Δρ. Σεραφείμ Παπανικολάου Επίκουρος Καθηγητής Βιοδιεργασιών Τροφίμων Γ.Π.Α.

Transcript

1 Βιοτεχνολογία Τροφίμων Δρ. Σεραφείμ Παπανικολάου Επίκουρος Καθηγητής Βιοδιεργασιών Τροφίμων Γ.Π.Α. Τμήμα Επιστήμης & Τεχνολογίας Τροφίμων Εργαστήριο Μικροβιολογίας & Βιοτεχνολογίας Τροφίμων

2 Έννοιες Μικροβιολογίας, Μικροοργανισμών Βιομηχανικών Ζυμώσεων και Μικροβιακής Αύξησης

3 Τρόφιμο: Εν γένει οι ουσίες οι οποίες διασπώνται στον (ανθρώπινο) οργανισμό για να εξασφαλίσουν την απαιτούμενη ενέργεια, καθώς και τη δυναμική δημιουργίας δομικού υλικού για την αύξηση (όταν ο οργανισμός είναι νέος) και την επιδιόρθωση κάθε φθοράς της «βιολογικής μηχανής» καθώς επίσης και τη δυναμική συνεχούς σύνθεσης των απαραίτητων ενζύμων σχετιζόμενων με την ορθή λειτουργία του οργανισμού αυτού Λόγω της αλλοίωσης που υφίστανται τα τρόφιμα από τους μικροοργανισμούς, υπάρχει η επιστήμη της «Συντήρησης των Τροφίμων» Συντήρηση υφίστατο και στους αρχαίους χρόνου Μη γνώση παρουσίας μικροοργανισμών

4 Έννοια Μικροβιολογίας Κλάδος της Βιολογίας μελετών τη Βιοχημεία Φυσιολογία Εξέλιξη Οικολογία μικροοργανισμών, τις επιδράσεις των μικροοργανισμών μεταξύ τους και τις αλληλεπιδράσεις μικροοργανισμών περιβάλλοντος ρβ Μικρόβιο = Μικρόν + Βίος

5 Έννοια Μικροβιολογίας Μικρόβιο ή Μικροοργανισμός Όρος της επιστήμης που δε χαρακτηρίζει μια ειδική ομάδα έμβιων όντων Ζωντανοί οργανισμοί αόρατοι δια του γυμνού οφθαλμού (Henrici) Ζωντανοί οργανισμοί μικροσκοπικών διαστάσεων, μεγαλυτέρων της διακριτικής ικανότητας σύνθετου μικροσκοπίου (Stanier) Μονοκύτταροι, πολυκύτταροι ή κοινοκύτταροι οργανισμοί τα κύτταρα των οποίων δεν διαφοροποιούνται προς σχηματισμό ιστών (Μπαλατσούρας)

6 Ορισμός Βιοτεχνολογίας Ελεγχόμενη χρήση κυττάρων ή κυτταρικών ή / και υποκυτταρικών οργανιδίων (π. χ. ένζυμα, αντισώματα) ) για την παραγωγή προϊόντων και την παροχή υπηρεσιών (ορισμός δοθείς κατά Ε.F.B.)

7 Κύτταρο Βιοχημικό εργαστήριο Αντιδράσεις μεταβολισμού «Όπλο Βιοτεχνολόγου» Μικροοργανισμοί Βιοτεχνολογίας Τροφίμων και Βιομηχανικών Ζυμώσεων α) ) Βακτήρια β) ) Ζύμες γ) ) Μύκητες

8 ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Γονιμοποιός σύνθεση ποικίλων επιστημών και επιστημονικών πεδίων όπως: (Βιομηχανική) Μικροβιολογία (Βιομηχανική) Ενζυμολογία (Βιοχημική) Μηχανική (Εφαρμοσμένη) Βιοχημεία Μοριακή Βιολογία Γενετική Μηχανική

