Дəріс1. Кіріспе. Биотехнологиялық процесстер жайында түсінік. Биотехнологияның даму сатылары. Халық шаруашылығының əр түрлі саласындағы

Transkript

1 Дəріс1. Кіріспе. Биотехнологиялық процесстер жайында түсінік. Биотехнологияның даму сатылары. Халық шаруашылығының əр түрлі саласындағы биотехнологияның ролі. Микробиологиялық процестер халық шаруашылығының əр түрлі салаларында кең пайдаланылады. Биологиялық жəне инженерлік ғылымдардың жетістіктері бірқатар тағамдық жəне жемдік өнімдердің, дəрі-дəрмектердің, органикалық заттардың микробиологиялық өндірістерінің өндіріс қарқынын жоғарылатуға мүмкіндік тудырады. Биотехнологияның жетістіктері микробиологиялық өндірісті, атап айтқанда жемдік ақуыз, аминоқышқылдар, ферменттер, дəрумендер, антибиотиктер, өсімдіктердің биологиялық қорғану тəсілдері жəне бактериялы тыңайтқыштар өндірістерін үдемелі екпінмен дамытуға мүмкіндік береді. Биотехнология - процесс барысында микроағзалардың, оқшауланған жасушалардың немесе олардың құрам бөліктерінің биохимиялық əрекетін пайдалана отырып, халық шаруашылығына жəне адамзат тіршілігінің əртүрлі салаларына бағытталған бағалы өнімдерді алу. Мысалы, бидайды судан жəне тыңайтқыштан алу бір қарағанда - биотехнология. Бірақ мұнда оқшауланған жасушалардың іс-əрекеті емес, жоғарғы сатыдағы көпжасушалы ағза, макроағза, яғни тұтас өсімдіктің биохимиялық іс-əрекеті пайдаланылады. Бұл биотехнология 1

2 емес, ал өсімдік өсіру. Дəл сол сияқты женьшеннің тамырынан дəрі алуда биотехнологияға жатпайды. Ал осы тамырдан ферменттердің көмегімен көпжасушалы өсімдік ұлпасынан жеке жасушаларды бөліп алады жəне осы жеке, оқшауланған жасушаларды арнайы қоректік ерітіндіде ашытқы тəрізді өсіріп, женьшеннің оқшауланған жасушаларының биомассасын алады, оны тұндыра отырып, тұтас тамырдан алғандай бағалы дəрі алуға болады. Міне, енді бұл - биотехнология. Биотехнологияның анықтамасында тағыда маңызды «мақсатты бағыттау» деген ұғымға назар аударайық.. Шындығында, адамзат көзқарасы бойынша табиғатта микроағзалар əрқашанда пайдалы мақсатқа бағытталмаған. Мысалы, көптеген аурулар микроағзалардың əсерінен туындайды жəне керісінше адам денесін мекендейтін микроа ғзалар (олардың салмағы 2-3 кг шамасында) өте пайдалы. Естеріңізде болса антибиотиктермен емдеу қатерлі микроағзалармен қатар пайдалы микроағзаларды да жойып жібереді. Сол себепті адам дисбактериоз ауруына шалдығады, оны емдеу үшін денеге бактериялар (мысалы бифидобактериялар немесе сүт қышқылы бактериялары) жіберіледі. Бұл биотехнология емес, медицина. Биотехнология бұл адамның қатысымен ұйымдастырылған, белгілі бір өнім алуға бағытталған микроағзалардың іс-əрекеті. Биотехнологияда микрообъектілердің биотехнологиялық əрекетінің қандай түрлерін пайдаланады? - өнімді көрсете алатын, жасушалық массаны өсіру. Технологияның мұндай класына вакциналарды жəне нан ашытқыларын алу жатады. - Бағалы биохимиялық өнімдер биосинтезі - олардың кейбіреуі ортаға бөлініп шығады (жасушадан тыс өнімдер), кейбіреуі биомассада жинақталады (жасуша ішіндегі өнімдер). - Биотрансформация - нəтижесінде микроағзалардың немесе ферменттердің биологиялық іс-əрекеті əсерінен бастапқы химиялық заттың химиялық құрамы өзгеріске ұшырайтын процесс, бірақ биосинтезден айырмашылығы заттың химиялық құрылысында салыстырмалы аз өзгеріс болады. Мысалы, глюкоизомераза ферментінің əсерінен глюкозаның фруктозаға айналуы. - Микроағзалардың сұйық ортадан қажетсіз қоспалар болып табылатын əртүрлі заттарды тұтынуы. Мұнда микроағзалар биомассасы ағынды суларды тазартушы ретінде қолданылады жəне жарамсыз болып қалады. - Микроағзалардың көмегімен сілтісіздендіру қатты денелерде кездесетін кейбір заттарды сұйық күйге ауыстыру. Мысалы, кен құрамындағы бағалы металдарды - мыс, қалайы, уранды микроағзалардың көмегімен сілтісіздендіру. Биотехнологиялық процестердің артықшылығы. Химиялық технологиямен салыстырғанда биотехнологияның мынадай негізгі артықшылықтары бар: - химиялық синтездеу жолымен алуға келмейтін бірқатар спецификалық жəне ерекше табиғи заттарды (ДНҚ, ақуыздар) алу мүмкіншілігі; - биотехнологиялық процестердің салыстырмалы түрде төменгі температура мен қысымда жүргізілуі; - басқа ағзалармен салыстырғанда микроағзалардың өсу қарқыны жəне жасушалық массаның жинақталуы едəуір жоғары жылдамдықта жүреді. - биотехнология процестерінде шикізат ретінде ауыл шаруашылығы мен өнеркəсіптің арзан қалдықтарын пайдалануға болады; - биотехнологиялық процестер химиялық процестермен салыстырғанда экологиялық жағынан таза, зиянды қалдықтар аз, табиғатта жүретін табиғи процестерге жақын; - əдетте, биотехнология өндірісіндегі технология мен қондырғылар арзан да қарапайым. Биотехнологияның даму тарихы. Биотехнологияның негізі ежелгі заманнан бастау алған. Биотехнологияның қалыптасу тарихы негізгі бес кезеңге бөлінеді: 2

3 1. Пастер эрасына дейінгі (1865 жылға дейін). Бұл кезеңде биотехнологиялық тəсілмен шарап, сыра, нан, айран, қатық, əртүрлі ферменттелген тағамдар алынған. 2. Пастер эрасы ( жж). Продуцент-микроағзалар белгілі болып этанол, бутанол, ацетон, глицерин, лимон қышқылы, көптеген вакциналардың өндірісін жүргізу жəне ағынды суларды аэробты микроағзалар арқылы биологиялық тазарту процестерін ұйымдастыру мүмкіндігі туды. 3. Антибиотиктер эрасы ( жж). Пеницилин, стрептомицин ж.т.б. антибиотиктер табылды. Жануарлардың жасушаларын культивациялау технологиясы жасалды, вирустық вакциналар алынды жəне стероидты гормондар биотрансформациясының технологиясы ашылды. 4. Постантибиотикалық эра ( жж). Аминоқышқылдардың, микробиологиялық ақуызды мұнай парафиндерінен алу, кір жуатын ұнтақтарда пайдаланылатын ферменттердің технологиялары ашылды. Глюко-жемістік сироптарды алу үшін ферменттерді иммобилизациялау технологиясы жасалды. Ағынды суларды аэробты өңдеуге биогаз алу арқылы қатты қалдықтарды анаэробты өңдеу қосылды. Полисахаридтерді алудың микробиологиялық тəсілі ашылды. В2 жəне В12 дəрумендерін, сонымен қатар еттің орнын баса алатын мицелалды микроскопиялық саңырауқұлақтың - микропротеинінінің микро-биологиялық алыну тəсілі ашылды. Биометаллургия кендерден мырыш пен мысты бактериалды сілтілеу осы кезеңге тура келеді. 5. Жаңа биотехнология эрасы (1975 жылдан кейін). Микроағзалардың гендік жиынтығын мақсатты бағытталған түрде өзгерте отырып, оларға өсімдіктер мен жануарлардың жақсы қасиеттерін көшіруге мүмкіндік беретін гендік инжененрияның дамуымен сипатталады. Бұл адам инсулинінің, интерферонның, соматотропты жəне өсу гормондарының жəне т.б. микробиологиялық технологияларының туындауына мүмкіндік берді. Диагностикалық препараттардың алуан түрлі негізі болатын моноклональді антиденелерді алуға мүмкіндік беретін гибридомды технология ашылды. Гендер жиынтығының мақсатты бағытталған құрылымы жүретін «трансгенді» өсімдіктер мен жануарлар пайда болды. Жасалынған биотехнологиялық өндіріс негіздері биотехнологияның көмегімен қазірден бастап көптеген өнімдерді алуға мүмкіндік тудырады жəне бұл аймақта атқарылатын істер қарқынды дамып келеді. Халық шаруашылығының түрлі салаларындағы биотехнологияның маңызы. Биотехнология өнімдерін немесе биотехнологиялық процестерді келесі салаларда қолданады: медицина, тағам өндірісі, ауыл шаруашылығы, экология, энергетика, химиялық өндіріс, мұнай өндіру, металдарды алу, биоэлектроника. Медицинадағы биотехнология. Вакциналар арнайы өсірілген ауру тудыратын микроағзалар, вирустар мен олардың құрамдас бөліктері арнайы өңдеуден кейін əлсіздетілген немесе жансыздандырылған күйінде адам ағзасына енгізіледі, осының есесінен берілген ауруға қарсы иммунитет қалыптастырады. Осыдан бастап Луи Пастер кезеңі басталды. Антибиотиктер ауру тудыратын микроағзаларға қарсы əсер ететін заттар. Зеңнен (плесень) синтезделіп зат алынды, оны пенициллин деп атады. Пенициллин өндірісі екінші дүниежүзілік соғыс кезінде басталды жəне жарақаттарды емдеуде кең қолданыс тапты. Əсері жоғары нəтижелерге ие болды. Дəрумендер. Дəрумендерді өсімдіктерге қарағанда жылдам синтездейтін микроағзалар табылды. Қазіргі таңда В2 жəне В12 дəрумендерінің, сондай-ақ химия өндірісінің жетістігі болып табылатын С дəруменінің өндірісі биотехнологияның қоржынында. 3

4 Инсулин. Жаңа биотехнология көмегімен адам инсулинін шапшаң жылдамдықпен синтездей алатын микроағзалар «құрастырылған». Дəрі АҚШ-та «Хьюмулин» сауда белгісімен сатылады. Өсу гормоны. Соматотропты гормонды қымбат жəне жағымсыз тəсілмен - өлген адамның ми гипофизінен алуға болады. Жаңа биотехнология осы соматотропты гормонды синтездей алатын микроағзаны «құрастырды» жəне адамзат мұқтаждығын қамтамасыз ететін гормон өндірісін жолға қойды. Тағам өндірісіндегі биотехнология. Сыра, шарап, квас, нан ежелгі заманнан белгілі, бірақ оларды өндіру технологиясында микроағзалардың атқаратын ролі тек өткен ғасырда ғана белгілі болды. Қышқыл-сүт тағамдары. Бұл биотехнология өнімдері де ежелден белгілі, сондай-ақ əр халық ұйытқы ретінде əртүрлі микроағзаларды пайдаланған. Сусындарды дайындау технологиясында да айырмашылықтар бар. Сірке де ежелден белгілі, себебі сірке-қышқыл бактериялардың əсерінен шарап шарап сіркесіне айналатын. Лимон қышқылы. Оның қанттан немесе оның өндіріс қалдықтарынан мелассадан, сонымен қатар құрамында қант болатын ағаш гидролизаттарынан немесе бидайдан биосинтездеу тəсілі табылды. Лимон қышқылының əлемдік өндірісі жылына 200 мың т-ға жуық. Тағамдық ақуыз. Құрамында ақуыз аз болғандығына қарамастан, адамзат ақуыз алу үшін етпен қоректенеді жəне бұндай ақуыз қымбатқа соғады. Сондықтан тағамдық ақуызды микроағзалардан алу жолына көп көңіл бөлінеді. Соңғы кезде адам жоғарғы сапалы жеуге жарамды саңырауқұлақтардың мицелийін егуді үйренді. Шұжықтар. Жақсы сапалы шұжықтар алу үшін тартылған етке тартымды дəм беру үшін белгілі бір микроағзалардың дəмдеуіштерін қосады. Ас бояғыштары, консерванттар, қоюлатқыштар. Сары, қызыл, көк түсті ас бояуғыштарын өндіру үшін микроағзаларды немесе жоғарғы сапалы саңырауқұлақтардың оқшауланған жасушаларын қолданады. Қоюлатқыш ретінде биотехнология микроб текті полисахарид декстранды ұсынады. Биотехнологияда консерванттар ретінде сүтқышқылдық бактерияларының арнайы штаммалары бөлетін - низин пайдаланылады. Ауыл шаруашылығындағы биотехнология. Жемдік ақуызы. Жануарларды бордақылаған кезде ақуыздық қорек (балық ұны, ет-сүйек ұны, соялар, бұршақ) қажет. Біздің елімізде мұның бəрі жеткіліксіз. Мұнай өндірісінің қалдығы - сұйық парафинде өсірілетін Candida maltosa ашытқыларының көмегімен алынатын жемдік ақуыз көп қолданылады. Сонымен қатар техникалық метанол, этанол жəне ағаш гидролизаты негізінде ақуыз алу технологиясы бар. Жемдік аминоқышқылдар. 20 аминоқышқыл арасында адам үшін ауыстырылмайтын 8 аминоқышқыл бар. Бұл аминоқышқылдар ағзада синтезделмейді, сырттан қорек арқылы келеді. Лизин, триптофан, треонин сияқты аминоқышқылдар ағзаларға қажет. Бұл аминоқышқылдар микроағзалардың арнайы штаммаларымен өндіріледі. Силостық ашытқылар. Шабылған шөптің сақталынуы үшін жəне оның қорек құндылығын жоғарлату үшін силостарға арнайы ашытқылар микроағзалар қоспасын араластырады. Пробиотиктер. Бұл жануарлар асқорту трактісінің пайдалы микроағзалары. Оларды кейбір жағдайларда жемге тірі биопрепарат ретінде қосады. Бұл бірсегментті асқазаны бар жануарлардың ауыр жемдерді қортуна септігін тигізеді. Бактериалды тыңайтқыштар. Ауадағы азотты пайдаланып, оны аммоний жəне органикалық қосылыстарға айналдыра алатын микроағзалар бар. Бұндай микроағзалармен симбиозды тіршілік ететін тұқымдарды өңдеу оң əсерлер береді. Экологиядағы биотехнология. Ағынды суларды биологиялық тазарту. ХХ ғасырдың басында микроағзалардың күрделі қоспасы белсенді лайды (активный ил) пайдалана отырып ағынды суларды аэробты биологиялық тазарту əдісі ұсынылғанда қала 4

