Anyagcsere (metabolizmus)

Az előadások a következő témára: "Anyagcsere (metabolizmus)"— Előadás másolata:

1 Anyagcsere (metabolizmus)
őslégkör (NH3, CH4, H2, H2O, CO) Élet: Anyag- és energiacsere a környezettel Disszimiláció (lat. dissimilatio= különbözővé tétel): lebontás, energianyerés Asszimiláció (lat. assimilatio= hasonlóvá tétel): sejtet felépítő (makro)molekulák előállítása (a környezetben található anyagokból) Asszimilációs/disszimilációs reakciókhoz a redukálóképesség (oxidálóképesség) biztosítása ősleves (ősóceán) Miller-Urey-kísérlet (1952): A biomolekulákat felépítő alegységek már a feltételezett „őslevesben” is jelen lehettek.

2 A Winogradsky és Beijerinck által feltárt anyagcsere- diverzitás rendszerbe foglaló feldolgozást kívánt. Albert Jan Kluyver: "A biokémia egysége" (1926) (Die Einheit in der Biochemie) „az elefánttól a vajsav-baktériumig mind egyforma!" A rendet a hidrogén-transzfer precízen kidolgozott elméletére építette fel: "Így minden biokémiai folyamatot, legyen az oxidáció, fermentáció vagy szintézis, elemi reakciók láncolatának tekintünk, mely reakciók mindegyike olyan egyszerű változást képvisel, melynek során hidrogén adódik át az egyik molekuláról,a H-donorról egy másikra, a H-akceptorra.” Kapcsolat az anabolikus és katabolikus (asszimiláció/disszimiláció) folyamatok között

3 Redoxreakciók + - F oxidációs száma: 0  -1  redukció, oxidálószer, elektronakceptor H oxidációs száma: 0  +1  oxidáció, redukálószer, elektrondonor (dehidro-aszkorbinsav) oxidáció  +1 +1 +2 +2 (aszkorbinsav: redukálószer, antioxidáns)

4 Redoxreakciók elektrokémiai rendszer - galvánelem - látható az elektrolitok ebben az esetben cink-szulfát és réz-szulfát, amelyekbe cink illetve réz elektród merül és közöttük fémes vezető biztosítja a kapcsolatot. Egy redoxirendszer redoxpotenciálja (e) az az egyensúlyi elektródpotenciál, amelyet egy iners fémelektród az illető redoxirendszerrel érintkezve felvesz. A rendszerek többségének redoxpotenciálja +1 és -1 V között van. A redoxpotenciál az oxidáló (illetve redukálóképesség) mértéke, önmagában nem, csak más rendszerek redoxpotenciáljához képest értelmezhető: mindig a pozitívabb redoxpotenciálú rendszer képes oxidálni a negatívabbat. Általában, minél pozitívabb egy redoxpotenciál, annál oxidálóbb a rendszer.

5

6 Redukálóképesség: NAD(P)H koenzim
Nikotinamid-adenin-dinukleotid (-foszfát)

7 Redukálóképesség: FADH2 koenzim
Flavin-adenin-dinukleotid (-foszfát)

8 Univerzális biokémiai energiahordozó: nagyenergiájú foszfátkötés
Adenozin-trifoszfát (ATP): a sejtek üzemanyaga ATP + H2O → ADP + Pi   ΔG˚ = −30,5 kJ/mol (−7,3 kcal/mol)

9

10

11 Glikolízis D-glükóz + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi piroszőlősav
                  + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi          piroszőlősav + 2 NADH + 2 H ATP + 2 H2O 2 - 2 NADH H+ OH HO O OH + CO2 etanol stb. tejsav

12 Mikrobiális „emésztés”: (makro)molekulák lebontása, átalakítása
keményítőbontó amilázok: pl. Aspergillus fehérjebontó proteázok: pl. Bacillus cellulózbontó cellulázok: pl. Trichoderma reesei, Serpula lacrimans laktózbontó laktáz: pl. Kluyveromyces szaccharózbontó invertáz: pl. Saccharomyces (glükóz-fruktóz-szirup) glükóz-izomeráz: pl. Lactobacillus (glükóz-fruktóz-szirup, High Fructose Corn Syrup, pl. HFCS 55 ) stb.