9 ΖΥΜΩΣΗ (FERMENTATION) με τη στενή έννοια της λέξης (sensu stricto) είναι η διεργασία μετατροπής ορισμένων πρώτων υλών, με την παρέμβαση πάντοτε μικροοργανισμών, υπό συνθήκες πρακτικώς αναερόβιες, προς προϊόντα περισσότερο χρήσιμα για τον άνθρωπο σε σχέση με το υλικό εκκίνησης Οι πρώτες ύλες (ονομαζόμενες και υποστρώματα) είναι αγροτο-χημικά προϊόντα τα οποία κατά κανόνα (με εξαιρέσεις) ) είναι πλούσια σε απλά ή πιο σύνθετα σάκχαρα Με τη στενή έννοια του όρου, οι εμπλεκόμενοι μικροοργανισμοί είναι κατά κανόνα βακτήρια και ζύμες, οι οποίοι δύνανται να αποικοδομήσουν αναερόβια τα σάκχαρα του υποστρώματος

10 Σύμφωνα με το βιοχημικό ορισμό του όρου, η ζύμωση είναι η ζωή εν τη απουσία αέρος (fermentation c est la vie sans air) (Ορισμός δοθείς από τον Pasteur, 1860) Στη σύγχρονη βιβλιογραφία ο όρος «Ζύμωση» δεν χρησιμοποιείται με τη στενή αρχική έννοια της μικροβιακής διάσπασης σακχάρων (και ενδεχομένως πολυσακχαριδίων) ) υπό συνθήκες αναεροβίωσης Στη σύγχρονη πρακτική, οι διεργασίες οι οποίες λαμβάνουν χώρα είναι κατά κύριο λόγο αερόβιες (υπάρχουν βεβαίως και διεργασίες οι οποίες χωρούν υπό αναεροβίωση), ο όρος «Ζύμωση» όμως είναι δόκιμος

11 ΒΙΟΜHXANIKH ΖΥΜΩΣΗ (INDUSTRIAL FERMENTATION) Διεργασία κατά την οποία προϊόντα παράγονται από γεωργικές ή βιομηχανικές πρώτες ύλες ή υπο- και παραπροϊόντα με την ανάπτυξη σε αυτά ζώντων μικροοργανισμών (Αγγελής, 2007) Η διεύρυνση του όρου «Ζύμωση» με την παρουσία οξειδωτικών διεργασιών περιλαμβάνει και άλλους τύπους μικροοργανισμών όπως τους μύκητες και τα (ετεροτρόφως καλλιεργούμενα) φύκη

12 Ο χαρακτηρισμός «Βιομηχανική» προέρχεται από το γεγονός ότι υπάρχουν ήδη μεγάλες Βιομηχανίες που παράγουν τα προϊόντα αυτά τυποποιημένα και συσκευασμένα Στις ΗΠΑ παράγονται ήδη στις ημέρες μας προϊόντα Βιομηχανικών Ζυμώσεων αξίας άνω των 40 δις $ ετησίως

13 Αντιδιαστολή Ζύμωσης και Βιομετατροπής ΒΙΟΜΕΤΑΤΡΟΠΗ (BIOCONVERSION) Βιοχημική διεργασία κατά την οποία μια οργανική ουσία μετατρέπεται σε προϊόν μέσω απλών βιοχημικών αντιδράσεων καταλυόμενων από ένζυμα ή ολόκληρα κύτταρα Σε πολλές περιπτώσεις παρόλα αυτά ο όρος της βιομετατροπής άλληλο-εμπλέκεται με αυτόν της ζύμωσης και αντίστροφα

14 Τα τελικά προϊόντα των ζυμώσεων έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: 1) Έχουν χαμηλότερη θερμιδική αξία σε σχέση με το υλικό εκκίνησης δοθέντος ότι Εκλύεται CO 2 Παράγεται μικροβιακή βιομάζα (η οποία και σε πολλές περιπτώσεις δεν ενσωματώνεται ε α σο στο τελικό προϊόν) ) (κλάσμα της υφιστάμενης θερμιδικής αξίας του προϊόντος αναλώνεται συνεπώς από τους μικροοργανισμούς) 2) Έχουν καλύτερους οργανοληπτικούς χαρακτήρες και είναι πιο αποδεκτά σε σχέση με το υλικό εκκίνησης (π.χ. χ μπύρα σε σχέση με ζυθογλεύκος, γιαούρτη σε σχέση με όξινο γάλα, κλπ)

