A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

Az előadások a következő témára: "A mikrobaszaporodás alapösszefüggései"— Előadás másolata:

1 A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
TÁPOLDATOK, TÁPTALAJOK

2 Fermentációs tápoldatok
BIM-BSc MIKROORGANIZMUSOK TÁPANYAG IGÉNYE TERMELŐKÉPESSÉG KÖRNYEZET GENOM Néhány mikroba összetétel összetétel a sejt szárazanyag százalékában Mikroorganizmus C H 0 N S Saccharomyces cerevisiae , ,6 9,0 Methylomonas methanolica 45, , , ,6 Penicillium chrysogenum , ,0 8,0

3 C-forrás + N-forrás + O2+ ásványi sók +
Fermentációs tápoldatok BIM C-forrás + N-forrás + O2+ ásványi sók + +speciális tápanyagok (pl. vitamin)  új sejttömeg(ΔX) + termék(ek) + CO2 + H2O Tápanyag igény HOZAMKIFEJEZÉS ÁLTALÁNOSITÁSA Tápoldatok szintetikus félszintetikus természetes alapú

4 Fermentációs tápoldatok
BIM 2009 Alapvető nutritív igények 70-90 %-a a M-nak víz! Csapvíz, desztvíz, ionmentes víz, pirogénmentes víz Tárolás st. nélkül befertőződik! műanyagedény: lágyítók! USA: rigorózus előírások Type I Type II 18 mΩ VÍZ C- és energiaforrások

5 S Z É N F O R R Á S S Z E R V E S SZÉN-DIOXID ENERGIAFORRÁS KÉMIAI
HETEROTRÓFOK AUTOTRÓFOK ENERGIAFORRÁS KÉMIAI FÉNY KEMO-ORGANOTRÓF FOTO-ORGANOTRÓF KEMO-LITOTRÓF FOTO-LITOTRÓF Legtöbb baktérium, gomba… magasabbrendű állatok Bíbor (nem kén-)baktérium. Néhány eukarióta alga SZERVES ELEKTRONDONOR ...glükóz... H-, S-, Fe-baktériumok Denitrifikáló baktériumok Zöld növények, Eukarióta algák (fényben) Kék/zöld algák Cianobaktériumok Fotoszintetizáló baktériumok SZERVETLEN en.forrás SZERVETLEN H2S, S, S2O32-, H2, Fe(II), NH+3, NO-2, H2O, H2S, S... Nettó szerves anyag termelők S Z É N F O R R Á S

6 Fermentációs tápoldatok BIM 2009
ARCHAEA H2 el. donor higrogénbakt O2 Methanobacter fény HIDROGÉN Szerves vegyületekből, vízből OXIGÉN Külön téma!!!! Aerob/anaerob FŐ TÁPOLDATKOMPONENSEK NITROGÉN N-fixálás Azotobacter nitrogenáz Rhizobium Általában: NH4+, NO3-, v. szerves N MINOR elemek MIKRO BIOSZANYAGOK: vitaminok, aminosavak, Pu,Pir., lipidek

7 TÁPANYAGOK ÉPÍTŐKÖVEK ENERGIA: ATP Redukáló erő: NADH SEJTALKOTÓRÉSZEK,SEJT ANABOLIZMUS KATABOLIZMUS

8 Oxidált NAD+ Redukált NADH

9 Acetil-koenzim A Foszforilált ribózt tartalmazó ADP Pantoténsav egység
Acetil csoport

10 N H 2 O P C H2 O- OH -O ATP

11 ATP NAD Acetil-CoA

12 CUKOR KATABOLIZMUS Glikolízis (Embden, Meyerhof Parnas )
legtöbb baktérium Állati és növényi sejtek

13 BIM-BSc 2009 Glikolízis NAD NADH Glucose Pyruvate C6 C3 ADP ATP

14 2:1 10,20:1 Pentóz foszfát út (hexóz monofoszfát sönt)
NADPH termelés (általános növ. és állati sejtekben) Gl Gl-6P P-glükonát Ribulóz-5P Ribóz-5P Xilulóz-5P ATP ADP NADP+ NADPH CO2 * izomeráz Gliceraldehid-3P Szedoheptulóz-7P * transzaldoláz epimeráz F-6P Eritróz-4P transzketoláz F-6P Gliceraldehid-3P * 2: ,20:1 Gyors lassú növekedés *kapcsolódás a glikolízishez

