszaporodásához
4. Tejsavas erjesztésLactobacillus brevisLactobacillus plantarumLeuconostoc mesenteroidesPediococcus pentosaceus
5. Tárolás, csomagolás
Etanolos erjesztés
Glükóz piroszőlősav acetaldehid etanol glikolizis
Piruvát-dekarboxiláz
Alkohol-dehidrogenáz
CO2NADH2 NAD
10
Az alkoholos erjedés biokémiai folyamatai
Glükóz 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP
A glikolízis során keletkező redukált koenzim (NADH) visszaoxidálása történik, energianyeréssel nem járó folyamat.
A keletkező etanol azonban még energia nyeréssel (pl. légzés során) lebontható. Ezt az élesztőgombák levegőztetéssel (aerob) úton végzik.
Élesztőgombák - egysejtű szervezetek- sejt alakja: kerekded, tégla, megnyúlt (álhifa),
fonalas - anyagcsere: légzés, többségüknél alkoholos
erjesztés is- rendszertani helyük:
Ascomycetes, Bazidiomycetes tagozat
Saccharomyces cerevisiae
11
Erjedésiparban jelentős élesztőgomba fajok
_____________________________________________________________________
Saccharomyces fajok termék________________________________________________________________
S. cerevisiae sör, bor, pezsgő, etanol
S. bayanus bor, pezsgő
S. pastorianus sör
________________________________________________________________
A sörgyártás folyamataÁrpamaláta Csiráztatás Szárítás Őrlés Cefrézés
Sörléfőzés
Erjesztés
Ászokolás
Fejtés
Kiszerelés
Beoltás élesztővel
(Saccharomyces pastorianus)
12
A borkészítés folyamata
szőlő zúzás, préselés must
must beoltása
erjesztésbor lefejtése, kezelése
érleléspalackozás
Sacch. cerevisiae/bayanus
Aerob légzés
13
Aerob légzés
Eukarióta élőlényeknél az aerob légzés a mitokondriumhoz kötött
Prokariótáknál az aerob légzés a citoplazmához (citrát-kör) és a citoplazma membránhoz (terminális oxidáció, ATP képzés) kötötten zajlik
14
Aerob légzés: citromsav-kör
Acetil-koenzimA az oxálacetáttal citromsavvá egyesül, majd az oxálacetátintermediereken keresztül visszaalakul. Az acetil csoport 2 C-atomja 2 CO2 molekulaként kilép a körből. A reakció során energia szabadul fel redukált koenzimek (NADH, NADPH, FADH) és GTP formájában.
Elektron transzport, oxidatív foszforilezésA redukált koenzimekből származó elektronok a citokrómokon keresztülhaladva membránpotenciált alakítanak ki. A protonok (H+)a mitokondrium membrán külső felszínén halmozódnak fel, amelyekkel a membrán ellentétes oldalán felsorakozó a negatív töltésű ionok (OH-) tartanak egyensúlyt.
A protonok az ATP-áz molekulán keresztülhaladva semlegesítik a hidroxil ionokat, amely energia felszabadulással jár. Ezt az energitát az ADP foszforilezése konzerválja ATP formájában.
15
Elektrontranszport-lánc
A redukált koenzimekről a hidrogén protonja a membránon belül marad, az elektronok pedig a citokrómokon futnak keresztül. Az elektronok redukálják a citokrómokat, amelyeket a soron következő citokróm oxidál vissza (ez veszi át az elektront). Az utolsó citokrómot(citokróm oxidázt) pedig a levegő oxigénje oxidálja vissza.
Az ATPáz működése
• A membrán a protonokkal (H+) szemben átjárhatatlan• A mitokondrium/légzési membrán belső felszínén halmozódnak fel, ezért az + töltésű lesz• A külső felszínen ezzel a OH- ionok tartanak egyensúlyt membrán potenciál kialakulása• A protonok az ATP-áz molekulán keresztül haladva energiát termelnek: ADP + Pi ATP
OH-OH- OH-
16
Anyagcsereutak kapcsolódása
1 molekula glükóz anaerob körülmények közötti lebomlása (pl. alkoholos erjesztés, tejsavas erjesztés 2 molekula ATP nyereséggel jár, míg aerob légzéssel további 34 ATP keletkezik.