5 шаруашылығында төңкеріс болды деуге болады. Бұл əдіс бойынша əртүрлі қалдықтармен (шаруашылық - тұрмыстықтан бастап өндірістікке дейінгі) ластанған су ағындарының үлкен көлемдерін тазартуға болады. Су мен топырақтың мұнаймен ластануларының биодеградациясы. Мұнайдың апаттық төгілуі кезінде ласталған аймақтарды алғашқы қалпына келтіруде биотехнологиялық əдіс қолданылады. Ол аймақтарды арнайы өсірілген мұнайды тотықтырушы микроағзалармен өңдейді, оларға азот жəне фосформен қоректендіру үшін əртүрлі қоспалар қосылады. Бұл түрлі қоспалар мұнай көмірсутектерін биомассаға жəне көміртек диоксидіне айналдырады. Мұнайдың жəне тас көмірінің күкіртсізденуі. Табиғатта сульфидтер мен меркаптандардғы кукіртті бос элементар күкіртке айналдыратын микроағзалар бар. Нəтижнсінде электростанциялар отындары да мотор отындары да экологиялық таза болып шығады, себебі атмосфераға күкірт диоксидінің аз мөлшерін бөледі. Ауаның оттегімен құнарлануы. Космостық кемелердеб су асты қайықтарында, жəне адам өмір сүретін шектелген кеңістіктерде ауаны көміртегі диоксидінен тазартқыш ролін микросуөсімдігі - хорелла атқарады олар күн сəулесінің əсерінен культивирленеді. Биотармақталатын полимерлер. Қазіргі кезде пластмасса қалдықтарын жою мəселесі туады. Сондықтан экологияны қорғайтын кейбір елдерде пластмасса қаптауларын шектеп жатыр. Оның орнына полигидроксибутират немесе полиактат негізіндегі қаптауларды ұсынуда. Бұл материалдар негізіндегі лақтырылып тасталған қаптаулар қара топырақ микроағзалармен əрекеттесу нəтижесінде суға, көмірсутек диоксидіне жəне осы микроағзалардың биомассасына айналады. Негізгі əдебиеттер:1 [5-9,27],4 Қосымша əдебиеттер: 7 [15-20] Бақылау сұрақтары: 1. «Биотехнология» түсінігіне анықтама беріңіздер. 2. Биотехнологияда биохимиялық іс-əрекеттің қандай түрлерін пайдаланады? 3. Химиялық технологиямен салыстырғанда биотехнологиялық процестердің қандай артықшылықтары бар? 4. Биотехнологияның 5 негізгі даму этаптарын келтіріңіздер. 5. Биотехнологиялық процестерді ауыл шаруашылығының қай салаларында пайдаланады? Дəріс 2. Микроағзалар. Микроағзалардың табиғаттағы маңызы. Жасушалардың пішіні мен көлемі. Ағза жасушаларындағы судың ролі. Табиғатта микроағзалар барлық жерде көп мөлшерде кездеседі.тыңайтқыштың əр граммында, өзен суының əр миллилитрінде миллиондаған микроағзалар болады. Табиғатта ең жиі кездесетін жəне микробиологиялық өндірісте кең қолдангылатын топтарға микроскопиялық саңырауқұлақтар (ашытқылар мен көгергендер), сəулелік саңырауқұлақтар, сонымен қатар бактериялар жатады. Олардың клеткаларының өлшемдері 0,5-10 мкм аралығында болады, олар жарық микроскоптарында жақсы көрінеді. Адамның, жануарлардың, өсімдіктердің көп ауруларының қоздырушысы болып вирустар табылады. Оларды тек электрондық микроскоп арқылы ғана көруге болады, себебі вирустардың өлшемі 10 нан 400 нм Ге дейін өзгереді. Бактериялардың пішіндері. Бактериялар шар- немесе коккитəріздес, таяқшатəріздес жəне тармақталған пішінді болады. 1) Коккитəріздес бактериялар өлшемі 0,5-10 мкм шамасындағы шартəріздес жасушалар. Егер шартəрізді бактериялар топта екі-екіден орналасса оларды диплококка 5

6 (пневмококк, менингококк), топта төрттен орналасса тетракокка, топта сегізден орналасса сарцина, тізбектеліп орналасса - стрептококка, жүзім шоғы тəрізді орналасса стафилококка деп атайды. Сурет 1. Бактериялардың негізгі формалары: 1-стафилококтар; 2 стрептококтар; 3- сарциндер, 4- гонококтар; 5 - пневмококтар; 6 пневмакок капсуласы; 7- дифтерия бактериясы; 8 клострищалар; 9-бациллалар; 10- вибриондар; 11-спиральдар; 12-трепонемдар. 2) Таяқшатəріздес бактериялар өлшемдеріне, жасушалардың аяқталуына, жасушалардың өзара орналасуына қарай ерекшеленеді. Жасушалардың ұзындығы 1,0 ден 10 мкм-ге дейін болады. Олар бактерия, бацилла, клостридияларға жіктеледі. Бактерияларспора түзбейтін (ішек, дизентерия, туберкулез жəне т.б) таяқша тəріздес микробтар. Бациллалардың споралары жасуша диаметрінен аспайды (сибирь жарасы бацилласы). Клостридия споралары жасуша диаметрінен үлкенірек(батулизм, столбняк клостридиясы) 3) Имек пішіндес бактерияларға виброндар, спиральдар, спирохеттер жатады. Вибриондар үтір белгісіне ұқсас имек таяқша(холера, су вибриондары). Спиралдар бір немесе бірнеше орамы бар спиралды бактериялар. Спирохеттер жіңішке, ұзынша, имек, штопр тəрізді бактериялар (сифилис жəне тифтің қоздырғыштары). Саңырауқұлақтардың құрылысы. Саңырауқұлақтар сапрофиттер жəне өсімдік, жануар, адам паразиттері болып бөлінеді. Саңырауқұлақтар жасушалық құрылымға ие. Саңырауқұлақтар ашытқы(сопақша) жəне мицелия (зең) пішінді болып бөлінеді. Мицелиялы саңырауқұлақтар ұзын,жіңішке өрімделген жіпшелерден- мицелиялардан құралады. Споралары арқылы жынысты жəне жыныссыз жолмен көбейетін саңырауқұлақтар - жетілген (мінсіз) деп есептеледі. Ал, жынысты жолмен көбейе алмайтын саңырауқұлақтар жетілмеген (міні бар) түрлеріне жатқызылады. Медицинада көбіне кездесетіні адамда ауру туғызатын саңырауқұлақтардың - жетілмеген, яғни жынысты жолмен көбейе алмайтын түрлері. 6

7 Сурет 2. Саңырауқұлақтардың құрылысы Вирустардың құрылымы. Вирустардың жасушалық құрылымы, ақуыз синтездеуші жүйесі жоқ, тек бір текті нуклеин қышқылдары (ДНК немесе РНК) бар. Вирустар біріккен генетикалық құрылымға ие жəне көбею тəсілі арқылы ерекшеленеді: жасушада жеке нуклеин қышқылы жəне вирус ақуызы синтезделеді, кейін вирус бөлшектерінің жинақталуы жүреді. Түзілген вирус бөлшегі вирон деп аталады. Вирондардың пішіндері əр түрлі: таяқша тəрізді (табак мозаикасының вирусы), оқ тəрізді (құтырғақ вирусы), шар тəрізді (полиомелит вирусы, ВИЧ). Ең ұсақ вирустардың бірі полиомелит вирусы(20 нм шамасында), ең ірі вирус шешек ауруыныкі (350 нм шамасында). Вирустар құрамында ДНК жəне РНК-сы бар болып екіге бөлінеді. Вирустардың геномдары алтыдан бірнеше жүзге дейінгі гендерден тұрады. Қадімгі вирустардан басқа ақуызды жұқпалы бөлшектер приондар белгілі. Приондар адам жəне жануарларда энцефалопатия тудырады. Вирустарға өте жақын бөлшектердің тағы бір түрі вироидтар. Олар сақина тəрізді, спиралданған РНК- сы бар, құрамында ақуызы жоқ, өсімдіктерде ауру туғызады. Сурет 3. Вириондардың əртүрлі формалары 1-оспа вирусы; 2-герпес вирусы; 3-аденовирус; 4-паповавирус; 5-гепалнавирус; 6- парамиксовирус; 7-тұмау вирусы; 8-коронавирус; 9-аренавирус; 10-островирус. Жасушаның құрылымы. Микроскопиялық техниканың жақсаруы, люминисцентті жəне электрондық микроскоптардың пайда болуы микроағзалардың клеткаларының құрылымдық элементтерін жəне құрылысын нығайы зерттеуге мүмкіндік тудырды. Негізінде жануарлардың, өсімдіктердің жəне микроағзалардың клетка құрылымдары бір-біріне ұқсас. Сыртқы ортадан клетканы қабықша бөліп тұрады. Қабықша астында цитоплазматикалық 7

8 мембрана орналасады. Цитоплазма ядро, митохондриялар, рибосомалар сияқты органоидтардан құралады. Сурет 4. Жасушаның құрылымы Клеткалық қабырғаның негізін гликопептид құрайды. Бұл N-ацетилглюкозаминнен құралады. Клетка қабырғасының құрамына L-аланин, D-глутамин қышқылы, L-лизин кіреді. клетка қабырғасының мықтылығы осы заттарға байланысты. Клетка қабырғасындағы ақуыздардың мөлшері клетка қабықшасының жалпы массасының 13%-нан аспайды. Клетка қабырғасындағы ақуыздардың жарты бөлігі фермент күйінде болады.(клека қабырғасындағы липидтердің мөлшері биомассаның жалпы мөлшерінің 1-10 %-ын құрайды. Липидтер фракциясын май қышқылдары, фосфолипидтер, стеролдар құрайды. Клетка қабырғасының микроағзаларының түрлі топтарының химиялық құрылымы əр түрлі. Механикалық жəне химиялық клерка қабырғасы өте мықты дене. Ол клетканың пішінін сақтап, ондағы қажетті осмостық қысымды сақтап тұрады, сонымен қатар, зат тасымалдауына қатысады. Цитоплазмалық мембрана. цитоплазманы клетка қабырғасынан бөліп тұурады.ол осмостық қысымның, зат тасымалдауының жəне клетканың өтімділігінің негізгі белгілеушісі болып табылады. Цитоплазмалық мембрана ішінде ақуыз молекулалары мен оның комплекстері еркін жүзіп жүретін липидтердің биомолекулярлы қабатынан құралатындығы анықталған. Клеткалық мембранаға жартылай өтімділік қасиеті тəн болғандықтан заттар олардың концентрациясы қоршаған ортадан аз болған жағдайда клеткаға кіре алады. Сонымен қатар клеткада əр уақытта ол заттардың дефициті болады. Себебі клеткаға түскен заттар сол арада түрлі ферментативті реакцияларға пайдаланылады да клетка насос сияқты жұмыс істейді. Цитоплазмада маңызды клеткалық органоидтар - ядро, митохондриялар, рибосомалар болады. 8

9 Ядро сақина тəрізді тұйықталған, жіп шумағы сияқты тығыздалған екітаспалы ДНК түріндегі нуклеотид. ДНК құрғақ жасуша биомассасының 1-2 %-ын құрайды. Оның негізгі қызметі генетикалық ақпаратты сақтау жəне ақуыз бен ферменттерді түзуші құрылымдық элемент болып табылады. Ядрода сондай-ақ РНК синтезі жүреді. Ядро тесіктері (пора) арқылы əр түрлі заттардың тасымалы жүзеге асады. Митохондриялар салыстырмалы түрде үлкен, шамалы майысқан таяқша түрлі құрылымдар, ұзындығы 1500нм. Митохондрияларды екі мембрадан тұратын қабықша өқаптайды. Мембралардың арасында су сияқты сұйық болады. Митохондриялар мембраналары ақуыздардан (80%) жəне липидтерден (20%) құралады, одан басқа полифосфаттар, РНҚ, жəне ДНҚ айқындалған. Митохондрия ембраналары үстінде трикарбон қышқылдары немесе Кребс циклі арасында тотығу-тотықсыздану реакциялары жəне май қышқылдарының тотығуы жүреді. Яғни, дəл осы жерде клетканың осуіне жəне органикалық заттар синтезіне бастапқы заттар мен энергия беретін реакциялар жүреді.түрлі микроағзалардың митохондриялар пішіні мен құрылысы əр түрлі. Мəдениеті бірдей болғанмен де өсу жағдайлары мен фазалар əр түрлі болған жағдайда митохондриялар пішіні мен құрылысы əр түрлі болады. Рибосомалар клеткалар цитоплазмасында болады. Олар шар тəріздес келеді де өлшемдері нм болады. Рибосомаларда ақуыздың биосинтезі журеді жылы рибосомалар бактериялар цитоплазмасында, содан кейін жануарлар, өсімдіктер жəне ашытқылар цитоплазмасында анықталған. Олар цитоплазма беттінде болады немесе цитоплазма ішінде еркін жүзіп жүреді. Рибосомалар құрамына РНҚ жəне ақуыздар комплексі кіреді. Рибосомалардың молекулалық массасы 106-ға жуық. Ақуыздар мен РНҚ рибосомаларда 40-60%-дан болады. Рибосомалар ақуыздары негізінен лизин, аргинин жəне гистидиндерден құралады. Микроағзалардың клеткаларының органоидтарын гомогенаттан центрифугирлеу арқылы бөліп алуға болады. Ядроның тұнбаға түсуі 800 м/с 2 үдеуде 10 минут ішінде, митохондриялар м/с 2 үдеуде 15 минут ішінде, микросомалар мен мембраналар м/с 2 үдеуде 60 минут ішінде тұнбаға түседі. Клеткалардың химиялық құрылымы. Микроағзалардың құрғақ клеткалық массасы жалпы массаның тек %-ын құрайды. Осы құрғақ заттарды жағып 2-14 % күл заттарын алады. Олардың құрамында 50% фосфор, көп калий, натрий, магний, хлор жəне темір болады. Құрғақ биомассаның жартысы (30-80%) ақуыздарға келеді. Микробты биомасса 5-30% РНҚ жəне ДНҚөдан құралады. ДНҚ құрамына пуриндік жəне пиримидинді негіздер кіреді: гуанин (Г), аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц). Аденин қашанда тиминмен, ал гуанин цитозинмен байланысады. Г+Ц/А+Т негіздердің гетероциклдік жұптардың қатынасы микроағзалардың жүйелі қатысуына байланысты өзгереді. Сонымен, адамның Г+Ц/А+Т қатынасы 0,66, бидайда -0,94, ашытқыларда 0,56, кейбір бактерияларда ө 2,5 ке тең. Культивирлеу кезінде микроағзалардағы ДНҚ шамалы ғана азяды да, РНҚ көп есе көбеюі мумкін. Бактерияларда РНҚ саны көбею кезінде 3-4 %-дан 18-20%-ға дейін өседі. РНҚ молекуласының ДНҚ молекуласынан ерекшелігі, онда тиминнің орнында урацил болады. Г+Ц/А+У қатынасы микроағзалардың РНҚ да ДНҚ-ға қарағанда тұрақты болады да 1,0-1,6 шамасында болады. Пурин жəне пиримидин негіздерін, олардың инозип қышқылы сияқты нуклеотидтері немесе мононуклнотидтерін микробиологиялық синтез арқылы алу экономика жағынан иімді. Микроағзалардың клеткалары витаминдердің, əсіресе В тобы витаминдерінің бай қорек көзі. Олардың құрамында рибоплавин, тиамин, биотин, инозит т.с.с. тұрады. Кейбір бактериялар мен актиномицеттер В12 витаминін синтездейді. Ашытқы клеткаларында эргостерин табылды, оны сəулелендіру арқылы D2 витаминін алады. Микробты клеткалардағы липидтер биомембраналарды құрап артық зат ретінде жинақталады. Кейбір ашытқылар құрғақ массада 50 % липид жинуы мүмкін. Нан жəне сыра ашытқыларында липидтер саны 7%-дан аспайды. Стероидтардан микроағзаларда эргостерин кездеседі. Су мөлшері клеткаларда басқа компоненттерден көп болады. 9