13 Az enzimszintézis szabályozása

14 Az enzimszintézis szabályozása

15 szubsztrát szintű foszforiláció

16 Grádiens A gradiens a matematikában egy skalármezőkre alkalmazható differenciáloperátor. Példák: hőmérsékleti grádiens, nyomásgrádiens, elektrokémiai grádiens Utóbbi: az elektromos potenciál és egy kémiai koncentráció térbeli eltérése a membrán két oldala között. Általában iongrádiens (protongrádiens) okozza, eredménye pedig elektromos feszültség (energia) kialakítása, melyet a sejt felhasználhat. állati sejtek membránpotenciálja

17 Elektrontranszportlánc a mitokondriumban

18 A légzési lánc, mint redoxrendszerek sorozata
Légzési enzim-redoxrendszerek   Egyensúlyi potenciál  (Volt) NADH dehidrogenáz (NAD+ / NADH) −0,32 Szukcinát-dehidrogenáz (FMN vagy FAD / FMNH2 vagy FADH2) −0,20 Citokróm bc1 komplex koenzim Q10ox / koenzim Q10red +0,06 Citokróm bc1 komplex - citokróm box / citokróm bred +0,12 Komplex IV: citokróm cox / citokróm cred +0,22 Komplex IV: citokróm aox / citokróm ared +0,29 Komplex IV: O2 / HO- +0,82 Tartomány: 1,14

19 Az elektrontranszporthoz kötött foszforiláció (légzés) eredete

20 Hőmérsékleti toleranciagörbe

21 Hőmérsékleti optimumok

22 Környezeti tényezők Hőmérséklet (pszichro-, mezo-, termo-, hipertermo-) pH (acido-, neutro-, alkalo-) víz(aktivitás: ozmo-) Fény (UV) Tápanyagok (szénforrás, nitrogénforrás, egyéb elemek) Oxigén -fil -toleráns aerob aerotoleráns mikroaerofil fakultatív anaerob anaerob használja | nem használja, de bírja | keveset igényel | vele is, nélküle is | nem bírja

23 Niche: ökológiai fülke

24 Veszélyfaktorok Hőmérséklet: A legtöbb ételmérgezést okozó kórokozó 5-57oC között szaporodik, ezért ez a hőmérsékleti veszélyzóna. Fokozottan veszélyes a 21-49oC közé eső tartomány. Idő: az ételeket két órán belül el kell távolítani a veszélyes zónából (hűtéssel vagy melegítéssel) Nedvesség: az ételmérgezést okozó kórokozók legjobban 0,86-1,0 vízaktivitás-értékek között szaporodnak. Konzervekben 0,85 alatt célszerű tartani a vízaktivitást. Tápanyag: általában a fehérjegazdag ételek romlanak legkönnyebben (tej, tojás, hús, hal) Oxigén: A legtöbb ételmérgezést okozó kórokozó aerob. (Kivétel pl: Cl. botulinum) Sav: az ételmérgezést okozó kórokozók általában gyengén savas pH-n szaporodnak leggyorsabban (pH=4,6-7,5). Az ételek savanyításával célszerű a 4,5 pH érték alatti tartományt elérni. Inokulum (csíraszáma – erről a szintről indul az exponenciális szaporodás!) (FAT TOM: Food Acidity Time Temperature Oxygen Moisture)

25 Kölcsönhatások

26

27

28 Oxidatív stressz H2O2: hidrogén-peroxid, O2-: szuperoxid, O’: aktív oxigéngyök, O3: ózon Kataláz: 2 H2O2 → 2 H2O + O2 (ismert legnagyobb aktivitású enzim, többmillió reakció/sec) SOD (szuperoxid-diszmutáz): M(n+1)+ − SOD + O2− → Mn+ − SOD + O2, vagy: Mn+ − SOD + O2− + 2H+ → M(n+1)+ − SOD + H2O2, ahol M = Cu (n=1) ; Mn (n=2) ; Fe (n=2) ; Ni (n=2).

29 Terjedés Levegő: Aeroszol Fertőzött anyaggal Kontakt terjedés
O2-tolerancia (kataláz, SOD) UV-tolerancia (színanyagok) Kiszáradás-tűrés (Gram+) Kémiai tolerancia (pl. SO2) Aeroszol Cseppfertőzés Fertőzött anyaggal por Kontakt terjedés

30 Semmelweis Ignác (Buda, 1818. – Bécs-Döbling, 1865
Semmelweis Ignác (Buda, – Bécs-Döbling, 1865.) magyar orvos, az „anyák megmentője” Algemeines Krankenhaus: gyermekágyi láz Jacob Kolletschka vérmérgezése klórmész-oldatos kézmosást antiszeptikumként ajánlotta kollégáinak 1847.

