Кинетика роста популяций микроорганизмов

Классификация ферментов

Ингибирование ферментативных реакций

Кинетика ферментативных реакций

Скорость процессов зависит от скорости самой медленной (лимитирующей) реакции, т.е. от скорости распада фермент-субстатного комплекса.

Такую задачу можно решить, составив классическую кинетику, а также любую математическую модель, описывающую скорость образования продуктов, полученных при распаде фермент-субстатного комплекса.

Cкорость распада фермент-субстратного комплекса:

При максимальных скоростях в стационарном режиме:

Тогда получим концентрацию фермент-субстратного комплекса

Где

Тогда

Обозначим:
– константа Михаэлиса

Тогда

Скорость образования продукта:

При Е =Е₀ скорость будет максимальной:

– уравнение Михаэлиса-Ментен

Физический смысл k_m - это концентрация субстрата, при которой скорость ферментативной реакции принимает величину половины от максимальной.

Активность фермента будет зависеть не только от наличия в среде активаторов (коферментов), но и от наличия ингибиторов, которые снижают активность фермента.

Существуют два вида ингибирования:

1) Неконкурентное ингибирование, когда ингибитор не контактует с активизированным центром энзима.

2) Конкурентное ингибирование, где ингибитор Становился на место субстрата, блокирует активный центр.

Под действием ингибиторов ферментативная реакция может останавливаться полностью.

Конкурентное ингибирование может быть обратимым и необратимым.

Уравнение Михалиса-Ментен с учетом ингибирования:

Описание кинетики образование продуков ферментативной реакции моделируются с учетом конкурентного моделирования.

В период открытия первых ферментов названия им давались по случайным признакам. Пиксин, обнаруженный в желудочном соке получил свое название от греческого – пищеварение.

Позже была предложена рациональная номенклатура, где ферменты назывались по субстрату на который они действуют, прибавляем суффикс «аза», так например фермент разлагающий сахарозу, называется сахараза. А фермент разлагающий мочевину – уреаза.

Однако расширение знаний о ферментах, показала, что такая номенклатура зачастую оказывается неоднозначной, так как различные реакции, с одним и тем же субстратом могут катализировать разные ферменты.

В настоящее время известно порядка 1000 ферментов.

В 1961 году международный биохимический конгресс принял новую классификацию и номенклатуру ферментов, построенную строго на научных признаках.

Согласно этой классификации все ферменты, по типу катализируемой реакции подразделяют на шесть классов, классы на подклассы, подклассы на подподклассы, всего существует 4 иерархии.

Каждый фермент имеет четырехзначный шифр, согласно иерархии. Последняя цифра соответствует номеру фермента в соответствии с подклассом. Систематическое название фермента несет химическую информацию.

Однако иногда название оказывается слишком громоздким, поэтому в повседневной практике используют повседневные названия.

Оксиредуктазы – ускоряют окислительно-востановительные реакции осуществляют перенос электронов или атомов водорода, от окисляемого субстрата к акцептору, который при этом восстанавливается.

В общем случае дегидрогеназы называются анаэробными. Ко-ферментом является никотинамид динуклеатит фосфат (НАДФ) участвуют в энергетических процессах в клетке, разлагают органические соединения.

Дегидрогеназы, отнимают водород и не возвращают его в окружающую среду оставляя его в клетке. Вторичные дегидрогеназы также расщепляют органические соединения, чаще всего дегидрируют органические кислоты и аминокислоты, в качестве кофермента содержат флавинадин динуклеотит (ФАДН) и (ФМН). Активной частью этих веществ является витамин B2, который участвует в ОВР.

Донором водорода служат первичные дегидрогеназы.

Вторичные дегидрогеназы могут передавать кислород непосредственно водороду, поэтому носят название анаэробные. Однако в большинстве случаев восстановленные формы флавинодегидрогеназ в качестве конечных акцепторов используют группу окислительно восстановительных ферментов, составляющих цитохромную …….

