Аэробные процессы с полным и неполным окислением

Аэробные процессы — это процессы, протекающие при достаточном поступлении кислорода.

Аэробный процесс состоит из трех этапов:

• * Гликолиз
• * Цикл Кребса
• * Дыхательная цепь

Гликолиз — сначала один за другим идут этапы распада глюкозы до пировиноградной кислоты, идентичные тем, которые происходят в цитоплазме при анаэробном гликолизе. Если достаточно кислорода, пировиноградная кислота входит в митохондрию и не превращается в молочную кислоту. Митохондрии для начала процесса расщепления пирувата необходимо наличие кислорода, при этом сохраняется высокий уровень молекул АТФ. Пировиноградная кислота превращается внутри митохондрии в вещество ацетил, к которому присоединяются ко-ферменты [1,5].

Цикл Кребса — серия ферментативных реакций (химических реакций), которая расщепляет ацетил и в конечном итоге мы получаем 2 молекулы АТФ. Продукты распада жиров и белков могут также входить в цикл Кребса и загружать АТФ. Результатом процессов цикла Кребса являются 6 молекул СО2 и молекулы рецепторов свободного водорода Н. Эти молекулы переносят атомы водорода в следующий этап — дыхательную цепь.

аэробный культивирование ферментер каллусный.

Рис. 1 Гликолиз.

Рис. 2 Цикл Кребпа.

Дыхательная цепь — рецепторы водорода переносят молекулы водорода на так называемых электронных перевозчиках. При этом электроны атомов Н перескакивают с одного перевозчика на другой, и таким образом создаваемое действие имеет цепной характер. В моменты переходов образуется большое количество энергии, пригодное для зарядки АТФ [7,14].

Чтобы электроны могли продолжать подобные перемещения с помощью электронных перевозчиков, образуется электронная цепь, и здесь основную роль играет кислород. Кислород забирает последний электрон в цепочке (дыхательной цепи). 32 молекулы АТФ заряжаются в результате этого процесса. Параллельно образуются 6 молекул воды H2O [5,11].

Таким образом, в результате процесса образуется 36 заряженных молекул АТФ, 6 молекул углекислого газа CO2 и 6 молекул воды H2O.

Рис. 3 Дыхательная цепь Все аэробные процессы окисления, протекающие в клетках, можно разделить на две группы:

• а) Завершающиеся неполным окислением субстрата
• б) Завершающиеся полным окислением (до СО₂ и Н₂О)

Наиболее распространенная схема полного окисления глюкозы и других углеводов включает в себя расщепление глюкозы до 2 молекул ПВК, их окислительное декарбоксилирование до 2 молекул ацетил-КоА и полное их окисление в цикле Кребса (цикле трикарбоновых кислот, ЦТК). Суммарно процесс можно представить следующим уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ 6CO₂ + 6H₂O + 38 АТФ По похожей схеме (через образование ацетил-КоА) протекает полное окисление органических кислот, углеводородов, глицерина, ряда аминокислот.

При неполном окислении процесс останавливается на стадии образования какого-нибудь промежуточного соединения (чаще всего кислоты) [4,18].

Для получения целевых продуктов в аэробных процессах используют два основных подхода:

• а) Если целевой продукт является конечным продуктом неполного окисления, то стараются создать оптимальные условия для его максимального и быстрого накопления (подбор значений рН, температуры, концентрации питательных веществ, добавление активаторов ферментов, отвечающих за синтез продукта, отвод, удаление избыточных количеств продукта) [3,15].
• б) Если целевой продукт является промежуточным метаболитом (кислоты цикла Кребса), то в любой момент времени его концентрация в клетке ничтожно мала. Чтобы обеспечить его сверхсинтез и накопление проводят целенаправленное вмешательство в нормальный процесс метаболизма, заключающееся в избирательном блокировании (ингибировании) одной или нескольких последующих стадий превращения этого целевого продукта. При этом в клетках обязательно должны функционировать альтернативные механизмы ресинтеза некоторых, ключевых жизненно важных промежуточных метаболитов, например щавелевоуксусной кислоты для ЦТК. Часто, для уменьшения эффекта ретроингибирования, целевой продукт стараются вывести из клеток, например, за счет увеличения проницаемости клеточных оболочек или из культуральной жидкости (высаждение в осадок, удаление в виде газа) [3,6].

Процессы с неполным окислением.

Классическими примерами таких процессов, нашедших применение в биотехнологии являются процессы получения уксусной, глюконовой и итаконовой кислот.

1. Получение уксусной кислоты и столового уксуса.

Микробиологический способ получения уксусной кислоты состоит в частичном окислении этанола до уксусной кислоты при участии бактерий штаммов Acetobacter и Gluconobacter иммобилизованных (закрепленных) на различных носителях (буковая стружка). Таким способом в настоящее время получаю только пищевой уксус [6].

Техническую уксусную кислоту получают химическим способом по реакции Кучерова или сухой перегонкой древесины [1,5,12].

2. Получение глюконовой кислоты.

3. Получение итаконовой кислоты.

Итаконовая кислота является ценным сырьем для для производства химических волокон и пластмасс [6,13].