10 Өмір сүру процестеріндегі судың ролі. Клеткаларда су мөлшері 65-80% болады. Протоплазмада əр ақуыз молекуласына 1800 су молекуласы келеді. Судың бір бөлігі клеткалар арасындағы кеңістікте болады, бұл клеткадан тыс су, ал екінші бөлігі клетканың өзінде болады. Өз кезегінде клеткадағы су бос жəне макромолекула бетімен байланысқан күйде бола алады. Биологиялық жүйелерде байланысқан деп биополимер молекулаларының бетімен мықты байланысқан суды айтады. ДНҚ-ның əр граммы қалыңдығы 0,3 нм қалыңтықта гидратты қабықша құрайтын 0,45 г сумен байланысады. 1 г жұмыртқа альбумині 0,25 нм қалыңдықта гидратты қабықша құрайтын 0,25 г сумен байланысады. Микроағзаларда % байланысқан су анықталған. Құрамында макромолекула болғандықтан байланысқан су кəдімгі судан ерекше. Оны еріткіш ретінде қолдануға болмайды. Себебі ол С температурада да қатпайды. Байланысқан судың электр өтімділігі төмен. Термодинамикалық жағынан ол мұздан ерекшеленбейді. Байланысқан суды орта емес, құрылымдық элемент ретінде қарастыру керек. Клеткадағы судың көп бөлігін заттардың еріткіші мен реакциялық ортасы болатын бос су құрайды. Гидролитикалық ферменттердің қатысуымен ол нəтижесінде өзгеше қасиеттерге ие жаңа заттар құралатын көп реакцияларға қатысады. Осылайша, су тек биохимиялық процестер жүретін орта болып қоймай, заттардың белсеңді қайта құраушысы болады. Осы маңызды функцияларды ол аз молекулалық массасы мен құрылымдық ерекшелігіне байланысты атқарады. Су молекулалары өзара тартылысып басқа заттардың аниондар мен катиондарға ыдырауын тудыратын, сонысымен реакциондық қабілетке ие болатын дипольді құрайды. Су молекуласында оттегінің алты электронының екеуі сутегі молекулалрының электрондарымен байланысады да, төртеуі бос қалғандықтан сутек байланысына қатысады. Ақуыз молекуласындағы кейбір атомдар топтары суды сутек байланысы арқылы байланыстырады. Клетка биомассасының түрлі физикалық қасиеттерін зерттеу кезінде биомассаның 20%-дан жоғары ылғалдылығында су клетканы толығымен толтырады да, үздіксіз орта ретінде функция атқаратындығы анықтады. Бұл жағдайда клеткада барлық ферментативті процестер еркін жүреді. Егер биомассаның ылғалдылығы 10-20% болса, онда су байланысқан күйде болады. Клеткалық коллоидтар бұл жағдайда гельге ауысады да ферментативті процестердің жүруі қиынға түседі. Егер биомасса ылғалдылығы 5-10% болса, оның физикалық қасиеттері күрт өзгереді, бірақ зат алмасу жүре алады. 5% ылғалдылықтан төмен жағдайда клетканың бөлігі бұзылып, белсеңділігі жоғалады. Сонымне қатар, құрғақ күйде клеткалардың өмір сүру қабілеттігі көп сақталады, себебі су аз болғандықтан барлық реакциялар баяу жүреді. Клеткадағы барлық белеңді процестердің баяулатылып немесе тоқтатылған жағдайын анабиоз деп атайды. Анабиоз клеткалар мұздатылғанда, клетка ішіндегі бос су мұзға айналған кезде басталады. Бұл жағдайда физиологиялық процестер максималды баяулатылып немесе тоқтатылады. Себебі биохимиялық реакциялар мұздың қатты фазасында молекулалардың еркін қозғалысы болмағандықтан жүрмейді. Микроағзалардың сусыздандырылған немесе мұздатылған клеткалары температура, радиация сияқты факторлардың əсеріне төзімдірек. Негізгі əдебиеттер:1 [5-9,27],6 Қосымша əдебиеттер: 7 [15-20] Бақылау сұрақтары: 1. Қандай микроағзалар микробиологиялық өнеркəсіпте жие қолданады? 2. Бактерия, ашытқы, көгергеннің клеткаларына қандай пішіндер тəн? 3. Цитплазма құрамына қандай негізгі органоидтар кіреді? 4. Жасушаның негізгі органоидтары қандай қызмет атқарады? 5. Тірі жасушадағы судың ролі. 6. Тірі жасушаның химиялық құрылымы қандай? 10

11 Дəріс 3. Тірі ағзалардағы фотосинтез жəне хемосинтез. Фотосинтез механизмі. Адам өміріне фотосинтез өте қажет. Ол жасыл пигментті хлорофилі бар өсімдіктерде өтеді. Микроағзалар (ашытқы, бактерия) хлорофилсіз. Бірақ төменгі бір клеткалы өсімдіктер (мысалы, хлорофиль) хлорофилі бар болғандықтан, фотосинтез түзеді: 6СО2 + 6Н2О + күн энергиясы = С6Н12О6 + 6О2 Бұдан фотосинтез бен глюкоза, оттегі жəне құрылымы күрделі протоплазма түзетін басқада да заттар шығады. Фотосинтездің протоплазмасының балансын мынадай теңдеумен көрсетеміз: кдж + 106СО2 + 90Н2О + 16 NО2 - + РО4-3 = 154О г зат кдж Шыққан оттегі көмір қышқыл газынан емес, судан түзіледі (фотолиз). Фотолизден шыққан сутегі энергиясы, тасымал-аденозиндифосфаты (АДФ) энергиясы мол аденозинтрифосфатқа (АТФ) түрленеді. Энергетикалық фотосинтездің өтуі: 1) Судың фотолизі: Еhv + 6H2O = 3O2 + 6H2 2) АДФ тың АТФ өтуі: nадф + 2Н2 + О2 = n АТФ + 2Н2О 3) Биомассаның синтезі: 2Н2 + СО2 + nатф = Сn (Н2О)n + Н2О + n АДФ Мұнда фотосинтез клеткалы органоид-хлоропластар мен митохондриялар арқылы өтеді. Фотосинтезге кері прцесс органикалық заттардың тотығуы да митохондриялар арқылы журеді.глюкоза тотықса СО2, Н2О жəне энергия босанады. Биологиялық процестегі алғашқы энергия көзі, əрине күн. Бір секундта күн 4 млн. т масса шығаратын энергия береді. Бұл энергия сутегі ядросындағы протондар гелий ядросына айналғанда шығады. Осылай күн минутына 4 млрд. Ядролық қопарылыстың энергиясын береді. Жнр бетіне күн энергиясы жарық фотондар (кванттар) ретінде түседі. Сол энегияның 0,1-1 % фотосинтезге жұмсалынады. Органикалық заттарға ең бай ормандар. Олар микробиологиялық өндіріске дайын шикізат. Табиғатта хемосинтез беретін микроағзалар бар, олар СО2 дан күнсіз, хлорофилсіз-ақ органикалық заттар түзеді. Қажетті энергия, минералды заттарды тотықтырудан алынады. Хемосинтезді микроағзаға бактериялар кіреді.. Олар амиакты тотықтырып: 1) 2 NН3 + 2О2 = 2НNО2 + 2Н2 + энергия 2) СО2 = 2Н2 + энергия = (СН2О)6 + Н2О Микроағзалар крахмал мен целюлозаны қантқа, спиртке, қышқылға, СО2, Н2 дейін ыдырата алады. Микроағзалар хемо- немесе фотосинтез процесінде органикалық заттарды СО2 өздері синтездеп алатын микроағзаларды авторофты, ал өмір сүруге дайын органикалық заттары бар микроағзалар гетеротрофты деп атайды. Табиғаттағы көміртегі айналымына автожəне гетеротрофты ағзалардың екеуіде қатысады. Ауадағы азоттың өзгерістеріне тікелей əсер ететін микроағзалардың маңызы зор. Атмосферада азот ең көп тараған элемент болғанына қарамастан өсімдіктер мен жануарларға ауадағы молекулалық азот жеткіліксіз. Микроағзалар молекулалы азотты сіңіріп қана қоймай, ақуыздарды амин қышқылдарына дейін, əрі қарай аммиакқа дейін ыдыратады. Басқа микроағзалар нитраттарды азотқа дейін, 11

12 сульфатты күкіртті сутегіге дейін тотықсыздандырады. Фотосинтез процесі кезінде атмосферадан 60 млрд.со2 қолданылып микробиологиялық деструкция кезінде осындай мөлшерде СОə түзілетіні анықталған. Микроағзалар крахмал мен целлюлозаны қант, қышқылдық, метан, СОə, Нə дейін ыдыратады. Фотосинтез механизмі. 5-суретте жоғары сатыдағы өсімдіктердегі хлоропластың құрылысы көрсетілген. Құрылымның негізгі элементі - грана деп аталатын ламеллалардың жиынтығы. Ламеллалар қалыңдығы 3-нм болатын тилакоидты мемранамен қапталған. Граналар строма деп аталатын ортада орналасып, CO2 қалпына келтіретін тізбек құрайды. Хлоропластың диаметрі оны қоршаған мембранамен қоса есептегенде бірнеше микрон шамасында болады. Сурет 5. Хлоропластың құрылымы. Ламеллаларда өтетін фотосинтез процессі өте күрделі. Процесс қарапайымдандырылған түрде төмендегі суретте көрсетілген. Электрондардың тізбек бойынша ізбе-ізділіпен берілуі мынадай түрде өтеді: Н2О Р680, фотосинтетикалық жүйе ІІ фотосинтетикалық жүйе І, Р700-НАДФ+. Көрсетілген реакциялардың нəтижесінде Н2О тотығуы мен НАДФ тотықсыздануы жүзеге асады (никотинамидадениндинуклеотидфосфаттың тотыққан формасы). ФЖ І мен ФЖ ІІ арасында өзара электрон беру кезінде жоғарыэнергетикалық өнім түзіледі, ол СО2 фиксациялауға жұмсалады. 6 суретте фотосинтездің сызбанұсқасы көрсетілген. Сурет 6. Фотосинтездің сызбанұсқасы Табиғатта хлорофиллсіз жарық энергиясынан қор жинайтын жалғыз Halobakterium halobium бактериясы ғана. Олар оттегіні өте аз мөлшерде қолдана отырып, жарықтың 12

13 əсерінен мембранасында қызғылт түсті ақуыз - бактериородопсинді түзеді, кейін Н+ сіңіріліп, АТФ синтезделеді. АТФ жасушаның энергетикалық қажеттілігін қамтамасыздандыруға жұмсалады. Негізгі əдебиеттер 1[5-9, 27], 6,7,8 Қосымша əдебиеттер21[15-20] Бақылау сұрақтары: 1. Фотосинтез жасушаның қай органоидының қатысымен жүреді? 2. Фотосинтезге қандай кішімолекулалы қосылыстар қатысады? 3. Фотосинтездегі энергетикалық процесстің сызбанұсқасын көрсетіңіз. 4. Қандай микроағзалар хемосинтездеуші болып табылады? 5. Хемосинтездеуші микроағзалардың энергия көздері болып не табылады? 6. Қандай микроағзалар гетеротрофты жəне автотрофты деп аталады? Дəріс 4. Зат жəне энергия алмасу. Метаболизм туралы түсінік. Маңызды энергетикалық процесстер. Аэробты жəне анаэробты тыныс алудың химизмі. Зат жəне энергия алмасу. Зат алмасу немесе метаболизм дегенде биохимиялық жəне физиологиялық процесстердің реттелген жүйесін, яғни ағзаға қоректік жəне басқада заттардың түсуін, олардың жасуша ішінде сіңірілуі мен қорытылуын, сондай-ақ зат алмасуда пайда болған өнімнің сыртқы ортаға шығарылуын түсінеміз. Зат алмасу барлық жасуша құрылымының жаңару, өсу жəне даму процесстерін қамтамасыз етеді. Зат алмасуда өзара байланысты, бірақ қарама-қарсы бағыттағы екі процесс анаболизм жəне катаболизм жүреді. Анаболизм (ассимиляция) бұл жай молекулалардан күрделі химиялық заттардың түзілу процессі. Анаболизм процессі кезінде нуклеин қышқылдары, ақуыз жəне ағзадағы макромолекулалы басқада заттар түзіледі. Бұған тағыда, құрылыс материалдары жəне энергияның жасушаға түсуін қамтамасыз ететіндіктен, асқорыту кезіндегі қоректік заттардың ыдырау реакциялары жатады. Анаболизм реакциялары АТФ немесе НАДН түріндегі химиялық энергиялардың көмегімен өтеді. Катаболизм (диссимиляция) - бұл ағза жасушасындағы күрделі заттардың жай заттарға немесе кішімолекулалы соңғы ыдырау өніміне (СО, НəО, NH3) дейін бұзылуы жəне соңғы өнімнің ағзадан сыртқы ортаға шығарылуы. Катаболизм процесі органикалық заттардың күделі молекулаларында ұсталып тұрған еркін энергияларды бөлу арқылы жүреді. Бұл энергияның бір бөлігі энергияның химиялық формасына (АТФ, НАДН) айналып, ағза жасушаларында сақталады. Анаболизм жəне катаболизм қарама-қарсы бағыттағы, бір-біріне бағынышсыз өтетін екі процесс. Бірақ олар өзара тығыз байланысты. Катаболизм процессі анаболизм процесіне қажетті метаболит пен энергияны жеткізеді. Анаболизм реакциялары катаболизм реакцияларының одан əрі жалғасуына қажет күрделі қоректік заттар мен энергияны жинақтайды. Қоректік заттардың ыдырауы жəне олардан еркін энергияның бөлінуі бірнеше сатыда өтеді. Еркін энергия бұл химиялық энергияның ағзадағы маңызды жұмыстарды атқаратын бөлігі. Ол жоғарыэнергетикалық қосылыстардың химиялық байланыстарында, негізінен АТФ молекулаларында жинақталады. Жасушадағы энергетикалық алмасудың ортасында адениннуклеотидтер: АТФ пен АДФ орын алады. АТФ - жасушадағы метаболизм жəне ағзаның көптеген басқада қызметтерін атқаратын қажетті энергия көзі болып табылады, ал АДФ АТФ-ті синтездеу үшін қажет. Жоғарыэнергетикалық заттарға гидролиз кезінде 21 кдж/моль ден жоғары еркін энергия болетін химиялық байланысқа ие заттарды жатқызады. Фосфорорганикалық қосылыстар жоғарыэнергетикалық заттар болып есептеледі. Олардың гидролиз кезінде 13

14 бөлінген еркін энергиясы фосфатты еркін энергиясы төмен екінші заттың молекуласына тасымалдауға жұмсалады. АТФ-тің гидролиз реакциясы кезінде бөлінген еркін энергия кдж/моль шамасында болады. Жасушада АТФ молекуласының құрамында көбіне Mg +2 катионымен байланысқан теріс зарядталған фосфат топтары кездеседі жəне олар Mg +2 АТФ комплексті қосылыс түзеді. АТФ өзінің энергетикалық қызметін судың қатысуымен молекуласының ыдырауы кезінде іске асырады. Əдетте АТФ молекуласынан соңғы фосфат қалдығы үзіледі, яғни АДФ пен ортофосфор қышқылы пайда болады. АТФ + H2O АТФаза АДФ +Н3PO4 G = -30,4 кдж/моль Cпецификалық фермент аденазинтрифосфатаза (АТФаза) катализатор қызметін атқарып, реакцияны жылдамдатады. АТФ гидролизі АМФ жəне пирофосфор қышқылын түзу арқылы да жүреді. АТФ + H2O АМФ + Н2P2O7 G = -32,2 кдж/моль Өзінің жоғары энергетикалық фосфатын өзге заттарға жеңіл беретіндіктен АТФ ағза жасушаларында жылдам жаратылады. 90%-ға дейінгі АТФ жасуша митохондрияларында түзіледі. Негізгі энергетикалық процесстер. Клетканың өсуіне жəне көбеюіне энергия қажет. Олар энергияны органикалық заттарды бұзғанда алады. Сонымен глюкоза күрделі ферментативті процесстер нəтижесінде тыныс алу жəне ашуы, соңғы өнімдердің энергетикалық алмасуына дейін əкеледі: 1) Тыныс алу (О2 қатысымен) С6Н12О6 + О2 = 6СО2 + 6Н2О кдж 2) Спирттік ашу С6Н12О6 = 2СН3СН2ОН + 2СО кдж 3) Сүт қышқылды ашуы С6Н12О6 = 2СН3СНОНСООН + 75 кдж Ауадағы оттегінің қатысуымен жүретін тотығу процестері - аэробты, ал ауадағы оттегінің қатысынсыз жүретін тотығу процестері анаэробты деп аталады. Теңдеулерде тек соңғы өнімдер ғана келтірілген. Бұл процесстер бірнеше этаптардан жүреді, бірақ демалуға да ашуға да ортақ теңдеу болады. Кейде катализатордың орнына ферменттерді де қолданады. Энергетикалық көзқараспен қарағанда демалу процессі эффективті болып табылады, онда өте көп көлемде энергия бөлінеді. Клетканың энергиясы АТФ-ғы макроэнергетикалық байланыста химиялық энергия түрінде қолданылады. Глюкозаның пирожүзім қышқылына дейін анаэробты ферментативті гидролизін гликолиз деп атайды. Бұл əмбебап ферментативті процестің біреуіне жатады, себебі спирттік жəне сүтқышқылының ашуының демалуы жəне биохимиялық процестерден басталады. Гликолиз процесінен шығатын пируват микроағзалардың алмасуына өте маңызды аралық өнім болып саналады. Сүт қышқылының ашуында лактатдегидрогеназа ферменттердің қатысуымен пируваттан сүт қышқылын түзеді, ал спирттік ашуда фермент қатысуымен пируватдекарбоксилаза ацетальдегид, одан алькольдегидрогеназа ферменті этил спиртіне əкеледі. Аэробты жағдайда пируват үшкарбонқышқылды циклы бастапқы заты болып саналады, онда тотығу процесі СО2 мен Н2О дейін өтеді. Декарбоксирлеу тотығының басында пировиноград қышқылы сірке қышқылына айналады. Сірке қышқылының коферменті КоА щавель қышқылымен байланысады да лимон қышқылы түзіледі, ол цис-аконикотин қышқылы мен изо-лимон қышқылы щавельянтарь қышқылына айналады. Щавельянтарь қышқылы декарбоксирленгенде α-кетоглутарь қышқылына айналады. 14

