Związki biologicznie czynne
Aminokwasy Antybiotyki
Aminokwasy egzogenne: fenyloalanina histydyna izoleucyna leucyna lizyna metionina treonina tryptofan walina Aminokwasy endogenne: alanina arginina asparagina kwas asparaginowy cysteina glicyna glutamina kwas glutaminowy prolina seryna tyrozyna Na skalę przemysłową - produkcja kwasu glutaminowego, metioniny, lizyny. Zastosowanie preparaty paszowe oraz w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, kosmetycznym.
Mechanizmy negatywnej kontroli metabolicznej Geny odpowiedzialne za biosyntezę danego aminokwasu kontrolują aktywność enzymów biorących udział w tym procesie, aby nie dopuścić do jego nadprodukcji: w środowisku zawierającym określony aminokwas w ilości wystarczającej do normalnego rozwoju komórki, zablokowana jest synteza enzymów biorących udział w jego wytwarzaniu; w warunkach nadmiaru aminokwasów hamowana jest aktywność wszystkich kluczowych enzymów szlaku metabolicznego lub tylko pierwszego enzymu w jego odgałęzieniu prowadzącym do wytworzenia danego aminokwasu. Przemysłową produkcję aminokwasów prowadzi się w warunkach rozregulowanego systemu kontroli, która prowadzi do nadprodukcji.
Czynniki sprzyjające nadprodukcji aminokwasu wzrost przepuszczalności przez błonę cytoplazmatyczną - zwiększony transport aminokwasu na zewnątrz komórki spowodowany deficytem biotyny (do 5 g/dm 3 ), dodatkiem nasyconych kwasów tłuszczowych C 16 C 18, lub detergentów, odcinanie rozgałęzień szlaku metabolicznego przez wprowadzenie nadmiaru produktu tego rozgałęzienia, dodatek do podłoża prekursorów - substancji przeciwdziałających regulacji metabolicznej szlaku, mutageneza wprowadzenie mutantów ze zwiększoną aktywnością enzymów katalizujących biosyntezę danego aminokwasu.
Nadprodukcja L-izoleucyny w komórce represja L-treonina 2-oksomaślan L-izoleucyna NH 4 + D-treonina Dodatek D-treoniny powoduje ominięcie represji produktem pierwszego etapu szlaku syntezy L-izoleucyny.
Produkcja kwasu L-glutaminowego Proces ten może przebiegać według dwóch różnych szlaków metabolicznych: w warunkach dużego stężenia jonu NH 4 + proces katalizuje dehydrogenaza glutaminianowa: NH 4 + + 2-oksoglutaran 2- + NADPH + H + L-glutaminian - + NADP + +H 2 O gdy stężenie jonu NH 4 + 2 mmole/dm 3 udział biorą syntetaza glutaminowa i syntaza glutaminianowa. NH 4 + + 2-oksoglutaran 2- + NADPH + H + + ATP L-glutaminian - + NADP + + ADP + P i
bakterie - Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, źródła węgla glukoza, sacharoza, melasa, hydrolizaty skrobiowe, metanol, etanol, źródła azotu sole amonowe, amoniak, mocznik, makro- i mikroelementy, temperatura 32 o C, a następnie 38 o C, ph 8, Warunki prowadzenia procesu intensywne napowietrzanie (hamuje syntezę -ketoglutaranu powodującego zmniejszenie ilości kwasu glutaminowego), Wydajność procesu 100g/dm 3 po 30 35 godzinach hodowli.
Produkcja L-lizyny szczawiooctan L-asparaginian kinaza asparaginianowa semialdehyd asparaginianowy dehydrogenaza homoserynowa dihydrodipikolinian L-homoseryna L-lizyna L-metionina L-treonina Biosyntezę L-lizyny prowadzi się w warunkach wysycenia komórki L-treoniną i L-metioniną, co powoduje zablokowanie syntezy tych aminokwasów.
Regulacja procesu Kinaza asparaginianowa hamowana jest przez jednoczesny nadmiar L-lizyny i L-treoniny (1 mmol/dm 3 ), a stymulowana przez L-izoleucynę i L-walinę. Aktywność dehydrogenazy homoserynowej regulowana jest niezależnie od aktywności kinazy asparaginianowej. Warunki prowadzenia procesu bakterie - Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, Brevibacterium lactofermentum, podłoże zawiera 25-30 g/dm 3 biotyny, L-homoserynę lub L-treoninę, L-metioninę i L-izoleucynę, źródło węgla glukoza, etanol, kwas octowy, ph 7, temperatura 30 o C, napowietrzanie, czas trwania procesu 48 godzin.