15 3) Έχουν μεγαλύτερη ερη δυνατότητα α συντήρησης από το αρχικό προϊόν αφού: Συνήθως είναι μειωμένη η τιμή του ph του μέσου Έχουν παραχθεί οργανικά οξέα (π.χ. οξικό οξύ, γαλακτικό οξύ, προπιονικό οξύ κλπ) τα οποία ακόμη και μη διϊστάμενα έχουν βακτηριοστατικές και μικροβιοκτόνες ιδιότητες Ενίοτε παράγεται αιθανόλη η οποία επίσης έχει μικροβιοστατικές ιδιότητες Τα προϊόντα ζυμώσεως ενδέχεται να είναι τυποποιημένα και συσκευασμένα Είναι γεγονός ότι οι πρώτες μέθοδοι συντήρησης των τροφίμων (από αρχαιοτάτων χρόνων) ήσαν το αλάτισμα και η ζύμωση (ή ο συνδυασμός τους)

16 Ακόμη και στις ημέρες μας παράγονται α παραδοσιακά α προϊόντα ζύμωσης των οποίων η τεχνολογία έχει αλλάξει λίγο σε σχέση με το απώτερο παρελθόν Σε χώρες της Αφρικής, της Άπω ανατολής και της Λατινικής Αμερικής, περιοχές «περιορισμένης» τεχνολογικής ανάπτυξης, είναι πολύ μεγάλη η παραγωγή τέτοιων ζυμωμένων μ προϊόντων με βάση το γάλα,, το ψάρι, τα λαχανικά, κλπ Σε χώρες του πρώτου κόσμου, οι Βιομηχανικές Ζυμώσεις συνιστούν τεχνολογία μέγιστης αιχμής καθόσον τρόφιμα, χημικά συστατικά της βιομηχανίας και καύσιμα παράγονται μέσω αυτών Μέσα στα επόμενα 15 χρόνια οι μικροοργανισμοί θα είναι οι σχεδόν αποκλειστικοί παραγωγοί ενέργειας

17 ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ (INDUSTRIAL MICROBIOLOGY) Η Επιστήμη (αλλά και η οικονομική δραστηριότητα) του ανθρώπου που έχει ως αντικείμενο τη χρησιμοποίηση των πάσης φύσεως μικροοργανισμών για παραγωγή αγαθών γενικά και όχι μόνον τροφίμων που να είναι χρήσιμα στον άνθρωπο Η σύγχρονη τάση και πρακτική στη Βιομηχανική Μικροβιολογία ευρίσκεται στο τετράπτυχο «Άνθρωπος Μικροοργανισμός Τρόφιμο Περιβάλλον»

18 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ (1) Τεχνολογία των Τροφίμων (π. χ. κρασί, μπύρα, ψωμί, τυρί, φυτικά προϊόντα κοκ) (2) Βιομηχανία των Τροφίμων (παραγωγή οργανικών οξέων, αμινοξέων, αιθανόλης, μονοκυτταρικής πρωτεΐνης, μικροβιακού λίπους κοκ) ) (3) Χημική Βιομηχανία (παραγωγή μικροβιακής προέλευσης διαλυτών, βιο-καυσίμων κοκ) (4) Φαρμακευτική Βιομηχανία (παραγωγή αντιβιοτικών, «σπάνιων» λιπαρών οξέων, λεντινάνης, στεροειδών, ινσουλίνης κλπ) (5) «Γεωπονική» Βιομηχανία «Πράσινη» Βιοτεχνολογία (παραγωγή φυτικών ορμονών, γιββεριλινών, φυσικής προέλευσης εντομοκτόνων κλπ) (6) Επεξεργασία γεωργικών και βιομηχανικών αποβλήτων και παραπροϊόντων διεργασίες βιο-εξυγίανσης (bioremediation) (σταθμοί θ ί βιολογικού καθαρισμού, ενίοτε αξιοποίηση αποβλήτου και ταυτόχρονη παραγωγή προϊόντων τύπου 2, 3 και 4