15 Дегидратациямен декарбоксирлеу реакциясына соңғы өнім Кребс циклінен щавельсірке қышқылын түзеді. Триоздың тотығуының нəтижесінде клеткада келесі құбылыстар өтеді: 1) Бөлінген энергияның бір бөлігі АТФ-ң макроэнергетикалық байланысына бөлінеді. 2) Дегидрогеназаның сутегісі тотығу процесінде қолданылуы мүмкін. 3) Циклдың аралық өнімдері клетка заттарының синтезінде қолданылады. Пируваттан аланин түзіліп, α-кетоглутарь қышқылынан глутамин қышқылы, ал сірке қышқылы май қышқылдары жəне стероидтар синтезіне қатысады. Зат алмасу прцесінде микроағзалардың клеткаларында заттар бөлінеді, олар энергетикалық зат алмасу жəне биосинтез өнімдеріне бөлінеді. Бірінші өнімдері сірке жəне сүт қышқылы, этил спирті жатады. Осы заттардың түзілуі микробиологиялық процестеріне жатады оны ашу деп атайды. Биосинтез нəтижесінде ферменттер, токсиндер, антибиотиктер, аминқышқылдары, витаминдер, пуриндік немесе пиримидиндік негізіндегі заттар түзеді. Негізгі əдебиеттер:1 [5-9,27], 6, 7, 8 Қосымша əдебиеттер: 21 [15-20] Бақылау сұрақтары: 1. Метаболизм, катаболизм жəне анаболизм процестеріне түсініктеме беріңіз. 2. АДФ жəне АТФ молекулалары - əмбебап энергия көзі. 3. Мына процестерде қандай соңғы өнімдер түзіледі: демалу, спирттік жəне сүтқышқылдық ашуда? 4. Аэробты жəне анаэробты тотығу реакциялары туралы түсінік. 5. Гликолиз процесі дегеніміз не? 6. Анаэробты жəне аэробты ферментативті гидролизде қандай негізгі аралық өнім түзіледі? Дəріс 5. Ақуыздар. Ақуыздың жеке топтарының классификациясы жəне сипаттамасы. Ақуыздардың аминоқышқылдық құрамы. Ақуыздың биологиялық қасиеттері. Ақуыздардың биосинтезі. Ақуыздар - бұл құрамында азот бар жоғары молекулалы органикалық қосылыстар. Олар гидролиз кезінде аминоқышқылдарға дейін ыдырайды. Ақуыздың жалпы формуласы: Н2N-CH-C-[NH-CH-C-]n-NH-CH-COOH R O R O R Алғаш рет ақуызды 1728 жылы Я.Беккари бидай ұнынан алды. Қазіргі таңда əртүрлі табиғи көзінен алынған ақуыздардың жүздеген түрі белгілі. Ақуыздар тірі материяның құрылымында жəне тіршіліктегі барлық процестерде шешуші роль атқарады. Белсенді өсіп жатқан жасушаның құрғақ заттық массасының негізгі бөлігін (55-85%) ақуыз құрайды. Ең ұсақ жəне құрылысы қарапайым бактерия жасушасында 2000-ға жуық алуан түрлі қызметтер атқаратын ақуыз түрлері бар екендігі анықталған. Ақуыздың аминоқышқылдық құрамы. Қышқыл жəне сілті ерітінділеріндегі ақуыздар гидролизінің өнімі аминоқышқылдар екендігі белгілі. Аминоқышқылдар - өз кезегінде ақуыздардың құрылымдық бөлігі. Қазіргі кезде бірнеше жүздеген ақуыздардың аминоқышқылдарының сапалық жəне сандық құрамы анықталған. Ақуыз гидролизі 15

16 нəтижесінде алынған аминоқышқыл қоспаларын фракциялауда ионалмасу хроматография əдісі қолданылады. 16

17 Ақуыздарда табылған аминоқышқылдарды екі топқа бөледі: ақуызда үнемі кездесетін жəне сирек (кейде) кездесетін. Ақуызда үнемі кездесетін 18 аминоқышқылдары жəне 2 амид: аспарагин қышқылы амиді жəне глутамин қышқылы амиді. Барлық ақуыз аминоқышқылдары (глициннен басқа) оптикалық белсенділік танытады жəне L қатарына жатады. Сирек кездесетін аминоқышқылдарға: оксипролин (оксипирролидин-2-карбон қышқылы), орнитин (α,δ-диаминовалериан қышқылы), селеноцистеин (α-аминоизомай қышқылы) жатады. Аминоқышқылдардың маңызды химиялық қасиеті молекулада міндетті түрде амин жəне корбоксил тобының қатысуымен пептидтерді түзу қабілеттілігі. Аминоқышқылдық поликонденсация реакцияларының нəтижесінде өте үлкен молекулалық массаға ие қосылыстар алуға болады. Ондай қосылыстарды полипептидтер деп атайды, Оларда CO- NH- пептидтік тобы бар. Ақуыздың жеке топтарының классификациясы жəне қысқаша сипаттамасы. Ақуыз классификацисы əртүрлі белгілеріне қарай жүргізіледі. Ақуыз молекуласының құрамының күрделілігіне қарай жай жəне күрделі деп екіге бөледі. Жай ақуыздар гидролиз кезінде тек қана аминоқышқылдар береді. Күрделі ақуыздар гидролиз кезінде аминоқышқылдармен қатар басқада химиялық копоненттер береді. Ақуыздарды еріткіштерге қатысты екіге бөледі: альбуминдер жəне глобулиндер. Альбуминдерге суда жəне концентрлі тұз ерітінділерінде, мысалы, 50% аммоний сулфаты ерітіндісінде жақсы еритін ақуыздар жатады. Альбуминдер аммоний сульфаты ерітіндісімен толық қаныққанда тұнбаға түседі. Глобулиндерге суда жəне концентрлі тұз ерітінділерінде нашар еритін ақуыздар жатады. Жартылай қаныққан аммоний сульфаты ерітіндісінде толық тұнбаға түсу глобулиндерге тəн белгі. Атқаратын қызметіне қарай ақуыздарды мынадай топтарға жіктейді: 1.каталитикалық белсенді ақуыздар, 2. ақуыздар-гармондар, 3. реттеуші ақуыздар, 4. тасымалдаушы ақуыздар, 5. құрылымдық ақуыздар, 6. қорғаушы ақуыздар, 7. қысқартушы ақуыздар, 8. рецепторлық ақуыздар, 9. фермент ингибитор ақуыздары, 10. вирус қабықшаларының ақуыздары. Күрделі ақуыздарды жіктеуде топтарды протеиннің негізгі құрам бөлігі болып табылатын ақуыздық емес компоненттің табиғатына қарай топшаларға бөледі. Күрделі ақуыздардың топшалары: металлопротеиндер, фосфопротеиндер, гликопротеиндер, хромопротеиндер, липопротеиндер, нуклеопротеиндер. Металлопротеиндер - құрамында ақуыздық емес топ ретінде металл иондары (Fe 3+, Cu 2+, Mg 2+) болатын күрделі ақуыздар. Фосфопротеиндер - құрамында ақуыздық емес топ ретінде фосфор қышқылының қалдықтары болатын күрделі ақуыздар. Фосфопротеиндердің типтік өкілі казеин - сүт ақуызы. Гликопротеиндер - құрамында ақуыздық емес топ ретінде жоғары молекулалы көмірсулар болатын күрделі ақуыздар. Хромопротеиндер жай ақуыз жəне боялған ақуыздық емес топтан тұратын күрделі ақуыздар. Хромопротеиндер молекуласында ақуыздық емес топ ретінде Mg 2+ ионымен хлорофилл түзетін порфириндер болады. Порфириндер темірмен бірге гемоглобин мен тынысалу ферменттерінің түзілуіне негіз болады. Липопротеиндер - құрамында ақуыздық емес топ ретінде липидтер болатын күрделі ақуыздар. Липидтердің маңызды топтарына: триглицерид (майлар) жəне фосфатид, яғни фосфор қышқылының қалдығы бар глицериннің күрделі эфирлері мен жоғары май қышқылдары жатады. Нуклеопротеиндер жай ақуызбен байланысқан нуклеин қышқылдарынан (ядро мен рибосома компоненттері) тұратын күрделі ақуыздар. Ақуыздың биологиялық қасиеттері. Бірінші кезекте ақуыздардың биокаталитикалық (ферментативтік) белсенділігін атап айту керек. Ақуыздың бұл қасиеті тіршілік процесі барысында маңызды роль атқарады. 17

18 Басқа маңызды биологиялық қасиеттерінің бірі гормондық белсенділігі, яғни ағзадағы бірқатар химиялық реакцияларға əсер ету қабілеті. Кейбір ақуыздарға токсиндік қасиет, потогендік белсенділік тəн. Ақуыздардың пластикалық ролі маңызды. Ақуыздық алмасу ағза мен сыртқы орта арасындағы күрделі зат алмасу процесінде басты орынға ие. Тірі ағзадағы барлық химиялық реакциялар ауыз-ферметтердің қатысуымен жүреді. Сондықтан тірі табиғаттағы барлық зат алмасу барысы ақуыздық денелерге бағынышты. Ақуыздар адам жəне жануарлар ағзасына ақуыздық мөлшері ауытқып отыратын, əртүрлі қоректік заттар арқылы түседі. Ақуыздың ағзаға сіңімділік дəрежесін ақуыздың биологиялық құндылығы сипаттайды. Қоректік ақуыз құрамындағы аминоқышқылдар құрамы берілген ағзадағы құрамға қаншалықты жақын болса, сіңімділік дəрежесі соншалықты жоғары болады, яғни биологиялық құндылығы жоғары болады. Ақуыздардың биологиялық құндылығына байланысты сұрақтар туындағанда, ауыстырылатын аминоқышқылдар жəне ауыстырылмайтын аминоқышқылдар деген түсінік пайда болады. Бірқатар аминқышқылдарының қоректік заттар арқылы міндетті түрде ағзаға енуі қажет, себебі ағза оны өздігінен синтездей алмайды. Ауыстырылмайтын аминоқышқылдарға: валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, лизин жатады. Адам жəне ауылшаруашылық малдарының қоректенуі кезінде ақуыздарды рационалды сұрыптау өте маңызды. Ақуыз биосинтезі. Биосинтез молекулалық биологиядағы негізгі бағыт. Ол өсу жəне даму барысында, көптеген ауруларға ем іздеуде туындайтын мəселелермен тығыз байланысты. Ақуыз биосинтезінің матрицалық теориясы қарастырады: 1) ақпаратты ядродан матрицалық мрнк нуклеотидтік ізбе-ізділік түрінде транскрипциялық процесс кезінде цитоплазмадағы рибосомаларға өтуін 2) аминоқышқылдардың белсенділігін жəне белсенді аминоқышқылдардың тасымалдаушы трнк көмегімен рибосомаға өтуін 3) пептидтік байланыстар синтезін трансляцияны Транскрипция процесі кезінде синтезделген мрнк тізбегі ДНК тізбегінің бір тармағындағы нуклеотидтердің ізбе-ізділігін дəлдікпен көшіреді. Үштік нуклеотид немесе триплет ақуыз молекуласының тізбегіндегі кодталған аминоқышқылдың үйлесімді орналасуын анықтайды. Осылайша мрнк-да ақуыз синтезінің коды сақталады. Процесс барысында ДНК шығындалмайды жəне өзгеріске ұшырамайды. Трансляцияға дайындықтың екінші маңызды этапы кодтау (кодирование), яғни белсенді аминоқышқылдарды тасымалдаушы трнк-ға жеткізу. Олар тасымалдау кезінде аминоқышқылдардың қатаң ізбе-ізділін қамтамасыз етеді. Өзінің трнк-сымен байланысқаннан кейін аминоқышқылдар өздеріне тиісті трнк антикодондық ілгегінде үш нуклеотидтік ізбе-ізділік түріндегі «шифр» алады. Рибосома ақуыздары біріншілік құрылымы, аминоқышқылдық құрамы, молекулалық массасы байланысты əртүрлі. Рибосомалық ақуыз құрамындағы азоттың көптігімен ерекшеленеді. Рибосомада полипептидтік тармақтың түзілу процессі трансляция деп аталады. Ақуыз синтезінің коды триплеттік (əрбір аминоқышқыл мрнк кодонында ізбеізділікпен орналасқан үш нуклеотидпен кодталған), көптік немесе тума (бір аминоқышқылдың полипептидтік тармақта орналасуы бірнеше кодондармен анықталады), үзіліссіз (код үзіліссіз саналады, əмбебап ( барлық ағзаға біркелкі) болып бөлінеді. Негізгі əдебиеттер: 1[5-9, 27],2,5 Қосымша əдебиеттер: 9,10,11[15-20] Бақылау сұрақтары: 1. Химиялық қосылыстар ретінде ақуызға түсініктеме беріңіз. Химиялық құрамы мен молекулалық массасына сипаттама беріңіз. 18

19 2. Ақуыздың аминоқышқылдық құрамына сипаттама беріңіз. Ақуыздағы пептидтік байланыстың табиғаты қандай? 3. Ақуыз қандай белгілеріне негізделіп жіктеледі? 4. Ағза тіршілігінде ақуыз қандай биологиялық роль атқарады? 5. Ақуыз биосинтезінің нұсқасын сызыңыз. Дəріс 6. Нуклеин қышқылдары. Құрамы, элементтік құрылымы, нуклеин қышқылдарының типтері. Нуклеин қышқылдарының биосинтезі. Нуклеин қышқылдарының биологиялық ролі. Нуклеин қышқылдары. Құрамы, элементтік құрылымы, нуклеин қышқылдарының типтері. Нуклеин қышқылдары - элементтік құрылымы белгілі, гидролиз кезінде азоттық негізге, пентозаға жəне фосфор қышқылына ыдырайтын жоғары молекулалы қосылыстар. Нуклеин қышқылдарын 1868 жылы щвед врачы Ф.Мишер ашты. Ол лейкоцит пен балық спермасынан жоғары мөлшерде фосфоры бар зат алды жəне оны нуклеин (ядро) деп атады. Нуклеин қышқылдары ағзада маңызды бірқатар қызметтер атқарады. Олар гентикалық ақпаратты сақтау жəне тапсыруды қамтамасыз етеді жəне барлық жасушалық ақуыздар, пиримидин цитозин(ц), урацил(у), тимин(т) синтезіне қатысады. Əдетте, нуклеин қышқылдарының азоттық негізінің құрамына пиримидиндік негіз цитозин(ц), урацил(у), тимин(т) жəне пуриндік негіз аденин(а), гуанин(г) кіреді. Нуклеин қышқылдарының көмірсулық бөлігі оң жақ қатардағы екі бірдей моносахаридтермен көрсетілген: β-d фуран пішініндегі дезоксорибозамен жəне рибозамен Табиғатта құрамы, құрылысы, атқаратын қызметі жағынан айырмашылықтар бар екі түрлі нуклеин қышқылдары бар. Көмірсу компонентінің сипатына байланысты біріншісі - дезоксорибонуклеин қышқылы, екіншісі рибонуклеин қышқылы деп аталады. ДНК жəне РНК қышқылдары пиримидиндік негізінің сапалық құрамы жағынанда айырмашылық бар: ДНК-ға тимин, РНК-ға урацил тəн. 19