15 Néhány baktériumban -EMP helyett
Entner Duodoroff út aldoláz dehidratáz * * glükóz glükóz G-6P 6P-glükonát 2-keto-3-deoxi-6P-glükonát NADP+ NADPH ATP ADP G-6P NADP+ NADPH H2O 6P-glükonát * G3P Pyr * 2-keto-3-deoxi-6P-glükonát H2O *kapcsolódás a glikolízishez G3P Pyr

16 Citromsav ciklus Szentgyörgyi-Krebs ciklus
Acetil-CoA * NADH Pyr + CoA+NAD+ Acetil-CoA+ CO2+ NADH OXÁLACETÁTÁT CITRÁT Piruvát - dehirogenáz komplex NAD+ Acetil-CoA cis-AKONITÁT MALÁT GLIOXILÁT FUMARÁT IZO-CITRÁT FADH NAD+ * CO2 FAD+ SZUKCINÁT Pyr+ CO2+ ATP OXÁLACETÁT+ADP +Pi NADH 6 α-KETOGLUTARÁT Piruvát - karboxiláz CoA GTP SZUKCINIL-CoA NAD+ GDP CO2 * Anaplerotikus reakciók NADH

17 ΔG0 ADP + P ATP + H H O 2H 1/2O NADH ATP ATP ATP c a a O =+7,3
FP 2 2 2e - NADH FP KoenzimQ cyt b cyt c cyt a cyt a H O 1 3 2 2H + KJ 0,4 ATP ATP NAD ATP 0,27 V 51,2 kJ 168 Q b 0,22 V 41,6 kJ c a 84 0,53 V 100 kJ -0,8 a 3 ADP + P ATP + H O ΔG0 =+7,3 kcal =30,7 kJ i 2

18 Krebs Cycle (C4-C6 intermediate compounds)
BIM-BSc Krebs Cycle (C4-C6 intermediate compounds) NAD NADH Pyruvate 3CO2 (C3) (C1) Oxidative phosphorylation NADH NAD O2 H2O ADP ATP

19 BIM-BSc 2009 !

20 BIM-BSc

21 BIM-BSc 2009 Zsírsaval lebontása -oxidáció

22 Aminosavak mint C/energiaforrások
BIM-BSc Aminosavak mint C/energiaforrások

23 BIM-BSc 2009 ANAEROB ANYAGCSERE
SZUBSZTRÁT SZINTŰ FOSZFORILEZÉS (GIKOLÍZIS, TCA) NEMCSAK MIKROBÁKBAN: TEJSAV (homolaktikus fementáció

24 NADH visszaoxidálása egy sor anyagcseretermék, más elektronakceptorok
BIM-BSc egy sor anyagcseretermék: heterolaktikus fermentáció Gl GA3P PEP Pyr Laktát glikolízis Pi NAD+ NADH NADH NAD+ ADP ATP ATP ADP Gl Gl-6P P-glükonát Ribulóz-5P Xilulóz-5P ATP ADP NAD+ NADH CO2 AcetilP GA3P Acetaldehid Etanol NAD+ NADH PEP Pyr Lactát HOMOLAKTIKUS FERMENTÁCIÓ HETEROLAKTIKUS

25 BIM-BSc 2009 1 egy sor anyagcseretermék: anaerob NADH regeneráló anyagcsereutak, végtermékek G glicerin R CO2 TEJSAV Formiát Trióz-P R CO2 H2 R Oxaloacetát Pyr AcO Etanol Borostyánkősav R Acetolaktát Acetoin AcCoA Szukcinil-CoA R 2,3-butándiol Propionsav R Acetoacetil-CoA CoA, CO2 Propanol ACETON Butiril-CoA R IZOPROPANOL BUTANOL VAJSAV PROPANOL

26 Glükóz l GLICERIN R TEJSAV Trióz-P H2 R Oxaloacetát Pyr AcO ETANOL
1 egy sor anyagcseretermék: anaerob NADH regeneráló anyagcsereutak, végtermékek Glükóz l GLICERIN CO2 R TEJSAV HANGYASAV Trióz-P H2 CO2 R Oxaloacetát Pyr AcO ETANOL BOROSTYÁNKŐSAV R AcCoA Acetolaktát ACETOIN Szukcinil-CoA R Acetoacetil-CoA PROPIONSAV CoA, CO2 R 2,3-BUTÁNDIOL PROPANOL Butiril-CoA ACETON R IZOPROPANOL VAJSAV PROPANOL BUTANOL R NAD-regenerálás