19 Το μικροβιακό κύτταρο Προκαρυωτικό ρ Κύτταρο Ευκαρυωτικό Κύτταρο

20 Το προκαρυωτικό κύτταρο Μη-διαμερισματοποίηση του εσωτερικού του με δά διάφορες μεμβράνες Γενετικό υλικό αποτελούμενο από κυκλικό χρωματόσωμα ευρισκόμενο ελεύθερο εντός κυτοπλάσματος Πηγή: Διαμαντίδης (1994)

21 Το ευκαρυωτικό κύτταρο Πλήρης διαμερισματοποίηση με βιολογικές μεμβράνες του εσωτερικού του κυττάρου Ύπαρξη κεχωρισμένου πυρήνα που κλείεται από την πυρηνική μεμβράνη

22 Κύτταρο Βιοχημικό εργαστήριο Βιολογικό εργαστήριο Αντιδράσεις μεταβολισμού «Εχθρός» και «φίλος»

23 Αναφορικά με θέματα «τροφίμων» Κύτταρα «εχθροί»: Προσέγγιση τύπου «Μικροβιολογίας Τροφίμων» Παρεμπόδιση των «βλαπτικών» μικροοργανισμών οι οποίοι ευρίσκονται στο τρόφιμο Ανάπτυξη ποικίλων επιστημών συναρτώμενων με τη συντήρηση των τροφίμων

24 Αναφορικά με θέματα «τροφίμων» Κύτταρα «φίλοι»: Προσέγγιση τύπου «Βιοτεχνολογίας Τροφίμων» Ευνόηση της αύξησης «χρήσιμων» μικροοργανισμών για να παραχθούν τα διάφορα τρόφιμα ή εδώδιμα υλικά Η Βιοτεχνολογία είναι (σχεδόν) σε όλες τις εκφάνσεις της παραγωγής και της τεχνολογίας των τροφίμων

25 Διαχωρισμός Μικροοργανισμών

26 Μικροοργανισμοί χωρίς κυτταρική οργάνωση Ιοί PRIONS Ιοειδή

27 Προκαρυωτικά μικροβιακά συστήματα Κυανοφύκη (Κυανοβακτήρια) β ή Βακτήρια Αρχαιοβακτήρια

28 Άθ Άνθηση (bloom) κυανοβακτηρίων στα νησιά Fiji

29 Ευκαρυωτικά μικροβιακά συστήματα Κύτταρα έχοντα κυτταρικό τοίχωμα: Μύκητες Φύκη Κύτταρα μη-έχοντα κυτταρικό τοίχωμα: Πρωτόζωα

30 Μύκητας Ζύμη

31 Μικροφύκη Πρωτόζωα

32 Διαχωρισμός οργανισμών με κυτταρική οργάνωση

33 Δομή και λειτουργία βακτηρίων Ζών περιεχόμενο κυττάρου Πρωτόπλασμα (Τονοπλάστης) εγκλεισμένο από μεμβράνη Πρωτοπλασματική (κυτοπλασματική) μεμβράνη Τυπική ορατή δια του απλού μικροσκοπίου αποτελούμενη από φωσφολιπίδια & πρωτεΐνες Πηγή: Διαμαντίδης (1994)

34 Δομή κυτοπλασματικής μεμβράνης Φωσφολιπίδιο Υδρόφιλο Τμήμα Υδρόφοβο Τμήμα Πηγή: Αγγελής (2007)

35 Η πρωτοπλασματική μεμβράνη Τυπική Παρουσίαση Μεμβράνης Ολιγοσακχαρίτες Υδρόφιλη Κεφαλή Φωσφολιπίδιο Υδρόφοβη Ουρά Μεμβρανική Πρωτεΐνη Πηγή: Αγγελής (2007)

36 Στα προκαρυωτικά κύτταρα η μεμβράνη έχει πολλαπλό ρόλο Παραγωγή ενέργειας, μεταφορά Ε, οξειδωτική φωσφορυλίωση Ένζυμα αναπνοής εδράζουν στην κυτοπλασματική μεμβράνη βακτηρίων Έκκριση υδρολυτικών ενζύμων Ένζυμα ευρισκόμενα στον περιπλασμικό χώρο (μεταξύ μεμβράνης και τοιχώματος) Βιοσύνθεση μορίων Βιοσύνθεση μορίων Ένζυμα DNA, λιποειδή κ.α.

