Title: Biodegrad
1Biodegradációs, bioremediációs eljárások
bemutatása
II. RÉSZ
FEHÉRJE- és SZÉNHIDRÁTPOLIMEREK
2Fehérjék és bontásuk
- Fontosabb fehérjék
- albuminok (szérumalbumin, ovalbumin,
laktalbumin) - globulinok (szérumglobulin, fibrinogén,
aktin, miozin) - prolaminok, glutelinek (gliadin)
- hisztonok, protaminok
- szkleroproteinek (fibroin, kollagén,
keratin) - összetett fehérjék foszfo-, kromo-,
gliko-, lipo-, nukleoproteinek
3Fehérje, mint hulladék
- Élelmiszer ipar fejlodésének eredményeként
- Nem toxikus, de magas szervesanyag tartalma miatt
veszélyes hulladéknak minosül - Ált. nem hosszútávú probléma, kivétel vízben nem
oldódó polimer formái, foleg keratin - Naponta nagy mennyiségben keletk. Keratin alapú
hulladék (toll, szor) - Kémiai megsemmisítés savas hidrolizis
- Biológiai megsemmisítés keratináz enzimmel
- Potenciális szerves tápanyag (biomassza)
takarmányokba, fermentációs alapanyagként érdemes
hasznosítani
4Toll, szor
- A testsúly 5-7-át is eléro mennyiségben
jelenlévo, védo funkciót ellátó képletek - szerkezetüknek stabilnak, ellenállónak kell
lennie - Biotechnológiai szempontból érdekesek és
fontosak, mivel potenciális tápanyagok, hiszen
fehérje polimerek - keratin -, így aminosavak
építik fel - Hátrányuk, hogy nehezen emészthetok, valamint
minimális mennyiségben van jelen bennük néhány
esszenciális aminosav pl. metionin, lizin,
hisztidin és triptofán - Az aminosav összetétel változik az állat korával
5Keratin szerkezeti felépítése
Vízben oldhatatlan fehérje, ellenálló a legtöbb
proteo-litikus (keratinolitikus) enzim
aktivitással szemben
- A kiemelkedo haj/szor rostok a kortikális
sejtekbol állnak, melyeket a kb. 10 nm-es keratin
filamentek és az azokhoz kapcsolódó mátrix tölt
ki. - A keratint felépíto fehérjék csoportosítása
- glicin-tirozin gazdag fehérjék (foleg a
filamentek közötti mátrixban) - alacsony kéntartalmú fehérjék (filamenteket
alkotják) - magas kéntartalmú fehérjék (mátrixban)
A fehérjékbol felépülo filamentumok között, a
nagyszámú cisztein aminosavaknak köszönhetoen
kénhidak jönnek létre. A polipeptidek között
kialakuló hidrogén kötések és hidrofób
kölcsönhatások, valamint a szupercsavart
szerkezet stabilitása felelos a nagyfokú
rezisztanciáért.
6 7KERATIN BONTÁSA MIKROORGANIZMUSOKKAL
- A mikrobiális lebontó folyamat lassú a
természetben - A nagy kéntartalom következtében csak kevés
mikroorganizmus képes a keratin alapú
hulladékokat hasznosítani dermatofita gombák
képesek szén- és nitrogénforrásként hasznosítani.
Azóta számos mikroorganizmust azonosítottak,
melyek hasznosítják a keratint szaprofita- ill.
parazita gombák, sugárgombák, baktériumok - Az iparban nagy mennyiségben keletkezo keratin
alapú hulladék gyors eltávolítására van
szükség - A fehérjék egyik leggyakoribb, és legfontosabb
enzimatikus módosítása a peptidkötések
proteolitikus hasítása
PROTEÁZOK
8Poliszaharidok
9Általános jellemzésük
- Poliszaharidok vagy glükánok sok monoszaharid
egységbol felépülo óriás molekulák - Vízben nem oldódnak, vagy ha igen oldatuk kolloid
tulajdonságokat mutat - A legelterjedtebb természetes eredetu
szénvegyületek - Állatok, növények, mikroorganizmusok sejtjeiben
különféle szerkezetu poliszaharidok, funkciójuk
szerint váz-, tartaléktápanyag szénhidrátok
10Keményíto
A keményíto poliszaharid növényi
tápanyagraktár felépítése D-glükóz - a(1 4)
kötés - lineáris homopolimer (amilóz) és
- elágazó homopolimer (amilopektin)
keverék - hidrogénkötések erosítik a
polimert - Az amilopektin elágazásainak mértéke
és az amilóz amilopektin arány a
keményíto korától és származásától
függ vízben oldódva kolloidális oldatot képez, s
így enzimatikusan bontható Ipari alkalmazás
élelmiszer- és szeszipar (fruktóz-, glükóz ill.
