Məlumat

Aktivləşdirilmiş daşıyıcı molekullar və onların fermentlərlə əlaqəsi

Aktivləşdirilmiş daşıyıcı molekullar və onların fermentlərlə əlaqəsi


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Mən Hüceyrənin Molekulyar Biologiyasını oxuyuram və tam başa düşmədiyim bir şey fermentlə aktivləşdirilmiş daşıyıcı molekul arasındakı fərqdir. Mən başa düşürəm ki, fermentlər reaksiya üçün aktivləşmə enerjisini azaldır və bu mənada reaksiyanın baş vermə sürətini sürətləndirir. Mən həmçinin başa düşürəm ki, aktivləşdirilmiş daşıyıcı molekullar mənfi reaksiyaları (anabolik reaksiyalar kimi) irəli apara bilən enerji mənbəyi kimi çıxış edir. Amma mən hələ də dəqiq fərqi başa düşə bilmirəm. Mən maraqlandım ki, kimsə bu məsələyə aydınlıq gətirə bilərmi?


Fermentlərin təsvirləri çox olduğu üçün "aktivləşdirilmiş daşıyıcı molekul"un mənasına diqqət yetirəcəyəm. Bunu etmək üçün əvvəlcə iki başqa ideyanı təqdim etməliyəm. Bunu sual səviyyəsinə uyğunlaşdırdığım üçün puristlərdən üzr istəyirəm.

1. Biokimyəvi Mülahizələrdə Gibbs Sərbəst Enerji

Enerjini nəzərdən keçirməyin müxtəlif yolları var və kimyada biri nəzərə alına bilər bağ enerjisi müəyyən bir molekula münasibətdə. Lakin biokimyada (bu sualla əlaqəlidir) ümumi proseslərin enerjisinə diqqət yetirilir. Misal üçün "Piruvatdan qlükoza sintezində iştirak edən reaksiyalar enerji baxımından əlverişlidirmi?" və ya "Əgər ümumi reaksiya enerji baxımından əlverişli deyilsə, piruvatdan qlükoza sintezi necə baş verə bilər?" Eynilə, amin turşuları arasında peptid bağlarının formalaşması kimi fərdi reaksiyalar üçün.

Bu cür mülahizələr üçün termodinamik konsepsiya (Gibbs) Sərbəst Enerji (G) ən faydalıdır. Bunun səbəbi budur dəyişmək reaksiya (və ya digər vəziyyət dəyişikliyi) zamanı sərbəst enerjidə (ΔG) reaksiyanın özbaşına baş verə biləcəyini göstərir. Berqdəki faydalı bölmədən sitat gətirmək üçün və b.

Reaksiya kortəbii olaraq yalnız baş verə bilər ΔG mənfidir.

Beləliklə, yuxarıda qeyd olunan reaksiya ardıcıllığında piruvatdan qlükozanın ümumi sintezi (qlükoneogenez) müsbət ΔG-yə malikdir və enerji baxımından əlverişsizdir, əks proses (qlikoliz) isə enerji baxımından əlverişlidir. Eyni şəkildə peptid bağının formalaşması, təəccüblü deyil, müsbət ΔG-yə malikdir və enerji baxımından əlverişli deyil.

2. Canlı hüceyrələrdə enerji baxımından əlverişsiz reaksiyalar necə həyata keçirilir?

Başlıqda verilən sual, prosesləri təmsil edən əsas reaksiyaların enerji baxımından əlverişsiz olmasına baxmayaraq, qlükoneogenez və peptid bağlarının əmələ gəlməsinin canlı hüceyrələrdə baş verməsindən irəli gəlir. Cavab [bölmə 14.1.1. Berg və b.]

Termodinamik cəhətdən Əlverişsiz Reaksiya Əlverişli Reaksiya ilə idarə oluna bilər

Artıq qeyd edildiyi kimi, vacib olan ümumi prosesin ΔG-dir, ona görə də müsbət ΔG ilə reaksiya daha böyük miqyaslı mənfi ΔG-dən birinə “qoşa” olarsa, ümumi reaksiya davam edə bilər. Misal üçün:

A → B ΔG = 20 kJ/mol (əlverişsiz) C → D ΔG = -30 kJ/mol (əlverişli) A + C → B + D ΔG = -10 kJ/mol (əlverişlidir)

C → D reaksiyası tək baş verərsə, sərbəst enerji biokimyəvi cəhətdən yararsız istilik kimi sərbəst buraxılır. A → B reaksiyasına qoşularsa, tarazlığın istilik kimi itirilməsi ilə sonuncunu hərəkətə gətirir.

3. Enerji birləşməsində aktivləşdirilmiş daşıyıcı molekulların rolu

Aydındır ki, hər hansı birləşmiş reaksiya suyun yuxarıya doğru axmasına səbəb ola bilər. Ancaq davam etmək üçün əlverişli reaksiya üçün başlanğıc molekulları bərpa etmək lazımdır. Mənfi sərbəst enerji dəyişikliyi ilə məhdud sayda mütəxəssis reaksiyalarından istifadə etməklə bu bərpa prosesini ixtisaslaşdırmaq daha səmərəlidir. Bu cür xüsusi əlverişli reaksiyaların substratlarının (reaksiya edən molekulların) təsviri “aktivləşdirilmiş daşıyıcı molekullardır”. Alberts və b. onları aşağıdakı kimi müəyyənləşdirin:

Hüceyrələrdə asanlıqla dəyişdirilə bilən enerjini bir və ya daha çox enerji ilə zəngin kovalent bağlar şəklində saxlayan kiçik yayılan molekullar. Nümunələr ATP və NADPH-dir.

Berg və b. termini də istifadə edin, lakin onu aşağıdakı misallarla təsvir edin:

  • ATP fosforil qruplarının aktivləşdirilmiş daşıyıcısı kimi, çünki ATP-dən fosforun ötürülməsi ekzerqonik bir prosesdir (yəni mənfi ΔG-yə malikdir)
  • Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+) yanacaq molekullarının oksidləşməsində əsas elektron daşıyıcısıdır. (Baxmayaraq ki, bu halda bu, Alberts tərəfindən qeyd edildiyi kimi azaldılmış formanın, NADH - və ya NADPH-nin oksidləşməsini əhatə edən yarım reaksiyadır. və b. - mənfi ΔG var).
  • Koenzim A… asil qruplarının daşıyıcısıdır (lakin bu, asil-CoA molekullarının asil qrupunun - məsələn, asetil KoA-nın mənfi ΔG-yə malik olan CoA generasiyası ilə ötürülməsidir).

Bu cür molekulların maddələr mübadiləsində iştirakına dair nümunələr istinad edilən həcmdə tapıla bilər, lakin mən vurğulayım ki, bu molekulların daşıdıqları qrupların (və ya elektronların) iştirakı ilə xüsusi reaksiyaları vacibdir.

Bəs fermentlər haqqında nə demək olar?

Posterdə deyildiyi kimi, “fermentlər aşağı düşür aktivləşdirmə enerjisi reaksiya üçün”. Onlar (ümumiyyətlə) ΔG-yə heç bir təsiri olmayan böyük zülal katalizatorlarıdır və reaksiyanın sonunda dəyişməz qalırlar.

Əlbəttə ki, onlar biokimyəvi reaksiyalar üçün vacibdir, onlar iştirak edir və reaksiya verə bilmələri üçün substratları və aktivləşdirilmiş daşıyıcıları yan-yana gətirmək üçün bağlama yerləri təmin edirlər. Lakin onlar kiçik aktivləşdirilmiş daşıyıcılardan daha fərqli ola bilməzdilər.


4.2: Enzimatik Fəaliyyətə Nəzarət

  • Kevin Ahern, İndira Rajagopal, və Taralyn Tan tərəfindən töhfə
  • Oreqon Dövlət Universitetində professor (Biokimya və Biofizika).

Bu bölmənin çap edilə bilən versiyası buradadır: BiochemFFA_4_2.pdf. Bütün dərsliyi müəlliflərdən pulsuz olaraq http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy saytında əldə etmək olar.


Hüceyrədaxili siqnalizasiya üsulları

Siqnal yolunun induksiyası bir sıra enzimatik modifikasiyaları aktivləşdirir ki, bu da öz növbəsində aşağı axının növbəti komponenti tərəfindən tanınır.

Öyrənmə Məqsədləri

Bir liqandın bağlanmasının hüceyrə boyunca siqnal ötürülməsinə necə başladığını izah edin

Əsas Çıxarışlar

Əsas Nöqtələr

  • Fosforlaşma, zülal kimi bir molekula fosfat qrupunun əlavə edilməsi, siqnal yollarında baş verən ən ümumi kimyəvi modifikasiyalardan biridir.
  • İkinci xəbərçilərin, siqnalı yayan kiçik molekulların aktivləşməsi siqnal yolunun induksiyasından sonra ümumi bir hadisədir.
  • Kalsium ionu, siklik AMP və inositol fosfolipidləri geniş istifadə olunan ikinci xəbərçilərə misaldır.

Əsas Şərtlər

  • ikinci elçi: hüceyrə daxilində siqnal ötürmək üçün istifadə edilən hər hansı bir maddə, xüsusən də hüceyrə komponentlərini aktivləşdirərək hadisələrin şəlaləsini tətikləyən maddə
  • fosforlaşma: tez-tez fermentlər tərəfindən kataliz olunan birləşməyə fosfat qrupunun əlavə edilməsi

Siqnal yolunun induksiyası hüceyrə komponentinin ferment tərəfindən dəyişdirilməsindən asılıdır. Baş verə biləcək çoxsaylı enzimatik modifikasiyalar var ki, onlar öz növbəsində aşağı axındakı növbəti komponent tərəfindən tanınır.

Siqnal yollarında baş verən ən ümumi kimyəvi modifikasiyalardan biri fosfat qrupunun (PO) əlavə edilməsidir.4 –3 ) fosforlaşma deyilən bir prosesdə zülal kimi bir molekula. Fosfat ÜDM və ya GTP yaratmaq üçün GMP kimi bir nukleotidə əlavə edilə bilər. Fosfatlar tez-tez zülalların serin, treonin və tirozin qalıqlarına əlavə olunur, burada onlar amin turşusunun hidroksil qrupunu əvəz edirlər. Fosfatın ötürülməsi kinaz adlı bir ferment tərəfindən kataliz edilir. Fosforilləşdirdikləri substrata görə müxtəlif kinazlar adlanır. Serin və treonin qalıqlarının fosforlaşması çox vaxt fermentləri aktivləşdirir. Tirozin qalıqlarının fosforlaşması ya fermentin fəaliyyətinə təsir göstərə bilər, ya da siqnal kaskadında aşağı axın komponentləri ilə qarşılıqlı əlaqədə olan bir bağlayıcı sahə yarada bilər. Fosforlaşma fermentləri aktivləşdirə və ya təsirsiz hala gətirə bilər.

Fosforlaşma nümunəsi: Zülalın fosforilləşməsində serin, treonin və tirozin amin turşularının qalıqlarına bir fosfat qrupu (PO4-3) əlavə edilir.

İkinci messencerlərin aktivləşdirilməsi də siqnal yolunun induksiyasından sonra ümumi bir hadisədir. Onlar siqnal molekulunun reseptorla bağlanması ilə işə salındıqdan sonra siqnalı yayan kiçik molekullardır. Bu molekullar müəyyən hüceyrə zülallarının davranışını dəyişdirərək sitoplazma vasitəsilə siqnalın yayılmasına kömək edir.

Kalsium ionu geniş istifadə olunan ikinci xəbərçidir. Hüceyrə daxilində kalsium ionlarının (Ca 2+) sərbəst konsentrasiyası çox aşağıdır, çünki plazma membranındakı ion nasosları onu çıxarmaq üçün davamlı olaraq adenozin-5 trifosfatdan (ATP) istifadə edir. Siqnal məqsədləri üçün Ca 2+ endoplazmatik retikulum kimi sitoplazmik veziküllərdə saxlanılır və ya hüceyrədən kənardan daxil olur. Siqnalizasiya baş verdikdə, liqandla bağlanmış kalsium ion kanalları hüceyrədən kənarda (və ya hüceyrədaxili saxlama bölmələrində) mövcud olan daha yüksək Ca 2+ səviyyələrinin sitoplazmaya axmasına imkan verir ki, bu da sitoplazmik Ca 2+ konsentrasiyasını artırır. Ca 2+ artımına reaksiya, iştirak edən hüceyrə növündən asılı olaraq dəyişir. Məsələn, mədəaltı vəzinin β-hüceyrələrində Ca 2+ siqnalı insulinin ifrazına səbəb olur, əzələ hüceyrələrində isə Ca 2+ artımı əzələ daralmasına səbəb olur.

Bir çox müxtəlif hüceyrə tiplərində istifadə edilən digər ikinci mesajçı siklik AMP (cAMP)-dir. Tsiklik AMP ATP-dən adenilil siklaza fermenti tərəfindən sintez olunur. Hüceyrələrdə cAMP-nin əsas rolu cAMP-dən asılı kinaz (A-kinaz) adlı bir fermentə bağlanmaq və aktivləşdirməkdir. A-kinaz bir çox həyati vacib metabolik yolları tənzimləyir. Hədəf zülallarının serin və treonin qalıqlarını fosforilləşdirir və bu prosesdə onları aktivləşdirir. A-kinaz bir çox fərqli hüceyrədə olur, hər növ hüceyrədə hədəf zülallar fərqlidir. Fərqlər müxtəlif hüceyrələrdə cAMP-yə cavabların dəyişməsinə səbəb olur.

İkinci messencer kimi cAMP nümunəsi: Bu diaqram siklik AMP (cAMP) əmələ gəlməsi mexanizmini göstərir. cAMP hüceyrə daxilində zülalları aktivləşdirmək və ya təsirsizləşdirmək üçün ikinci bir xəbərçi kimi xidmət edir. Siqnalın dayandırılması fosfodiesteraza adlı bir ferment cAMP-ni AMP-yə çevirdikdə baş verir.

Plazma membranında kiçik konsentrasiyalarda mövcud olan inositol fosfolipidləri ikinci xəbərçilərə də çevrilə bilən lipidlərdir. Bu molekullar membran komponentləri olduğundan, membrana bağlı reseptorların yaxınlığında yerləşir və onlarla asanlıqla qarşılıqlı əlaqədə ola bilirlər. Fosfatidilinositol (PI) hüceyrə siqnalında rol oynayan əsas fosfolipiddir. Kinazlar kimi tanınan fermentlər PI-fosfat (PIP) və PI-bisfosfat (PIP) yaratmaq üçün PI-ni fosforlaşdırır.2).


Qlikolipidlər ailəsi olan lipidlərin biosintezi və struktur-fəaliyyət əlaqələri

Glikolipid Lipid A LPS-nin konservləşdirilmiş amfipatik hissəsidir.

Lipid A yüksək yaxınlıq ilə müəyyən Toll kimi reseptorlara və kaspazalara bağlanır.

Bakteriyalar immun fəaliyyətini modulyasiya etmək üçün Lipid A strukturlarını dəyişdirirlər.

Zəhərli olmayan Lipid A kongenerləri effektiv immunomodulyatorlardır.

Qram-mənfi bakteriyaların xarici membranında olan qlikolipid olan lipopolisakkarid (LPS), məməlilərdə anadangəlmə immun reaksiyaların güclü elisitorudur. Tipik bir LPS molekulu üç fərqli struktur domenindən ibarətdir: polisaxarid O-antigen, əsas oliqosakarid və Lipid A. Lipid A LPS-nin amfipatik qlikolipid hissəsidir. Toll-bənzər reseptor 4-ə möhkəm bağlanaraq immunitet sistemini stimullaşdırır. Bu yaxınlarda Lipid A-nın hüceyrədaxili kaspaza-4 və kaspaza-5-i də aktivləşdirdiyi göstərilmişdir. Müxtəlif Qram-mənfi bakteriyalardan olan Lipid A strukturlarında təsirli müxtəliflik müşahidə edilir və yaxşı müəyyən edilmişdir ki, kimyəvi strukturdakı incə dəyişikliklər kəskin şəkildə fərqli immun fəaliyyətləri ilə nəticələnə bilər. Məsələn, Lipid A-dan Escherichia coli insanlar üçün çox zəhərlidir, halbuki Lipid IV adlanan biosintetik prekursordurA bu zəhərli fəaliyyəti bloklayır və monofosforil Lipid A-dan Minnesota Salmonella vaksin köməkçisidir. Beləliklə, bu qlikolipidlər ailəsindəki struktur-fəaliyyət əlaqələrinin anlaşılması faydalı immunomodulyatorların hazırlanması üçün istifadə edilə bilər. Burada Lipid A-nın biosintezi, modifikasiyası və struktur-fəaliyyət əlaqələrini nəzərdən keçiririk.


Fermentlər: Necə işləyirlər və nə edirlər

Fermentlər insan orqanizmində kimyəvi reaksiyaları sürətləndirməyə kömək edir. Molekullara bağlanır və onları xüsusi yollarla dəyişdirirlər. Onlar minlərlə digər rollar arasında tənəffüs, qida həzm, əzələ və sinir funksiyası üçün vacibdir.

Bu yazıda bir fermentin nə olduğunu, necə işlədiyini izah edəcəyik və insan bədənindəki fermentlərə bəzi ümumi nümunələr verəcəyik.