37 Στη μεμβράνη των βακτηρίων συμμετέχουν αποκλειστικά και μόνο φωσφολιπίδια Στη μεμβράνη των αρχαίων συναντούμε δι- γλυκερίδια ή συνηθέστερα, περισσότερο πολικά λιπίδια όπως σουλφολιπίδια, γλυκολιπίδια, μη-πολικά ισοπρενοειδή και φωσφολιπίδια Στερόλες δεν συμμετέχουν στη δομή των μεμβρανών των προκαρυωτικών μικροοργανισμών, με εξαίρεση μερικά είδη του γένους Mycoplasma

38 Μεμβράνες βακτηρίων Οι αλειφατικές ομάδες είναι συνδεδεμένες με το μόριο της γλυκερόλης με εστερικούς δεσμούς Πηγή: Αγγελής (2007)

39 Μεμβράνες αρχαίων Οι αλειφατικές ομάδες είναι συνδεδεμένες με το μόριο της γλυκερόλης με αιθερικούς δεσμούς Πηγή: Αγγελής (2007)

40 Μεμβράνες υπερθερμόφιλων αρχαίων: Μπορεί να είναι απλής στρώσης λιπιδίων Πηγή: Αγγελής (2007)

41 Ο βακτηριακός πυρήνας Αποτελείται από ελεύθερο DNA το οποίο καταλαμβάνει συγκεκριμένη θέση στο κυτόπλασμα, μη όντας διάχυτο δά παντού Διπλή έλικα από δύο αλληλοσυμπληρούμενες αλύσους Γονότυπος: Ολική γενετική πληροφορία που ευρίσκεται στον πυρήνα και τα πλασμίδια Φαινότυπος: Ποσοστό του γενετικού υλικού που έχει εκφραστεί υπό τις συγκεκριμένες συνθήκες αύξησης

42 Πλασμιδιακό DNA Πλασμίδια Πλασμίδιο: Κυκλικό ή ευθύγραμμο DNA ελεύθερο στο κύτταρο Επίσωμα: Ενσωμάτωση στο πυρηνικό DNA, απώλεια αυτόνομης αντιγραφής Ρόλος οικολογίας: Αντίσταση σε αντιβιοτικά, μεταφορά γενετικού υλικού

43 Κυτταρικό τοίχωμα Δίδει αντοχή και σχήμα στο βακτηριακό κύτταρο Θεμελιώδες συστατικό: Μουρεΐνη ή πεπτιδογλυκάνη

44 Σύνθεση βακτηριακού τοιχώματος Βακτήριο Πεπτιδογλυκάνη Τοιχικά οξέα Λ.Π.Σ. Λιπίδια Πρωτεΐνες Gram + 50% + - 2% 10% Gram % % 60% Διαφοροποίηση χρωματισμού επισυμβαίνουσα με τη χρώση Gram (1884) 1) Crystal violet ιώδιο: Αδιάλυτο σύμπλοκο μπλέ 2) Αλκοόλη (ή ακετόνη): Διαλυτοποιεί το παχύ «λιπαρό» στρώμα τοιχώματος 3) H 2 O: Αποχρωματίζει το αποσταθεροποιημένο Gram κύτταρο 4) Σαφρανίνη: Gram - κόκκινο

45 Διαφορική χρώση: Staphylococcus aureus (Gram +) και Escherichia coli (Gram -)

46 Hans-Christian Gram ( )

47 Το κυτταρικό τοίχωμα των βακτηρίων μεταξύ άλλων αποτελείται από την πεπτιδογλυκάνη (μουρεΐνη), το υλικό δομήσεως της οποίας είναι 1 μόριο ακέτυλογλυκοζαμίνης συνδεδεμένο με ένα β-1,4 δεσμό με ένα μόριο ακέτυλο-μουραμικού οξέος Το ακέτυλο-μουραμικό οξύ είναι ένας αιθέρας του γαλακτικού οξέος με την ακετυλο-γλυκοζαμίνη στη θέση -3, ενώ επί του καρβοξυλίου του γαλακτικού οξέος συνήθως συνδέεται ένα τετραπεπτίδιο