20 Пиримидиндік жəне пуриндік негіздер, көмірсу жəне фосфор қышқылы нуклеин қышқылдарының құрамына нуклеотид деп аталатын блок(мономер) түрінде кіреді. Пиримидиндік немесе пуриндік негіздердің рибоза немесе дезоксорибозамен əрекеттесуі нуклеозидтің түзілуіне алып келеді. Нуклеозид деп гетероциклдік негіздің N-гликозидтерін айтады. Қант пиримидтің N3-атомымен жəне пуриннің N9- атомымен β-глюкозидттік байланыс арқылы байланысады. Мысалы: Нуклеотид дегеніміз нуклеозидтің фосфорлық эфирлері. Фосфор қышқылының қалдығы табиғи нуклеотидтерде 3,5-көмірсу атомындағы гидроксил тобы арқылы рибоза (немесе дезоксорибоза) қалдығына жалғасқан. Əр нуклеин қышқылдарына тəн мононуклеотидтердің бірнеше жүздегені, кейде бірнеше мыңдағаны біріңғай молекулаға бірігіп орасан үлкен полинуклеотидтік тізбекті құрайды. Осыған байланысты химиялық құрылысына қарай нуклеин қышқылдары полирибонуклеотид(рнк) жəне полидезоксирибонуклеотид(днк) болып есептеледі. Нуклеин қышқылдарының молекуласындағы нуклеотид қалдықтары күрделіэфир көпірін түзіп байланысады. Молекулалық массасына байланысты нуклеин қышқылының поликонденсация- лану дəрежесі, біріңғай полинуклеотид тізбегінде байланысқан нуклеотид звеноларының санына қарай ауытқып отырады. Егер нуклеотид қалдығының орташа молекулалық массасын 330 Да-ға тең деп алсақ, онда ірі ДНК молекулаларының поликонденсациялану дəрежесі он мыңдаған звенолардан тұрады. ДНК молекулаларының массасының өте үлкендігі соншалықты, оларды кейде құрылымын бұзбай жеке бөліп қарау өте қиынға соғады. Адамның сомалық жасушаларының ядросында 23 жұп хромасомалар бар. Олардың əрқайсысына ДНК-ның бір молекуласынан тура келеді. Адам денесіндегі бір жасушасында орналасқан барлық 46 ДНК молекуласының ұзындығы 2 метрге жуық, ал нуклеотидтер жұбының саны 3,2 млрд. 20

21 РНК-ның молекулалық салмағы ДНК-кі сияқты үлкен болмайды. Молекулалық салмағына, атқаратын қызметіне қарай жасуша РНК-ын төмендегіше бөледі: 1. Тасымалдаушы РНК (трнк) - молекулалық салмағы Да, олар аминоқышқылдарды кодтауды жүзеге асырады. 2. Рибосомалық РНК (ррнк) - молекулалық салмағы 1,1-1,7 млн. Да, олар рибосомалардың құрылымдық негізі. 3. Ақпараттық (матрицалық) РНК (мрнк) - молекулалық салмағы 300 мыңнан 4 млн Да аралығында ауытқып отырады, олар полипептидтік тізбек биосинтезінің матрицасы болып табылады. 4. Вирустық РНК (врнк) вирустардың құрылымдық бөлігі, ағза жасушасындағы вирустардың көбеюіне қажет ақпараттарды жеткізеді. Жасушада РНК ның саны функционалдық белсенділігіне байланысты əртүрлі. Нуклеин қышқылдарының биосинтезі. Нуклеин қышқылдарының биологиялық ролі. Нуклеин қышқылдарының биосинтезінің өзіне ғана тəн ерекшелігі бар, яғни атаанасынан ұрпаққа тұқым қуалау ақпаратын нуклеотидтердің белгілі ізбе-ізділігінің арқасында дəл сол күйінде жеткізеді. Сондықтан нуклеин қышқылдарының синтезі матрицалық синтез: бала (дочерний) полимер ата-аналық ДНК матрицасының негізінде құралады, оның көшірмесі болып табылады. Сондай-ақ, ДНК, РНК, ақуыз синтезінің өзіне ғана тəн ерекшеліктерінің бірі инициация (басы), элонгация (жалғасы), терминация (соңы) сияқты этаптардан өтуі. Бала (дочерний) жасушаға ақпараттың берілуі бөліну процесі кезіндегі комплементарлық принцип бойынша жүзеге асады. Əрбір азоттық негіз өзінің комплементарлық жұбына ие: ДНК молекуласында РНК молекуласында А-Т А-У Г-Ц Ц-Г Ц-Г Г-Ц Т-А У-А Сондықтанда əрбір нуклеотидтің өзіне сай антинуклеотиді, ал əрбір триплетің өзіне сай антитреплеті немесе антикодоны болады. ДНК кодондарының өзіне сай антикодондарымен комплементарлық қосылуы барысында екінші ДНК молекуласы түзіледі, ол тізбектік ұзындығы жəне нуклеотидтердің саны жағынан біріншісіне тең. Осылай қос спираль түзіледі жəне осындай қалыпта ДНК молекуласы ұзақ уақыт бола алады. ДНК-ның комплементарлық тізбегі тек сол ортада басы бос нуклеотидтердің саны жеткілікті жəне ДНК-полимераза ферменті болған жағдайда ғана түзіледі. Бұл фермент ДНК жүйесінде катализ қызметін атқарады. Тек ДНК жəне РНК молекулаларының нуклеотидтері жеке комплементарлық жұп түзіп қана қоймайды, сонымен қатар ДНК нуклеотидтері РНК нуклеотидтері менде бірге жұп түзеді. Бұл қасиет ақуыз биосинтезі процесі кезінде гентикалық ақпаратты беру кезінде көрінеді. ДНК нуклеотидтері РНК нуклеотидтерімен төмендегідей жұп түзейді: ДНК РНК А - У Г - Ц Т - А Ц - Г Ақуыз синтезі туралы алғашқы ақпарат ДНК-да сақталады. Дəл осы жерде ақуыздардағы аминоқышқылдардың ізбе-ізділігі анықталады. Нуклеотидтердің құрамына енетін үш негізгі бөліктердің ішінде фосфор қышқылы жасушада үнемі болады, рибоза көмірсулар ыдырауы кезінде түзіледі. 21

22 Пуриндік жəне пиримидиндік негіздердің синтезделу жолы əртүр. Бірақ синтез механизмінде бір қатар ұқсастықтар бар. 1. гетероциклдік сақинадағы азоттың көзі ретінде глицин, аспарагин, глутаминді қолдануы; 2. пуриндік жəне пиримидиндік циклдердің құрамында көмірқышқыл газының көміртегі атомының жəне құмырсқа қышқылының болуы; 3. нəтижесінде биосинтездің ақырғы өнімі нуклеозид-5-фосфат болатын пуриндік негіздің түзілуі жəне пиримидиндік негіз синтезінің аяқталуы; 4. нуклеотидтер синтезі процесі кезінде жүретін барлық реакциялардың ферментативтік күйі; Нұсқада көрсетілгендей пурин сақинасындағы екі азот атомы (N3-N9) глутаминнің амид тобынан, үшінші азот атомы (N1) аспартаттан(аспарагин қышқылынан), төртінші азот атомы (N7) глициннен алынады. Осылайша, глицин молекуласы үш атом береді. Көміртегінің екінші жəне сегізінші атомы формиаттан(құмырсқа қышқылынан), ал көміртегінің алтыншы атомы CO2- нан алынады. ДНК биосинтезі қырық жылдан астам уақыт бойы зерттелуде. Қазіргі таңда бұл көп сатылы күрделі процестің ферменттік жүйесі туралы көп дүние белгілі, дегенмен бірқатар талқылаулар əліде болса қажырлы еңбек қажет етеді. Бұл əсіресе жоғары сатыдағы ағзалардың ДНК синтездеуші аппаратына қатысты. Бұл мəселенің шешімі қатерлі ісік ауруларын, ағзаның қартаю процесін бақылауға алуда, вирустық инфекциялармен күресте маңызы зор. Негізгі əдебиеттер:1 [5-9,27],2,5 Қосымша əдебиеттер: 9,10,11 [15-20] Бақылау сұрақтары: 1. Нуклеин қышқылдарына сипаттама беріңіз жəне олардың ағзадағы қызметі. 2. Қандай азоттық негіздер жəне моносахаридтер ДНК мен РНК-ның құрамына кіреді? 3. Нуклеозидтер жəне нуклеотидтер дегеніміз не? ДНК-нан фрагмент көрсетіңіз. 4. ДНК молекуласының түзілуіндегі комплементарлық принцип. 5. Пуриндік жəне пиримидиндік негіздердің синтезделу жолы. Дəріс 7. Көмірсулар. Полисахаридтер мен олигосахаридтердің ыдырау жолдары. Көмірсулардың биологиялық ролі. Көмірсулардың биосинтезі. Көмірсулар. Полисахаридтер мен олигосахаридтердің ыдырау жолдары. Зат алмасу процесінде көмірсулық алмасу маңызды орын алады. Көмірсулардың ыдырауы кезінде энергия бөлінеді, олар АТФ байланыстарында жинақталады жəне ағзадағы биохимиялық процестердің жүруіне жұмсалады. Көмірсулардың зат алмасу процесіндегі екінші маңызды қызметі олар ағзадағы липидтердің, ақуыздардың, нуклеин қышқылдарының биосинтезіне қажет органикалық қосылыстардың көзі болып табылады. Құрамындағы молекулаларына қарай көмірсуларды негізгі үш топқа бөледі: моносахаридтер, олигосахаридтер жəне полисахаридтер. Полисахаридтер мен олигосахаридтер гидролиз жəне фосфоролиз реакциялары нəтижесінде жай қосылыстарға (моносахаридтерге) ыдырайды. Крамал гидролизі спецификалық фермент амилазаның əсерінен жылдамдайды. Ферменттің күйіне сай крахмал молекуласы глюкоза, мальтоза немесе олигосахаридке айналады. Гидролиз нəтижесінде баяу ыдырау процесінде аралық өнім ретінде декстриндер түзіледі: HO[C6H10O5]xH H2O nho[c6h10o5]y H2O mc12h22o11 H2O 2mC6H12O6 крахмал декстрин мальтоза глюкоза 22

23 Крахмал мен гликогенге ұқсас басқада табиғи полисахаридтер гидролизденеді: целлюлаза ферментінің қатысуымен целлюлоза, хитиназа хитин, гепариназа гепарин жəне т.б. Полисахаридтер мен олигосахаридтердің ыдырауының екінші бір түрі фосфоролиз көбіне гликогенге тəн. Фосфоролиз реакциялары олиго- жəне полисахарид молекулаларындағы гликозидтік байланыстың үзілген жеріндегі моносахарид қалдықтарына фосфор қышқылының қосылуымен түсіндіріледі. Фосфоролиз реакциясын фосфорилаз ферменті жылдамдатады, фосфоролиттік үзілуге тек 1,4-гликозидтік байланыстар ғана ұшырайды. Осылайша, олиго- жəне полисахаридтердің ыдырауы салдарынан еркін моносахаридтер немесе олардың фосфорлық эфирлері пайда болады. Ары қарай моносахаридтер алмасуында олардың тек фосфорлық эфирлері ғана қатысады. Еркін монозалар фосфорланып реакцияға қабілетті қоспаға фосфорлық эфирге айналады. Глюкозаның фосфорлануы мынадай нұсқада өтеді: Глюкоза+АТФ глюкокиназа Глюкоза-6-фосфат+АДФ Көмірсулардың биосинтезі. Жай көмірсулар фотосинтез жəне бактериялардағы хемосинтез жолымен атмосферадағы көмірқышқыл газын тотықтыру арқылы пайда болады. Жасыл өсімдіктер жəне фотосинтездеуші бактериялар органикалық заттардың біріншілік синтезі үшін күн сəулесінің энергиясын пайдаланады, ол химиялық синтезге ыңғайлы энергия түріне ауысады. АДФ-тан АТФ синтезделуімен біруақытта тағыда маңызды реакция қатар жүреді: су фотолизі нəтижесінде СО2 ні тотықтыруға жұмсалатын сутегі атомдарының босауы. СО2 ның одан əрі тотығуы, көмірқышқыл газдың рибулозо-1,5- дифосфатпен байланысуы фотосинтездің қараңғылық реакцияларында жүзеге асады. Міне, осы кезде АТФ шығындалады. Автотрофты ағзалардағы көмірсудың біріншілік биосинтезінің нұсқасы мынадай: 1. Фотосинтездің жарық (световые) реакциялары: 2. Фотосинтездің қараңғылық (темновые) реакциялары: 23

24 Гетеротрофты ағзалардың, яғни құрылымдық бөліктерін құру үшін дайын органикалық заттарды қолданатын ағзалардың біріншілік биосинтез қабілеті жоқ, бірақ оларды тағамдағы органикалық қосылыстарды қайта өңдеу арқылы (липид, ақуыз жəне т.б. ыдырауынан) қалпына келтіре алады. Бұл қосылыстардың жай көмірсуларға айналуындағы орталық звено - пирожүзім қышқылының түзілуі. Олигосахаридтер биосинтезі трансгликоздау (трансгликозидирование) реакциясы жолымен іске асады, берілген моносахаридке гликолиз қалдығы екінші моносахаридтің фосфорлық эфирінен беріледі жəне процесс гликозилтрансферазаның қатысуымен жылдамдайды. Полисахаридтер биосинтезіде трансгликоздау жолымен жүзеге асады: моносахарид тердің фосфорлық эфирлері мен олигосахаридтердің қосылуы. Полисахаридтер биосинтезі процесінде моносахарид қалдықтарының берілу реакциясы сəйкес гликозилтрансферазалардың қатысымен жылдамдайды, сондай-ақ реакциялық ортада полисахарид молекуласының аз мөлшері болуы қажет. Субстрат ретінде нуклеозиддифосфатсахар бола алады. Сол сияқты целлюлоза биосинтезінде гуанозиндифосфатглюкозаның қатысы міндетті. Негізгі əдебиеттер:1 [5-9,27],2,5 Қосымша əдебиеттер: 9,10,11 [15-20] Бақылау сұрақтары: 1. Көмірсулар құрылымы жəне биологиялық қызметі. 2. Полисахаридтер мен олигосахаридтердің ыдырау жолы. 3. Көмірсулар гидролизі мен фосфоролизінде қандай ферменттер қатысады? 4. Моносахаридтер биосинтезіне сипаттама беріңіз. 5. Полисахаридтер мен олигосахаридтер биосинтезіне сипаттама беріңіз. Дəріс 8. Ферменттер жəне коферменттер. Ферменттердің құрылымы. Ферменттер əсерінің механизмі. Ферменттер классификациясы. Ферменттердің құрылымы. Күрделі жəне əртүрлі жасушалық зат алмасу процесіне көптеген биокатализаторлар ферменттер (энзимдер) қатысады, олар табиғаты ақуыз заттар. Каталитикалық қасиеттеріне байланысты ферменттер орасан көп химиялық реакциялардың жылдам жүруін қамтамасыз етеді. Қазіргі таңда биологиялық объектілерден бөліп алынған бірнеше жүздеген ферменттердің түрлері белгілі. 24

