Biodegrad

1
Biodegradációs, bioremediációs eljárások
bemutatása
II. RÉSZ
FEHÉRJE- és SZÉNHIDRÁTPOLIMEREK
2
Fehérjék 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

3
Fehérje, 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

4
Toll, 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

5
Keratin 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


7
KERATIN 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
8
Poliszaharidok
9
Általános 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

10
Keményíto
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

11
Amilázok

• 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

12
A 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

14
Ciklodextrinek

• 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

15
Glikogén

• 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

16
Glikolipidek (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

17
Cellulóz

• 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

18
Cellulóz

• 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!

19
cellulázok

• 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

20
Cellulóz és hasító enzimei
21
Cellulóz 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

22
Celluloszóma

• 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)
24
Nem 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

25
Hasznosítás

• 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)

26
Lignocellulóz 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

27
Reprezentatív lignin szerkezet

• a fenilpropán egységek
• kapcsolódása nem szervezett,
• nem ismétlodo

28
Reprezentatív 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
29
Etanol eloállítás lignocellulózból
30
Kitin

• 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
31
Pektinek

• 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)
33
Pektin gélesedése Ca ionok hatására
Poligalakturonát
34
Lipidek

• 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

35
Észterázok, 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