Pinterest-də paylaşın Amilaz fermenti (şəkildə) nişastanı şəkərlərə parçalayır.

Fermentlər bütün bədəndə mövcud olan mürəkkəb formalara qatlanmış zülallardan ibarətdir.

Bizi həyatda saxlayan kimyəvi reaksiyalar - maddələr mübadiləsimiz - fermentlərin yerinə yetirdiyi işə əsaslanır.

Fermentlər sürətlənir (kataliz etmək) bəzi hallarda kimyəvi reaksiyalar, fermentlər kimyəvi reaksiyanı onsuz ola biləcəyindən milyonlarla dəfə daha sürətli edə bilər.

A substrat ilə bağlayır aktiv sayt fermentə çevrilir məhsullar. Məhsullar aktiv sahəni tərk etdikdən sonra ferment yeni substrata yapışmağa və prosesi təkrarlamağa hazırdır.

Həzm sistemi – fermentlər orqanizmə daha böyük mürəkkəb molekulları qlükoza kimi kiçik molekullara parçalamağa kömək edir ki, orqanizm onlardan yanacaq kimi istifadə edə bilsin.

DNT replikasiyası - bədəninizdəki hər bir hüceyrədə DNT var. Hüceyrə hər dəfə bölündükdə həmin DNT-nin kopyalanması lazımdır. Fermentlər bu prosesdə DNT sarımlarını açaraq və məlumatları kopyalayaraq kömək edir.

Qaraciyər fermentləri – qaraciyər orqanizmdə olan toksinləri parçalayır. Bunun üçün bir sıra fermentlərdən istifadə edir.

“Kilid və açar” modeli ilk dəfə 1894-cü ildə təklif edilmişdir. Bu modeldə fermentin aktiv yeri xüsusi formadır və ona kilid və açar kimi yalnız substrat uyğun gəlir.

Bu model indi yenilənib və adlanır induksiyalı uyğun model.

Bu modeldə aktiv sahə substratla qarşılıqlı əlaqədə olarkən formasını dəyişir. Substrat tam olaraq kilidləndikdən və dəqiq vəziyyətdə olduqdan sonra kataliz başlaya bilər.

Fermentlər yalnız müəyyən şərtlərdə işləyə bilər. İnsan bədənindəki fermentlərin əksəriyyəti təxminən 37 ° C - bədən istiliyində ən yaxşı işləyir. Aşağı temperaturda onlar hələ də işləyəcəklər, lakin daha yavaş.

Eynilə, fermentlər yalnız müəyyən bir pH diapazonunda (turşu/qələvi) fəaliyyət göstərə bilər. Onların üstünlükləri bədəndə harada tapıldığından asılıdır. Məsələn, bağırsaqlardakı fermentlər 7,5 pH-da ən yaxşı işləyir, mədədəki fermentlər isə pH 2-də ən yaxşı işləyir, çünki mədə daha turşudur.

Temperatur çox yüksəkdirsə və ya mühit çox turşu və ya qələvidirsə, fermentin forması dəyişir, bu da aktiv sahənin formasını dəyişir ki, substratlar ona bağlana bilmir - ferment denatürasiya edilmiş.

Bəzi fermentlər, onlara bağlı xüsusi bir protein olmayan molekul olmadan fəaliyyət göstərə bilməzlər. Bunlara kofaktorlar deyilir. Məsələn, karbonik anhidraz, bədənin pH səviyyəsini saxlamağa kömək edən bir ferment, sink ionuna bağlanmasa, işləyə bilməz.

Bədənin sistemlərinin düzgün işləməsini təmin etmək üçün bəzən fermentləri yavaşlatmaq lazımdır. Məsələn, bir ferment çox məhsul istehsal edirsə, istehsalı azaltmaq və ya dayandırmaq üçün bir yol olmalıdır.

Fermentlərin fəaliyyəti bir neçə yolla inhibə edilə bilər:

Rəqabətli inhibitorlar – molekul aktiv sahəni bloklayır ki, substrat fermentə yapışmaq üçün inhibitorla rəqabət aparsın.

Rəqabətli olmayan inhibitorlar – molekul aktiv bölgədən başqa bir yerdə fermentə bağlanır və onun effektiv işləməsini azaldır.

Rəqabətsiz inhibitorlar – inhibitor bir-birinə bağlandıqdan sonra ferment və substrata bağlanır. Məhsullar aktiv sahəni daha az asanlıqla tərk edir və reaksiya yavaşlayır.

Geri dönməz inhibitorlar – geri dönməz inhibitor bir fermentə bağlanır və onu daimi olaraq təsirsiz hala gətirir.

İnsan bədənində minlərlə ferment var, bunlardan yalnız bir neçəsi:

  • Lipazlar – bağırsaqda yağları həzm etməyə kömək edən fermentlər qrupu.
  • Amilaza - nişastanın şəkərə çevrilməsinə kömək edir. Amilaza tüpürcəkdə olur.
  • maltaz – tüpürcəkdə də olan şəkər maltozunu qlükozaya parçalayır. Maltoza kartof, makaron və pivə kimi qidalarda olur.
  • Tripsin – nazik bağırsaqda olur, zülalları amin turşularına parçalayır.
  • laktaza – həmçinin nazik bağırsaqda olur, laktozanı, süddəki şəkəri qlükoza və qalaktoza parçalayır.
  • Asetilkolinesteraza - sinirlərdə və əzələlərdə asetilkolin neyrotransmitterini parçalayır.
  • Helikaz - DNT-ni açır.
  • DNT polimeraza - deoksiribonukleotidlərdən DNT sintez edir.

Fermentlər insan orqanizminin gündəlik işində böyük rol oynayır. Birləşmələrə bağlanaraq və onları dəyişdirərək, onlar həzm sisteminin, sinir sisteminin, əzələlərin və daha çoxunun düzgün işləməsi üçün həyati əhəmiyyət daşıyır.


İlk Hüceyrənin Təkamülü | Biologiya

Erkən canlı hüceyrələr RNT həyat formaları idi, lipoprotein vezikülləri ilə örtülmüş özünü təkrarlayan RNT pre-prokaryotlar idi, zamanla zülallar RNT-nin katalitik funksiyasını, DNT isə müasir prokariotların sələfləri olan RNT-nin kodlaşdırma funksiyasını DNT- ilə əvəz etdi. RNT-zülal fəaliyyət növləri inkişaf etmişdir.

RNT dünyasından ilk ibtidai hüceyrənin təkamülü böyük bir boşluqdur. İbtidai bakteriya hüceyrəsi, RNT dünyası haqqında təsəvvürlərimizlə müqayisədə ən azı 1000 genə malik olduqca mürəkkəb bir quruluş və quruluşu təmsil edir.

Bu boşluğu doldurmaq üçün aşağıdakı problemləri həll etmək lazımdır:

1. Zülalın fermentlər kimi ribozimlər üzərində dominant rolu.

2. RNT-nin müxtəlif növlərinin diferensiasiyası.

3. Genetik məlumatın daşıyıcısı kimi RNT-dən DNT-yə keçid.

5. Xromosomun əmələ gəlməsi.

6. Genetik məlumatın artırılması.

7. Genotipin fenotipik ifadəsi.

9. Metabolik prosesin təkamülü.

Pro­teinlərin fermentlər kimi daxil edilməsi daha spesifik kata&şilizlə nəticələndi. Ayrı-ayrı amin turşuları tRNT-də olduğu kimi, yəni amin turşuları ribozimlər üçün ko-ferment kimi çıxış edərsə, RNT zəncirlərinin fermentativ qabiliyyəti yaxşılaşa bilər. Növbəti addım RNT-nin ixtisaslaşmasıdır ki, ‘+’ zəncir mRNT rolunu oynasın və ‘-‘ zəncir tRNT kimi fəaliyyət göstərsin və ‘+’ zəncirinə bir anti ilə bağlansın. -kodon üçlüyü.

Nəhayət, amin turşuları katalitik aktivliyi daha da yaxşılaşdıracaq bir polipeptid zəncir kimi birləşdirilə bilər. Bu fikir, oxşar funksiyaya malik müxtəlif orqanizmlərin tRNT-lərinin daha yaxından əlaqəli olması və beləliklə, tRNT-nin genetik kodun mənşəyinə və RNT dünyasına qədər izlənilə bilməsi ilə dəstəklənir.

Müxtəlif RNT növlərinin diferensiasiyası:

Fərqli RNT-lərin funksional ixtisaslaşması proto-hüceyrələrdə səmərəliliyin artırılmasında uyğunlaşdı. Amin turşularının toplanmasında ixtisaslaşan bəzi RNT (tRNT), digərləri isə (rRNT) onları bir araya gətirərək üçüncü növ RNT-nin (mRNT) kodunun əsasını təşkil edir.

Mürəkkəb orqanizmlərin yaranması genetik material kimi RNT-dən DNT-yə keçidi tələb edir. Cüt zəncirli DNT RNT-dən qat-qat stabildir və replikasiya ilə əlaqədar ferment və şimmatik sübut oxumağa və korreksiyaya imkan verir və bununla da mutasiya sürətini azaldır (şək. 2.10).

RNT orqanizmlərindəki genetik məlumat bakterial xromosomdakı 10 milyon baza cütü ilə müqayisədə maksimum 10 min baza cütünə uyğun gəlir.

RNT-nin karbohidrat onurğasında ribozanın dezoksiriboza ilə, urasil əsasının isə timinlə əvəzlənməsi DNT ilə nəticələndi. Dezoksiriboza hüceyrələrdə ribozanın enzimatik olaraq kon­trolled azalması nəticəsində əmələ gəlir. RNT virusunda əks transkriptaza ilə RNT-dən DNT-nin fermentativ sintezi bu gün yaxşı məlumdur.

Birinci Hüceyrədə Kodun Mənşəyi:

İyirmi amin turşusu üçün artıqlığı olan üçlükdə ifadə edilən dörd əsasa əsaslanan genetik kod demək olar ki, universaldır. tRNT-nin mRNT kodonu və ya antikodonu ilə amin turşusunun kimyəvi quruluşu arasında kimyəvi əlaqə olmasa da, verilmiş tRNT-nin müəyyən bir amin turşusuna spesifikliyi inkişaf etmişdir. Bütün bu xüsusiyyətlər replikasiya xətaları riskini və nöqtə mutasiyalarının dərəcəsini minimuma endirir.

Xromosomun formalaşması:

Bir dəfə membrana bağlanan sərbəst üzən RNT molekulları tək bir xromosomda birləşən genlərə sahib olmaq üçün uyğunlaşacaqlar. Proto-hüceyrələrində təkrarlanan müxtəlif növ sərbəst üzən RNT molekulları, aşağı uyğunluq ilə proto-hüceyrə bölündükdən sonra qız hüceyrələrində qeyri-bərabər paylanır.

Bu, RNT molekullarını bir zəncirlə birləşdirərək və eyni vaxtda replikasiya ilə birləşərək, genomun qız hüceyrələr arasında bərabər paylanması ilə aradan qaldırıla bilər.

Genetik məlumatın artırılması:

Genomun ölçüsü virusdakı bir neçə gendən 1000-ə, bacte­ria-da 1000-ə, meyvə milçəyində 5000-ə və insan və ya daha yüksək bitkilərdə 30 000-ə qədər artır, lakin tərcümə edilə bilən genlərin sayının kəskin artması ilə əlaqəli deyil.

Genetik məlumatın artırılmasının mühüm mexanizmi genlərin ikiqat artması, ardınca yeni ferment və biomolekulların istehsalına səbəb olan mutasiya və seçimdir. Bakteriyalarda olduğu kimi təbii üfüqi gen transferi (transformasiya, konyuqasiya, transduksiya) genetik məlumatın artmasına səbəb ola bilər.

Genotipin fenotipik ifadəsi:

Genlər tez-tez müəyyən fenotipik əlamətlərlə əlaqələndirilsə də, genlər yalnız zülalları/fermentləri təyin edir. Bir genin (alellərin) variasiyaları müəyyən edilmiş zülaldakı dəyişikliklər vasitəsilə fenotipə təsir göstərə bilər. Əslində, müəyyən bir fenotipin istehsalı genlər və fermentlər və müxtəlif fermentlər arasında qarşılıqlı əlaqə şəbəkəsinin nəticəsidir ki, bu da həll edilə bilməyəcək qədər mürəkkəbdir.

Birinci hüceyrədə hüceyrə membranının mənşəyi:

Lipidlər tərəfindən su səthlərində molekulyar ikiqat təbəqənin kortəbii və şimasiyası ikiqat fosfolipid hüceyrə membranının ori&şiginliyi üçün model rolunu oynayır. Bu, xətti molekulların hidrofobik (qarşılıqlı çəkilmiş) və hidrofilik (suya çəkilmiş) ucları ilə bağlıdır (Şəkil 2.11).

Əgər lipid təbəqələri kürəciklər əmələ gətirirsə, hidrofobik uclar ən aşağı enerji vəziyyətinə çataraq filmin içərisində gizlənir. Fosfo və şilipidlər lipidlərin, qliserin və fosfatın iştirakı ilə asanlıqla əmələ gəlir və belə kürələr silkələmək və sonikasiya yolu ilə eksperimental olaraq hazırlana bilər.

Kütlənin kürələrin tərkibinə və membrana davamlı əlavə edilməsi hüceyrələrin qönçələnməsi və bölünməsi ilə nəticələnir. Hüceyrə membranında hüceyrənin ən həyati funksiyalarının (enerji mübadiləsi, nəqliyyat kanalları) iqamətgahı müxtəlif daxili zülallara əsaslanır (Şəkil 2.12).

Birinci hüceyrədə maddələr mübadiləsinin təkamülü:

Enerji mübadiləsinin əsas növləri fototrofiya, tənəffüs, fermentasiya, metanogenezdir, bunların hamısı bakteriyalar arasında təmsil olunur. Dissimilyasiya enerjisi mübadiləsi (katabolik) yüksək enerji ilə zəngin fosfat bağları ilə ATP yaratmaq mexanizminə aiddir (Şəkil 2.13).

Assimilyasiya maddələr mübadiləsi (anabolik) fototrof (fotosintez), kimyotrofik (xemosintez) və ya hetero-şitrofik rejimlər vasitəsilə ətraf mühitin kimyəvi birləşmələrindən hüceyrənin birləşmə və şiponentlərinin qurulmasına xidmət edən metabolik proseslərə aiddir. Enerji mübadiləsi və şibolizm prosesi AH2 -1- B BH2 + A tipli əlaqəli redoks proseslərinə əsaslanır.

Hüceyrədə tapılan mühüm hidrogen daşıyıcısı NADVNADFH və ya onun fosforlanmış versiyası NADP/NADPH-dir (Şəkil 2.14).

Fermentasiya enerji mübadiləsinin ən primitiv formasını təmsil edirdi, onun biokimyəvi quruluşu sadədir və xarici oksidləşdirici (elektron qəbuledicisi) tələb etmir və O-dan müstəqildir.2. Tanınmış fermentasiya proseslərinə laktik turşu fermentasiyası, etanol fermentasiyası, butir turşusu fermentasiyası daxildir. Tənəffüs yollarında karbohidrat və shidrat mübadiləsi anaerob fermentasiya ilə başlayır.

İlk membrana bağlı elektron trans­port mexanizmi sadə funksional molekullara əsaslanırdı, lakin zülal komponenti olmadan. Effektivliyi və spesifikliyi yaxşılaşdıran protein komponenti daha sonra inkişaf etdirildi.

Kinin, tərkibində por&şifirinlər olan metal, anoksik prebi­otik torpaqda yayılmış qeyri-üzvi FeS kimi çılpaq molekullar fotoaktivləşdirilə bilən və primitiv elektron daşıma sistemi və ya bir növ fotokimyəvi enerjinin ötürülməsi və şidikasiyası üçün cavabdeh olan primitiv hüceyrə membranına daxil ola bilərdi (Şəkil 2.15). ).

Fotosensitiv porfirin protoklorofil və sitoxroma çevrildi. Tənəffüs edən orqanizmlər xloro və şifillərin ikincil itkisi nəticəsində fototrofik orqanizmdən əmələ gəlir və xarici kimyəvi reduksiyadan asılıdır. Fotosintetik bənövşəyi qeyri-kükürd bakteriyaları mitoxondriya ilə demək olar ki, eyni olan elektron daşıma sisteminə malikdir (Şəkil 2.16).

Bir çox mərhələləri və dövrləri əhatə edən mürəkkəb və mürəkkəb biokimyəvi proseslərin mənşəyini izah edən mexanizm, bu yolların əsasən geri dönən olması və prosesi hər iki istiqamətdə kataliz edən faktdır.

CO-nun assimilyasiya azaldılması2 NADFH2 və enerjinin (ATP) köməyi ilə əks istiqamətdə işləyə və dissimilyasiya və oksidləşdirici yola çevrilə bilər, üzvi maddələri CO-ya parçalayır və oksidləşdirir.2 və tənəffüs glikolitik yol və limon turşusu dövrü (Şəkil. 2.17) vasitəsilə ATP azad.