alkohol gyártás) Keményítot hasító enzimek
a-amiláz, glükoamiláz, glükóz izomeráz
11Amilázok
- a-amiláz (a-1,4-D-glükán-glükonohidroláz)
- Endoenzim, véletlenszeruen hasítja a polimert,
oligoszaharidok keletk., a hosszabb láncokat
könnyebben bontja - extracellulárisan fejti ki hatását, termék
gátlás (glükóz) - Ca igény
- Hasznosítása alkohol termelés, keményíto bontás
- Termelo fajok Aspergillus niger, Bacillus
subtilis, B. licheniformis, de megtalálható a
nyálban, hasnyálmirigy is termeli, növényekben
is - A kül. eredetu enzimek sok tul-ban hasonlóak, de
el is térnek egymástól (pH, hom. opt) - b-amiláz
- nem redukáló láncvégekrol hasít le maltózt
- Stabilabb, nincs Ca igénye
- Egyes Streptomyces, Pseudomonas fajokban,
növényekben - Glükoamiláz
- elágazásoknál hasít, de mindhárom féle hasítrásra
képes - Termelo fajok Aspergillus niger
- Pullulanáz (izoamiláz)
- amilopektin elágazódásainál, az a-1,6-kötéseit
hasítja - Termelo fajok Pullularia pullulans
12A keményíto szerkezete, és enzimatikus hasítása
a-amiláz eloször oligoszaharidokra bontja
(dextrinek) b-amiláz a láncvégi nem redukáló
csoportoknál hasít le maltóz molekulákat
13 A fruktóz és alkohol ipari eloállítása
keményítobol
- Orölt gabona keményítojét goz és
nyomássegítségével gélesítik - Lehutik 50-60C-ra és a-amilázt adnak hozzá,mely
az a-1,4-kötéseket elhasítja rövidebb
poliszaharid szálak - Glükóz felszabadítása glükoamiláz
enzimmel végtermék glükóz - Glükóz izomeráz hozzáadásával fruktóztállíthatunk
elo - Éleszto sejtek hozzáadásával a glükózból
alkoholfermentálható - a-amilázt foleg Bacillus-ok termelik,
extracelluláris - Glükoamiláz termelo pl. Aspergillus niger
14Ciklodextrinek
- A keményíto amilóz komponensébol képezheto gyurus
oligoszaharidok (B. macerans glükozil
transzferáz) - Szerkezetüknek köszönhetoen molekuláris
csomagolóanyagként hasznosíthatók
gyógyszeripar-, de mezogazdaság-,
élelmiszeriparban is - Biodegradáció szempontjából a jelentosége az,
hogy bizonyos anyagok hozzáférhetoségét javítja,
nehezen oldódó vegyületeket kolloidális állapotba
juttatva bonthatókká válhatnak
15Glikogén
- Emberi, állati eredetu tartalék tápanyag
- Szerkezete hasonló a keményítohöz
- Biodegradációs szempontból szerepe élettanilag
nagy, de hasznosítás, ipari alkalmazás
szempontjából nem jelentos
Dextránok
- Jellegzetes baktérium eredetu un. tokanyag
poliszaharidok - Szerkezetére a D-glükóz részek a(1 6) kötése
jellemzo, néhol láncelágazódást is megfigyeltek - Mesterségesen térhálósított alakja a Sephadex
- Biodegradáció szempontjából nem jelentosek
16Glikolipidek (lipopoliszaharidok), glikoproteinek
- Sejteket határoló membránokban
- Jelentoségük a biodegradációs eljárásokban
jelentos lehet, mint felületaktív anyagok - Néhány mikroorganizmus képes az extracelluláris
terébe kijuttatni e molekulákat, melyek a vízben
nem, vagy rosszul oldódó anyagokkal micellákat
képezve a szerves tápanyagokat hozzáférhetové
teszik a mikroorganizmusok számára
17Cellulóz
- a legelterjedtebb polimer molekula a bioszférában
(a növények sz.súlyának 30-35-a) - hosszú lánca D-glükóz molekulák ß-1,4-es
kapcsolatából épül fel - a cellulózban a glükóz láncok úgy helyezkednek
el, hogy egy kristályszeru szerkezetet tudnak
létrehozni, ami vízhatlan - oldhatatlan, és ellenáll a hidrolízisnek
- a növényekben támasztó-szerkezeti molekula
(lignocellulóz) - a legegyszerubb komponens a lignocellulózban
- Hidrogén hidak is kialakulnak
18Cellulóz
- Hasznos szénforrás, ezért iparilag hasznosítani
kellene - Elso lépés ki kell hámozni a lignin-hemicellulóz
takaróból,ezek után jöhetnek a cellulázok -
endoglükanáz - exoglükanáz -
cellobiohidroláz - ß-glükozidáz, v. cellobiáz - Biogáz, bioetanol elloállításban egyre nagyobb
szerep!