27 BIM-BSc 2009 NADH visszaoxidálása: más elektronakceptorok
Energiaforrás Oxidáns Respiráció Példa (redukáló=oxi- (terminális elekt- termékei dálódó vegyület) ron akceptor) *H2 SO42- H2O+S Desulfovibrio *Szerves ve- NO3- N2+CO2 Denitrifikáló baktérium gyület S NO N2 +elemi S Thiomargarita

28 BIOSZINTÉZIS Primer anyagcsere TROPOFÁZIS kiegyensúlyozott növekedés
BIM-BSc 2009 BIOSZINTÉZIS Primer anyagcsere TROPOFÁZIS kiegyensúlyozott növekedés balanced growth Szekunder anyagcsere IDIOFÁZIS kiegyensúlyozatlan növ, fenntartás: folyik a primer anyagcsere részben: m á s f e l é

29 Szekunder a.csere termékek Acetil-koenzim-A-ból
Ac-CoA Citrát, Itakonát Zsírsavak (olajok, zsírok) PHB Poliketidek Mevalonsav(C6) Izoprén egységek (C5) CO2 x3 C10 C15 C20 x2 terpének szteroidok giberellinek karotinoidok Kinonok Szekunder a.csere termékek Acetil-koenzim-A-ból

30 OXIDATÍV FOSZFORILEZÉS
1.fázis 2.fázis 3.fázis POLISZAHARIDOK FEHÉRJÉK ZSÍROK AROMÁSOK SZUBSZTRÁT HIDROLÍZIS ENERGIA ALAP METABOLIKUS ÁTALAKULÁS Hexózok AMINOSAV glicerin+zsírsav glükóz PYR -KETOGLU- TÁRSAV OXÁL ECETSAV AcCoA TCA OXIDATÍV FOSZFORILEZÉS BOROSTYÁN KŐSAV

31 Fermentációs tápoldatok
BIM-BSc 2009 ENERGY CHARGE ENERGIA-TÖLTÉS Az energiaállapot indikátora (Atkinson 1977) Rel.sebesség ATP-termelő út EN.CHARGE ATP-felhasználó anyagcsere út 0,8-0,95 (Adenilát-kináz) , , , Minden adenilát ATP formában Minden adenilát AMP formában Direktebb mértéke az ATP hozzáférésnek a foszforilezési potenciál= ATP   ADP   Pi  (( mg ATP/100g izom))

32 Redukáló erő Katabolikus reduktív töltés: Anabolikus reduktív töltés: Növekvő sejtekben Crc alacsony szintű ,03-0,07 Arc magas ,4-0,5

33 Fermentációs tápoldatok BIM2-BSc 2009 „REDUKÁLÓ ERŐ”
REDUKÁLT ÜZEMANYAG ENERGIA FORRÁS OXIDÁLT ÜZEMANYAG KATABOLIZMUS NAD+ NADP+ NADH NADPH (REDUKTÍV) BIOSZINTÉZIS ANABOLIZMUS REDUKÁLT BIOSZINTÉZIS TERMÉK OXIDÁLT PREKURZOR

34 Fermentációs tápoldatok
BIM-BSc 2009 Átlagos baktérium és tápoldat % (szárazanyag tar- H o z a m E 1 e m talomra vonatkozóan) (g sz.anyag/g elem) élesztő baktérium Szén * Nitrogén 7, P (P043- -ben számolva) 1,5 3, S 1,0 l,0 1oo 0 30,0 20,0 * Mg o,5 o,5 2oo H 6,5 7,0 ** hamu 8,0 7,0 ** A hamu elem tartalma:P, Mg, Cu,Co, Fe, Mn,Mo, Zn,Ca, K,Na