31 Koch-posztulátumok A kórokozás bizonyítása:
Minden betegből kimutatható Tiszta tenyészetbe vonható Az eredeti tünetegyüttes kialakul a tiszta tenyészetből oltott egyedeken Ezekből újra izolálható a mikroorganizmus

32 Kölcsönhatások

33 Fermentációk Embden-Meyerhof-úthoz (glikolízis) csatlakozó f.
Hexóz-monofoszfát-váltáshoz (pentóz-foszfát-út) kapcsolódó f. Speciális utak Homofermentatív/heterofermentatív Egyéb anyagcsereutak elemei megjelennek (pentóz-foszfát-út, citromsav-ciklus) Elágazó utak: NADH/ATP arány változtatható, végtermék-gátlás csökkenthető

34

35

36 Erjedések Etil-alkoholos (élesztők, Sarcina ventriculi, Zymomonas lindneri bakt. – utóbbi más úton) Piroszőlősav Alkohol-dehidrogenáz Acetaldehid etil-alkohol +CO2 Saccharomyces cerevisiae: amiláz nincs, invertáz ált. van tejsav, tejsavbakt. gátolja: komló kénessavat jól tűri 30-33 oC erjesztési optimum (ale: >21 oC, lager: 5oC) pH: 4,5 Piruvát-dekarboxiláz

37 Erjedések Frukto-oligoszaccharidok (FOS)
Homofermentatív tejsavas (glikolízishez kapcs.) Tejföl, aludtej, joghurt (Streptococcus thermophilus + Lactobacillus bulgaricus), kefir, acidophilus milk, vaj, író, sajt, kovász, savanyú káposzta, kovászos uborka, silókukorica Tejsav-baktériumok (Lactobacillus) egyes csoportjai végzik: 2% tejsav erősen gátló hatású H2O2-termelés Heterofermentatív tejsavas (pentóz-foszfát-úthoz kapcs) Leuconostoc: tejsav, etanol, CO2 Bifidobaktériumok (speciális): tejsavas-ecetsavas Frukto-oligoszaccharidok (FOS) Bifidobaktériumok SCFA Ca, Fe, Mg felszívódása nő Vastagbél hámsejtek táplálása, pH csökk. Kórokozók visszaszorítása (Crohn-betegség: irritabilis vastagbél-szindróma)

38 Funkcionális élelmiszerek
„Tervező”, „designer„ élelmiszerek: a tápanyag-tartalmon túl egészségmegőrző, betegség-megelőző hatás Probiotikum (Lactobacillus) Prebiotikum (FOS, inulin) Szinbiotikum (pre- és pro-, pl. kefir)

39 Erjedést irányító faktorok
Veszélyfaktorok Hőmérséklet: A legtöbb ételmérgezést okozó kórokozó 5-57oC között szaporodik, ezért ez a hőmérsékleti veszélyzóna. Fokozottan veszélyes a 21-49oC közé eső tartomány. Idő: az ételeket két órán belül el kell távolítani a veszélyes zónából (hűtéssel vagy melegítéssel) Nedvesség: az ételmérgezést okozó kórokozók legjobban 0,86-1,0 vízaktivitás-értékek között szaporodnak. Konzervekben 0,85 alatt célszerű tartani a vízaktivitást. Tápanyag: általában a fehérjegazdag ételek romlanak legkönnyebben (tej, tojás, hús, hal) Oxigén: A legtöbb ételmérgezést okozó kórokozó aerob. (Kivétel pl: Cl. botulinum) Sav: az ételmérgezést okozó kórokozók általában gyengén savas pH-n szaporodnak leggyorsabban (pH=4,6-7,5). Az ételek savanyításával célszerű a 4,5 pH érték alatti tartományt elérni. Inokulum (csíraszáma – erről a szintről indul az exponenciális szaporodás!) (FAT TOM: Food Acidity Time Temperature Oxygen Moisture) Pl. joghurt: oC, majd 45 oC, sör: forralás, majd hűtés Pl. sör: erjedés végével szűrés Pl. szeszgyártás: magas szárazanyagtartalmú cefre; silókukorica: 50-60% nedvesség Pl. prebiotikumok Pl. káposzta tömörítése, uborka felöntése Pl. cefrék savazása gátlószerek: só, kénezés, antibiotikumok, fertőtlenítőszerek, propionsav; gyors indítás (erjedési termékek gátolnak más mikróbákat)

