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 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

11 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.

12 szubsztrát szintű foszforiláció

13 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

14 Elektrontranszportlánc a mitokondriumban

15 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

16 Hőmérsékleti toleranciagörbe

17 Hőmérsékleti optimumok

18 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

19 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)

20 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

21 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.

22 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

23

24

25 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

26 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)

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

28 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.

29 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.

30 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

31 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

32 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

33 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

34 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

35 Hain János, Johannes Patersonius
(17. sz. második fele): orvos, természettudós. Porosz származású katonaorvos, aki rövid lengyelo.-i tartózkodás után Lőcsén, majd Eperjesen működött. Thököly, Teleki Mihály családi orvosi tanácsadója. Orvosi és természettudományi értekezései a lipcsei Academia Naturae Curiosorum: Miscellanea e. folyóiratban jelentek meg (1671) mo.-i betegségekről, ásványokról, meg a kárpáti barlangok sárkányairól (De draconibus Carpathicis). Ennek alapján döntötte el Cuvier, hogy az európai barlangok sárkányainak mondái a barlangi medve maradványainak félremagyarázásából keletkeztek (Magyar Életrajzi Lexikon)