Биологический метод очистки сточных вод (аэротенк) от органических соединений (1094008), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Вторая альтернативная модель может рассматриваться как комби­нация первых двух с использованием их положительных свойств. В ней предполагается наличие гидрофобного мембранного переносчика, который путем последовательных конформационных изменений, вызываемых суб­стратом, проводит его с внешней на внутреннюю сторону мембраны (мо­дель конформационной транслокации), где гидрофобный комплекс распа­дается. В данной интерпретации механизма транспорта субстрата через клеточную мембрану термин "переносчик" по-прежнему употребляется, хотя все чаще заменяется термином "пермеаза",- учитывающим генетиче­скую основу его кодирования как мембранного компонента клетки для це­лей переноса вещества внутрь клетки.

Установлено, что в состав мембранных транспортных систем часто входит более одного белкового посредника и между ними может существо­вать разделение функций. "Связующие" белки идентифицируют субстрат в среде, подводят и концентрируют его на внешней поверхности мембраны и передают его "истинному" переносчику, т.е. компоненту, осуществляюще­му перенос субстрата через мембрану. Так, выделены белки, участвующие в "узнавании", связывании и транспорте ряда Сахаров, карбоновых кислот, аминокислот и неорганических ионов в клетки бактерий, грибов, живот­ных.

Превращение процесса переноса вещества в клетку в однонаправ­ленный процесс "активного" транспорта, приводящий к повышению со­держания питательных веществ в клетке против их концентрационного гра­диента в среде, требует от клетки определенных энергетических затрат. Поэтому процессы переноса субстрата из окружающей среды внутрь клет­ки сопряжены с протекающими внутри клетки процессами метаболическо­го высвобождения заключенной в субстрате энергии. Энергия в процессе переноса субстрата расходуется на химическую модификацию либо суб­страта, либо самого переносчика с тем, чтобы исключить или затруднить как взаимодействие субстрата с переносчиком, так и возврат субстрата диффузионным путем через мембрану обратно в раствор.

Современные воззрения на процессы биохимического изъятия и окисления органических соединений основываются на двух кардинальных положениях теории ферментативной кинетики. Первое положение посту­лирует, что фермент и субстрат вступают во взаимодействие друг с другом, образуя фермент-субстратный комплекс, который в результате одной или нескольких трансформаций приводит к появлению продуктов, снижающих барьер активации катализируемой ферментом реакции за счёт её дробления на ряд промежуточных этапов, каждый из которых не встречает энергети­ческих препятствий для своего осуществления. Второе положение конста­тирует то, что независимо от характера соединений и количества этапов в ходе ферментативной реакции, катализируемой ферментом, в конце процесса фермент выходит в неизменном виде и способен вступать во взаимо­действие со следующей молекулой субстрата. Иными словами, уже на этапе изъятия субстрата клетка взаимодействует с субстратом с образованием относительно непрочного соединения, называемого "фермент-субстратным комплексом". С каждой молекулой фермента (а точнее, с ка­ждым её каталитическим центром) реагирует одна молекула субстрата, причем реакция носит обратимый характер:

E + S ↔ ES

где Е - фермент (энзим); S - субстрат; ES - субстрат-ферментный ком­плекс.

Являясь промежуточным соединением, этот комплекс подвергается дальнейшим ферментативным преобразованиям. В простейшем случае в результате трансформации комплекса образуется продукт реакции - Р и незатронутый реакцией фермент Е, т.е.

Е + S ↔ ES→ Е + Р

Чаще всего распаду комплекса предшествует его химическое пре­образование (активирование), которое составляет ещё одну (или несколько) промежуточную стадию (стадий), что выражено уравнением Михаэлиса-Ментен.

E + S ↔ ES →ES' → Е + Р

Вышеуказанное хорошо иллюстрируется примером извлечения из раствора глюкозы различными микроорганизмами, содержащими фермент глюкозооксидазу в среде с молекулярным кислородом. Глюкозооксидаза образует фермент-субстратный комплекс - глюкоза - кислород - глюкозооксидаза, после распада которого образуются промежуточные продукты - глюконолактон и пероксид водорода, как это схематично показано на рис. 1. Образовавшийся в результате распада указанного комплекса глюко­нолактон подвергается гидролизу с образованием глюконовой кислоты. Суммарно обе эти реакции можно выразить уравнением:

глюкоза + Ог +НгО -> глюконовая кислота + НгОг

Пероксид водорода под воздействием фермента каталазы (или пероксидазы) расщепляется на воду и кислород, т.е.

