PODSTAWY BIOTECHNOLOGII

Transkrypt

1 PODSTAWY BIOTECHNOLOGII Chemiczne procesy biotechnologiczne Sala 3.65, poniedziałek, godz Prof. dr hab. Marek Łaniecki Zakład Kinetyki i Katalizy

2

3

4 krówka 1410? 1605?

5 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

6 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

7 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

8 A. Chmiel, Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne, PWN, Warszawa, 1998.

9 Stanley Miller exp.1954 Nobel Prebiotyczna zupa CH 4 CO 2 NH 3 H 2 H 2 O UV Q CH 3 COOH CH 3 CH 2 OHCOOH NH 2 -CO-NH 2 NH 2 CH 2 COOH NH 2 CH 2 (CH 3 )COOH NH 2 -CH 2 (CH 2 COOH)COOH kwas octowy kwas mlekowy mocznik glicyna alanina kwas asparaginowy

10 Komórka najprostsza forma życia

11 Schemat komórki bakterii P. Singleton, Bakterie w biologii, biotechnologii i medycynie, PWN, 2000, Warszawa.

12 Przybliżony skład chemiczny typowej komórki bakterii i komórki ssaka Składnik Procent całkowitej wagi komórki Bakteria E. coli Komórka ssaka H 2 O Jony nieorganiczne (Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, Cl - ) Małe metabolity Białka RNA DNA Fosfolipidy Inne lipidy Polisacharydy Całkowita objętość komórki Względna objętość komórki x cm x B. Alberts, D. Bray, J.Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D.Watson, Molecular Biology of the Cell, Garland Publishing Inc. 1983, NY/London

13 Gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus)

14 Formy bakterii gronkowce pakietowce paciorkowce dwoinki pałeczki laseczki średnia wielkość : µm przecinkowce śrubowce krętki srednia wielkość : 0.2(1.0) do µm

15 CYTOLOGIA Badania morfologii i działania strukturalnych składników komórki. 1. Błona komórkowa 2. Cytoplazma z organellami 3. Jądro 4. Membrana z chromosomami

16

17 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 Królestwo grzyby Typ - woreczniaki Rodzaj - drożdże Spożywcze i paszowe

18 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.

19 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.

20 Karboksysomy wewnątrzkomórkowe struktury błonowe u bakterii autotroficznych. Zawierają enzym RuBisCo biorący udział w wiązaniu atmosferycznego CO 2. 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.

21 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 ( N 2, O 2, węglowodorów) i małych cząstek polarnych (H 2 O, CO 2, gliceryny, mocznika), a nieprzepuszczalne dla aminokwasów, H -, HCO 3-, Ca 2+, K +, Cl -, Mg

22 Budowa osłon komórkowych E.P.Solomon, L.R.Berg, D.W.Martin,C.A.Villee, Biologia, Multico Oficyna Wydawnicza, 1996, Warszawa.

23

24 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.

25 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.

26 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.

27 Rodzaje transportu przez błony komórkowe dyfuzja bierna zachodzi zgodnie z gradientem stężenia, bez udziału energii (transport CO 2, O 2 ), 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).

28 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.

29 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).

30 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.

31 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.

32 Typowa krzywa wzrostu okresowej hodowli bakterii

33 Warunki wzrostu bakterii substraty odżywcze: CO 2, NH 3, alkohole, węglowodory, węglowodany, sole nieorganiczne, ( źródło C, N, P, S, H, O ), woda energia temperatura: 0-15 o C psychrofile, o C mezofile, o C termofile ph: tlen: acydofile, ok. 7.0 większość bakterii, 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