Antybiotyki
Antybiotyk specyficzny inhibitor procesów biologicznych. ( antybioza oznacza brak możliwości współżycia między dwoma mikroorganizmami). Penicylina odkrycie - 1932 r. (Aleksander Fleming), oczyszczenie 1939 r. (Florey, Chain), produkcja na skalę przemysłową 1942 r., zwiększenie wydajności procesu - 1943 r. (zastosowanie grzyba Penicillium chrysogenum, mutacja gazem musztardowym, promieniowaniem UV i rentgenowskim wydajność 7 g/l), współczesne mutanty wydajność 20 g/l.
Producenci antybiotyków bakterie - Bacillus, Pseudomonas (500 różnych antybiotyków), grzyby Alternaria, Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Cephalosporium (1000 antybiotyków), promieniowce Streptomyces. Charakterystyka należą do różnych grup chemicznych: od prostych, małocząsteczkowych związków (cykloseryna) do wielkocząsteczkowych polipeptydów (erytromycyna), zaburzają przyswajanie substancji niezbędnych do życia mikroorganizmów, mają działanie bakteriobójcze (penicyliny, cefalosporyny, aminoglikozydy) lub bakteriostatyczne (tetracykliny), w małych dawkach hamują procesy przemiany materii mikroorganizmów wytwarzane przez mikroorganizmy, rośliny, zwierzęta i człowieka
Zastosowanie antybiotyków infekcje bakteryjne u ludzi i zwierząt, terapie przeciwnowotworowe cytostatyki, stymulacja wzrostu, zwiększenie produkcyjności zwierząt, konserwacja żywności.
Rodzaje antybiotyków -laktamowe (penicyliny, cefalosporyny), aminoglikozydowe połączenia glikozydów z aminocukrami (streptomycyna, gentamycyna), pochodne naftacenu tetracykliny, makrolidowe duże cykliczne cząsteczki (erytromycyna), polipeptydowe i glikopeptydowe (gramicydyna).
Mechanizm działania antybiotyków uszkadzają strukturę i funkcje ściany komórkowej: hamują usieciowanie peptydoglikanu (penicyliny, cefalosporyny), hamują polimeryzację peptydoglikanu (wankomycyna), tworzą kanały w błonie, pozwalające na szybszy przepływ kationów (10 7 /sek,) w stosunku do naturalnych przenośników (np. gramicydyna < 10 3 /sek), hamują syntezę białek: hamują przemieszczanie się rybosomów (anybiotyki aminoglikozydowe, np. gentamycyna), hamują wiązanie aminoacylo trna (tetracyklina),
hamują syntezę kwasów nukleinowych: hamują aktywność topoizomeraz np. gyrazy (cyprofloksacyna, sparfluoksacyna, kumermycyna), powodują powstawanie przerw w szkieletach cukrowofosforanowych (nitrofurazon), hamują syntezę prekursorów kwasów nukleinowych (azaseryna, showdomycyna), hamują replikację DNA (cytostatyki), blokują aktywność polimerazy RNA (ryfamycyn, streptowarycyn).
Mechanizmy oporności na antybiotyki inaktywacja antybiotyku w wyniku jego enzymatycznej hydrolizy np. rozkład antybiotyków -laktamowych (penicyliny) przez -laktamazy, które katalizują rozkład pierścienia -laktamowego, modyfikacja antybiotyku przez wprowadzenie do jego cząsteczki różnych podstawników zmieniających swoistość jego działania (np. acetylacja), zmniejszenie przepuszczalności błony dla danego antybiotyku, aktywne usuwanie antybiotyku z komórki na skutek działania specjalnych pomp (oporność na tetracykliny), zmiana w miejscu docelowego działania antybiotyku, np. zmiany w białku wiążącym penicylinę lub zmiany w podjednostkach rybosomu, wytworzenie alternatywnego szlaku metabolicznego zastępującego szlak zablokowany w wyniku działania czynnika przeciwbakteryjnego (oporność na sulfonamidy, trimetoprim - cytostatyki).