40 Erjedések: melléktermékek
Metanol: pektinbontásból Magasabbrendű alkoholok (izopropanol, n-propanol, n-butanol, i-butanol, i-amil-alkohol, stb): aminosavak bontásából. Dúsítva: ún. kozmaolaj. Ecetsav: Szeszekben főleg az etanol ecetsav-baktériumok által aerob körülmények között végzett etanol-oxidáció útján keletkezik. A cefre levegőztetését részben e folyamat miatt kell határok között tartani, főleg az erjesztés vége felé. Észterek: etil-formiát, etil-acetát (77,1oC), etil-butirát. Savak (hangyasav, ecetsav, vajsav) etanollal történő reakciójából keletkeznek, savkatalízis melett. Nyomokban édeskés illatot okoznak, nagyobb koncentrációban oldószerszaghoz vezet jelenlétük. Acetaldehid: Az élesztők etanolképzésének, ill. az etanolnak ecetsav, ill. acetil-CoA képződésével járó oxidációjának köztiterméke. Szeszekben jellemzően utóbbi folyamatokból keletkezik. Nagyobb koncentrációban jellegzetes szúrós szagú, nyomokban zöldalmára emlékeztető, savas, fémes illatot okoz. Acetaldehid-dietil-acetál (1,1-dietoxi-etán, acetál, 102 oC): acetaldehidből keletkezik, narkotikus hatású. Sherry-illatot okoz.

41 Erjedések: melléktermékek
Etil-karbamát (uretán): etil-alkohol és karbamid (ang.: urea) reakciójából keletkezik, karcinogén. Szeszesitalban, kenyérben nyomokban előfordulhat. Svájcban a megengedett max. mennyiség italokban 1 mg/l! Tápsóként a karbamid használatát mellőzni kell.  Furfural: Jelenléte nem megengedett az italgyártóknál, valamint a PhEur előírásokban. Cukrokból keletkezik savas közegben.  Diacetil: Élesztők és tejsavbaktériumok képzik, kellemes, vajra emlékeztető ízt okoz.  (Vaj, sör, chardonnay) DMS (dimetil-szulfid, 37 oC): jellegzetes káposztaszagért felelős. Cukorrépából is keletkezik főzés hatására.  DMDS (dimetil-diszulfid): merkaptánokból képződik.  Akrolein: Glicerinből keletkezik rossz higiéniai viszonyok következményeként (pl. talajbaktériumokkal való szennyeződés). Csípős ízt ad a szesznek.   SO2 (kén-dioxid): Jellegzetes égettgumi-szag Etilén-glikol: fagyállómérgezés (édes!)

42 110/2008/EK rendelet, 1. Mezőgazdasági eredetű etil-alkohol
A mezőgazdasági eredetű etil-alkohol a következő tulajdonságokkal rendelkezik: a) érzékszervi jellemzők: a nyersanyagon kívül más íz nem érezhető; b) minimális alkoholtartalma térfogatszázalékban: 96,0 % (V/V); c) egyéb összetevők megengedett szintje: i. összes savtartalom, ecetsavban kifejezve, g/hl, abszolút alkoholra vonatkoztatva: 1,5; ii. észter-tartalom, etil-acetátban kifejezve, g/hl, abszolút alkoholra vonatkoztatva: 1,3; iii. aldehid-tartalom, acetaldehidben kifejezve, g/hl, abszolút alkoholra vonatkoztatva: 0,5; iv. magasabbrendű alkoholok, metil-2-propanol-1-ben kifejezve, g/hl, abszolút alkoholra vonatkoztatva: 0,5; v. metanol, g/hl, abszolút alkoholra vonatkoztatva: 30; vi. szárazanyag-tartalom, g/hl, abszolút alkoholra vonatkoztatva: 1,5; vii. nitrogéntartalmú illékony bázisok, g/hl, abszolút alkoholra vonatkoztatva: 0,1; viii. furfurol: nem kimutatható.

43 Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok
Tartósítás (sajt, káposzta, uborka, silókukorica) Aroma, íz, illat, élvezeti érték Vitamintartalom, egyéb tápanyag dúsulása, feltárása Könnyebb emészthetőség Toxicitás csökkentése (maniókagyökér ciánglikozidjai savas közegben bomlanak: Ny-Afrikában savas erjesztéssel gari n. ételt készítenek) Kelt tészták élesztők növények felületén, pl. komlón:  komlós kovász pékélesztő: oC, Pasteur-effektus sikér: nem engedi ki a buborékot alkohol is emeli a tésztát sütés közben „szalonnás” kenyér: túl sok alkohol, alkoholtűrő sikérbontó baktériumok elszaporodása Kovász: °C-on az élesztő szaporítása kenyértésztában. A hűvösebb kovász jobban kedvez az élesztőgombák szaporodásának, míg a melegebb kovász erőteljesebben savanyodik. Benne a tészta anyagával megegyező anyagokon szaporított élesztő aktívabb és ellenállóbb, mint a gyári élesztő. Mire a tésztába kerül, hozzászokik a körülményekhez és lazítóhatása nagyobb lesz.