Цитохромы содержат железосодержащие группы. Способные переносить электроны от ФАД водорода к молекулярному кислороду, с образованием воды, при этом изменяется степень окисления у железа.

Хиноны – способны к окислительно восстановительным процессам в результате процесса присоединения или отдачи, могут участвовать в процессе передачи от флавиногеназ на цитохромную систему. В совокупности оксиредуктаз участвующих в транспорте электрона от исходного субстрата к конечному акцептору составляют дыхательную цепь ферментов, в условиях (анаэробных или наоборот) длинна зависит от вида микроорганизмов.

Важное значение имеет структурная организация в системе окислительно восстановительных ферментов. В клетке …….. она локализована на внутренней мембране у прокариотов на цитоплазменной мембране.

Помимо описанных ферментов к оксиредуктазам относят: католаза, которая расщепляет токсичный для организма Н2О2 и пероксидаза.

Трансферазы – катализирует перенос функциональных групп, ферменты этого класса подразделяют в зависимости от характера переносимой группы.

Фосфоферазы– катализирут перенос остатка фосфорной кислоты, благодаря этому целый класс органических соединений превращается в фосфорные эфиры, легко вступающие в реакцию.

Гидролазы – катализирует реакции гидролиза расщепления сложных биологических субстратов. В зависимости от химической природы связи различают: Эстеразы – осуществляют гидролиз сложных эфиров.

Глинолидазы – действуют на глинозидные связи углерода.

Пептидазы – катализируют гидролиз белков по пептидным связям.

У прокариот многие гидролазы относят к внеклеточным экзоферментам.

Лиазы - катализируют гидралитические отщепления гидролитических группировок атомов с образованием двух связей или присоединению по месту этих связей.

Изомеразы – катализируют внутримолекулярные превращения одних изомеров в другие.

Лигазы – катализируют синтез сложных органических соединений.

В процессе жизнедеятельности в организме протекает миллион ферментативных реакций. Встает задача моделирования роста организма и нахождение уравнений, описывающих скорость протекания процессов роста. Инженера интересует как растет биомасса в процессе очистке воды в аэротенке или биофильтре. Х – биомасса [г/л].

Кинетика роста популяций изучает изменение биомассы за еденицу времени (dx/dt)

Многие математические модели, описывают кинетику изменения биомассы. Одна из них (самая простая) модель Моно.

Модель Моно учитывает лимитирующее действие субстрата.

(1)

При этом Моно принял, что m – удельная скорость роста микроорганизмов подчиняется полностью закону Михалиса-Ментен:

(2)

Где m_max – максимальная удельная скорость роста, S – концентрация субстрата (L – загрязнения), k_S – константа полунасыщения, т.е. это такая концентрация субстрата, при которой удельная скорость роста принимает значение половины максимальной.

(3)

Вводиться понятие экономического коэффициента по субстратам: y_s_/_x, который определяет какое количество субстрата пошло на прирост биомассы, на процессы жизнедеятельности и т.д. Экспериментальные исследования показывают, что микроорганизмы в самых простых случаях растут следующим образом:

1 фаза: лакфаза (конфигурация биомассы постоянна или уменьшается, связана адаптацией);

2 фаза: ускорения роста (культура начинает расти, после адаптации);

3 фаза: логфаза – фаза экспоненциального роста (биомасса растет по экспоненциальному закону);

4 фаза: фаза замедления роста (связана с недостаточным подводом О₂ еще при наличии субстрата);

5 фаза: фаза – стационарная фаза (когда субстрат исчерпан, микроорганизмы перестают расти).

6 фаза: фаза отмирания (лизис клетки).

Другие математические модели учитывает некоторые факторы, воздействующие на биомассу.

Модель Иерусалимского. Он показал, что скорость роста биомассы максимальна при отсутствии продукта.

(4)

k_P – константа, физический смысл которой заключается в том, что это такая концентрация продукта, при которой удельная скорость роста становится ½ от максимальной.

(5)

Модель Холдейна: (с учетом ингибирующего действия субстрата)