48 Η χρώση Gram (Hans Christian Gram, 1884)

49 Συγκριτική γρ παράσταση του κυτταρικού τοιχώματος των θετικών και αρνητικών κατά Gram βακτηρίων Πηγή: Αγγελής (2007)

50 Σκαρίφημα του κυτταρικού τοιχώματος των θετικών κατά Gram βακτηρίων Πηγή: Αγγελής (2007)

51 Σκαρίφημα του κυτταρικού τοιχώματος των αρνητικών κατά Gram βακτηρίων Πηγή: Αγγελής (2007)

52 Το ευκαρυωτικό κύτταρο Πηγή: Διαμαντίδης (1994)

53 Το ευκαρυωτικό κύτταρο Μεγαλύτερο και πολυπλοκότερο λ από το προκαρυωτικό Φύκη Μύκητες Πρωτόζωα Φυτά Ζώα Χημική σύσταση, βιοχημεία, μεταβολισμός είναι πανομοιότυπα με τα του προκαρυωτικού κυττάρου Δομή: Διαφορά η διαμερισματοποίηση Διαφορά η ύπαρξη οργανυλίων και μεμβρανών

54 Ζύμες Μύκητες Saccharomyces cerevisiae Penicillium roquefortii

55 Ζύμες ή ζυμομύκητες Πρόκειται για μύκητες των οποίων ο θαλλός περιορίζεται σε ένα κύτταρο Αδηλομύκητες Ασκομύμητες Βασιδιομύκητες

56 Κυτταρικό Τοίχωμα Δύσκαμπτο, κυρίως γλυκάνες μαννάνες Πρωτεΐνες (6-8%) Λιπίδια (9-14%) Φωσφόρος Χιτίνη μόνο σε ολίγα γένη Κυτοπλασματική Μεμβράνη Πρωτεΐνη, ριβοζο-νουκλεοξέα, λιπίδια Πυρήνας Διακριτός - ορατός

57 Μεταβολιστικές ιδιότητες ζυμών -Ζύμες μςοι οποίες τελούν αποκλειστικά οξειδωτικό μεταβολισμό μ (οξείδωση οργανικής ύλης προς παραγωγή CO 2 ) (ζύμες μ ς Crabtree -) -Ζύμες οι οποίες δύνανται να πραγματοποιήσουν ζυμωτικό μεταβολισμό (ζύμες Crabtree +) Αλκοολική ζύμωση πραγματοποιηθείσα από ζύμες α) Γλυκόλυση Embden-Mayerhoff-Parnas β) Σύνθεση αλκοόλης μέσω αντίδρασης καταλυόμενης από την αλκοολική αφυδρογονάση

58 Τα τέσσερα φύλα των μυκήτων έχουν κοινό πρόγονο αλλά ακολούθησαν διαφορετική εξελικτική πορεία Μύκητες

59 Στα εγχειρίδια μυκητολογίας εξετάζονται παραδοσιακά, μαζί με τα φύλα αυτά, και ορισμένοι άλλοι μικροοργανισμοί, όπως τα Oomycota, που δεν ανήκουν πλέον στο Βασίλειο των μυκήτων, τα Myxomycota που ανήκουν πλέον στα πρωτόζωα κ.α.

60 Βλαστικό σώμα των μυκήτων: Θαλλός Πλασμώδιο (Μυξομύκητες) Υφές διακλαδιζόμενες σχηματίζουσες το μυκήλιο (τυπικοί μύκητες) ) Μυκήλιο περιοριζόμενο σε ένα κύτταρο (ζύμες) Κατώτεροι Ανώτεροι Ωομύκητες Ασκομύκητες Ζυγομύκητες Βασιδιομύκητες Χυτριδιομύκητες Αδηλομύκητες Απομόνωση μυκήτων Επιλεκτικά υποστρώματα Συντήρηση μυκήτων Μεταβολικών διεργασιών Συνηθέστατα ψύξη

61 ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΥΚΗΤΩΝ ΚΑΙ ΖΥΜΩΝ Δυνατότητα μικροβιακής αύξησης σε: Μονοσακχαρίτες Δισακχαρίτες Πολυσακχαρίτες Τριγλυκερίδια Ελεύθερα λιπαρά οξέα Πρωτεΐνες ΑμινοξέαΑ

62 Αποικοδόμηση μακρομορίων από ζύμες Υπόστρωμα Ένζυμα Ζύμη Άμυλο α- και β-αμυλάση Candida α-γλυκοσιδάση Αμυλογλυκοσιδάση Lipomyces Trichosporon (Σχετικώς σπανίως) Κυτταρίνη Κελλουλάσες Aureobasidium β-γλυκοσίδαση Pichia (Σπανίως) Cryptococcus Ημικυτταρίνες Πηκτίνες T.A.G. Πηκτινεστεράση Πολυγαλακτορουνάση Λιπάσες (Συχνά) Παραγωγή ενζύμων για τη βιομηχανία Πηγή: Γαλιώτου-Παναγιώτου (1997) Aureobasidium Yarrowia Candida Trichosporon

63 Αποικοδόμηση μακρομορίων από μύκητες Υπόστρωμα Ένζυμα Ζύμη Άμυλο α-αμυλάση Aspergillus α-γλυκοσιδάση Acremonium αμυλογλυκοσιδάση Rhizopus Κυτταρίνη Κελλουλάσες Trichoderma Ημικυτταρίνες β-γλυκοσίδαση Ganoderma Pleurotus Πηκτίνες Πηκτινεστεράση Aspergillus Πολυγαλακτορουνάση Penicillium T.A.G. Λιπάσες Aspergillus Rhizopus Penicillium Παραγωγή ενζύμων για τη βιομηχανία Πηγή: Γαλιώτου-Παναγιώτου (1997)

64 Μεταβολισμός Σύνολο διεργασιών δια των οποίων τα χημικά συστατικά υποστρώματος δίδουν γένεση στα κυτταρικά υλικά Διαχωρισμός σε: - Αναβολισμό - Καταβολισμό

65 Αναβολισμός Βιοσύνθεση σύνθετων κυτταρικών υλικών (πρωτεΐνες, DNA-RNA, TAG) αλλά και προδρόμων ουσιών (αμινοξέα, FFA ) Δραστηριότητα μη επισυμβαίνουσα αυθοθρμήτως αλλά πάντοτε δαπάναις ενεργείας

66 Καταβολισμός Αποικοδόμηση οργανικών ουσιών ευρισκόμενων στο περιβάλλον της αύξησης, με απόρροια δημιουργία ενέργειας για το κύτταρο

67 Σύνολο Αναβολισμού και Καταβολισμού ΑΥΞΗΣΗ Ανάπτυξη Κυτταρικού Πληθυσμού Καλλιέργειας Διαδοχικές Κυτταρικές διαιρέσεις

68 Καταβολισμός Σακχάρων Ο καταβολισμός των σακχάρων και των αντίστοιχων ουσιών διακρίνεται σε: 1) Αερόβιο (αναπνοή) 2) Αναερόβιο (ζύμωση) μ

69 Καταβολισμός Σακχάρων Αερόβιος (αναπνοή) Τελικός αποδέκτης e - το O 2 ATP από γλυκολυτικό σχήμα, κύκλο Krebs και οξειδωτική φωσφορυλίωση Τελικό προϊόν CO 2 και H 2 O

70 Καταβολισμός Σακχάρων Αναερόβιος (ζύμωση) Τλ Τελικός αποδέκτης e - ενδιάμεσος δά μεταβολίτης ATP μόνο από γλυκολυτικό σχήμα Τλ Τελικό προϊόν οργανικό μόριο

71 Embden-Meyerhoff-Parnas (ευκαρυωτικοί, πολλά βακτήρια) 1. φωσφορυλίωση Glc προς G-6-Ρ Ρ (δαπάνη ΑΤΡ - ΗΚ ή PEP) 2. φωσφορυλίωση της 6-Ρ-Fr προς 1,6- δι-ρ-fr (PFK) 3.Η 1,6-δι-Ρ-Fr, διασπάται προς δύο τριόζες (αλδολάση) 4. φωσφορυλίωση της 3-Ργλυκεριναλδεΰδης προς 1,3-διΡγλυκεριναλδεΰδη (ενσωμάτωση Pi) 5. Η 1,3-διΡ-γλυκεριναλδεΰδη μετατρέπεται προς 3-Ρ-γλυκερινικό Ρ οξύ (παραγωγή ATP) 6. Το 3-Ρ-γλυκερινικό οξύ μετατρέπεται προς PEP και αυτό με τη σειρά του προς πυροσταφυλικό (πυροσταφυλική κινάση) Πηγή: Αγγελής (2007)

72 Σχόλια επί του γλυκολυτικού σχήματος -Για κάθε μόριο καταβολιζόμενης γλυκόζης έχουμε 2 μόρια παραγόμενου ΑΤΡ -Υπάρχει το C6 και C3 μονοπάτι του σχήματος -Παράγονται 2 αναγωγικά συνένζυμα τα οποία θα ανακυκλωθούν είτε μέσω της ζύμωσης είτε μέσω της αναπνοής Συνολική αντίδραση του γλυκολυτικού σχήματος EMP

73 PFK (και ICHD) Αλλοστερικός έλεγχος από το ATP (αρνητικός) και το AMP (θετικός)

74 Αλκοολική & Γαλακτική ζύμωση (Διαμαντίδης 1994)

75 Καταβολισμός λιπαρών υλών Γλυκερόλη Λιπαρό οξύ MAG DAG TAG DAG

76 1 ο Στάδιο: Υδρόλυση των τριγλυκεριδίων (Αγγελής 2007) Απελευθέρωση ελευθέρων λιπαρών οξέων (ΕΛΟ) Είναι προφανές ότι αύξηση μικροοργανισμών μόνο σε ΕΛΟ δεν προϋποθέτει έκκριση λιπασών

77 2 ο Στάδιο: Είσοδος της γλυκερόλης στο γλυκολυτικό σχήμα Μεταβολισμός γλυκερόλης (Διαμαντίδης 1994)

78 Σχόλια επί του αερόβιου καταβολισμού της γλυκερόλης -Για κάθε μόριο καταβολιζόμενης γλυκερόλης έχουμε 1 μόριο παραγόμενου ΑΤΡ -Χρησιμοποιείται στο C3 μονοπάτι του EMP σχήματος -Παράγονται 2 αναγωγικά συνένζυμα τα οποία θα ανακυκλωθούν είτε μέσω της βιοσύνθεσης υλικών είτε μέσω της αναπνοής Συνολική αντίδραση του αερόβιου μεταβολισμού της γλυκερόλης Glycerol l + 2 NAD + ADP + P Pyruvate + 2 NADH + ATP

79 3 ο Στάδιο: Ενσωμάτωση (incorporation) των λιπαρών οξέων εντός του μικροβιακού κυττάρου Είσοδος ΛΟ όχι τυχαία (random) Είναι προφανές ότι με την πάροδο του χρόνου δύναται να μεταβληθεί η σύσταση σε ΛΟ του υποστρώματος

80 4 ο Στάδιο: Αφομοίωση (assimilation) των λιπαρών οξέων εντός του μικροβιακού κυττάρου β-οξείδωση Πηγή: Διαμαντίδης (1994)

81 ATP: Το Ενεργειακό Νόμισμα Πηγή: Διαμαντίδης (1994, 2007)

82 Διαμαντίδης (2007)

83 Βιβλιογραφία για περισσότερη μελέτη 1) Διαμαντίδης (1994) Εισαγωγή στη Βιοχημεία, 2η έκδοση, University Studio press 2) Διαμαντίδης (2007) Εισαγωγή στη Βιοχημεία, 3η έκδοση, University Studio press 3) Αγγελής (2007) Μικροβιολογία και Μικροβιακή Τεχνολογία, 1η έκδοση, Σταμούλης 4) Madigan, Martinko and Parker (1997) Brock: Biology of Microorganisms, 8 th Edition, Prentice Hall International