Қазақша рефераттар

НАДН НАД

Органикалық қышқылдардың бағытталған синтезі

Органикалық қышқылдарды микробиологиялық жолмен алу — биохимиялық заңдылықтарға сүйенетін, өндірісте кең қолданылатын бағыт. Төменде сүт қышқылы ашуының түрлері, сірке және пропион қышқылдарының мақсатты синтезі, сондай-ақ Кребс циклі (ЦТК) арқылы лимон қышқылының жиналу принциптері жүйеленіп берілген.

Жоспар

  1. Сүт қышқылының гомоферментативті және гетероферментативті ашуының биохимиялық заңдылығы.
  2. Сірке және пропион қышқылдарының бағытталған синтезі.
  3. ЦТК арқылы биосинтетикалық процестің жүзеге асу принципі (мысал: лимон қышқылы).

1) Сүт қышқылы ашуы: гомоферментативті және гетероферментативті типтері

Сүт қышқылының ашуы — ашу процестерінің ең кең тараған түрлерінің бірі. Оны негізінен Lactobacillus, Streptococcus және Leuconostoc туыстарына жататын микроорганизмдер жүзеге асырады. Бұл микроорганизмдер лактоза, глюкоза және галактозаны пайдаланып, метаболизмнің негізгі өнімі ретінде сүт қышқылын түзеді.

Гомоферментативті ашу

Бұл типте негізгі (дерлік жалғыз) өнім — сүт қышқылы. Глюкоза катаболизмі көбіне гликолиз арқылы жүреді.

Соммалық теңдеу

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ADP → 2CH3CH(OH)COOH + 2ATP + 2H2O

  • Субстраттың шамамен ~3%-ы клеткалық массаға айналады, ал өнімнің ~98%-ы — сүт қышқылы.
  • Лактозаны ыдыратуға бейімделген штамдарда β-галактозидаза ферменті болады.
  • Шешуші реакция — ПВК-ның (пирожүзім қышқылы) лактатқа дейін тотықсыздануы; оны стереоспецификалық лактатдегидрогеназалар катализдейді.

Кофермент: NAD (НАД).
Аллостериялық активатор: фруктоза-1,6-дифосфат.

Субстрат концентрациясы төмендесе, лактатдегидрогеназа белсенділігі әлсірейді. Нәтижесінде ПВК құмырсқа, сірке қышқылына, этанолға және басқа метаболиттерге ауыса алады; орта рН-ы қышқыл жаққа ығысады. Сондықтан гомо- және гетероферментативті бөліну кей жағдайда шартты.

Гетероферментативті ашу

Бұл тип CO₂-тың айқын бөлінуімен және өнімдердің әртүрлілігімен сипатталады: сірке, пропион қышқылдары, этанол, ПВК және басқа да метаболиттер түзіледі.

Соммалық теңдеу (CO₂ бөлінетін вариант)

C6H12O6 + H3PO4 + ADP → CH3CH(OH)COOH + CH3CH2OH + CO2 + ATP

Соммалық теңдеу (CO₂ бөлінбейтін вариант)

C6H12O6 + 5H3PO4 + 5ADP → 2CH3CH(OH)COOH + 3CH3COOH + 5ATP

Екі жағдайда да глюкозаның ыдырауы көбіне гексозомонофосфат (пентозофосфат) жолы арқылы ксилулоза-5-фосфат түзілгенге дейін жүреді. Ол фосфокетолаза әсерінен глицеральдегид-3-фосфат пен макроэргиялық ацетилфосфатқа ыдырайды: глицеральдегид-3-фосфат гомоферментативті тізбекке қосылса, ацетилфосфат гетероферментативті өнімдердің түзілуіне әкеледі.

2) Сірке және пропион қышқылдарының бағытталған синтезі

Сірке қышқылы: микробтық синтездің негізгі 4 тәсілі

Сірке қышқылы микробтық синтез өнімі ретінде бірнеше биохимиялық жолмен алынуы мүмкін. Төменде өндірістік және теориялық тұрғыдан маңызды төрт тәсіл келтірілген.

1) Этанолды сіркеқышқылды бактериялармен тотықтыру

Негізгі продуценттер: Acetobacter (A. aceti, A. xylinum, A. peroxydans) және Gluconobacter (G. oxydans). Олар көмірсутекті және спиртті субстраттарды ассимиляциялап, сұйық культурада ацетатты жинақтай алады.

  • Ацидофильділік: рН 4,0-та өсе алады; оптимум рН 5,0–6,0.
  • Оттекке тәуелділік: қатты аэробтар; оттек жетіспесе метаболизм күрт тежеледі.
  • Терең тотықтырмайды: көбіне өнімді «жартылай тотыққан» деңгейде (ацетат) жинайды.

