Биология | Органикалық қышқылдың бағытталған синтезі

Органикалық қышқылдың бағытталған синтезі.

Жоспар:
1. Сүт қышқылының гомоферментативті және гетероферментативті ашуының биохимиялық заңдылығы.
2. Сірке және пропион қышқылының бағыттылық синтезі.
3. ЦТК арқылы биосинтетика процесінің жүзеге асу принципі, мысал ретінде лимон қышқылы.

1. Сүт қышқылының гомоферментативті және гетероферментативті ашуының биохимиялық заңдылығы.


Сүт қышқылының ашуы ол ашу процесінің ең көп тараған түрі болып табылады. Берілген ашудың түрін микроорганизмдер жүзеге асырады, олар Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc түрлеріне жататындар. Берілгендер сүл қышқыл микроорганизмдеріне топтасқан кезінде ерекшеліктерімен лактоза, глюкоза және галактоза түзеді, яғни сүт қышқылын метаболизмнің негізгі өнімі ретінде түзеді..
Биохимиялық заңдылығы бойынша және метаболизм өнімінің құрамы бойынша сүт қышқылының ашуы гомоферментативті және гетероферментативті болып бөлінеді.
Гомоферментативті ашу қасиетінің негізгі және жалғыз өнімі болып ол сүт қышқылы болып табылады. Процестің соммалық теңдеуі ол:
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ 2СН3СНОНСООН + 2АТФ + 2Н20
Гомоферментативті бактериялар тек 3% шамасында субстрата клеткалы массаға айналады, ал сүт қышқылының пайда болуы 98% дейін құрайды.
2
глюкозаның катаболизм аралық әсері гликолитикалық бағыты бойынша жүреді. Лактозыны бейімдеуіш қасиетіне ие микроорганизмдер b-галактозидаза ферментінің болуымен сипатталады.
Процестің шешуші әсері – ПВК сүттіге дейін тіктеу екі стереоспецификалық лактатдегидрогеназамен катализирленеді. L- және O-лактатдегидрогеназ коферменттері болып НАД табылады, фермент белсенділігін жоғарлатушы аллостеритикалық эффектор болып - фруктозо-1,6-дифосфат табылады. Субстрат концентрациясын төмендету актатдегидрогеназ белсенділігін бәсеідетеді, нәтижесінде бактериялар ПВК-ны құмырсқа, сірке қышқылына, этанол және басқада метаболизм өнімдеріне өзгертеді.
Сәйкес процестері өзгеру кезінде рН құнарлы ортадан сілтісі аз жаққа ауысады. Осылайша гомо- және гетероферментативке бөліну шартты.
Гетероферментативті ашу СО2 едәуір көлемінің болуымен сипатталады; сірке, пропионды және басқа да органикалық қышқылдарының; этанол және ПВК шығарушы болатын басқа да метаболиттер болуымен сипатталады.
Сүт қышқылының бұл ашу типі СО2 бөліндісі шығатын және СО2 бөліндісі шықпайтын болып бөлінеді.
Соммалық теңдеу түрі мынадай:
-бірінші жағдайда:
С6Н12О6 + Н3РО4 + АДФ СН3СНОНСООН + СН3СН2ОН + СО2 + АТФ
- Екінші жағдайда:
С6Н12О6 + 5Н3РО4 + 5АДФ 2СН3СНОНСООН + 3СН3СООН + 5АТФ
Екі жағдайда да глюкозаны ыдырауы гексозомонофосфаттыжолы бойынша жүзеге асады, ксилулозо-5-фосфат түзгенге дейін болады. Соңғысы фосфокетолаза фермент әсерінен 3-фосфоглицеринді альдегид және макроэргиялық ацетилфосфатқа дейін ыдырайды:

3
СН2ОН СНО
С = О Н3РО4 НС-ОН СН3
НО-СН СН2О Ф СОО Ф
НС-ОН Н2О
СН2О Ф
Фосфоглицеринді альдегид гомоферментативті ашу механизмі бойынша алмасу тізбегіне енеді, ал ацетилфосфат гетероферментативті ашуына өнім береді.

2. Сірке және пропионды қышқылдың бағытты синтезі.

Микробты синтез өнімі ретінде сірке қышқылы төрт тәсілмен алынуы мүмкін.
1 тәсіл. Этанолды сірке қышқыл бактериясымен қышқылдандыру. Acetobacter (A.aceti; A.xylinum; A.peroxydans) және Gluconobacter (G.oxydans) түрлерінің бактериялары көмірсутекті және құрамында спирті бар субстраттарды ассимиляциялауға қабілетті, яғни сұйықтық дақылында ацетата көлемін жинақтап отырады. Олар спецификалық дақылдар мен физиологиялық қасиеттермен сипатталады:
- Жоғарғы ацидофиль, рН 4,0 кезінде өседі; оптимум 5,0-6,0;
- бактериялар – қатал анаэробтар, оттектің жетіспеуіне жоғару сезімталдығы апираза ферментінің белсенділігіне байланысты, оның әсерінен АТФ лезде ыдырап, клеткалардың метаболизденуіне жол бермейді;
- органикалық заттарды біршама қышқылдандырылған өнім ретінде қышқылдандыру қабілеті, этанолды сірке қышқылы сияқты қышқылдандыруыға сай сипаттауға болады.


Сірке қышқылының биосинтезінің сұлбасы:


НАД НАДН Н2О НАД НАДН
СН3СН2ОН СН3СНО СН3СН(ОН)2 СН3СООН
ацетальдешидгидрат Н2О
Бірінші кезеңде этанол НАД (НАДФ) қатысуымен – алкагольдегидрогеназға тәуелді ацетальдегидке дейін қышқылданады; содан соң ацетальдегид ыдырауы жүреді және НАД (НАДФ) – ацетальдегидрогеназге тәуелді катализденуімен қайта қышқылданады.
Сірке қышқылының биосинтезінің Acetobacter aceti бактериясымен оптимальді жағдайын болып: 30оС температурасы; рН 5,0-6,0; ортаның интенсивті аэрациясы; шығу субстратының құрамы – этанол және сірке қышқылы 5,5% : 7,5% қатынасында қолайды.
2 тәсіл Сірке қышқылының гомоацетогенді бактерияларымен түзілуі. Бактериялар Cl.aceticum; Cl.thermoautofrophicim; Eubacterium limosum және басқа да түрлері анаэробты жағдайда гексоздарды, пентоз және сүтті қышқылдарды пайдалана алады, яғни метаболизмнің жалғыз өнімі ретінде ацетат түзеді. Бұл топтың кейбір түрлері, мысалы Acetoanaerobicum woodii, Cl.thermoaceticum және Cl.formiaceticum, сірке қышқылын нәтижесінде құмырсқа қышқылына және СО2 синтездей алады.
Сірке қышқылының Cl.thermoaceticum бактериялармен биосинтезі үшін оптимальді жағдай : 60оС температура; рН 6,7-7,4; қатаң анаэробты жағдай.
Процестің қорытынды сұлбасы:



ГЛЮКОЗА

СН3-СО-СООН СН3-СО-СООН
SKoA Fd НАД Н2О
FdH2 СО2 СО2
СН3-СО~SKoA НАДН2 СН3СООН
SKoA НСООН
Н3РО4 ТНF
CH3-COO-Ф НСОО~ТНF
АДФ НАДН Н2О
АТФ НАД
СН3-СООН СН2 = ТНF
НАДН
НАД
СН3 - ТНF
ТНF В12
СН3 – В12
В12
СН3СООН

3 тәсіл. Сірке қышқылының сүт қышқылының бактерияларымен биосинтезі СО2 бірге гетероферментативті сүтқышқылының ашу механизміне сай. Бұл әдіс сірке қышқылын бүтіндей өнім ретінде алу үшін тиімді емес.
4 тәсіл. Сірке қышқылының биосинтезі пропионқышқылды ашу механизмі бойынша. Пропионқышқылының ашуына дем беруші ол Propionibacterium (P.shermanii; P.pentosaceum; P.prendenreichii) түрдегі бактериялар және клостридтің кейбір түрлері (Cl.propionicum). берілген топтың спецификалық қасиеті, яғни факультативті анаэробты микроорганиздер болып, гексоздар және кей жағдайда пропионды және сірке қышқылымен пентоздарды ассимиляциялау қабілеттілігі болып табылады:
3С6Н12О6 + 8АДФ +8Н3РО4 4СН3СН2СООН + 2СН3СООН + 2СО2+ 8АТФ
Пропионды қышқыл бактериялары бар биосинтез қышқылының сұлбасы:
С6Н12О6
(гликолиз)
2СН3СОСООН НООС-СН2-СО-СООН
СН3-СО-~SKoA 1 НАДН
HS-KoA НООС-СН-СО~SKoA 2 НАД
Н3РО4 СН3 НООС-СН2-СНОН-СООН
СН3СОО-Ф 6 СН3СН2СО~SKoA 3 H2O
AДФ 5 HOOC-CH=CH-COOH
АТФ НООС-СН2СН2СО~SкoA ФАДН
СН3-СООН 4 ФАД
СН3СН2СООН
НООС-СН2СН2-СООН