35 Fermentációs tápoldatok
BIM-BSc 2009 szintetikus E táptalaj 30 g/dm3 Candida utilis élesztő elõállítására alkalmas szakaszos tenyészetben g/dm3 Hozam C-forrás : metanol ,5 vagy etanol ,75 vagy glükóz * vagy hexadekán ,0** N-forrás: (NH4)2SO4 12 P-forrás KH2PO4 1,3 MgSO4 1,5 Elemnyomok: Cu, Co, Fe, Ca, Zn, Mo, Mn 10-4 mol/dm3 mennyiségben. *jellemzõ érték szénhidrátokra (glükóz, keményítő, cellulóz stb.) **jellemző érték telített szénhidrogénekre (n-paraffinok)

36 Félszintetikus tt. gomba eredetű proteáz termelésére
Fermentációs tápoldatok BIM-BSc 2009 Félszintetikus tt. gomba eredetű proteáz termelésére Kukoricakeményítő 30g/dm3 Kukoricalekvár 5 Szójaliszt 10 Kazein 12 Zselatin 5 Szeszmoslék por 5 KH2PO4 2,4 NaNO3 1 NH4C1 1 FeSO4 0,01

37 természetes alapú tt. baktériumok eltartására
Fermentációs tápoldatok BIM-BSc 2009 természetes alapú tt. baktériumok eltartására húskivonat (BACTO BEEF EXTRACT) 10g/dm3 pepton (BACTO PEPTONE) 10 élesztõkivonat (BACTO YEAST EXTRACT) 5 NaCl agar

38 Fermentációs tápoldatok
BIM-BSc 2009 Ipari táptalajok

39 Fermentációs tápoldatok BIM-BSc 2009
Répacukor melasz összetétele és néhány jellemzõje (Szolnoki Cukorgyár, 1993/94. évi kampány adatai) (***) Szárazanyag tartalom 81 % 83,5 Hamu tartalom % 11,5 Viszkozitás cP pH Összes cukor tartalom 46.9% 51 invert cukor 0.9% 1 raffinóz % 1 Összes nem cukor szervesanyag 19 Összes N tartalom 2.3% asszimilálható N 0.87% NO % Ecetsav % K tartalom 2.6% Na tartalom 0.7% Ca tartalom 0.7% Biotin mg/kg 0,05mg/100g < ***Vogel:Ferm.andBiochemEngHandbookí(1998),Noyes Publ.133 oldal,

40 Fermentációs tápoldatok
BIM-BSc 2009 A kukoricalekvár összetétele (DemainSolomon:Manual of Ind.Microbiology and Biotechnology,1986) Szárazanyag tartalom 50% Fehérjetartalom 24% Szénhidrát 5.8% Zsírok 1% Rost tartalom 1% Hamu tartalom 8.8% Biotin mg/kg Piridoxin mg/kg Tiamin mg/kg Pantoténsav mg/kg riboflavin mg/kg Szabad aminosavak 4.9% ezen belül arginin 0.4% cisztin glicin 1.1 Hisztidin i-leucin leucin 0.1 lizin metionin fenilalanin 0.3 tirozin valin 0.5

41 Fermentációs tápoldatok
BIM-BSc 2009 MURASHIGE-SKOOG (1962) tápoldat növényi sejtek szuszpenziós és kallusz kultúrájához Összetevő mg/dm3 Ásványi anyagok NH4NO KNO CaCl2.2H2O MgSO4.7H2O KH2PO Na2-EDTA ,3 FeSO4 .7 H2O ,8 H3BO ,2 Mn SO4 .4H2O ,3 Zn SO4 .4H2O ,6 KI ,83 Na2MoO4 2H2O ,25 Cu SO4 .5H2O CoCl2 6H2O ,025 Összetevő mg/dm3 Szerves összetevők Szaharóz Agar Glicin Indolecetsav Kinetin ,04-10 myo-inozit Nikotinsav.HCl ,5 Piridoxin.HCl ,5 Tiamin.HCl ,1

42 Fermentációs tápoldatok
BIM-BSc 2009 EAGLE tápoldat állati sejtek tenyésztésére ÖSSZETEVŐK mg/dm3 L-aminosavak arginin cisztine glutamin hisztidin izoleucin leucin lizin metionin fenilalanin treonin triptofán tirozin valin Szénhidrátok glükóz Szérum % ÖSSZETEVŐK mg/dm Vitaminok kolin fólsav inozit nikotinamid pantoténsav piridoxin riboflavin , tiamin Ásványi sók NaCl KCl CaCl MgCl2.6H2O NaH2PO4.2H2O NaHCO

43 SEJTHIERARCHIA