Биосинтез логикасы: этанол → ацетальдегид → сірке қышқылы (екі кезең де NAD/NADP-тәуелді дегидрогеназалармен жүреді).

A. aceti үшін оптимум: 30°C, рН 5,0–6,0, интенсивті аэрация.
Бастапқы субстрат құрамы: этанол мен сірке қышқылы шамамен 5,5% : 7,5%.

2) Гомоацетогенді бактериялар арқылы ацетат түзілуі

Өкілдері: Clostridium aceticum, Cl. thermoautotrophicum, Eubacterium limosum және т.б. Олар анаэробты жағдайда гексоздарды, пентозаларды және кейбір органикалық қышқылдарды пайдаланып, метаболизмнің негізгі (кейде жалғыз) өнімі ретінде ацетат түзеді.

Кейбір түрлер (мысалы, Acetoanaerobicum woodii, Cl. thermoaceticum, Cl. formiaceticum) ацетатты құмырсқа қышқылы мен CO₂-дан да синтездей алады.

Cl. thermoaceticum үшін оптимум: 60°C, рН 6,7–7,4, қатаң анаэробты жағдай.

3) Гетероферментативті сүтқышқылды ашу арқылы (CO₂ бірге)

Бұл механизм гетероферментативті сүтқышқылды ашуға ұқсас: сүт қышқылы қатарында ацетат та түзіледі. Алайда сірке қышқылын таза өнім ретінде тиімді алуға көбіне жарамсыз.

4) Пропионқышқылды ашу механизмі бойынша

Пропионқышқылды ашудың негізгі қоздырғыштары: Propionibacterium (P. shermanii, P. pentosaceum, P. freudenreichii) және кейбір Clostridium түрлері (Cl. propionicum). Бұл микроорганизмдер — көбіне факультативті анаэробтар; гексозаларды, ал кей жағдайда пентозаларды да ассимиляциялай алады.

Соммалық теңдеу

3C6H12O6 + 8ADP + 8H3PO4 → 4CH3CH2COOH + 2CH3COOH + 2CO2 + 8ATP

Шешуші кезең: ПВК молекуласының метилмалонил-КоА-мен транскарбоксилденуі; нәтижесінде пропионил-КоА және қымыздықсірке қышқылы (ЩУК/оксалоацетат) түзіледі. Одан әрі аралықтар малат/фумарат/янтар қышқылы арқылы түрленеді.

Маңызды коферменттер: биотин (карбоксилтрансферазалар), FAD (сукцинатдегидрогеназа), B12 (метилмалонил-КоА-мутаза).

P. shermanii үшін оптимум: 30°C, рН 5,0–6,0.

Кейбір клостридийлерде пропион қышқылының түзілуі балама механизм бойынша жүруі мүмкін (мысалы, акрил-КоА арқылы жүретін қалпына келтіру сатылары).

3) ЦТК (Кребс циклі) арқылы биосинтез: лимон қышқылы мысалы

Кейбір микроорганизмдер, әсіресе мицелийлі саңырауқұлақтар, культура сұйықтығында Кребс циклі аралық өнімдерін едәуір мөлшерде жинай алады. Ең маңыздысы — лимон қышқылы. Мұндай қасиет Penicillium және Mucor туыстарында байқалады, ал өндірісте кең қолданылатын продуценттердің бірі — Aspergillus niger штамдары.

1) Көміртек ағынын ЦТК-ға күшейту

Саңырауқұлақтар CO₂ фиксациясын күшейтіп, ПВК-дан оксалоацетат түзілуін қамтамасыз етеді. ЦТК аралықтарын толықтырудың қосымша жолы — глиоксилат циклі.

2) Ферменттік реттелу

Цитратсинтаза белсендіріліп, ал циклдің кейбір ферменттері тежеледі, әсіресе: изоцитратдегидрогеназа және α-кетоглутаратдегидрогеназа. Бұл цитраттың жиналуына ықпал етеді.

3) Аэробты қайта тотығу қажеттілігі

Процесс молекулалық оттекке тәуелді: ЦТК барысында түзілетін NADH және FADH₂ қайта тотығу үшін тиімді аэрация қажет.

Лимон қышқылы биосинтезінің оптимальді шарттары

  • Температура: 28–30°C.
  • рН: 2,0–4,0.
  • Аэрация: интенсивті болуы керек.

Температура мен рН жоғарылаған жағдайда басқа органикалық қышқылдардың шығымы артуы мүмкін, әсіресе қымыздық және глюкон қышқылдары.

Альтернативті тәсіл: ашытқылар арқылы

Лимон қышқылын Candida (мысалы, C. lipolytica) ашытқыларымен n-алкандар негізіндегі субстратта синтездеудің альтернативті тәсілдері ұсынылған. Бұл жағдайда биосинтез механизмі субстраттың тотығуымен және көміртек ағынының қайта бөлінуімен үйлесімді түрде іске асады.