25 Ферменттер неорганикалық катализаторлардан бірқатар белгілері арқылы ерекшеленеді: 1. Ферменттер неорганикалық катализаторлармен салыстырғанда өте жұмсақ жағдайларда (төменгі температура, қалыпты қысым, рн көрсеткішінің орта мəні) жəне тиімді жұмыс істейді. Мысалы, каталаза ферментіндегі небары 1мг темір 10 млрд. рет жылдам əрекет етеді жəне 10 т неорганикалық темірдің орнын басады. 2. Əрбір фермент белгілі бір реакцияны немесе бір типтегі реакциялар тобын ғана жылдамдатады. 3. Жасушадағы ферментативтік реакциялардың жылдамдығы реттелген, соның салдарынан барлық қосылыстардың қажетті мөлшері қатаң сақталады. Ағзалардан бөліп алынған ферменттер өзінің каталитикалық қасиеттерін жоғалтпайды. Олардың химия, тамақ, жеңіл жəне фармацевтика өндірісінде қолданылуы осыған негізделген. Молекулалық құрамына қарай ферменттер жай жəне күрделі болып келеді. Бірінші жағдайда ферменттер жай ақуыз түрінде болады, ал екінші жағдайда ферменттердің құрамында ақуыздан басқа табиғаты ақуызға жақын емес қосалқы топтар кездеседі. Жай ферменттерге асқорытуға қатысатын трипсин жəне химотрипсин мысал бола алады. Күрделі ферменттерге пиридоксальфермент, уреаза, каталаза жатады. Күрделі ферменттерге тəн ерекшелік ондағы ақуыз қосалқы топтың каталитикалық белсенділігін күрт жоғарлатады, ал қосалқы топ ақуыздық бөлікті тежейді. Жай ферменттерде биокаталитикалық қызметті белсенді орталық деп аталатын ақуыз молекулаларының бір бөлігі атқарады. Бұл бөлік үйлесімді белгілі бір аминоқышқылдардың радикалдары. Көбіне ферменттердің белсенді орталығында серин, гистидин, триптофан, аргинин, цистеин, аспарагин қышқылы, глутамин қышқылының қалдықтары кездеседі. Ферменттердің белсенді орталығын түзуші аминоқышқылдардың қалдықтары біріңғай полипептидтік тізбектің əртүрлі нүктелерінде орналасады. Сондықтан белсенді орталық ақуыз молекуласы өзіне тəн үшіншілік құрылымына ие болған кезде пайда болады. Ферменттердің белсенді орталығының ерекше бөлігі субстратпен байланысқа жауапты, ферментативтік өзгеріске ұшырайтын субстраттық орталық деп аталатын бөлігі. Ферменттердің белгілі бір субстратқа қатысты спецификалық əрекеті ферменттің субстраттық орнының құрылымы мен субстраттың құрылымының арасындағы геометриялық үйлесімділікпен анықталады. Көп жағдайда субстраттың ферментке жабысуы субстрат орталықта орналасқан лизиннің ε-аминотоп радикалының қатысуымен жүреді. Осындай ролді көбіне глутамин қышқылы радикалының карбоксил тобы, сондай-ақ цистеин радикалының сульфгидриль тобы атқарады. Белсенді орталықтан басқа тағы бір орталық аллостерикалық орталық. Ол белсенді орталықтан алшақ орналасқан фермент молекуласының бөлімі. Ферменттің каталитикалық белсенділігінің кейде жоғарылауына, кейде төмендеуіне байланысты белсенді орталықтың конфигурациясы өзгеріп отырады. Зарядтарды алып келуші аминоқышқыл радикалдары қағидаға сай фермент глобуласының жоғарғы бетіне қарай бағытталған, ал көптеген гидрофобты аминоқышқыл радикалдары молекуланың ішіне қарай бағытталады жəне бір немесе бірнеше гидрофобтық ядроға бірігеді. Ферменттер əсерінің механизмі. Ферменттер катализатор болғандықтан өздігінен, бірақ өте баяу жылдамдықпен жүретін химиялық процестерді тездетеді. Барлық басқа катализаторлар сияқты реакция энергиясының төмендеуінің арқасында химиялық реакция жылдамдығын жоғарлатады. Химиялық процестер кезінде жұмсалатын қосылыс бірқатар аралық жағдайлардан өтеді жəне бос энергия айтарлықтай төмендейді. Ферментативтік катализ механизмінде басты ролді фермент-субстрат кешені атқарады, ферменттің үштік құрылымы өзгереді, ол фермент бен субстрат молекулаларының кеңістіктегі үйлесімділігінің жақсаруына септігін тигізеді. 25

26 Сурет 7. Ферменттер əсерінің механизімі Ферментативтік реакцияның бірінші сатысында фермент жəне субстрат ковалентті немесе басқадай байланыспен байланысқан қосылыс түзіледі. Екінші сатыда субстрат өзімен байланысқан фермент əсерінен белсенді күйге көшіп, өзгерістерге ұшырайды, химиялық реакцияға түсуге ыңғайлы қалыпқа көшеді. Үшінші сатыда химиялық реакция жүреді. Соңғы сатыда пайда болған реакция өнімі фермент-өнім кешенінен босап шығады. Егер ферментті Е, субстратты S, белсенді субстратты S *, реакция өнімін Р деп белгілесек, онда процесс ізбе-ізділігін былай көрсетуге болады: E+S ES ES * EP E + P Ферменттер классификациясы. Жасушаның жеке құрылымдық элементтеріндегі əрекеттер де, сондай-ақ бүтіндей жасушаның өзіндегі əрекеттер де ферменттердің қатысуымен ғана өтеді. Сондықтан жасушадағы барлық биохимиялық процестер ферментативтік болып есептеледі. Катализдейтін реакцияның түріне сəйкес ферменттер алты негізгі топқа бөлінеді: 1) оксиредуктазалар, 2) трансферазалар, 3) гидролазалар, 4) лиазалар, 5) изомеразалар, 6) лигазалар. Оксиредуктазалар. Сутегі атомының немесе электрондардың тасымалдануын катализдейді. Дем алу жəне ашу процестеріне қатысады. Олардың іс əрекетінің нəтижесінде органикалық заттардан энергия бөлінеді. Бұл топқа дегидрогеназалар жатады: 1) анаэробты дегидрогеназалар, олардың белсеңді тобына НАД жəне НАДФ кіреді, мысалы, глицератдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа жəне 2) аэробты дегидрогеназа, олардың тобына НАД немесе НАФ,. Мысалы, малатдегидрогеназа, кето-глутурутдегидрогеназа. Сонымен қатар, осы топқа оксигеназа субстрат молекуласына оттегі атомдарының енуін катализдейтін ферменттер жатады. Трансферазалар. Фосфор қышқылының қалдығы фосфортрансфераза, аминотоптың қадығы аминотрансферазалар сияқты атомдардың тасымалдануын катализдейді. Гидролазалар. Күрделі органикалық қосылыстардың судың қатысуында гидролизін катализдейді, мысалы, эстеразалар (липазалар,пектинэкстеразалар), карбогидразалар (лактаза, инвертаза, амилаза, целлюлаза), протеаза (петидазалар, протеиназалар). Лиазалар. Əр түрлі топтардың субстрат молекуласынан гидролитикалық емес жұлынуды катализдейді, мысалы, аминоқышқылдардың декарбоксилазалары, альдолазалар, енолазалар. Изомеразалар. Органикалық заттарды изомерлеріне айналуын катализдейді, мысалы, триозофосфатизомераза 3-фосфоглицеральдегидтің диоксиацетон-фосфатқа айналуын катализдейді. Лигазалар. Төмендегідей схема бойынша АТФ молекуласының бір уақытта ыдыраған екі морлекуланың қосылуын катализдейді: В + АТФ = ВФ + АДФ А + ВФ = АВ + Ф 26

27 Осылайша пируваткарбоксилаза пировиноград қышқылынынан жəне СО2-ден щавель сірке қышқылының синтезін катализдейді. Ақуыз молекулалары өте үлкен, сондықтан ферменттердің молекулалық массасы миллионнан асады. Бірақ молекулалық массасы 1000 болатын ферменттер де бар. Ферменттердің ерекшелігі деп оның белгілі бір субстратқа тигізетін əсерін түсінеміз, мысалы сахароза тек сахарозаны, уреаза тек мочевинаға əсер етеді де оның изомерлеріне əсер ете алмай ды. Өзінің ерекшелігін фермент каталитикалық орталық арқылы білдіреді. Бұл орталықты ферменттік ақуыздың молекуласында аминоқышқылдары белгілі аминоқылдық ретпен жəне кеңістіктік конфигурациясы бар аминоқышқылдық тізбек құрайды. Ферменттердің бір бөлігі күрделі ақуыздар құрамына ақуыздық бөліктен басқа апоферменттер жəне ақуыздық емес бөлігі - коферменттер болатын протеидтер болып келеді. Көп жағдайларда дəрумендердер коферменттер болады. Мысалы, сірке қышқылының пировиноград қышықылынан пайда болуын катализдейтін пируватдекабоксилаза құрамына тиамин (витамин В1) кіреді. Дегидрогеназалардың құрамына көбінесе рибофлавин (витамин В2) кіреді. Ферменттер молекуласында металл ионадарына ие болатын комплекстер бола алады. Металдар электрондар тасымаолауына қатысады деп есептейді. Кем дегенде 15 металдар ионның, соның ішінде микроэлементтердің ферменттерді белсеңдендіретіні əйгілі. Коферменттер катализдейтін реакцияның табиғатын анықтайды. Атқаратын функцияларға қатысты, оларды уш топқа бөлуге болады: 1) Сутек атомдарын немесе электрондарды тасымалдайтын коферменттер. Олар тотығу-тотықсыздану ферменттері оксиредуктазалармен байланысты. 2) Атомдар тобын тасымалдайтын коферменттер. Олар трансферазалармен байланысты. 3) Көміртек байланысының синтезін, ыдырауын жəне изомеризациясын катализдейтін коферменттер. Бұл топ лиазалар, изомеразалар жəне лигазалардйң əсерімен байланысты. Бірінші топқа құрамына никотин-амид кіретін топтар жатады.олар нуклеотидтер пиридин туындылары болып келеді. Бұл топқа никотинамидадениндинуклеотид (НАД) жəне ниеотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) жатады. Бұл коферменттер дегидрогеназа құрамына кіреді де спирт, оксиқышқыл жəне кейбір аминоқышқылдардың сəйкес алдегидтенріне, кетондар мен кетоқышқылдардың айналуына қатысады (1 сүр). Екі коферменттердің де (НАД жəне НАДФ) құрамына субстраттанэлектрондан немесе протондар жұбын тасымалдайтын, мысалы этил спиртінің алкогольдегидрогеназаның қатысуымен тотығуында, никотн-амид кіреді. Коферменттердің екінші тобына аденозинтрифосфат (АТФ) кіреді,қосылу энергиясына өте бай,монохондрияд синтезделеді. Əрбір макроэргитикалық, фосфооангидридтық молекчула байланысындағы гидролититикалық бөлінуде АТФ-тің 30 кдж\моль-і бөлінеді. АТФ-тің АДФ-қа ауысуында бөлінетін энергия фосфорланған қосылысқа ауысады немесе жылу түрінде бөлінеді. Коферменттің үшінші тобына а-кетокислоттың кетосахарға ауысуына қатысатын: 1. тиаминпирофосфат кіреді. Бұл фермент пируватдекарбоксил құрамына кіреді. Тиаминпирофосфат пируват декарбоксилденуіне ғана қатыспай, кетаглутар қышқылының тотығу декарбоксилденуінде, -қышқылдар жəне дикетондардың пайда болуы мен ыдырауында да қатысады. 2. биотин ферментке кофермент ретінде кіреді жəне ері кабоксиметилдеу реакциясын катализдейді; бұл реакцияларда биотин СО2 тасымалдаушысы болып əсер етеді. Бұл кезде АДФ-қа ауысатын АТФ қатар жүреді, мысалы, пируваттан щавель-сірке қышқылының пайда болуында. Ферменттердің көбісі жасуша ішінде орналасады. Бірақ көп клеткалар клетка қабырғасының сыртқы бетінде орналасады, мысалы целлюлоза жəне крахмал гидролазалары. Эндоферменттер көп жағдайда клетка органоидтарында орналасады, бірақ цитоплазмада да бола алады, мысалы ашу процесін катализдейтін ферменттер фосфогексоизомераза, альдолаза, пентоз циклінің ферменттері. 27

28 Негізгі əдебиеттер:1 [5-9,27],2,5 Қосымша əдебиеттер: 9,10,11 [15-20] Бақылау сұрақтары: 1. Ферменттер туралы түсінік жəне олардың неорганикалық катализаторлардан өзге ерекшеліктері. 2. Ферменттердің белсенді орталықтарының құрамы жəне құрылымдық ерекшелігі. 3. Ферменттер əсерінің механизмі. 4. Ферменттер классификациясы. 5. Коферменттер жəне апоферменттер туралы түсінік жəне олардың классификациясы. Дəріс 9. Ферментативті процесстер кинетикасы. Ферменттердің қасиеттері. Периодтық ферментацияның негізгі параметрлері. Ферментативті реакциялардың кинетикасы. Ферментация процесі микроағзалардың немесе жекеленген клеткалардың биохимиялық іс-əрекетін пайдаланып бастапқы шикізаттың өнімге айналуы жүретін процесс. Қажет өнімнің белгілері бойынша ферментация келесі типтерге бөлінеді: 1) микроағзалардың биомассасының өзі қажет өнім болатын ферментация. Мұндай процестер қалыпты жағдайда «культивациялау», «өсіру» сөздерімен белгіленеді; 2) қажет өнім ретінде биомассаның өзі емес, метаболизм өнімдері клеткадан тыс немесе клетка ішіндегі, мұндай процестер биосинтез процесі деп аталынады; 3) ферментация мəселесі бастапқы ортаның белгілі компоненттерінің жойылуы (утилизациясы) болып табылады, мұндай процестерге биототығу жəне биодеградациялар жатады. Ферментация процесі жүретін негізгі фаза бойынша төмендегіше бөлінеді: 1) беттік (қатты фазалық) ферментация (агрегатты орталарда, бидайда культивациялау, сыр, жұжық өндірісі); 2) тереңдік (сұйық фазадалық) ферментация, онда микроағзалардың биомассасы ауа немесе басқа газдар урленетін сұйық қорек ортада суспендерленеді; 3) газофазалық ферментация, онда процесс микроағзалар бекітілетін қатты тасымалдауышта жүреді, бірақ тасымалдауыш бөлшектері қорек орта аэрозоліне байытылған газ ағынында ілініп жүреді. Микроағзалардың өзінің классификациясына ұқсас оттегіне қатысты аэробты, анаэробты жəне факультативті-анаэробты ферментацияға бөлінеді. Жарыққа қатысты жарықтық (фототрофты) жəне қараңғы (хемотрофты) ферментацияға бөлінеді. Ферментация процесіндегі негізгі ортаны немесе оның негізгі компонентін көбіне субстрат деп белгілейді. Субстратпен ферменттер тұрақсыз аралық өнімді құрайды, бұл жағдайда ферментсубстрат кешені алынады да, ол кейін еркін фермент жəне реакция өніміне ыдырайды. Ферменттің субстратпен қосылуы каталитикалық орталықта жүреді. Ол ковалентті байланыс арқылы электрондардың қатысуымен, сутек байланысы немесе одан əлсіз байланыс арқылы жүре алады. Бұл жағдайларда субстрат молекуласында ішкі байланыстар əлсіреп осы қосылыстың өзгерісі болады. Жалпы түрде ферментативті процесті келесі теңдеумен көрсетуге болады: E + S = ES = EP = E+P, мұнда E ферменттер; S субстрат; P - реакция өнімі. Кез келген ферменттің белсенділік өлшем бірлігі ретінде оптимальды жағдайда(температура, рн мəні) 1мкмоль(1мкмоль=10-6 ) субстратты уақыттың өлшем бірлігінде(1мин. немесе 1с. ішінде) катализдей алатын мөлшері алынады. 28

29 Сурет 8. Фермент белсенділігінің субстрат концентрациясына тəуелділігі Жоғарыда көрсетілген нұсқада катализ сатысы - фермент-субстрат кешенінің Е түзілуі, соңғы саты - өнімнің түзілуі Р. Бұндай реакцияның жылдамдығы Михаэлис-Ментен теңдеуімен жазылады: V0 = Vmax [S]/Km + [S] мұндағы, Vmax реакцияның максималды жылдамдығы; S субстрат концентрациясы; Km Михаэлис тұрақтылығы. Сандық жағынан Km Михаэлис тұрақтылығы реакция жылдамдығының максимал мəнінің жартысындай болатын жағдайдағы субстрат концентрациясы. Оның өлшем бірлігі Моль. Михаэлис-Ментен теңдеуімен анықталатын фермент белсенділігінің субстарт концентрациясына тəуелділігінің графигі гипербола түрінде болады. График көмегімен Km Михаэлис тұрақтысын жəне Vmax реакцияның максималды жылдамдығын анықтауға болады. Ферменттердің қасиеттері. Ферменттердің барлық қасиеттері ақуыздікі сияқты. Дегенмен биокатализаторлар өзіне ғана тəн бір қатар қасиеттерге ие. Осы қасиеттерімен ферменттер ақуыздардан ерекшеленеді. Бұл ерекшеліктер: ферменттердің термолабильдігі (термолабильность), олардың əрекеттерінің ортаның рн көрсеткішіне тəуелділігі, активатор жəне ингибиторлардың əсеріне тəуелділігі. 1. Ферменттердің термолабильдігі былай түсіндіріледі: температура бір жағынан ферменттің ақуызды бөлігіне əсер етіп, денатурацияға əкеп соғады жəне каталитикалық қызметін төмендетеді. Ал, екінші жағынан фермент-субстрат кешенінің түзілу жылдамдығына əсер етеді, яғни осы реакцияны жылдамдатады. Ферменттің каталитикалық белсенділігінің температураға тəуелділік графигі төмендегі суретте көрсетілгендей қисық сызық: Сурет 9. Фермент белсенділігінің температураға тəуелділігі Бұл қисық сызықта температура 50 0 С-дан жоғарылаған кезде фермент ақуызының денатурациясы жоғарылайды, ферменттің белсенділігі төмендейді. Ферменттің каталитикалық белсенділігінің максимальды температурасын температуралық оптимум деп 29

30 атайды. Ережеге сай жануартектес ферменттердің температуралық оптимумы C аралығында, ал өсімдіктектес ферменттердікі C шамасында. 2. Фермент максимальды белсенділігін көрсететін, яғни əрбір фермент үшін ортаның рн көсеткішінің оптимальды мəні немесе рн оптимумы бар. Көпшілік ферменттер нейтрал ортада максимальды белсенділік танытады. (10 сурет) Сурет 10. Фермент белсенділігінің ортаның рн- көрсеткішіне тəуелділігі. Қышқылдығы жəне сілтілігі өте жоғары ортада тек кейбір ферменттер ғана жақсы қызмет атқара алады. Н + концентрациясының белсенді орталыққа əсері ферменттің каталитикалық белсенділігіне ықпалын тигізеді. рн көрсеткішінің əртүрлі мəнінде белсенді орталық азды-көпті дəрежеде иондалады, ферменттің ақуыздық бөлігінің көршілес полипептидтік тізбек үзінділерімен тасада қалады(экранирован). Сондай-ақ, ортаның рн көрсеткіші субстраттың, фермент-субстарт кешенінің, реакция өнімінің ионизациялану дəрежесіне əсер етеді. 3. Əртүрлі ферменттердің өзіне тəн қасиеттері(специфика) түрліше. Кейбір ферменттерге тек өзіне ғана тəн қасиеттері болады, мысалы тек бір ғана реакцияны жылдамдатады. Мысалы, уреаза ферменті бүйрек жəне бауырда мочевинаның гидролиз реакциясын жылдамдатады: Н2N-CO-NH2 + H2O 2NH3 + CO2 Басқа ферменттер біртоп өзіне тəн ерекшеліктерге ие немесе кеңістіктегі бір изомерге əсер ететін стериохимиялық спецификаға т.с. ие. (мысалы, α-немесе β-метилглюкозид). 4. Ферменттер активаторлар мен ингибиторлардың əсеріне соқтығады. Ферменттердің белсенділігін жоғарылататын активаторлардың қатарына көптеген металл иондары жатады: (Mg 2+, Mn 2+, Zn 2+, K + ) жəне кейбір аниондар (Cl - ). Кей жағдайларда металл иондары (Mg 2+, Zn 2+ ) ферменттің простетикалық топ құрамына жатады, ал кейде фермент-субстрат кешенінің түзілуін жеңілдетеді. Ингибиторлар ферменттердің жылдамдығын тежейді. Периодттық ферментацияның негізгі параметрлері. Ұйымдасу тəсіліне қарай ферментация процесі мынадай болады: периодтық, үздіксіз, көпциклді, алмалы-салмалықұймалы, периодтық субстрат сорғышымен(периодические с подпиткой субстрата), жартылай үздіксіз субстрат сорғышымен(полунепреривные с подпиткой субстрата). Ферментацияның барлық түрлерін шикізатты қабылдау жəне өнімді босату тəсіліне қарай теңестіруге (идентифицировать) болады. Периодтық процестерде аппаратқа шикізат жəне егіс материалының қабылдануы біруақытта, яғни қатар жүреді, кейін аппаратта белгілі бір уақыт ішінде процесс жүреді. Процесс аяқталғаннан кейін алынған ферментациялық сұйықтық аппараттан сыртқа шығарылады. Үздіксіз процестерде ортаның қабылдануы жəне бөліп шығарылуы үздіксіз жəне біруақытта өтеді, сондай-ақ аппаратқа жаңа қоректік заттың түсу жылдамдығы мен аппараттан бөлініп шығатын ферментациялық сұйықтың бөліну жылдамдықтары бірдей. Нəтижесінде аппараттағы ортаның көлемі ұзақ уақыт бойы тұрақты сақталып қалады. 30

31 Көпциклді процесс негізінен периодтыққа ұқсайды, бірақ аппараттан шығарыларда ферментациялық сұйықтың бір бөлігі қалып қояды жəне келесі ферментацияға егістік(посевной) материал ретінде қызмет атқарады, содан кейін ғана жаңа қоректік зат түседі. Бұл егістік материалды дайындауда арнайы сатыны ұйымдастырмай-ақ процесстің өтуіне септігін тигізеді. Алмалы-құймалы процесінде (отъемно-доливной) фертментация бастапқыда периодтық түрде жүреді, кейін белгілі уақыт өткеннен кейін ферментациялық сұйықтың бір бөлігі аппараттан бөлініп шығып, жаңасымен толықтырылады. Көпциклді процесспен салыстырғанда алып қалынатын сұйықтың мөлшері аз, есесіне саралау аралығы қысқа жəне саралау саны көп. Субстраттық сіңіргіші бар периодтық процессте ортаның бір бөлігі ферментацияның басында қабылданып, ал қалған бөлігі процесс барысында қажеттілігіне қарай үздіксіз қабылданады. Аппараттың шектен тыс толып кетуі процестің табиғи аяқталуы болып есептеледі, ары қарай міндетті түрде периодтық процеске ауысуына тура келеді. Субстраттық сіңіргіші бар үздіксіз процесте аппараттағы ферментациялық сұйықтық белгілі бір күйге жеткенде сараланады, кейін аппарат субстартпен ақырындап қайта толықтырылады. Аппаратқа қорек ортаны құйған соң, қажетті температураны келтірген соң, егілетін материал қосып, аэрация үшін ауа жіберген соң ферментация процесі басталады. Мəдени өсімдіктердің өсуі мен көбеюін түрлі тəсілдермен анықтауға болады: 1) өсімдік сұйығын центрифугирлеу немесе мембраналық фильтр арқылы сүзіп пайда болған пастаны тұрақты массаға дейін кептіру арқылы; 2) жасушалар саны мен мөлшеріне пропорционал болатын нефелометриялық, клетка суспензиясының жарық жұтуын өлшеу арқылы; 3) қорек ортаның белгілі көлемінен алынған биомассадағы азот мөлшерін анықтау арқылы; 4) қандай да бір заттың (газ, қышқыл, ж.т.б.) интенсивті бөліну арқылы. Микроағзалардың дамуында бірнеше фаза байқалады. Ферментация басында микроағзалар жаңа ортаға бейімделеді. Олардың концентрациясы өзгермейді. Бұл кезең лагфаза деп аталады. (1). Содан соң өсу үдеу фазасы басталады (2). Үшінші фаза жоғарғы интенсивті өсу фазасы. (3). Бұл экспоненциалды өсу фазасы. Содан кейін өсу жылдамдығының өсуі азаяды бұл өсудің баяулатылу фазасы (4). Максималды мөлшерге жеткен соң биомасса концентрациясы ары қарай өсуін тоқтатады (5). Бұл фазада стационар ортада қорек заттар таусыла бастайды да, өсуді тежейтін айырбас өнімдері жинақталады. Биомассаның өсуімен қатар клеткалар бөлігінің өлуі жүреді (автолиз), мұнда жалпы концентрация тұрақты болады. Соңында өлуі фазасында автолиз өсуден жоғарлайды да микроағзалардың концентрациясы төмендейді (6). Бұның графигін қисық сызықты былайша көрсетуге болады (11 сурет) Сурет 11. Ферментация фазаларын анықтау Өсу жылдамдығын суреттеу үшін жалпы өсу жылдамдығы Qx сипатты шама пайдаланылады: Qx = dx/dt 31

32 Қалыпты жағдайда өсу интенсивтілігін сипаттау үшін Qx мөлшері емес, биомасса бірлігіне есептелген меншікті өсу жылдамдығы µ пайдаланылады (биомассаның өсуі клетка концентрациясына пропорционал): µ = Qx/X = dx/xdt Экспотенциалды фазада, өсу еш кедергімен шектелмеген жағдайда, µ тұрақты болады да биомасса өсуі келесі формуламен суреттеледі dx/dt = µx µ мөлшерінің өлшемі - (с -1 ) немесе (мин -1 ), микробиологиялық процестер жылдам жүрмегендіктен бірінші жағдай жақсы. Өсудің меншікті жылдамдылығы микроағзалардың түріне байланысты əр түрлі болады.көп бактериялар үшін ол көп шамада болады да 0,5 1,0 с -1 ге дейін жетеді. Саңырауқұлақ жəне актиномицет үшін өсу жылдамдығы 0,1-1 с -1 -ден аспайда, ал микро су өсімдіктері жəне өсімдік жəне жануар клеткалары үшін 0,01с -1 деңгейінде болады. Енді, ферментация процесінің екінші параметрі субстрат концентрациясын S қарастырайық. Субстрат қолтанылатындықтан уақыттың өтуімен концентрациясы төмендейді, ақырында микроағзалардың жасушаларының əрі қарай өсуі тоқтайды. Биомасса жылдамдығына сай кинетикалық сипатты шаманы енгізуге болады: субстрат қолданылуының жалпы жылдамдығы Qs:. Qs = -ds/dt (-) белгісі ортадағы субстрат концентрациясы төмендегенде қолданылу жылдамдығы оң екенін көрсетеді. Сəйкесінше, субстрат қолданылуының өзіндік (удельная) жылдамдығы qs тең: qs= Qs / X=-1/xdS/dt Негізгі əдебиеттер:1 [5-9,27],2,5 Қосымша əдебиеттер: 9,10,11 [15-20] Бақылау сұрақтары: 1. Ферментация процесінің классификациясына сипаттама беріңіз: а) көзделген өнімнің белгісіне қарай, б) оттегіге қатысына қарай, в) жарықтың қатысына қарай. 2. Ферментацияның негізгі фазаларын атаңыз. Биомассаның жалпы өсу жылдамдығын сипаттайтын теңдеу. 3. Лаг-фаза несімен ерекшеленеді? 4. Ферменттердің негізгі қасиеттері. Ферменттердің каталитикалық белсенділігінің температураға жəне ортаның рн көрсеткішінің əсері қандай? 5. Михаэлис-Ментен теңдеуі. Михаэлис тұрақтысы. Дəріс 10. Фермент иммобилизациясы туралы негізгі түсінік. Фермент иммобилизациясының əдістері. Иммобилизацияланған ферменттерден иммобилизацияланған жасушаларға. Фермент иммобилизациясы туралы негізгі түсінік. Биокаталитикалық процестер мен химиялық процестердің артықшылықтары мен кемшіліктерін салыстырып қарайық: Артықшылықтары: 1. ферменттердің каталитикалық белсенділігі жоғары спецификаға ие, тек ғана бір типтегі реакциямен шектеледі жəне қосалқы реакциялар жүрмейді; 2. ферменттер негізгі молекулаға бірден шабуылдай алады жəне оны көпсатылы химиялық синтезді қажет етпестен өзгерістерге ұшырата алады. 3. заттардың химиялық өзгерістерге түсуі көпсатыда емес, бір не екі сатыда ғана өтетіндей етіп жеңілдетіледі; 4. ферментативтік реакциялар қолайлы жағдайларда жоғары жылдамдықта өтеді. Кемшіліктері: 1) Таза өнімді алу үшін таза фермент қажет, ал оның бөлінуі қымбатқа түседі; 2) реактордан бөлініп шыққан өнімде фермент сақталады жəне ары қарайда əсерін жоғалтпайды; 3) қымбат бағалы фермент бір рет ғана қолдануға жарамды; 4) Бос күйіндегі фермент жылдам белсенділін жоғалтады. 5) ферментті үздіксіз процессте үнемі енгізіп отыру қажет, себебі ол реакция өнімімен жуылып кетеді. 32

33 Айтылған кемшіліктерді болдырмау үшін ферменттердің аппаратта ұсталып тұру əдісін жəне реакция аяқталғанан кейін реакциялық сұйықтан оның жеңіл бөліну əдісін ойлап табу қажет жылдардың ортасында «ерімейтін» немесе «матрицаға бекітілген» ферменттерді жасау туралы пікір туды, кейінірек бұндай ферменттерді иммобилизацияланған деп атады. Иммобилизация бұл ферментті қандайда бір ерімейтін тұтынушыға (носитель) бекіту. Фермент ерітіндімен субстрат жəне өнімнің молекулаларымен алмаса алады. Бұл əдіске жоғары баға беруге болады. Біріншіден, мұндай иммобилизацияланған ферментті бөліп алуға жəне бірнеше рет қолдану мүмкідігі бар. Екіншіден, мұндай фермент ұзақ уақыт бойына белсенділігін жоғалтпайды. Фермент иммобилизациясының əдістері. Ферментті тұтынушыға (носитель) бекітудің бірнеше əдістері бар: 1. Тұтынушыдағы адсорбция тұтынушы ретінде неорганикалық материалдар (шыны, силикагель, бентонит, аллюминий оксиді, титан диоксиді т.б.), табиғи полимерлер (целлюлоза, коллаген), синтетикалық полимер (нейлон, полиэтилен, полипропилен) қолданылады. Биокатализатор жəне тұтынушы арасындағы байланыстың мехенизмі жəне беріктігі əртүрлі, жай химиялық ковалентті байланыстан физикалық адсорбцияға дейін. 2. Агар-агар, альгинат, карагинан геліне қосылу. Фермент молекулалары гельдің тесіктеріне (пора) кіріп алады. Субстрат жəне реакция өнімінің молекулаларымолекулалық диффузия арқасында гельге енеді. 3. Бифункциональдық реагенттердің көмегімен фермент молекулаларының көлденең «тігісі»(«сшивка»). Ерітіндіде фермент молекулалары еркін орналасады, белгілі бір реагенттердің көмегімен өзара əртүрлі бөліктерімен байланысады. Белсенді фермент молекулалары бар кеңістіктік қоспа пайда болады, субстрат жəне реакция өнімі молекулаларының диффузиясы үшін ыңғайлы кеңістік туады. 4. Жартылайөткізгіш капсулаларға қосылу.капсула ішінде ферменттің коллоидтық ерітіндісі болады. Капсуланың сыртқы қабығы айтарлықтай мықты, ферментті өткізбейді, бірақ өнім мен субстратты өткізеді. 5. Фермент сополимеризациясы жəне полимер-тұтынушы. Гельге енгізуді елестетеді, бірақ матрица полифункциональды реагент жəне фермент сополимеризациясы жолымен түзіледі. (фермент геьдің «жасушасында» ғана орналасып қоймай, сондай-ақ онымен байланысқан). 6. Физикалық араласу фермент пен тұтынушы ұнтақтың араласуы. Əдіс сондай қарапайым, бірақ соншалықты сенімді емес. Фермент тұтынушыдан бөлініп қалуы жəне ерітіндіге ауысып кетуі ықтимал. Иммобилизация əдістеріне баға бергенде алынатын биокатализатордың үш сипаты есепке алынады: 1) иммобилизация кезінде белсенділігінің жоғалуы. Мойындау керек иммобилизация бұл ферментке зорлық көрсету. Бұл əсіресе иммобилизация процесін химиялық реагенттерді пайдаланып жүргізгенде, ферменттер үшін рн көрсеткіші мен температура шектен тыс ауытқығанда байқалады. Сондықтан иммобилизациядан кейін ферменттің белсенділігі бастапқымен салыстырғанда төмендейді. 2) биокатализатордың тұрақтылығы. Бұл фермент молекулаларының деградацияға қарсы туру қабілеті. 3) биокатализаторлардың белсенділігі. Бастапқы фермент қаншалықты белсенді болғандығына тəуелді. Ферментті биокатализаторға қаншалықты мол жəне жақсы «енгізуге» мүмкіндік болды. Биокатализаторлардың сапалық бағасы əртүрлі қарама-қайшылықта болады. Экономикалық негізі жағынан салыстырып таңдауға тура келеді: биокатализатор қанша өнім береді жəне өнімділігі жəне құны қанша болады. Иммобилизацияланған ферменттерден иммобилизацияланған жасушаларға. Иммобилизацияланған ферменттердің еркін ферменттермен салыстырғанда бір маңызды ерекшелігі бар тіпті өте таза заттың өзін алу үшінде аса тазаланбаған ферментті қолдануғада болады, егер ол гель, қандайда бір полимер немесе капсула матрицасына бекітілген болса. Дегенмен «кіршік» алынатын өнімге түспейді. Бəрінен бұрын тазаланбаған фермент кейде иммобилизациядан кейін тұрақтырақ болады. 33