Kemolitotróf (kemoautotróf) energianyerés
_______________________________________________________________________Csoport Elektron Elektron Termék Példa
donor akceptor(oxidálódik) (redukálódik)
_______________________________________________________________________
Hidrogén oxidálók H2 O2 H2O Alcaligenes eutrophusDenitrifikálók H2 NO3
- N2 Paracoccus denitrificansSzénmonoxid oxidálók CO O2 CO2 Oligotropha carboxydovoransAmmónia oxidálók NH3
- O2 NO2- Nitrosomonas europea
Nitrit oxidálók NO2- O2 NO3
- Nitrobacter winogradskyiKén oxidálók S, S2O3
-- O2 SO4- - Thiobacillus thiooxidans
Denitrifikálók S, S2O3-- NO3- N2 Thiobacillus denitrificansVas oxidálók Fe2+ O2 Fe3+ Thiobacillus ferrooxidansMetanogének H2 CO2 CH4 Methanobacterium fajokMetanotrófok* CH4 O2 CO2 Methylococcuscapsulatus_____________________________________________________________________* Formális értelemben nem litotrófok, hiszen szerves vegyületeket hasznosítanak
Kemolitotróf baktériumok csoportjai
Kemolitotrófia: Szervetlen vegyület redox reakciója biztosítja az energianyerést.
17
Anaerob légzés
___________________________________________________________________________Csoport Elektron Termék Anyagcsere-típus Példa
akceptor(redukálódik)
___________________________________________________________________________
Denitrifikálók NO3- NO2
-, N2 Nitrát-légzés Paracoccusdenitrificans
Szulfát redukálók SO4- - S2O3
- -, S- - Szulfát-légzés Desulfovibriovulgaris
Kénredukálók So S- -(H2S) Kén-légzés Desulfuromonasacetoxidans
Metanogének CO2 CH4 Karbonát-légzés Methanococcusjannaschii
Vasredukálók Fe3+ Fe2+ Vas-légzés Geobactermetallireducens
______________________________________________________________________
Anaerob légzést végző baktériumok csoportjai
Anaerob légzés: Anaerob körülmények közötti oxidáció megy végbe. Elektron akceptorként szervetlen vegyületet használnak fel, amelyet redukálnak.
FotofoszforilezésFényenergia átalakítása kémiai energiává
Fotoszintézis áttekintése
18
Fotofoszintetizáló mikroszervezetek 1.
Spirulina oscillatoria
Fotoszintetizáló baktériumok
Anabaena
1. Anaerob fotoszintetizáló baktériumok (pl. Zöld- és bíbor baktériumok) - fotoszintézis általában anaerob (nincs O2 fejlődés) - színanyag bakterioklorofill (membránban)
2. Cianobaktériumok (régi név: kékalgák)- aerob fotoszintézis (O2 fejlődés)
- színanyag klorofill (membránban)
Fotofoszintetizáló mikroszervezetek 2.
NostocSpirogyra
Algák
Gonyaulaxostoros egysejtűédesvíz,tengervíz
1.100DinoflagellátákPyrrhophyta
Polysiphoniaegysejtű, fonalas és levélszerű
tengervíz3.900VörösmoszatokRhodophyta
Laminariafonalas, levélszerű,
tengervíz1.500BarnamoszatokPhaephyta
Naviculaegysejtűédesvíz, tengervíz,talaj
6.000Arany-barna és Sárgás-zöld moszatok,Diatomák
Chrysophyta
Euglenaegysejtű ostorosédesvíztengervíz
700Euglena-félékEuglenophyta
ChlaydomonasSpiogyra
egysejtű,telepes
édesvíztalajtengervíz
7.500zöldalgákChlorohpyta
MagyarulLatinulKépviselőSzerveződésÉlőhelyBecsült
fajszámCsoport (Tagozat) neve
kloroplasztisz
19
Energiatermelés - összefoglalás