CO2 Kalvin dövrü ilə üzvi maddələrə assimilyasiya olunan qlikolitik yolla oksidləşməyə məruz qalır ki, bu da əslində Kalvin dövrünün əks prosesidir. Limon turşusu dövrünün mənşəyi yaşıl kükürd bakteriyalarının CO-ni mənimsəməsi ilə izlənilə bilər2 reduktiv olan və ATP tələb edən əks limon turşusu dövrü vasitəsilə (Şəkil 2.18).

Prokaryotik hüceyrə:

Yuxarıdakı müzakirədən aydın olur ki, prebiyotik yer üzündə kimyəvi təkamül zülal, nuklein turşusu və s. daxil olmaqla üzvi molekulların yaranmasına səbəb oldu. Temp­plate sisteminin yaradılması, təkamülə uğramış ferment sistemləri və ətrafı əhatə edən lipid membranı, ATP-nin iştirak etdiyi enerji ötürmə mexanizmi inkişaf etmişdir.

Bu, bioloji hüceyrəyə bənzəyən sabit struktur və funksional təşkilatın başlanğıcı ola bilər. Bu hüceyrələr membrana bağlanmış nüvə və orqanoidlər olmadığı üçün prokaryotik adlanır.

İbtidai prokaryotik hüceyrələr mahiyyətcə anaerob hüceyrələr (anaerob bakteriyalar) idi, çünki erkən yer oksigendən məhrum idi. Primaeval şorbasında üzvi birləşmələrin tükənməsi CO-nu fiksasiya edə bilən fotosintetik hüceyrələrin (mavi yaşıl yosunlar) görünüşü ilə nəticələndi.2 və yəqin ki, azot da.

Fotosintetik hüceyrələr atmosferdə oksigen istehsalına cavabdeh idilər, bu da aerob tənəffüs üçün metabolik yollarla aerob hüceyrələrin (aerob bakteriyaların) meydana gəlməsinə səbəb oldu.


Fermentlərin istehsalı və təmizlənməsi: Ekstraksiya və Ayrılma Metodları | Sənaye Mikrobiologiyası

Bu yazıda fermentlərin istehsalı və təmizlənməsi haqqında danışacağıq. e haqqında məlumat əldə edin ekstraksiya və ayırma üsulları fermentlərin təcrid edilməsi və təmizlənməsi üçün. Ekstraksiya üsulları bunlardır: 1. Bərk substrat kulturalarının çıxarılması 2. Hüceyrələrin çıxarılması və ayırma üsulları: 1. Bərk maddələrin ayrılması üsulları 2. Membranların ayrılması üsulları 3. Gel filtrasiyası 4. Adsorbsiya üsulları 5. Çöküntü texnikası. Həm də fermentlərin dözümlülüyü haqqında fikir əldə etmək üçün aşağıdakı məqaləyə nəzər salın və e nzim immobilizasiyası .

Ferment istehsalında xammalın daxil olması ilə məhsulun çıxışı arasında çox əlverişsiz nisbət var. Bu, konsentrasiya və utancaqlıq prosedurlarının quraşdırılmasını tələb edir. Enzim tətbiqinin iqtisadi səbəblərinə görə, sənaye ferment preparatları üçün 10 qata qədər konsentrasiya adətən qənaətbəxşdir.

Məsələn, yuyucu vasitələrdə istifadə olunan ferment məhsullarında təxminən 5-10% proteaz var, un emalında istifadə üçün amilaz preparatları isə cəmi 0,1% saf a-amilazadan ibarətdir. Bununla belə, yüksək təmizlikli fermentlərin tələb olunduğu tətbiqlərdə, məsələn, ferment analizində 1000 qat təmizlənmə olduqca yaygındır.

Çörək bişirmə və dekstroz istehsalı kimi bəzi tətbiqlərdə çirkləndirici fermentlərin mövcudluğu çox aşağı olmalıdır və ya sərt şəkildə nəzarət edilməlidir. Üstəlik, mikrob kulturalarından əldə edilən xam ferment məhlulları, mənbəyindən asılı olmayaraq, müxtəlif növ əlavə məhsullar ehtiva edir. Bütün bu maddələrin ayrılması arzuolunmaz təsirlər ehtimalına görə lazım ola bilər.

Ferment sabitliyini nəzərə alsaq, xam ferment preparatlarının müalicəsinin başqa bir səbəbi var. Ferment tətbiqlərindəki tendensiya maye preparatların və utancaq şəkildə istifadə olunduğundan, stabilləşdirmə mühüm prosedurdur.

Mikro və şibial mənbələrdən fermentlərin geniş miqyaslı izolyasiyası və (qismən) təmizlənməsi üçün üsullar əsasən ənənəvi prosedurlardan istifadə edir. Avadanlıqların çoxu qida emalı zavodlarında tapıla bilər. Fermentlərin təcrid olunması üçün xüsusi olan geniş miqyaslı avadanlıq bazara çıxarılmır.

Qurutma istisna olmaqla, demək olar ki, bütün proses əməliyyatları aşağı temperaturda (tercihen 0°-10°C) həyata keçirilir.

Ayırma prosesləri bir qayda olaraq yox, partiyalar şəklində aparılır. Bununla belə, toplu əməliyyatların miqyasının genişlənməsi təbii olaraq uzadılmış emal vaxtlarına səbəb olur ki, bu da bir çox fermentlər üçün ferment zülalının denatürasiyası səbəbindən aktivliyin artması ilə nəticələnir.

Bu səbəbdən fasiləsiz əməliyyatların tətbiqi faydalı görünür, lakin yüksək etibarlı maşınlara ehtiyac və utancaqlıq davamlı metodların tətbiqini gecikdirir. Bundan əlavə, yağıntı zamanı bir proses addımı partiya şəklində aparıldıqda davamlı emalın dəyəri itirilir.

Ekstraksiya üsulları :

Fermentlərin təcrid edilməsində ilk addım onların çıxarılmasıdır. Bu qrupa daxil olan üsullar ya fermentləri bərk substrat mədəniyyətindən ayırmaq, ya da mikrob hüceyrələrinin daxili hissəsindən fermentləri buraxmaq üçün istifadə olunur.

Bərk Substrat Kulturalarının çıxarılması:

Bərk sub­strate becərilməsi ilə istehsal olunan fermentlər əvvəllər hüceyrədənkənar tipli idi. Buna görə asanlıqla başa düşülür ki, kif kəpəklərinin çıxarılması daha çox yuyulma prosesidir. Əks cərəyan süzmə üsulları ən çox istifadə edilən vahid əməliyyatdır.

Bir çox hallarda kif kəpəkləri çıxarılmazdan əvvəl qurudulur. Müəyyən ferment preparatının istifadəsi mövsümi olduqda, bu, cəlbedicidir. Kulturalar bütün il boyu nisbətən kiçik avadanlıqlarda istehsal oluna bilər, hasilatı isə ferment tələbatının olduğu vaxtlarda aparılır.

Digər tərəfdən, qurudulmuş kəpəkdən ekstraksiya edildikdə daha yüksək ferment konsentrasiyası olan məhlulların əldə ediləcəyi asanlıqla görünür. Və nəhayət, qurutma təzə kulturaların canlı hüceyrələrinin fəaliyyəti nəticəsində yaranan qarşılıqlı və utancaqlığın qarşısını alır. Bununla belə, bu mübahisə və utancaqlıq davamlı olaraq işləyən mədəniyyət zavodlarında tətbiq olunmaya bilər.

Bütün hallarda ekstraktor sudur, lakin tərkibində turşular (qeyri-üzvi və ya üzvi), duzlar, tamponlar və ya fermentin həllini asanlaşdırmaq və ya məhlulda dayanıqlığını artırmaq və ya səbəb olduğu arzuolunmaz təsirləri istisna etmək və ya minimuma endirmək üçün digər maddələr ola bilər. çirkləndirici əlavə məhsullar və ya mikroorqanizmlər.

Bir biokimyəvi proses üçün bütün hüceyrələrin istifadə edilməsi və ya təcrid olunmuş fermentlərin istifadə edilməsi ilə bağlı qərar bir çox amillərdən asılıdır. Technical difficulties and the related cost of large-scale isolation play an important role.

There are a number of methods for cell disruption, as reviewed by Hughes et al. (1971). Chemical and biochemical methods, such as autolysis, treat­ment with solvents, detergents, or lytic enzymes, have the disadvantage of being in principle batch operations. Their conduct is difficult to standardize and optimize. More recommendable are mechanical techniques.

At present, the APV-Manton-Gaulin homogenizer seems to be the most versatile type for cell disintegration. In this machine the cell suspension passes a homogenizing valve at the selected operating pressure and im­pinges on an impact ring. The strong shearing forces combined with the sudden decompression lead to a disruption of the cell wall. Dunnill and Lilly (1972), who examined the disruption of yeast, found that release of protein can be described by a first order rate equation-

Where R is the amount of soluble protein released in g per kg cell mass, Rm the maximum amount of soluble protein released, K a temperature-dependent rate constant, N the number of times the cell suspension has passed the homogenizer, and P the operating pressure. With industrial models, be­tween 50 and 9000 liters of bacterial suspension per hr can be treated, depending on the size of the machine. Ball mills available on the market have a volume capacity of 0.6-250 liters.

Separation Methods :

It is possible here to give only the barest outline of methods that find wider application in the large-scale production of enzymes.

Solids Separation Techniques:

Such methods are involved in the clari­fication of culture liquors and extracts, in the separation of precipitates, and in the sterilization of liquid enzyme preparation by mechanical methods.

The solids to be separated may have a number of properties which make separation processes difficult. For instance, they may be greasy, sometimes colloidal, and often density differences between solid particles and liquid phase are very small. Therefore, pretreatment of the liquor is usually inevitable, as conducted by acidification, addition of water miscible sol­vents or liquid polyions, mild heating, etc.

The problems of large-scale solid-liquid separation are complex and di­verse. There are two approaches- centrifugation and filtration. Industrial centrifuges are not ideal for removal of finely divided biological solids. Disc type centrifuges without solid discharge have proved most efficient for separation of easily settling suspensions of greasy particles. Decanters are used in cases where solids content is high but easily settling, e.g., in the production of dried acetone precipitates.

In cases of poorly settling protein precipitates, hollow bowl centrifuges are employed for separation from low solids suspensions as obtained during fractionated enzyme precipitation. In all cases flow rates must be determined empirically. Sometimes (e.g., with precipitates) the throughput is reduced to less that 10% of the nominal capacity. This requires the integration of cooling devices.

Most frequently filters are more suitable for separation of biological particles. Generally large proportions of filter aids are required. In continu­ous processes vacuum drum filters are used, with diatomaceous earth, wood-meal, or starch as pre-coat materials. Batch operations are conducted with filter presses.

Membrane Separation Techniques:

Membrane processes allow separa­tion of solutes from one another or from a solvent, with no phase change or interphase mass transfer. There are many different kinds of membrane processes, the classification of which is based on the driving forces that cause the transfer of solutes through the membrane. Such a force may be trans-membrane differences in concentrations, as in dialysis electric poten­tial, as in electro-dialysis or hydrostatic pressure, as in microfiltration, ultrafiltration, and reverse osmosis.

At present, ultrafiltration is the only membrane process of importance in large-scale enzyme production. From normal filtration processes it differs just by the size range of the particles to be separated (molecular weight cutoffs between 500 and 300,000). Two types of ultrafiltration membranes are used, which differ in their transport mechanisms and their separation properties.

Isotropic porous membranes are the type most similar to conventional filters. They possess a spongy structure with extremely small random pores the average size of which is in the range of 0.05 to 0.5 microns. Molecules with a diameter smaller than that of the smallest pore will pass the mem­brane quantitatively, whereas particles larger than the largest pore will be retained at the filter surface. Molecules of intermediate size, however, will only pass to some extent.

Another proportion of these particles will be retained within the structure of the membrane. This leads, first, to a decrease in retention (or vice versa, in permeation) with a resulting fouling of the membrane, and secondly, to a reduced discrimination among solutes of different size. In order to minimize fouling it is useful to use membranes with a mean pore size well below that of the solute to be retained. Therefore, porous membranes are advisable for the concentration of high molecular weight solutes (molec. Weight < 1 x 10 6 ).

Diffusive membranes are capable of more selective molecular discrimina­tion. They are essentially homogeneous hydrogel layers, through which the solvent as well as the solute is transported by molecular diffusion under the driving force of a concentration or a chemical potential gradient. The transportation of a molecule through the membrane requires considerable kinetic energy.

This depends, of course, on the dimensions of the diffusing molecule and on the mobility of the single polymer chains within the membrane matrix. As a rule, the rate of diffusion is high when the polymer segments of the matrix are only loosely interlaced, i.e., when the gel matrix is highly hydrated. For this reason all membranes made from hydrophilic polymers and capable of swelling in water to a certain degree are princi­pally suited as pressure filtration membranes for aqueous solutions.

In addition to the retention potential of the membrane the flux is impor­tant for economic reasons. Since in both the porous and the diffusive filter types the flux depends largely on the thickness of the membrane, it is necessary to keep the membrane as thin as possible.

This requirement has been fulfilled by the construction of anisotropic membranes. They consist of a highly consolidated but very thin (0.1-5 μm) active layer on a compara­tively thick (1 to 20 microns) highly porous support. The advantage of these anisotropic membranes is that there is no reduction in solvent permeability at constant hydrostatic pressure because there is no blockage within the membrane.

In any ultrafiltration system, accumulation of solutes at the membrane surface occurs, which leads to formation of a “slime” that increasingly impedes solvent flow through the membrane, until convective transport of solute toward the membrane is equal to the rate of back diffusive transport away from the membrane. This phenomenon is called “concentration polar­ization”.

Proteins and colloidal particles build up solid or thixotropic gels when concentrated beyond a certain point. The solute concentration on the membrane surface reaches an upper limit which is typically between 20 and 70% solute by volume. In order to reduce the polarization effect, in industrial ultrafiltration equipment the feed solution passes the membrane surface at high flow rate.

When a macromolecular solution is ultra-filtered, flux of solvent is de­scribed by the relationship-

Where A is the membrane constant (dependent on temperature, indepen­dent of pressure over the normal operating range), ΔP is the hydrostatic pressure driving force, and Δπ is the osmotic pressure difference across the membrane. For macromolecular solutions with concentrations over 1% w/v, osmotic pressures exceeding 10 to 50 psi are not uncommon.

There are several basic types of ultra-filters – thin channel, tubular, helical tubes, spiral wrapped, and hollow fiber systems. Suitability of a single type depends on the properties of the system to be treated.

The technique of ultrafiltration has the advantage of combining both separation of impurities and concentration of the desired enzyme. However, due to its principle, it is a rather nonselective process. Better results, regarding separation of molecules from each other, can be obtained by gel filtration, but in many cases its application is not economically feasible.

In principle, gel filtration is the diffusional partitioning of solute mole­cules between the readily mobile solvent phase and that confined in spaces within the porous gel particles that make up the stationary phase. Diffusional exchange of solutes takes place between the stationary and mobile phases. The extent to which a molecule penetrates the station­ary phase is represented by the partition coefficient Kav, according to the equation

Where Ve is the volume of solvent required to elute solute from the gel column, V0 is the void volume (i.e., the volume of liquid external to the gel particles), and Vt is the total volume of column bed. Kav is inversely proportional to the log of the molecular weight, as shown empirically.

Gel filtration works rapidly and preservingly, without mechanical stress as in ultrafiltration. However, precipitation of proteins within the gel column may occur as a consequence of desalting. In some cases it has been observed that the metal bridges of enzyme quaternary structures were uncoupled.

Adsorption Techniques:

Because of the possibility of highly selective separations, adsorption processes are increasingly used. Properties of en­zyme molecules as different as, e.g., lipophily, electric charge, specificity, etc., are the basis of separation. This results in a great number of adsor­bents, such as active carbon, hydroxyapatite, ion exchangers, carrier fixed substrate analogs, and so forth.

A common feature of all adsorption tech­niques is the principle of adsorption followed by desorption or elution. Separation is achieved by adsorption and elution of either enzyme or impu­rities. Two methods are available, batch wise adsorption or column chroma­tography. The latter process has greater separation efficiency and, in addi­tion, offers the possibility of semi-continuous operation.

Among the different adsorption techniques, affinity chromatography is of very great interest, but far from being applicable on a large scale. Ion exchangers available for large-scale processes are of the resin, large-pore gels, or cellulose types. In particular, ion exchange resins exhibit useful properties for industrial production of enzymes.

It must, however, be taken into consideration that the proximity of a resin matrix with a high charge density can affect the structural integrity of enzymes. Large-pore ion exchangers and cellulose exchangers have a number of properties which make them very suitable for enzyme separation processes, but the former are very costly. Obviously, they are only suitable for batch processes be­cause they are compressed in columns.

Precipitation Techniques:

Separation from solution by salting out is one of the oldest and yet most important procedures of concentration and purification of enzymes. The logarithm of the decrease in protein solubility in concentrated electrolyte solutions is a linear function of increasing salt concentration (ionic strength), as described by the equation-

where s is the solubility of the protein in g/liter solution τ the ionic strength in moles per liter B 1 , an intercept constant, is dependent on pH, tempera­ture, and the nature of the protein in solution K 1 is the salting out constant which is independent of pH and temperature, but varies with the protein in solution and the salt used. From the preceding relationship it can be derived that precipitation of protein of known concen­trations will occur when the ionic strength satisfies the equation

This means that the electrolyte concentration required for protein precipi­tation varies with protein concentration.

The influence of the most important precipitation parameters can be outlined shortly as follows – Higher valency salts produce higher ionic strength than lower valency salts. At a constant ion strength, protein solubility increases with increasing distance (in both directions) from its isoelectric point. As a result, lower ionic strength is required for precipita­tion when carried out at the isoelectric point of the protein.

The commonly used salt for precipitation is ammonium sulfate. The reasons can be found in the high solubility of this salt and in its low price. In addition, ammonium sulfate is nontoxic for most enzymes and in many cases it acts as a stabilizing agent. In ammonium sulfate solutions precipitated enzymes are often storable for years without significant loss when kept at low temperatures.

In contrast to neutral salts, solvents are less customary for large-scale precipitation of enzymes. The reason is higher costs of raw materials and equipment. Explosion proof equipment and recycling of the solvents are inevitable requirements.

Solvent precipitation is based on the fact that the solubility of enzymes decreases with the decreasing dielectric constant (ϵ) of the solvent. The concentration required is lower the less hydrophilic the solvent is. Thus, an increasing precipitating effect can be achieved in the series methanol (ϵ25 = 33), ethanol (ϵ25 = 24), isopropanol (ϵ25 = 18). Besides aliphatic alcohols, acetone (ϵ25 = 20) is often used as a precipitant.

Solvent precipitates are distinguished from salt precipitates by the ease with which they settle. However, at temperatures above 4°C denaturation of the enzyme protein can occur. Therefore, it is quite normal to work at temperatures below zero. This, however, requires large cooling capacity in industrial manufacture.

All these difficulties can be avoided by using polyethyleneglycol with a molecular weight of 6000. This precipitant does not effect enzyme denatur­ation and is relatively independent of temperature and electrolyte concen­tration. However, there is a strong dependence on hydrogen ion concentra­tion. The best results are obtained at the isoelectric point of the enzyme to be precipitated.

As the solubility of a protein molecule is lowest at its isoelectric point, successive precipitation of different enzymes from a solution can be achieved by changing the pH. These precipitates settle easily and can easily be separated from the solution by centrifugation.

Conversion to Storage Form :

Storability of an enzyme requires the preparation of a suitable storage form. Commercial enzyme products are available either in solution or in solid state. Generally, users prefer solutions because of their easier han­dling, but enzymes are usually very unstable in aqueous solution.

For this reason stabilization of dissolved enzymes is a very important step in the manufacture of liquid enzyme preparations. The storage stability is af­fected by the following two factors- microbial deterioration of the enzyme solution and denaturation of the enzyme protein. These two problems seem to be closely related to each other.

Many treatments have been tried in order to prevent growth of microor­ganisms. The methods include, for instance, incorporation of chemical pre­servatives, pasteurization, addition of salts and polyhydric alcohols, and irradiation. But some of those treatments are undesirable due to legal aspects. Therefore, the most suitable method to repress microbial growth is to dissolve the enzyme in a highly concentrated solution of salts and sugars.

With liquid preparations, storage at low temperatures and at suitable pH is essentially inevitable. It is well known that substrates almost invariably protect the corresponding enzyme against physical, chemical, or physicochemical agents. This can be attributed to either conformational stabiliza­tion or steric or competitive protection.

From a number of publications it can be seen that almost any effect on enzyme stability may a priori be an allosteric one due to attack at sites other than the active site of the enzyme. For example- in thermolysin, a bacterial protease, Ca ions stabilize the enzyme molecule, while Zn ions are required for activity. The enormous value of Ca ions in stabilizing bacterial α-amylase has long been known.

A number of techniques are available for stabilization.

Some of them are presented in the following list, immobilization methods excluded:

(1) Conformational or charge stabilization and/or protection from dilution-dissociation by using buffers, glycerol, substrates, or inhibitors.

(2) Protection of active site thiol via disulfide exchange by thiols, redox dyes, oxygen-binding agents, or chelating agents.

(3) Miscellaneous methods include, e.g., inhibition or removal of proteo­lytic enzymes protection from light by photosensitive dyes lowering activity of water by viscosity effectors, salts, or sugars lowering surface energy by antifoams cooling and crystallization protection by antifreeze removal of harmful agents and sterilization for protection against microbial attack.

Commercially available solid enzyme preparations are dried mold brans, dried precipitates, or dried solutions. Spray drying is the preferred method for removal of water from enzyme solutions due to economic reasons. How­ever, it is only applicable to enzymes sufficiently resistant to the tempera­ture conditions of this process. On the other hand, freeze drying is most preserving, but its use is limited by cost considerations as well as by the fact that unless the salt concentrations of the enzyme solution are sufficiently reduced, eutectic mixtures may be formed.

This may lead to incomplete drying or to severe foaming and protein denaturation. A specific method of drying sometimes used is granulation in a fluidized bed with milk sugar or maltodextrin as carrier. In this case, of course, sufficiently high specific activity of the enzyme is required in order to ensure satisfactory activity of the commercial preparation.

Enzyme Immobilization :

In commercial applications enzymes are used commonly in the soluble or “free” form. This practice, however, is very wasteful, because the enzyme is discharged at the end of the reaction, although its activity is scarcely lessened in reactions carried out under optimum conditions.

Immobiliza­tion prevents diffusion of the enzymes in the reaction mixture and permits their recovery from the product stream by simple solid-liquid separation methods. As a consequence, reaction products are free of enzyme and reuse of the enzyme is possible. Another advantage of immobilized enzymes is that they can be used in continuously operated reactors.

Methods of Immobilization:

In principle, immobilization of an enzyme can be achieved by fixing it on the surface of a water-insoluble material, by trapping it inside a matrix that is permeable to the enzyme’s substrate and products, and by cross-linking it with suitable agents to give insoluble particles. Bound enzymes may be prepared by covalent coupling to active matrices or by heteropolar and/or van der Waals binding to adsorbents or ion ex­changers.

Covalent coupling to activated carrier materials is achieved by methods known in peptide and protein chemistry. Some examples of enzymes immo­bilized in this pattern are given in Table 15.3. The formation of covalent bonds has the advantage of an attachment which is not reversed by pH, ionic strength, or substrate. However, covalent binding offers the possibil­ity that the active site of enzyme may be blocked through the chemical reaction used in the immobilization reaction and the enzyme rendered inactive.

There are a large number of methods of covalent attachment. The groups of enzymes that take part in the formation of the chemical bond are- amino, imino, amide, hydroxyl, carboxy, thiol, methylthiol, guanidyl, imidazole groups, and the phenol ring. Methods have been developed for covalently attaching enzymes to inorganic carriers such as alumina, glass, silica, stainless steel, etc.

Adsorption of enzymes at solid surfaces (Table 15.4) offers the advantage of extreme simplicity. It is carried out accord­ing to the principles of chromatography. The conditions of adsorption in­volve no reactive species and thus do not result in modification of the enzyme. The binding of enzymes, however, is reversible and for this reason adsorbed enzymes present the problem of desorption in the presence of substrate or increased ionic strength.

Commonly used adsorbents include many organic and inorganic materials such as alumina, carbon, cellulose, clays, glass (including controlled-pore glass), hydroxyapatite, metal oxides, and various siliceous materials. Ion exchange resins bind enzyme by electrostatic interactions. The first successful commercial application of immo­bilized aminoacylase (for resolution of DL-amino acids) involved fixing of the enzyme by adsorption to DEAE-Sephadex as carrier.

Inclusion of enzymes in polymer gels, microcapsules, or filamentous structures has the advantage of relatively mild reaction conditions. This method is free from the risk of blocking active site groups on the enzyme molecule by chemical bonds the enzyme is retained in its native state.

The major drawbacks of this immobilization technique are two- retardation of the enzymic reaction due to diffusional control of the transport of substrate and products (particularly with high molecular weight substrates and/or products) and continuous loss of enzyme due to the distribution of pore sizes. Materials used for entrapment include silicone rubber, silica gel, starch, and, preferably, polyacrylamides. Exam­ples of enzymes immobilized by entrapment are given in Table 15.5.

A variation of the inclusion method is encapsulation within semiperme­able membranes. Materials such as collodion poly­styrene, cellulose derivatives, and, most commonly, nylon have been used to form thin, spherical, semipermeable membranes shaped into micro­capsules which include the enzyme to be immobilized. The size of the capsules can range from μm to many μm. As has been demonstrated by Kitajima and Kondo (1971) with yeast, it is possible to encapsulate multi-enzyme systems from cell extracts and to carry out fermentation in such artificial cells.

Enzymes can be polymerized by cross-linking with low molecular weight multifunctional agents (see Table 15.6). This method leads to the formation of a three-dimensional network of enzyme molecules when the reaction is carried out in the absence of a support. However, usually it results in a considerable loss of activity. Com­monly, enzymes are cross-linked after adsorption onto a suitable carrier.

Cross-linking agents most commonly used include diazobenzidine and its derivatives and particularly glutaraldehyde. On the other hand, enzymes can become immobilized by copolymerization, i.e., covalent incorporation into polymers. The methods most often em­ployed involve copolymerization with maleic anhydride and ethylene. As with entrapped and microencapsulated enzymes, these derivatives show little or no activity toward macromolecular substrates.

An alternative to the immobilization of isolated enzymes is immobiliza­tion of whole microbial cells. This method provides a means of avoiding expensive enzyme purification operations. Entrapment of enzymes within whole cells may also be useful when various enzymes are involved in a given process.

And, finally, immobilized intact cells have proved effective in processes involving enzymes that require cofactors for mediating their catalytic action. Some examples of whole cell immobilization are shown in Table 15.7. Cells can be immobilized by fixing them to carriers, such as fibers or granular materials, or by entrapment.

Properties of Immobilized Enzymes:

After immobilization of an en­zyme, its properties can be changed significantly. Such alterations may be attributed to (1) the physical and chemical nature of the carrier used, (2) the chemical and/or conformational changes in the enzyme structure, and (3) the “heterogeneous nature” of catalysis caused by immobilization.

Effects of altered reactivity include kinetic constants (resulting from a change in activation energy), optimum pH, Michaelis constant, and sub­strate specificity. A matrix charge can affect the hydrogen ion concentra­tion in the locus of the attached enzyme and thus change its apparent pH optimum in one direction or the other, depending on the use of either cationic or anionic carriers, and the apparent Michaelis constant if the substrates are also charged it is increased if the matrix and the substrate charges are alike and decreased if they are opposite. Changes in enzyme specificity can result from conformational changes in the enzyme molecule caused by the attachment itself.

One of the more important results of enzyme immobilization is the reten­tion of activity for considerable periods of time under suitable conditions of storage. The stability of immobilized enzymes to storage, heat, and pH basically depends on the nature of the carrier surface to which the enzyme is bound.

Among 50 immobilized enzymes, as compared with their soluble counterparts, Melrose (1971) found 30 more stable and 8 less stable than the soluble forms 12 showed no difference from the free systems. The reasons for the observed increase in stability are not clear. It may be attributed, for example, to prevention of conformational inactivation or to shielding of active groups on the enzyme from reactive groups in solution.


How Enzymes Work

Figure 3. Diagram of a catalytic reaction showing difference in activation energy in uncatalysed and catalysed reaction. The enzyme reduces the energy barrier required to activate the substrate, allowing more substrates to become activated, which increases the rate of product formation. Note that the energy difference between the substrate and the product is not changed by the enzyme.

In all chemical reactions, there is an initial input of energy that is required before the reaction can occur. If this initial energy requirement (called the activation energy or energy barrier) is small, then the reaction will happen quickly and easily. If the activation energy is large, then the reaction will take longer to occur. Enzymes function to reduce the activation energy required for a chemical reaction to occur.

First, the enzyme binds to the substrate and slightly distorts its shape. The change in shape activates the substrate molecule and decreases the total activation energy required for the substrate to be turned into product. As the number of activated substrate molecules increases, so does the conversion of substrate to product. An analogy for this effect is a ski hill, with skiers at the bottom of one side of the hill representing substrates, skiers on the top of the hill representing activated substrates, and the products being the number of skiers that ski down the other side. If the height of the hill is lowered (due to the presence of the enzyme), then more skiers can make it to the top, increasing the number that ski down to become products.

Practice Questions

Fill in the blank: When an enzyme catalyzes a reaction, ________.

  1. it raises the activation energy of the reaction.
  2. it is used once and discarded.
  3. it becomes a product.
  4. it acts as a reactant.
  5. it lowers the activation energy of the reaction.

What will happen to the rate at which a chemical reaction proceeds if the activation energy is increased?

  1. The reaction will happen faster (at a higher rate).
  2. The reaction will happen slower (at a lower rate).
  3. The reaction rate will not change.

In Summary: Enzymes

Enzymes are proteins that speed up reactions by reducing the activation energy. Each enzyme typically binds only one substrate. Enzymes are not consumed during a reaction instead they are available to bind new substrates and catalyze the same reaction repeatedly.


Key Pathway • Ras/RAF/Mitogen-Activated Protein [MAP] Kinase Pathway

Ras = G-protein specific to this pathway RAF = proto-oncogene serine/threonine kinase

MEK = mitogen-activated protein kinase MAPK = mitogen-activated protein kinase

Ras • a small G protein (GTPase) involved in signal transduction leading to cell division and proliferation. If not regulated properly, Ras proteins can lead to uncontrolled cell division that eventually results in tumor formation.

RAF [Rapidly Accelerated Fibrosarcoma] • family of protein kinases that are involved with retroviral oncogenes (genes that can potentially cause cancer).

Tyrosine-Kinase Associated Receptors • associate with intracellular proteins that have tyrosine kinase activity. These receptors lack the tyrosine kinase domain that was discussed earlier and, therefore, accomplish tyrosine phosphorylation by cytoplasmic tyrosine kinases instead.

Cytokine receptors make up the largest family of receptors that relay signals into the cell by cytoplasmic tyrosine kinases. These particular receptors are associated with the cytoplasmic kinase, Jak (Janus kinase). Jak will go on to activate a gene regulatory protein called STAT (signal transducers and activators of transcription). The pathway is described and depicted below:

Key PathwayJak/Stat pathway (Janus kinase/signal transducers and activators of transcription) • The Jak/Stat pathway is the principal pathway for cytokines and growth factors in humans. This pathway is activated by a number of cytokines (most commonly interferons) and growth factors. Activation stimulates cell proliferation, differentiation, migration and apoptosis. Furthermore, cytokines control the synthesis and release of a number of inflammatory mediators. When a cytokine binds to its enzyme-linked receptor it results in a conformational change leading to phosphorylation of the intracellular active-enzyme domain, eventually leading to the transcription of inflammatory mediators. As with all signal transduction mechanisms, homeostasis is reliant on proper regulation of all these different pathways. Lack of proper regulation of the JAK pathway can cause inflammatory disease, erythrocytosis, gigantism and leukemias.


ER/SR Calcium Pump: Function

Ca 2+ Binding and Catalytic Activation

Binding of two calcium ions per ATPase molecule is an absolute requirement for enzyme activation . The cooperative character of binding is consistent with a sequential binding mechanism to two interdependent sites (I and II). Spectroscopic studies provided early suggestions of Ca 2+ -induced conformational effects, accounting for binding cooperativity and enzyme activation. A detailed characterization of the large conformational changes produced by Ca 2+ binding was then obtained by high-resolution diffraction studies.

The functional role of the Ca 2+ -induced conformation change lies in its absolute requirement for enzyme activation, rendered possible by the long-range intramolecular linkage. The requirement for Ca 2+ involves both ATP use for phosphoenzyme formation in the forward direction of the cycle and the formation of ATP upon addition of ADP to phosphoenzyme formed with Pi in the reverse direction of the cycle. Activation is not obtained by Ca 2+ occupancy of the first binding site only but requires the occupancy of the second site, which may then be considered a Ca 2+ trigger point for enzyme activation. Ca 2+ -binding affects directly the M4, M5, and M6 transmembrane helices and is then transmitted to the extramembranous region, resulting in the large displacement of the headpiece domains and catalytic activation. Single mutations of several residues in the segments connecting the Ca 2+ -binding region with the phosphorylation domain, such as M4, M5, and the M6–M7 loop, interfere with the phosphorylation reactions.


C3 and C4 Plants

Carbon fixation resulting in a three-carbon sugar is known as C3 photosynthesis, and most plants use this kind of photosynthesis. It works well in cool, moist conditions where plants can keep the pores that let carbon dioxide in, called stomata, open throughout the day.

For many summer annual plants, conditions are too hot to allow stomata to remain open throughout the day, so these plants have adapted by developing C4 photosynthesis. C4 photosynthesis is named as such because the fixation of carbon dioxide, by an enzyme called PEP carboxylase, results in a four-carbon sugar. The carbon acquired this way is then passed on to RUBISCO and enters the Calvin cycle.


Videoya baxın: Inner Life of the Cell Full Version - Narrated (Iyul 2022).


Şərhlər:

  1. Caster

    Mən səninlə razıyam. İçində bir şey var.İndi hər şey aydın oldu, bu məsələdə köməyi yüksək qiymətləndirirəm.

  2. Negor

    Bağışlayın, sual silindi

  3. Samukus

    It is remarkable, rather valuable idea

  4. Zulusar

    Hesab edirəm ki, siz haqlı deyilsiniz.



Mesaj yazmaq