Енергетичний баланс окиснення глюкози

   lg N = lg N₀ + n lg 2,

   звідки  кількість клітинних поділів:

   n = (lg N – lg N₀) / lg 2.

   Кількість клітинних поділів за 1 год (константа  швидкості поділу n) визначають за формулою:

   n = n / t = (lgN – lgN₀) / lg2 (t – t₀).

   Час, потрібний для одного циклу поділу (тривалість генерації  g), визначають за формулою:

   g = t / n = 1 / n.

   Якщо  за 10 год кількість клітин у суспензії  збільшується з 10⁴ до 10⁹, то константа швидкості поділу:

   

   

     год^-1.

   Тривалість  генерації g = 1/ =1/1,66=0,602 год.  
 
 
 
 
 
 

   Розділ 4. Поживні середовища для вирощування мікроорганізмів

   Завдання 4.1. Чи правильно вказаний склад поживного середовища (г/л)? Якщо так, для вирощування яких мікроорганізмів це середовище може бути використане?

   Глюкоза - 2 %;

   КН₂РО₄-0,5;

   МgSО₄х7Н₂О - 0,5; 

   СаС1₂х2Н₂О-0,1.

   Основними компонентами мікробної клітини  є вода, мінеральні речовини та органічні  сполуки – білки. Нуклеїнові кислоти, вуглеводи та ліпіди. Для синтезу  цих клітинних компонентів мікроорганізмам потрібні поживні речовини – розчинні у воді сполуки, з яких мікроорганізми будують свою клітину та одержують енергію.

   Тільки  невелике число елементів періодичної  системи потрібне мікроорганізмам  у відносно високих концентраціях. Це десять головних біологічних елементів: вуглець, кисень, водень, азот, сірка, фосфор, калій, магній, кальцій та залізо. Крім десяти головних мікроорганізмам необхідні мінорні біоелементи (цинк, марганець, натрій і хлор, молібден, селен, кобальт, мідь, вольфрам і нікель). Джерелом мінорних біоелементів, як правило, є водопровідна вода.

   У середовищі наведеного складу глюкоза  є джерелом вуглецю, кисню та водню, КН₂РО₄ – джерелом калію і фосфору,  МgSО₄х7Н₂О – джерелом магнію, сірки та водню,  CaCl₂x2H₂O – джерело кальцію,  водню.

   У даному середовищі з десяти головних біоелементів присутні тільки вісім. Середовище не містить заліза, що входить до складу цитохромів, залізосіркопротеїдів, а також є кофактором ферментів. Також середовище не містить азоту, який необхідний у великих кількостях, оскільки в клітині його міститься близько 10%. Таке середовище не придатне для росту мікроорганізмів. 

   Завдання  4.2. Назвіть тип живлення, якщо джерелом енергії є світло, джерело вуглецю – глюкоза, а донором електронів – водень.

   У класифікації типів живлення у мікроорганізмів  використовують термінологію, запропоновану  в 1946р. на симпозіумі у Колд Спринг Харбор. Розглядають типи живлення щодо:

   1) джерела енергії (хемо – хімічне,  фото – світлове).

   2) донора електронів (органо – органічна речовина, літо – неорганічна).

   3) джерела вуглецю (авто – вуглекислота, гетеро – органічна сполука).

   Згідно  з умовою щодо джерела енергії  тип живлення визначають як фототрофію, щодо джерела вуглецю – гетеротрофія, щодо донора електронів – як літотрофію. Отже тип живлення – фотолітогетеротроф. До такого типу живлення відносяться деякі анаеробні ціанобактерії, пурпурові сіркобактерії        (Chromatiaceae, Chromatium, Thiospirilium, Thiocapsa, Thiopedia, Thiocarcina, Lamprocystis) та зелені сіркобактерії (Chlorobium, Hmicola, Limicola, Vibrioforme).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Завдання  4.3. Концентрація нітрату калію в середовищі для вирощування бактерій становить 1,9 г/л, а фруктози – 30 г/л. Розрахуйте теоретично можливий рівень біомаси.

   Вміст азоту в біомасі бактерій становить 10 – 14% від маси сухої речовини. Для визначення рівня біомаси, якого можна досягнути при культивуванні бактерій на середовищі з 1,9 г/л нітрату калію потрібно розрахувати вміст елементного азоту в даній солі. Молекулярна маса KNO₃ - 101. Отже, у 101 г нітрату калію міститься 14 г азоту, а в 1,9 г цієї солі вміст азоту становить

   (1,9∙14)/101=0,26 г.  Якщо у біомасі міститься  10% азоту, то з 0,26 г азоту  можна одержати 2,6 г/л біомаси.

   Вміст вуглецю в біомасі бактерій становить 50 % від маси сухої речовини. Для визначення рівня біомаси, якого можна досягнути при культивуванні бактерій на середовищі з 30 г/л фруктози розрахуємо вміст вуглецю у даній сполуці. Молекулярна маса фруктози – C₆Н₁₂О₆ – становить 180. Отже, у 180 г сполуки міститься 72 г вуглецю, а в 30 г даної сполуки  

   (30 ∙ 72)/180 = 12 г. Якщо в біомасі  міститься 50% вуглецю, то з 30 г  можна було б отримати 12 / 0,5 = 24 г біомаси. Але відомо, що 50% спожитого клітиною вуглецю  йде на енергетичний метаболізм. Тому в даному випадку на біосинтез піде 12/ 2=6 г вуглецю.

   Отже, рівень біомаси становитиме 6/0,5=12 г/л 

          Отримані рівні біомаси відрізняються.  Якщо враховувати одночасно концентрацію  обох елементів, то теоретично  можливий рівень біомаси дорівнюватиме  меншому числу, оскільки в біосинтетичних процесах елемент, з якого синтезується менше складових клітини, витратиться швидше. У нашому випадку рівень біомаси дорівнюватиме рівню біомаси по нітрогену, тобто 2,6 г/л.  
 
 
 

   Розділ  5. Енергетичний баланс окиснення субстрату

   Завдання  5.1. Скласти енергетичний баланс окислення глюкози за наступних умов:

   а) катаболізм глюкози здійснюється за КДФГ- шляхом;

   б) Р/О=1.

   в) ізоцитратдегідрогеназа є НАДФ⁺- залежним ферментом

   г) НАДФН є джерелом відновлювальних  еквівалентів.

   У дихальному ланцюгу є тільки три етапи окиснення, на яких вивільнюється стільки енергії, скільки міститься в одному макроергічному зв’язку. При перенесенні двох протонів від НАДН на кисень тільки три електронні переходи можуть бути спряжені з фосфорилюванням АДФ у АТФ. Такий зв’язок окиснення та фосфорилювання виражають у вигляді коефіцієнта Р/О.

     Р/О    – це число молекул АТФ, утворюваних у розрахунку на один  атом кисню. У мітохондріальному дихальному ланцюгу цей коефіцієнт дорівнює  трьом, якщо донор електронів є НАДН, і двом, якщо донор електронів  ФАД.  Існують такі пункти   утворення АТФ: дегідрування НАДН, окиснення цитохрому b та окиснення цитохрому а.

   За  умовою катаболізм глюкози здійснюється за шляхом Ентера – Дудорова (КДФГ-шлях), і НАДФН є джерелом відновлювальних еквівалентів. У цьому разі на 1 моль використаної глюкози кількість утворених відновлювальних еквівалентів (НАДН та НАДФН) становить( рисунки 1 і 2):

1) при окисленні глюкози до пірувату – 1 моль НАДН і 1 моль НАДФН:

Глюкоза → 2 піруват + АТФ + НАДН + НАДФН;

2) при дегідруванні пірувату – 2 моль НАДН:

2 піруват  → 2Ацетил-КоА + 2 НАДН;

   3) у циклі три карбонових кислот: при окисненні ізоцитрату – 2 моль НАДФН, при окисленні 2-оксоглутарату – 2 моль НАДН, при окисненні малату – 2 моль НАДН; всього 2+2+2=6 моль(НАДН+НАДФН). Крім того при окисненні сукцинату до фумарату утвориться 2 моль ФАДН. Загальне рівняння циклу три карбонових кислот має вигляд:

2Ацетил-КоА  + 2оксалоацетат → 4 СО₂ + 4НАДН + 2НАДФН + 2 АТФ

   Отже, загальна кількість відновлюваних еквівалентів , що утворюється при окисненні глюкози, дорівнює: 1+1+2+6=10 моль (НАДН+НАДФН) і 2 моль ФАДН.

   Оскільки  за умовою Р/О=1, то з 1 моль НАДН утворюється 1 моль АТФ, з 1 моль ФАДН – 1 моль АТФ. Отже, кількість АТФ становить:

   10∙1+2∙1=12 моль АТФ.

   Якщо  до цього додати 1 моль АТФ, синтезованого  при катаболізмі глюкози через  КДФГ- шлях та 2 моль, утвореного при  перетворенні сукциніл-КоА на сукцинат у циклі три карбонових кислот, одержимо 12+3=15 моль АТФ.