2H₂O2 →^{каталаза} → 2Н₂О + О2

Одним из важнейших свойств ферментов является их способность синтезироваться при наличии и под воздействием определенного вещества. Другим не менее важным свойством является специфичность воздействия фермента как по отношению к катализируемой им реакции, так и по отно­шению к самому субстрату. Иногда фермент способен воздействовать на один единственный субстрат (абсолютная специфичность), но значительно чаще фермент воздействует на группу схожих по наличию в них опреде­ленных атомных группировок субстратов.

Многим ферментам присуща стереохимическая специфичность, со­стоящая в том, что фермент воздействует на группу субстратов (а иногда на один), отличающихся от других особым расположением атомов в простран­стве. Роль каждого фермента в процессе биохимического окисления орга­нических веществ строго определенна: он катализирует либо окисление (т.е. присоединение кислорода или отщепление водорода), либо восстанов­ление (т.е. присоединение водорода или отщепление кислорода) вполне определенных химических соединений. При дегидрировании тот или иной фермент может отщеплять лишь определенные атомы водорода, занимаю­щие определенное пространственное положение в молекуле субстрата или промежуточного продукта. Сказанное относится и к ферментам, катализи­рующим другие метаболические процессы.

Процессы биохимического окисления у гетеротрофных микроорга­низмов делят на три группы в зависимости от того, что является конечным акцептором водородных атомов или электронов, отщепляемых от окисляе­мого субстрата. Если акцептором является кислород, то этот процесс назы­вают клеточным дыханием или просто дыханием; если акцептор водорода - органическое вещество, то процесс окисления называют брожением; нако­нец, если акцептором водорода является неорганическое вещество типа нитратов, сульфатов и пр., то процесс называют анаэробным дыханием, или просто анаэробным.

Наиболее полным является процесс аэробного окисления, т.к. его продукты - вещества, не способные к дальнейшему разложению в микробиальной клетке и не содержащие запаса энергии, которая могла бы быть высвобождена обычными химическими реакциями. Главные из этих ве­ществ, как уже отмечалось - диоксид углерода (СО₂) и вода (Н₂О). Хотя оба эти вещества содержат кислород, химический путь их образования s клетке может быть различным, поскольку диоксид углерода может получаться в результате биохимических процессов, протекающих в бескислородной сре­де под воздействием ферментов - декарбоксилаз, отщепляющих СОг от карбоксильной группы (СООН) кислоты. Вода же в результате жизнедея­тельности клетки образуется исключительно путем соединения кислорода воздуха с водородом тех органических веществ, от которых он отщепляется в процессе их окисления.

Рис.1. Схема "узнавания" ферментом субстрата, образования фермент-субстратного комплекса и катализ

Аэробная диссимиляция субстрата - углеводов, белков, жиров -носит характер многостадийного процесса, включающего первоначальное расщепление сложного углеродсодержащего вещества на более простые субъединицы (к примеру полисахариды - в простые сахара; жиры - в жир­ные кислоты и глицерол; белки - в аминокислоты), подвергающиеся, в свою очередь, дальнейшей последовательной трансформации. При этом доступность субстрата окислению существенно зависит от строения угле­родного скелета молекул (прямой, разветвленный, циклический) и степени окисления углеродных атомов. Наиболее легко доступными считаются са­хара, особенно гексозы, за ними следуют многоатомные спирты (глицерин, маннит и др.) и карбоновые кислоты. Общий конечный путь, которым за­вершается аэробный обмен углеводов, жирных кислот, аминокислот, - цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) или цикл Кребса, в который эти вещества вступают на том или ином этапе. Отмечается, что в условиях аэробного метаболизма около 90% потребляемого кислорода используется на дыха­тельный путь получения энергии клетками микроорганизмов. Брожение является процессом неполного расщепления органиче­ских веществ, преимущественно углеводов в условиях без кислорода, в ре­зультате которого образуются различные промежуточные частично окис­ленные продукты, такие как спирт, глицерин, муравьиная, молочная, пропионовая кислоты, бутанол, ацетон, метан и др., что широко используется в биотехнологии для получения целевых продуктов. До 97% органического субстрата может превращаться в такие побочные продукты и метан.

Ферментативное анаэробное расщепление белков и аминокислот называют гниением. Из-за малого выхода энергии при бродильном типе метаболизма,

осуществляющие его микробиальные клетки должны потреблять большее количество субстрата (при меньшей глубине его расщепления), чем клетки, получающие энергию за счет дыхания, что объясняет более эффективный рост клеток в аэробных условиях по сравнению с анаэробными.

Наибольшее количество энергии для своего функционирования клетка получает в результате окисления кислородом водорода, отщепляе­мого от окисляемого субстрата под действием ферментов-дегидрогеназ, которые по своему химическому действию делятся на никотинамидные (НАД) и флавиновые (ФАД). Никотинамидные дегидрогеназы первыми реагируют с субстратом, отщепляя от него два атома водорода и присоеди­няя их к коферменту. В результате этой реакции субстрат окисляется, а НАД восстанавливается до НАДНг. Далее в реакцию вступает ФАД, пере­нося водород с никотинамидного кофермента на флавиновый, в результате чего НАД Н₂ снова окисляется до НАД, а флавиновый - восстанавливается до ФАД Нг. Далее через чрезвычайно важную группу окислительно-восстановительных ферментов-цитохромов — водород передается молеку­лярному кислороду, что и завершает процесс окисления с образованием окончательного продукта - воды. В этой реакции последний цитохром (цитохромоксидаза), обладающий способностью вступать в реакцию непо­средственно с кислородом, передает ему электроны и тем самым активиру­ет его, т.е.

2е + О → О^2-

Эта форма двухзарядного отрицательного иона кислорода высоко активна и легко реагирует с положительными водородными ионами, пере­ходящими с восстановленной формы ФАД Н₂, т.е.

2Н⁺ +О^2-→НгО

В этой реакции и высвобождается наибольшая часть заключенной в субстрате энергии. Весь процесс аэробного окисления может быть пред­ставлен схемой рис.2.

Высвобождающаяся в процессе микробиального окисления веще­ства энергия аккумулируется клеткой с помощью макроэргических соеди­нений. Универсальным накопителем энергии в живых клетках является аденозинтрифосфорная кислота - АТФ (хотя имеются и другие магроэнерги). Если в реакции с участием АТФ требуется энергия, то от молекулы АТФ отщепляется один остаток фосфорной кислоты (ФК), что приводит к высвобождению энергии на нужды этой реакции и образованию аденозиндифосфорной кислоты (АДФ), т.е.

АТФ → АДФ+ ФК +энергия

В ходе процессов с выделением энергии к АДФ присоединяется остаток фосфорной кислоты (фосфорилирование) и вновь образуется АТФ с выделением молекулы воды, т.е.

АДФ + ФК → АТФ + НгО – энергия

Эта реакция фосфорилирования нуждается в энергии, источником которой в данном случае является окисление. Поэто­му фосфорилирование АДФ тесно сопряжено с окислением, в связи чем этот процесс называют окислительным фосфорилированием. В процессе окислительного фосфорилирования при окислении, например, одной моле­кулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, тогда как в стадии гликолиза - только 2. При этом следует отметить, что стадия гликолиза протекает со­вершенно одинаково и в аэробных, и в анаэробных условиях, т.е. до обра­зования пировиноградной кислоты (ПВК), и на его протекание затрачива­ются 2 из 4 образующихся молекул АТФ.

Рис. 2. Общая схема аэробного окисления

Пути дальнейшей трансформации ПВК в аэробных и в анаэробных условиях расходятся. Аэробная трансформация глюкозы может быть представлена сле­дующей схемой:

1. Гликолиз: С6Н₁₂О₆ + 2ФК-+2ПВК + 2НАДН₂ + 4АТФ

2. Трансформация пировиноградной кислоты (ПВК):

2ПВК → 2СО₂ + 2АцетилКоА + 2НАДН₂

3. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса):

АцетилКоА→ 4СО₂ + 6НАДН₂ + 2ФАДН₂ + 2АТФ

ΣС6Н12О6 → 6СО₂ + 10НАДН₂ + 2ФАДН₂ + 4АТФ, где ФАД - флавопротеид.

Окисление НАДН2 в системе переноса электронов дает ЗАТФ на 1 моль; окисление 2ФАДН2 дает 4АТФ,тогда: С6Н12О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + 38АТФ

В условиях анаэробного превращения углеводов первым этапом является фосфорилирование глюкозы, осуществляемое с помощью АТФ под воздействием фермента гексокиназы, т.е.

Характеристики

Список файлов курсовой работы