Сұлбаға түсініктеме. Пропион қышқылының биосинтезінің шешуші реакциясы ол ПВК –ның бір молекуласын метилмалонилКоА (фермент 1 - метилманонитлКоА-карбоксилтранфераза кофермент – биотин) молекуласымен транскарбоксилдеу және пропионилКоА мен ЩУК түзілуі боып табылады. Соңғысы янтар қышқылына алмалы және фумарлы қышқыл арқылы өзгереді (ферменттер: 2 - НАД- малат-дегидрогеназға тәуелді; 3 - фумарат-гидратаза; 4 - ФАД-зависимая сукцинатдегидрогеназа). Янтар қышқылы пропионилкофермент А бірге реакцияға түседі (фермент 5 -транс-тиоэстераза) нәтижесінде соңғы өнім және сукцинилКоА түзіледі. Соңында Последний 6 - L- метилмалонилКоА-мутазы (кофермент В12) фермент әсерінен метилмалонилКоА – ге өзгереді. Биосинтездің қышқыл P.ghermanii бактерияларымен оптимальді жағдайы–30оС температурасы, рН 5,0-6,0.
12
Клостридий клеткаларында пропионды қышқылының түзілуінің басқа механизмі әсер етеді:
НАДН НАД Н2О
СН3-СО-СООН СН3-СНОН-СООН СН2=СН-СО~SKoA
НSKoA акрил-КоА
НАДН
НАД
СН3СН2СООН СН3 СН2-СО~SKoA

3. ЦТК арқылы биосинтетика процесінің жүзеге асу принципі, мысал ретінде лимон қышқылы.

Кейбір микроорганизмдер, негізінен мицелиальді саңырауқұлақ тобына жататындар, дақыл сұйықтығында едәуір көлемде Кребса циклының аралық өнімдерін өзіне жинай алу қасиетіне ие, ең алдымен лимон қышқылы.
Мұндай қасиетке Penicillium, Mucor.Наиболее түріндегі саңырауқұлақтар ие, штамның Asp.niger кейбір түрлері кеңінен қолданылады.
Лимон қышқылының продуцент-саңырауқұлақтары спецификалық биохимиялық қасиеттерімен сипатталады:
1. Кребс цикліне шамадан тыс көміртекті қосындылардың енуі. Бұл эффект саңырауқұлақтардың СО2 фиксациясын және оксалоацетат ПВК түзу қабілеттілігін қамтамасыз етеді. ЦТК аралық өнімінің толықтырудың басқа механизмы - глиоксилат циклы болып табылады.
2. Цитратсинтаза ферментін активтендіру және циклдің басқа ферменттерін ингибирлеу, ең алдымен ол изоцитратдегидрогеназ және α-кетоглутаратдегидрогеназ.
3. Молекулярлы оттекті қажет етуші реқышқылдандыруда түзілетін ЦТК -да НАД және ФАД тіктелген формалары.
Лимон қышқылының биосинтезінің оптиамльді жағдайы: 28-30оС температурасы; рН 2,0-4,0; ортаның интенсивті аэрациясы. Температураның және рН жоғарлауы басқа органикалық қышқылдардың шығуына әкеп соғады, ең алдымен, қымыздық және глюконді қышқылдары.
Лимон қышқылының Candida (C.lipolytica)ащытқысымен биосинтезінің альтернативті тәсілі ойлап табылған, н-алканда. Берілген жағдайда биосинтез механизмі үйлесімді.