PODSTAWY BIOTECHNOLOGII.pdf

PODSTAWY BIOTECHNOLOGII

(WYKŁADY prof. dr hab. inŜ. W. Grajek)

Metody unieszkodliwiania odpadów:

- chemiczne;

- biologiczne – prowadzą do zniszczenia, mikroorganizmy rozkładają wszystko do H 2 O i CO 2 ).

róŜny metabolizm;

- technologie związane z roślinami (technologia trzcinowa) – oczyszczalnie oparte na trzcinach;

- biokatalizatory – enzymy.

Enzymy – związki, które katalizują wszystkie reakcje na Ziemi (w komórkach, roślinach)

- regulują przebieg procesów Ŝyciowych (są to białka, bez nich nie ma nic).

Kataliza – jeśli energia aktywacji wysoka – musimy dodać energię.

Katalizatorem nazywa się substancję, która zwiększa szybkość reakcji lecz sama nie ulega przemianom –

budowa i właściwości katalizatora po reakcji są takie same jak przed reakcją (obniŜa E akt ).

E p .

W temperaturach występujących w przyrodzie odpowiednio wysoki stan aktywny ma niewiele cząstek, stąd

większość reakcji zachodzi z małą szybkością albo w ogóle nie moŜe zajść.

Konieczne jest dostarczenie określonej ilości energii, aby cząsteczki substratu podnieść z ich podstawowego

poziomu energetycznego na poziom odpowiadający barierze energetycznej.

Mianem energii aktywacji nazywa się najmniejszą ilość energii, którą trzeba dostarczyć jednemu molowi

substratu, aby stał się reaktywny.

Dwie moŜliwości zwiększenia szybkości reakcji:

- dostarczenie dodatkowej energii , zwykle w postaci ciepła;

- obniŜenie bariery energetycznej reakcji.

Katalizatory obniŜają barierę energetyczną reakcji, a tym samym energię aktywacji.

ZaleŜność między E akt a szybkością reakcji:

E akt

Połowiczny czas reakcji

62,7

125,4

0,007

384

Enzymy to białka

Białka – polimery złoŜone z aminokwasów (aminokwasów 2D – duŜo moŜliwości)

Enzym – białko lub białka powiązane z innym elementem niebiałkowym (kofaktor)

Kofaktorami mogą być niskocząsteczkowe związki organiczne lub jony nieorganiczne. Są one obecne w centrum

aktywnym enzymu [ich obecność jest niezbędna do utrzymania aktywności katalitycznej centrum aktywnego

enzymu].

WyróŜnia się 3 typy kofaktorów:

- koenzymy , związki organiczne;

- grupy protetyczne , ściśle związane z białkiem;

- jony metalowe .

HOLOENZYM = APOENZYM + KOFAKTOR

Apoenzym i kofaktory współdziałają ze sobą w katalizie reakcji chemicznych.

Ten sam kofaktor (koenzym) moŜe wchodzić w skład wielu róŜnych enzymów i moŜe katalizować odmienne

reakcje chemiczne. MoŜe być jednak tak, Ŝe obecność danego koenzymu wiąŜe się tylko z katalizą jednego

rodzaju reakcji. Mówimy wówczas o swoistości enzymu .

Enzymy powodują degradację wiązania (w przypadku polimerów – depolimeryzacja)

BIOKATALIZATORY

- mikroby (mikroorganizmy) – bakterie, grzyby

W reakcji mogą wziąć udział tylko te cząsteczki, które zawierają odpowiedni zasób energii swobodnej , tzn.

znajdują się w stanie aktywnym. Substraty mogą przekształcić się w produkty wówczas, gdy energia swobodna

stanu aktywnego jest większa od energii swobodnej produktów E sa >

zwykle enzymy przekształcają tylko określone wiązania.

Rodzaje specyficzności :

- specyficzność wobec jednej reakcji chemicznej;

- specyficzność wobec jednego substratu (duŜo bardziej pogłębiona)

Szerokie spektrum aktywności jest potrzebne, bo rozłoŜy więcej polimerów.

Wiele koenzymów to witaminy:

- tiamona – witamina B1

- pirydoksal – witamina B6

Witaminy powodują syntezę enzymów.

Metaloproteiny – białka zawierające jon metalu, np.: Zn 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Cu 2+ , Na + .

struktura pierwszorzędowa – sekwencja kolejnych aminokwasów w cząsteczce (polipeptydzie)

peptyd – kilka aminokwasów

polipeptyd – wiele aminokwasów.

struktura drugorzędowa:

- w formie helisy

- w formie harmonicznej (nitki polipeptydów ułoŜone równolegle w harmonijkę).

struktura trzeciorzędowa:

- kłębuszek (pojawia się tutaj centrum aktywne; nie mówi się o polipeptydzie, ale białku)

Wszystkie enzymy są globulinami – kształt kulisty.

Centrum aktywne = 3-5 aminokwasów, sztywno ułoŜone. Reszta stabilizuje połoŜenie tych aminokwasów.

struktura czwartorzędowa

- kilka połączonych kłębuszków (podjednostki)

Rola enzymu:

- aktywność enzymatyczna – jest to zmierzona szybkość reakcji (określamy ubytek substratów lub

przyrost produktów w czasie); lepiej mierzyć pojawianie się małych cząsteczek z duŜych polimerów.

Jednostka aktywności – 1 j.a. – ilość mikromoli produktu utworzonych w czasie 1 min reakcji przebiegającej w

optymalnych warunkach.

Jednostkę aktywności odnosimy do:

- 1g lub

- 1ml roztworu, w którym ten enzym się znajduje, np.: enzymy w proszku do prania lub w człowieku.

„Optymalne warunki” – w jednakowych warunkach.

albumina bydlęca – do określonej szybkości reakcji (jakiejkolwiek)

- w cząsteczce białka moŜe być 1 lub kilka centrów aktywnych

- bywają centra przesłonięte.

inŜynieria białkowa – bada dokładną strukturę przestrzenną białek, bada się czy centra są

przesłonięte czy nie. Odcina się nić enzymu nad centrum.

- wszystkie enzymy są rozpuszczalne w wodzie (woda jest podstawowym medium, w którym działają

enzymy; bakterie połykają cząstki o stopniu polimeryzacji = 2 czasem 3).

liczba obrotów – ile razy enzym moŜe utworzyć kompleks i rozpaść się (liczba stała dla danego enzymu; ile

cząstek moŜe zmodyfikować w najbardziej optymalnych warunkach).

1. Inhibicja – hamowanie.

Inhibitory – hamują reakcję.

Inhibicja enzymów – rodzaje:

- współzawodnicza (kompetencyjna) – substrat i inhibitor współzawodniczą o dostęp do centrum

aktywnego. Konieczne jest duŜe podobieństwo strukturalne obu cząsteczek. Zwiększając stęŜenie

jednego z „rywali” moŜemy zwiększać jego szanse wiązania się z centrum.

- niewspółzawodnicza – inhibitor jest wiązany przez enzym w innym miejscu, poza centrum aktywnym.

Dochodzi wtedy do odkształcenia cząsteczki enzymu, tak, Ŝe substrat nie moŜe się związać z aktywnym

centrum. Zmiana stęŜenia substratu nic nie daje, gdyŜ nie zwiększa się szansa jego przyłączenia.

- hamowanie przez substrat i przez produkt – niekiedy przy zwiększonym stęŜeniu substratu nie

następuje zwiększenie szybkości reakcji, gdyŜ prawdopodobnie cząsteczki substratu przyłączone do

Budowa białek.

Masa cząsteczkowa moŜe wynosić od kilkuset do kilkuset tysięcy.

RozróŜniamy:

centrum nakładają się na siebie, co utrudnia reakcję. DuŜe stęŜenie produktów faworyzuje z kolei

reakcja w odwrotnym kierunku.

2. Denaturacja białek – wszechobecna, zaleŜy od temperatury, powyŜej 80

C zachodzi gwałtownie,

zachodzi teŜ w niskich temperaturach.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów:

- stęŜenie substratu i stopień jego rozpuszczalności – rozpuszczalność: większe prawdopodobieństwo

zajścia reakcji (zetknięcie się 2 cząsteczek)

- temperatura reakcji – minimalna, optymalna, maksymalna; przyspieszenie reakcji [waŜne, by optimum

buło przesunięte w kierunku niskich temperatur – działają tu enzymy z niskimi temperaturami -

psychrofile ].

Ekstremalne warunki:

- Ekstremofile – wytrzymują wysokie temperatury, np. w gejzerach, wulkanach – termofile .

- Halofile – lubiące sól.

- Alkalofile – w skrajnie zasadowych pH.

- Acidofile - w skrajnie kwaśnych pH.

stęŜenie jonów wodorowych (pH)

- min., opt., max.

- punkt izoelektryczny – białko ma ładunek elektryczny 0 (pH 4,8-4,9 dla większości białek)

- siła jonowa roztworu (zasolenie – sole mineralne, chlorki, siarczany...)

- stała dielektryczna środowiska

- obecność inhibitorów i czynników denaturujących (metale cięŜkie)

- obecność kofaktorów i aktywatorów.

Synteza enzymów

ekspresja informacji genetycznej

geny kodują białka – enzymy (regulacja naszego metabolizmu). W genach zakodowane są

katalizatory.

geny zapisane są w kwasach nukleinowych

I. DNA ulega replikacji – podwojeniu.

GENOM – całość genów (geny zawarte w kwasach nukleinowych stanowią odcinki kwasu. Jest rozdzielony

między 2 potomne komórki. MoŜe dojść do błędów – MUTACJA, mutanty).

Gen decyduje syntezą 1 białka. Informacja jest przepisana na inną cząsteczkę.

m RNA – TRANSKRYPCJA (w komórce). Taka kopia w formie DNA odrywa się od jądra, przechodzi do

cytoplazmy. Tam – rybosomy. Kwas RNA przechodzi przez rybosomy, one odczytują informację. Powstają

polipeptydy.

Geny regulujące przemianę np. laktozy:

- kaŜdy szlak metaboliczny moŜe zajść jeśli jest komplet biokatalizatorów

- biokatalizatory kodowane przez zestaw genów (dotyczą 1 przemiany metabolicznej) – OPERON (grupa

genów kontrolnych przez wspólny system regulujący)

- część genów nie koduje białek, ale pełni role regulatorowe, są to:

R – regulator

P – promotor

O – operator

t – terminator.

terminator – pełni rolę kropki w zdaniu, cała informacja zawarta między 1 a 2 terminatorem.

regulator – poza kompletem genów, nie kontrolowany.

Tylko GENY STRUKTURALNE kodują białka (enzymy); (z, y, a).

3 enzymy kodujące:

- gen dla

- galaktozydazy

z – rozbija na 2 kawałki

permeazy

y – odpowiada za wprowadzenie cukru do komórki

transacetylazy

a – modyfikuje laktozę

laktoza = glukoza + galaktoza (wiązanie b - 1,4 – glikozydowe)

y – permeaza – odpowiedzialna za wprowadzenie cukru do komórki

a – modyfikuje laktozę

z – rozbija na 2 kawałki

regulator – znajduje się poza układem produkuje białko REPRESOROWE. Represor ma duŜe

powinowactwo do operatora, przyłącza się do niego (blokuje go). UniemoŜliwia to przyłączenie

polimerazy RNA do promotora.

promotor – wiąŜe inne białko (polimerazę), które potrafi przepisać te 3 geny na RNA. Polimeraza

przyczepia się do promotora.

- CAMP – cykliczny AMP adenozynomonofosforan (produkowany w komórce; magazyn energii).

- aktywuje białko CAP – przyłącza się do promotora, a do tego polimeraza się przyłącza. Ta polimeraza

zaczyna się przesuwać do przodu; gdy dojdzie do genów strukturalnych – przepisuje informację z DNA

na RNA. Jeśli blokuje ją represor informacja nie moŜe być przepisana – STAN UŚPIENIA. (30tys

genów w człowieku). Wszystkie w organizmie są zablokowane przez represor.

- jeśli w środowisku jest glukoza, nie produkowane są enzymy.

- glukoza – najłatwiej przyswajalny związek, ulega utlenieniu, zyskiem ze spalenia jest 36 ATP (Ŝaden

inny nie jest potrzebny, wszystkie geny są uśpione). [tzw. REPRESJA KATABOLICZNA; pojawienie

się glukozy blokuje syntezę AMP. Jeśli nie produkuje AMP, polimeraza nie moŜe przyłączyć do białka]

- pojawia się laktoza – ma większe powinowactwo do białka represorowego, niŜ operator. Przechwyca

represor (staje się on nieczynny), moŜe być, (INDUKCJA – pojawienie się substratu indukuje syntezę

enzymu; informacja, przepis, produkcja enzymu).

- gdy kończy się glukoza: CAMP aktywuje białko CAP

do promotora. Polimeraza przyczepia się do

promotora, przesuwa się dalej, kopiuje informacje z genów strukturalnych w postaci RNA.

(znikła glukoza, została laktoza)

- przy braku glukozy następuje synteza CAMP.

- aktywuje ono białko CAP.

- powoduje to, Ŝe CAP przyłącza się do promotora. Jest to warunek sine qua non

(konieczny) przyłączenia się polimerazy.

- równolegle z tym laktoza, która pojawiła się w komórce, przechwytuje białko represorowe i odciąga je

od operatora.

- dzięki temu następuje odblokowanie polimerazy, moŜe się ona przesuwać w prawo i rozpocząć

kopiowanie informacji z DNA na RNA i umoŜliwić syntezę 3 enzymów w rybosomach

(przeznaczonych do rozkładu laktozy).

- laktoza pełni w tym przypadku rolę induktora – indukuje syntezą białek przeznaczonych do jej

rozkładu. Wszystkie pozostałe operony są zablokowane przez inne białka represorowe i pozostają

w uśpieniu.

Wpływ róŜnych rodzajów indukcji na syntezę enzymów.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: