Διαφορές μεταξύ κυτταρικής αναπνοής και ζύμωσης

Γιατί η ζύμωση είναι λιγότερο αποτελεσματική από την αναπνοή;

Οι μαθητές που δεν είναι εξοικειωμένοι με τις διαδικασίες βακτηριακής ζύμωσης πρέπει να κατανοήσουν ότι ο ρυθμός ζύμωσης εξαρτάται από τη συγκέντρωση ζάχαρης και μαγιάς που υπάρχουν στο μέσο και την ποσότητα γλυκόζης στο μείγμα. Αυτό το σημείο μπορεί να περιγραφεί με απλούς όρους. Η ζάχαρη είναι ένα μικρό μόριο, ενώ τα ένζυμα έχουν μεγάλες μοριακές μάζες (συνήθως πάνω από 100.000 g/mol). Αυτό σημαίνει ότι ένα μόριο σακχάρου καταλαμβάνει ήδη κάθε θέση ενζύμου, επομένως ο διπλασιασμός ή η μείωση στο μισό της συγκέντρωσης του σακχάρου δεν θα επηρεάσει τον αρχικό ρυθμό της αντίδρασης.

Η μαγιά δεν μπορεί να εκτελέσει αναπνευστικές λειτουργίες.

Η μαγιά δεν μπορεί να εκτελέσει αναπνευστικές λειτουργίες όπως η κατανάλωση οξυγόνου και οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Η αναερόβια αναπνοή παράγει διοξείδιο του άνθρακα, ένα αέριο που φουσκώνει τα μπαλόνια. Οι μαθητές μπορούν να αναγνωρίσουν θετικά το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιώντας έναν μετρητή και έναν δείκτη. Στη συνέχεια, μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα βέλη για να καθορίσουν τα αναμενόμενα επίπεδα O2 και CO2. Οι μαθητές μπορούν στη συνέχεια να υποθέσουν γιατί ορισμένα διαλύματα ζάχαρης δεν μεταβολίστηκαν και να πειραματιστούν με την ποσότητα ζύμης που απαιτείται για να επιταχυνθεί η αντίδραση.

Η μαγιά εκτελεί την αναπνοή με τον ίδιο τρόπο όπως τα ανθρώπινα μυϊκά κύτταρα. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν βακτήρια και μαγιά για να παράγουν ATP, την πηγή ενέργειας για την κυτταρική αναπνοή. Όταν αναπνέουμε, αναπνέουμε αέρα μέσω των πνευμόνων μας και της κυκλοφορίας του αίματος για την παροχή οξυγόνου στα κύτταρα μας. Αυτό το οξυγόνο επιτρέπει στα κύτταρα να χρησιμοποιούν την τροφή ως καύσιμο. Το οξυγόνο δρα ως καταλύτης για να βοηθήσει τα κύτταρα να παράγουν ενέργεια με τη μορφή ATP. Η μαγιά είναι λιγότερο αποτελεσματική στην αναπνοή από τη ζύμωση, επομένως δεν είναι καλή υποψήφια για βιοτεχνολογία.

Ως αποτέλεσμα, η συγκέντρωση γλυκόζης σε ένα μείγμα ζυμώσιμων σακχάρων και ζυμομυκήτων θα καθορίσει τον ρυθμό ζύμωσης. Ωστόσο, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η μαγιά είναι λιγότερο αποτελεσματική στην αναπνοή από τη ζύμωση υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Η συγκέντρωση γλυκόζης σε ένα πείραμα καλλιέργειας κατά παρτίδες είναι περίπου 150 mg/l και ο ρυθμός πρόσληψης φτάνει τα 500 mg/l. Ανάλογα με το είδος της ζύμης και τις ειδικές συνθήκες καλλιέργειας, η συγκέντρωση γλυκόζης μπορεί να χρειαστεί να διπλασιαστεί ή να μειωθεί στο μισό για να επιτευχθεί το ίδιο αποτέλεσμα.

Η μαγιά είναι λιγότερο αποτελεσματική στην αναπνοή επειδή δεν είναι τόσο αποτελεσματική σε συνθήκες πλούσιες σε οξυγόνο όσο τα κύτταρα. Παράγει επίσης λιγότερο ATP από τα αερόβια αντιδρώντα βακτήρια. Και οι δύο διαδικασίες περιλαμβάνουν δύο διαφορετικά ένζυμα και είναι πιο αποτελεσματικές στην παραγωγή ΑΤΡ. Εάν η ζύμωση δεν έχει επαρκές οξυγόνο, θα χρησιμοποιήσει την ενέργεια που παράγει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Μια βιοδιεργασία που βασίζεται στη ζύμωση έχει δύο ηλεκτρόνια για κάθε μόριο γλυκόζης, ενώ η αερόβια αναπνοή απαιτεί 38.

Σε ένα παρόμοιο πείραμα, οι επιστήμονες έβαλαν νέα αιωρούμενη μαγιά σε υδατόλουτρα στους 25°C, 30°C και 35°C και κατέγραψαν την ποσότητα CO2 που παρήγαγε κάθε παρτίδα ζύμης. . Πέταξαν το επιπλέον υγρό. Παρατήρησαν επίσης πόσο CO2 παρήχθη ανά κύτταρο σε κάθε λουτρό. Όταν η θερμοκρασία έφτασε τους 30 βαθμούς Κελσίου, ο όγκος του αερίου CO2 που παράγεται ανά κύτταρο μειώθηκε δραματικά και μετά από 45 λεπτά, η απόδοση έπεσε στα 0,2 g/g ζάχαρης.

Κυτταρική αναπνοή

Το κύριο προϊόν της κυτταρικής αναπνοής είναι η τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), την οποία πολλά κυτταρικά συστατικά χρησιμοποιούν ως πηγή ενέργειας. Τα ένζυμα και οι μεταφορείς χρειάζονται συχνά ισχύ από το ATP για να μεταφέρουν μόρια μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Τα κύτταρα μπορούν να απελευθερώσουν ενέργεια αργά στην κυτταρική αναπνοή, καθιστώντας την μια πολύ πιο αποτελεσματική διαδικασία για τη βιοσύνθεση. Τα φυτά και τα ζώα μπορούν επίσης να το χρησιμοποιήσουν για μετακίνηση.

Η ζύμωση περιλαμβάνει τη διάσπαση της γλυκόζης σε δύο μόρια πυροσταφυλικού, τα οποία δεν μπορούν να μεταβολιστούν χωρίς οξυγόνο. Η ζύμωση, ωστόσο, χρησιμοποιεί φορείς ηλεκτρονίων για να τα μεταφέρει στα μιτοχόνδρια, μετατρέποντάς τα σε NAD+, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για γλυκόλυση. Ωστόσο, η διαδικασία είναι λιγότερο αποτελεσματική από τη ζύμωση. Απαιτεί δύο ακόμη μόρια ATP για να παράγει την ίδια ενέργεια με την αερόβια αναπνοή.

Η διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής είναι μια μεταβολική διαδικασία που επιτρέπει στους οργανισμούς να απελευθερώνουν χημική ενέργεια από τα θρεπτικά συστατικά. Η μέθοδος παράγει επίσης απορρίμματα. Η κυτταρική αναπνοή είναι πιο αποτελεσματική από τη ζύμωση, αλλά ο ρυθμός παραγωγής ATP είναι πιο αργός. Η ενέργεια που παράγεται από τη ζύμωση μπορεί να αποθηκευτεί και να χρησιμοποιηθεί όταν η κυτταρική αναπνοή επιβραδύνεται ή όταν το οξυγόνο δεν είναι διαθέσιμο. Αυτή η διαδικασία είναι ένα ουσιαστικό μέρος της ζωής σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς.

Εκτός από την αερόβια και αναερόβια αναπνοή, τα κύτταρα εκτελούν και αναερόβια αναπνοή. Η αναερόβια αναπνοή παράγει δύο μόρια ATP από ένα μόριο υδατάνθρακα. Η διαδικασία της ζύμωσης δεν τελειώνει με τα προϊόντα της γλυκόλυσης, που είναι το πυροσταφυλικό. Αντίθετα, η διαδικασία συνεχίζεται με τον ίδιο τρόπο όπως η αερόβια αναπνοή. Για το λόγο αυτό, είναι λιγότερο αποτελεσματικό από τη ζύμωση.

Αναερόβια ζύμωση

Υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους οι οργανισμοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν την ενέργεια από τους υδατάνθρακες: αερόβια ζύμωση και αναερόβια ζύμωση. Και οι δύο διαδικασίες είναι ουσιαστικά ίδιες αλλά έχουν ελαφρώς διαφορετικούς στόχους. Και στις δύο περιπτώσεις, οι υδατάνθρακες διασπώνται σε πυροσταφυλικό, το οποίο χάνει ηλεκτρόνια. Αυτό το απόβλητο προχωρά στο επόμενο βήμα στην αερόβια αναπνοή, κάνοντας τον οργανισμό να αποκτήσει δύο μόρια ATP.

Στην περίπτωση της αερόβιας ζύμωσης, τα βακτήρια πραγματοποιούν τη διαδικασία. Ο οργανισμός δεν καταναλώνει την αιθανόλη που παράγεται από αυτή τη διαδικασία. Αντίθετα, τα κύτταρα του οργανισμού χρησιμοποιούν μόρια οξέος ως πηγή ενέργειας. Η ζύμωση χρησιμοποιείται συνήθως για την παρασκευή κρασιού και ψωμιού. Και οι δύο μέθοδοι ζύμωσης μοιράζονται τις ίδιες πρώτες ύλες με την αερόβια αναπνοή. Ωστόσο, υπάρχει διαμάχη σχετικά με το εάν η παραγωγή αιθανόλης είναι λιγότερο αποτελεσματική υπό αναερόβιες συνθήκες.

Αν και η χρήση πρόσθετης γλυκόζης από αερόβια ζύμη αυξάνει τον ρυθμό παραγωγής ATP, μειώνει τη συνολική απόδοση του ATP. Αν και η προστιθέμενη γλυκόζη αυξάνει τον ρυθμό παραγωγής ATP, η προκύπτουσα χαμηλότερη απόδοση ATP δεν είναι σημαντική για τη φυσική κατάσταση. Παρόλα αυτά, παρέχει ένα επιλεκτικό πλεονέκτημα. Επομένως, η αναερόβια ζύμωση είναι πιο αποτελεσματική από την αναπνοή στο πλαίσιο των θετικών στο Crabtree ζυμομύκητες.

Εκτός από την έλλειψη οξυγόνου, η ζύμωση παράγει επίσης μεταβολικά απόβλητα. Σε αντίθεση με την αερόβια αναπνοή, η ζύμωση παράγει μόνο δύο μόρια ATP ανά μόριο γλυκόζης. Ωστόσο, και οι δύο διαδικασίες απαιτούν υψηλή ενέργεια, επομένως τα αναερόβια κύτταρα θα πεθάνουν εάν απουσιάζει το οξυγόνο. Επιπλέον, η συσσώρευση γαλακτικού οξέος στους μύες μπορεί να οδηγήσει σε μυϊκή κόπωση και αίσθηση καψίματος. Ομοίως, ο πόνος προκαλείται από μικροσκοπική βλάβη στα κύτταρα.

Στις ζύμες, η αναερόβια ζύμωση είναι λιγότερο αποτελεσματική από την αναπνοή λόγω παραγόντων που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα του μεταβολισμού υπερχείλισης. Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι το φαινόμενο Crabtree είναι ένα σύνθετο χαρακτηριστικό που πρέπει να συμπληρώνουν άλλες πτυχές. Οι μηχανισμοί πίσω από την πρόσληψη γλυκόζης και τη μακροπρόθεσμη ανοδική ρύθμιση της αναερόβιας γλυκόλυσης πρέπει να κατανοηθούν στο πλαίσιο της εξέλιξής τους.

Κόστος ενζύμων

Η ποσότητα του παραγόμενου ενζύμου σχετίζεται γραμμικά με την κλίμακα της διεργασίας ή τον όγκο του κύριου ζυμωτήρα. Καθώς αυξάνεται η κλίμακα της διαδικασίας, το κόστος παραγωγής μονάδας του ενζύμου μειώνεται, πρώτα δραματικά στο κάτω άκρο της κλίμακας και στη συνέχεια ισοπεδώνεται στο υψηλότερο άκρο. Το σχήμα αυτής της καμπύλης είναι ένας καλός δείκτης της οικονομίας κλίμακας, καθώς το κόστος που εξαρτάται από την εγκατάσταση γίνεται μικρότερο καθώς αυξάνεται η κλίμακα της διαδικασίας. Παρακάτω αναφέρονται οι παράγοντες που επηρεάζουν το κόστος των ενζύμων στη ζύμωση.

Η κύρια πρώτη ύλη, το κέικ babassu, έχει την πιο εκτεταμένη επίδραση στο κόστος παραγωγής ενζύμων. Το κέικ Babassu είναι λιγότερο εμπορευματοποιημένο από άλλα κέικ, επομένως το κόστος του κέικ babassu μπορεί να επηρεαστεί από τις εποχιακές διακυμάνσεις των τιμών σε άλλα κέικ. Επιπλέον, η τιμή του κέικ σόγιας σχετίζεται άμεσα με την ποσότητα πρωτεΐνης. Αυτή η διαφορά στην τιμολόγηση οδήγησε σε ανάλυση ευαισθησίας, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση του κόστους των ενζύμων που παράγονται σε κάθε λειτουργία μονάδας.

Η σταθερότητα του πλασμιδικού φορέα και η διαγονιδιακή έκφραση είναι απαραίτητα για την παραγωγή ενζύμων χαμηλού κόστους. Μια μελέτη από τους Hagg et al. προειδοποίησε ότι η απώλεια πλασμιδιακών φορέων κατά τη διαίρεση των βακτηριακών κυττάρων ήταν ένα σημαντικό εμπόδιο για τη βιομηχανική παραγωγή ενζύμων. Αυτή η απώλεια φορέων μειώνει την απόδοση και το κόστος του προϊόντος. Μια άλλη σημαντική πτυχή της βακτηριακής ζύμωσης είναι η σειρά σπόρων, η οποία συχνά παραβλέπεται στα μοντέλα της μικροβιακής διαδικασίας.

Η χρήση της τεχνολογίας της Novozymes για την παραγωγή ενζύμων επιτόπου δεν είναι εφικτή για πολλές μονάδες βιοκαυσίμων. Αυτή η διαδικασία είναι πολύπλοκη και απαιτεί παραγωγή πολλαπλών στελεχών και ειδικές τεχνικές ανάμειξης. Η επιτόπια εγκατάσταση δεν είναι εμπορικά αποδεδειγμένη και η πρόσθετη δαπάνη των ενζύμων απαιτεί σημαντική επένδυση κεφαλαίου. Είναι επίσης δύσκολο να βρεθεί χρηματοδότηση για μια μονάδα παραγωγής κυτταρινικής αιθανόλης.

Ένα σημαντικό ποσό του κόστους του ενζύμου σχετίζεται με την πηγή άνθρακα και τη συγκέντρωση του ενζύμου. Η γλυκόζη και το IPTG αντιπροσωπεύουν περίπου τα τέσσερα πέμπτα του συνολικού κόστους των ενζύμων ζύμωσης. Ο φώσφορος και οι πλούσιες σε άζωτο ενώσεις αντιπροσωπεύουν λιγότερο από το δέκα τοις εκατό του συνολικού κόστους. Μόρια επαγωγέα όπως το IPTG μπορεί επίσης να αυξήσουν το κόστος των ενζύμων. Για να μειωθεί αυτό το κόστος, είναι απαραίτητες οι φθηνότερες πηγές άνθρακα.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *