TBT4170 Bioteknologi

Bioteknologi

Bruken av vitenskap og teknologi på levende organismer, og deler av organismer, produkter og modeller, for å endre levende og ikke-levende systemer/terminaler for produksjon av kunnskap, varer og tjenester.

Mikroorganismer

Fellesnavn på bakterier, virus og sopp. Trenger mikroskop for å se. Består av en enkelt celle eller en klynge av celler.

Historie: mikroorganismer ble brukt i

Mat/drikke: fermentering av øl, brød. Konservering: Lactobacilli (produserer lactic acid --> surt miljø--> hindrer vekst av mikroorganismer), alkoholinnhold på 2-3% (påvirker permeabiliteten/gjennomtrengligheten til cytoplasmamembranen og hindrer bakterievekst)

Celle

Minste enheten for liv.

Cellekjerne

Inneholder DNA

Typiske trekk for cellulært liv (figur)

Egenskaper til alle celler: Metabolisme, vekst, evolusjon.

Egenskaper til noen celler: Differensiering, Kommunikasjon, utveksle genetisk materiale, bevegelse

Metabolisme

Opptak av næringsstoffer, omdannelse og utskilling av kjemiske stoffer.

Vekst

Næringsstoffer fra omgivelsene omdannes til nytt cellemateriale for å danne nye celler.

Evolusjon

Egenskaper til å gjøre endringer i genetisk uttrykk. Fører til tilpasning i ulike miljøer (eks. antibiotikaresistens)

Differensiering (ulikt evolusjon)

Endrer ikke genetisk uttrykk, men endrer uttrykk av samme gener. Noen celler kan danne nye cellestrukturer, som en spore.

Kommunikasjon

Celler samhandler med hverandre med kjemiske beskjeder.

Utveksle genetisk materiale

Celler kan utveksle gener (DNA) med flere mekanismer. Donor og mottaker.

Bevegelse

Noen celler kan propellere seg selv framover. (eks. hale - sædcelle)

Katalytiske og genetiske funksjoner i cella (figur)

Genetiske funksjoner: DNA blir enten RNA (transkripsjon) eller kopierer seg selv (replikasjon), RNA blir til proteiner (translasjon) --> cellevekst

Katalytiske funksjoner: Energi (konservering av energi, ADP + Pi --> ATP), metabolisme, enzymer --> cellevekst

Celler som katalysatorer og som kodende enheter

1. Celler utfører kjemiske reaksjoner: Enzymer - protein katalysator for cella som øker hastiget rx

2. Celler lagrer og prosesserer info som overføres til avkom under reproduksjon gjennom DNA (deoxyribonuclei acid). Transkripsjon (DNA --> RNA), translasjon (RNA --> protein)

Evolusjon mikrobielt liv

Jorda er 4,6 mrd. år.

3,8-3,9 mrd. år siden: Den første cella , LUCA (last universal common ancestor), kom. Det var ikke oksygen på jorda da, så disse celllene levde anaerobt (uten O2). De brukte heller N2 og CO2.

2 mrd. år siden: Ble oksygen i atmosfæren grunnet cyanobakterier som driver fotosyntese.

1 mrd år siden: multicellulære organsimer (tidligere kun microbial life før dette).

Tree of life

Prokaryoter: Bakterier, arkea

Eukaryoter: Eukarya

Prokaryote celler (figur)

Bakterier og archaea (tidligere arkebakterier, lever i ekstreme miljøer). Har ikke cellekjerne. DNA flyter rundt. Størrelse: 0,2-5 mikrometer (vanlig), 0,2 til >700 mikrometer.

Eukaryote celler (figur)

Planteceller, dyreceller. Har cellekjerne. DNA i cellekjerne. Størrelse: 10-100 mikrometer (vanlig), 10 til >200 mikrometer

Organeller eukaryote celler

Cytoplasmic membrane, endoplasmic reticulum, golgi, mitochondrion, chloroplast (planteceller), cytoplasm, nucleus, ribosomes, lysosymer (noen celler), vakeoler (noen celler), cellevegg (noen)

Cytoplasmamembranen, endoplasmatisk retikulum, golgi apparatet, mitokondrie, kloroplast (plateceller), cytoplasma, cellekjerne, ribosomer, lysosymer (noen celler), vakeoler (noen celler), cellevegg (noen)

Organeller prokaryote celler

Alle: Cytoplasma, Nukloid (DNA), ribosomer, cytoplasmamembranen

Noen: plasmider, cellevegg, pili og flagella

Cytoplasmamembranen (figurer)

Separerer innholdet i cellen (cytoplasma) fra omgivelsene, beskyttende filter rundt cella, 6-8 nm tykt, selektivt permeabel (slipper inn noe, skiller ut avfall), fosfolipider

Består av fettsyrer (hydrofob del), glyserol og fosfat (hydrofil del). Hydrofob del inn, hydrofil del ut. Har proteiner i seg, stabilisert av H-bindinger og hydrofobe interaksjoner, Mg2+ og Ca2+ stabiliserer med ionebindinger til neg. ladninger

Cytoplasma

En vanndig blanding av makromolekyler (proteiner, lipider, nukleinsyrer, polysakkarider), små organiske molekyler og ulike uorganiske ioner.

Nukloid

Sirkulært DNA som bærer den genetiske koden (ingen kjerne)

Ribosomer

Oversetter genetisk kode (RNA) til proteiner

Cellevegg

Vegg ytterst utenfor cellemembranen. Stiver opp cellen. Beskytter.

Flagella og pili

Stikker ut av cellen, strukturer laget av proteiner som gir bevegelse og kommunikasjon mellom celler.

Plasmider

Små fragmenter av DNA (ekstra DNA)

Nukleus/cellekjerne

En membrandekt beholder av den eukaryote cellens DNA organisert i kromosomer.

Mitokondrie

Gir energi til cella, energifabrikk. Powerhouse of the cell. Bare i eukaryoter. (prokaryote bruker cytoplasmamembranen til å få/danne energi)

Endoplasmatisk retikulum

Transportnettverk for molekyler til spesifikke modifikasjoner og destinasjoner.

Golgi apparatet

Prosesserer og pakker makromolekyler (proteiner og lipider) som syntetiseres av cella.

Kloroplast

Utfører fotosyntese

Cytoskjellett

Støtter cella, skjelettet til cella

Arkebakterier/urbakterier

En av de 3 domenen i biologisk artsklassifikasjon, mer beslekta med eukaryoter enn bakterier, lever i ekstreme miljøer

Utseende (morphologi) celler (figur)

Vanlige former: Coccus (sfærisk), rod (sylinder), spirillum (spiral)

Uvanlige former: Spirochete, buddin and appendaged bacteria, filamentous bacteria

Utseende til prokaryoter påvirker vanligvis ikke funksjon, interaksjoner med omgivelsene og evolusjon. Men det kan være med på å optimalisere næringsopptaket (stort A til V forhold - små celler har større opptak av næring per V), svømmebevegelse i ulike omgivelser (helical eller spiral form), glidende motility (filamentous bacteria)

Proteiner cytoplasmamembranen

Membran proteiner:

- Ytre delen av membranen kan samhandle med ulike proteiner som binder substrater eller prosesserer større molekyler for transport

- Indre delen av membranen samhandler med proteiner involvert i energidannende rx og andre viktige cellefunksjoner

- Integral membrane protein: i membran

- Peripheral membrane protein: en del fast i membranen

Forsterker cytoplasmamembranen

Steroler: stive, plane lipider i eukaryote membraner, styrker og stabiliserer membranen

Hopanoider: liknende struktur som steroler, i membranen til mange bakterier

Funksjoner cytoplasmamembranen

- Permeabilitetsbarriere: polare og ladede molekyler må transporteres, transportproteiner

- Proteinanker: holder proteinene på plass

- Energibarriere/energikonservering

- Polare H2O kan passere, + og - ioner kommer ikke gjennom

- H+ kommer ikke gjennom, så må pumpes inn

- Noen små ulada molekyler kan diffundere passivt inn

Mikrobielle samfunn

Bakterier og andre mikroorganismer lever i samfunn sammen. Eks. munnen til mennesker.

Metabolisme i celle

- Sett med livsviktige/livsopprettholdende kjemiske transformasjoner i celler

- Deles i to kategorier: Katabolisme, anabolisme

Katabolisme (figur)

Bryter ned organsik materiale og frigjør energi.

polymere (makromolekyler) brytes ned og frigjør energi --> monomere brytes ned og frigjør energi --> NH3, H2O, CO2

Anabolisme (figur)

Bruker energi til å danne komponenter.

NH3, H2O, CO2 bygges opp med energi --> monomere bygges opp med energi --> polymere

Metabolic diversity

Mikroorgansimer har ulike metoder for å få energi fra omgivelsene.

Energikilder til celler (figur)

Kjemiske stoffer --> Kjemotrofe --> organiske (glukose, Ac...) kjemikalier eller uorganiske (H2, NH4+...) --> kjemoorganotrofe eller kjemolitrofe (kun prokaryote) --> ATP

Lys --> Fototrofi --> Fototrofe (lys) --> ATP

Kjemoorganotrofe

Får energi fra oksidasjon av organiske molekyler, aerobe bruker oksygen til å skaffe seg energi, anaerobe skaffer seg energi uten O2.

Kjemolitotrofe

Får energi fra oksidasjon av uorganiske molekyler, kun i prokaryote

Fototrofe

Inneholder pigmenter som gjør at de kan bruke lys som energikilde, oxygenic fotosyntese produserer oksygen, anoxygenic fotosyntese produserer ikke O2

Autotrophs/autotrofe

Bruker CO2 som C-kilde, noen ganger referert som primary producers. Lager sin egen mat.

An organism that is able to form nutritional organic substances from simple inorganic substances such as carbon dioxide.

Heterotroph

Krever en eller flere organsike molekyler som C-kilde, spiser direkte av autotrofer eller lever av produkter produsert av autotrofer. Lager ikke sin egen mat.

Extremophiles

Organismer som lever i ekstreme miljøer (arkebakterier eks.)

Energivaluta celler

Valuta energi celler: ATP (adenosin trifosfat)

ATP --> ADP + pi, energi: 31 kJ/mol

Energibærere (elektronbærere)

NAD (nicotinamide dinucleotide)

FAD (favin adenine dinucleotide)

Også en type energivaluta

Energilagring i mikroorgansimer

Langsiktig energilagring involverer uløselige polymerer som kan bli oksidert for å generere ATP.

Eks i prokaryoter: glycogen

Eks i eukaryoter: stivelse

ATP syntase

Produsere ATP

I eukaryote celler: i mitokondriene

I prokaryote: i kloroplast (fotosyntese)

Makromolekyler som er byggesteiner i celler

Karbohydrater, nukleinsyre, proteiner, lipider

Karbohydrater

Funksjon: bygge opp cellevegg, energikilde

Byggesteiner: monosakkarider (glukose)

Nukleinsyre (DNA, RNA)

Funksjon: Informasjonslagring, -overføring og -uttrykk.

Byggesteiner: Nukleotider - base, sukker, fosfat

Proteiner

Funksjon: Enzymer, struktur (eks. i cytoskjelettet), transport

Byggesteiner: Aminosyrer

Lipider (eks. fosfolipider)

Funksjon: Membraner, energilager (ikke fosfolipider)

Byggesteiner: Glyserol, (fosfat), fettsyrer, strukturkomponenter (polar del)

Glukose metabolisme to prosesser (figur)

Resprasjon (med O2 - aerobt)

Fermentering (uten O2 - anaerobt)

Gjær med eller uten O2 (metabolisme)

Respirasjon (med O2-ønsket for gjær):

- C6H12O6 + 6O2 --> energi + 6CO2 + 6H2O

- produsere cellemasse (cellevekst)

- energi produsert: opp til 38 ATP per glukose-molekyl

- produksjon av energi via glykolyse og TCA (sitronsyresyklusen)

Fermentering (uten O2-ikke ideell for gjær):

- C6H12O6 --> 2C2H5OH + 2CO2

- mindre produksjon av cellemasse

- energi produsert: 1-4 ATP/glukosemolekyl

- cellene vil ha mye mer glukose, så de må spise mer, slik at de får mer produkt

Glycolysis

A metabolic process that breaks down carbohydrates and sugars through a series of reactions to either pyruvic acid or lactic acid and release energy for the body in the form of ATP

Enzymes

- Proteins that act as biological catalysts.

-Øker reaksjonshastigheten

- Nesten alle er proteiner (noen få er nukleinsyrer: DNA, RNA)

- Proteiner: bygd opp av aminosyrer

- Alle organismer er avhengig av enzymer for funksjon

Enzymkatalyserte rx

- Vaske klær: Enzymer i vaskemidlene, T rundt 40 grader best.

- Få mer appelsinjuice ut av fruktkjøttet.

Noen funksjoner til proteiner

1. Enzymer: eks. luciferase

2. Transport: eks. hemoglobin

3. Struktur: eks. kreatin i nesehorn

Generell struktur aminosyre (det proteiner bygges opp av)

α-C til en R-gruppe, en H, en COO- og en H3N+ (se bilde). R varierer. Dette er strukturen til alle unntatt proline!

Aminosyrer

20 aminosyrer som lager proteinene, 9 av disse er essensielle for mennesker og må spises eller drikkes.

Utgjør mange ulike proteiner: som enzymer, hormoner, muskelfibre, melkeproteiner, nesehorn...

Geometri karbonbinding: C med fire ledige plasser

Tetraeder, 109.5 grader vinkler

Stereoisomeri aminosyrer

- L eller D (se eks på L- og D-Alanine på bilde).

- Kun L-enantiomere aminosyrer finnes i proteiner

- D-enantiomere aminosyrer finnes i naturen, og noen spiller en viktig biokjemisk rolle (eks. mellomprodukt i aminosyre metabolisme)

- Proteiner syntetiseres av D, som er speilbilder av proteinene laget av L

Ulike R-grupper i aminosyrer (se bilde)

1. Ikke polare, alifatiske grupper (eks. glycine)

2. Aromatiske grupper (eks. phenylalanine)

3. Polare, ulada gruppper (eks. serine)

4. Positivt lada grupper (eks. lysine)

5. Negativt lada grupper (eks. aspartate)

Peptidbindinger (primærstruktur proteiner) - bilde

-C(=O)-NH-

Planare peptid grupper, siden peptidbindingene har noe dobbeltbindingkarakter grunnet resonans og kan ikke rotere.

Proteinstrukturer (primær, sekundær, tertiær, kvartær) - se bilder for ekstra tekst

1. Primærstruktur: består av en sekvens av aminosyrer bundet sammen med peptidbindinger (kovalente bindinger).

2. Sekundærstruktur: Polypeptiden i primær kan arrangeres og bli sekundær (α-helix, β-sheet, β-turn), stabiliseres av H-bindinger mellom H og O.

3. Tertiærstruktur: Består av helix fra sekundær, foldet polypeptid med disulfid bindinger mellom cysteine grupper med korte mellomrom.

4. Kvartærstruktur: mange subunits sammen (eks. tærtiærstrukturer)

lysosyme (bilder)

Enzyme that destroys bacteria by dissolving their cell walls.

Enzym oppbygning

Stoffspesifikke, hydrofile deler peker utover mens hydrofobe deler peker innover (viktig for enzymaktivitet), aktivt sete (substratet binder seg og katalyse/rx skjer)

Glukose oksidase (bilder)

Eneste substratet er β-D-glukose (ikke aktivt på α-D-glukose)

β-D-glukose + O2 --> glukonolakton + H2O2

Aktiveringsenergi enzymer

- Enzymer øker reaksjonshastigheten grunnet reduksjon i aktiveringsenergi med en faktor opp til 10^12. De lager en alternatvi rute med lavere aktiveringsenergi.

- Skaper et organisk løsningsmiddel-miljø slik at rx skjer fortere

- De brukes ikke opp i rx og kan derfor gjenbrukes

- Substratet omdannes til produktet i det aktive setet

- Enzymer kan være stoffspesifikke

Kofaktor

Enzymer får hjelp av kofaktorer. Kofaktorer kan vær uorganiske molekyler, som ioner (Fe3+, Mg2+, Mn2+, Zn2+). Kan være organsike molekyler, men da kalles de koenzymer.

Koenzymer

Organiske kofaktorer. Binder seg til det aktive setet (eller nærme det) og endrer dermed strukturen til substratet, eller flytter elektroner, proteiner eller kjemiske grupper mellom substrat og enzym. Brukes opp i rx og dissosierer fra enzymet. Mange er derivater av vitaminer, som eks. NAD+.

Allosterisk regulering av enzymaktivitet

Allosterisk sete: plass på enzymet hvor enzymatiske regulatorer kan binde (annet sted enn det aktive setet). Enzymatiske regulatorer binder seg til det allosteriske setet og endrer konfirmasjonen til det aktive setet.

Aktivator: øker enzymaktivitet

Inhibitor: minker enzymaktivitet

Hvorfor er enzymer så viktig?

Alle organismer er avhengig av enzymer for funksjon, biologisk katalysator (øker rx-hastigheter), kan lage produkter i vanndige omgivelser, reduserer produksjonskostnader, lager nye produkter

Klassifisering enzymer

1. Oksidoreduktaser: Oksidasjon og reduksjon, eks. glukose oksidase!

2. Transferaser: Overfører grupper (koenzymer er ofte involvert), eks. hexokinase

3. Hydrolaser: Spalting ved addisjon av vann, eks. lysozym!, subtilisin

4. Lyaser: Spalting av kovalente bindinger uten vann, som ofte resulterer i dannelse av dobbeltbindinger eller ringstruktur, eks. RUBISCO

5. Isomeraser: Ommdanning innad i molekyet, isomeriserer, eks. glucose isomerase!

6. Ligaser: Binder sammen molekyler, men forbruker ATP, eks. DNA ligase

Enzymaktivitet avhenger av

Temperatur (enzymer dør over 70 grader), pH, substrat konsentrasjon, kofaktor konsentrasjon, (enzym konsentrasjon - inhibitor, aktivator)

Kilder for enzymer

- Mikroorgansimer: lett å håndtere, god kilde, produksjon uanvengig av sesong, kan øke produksjonen med å endre små ting (mutere, induksjon, seleksjons mekanismer), kan genetisk endre slik at de lager de enzymene man vil, fra bakterier i ekstreme miljøer (har enzymer som tåler mer enn 70 grader)

- Dyr: organer med høy metabolisme, grisemage

- Planter: papaw trær, fig trees, ananas stilker

Bruk av enzymer

- Mikrobiell enzym produksjon: bruker hydrolaser som degraderer naturlige polymerer (som proteiner og polysakkarider)

- Extracelluar hydrolaser: degraderer biopolymerer til mindre enheter, de enzymene vi bruker mest av i hverdagen (Amylases in brewing and baking, pectinases in juice production, biological detergents: proteases, cellulases, lipases)

Extracelluar hydrolaser: brytes ned utenfor?

Kan bli ekstrahert lett og billig fra en kultur, involverer ikke kostnad- og arbeidkrevende celleødeleggelse og rensetrinn.

Intracellular enzymes

work inside the cell where they control cell metabolism (eg respiration), mer enn 1000 i en bakterie, må separeres fra andre enzymer og cellestrukturer med molekylladning og molekylmasse

Amylase i ølbrygging

Malt:

-Kornet blir satt til å spire ved å legge de i vann, og deretter stoppes videre spiring ved tørking med varm luft.

- Inneholder Amylase, som degraderer stivelse til kortere polysakkarider (oligosakkarider)

- Inneholder også glucoamylase, som degraderer oligosakkarider til monosakkarider (glukose)

- Mosing: Kombinerer malt med vann og varme. Tillater enzymene i malten å bryte ned stivelsen i kornet til sukker.

- Erstatning av malt med ikke spirte korn, mais eller ris må tilsettes brygging enzymer fra muggsopper eller bakterier (også proteaser - enzym som bryter ned proteiner og peptider)

- Gjærcellene vil spise glukosen, så må ha mye av dette i et av stegene for å brygge øl

Amylase i baking

Amylase tilsettes for å bryte ned stivelsen --> sukkerinnholdet øker --> raskere fermentering

Proteaser bryter ned "klebrig" proteiner (gluten) --> deig mer elastisk og evnen til å beholde luftbobler øker

Pektinaser i juice produksjon

Høymolekylær pektin i frukten danner en gel og reduserer produksjonen av juice.

Pektinaser bryter ned langkjedede pektiner --> reduseres viksositeten --> bidrar til filtrering og økt utbytte

Biologiske vaskemidler

Viktigste område for bruk av hydrolytiske enzymer. Fett og proteiner er et lim for møkk. Vaskemidler fjerner fett fra stoff. Enzymer (proteaser: eks. subtisilin) tilsettes for å bryte ned proteiner. Enzymer tilsettes også for å bryte ned polysakkarider (cellulaser). Energi og kostnadseffektiv (reduserer vasketemperatur ved enzymer tilsatt)

Glukose isomerase (bilde)

Gjør om glukose (C6H12O6, 6-ring) til fruktose (C6H12O6, 5-ring)

Hvor får vi sukker fra?

Sukrose fra sukkerrør og sukkerbete (høye krav til jord og klimaforhold, råmateriale må behandles med en gang).

Glukose fra stivelse (naturlig lagra i planter så kan hentes fra mange ulike: eks. potet & korn, mulig å lagre, kan lett brytes ned til sukker (glukose: 75% av søtheten til sukrose))

Produksjon av fruktose (bilde)

1. α-amylase bryter ned stivelse til dekstriner og maltose.

Dekstriner: blanding av polymerer av D-glukoseenheter forbundet ved α-(1-->4) eller α(1-->6) glukosidbindinger

Maltose: Disakkarid utformet av to enheter av glukose bundet med en α-(1-->4) binding.

2. Glucoamylase degraderer dekstriner og maltose til glukose

3. Glukose isomerase konverterer glukose til fruktose.

Protein engineering

Lage "nye" proteiner.

Lage mer stabile proteiner (enzymer) så de kan brukes under industrielle betingelser uten å denaturere eller miste aktivitet. Eks. finjustere proteaser for vaskeprosessen (klesvask), lage disulfidbindinger, endre aminosyrer.

Endre spesifitet av enzymaktivitet.

Lage nye enzymaktiviteter.

Lage disulfidbindinger

Se bilde. Eks. lage lysozyme.

DNA sammensetning

Molekyler sammensatt av nukleotider, som er linket i en kjede via sukker-fosfat bindinger, tvinnet rundt hverandre i en dobbelttrådet heliks. Basepar holder kjeden sammen: A med T, G med C.

DNA i prokaryoter

Nucleoid: lokalisert i cytoplasma der cellens arveanlegg finnes.

Mesosom: innbulking av plasmamembranen og har funksjon omkring DNA replikasjon, celledeling og sekresjon av enzymer.

DNA i eukaryoter

I cellekjernen. Er også arvemateriale i mitokondrier og kloroplast.

Baser RNA og DNA består av

Puriner: Purine, Adenine, Guanine

Pyrimidiner: Pyrimidine, Cytosine, Uracil (KUN I RNA), Thymine (KUN I DNA)