44 Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok
Kék-Nílus völgye, Szudán: 7000 éves edény sörmaradványokkal Hammurapi törvénykönyve: a sörkészítés szabályai 1516. Reinheitsgebot (a bajor sörtisztasági törvény): sörkészítéshez a következő négy alapanyag szükséges: maláta, komló, élesztő és víz.

45 Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok
Bor: spontán vagy irányított erjesztés Oxidatív/reduktív almasav-bontás: gyengébb sav (tejsav) képződik (Oenococcus oeni, Lactobacillus, Pediococcus) aszúbor: Botrytis cinerea direkttermők: pektinbontásmetanol túl sok oxigén (töltögetéssel megelőzhető) Levegőíz (kevés CO2) ecetsav-baktériumok virágélesztők: meleg pincében, felületen oxidálnak, gombaízt okoznak kevés alkohol, kevés sav: nyúlósodás rossz dugó: dugóíz (triklór-anizol) melegben tárolás: barnatörés, fenolok oxidációja Kevés sav, túl sok tejsavbaktérium: zavarosodás, egéríz, karcosság, muskátliszag, keserű íz (glicerinből akrolein) vadélesztők: erjedés indulásakor, záptojásszag penészek: szőlőről, eszközökről Megkésett szűrés, élesztőbomlás: dögszag, seprőbomlás

46 Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok
gyümölcsbor, méz-ser (mézbor: Schizosaccharomyces pombae), pezsgő égetett (desztillált) szeszesitalok rozs, árpa, búza, kukorica, burgonya, rizs, (köles, cirok, hajdina) gyümölcs, cukornád, bor, törköly, seprő kumisz, tejpálinka, savószesz, (kefir): Kluyveromyces spp. 1% alkohol: kvasz, boza, kombucha

47 Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok
Savanyú káposzta (Őrség: kerekrépa): Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum ill. brevis 2,25-2,5% só: Gram- bakt. visszaszorítása 1,6-1,8 % sav (ebből 1,0-1,3% tejsav) Kovászos uborka (felületén tejsavbaktériumok: nem szabad túlzottan megmosni) Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum (L. brevis: gázképző, nem kívánatos) Só, kevés ecetsav: kontroll (élesztők, pektinbontók) Olajbogyó (lúgkezelés, sózás, 6-10 hónap tejsavas erjedés):  feketedés Szójaszósz: koji (Aspergillus oryzae) keményítőt, fehérjét bont szabad glutaminsav  umami íz + tejsavbaktériumok Miso: jellemzően szójából készült japán ételízesítő, A. oryzae + Lactobacillus acidophilus, B12+probiotikum, sugárbetegség ellen

48 Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok
Sajtkészítés kazein kicsapása (renin enzim, vagy tejsav-baktériumok termelte tejsav leviszi a pH-t, kicsapja a Ca-ot denaturáció) Tejcukor bontása: tejsav-baktériumok v. Propionibacterium (ementáli) Néha utóérlelés: Penicillum camemberti, P. roqueforti, Bacillusok (pálpusztai, kvargli, ilmici) Egyéb: Halszószok (DK-Ázsia, ókori Róma): fehérjebontás Bongkrek (indonéz kókusz-sütemény, gyakran toxin-tartalmú) Kávé: terméshús eltávolítása pektinbontó mikroorganizmusokkal Kakaó: erjesztés melegen (élesztők, tejsav- és ecetsav-baktériumok) Fekete tea: zöld tea erjesztésével Szalámik: nitrátredukáló és/vagy tejsav-baktériumok, nemespenészek Érlelt kolbászok, szalámik: min. 60 oC hőkezelés (pl. füstölés) trichinózis ellen (egy)sejt-fehérje: nagy hozam, olcsóság, de gyakran Metionin-hiány ill. túl sok purinbázis

49 Ecetgyártás Hiányos oxidáció (biokémiai értelemben nem fermentáció!)
Acetobacterek: etil-alkohol ecetsav propil-alkohol propionsav izopropil-alkoholaceton Alapanyagok: gyümölcs (must, alma, szeder, meggy, málna, stb) bor, almabor, maláta, finomszesz + ivóvíz, levegő Eljárások: Nyugvócefrés (Orleansi: nyitott hordóban, Pasteur: fakádban) Mozgócefrés (felületi csörgedező, bükkfaforgácson) Átmeneti: a töltetet hol cefrével, hol levegővel árasztják el Alámerített: levegőbefúvással, a közegben a sejtek elkeverve Max. 14%, töményebb: kifagyasztás, desztilláció, extrakció