34 Ферменттер жасушаішілік болса, т.с. онда мəденилендіру кезінде ортаға шықпайды, сондықтан иммобилизация кезінде ферментативтік белсенділігі жоғары жасушалардың өзін қолданған дұрыс. Ол дезинтеграциядан кейінгі жасуша қабығы не болмаса тіршілігін тоқтатқан, бірақ ферменттік белсенділікке ие жасушаның өзі болуы мүмкін. Ондай жасушаларды «мумия» депте атайды. Оларды ары қарай гель немесе полимердің «сакофагына» орналастырғаннан кейін бұзылуы баяулайды, ал фермент өзін «өз үйіндегідей» сезінеді жəне табиғатында солайда. Себебі бөлініп алынған кезде табиғи байланысынан жасуша органеллаларымен бірге үзіп алынады. 3-6 айға дейін тұрақты жұмыс атқара алады. Бұған арнайы ферменттің пенициллинамидазалар (табиғи пеницеллинді 6- аминопеницеллин қышқылына (6-АПК) дейін ажыратады, ампициллин, оксациллин, дикло оксациллин өндірісінің негізі болып табылады) көмегімен полисинтетикалық пеницеллин алу мысал бола алады. «Мумия» түріндегі иммобилизацияланған жасуша арзан 6-АПК алуға мүмкіндік туғызды. Көптеген биотрансформация процестері тірі клеткаларда іске асады, өйткені фермент кофермент қатысымен əсер етеді жəне өзінің үнемі регенерациясы үшін жасушаның тірі болғаны қажет. Жасушаның тіршілігін сақтап қалу, əсіресе оттегіні енгізіп, көмірқышқыл газын шығару қиынға соғады. Дегенмен ұзақ уақыт бойы жасушаның тіршілік қалпын сақтап тұратын жəне үздіксіз биотрансформация процесін жүргізетін иммобилизация əдістері ойлап табылды. Негізгі əдебиеттер:1 [5-9,27],2,5 Қосымша əдебиеттер: 9,10,11 [15-20] Бақылау сұрақтары: 1. Биокаталитикалық процестердің жетістіктері мен кемшіліктері. Иммобилизация туралы түсінік. 2. Иммобилизация əдістері. Химиялық жəне физикалық иммобилизацияның принциптері. 3. Иммобилизациялық биокатализаторларға сипаттама. 4. Иммобилизацияланған жүйелер: ферменттер, жасушалар. 5. Иммобилизацияланған ферменттерді өндірісте қолдану. Дəріс 11. Ферментация процестеріне арналған шикізат. Арнайы ферментация процестері үшін шикізатты таңдау. Ферментация процестеріне қажет шикізат ең алдымен микроағзалардың биомассалық құрылымына қажетті элементтері бар қоректік ортаның түзілу мəселесін шешеді. Қоректік орта микроағзалардың да мекені болып табылады. Шикізат құрамында қоректік компоненттер бар таза немесе аралас арнайы заттар. Олар жеңіл табылатын, қымбат емес жəне зиянды қоспаларсыз болуы қажет. Сондықтан қолданылатын шикізатттың əрбір түріне сапасын анықтайтын арнайы стандарттар болуы қажет. Су салмағы жағынан шикізаттың ең көрнектісі жəне ең арзаны. Биотехнология өнім түрлерінің көбі су сапасымен анықталады. Су билиогиялық таза, түссіз, иіссіз, дəмсіз болуы жəне тұнба бермеуі тиіс. Буландырғаннан кейінгі судың қалдығы 1г/л- ден аспауы, жалпы кермектігі 7 мг-экв/л- ден аспауы қажет. Кермектігі жоғары су ферментация процесіне кері əсер етеді. Зиянды қоспалардың мөлшеріне байланысты мынадай шектеулер қойылған: қорғасын 0,1 мг/л, мышьяк 0,05 мг/л, фтор 1,5 мг/л, мырыш 5,0 мг/л, мыс 3,0 мг/л дейін. Көмірсу көзі. Көмірсулар ферментация процессінде көп қолданылатын заттар. Оларға төменде көрсетілген қосылыстар жатады: Глюкоза C6H12O6; ылғалдылығы 9% -ға дейін, күл -0,07%-ға дейін, сондай-ақ темір 0,004%-дан аспауы қажет. 34

35 Сахароза C12H22O11; ылғалдылығы 0,15% -ға дейін, күл -0,03%-ға дейін. Меласса қант өндірісінің қалдығы. Түсі қоңыр, тығыздығы 1,35-1,4 г/мл. Құрамында 40-55%-ға дейін сахароза, 0,5-2%-инвертті (жай) қант бар. Құрамында тағыда аминоқышқылдар В тобының витаминдері (биотин 80%-ға дейін) бар. Күлдің құрамында калий, магний, кальций жəне темір өте көп мөлшерде. Меласса - мезгілдік өнім. Сақтау барысында микроағзалардың əрекетінен қант шығынына ұшырауы ықтимал. Жүгері ұны 67% крахмал, 10% басқа көмірсулар, 12% ақуыздар. Ылғалдығы 15%-ға дейін, күлі 0,9%-ға дейін. Күлінде фосфор, калий, магний өте көп. Ағаш (древесина) гидролизаты. Ағаш (древесина) таза күйінде микроағзалар үшін «дəмсіз» шикізат, бірақ қосымша өңдеуден кейін, яғни жоғары температуралық қышқылдық гидролизден кейін гидролизатқа айналады. Целлюлоза жəне пентозан глюкоза жəне басқада қанттарға дейін гидролизденеді. Қанттың мөлшері 4-8%-ға дейін, ол ағаштың түріне гидролиз технологиясына байланысты. Көміртегінің көмірсулық емес көздері. Көміртегі газдары метан, этан, пропан, бутан азықтық ақуыз алуда жəне бірқатар биомасса өнімдерін алуда қолданылады. Сұйық көмірсулар көміртек тізбегінің ұзындығы C10-C27- ге дейін болатын парафиндер. Астық ашытқылар, лимон қышқылы, биопрепараттар өндірісінде қолданылады. Қатты майлар жəне майлар ферментация процесінде қатты майлар мен майларды көбікті болдырмау үшін қолданады. Қатты майлардан шошқа, сиыр, қой майлары қолданылады. Пальма майын қолдану қиыныраққа соғады, себебі ол қалыпты температурада қатты өнім. Ферментация процесінде сұйық майлардан: күнбағыс, соя, арахис, зығыр, кастор майлары қолданылады. Майларды шектен тыс мөлшерде қолдану өнімді бөліп алу жəне тазалау сатыларында қиындық туғызады. Азотты қоректік заттардың көзі. Көптеген микроағзалар неорганикалық азоттың көздерін: аммоний сульфатын, аммоний нитратын,карбамидті, аммиак суын утилизациялауға қабілетті. Көпшілік жағдайда ферментация процесі үшін ортаның құрамына аминоқышқылдардың жəне ақуыздардың бастамасы болып табылатын органикалық азот көздері қажет болады. Шикізаттар ретінде əртүрлі табиғи өсімдіктер жəне жануарлар болып табылады. Бұлардың ішінде көп тарағандарын қарастырайық. Жүгері экстракты құрғақ зат өнімі 48%-дан төмен болмайтын жүгері дəндерінің бұқтырмасының құрамындағы сұйықтықты толық бұландыру жолымен алынатын крахмалуыз өндірісінің қалдығы. Бұқтыру процесінде жүгері ақуызының ферментативтік гидролизі өтеді, нəтижесінде экстарттың азотты құрамының жартысынанан көбі аминоқышқылдарға, полипептидтерге, ақуыздарға айналады. Экстрат күңгірт түсті қоймалжың сұйықтық, құрамында 6-8% жалпы азот, 24% күл бар. Күлдің қүрамында фосфор, калий, магний бар, сондай-ақ фосфор фитин түрінде болады. Сонымен қатар В тобының витаминдері (биотин) болады. Жүгері экстракты əртүрлі қоректік заттар көзі болатын жақсы қоспа. Соя ұны соя дəндерін жəне майы алынған күнжарасын (жмых) ұнтақтау арқылы алады. Осыған байланысты соя ұны майлы, майсыз, майлылығы төмен болып бөлінеді. Сондай-ақ бумен өңделген (дезодорированная) түріде болады, ол бір жыл бойына сақтауға мұмкіндік береді. Бумен өңделмеген соя ұныныда ферменттер сақталады, олардың сақталу мерзімі 1-3 ай. Ұнның құрамында 45% протеин, 32% көмірсулар бар, осыған орай оны көмірсу көзі ретінде қолдануғада болады. Оның күлінің құрамына калий, кальций, магний жəне көп мөлшерде фосфор кіреді. Соя ұны жүгері экстракты сиқты азот, көміртегі, фосфор негіздерінің керемет көзі. Соялық ортаның кемшілігі қатты көбіктенуі жəне қатты тұнба беруіне байланысты оны бөліп алудағы қиыншылықтар. Фосфорлы қоректік көздер. Органикалық азоты бар заттар (жүгері экстракты, соя ұны) фосфордыңда көздері болып есептеледі. Неорганикалық көздердің құрамында да азот бар. Бұл - аммофос (моно-, ди- жəне триаммонийфосфат). 35

36 Макро жəне микроэлементтер. Негізінен неорганикалық тұздар: калий корбанаты, калий сульфаты, калий хлориді, магний сульфаты, марганец сульфаты, темір сульфаты, мыс сульфаты, кобальт сульфаты, мырыш купаросы қолданылады. Арнайы ферментация процестері үшін шикізатты таңдау. Таңдау кезінде ортаға эксперимент ретінде қолданылатын қоректік көздердің тиімділігі ескеріледі. Ортаны таңдау қазіргі кезге дейін тек ғылым ғана емес, сонымен қатар өнерде. Сондай-ақ шикізатты таңдауда оның бағасыда қаралады. Ортаны таңдауда бірінші кезекте микроағзалардың биомассасының химиялық құрамына жəне жасушадан тыс өнімнің химиялық құрамына көңіл бөлу керек. Дегенмен əртүрлі микроағзалардың биомассасы құрамы жағынан айтарлықтай өзгешелік болмайды. Субстарттардың элементтік құрамыда өте жақын. Тек кейбір жағдайларда ғана жасуша құрамында сезінерліктей мөлшерде экзотикалық элементтер (кобальт жəне күміс) болуы мүмкін. Орта компоненттерін сəтті таңдау көбіне не кездейсоқтық, не интуиция. Бірінші кезекте, əрине, берілген микроағза өніп-өскен орта компоненттері немесе оның жақын аналогтары алынады. Ортаның негізгі компоненттері көміртегі, азот, фосфор, кұкірт, микроэлементтердің көздері жəне биомассаның бастапқы өсуіне қажет витаминдер. Бұл жерде олардың аралық қатынасын ескеру қажет. Осы аралық қатынасты орта құрамын оптимизациялауда тереңірек қарастыру керек. Орта рецептурасы өндірістік штаммаларда үлкен құпия болып есептеледі жəне көптеген микробиологтар осы мəселе бойынша жұмыс істеуде. Егер орта құрамының бір ғана компоненті толық зерттелмеген жағдайда, оның концентрациясын өзгерте отырып бірқатар тəжірибелер жүргізу арқылы мағлұмат алуға болады. Əртүрлі концентрацияда процестің қаншалықты тиімді жүріп жатқандығы құралсыз көзбенде жақсы байқалады. Сенімдірек болу үшін теңдеулерді қолдануғада болады. Негізгі əдебиеттер:1 [5-9,27],2,5 Қосымша əдебиеттер: 9,10,11 [15-20] Бақылау сұрақтары: 1. Технологиялық процестердің шикізаттары жəне оның стандарттары туралы негізгі түсініктер. 2. Ферментация процесіндегі көміртектік жəне көміртектік емес шикізат көздерін атаңыз. 3. Ферментациялық ортада қолданылатын органикалық жəне неорганикалық азот көздерін атаңыз. 4. Ферментация процесіндегі фосфор көздерін атаңыз. 5. Арнайы ферментация процестері үшін шикізатты таңдауда қандай принциптерге жүгінеді? Дəріс 12. Битехнологиялық процестердің типтік нұсқасы жəне негізгі сатылары. Битехнологиялық процестердің типтік нұсқасы жəне негізгі сатылары. Биотехнология өнімдерін өзінің биологиялық агенттерін, шикізатты, өндіріс сатысының санын жəне технологиялық тəртібін (режим) ескере отырып жеке технологиямен алады. Дегенмен биотехнологиялық өндірістің жалпы типтік нұсқасын көрсетуге болады. Дайындық сатысы биотехнологиялық процесске қажетті шикізат түрі дайындалады жəне əзірленеді. Бұл саты төмендегідей процестерден өтеді: Ортаны əзірлеу. Əдетте сұйық, өзіне биотехнологиялық сатыға қажет компоненттерді сіңірген. Ортаны стерильдеу. Стерильді орта деп - микроағзаладың тіршілік формасы жоқ ортаны айтады. Берілген объектіні физикалық (температура, сəулемен атқылау, фильтрация) жəне химиялық құралдармен өңдеу кезінде стерильденеді. Нəтижесінде жасушалық коллоидтық микроағзалар коагулиацияланады. Жасушалық массаның температурасы жəне ылғалдығы қаншалықты жоғары болған сайын, соншалықты ұшқыштығы жоғары. Химиялық 36

37 заттар микроағзалардың өліміне əкеп соғады. Оған хлор, йод, формалин жатады. Іс жүзінде көбіне ыстықпен ылғалды жəне құрғақ стерильдеу, фильтрлі стерилдеу қолданылады. Биотехникалық процестердің жүруіне қажетті газдарды стерилдеуге əзірлік. Көбіне ауаны биотехнологиялық процестің жүруіне қажет ауаны даярлау шаң мен ылғалдылықтан тазарту, қажетті температурада ұстау жəне ауадағы микроағзалардан тазарту болып табылады. Əр мəдени өсімдік морфологиялық, физиологиялық толық жазбасы бар төлқұжатқа ие. Ол культивация жəне мəдени өсімдікті сақтау барысында қажет. Мəдени қасиетін сақтау үшін, оны сəйкес жағдайларда сақтау қажет. Сақтау негізіне суыту, мұздату жəне кептіру жатады. Технологиялық процестің алдында дақылды зертханасында стерильді жағдайда ортаның оптимальді құрамында жəне режимінде (рн, температура, уақыт) көбейтеді. Қиғаш агардың бетінен дақылды стерильді мл көлемді колбаға ауыстырып термостатта инкубациялайды. Колба ішіндегі затты инокуляция уақыты 2-4 тəулік болатын таза дақыл цехінің бірінші инокуляторы үшін егу материалы ретінде пайдаланады. Егу материалын дайындаған кезде аппараттарда культивациялаудың оптимальды режимінің болуын қадағалау керек. Басты ферментация үшін егу материалын пайдаланып отырған қорек ортаның 5-20 % көлемі мөлшерінде дайындау керек. Сурет 12. Биотехнология өндірісіндегі технологиялық процестердің негізгі сатыларының типтік сызбанұсқасы Биокатализаторларды əзірлеу. Биотрансформация немесе биокатализ процестері үшін алдын ала биокатализаторды бос немесе тасымалдағышқа бекітілген фермент немесе алдын ала ферментативті белсеңділік пайда болғанға дейін өсірілген микроағзалардың биомассасын даярлау керек. Шикізатты алдын ала өңдеу. Биотехнологиялық процеске жарамсыз күйде келген шикізатты алдын ала өңдейді. Мысалы спиртті алғанда бидайды алдын ала ұнтақтайды, 37