19cellulázok
- Enzimrendszer endo-, exocellulázok,
b-glükozidázok - Extracelluláris, ill. sejtek felszínén
- Termelo fajok Trichoderma, Aspergillus,
Penicillium, Clostridium, Cellulomonas fajok - Endocelluláz random hasít oligomerekre
- Exocelluláz láncvégrol dimereket cellobióz-
hasít - b-glükozidáz cellobiózt kettéhasítja glükózokra
20Cellulóz és hasító enzimei
21Cellulóz bontó mikroorganizmusok
- Széles körben elterjedt e képesség a baktériumok
és eukarióta gombák körében - 1970-es évek olajválság megújuló
energiaforrások kutatása (cellulózból etanol és
más hasznos vegyület eloállítása) - Pl. Trichoderma gombák - egyedi enzimek dolgoznak
egymással szinergizmusban (aeroboknál általában
igaz) - Trichoderma reesei - termofil Clostridiumok (Gram pozitív, obligát
anaerob bakt.) -C. thermocellum, C.
cellulolyticus - Kevés kivétellel az anaerob bakt. un.
policelluloszóma organellunokba szervezik
celluláz enzimeiket
22Celluloszóma
- sok van a sejt felszínén és extracellulárisan is
- nagy molekula, kb. 2000 kDa, extracellulárisan
rakódik össze - extracelluláris szupramolekuláris komplex, ami
hatékonyan bontja a cellulózt és más
sejtfalkomponenseket (glikozidos kötéseket) - nagy celluláz-aktivitás
- az enzimösszetételt valószínuleg a szubsztrát is
befolyásolja - a csapatmunka hatásosabb kevesebb enzim elég
ugyanannyi kristályos cellulóz szolubilizálásához
(szinergizmus), míg a szabad enzimek könnyebben
eldiffundálhatnak - a C. thermocellum (celluloszóma) hatékonyabb a
Trichoderma reeseinél (egyedi enzimek) - mesterséges celluloszómák mesterséges polimerek
lebontása (nejlon, poliészter, muanyagok),
válogatott enzimek meghatározott helyre beépítve
23(No Transcript)
24Nem celluloszómás cellulázok
- A termelo fajok gyakran több hasonló funkciójú
cellulázt termelnek, melyek specifitása némileg
eltér (a polimert más-más helyen hasítják) - Pl. T. reesei két exoglükanáz, 5
endoglükanáz.Cellulomonas sp. 6 endoglükanáz - Ezek az enzimek rendelkeznek cellulóz köto
doménnel - Thermobifida fusca faj érdekessége, hogy van egy
olyan glükanáza, mely endo-, és exo aktivitással
is bír
25Hasznosítás
- Papírgyártás, biogáz, bioetanol eloállítás
- Növényi eredetu hulladék nagy mennyiségben
keletk. a növények feldolgozása során - Nem tisztán cellulóz, hanem lignocellulóz
formájában A lignin, hemicellulóz, cellulóz
polimerek különbözo kombinációja (növények
szerkezeti felépítésében alapveto)
26Lignocellulóz alkotó komponensei
- Lignin
- 3D, globuláris, szabálytalan, nem oldható, nagy
molek.s. polimer - fenilpropán alegységek- különbözo kémiai
kötésekkel kapcs. - kémiai kötésekkel kapcsolódik a hemicellulózhoz
is, és a cellulóz szálakat beburkolja - felelos a növény rigiditásáért, a mechanikai
behatásokkal és mikroorganizmus támadásokkal
szembeni ellenállóképességért - Hemicellulózok
- rövid láncú, heterogén polimerek - hexózokat (pl.
glükóz, mannóz, galaktóz), pentózokat (xilóz,
arabinóz) tartalmaznak - három fo csoport a, xilánok b,
mannánok c, arabinogalaktánok
27Reprezentatív lignin szerkezet
- a fenilpropán egységek
- kapcsolódása nem szervezett,
- nem ismétlodo
28Reprezentatív xilán szerkezet, és hasító enzimei
Xilán az egyik leggyakoribb poliszaharid a
term-ben, a cellulóz és lignin szálak között
kovalens ill. hidrogén kötésekkel
kapcs. Papíripar számára hátrány
29Etanol eloállítás lignocellulózból
30Kitin
- Rovarok, rákok-ban váz poliszaharid, megtalálható
gomba sejtfalban - Vízben, híg savban, lúgban nem oldódik
- Tömény savval is csak nehezen hidrolizálható
melegítéssel N-acetil-glükózamin, majd ecetsav
és D-glükóz keletkezik - Felépítése N-acetil-D-glükózamin részek
b-glikozid (1-4) kötéssel kapcsolódnak - Enzimes hasítása kitinázzal, mely egyes
baktériumokban, gombákban, néhány növényben
fordul elo - Derivátja a kitozán
Kitin szerkezeti részlet
31Pektinek
- Növényekben, foleg gyümölcsökben (citrus félék,
alma, szeder, ribizli ben sok), savas karakteru - Legjellemzobb a poligalakturonsav elofordulása,
melyben a D-galakturonsav részek a(1 4)
kötéssel kapcsolódnak, ezt a kötést pektináz
enzimmel lehet hasítani - Minor komponensként rhamnóz elofordul a(1 2)
kötéssel, valamint neutrális cukrok, pl.
arabinóz, galaktóz, xilóz, a galaktironsav
metilált lehet - Iparban gélesíto ágens (pl dzsem készítéshez)
- Pektináz jelentosége élelmiszeripari
hasznosítás (gyümölcslé)
Sejtfal szerkezet
32(No Transcript)
33Pektin gélesedése Ca ionok hatására
Poligalakturonát
34Lipidek
- Elterjedtek növényekben a magvak súlyának akár
50-a, állatvilágban pl. méhek viasz termelése,
tengeri élolények túléléshez fontos a zsiradék - Lúgokkal kezelhetjük, de biológiai bontása
enzimatikusan észterázok, lipázok - Bontás eredménye glicerin és zsírsav
- Hulladékként a szennyvizek elvezeto csatornáiban
komoly gondot okoznak, eltömodések, ill. gátolják
az oxigén transzfert - Biodegradációt gátolja, hogy nem oldódnak vízben,
így biohozzáférés korlátozott - Biodegr elosegítése pl. felületaktíva. v.
oldószer adagolás
35Észterázok, lipázok
- Észterkötések hidrolizise glicerinészterekbol
zsírsav és glicerid - Extracelluláris, ált. gyengén lúgos környezetben,
Ca ionok pozitív hatás (zsírsavak Ca sóként
kicsapódnak, nincs termékgátlás) - Indukálhatóak, az enzim termelésre a N forrás is
hatással van - 3 féle mikrobiális lipáz 1. nem specifikus, 2.
régióspecifikus, 3. zsírsav specifikus lipázok - Hasznosítás gyógyászat, élelmiszeripar (pl.
sajtgyártás), tisztítószerek, bioüzemanyagok
(biodízel) - Termelo fajok Aspergillus, Penicillium,
Rhizopus, egyes élesztogombák, és Pseudomonas,
Bacillus, Lactobacillus, Micrococcus baktériumok,
emlos hasnyálmirigy, máj, magvakban