Anyagcsere (metabolizmus)

1. Anyagcsere (metabolizmus) őslégkör (NH3, CH4, H2, H2O, CO) Élet: Anyag- és energiacsere a környezettel Disszimiláció (lat. dissimilatio= különbözővé tétel): lebontás, energianyerés Asszimiláció (lat. assimilatio= hasonlóvá tétel): sejtet felépítő (makro)molekulák előállítása (a környezetben található anyagokból) Asszimilációs/disszimilációs reakciókhoz a redukálóképesség (oxidálóképesség) biztosítása ősleves (ősóceán) Miller-Urey-kísérlet (1952): A biomolekulákat felépítő alegységek már a feltételezett „őslevesben” is jelen lehettek.

2. A Winogradsky és Beijerinck által feltárt anyagcsere-diverzitás rendszerbe foglaló feldolgozást kívánt. • Albert Jan Kluyver: "A biokémia egysége" (1926) (Die Einheit in der Biochemie) „az elefánttól a vajsav-baktériumig mind egyforma!"A rendet a hidrogén-transzfer precízen kidolgozott elméletére építette fel: • "Így minden biokémiai folyamatot, legyen az oxidáció, fermentáció vagy szintézis, elemi reakciók láncolatának tekintünk, mely reakciók mindegyike olyan egyszerű változást képvisel, melynek során hidrogén adódik át az egyik molekuláról,a H-donorról egy másikra, a H-akceptorra.” • Kapcsolat az anabolikus és katabolikus (asszimiláció/disszimiláció) folyamatok között

3. Redoxreakciók + - F oxidációs száma: 0  -1  redukció, oxidálószer, elektronakceptor H oxidációs száma: 0  +1  oxidáció, redukálószer, elektrondonor (dehidro-aszkorbinsav) oxidáció  +1 +1 +2 +2 (aszkorbinsav: redukálószer, antioxidáns)

4. Redoxreakciók • elektrokémiai rendszer - galvánelem - látható az elektrolitok ebben az esetben cink-szulfát és réz-szulfát, amelyekbe cink illetve réz elektród merül és közöttük fémes vezető biztosítja a kapcsolatot. Egy redoxirendszer redoxpotenciálja (e) az az egyensúlyi elektródpotenciál, amelyet egy iners fémelektród az illető redoxirendszerrel érintkezve felvesz. A rendszerek többségének redoxpotenciálja +1 és -1 V között van. • A redoxpotenciál az oxidáló (illetve redukálóképesség) mértéke, önmagában nem, csak más rendszerek redoxpotenciáljához képest értelmezhető: mindig a pozitívabb redoxpotenciálú rendszer képes oxidálni a negatívabbat. Általában, minél pozitívabb egy redoxpotenciál, annál oxidálóbb a rendszer.

6. Redukálóképesség: NAD(P)H koenzim Nikotinamid-adenin-dinukleotid (-foszfát)

7. Redukálóképesség: FADH2 koenzim Flavin-adenin-dinukleotid (-foszfát)

8. Univerzális biokémiai energiahordozó: nagyenergiájú foszfátkötés • Adenozin-trifoszfát (ATP): a sejtek üzemanyaga • ATP + H2O → ADP + Pi   ΔG˚ = −30,5 kJ/mol (−7,3 kcal/mol)

10. O OH OH HO + CO2 etanol Glikolízis piroszőlősav + 2 NADH + 2 H++ 2 ATP + 2 H2O 2 - 2 NADH - 2 H+ stb. tejsav

11. Mikrobiális „emésztés”: (makro)molekulák lebontása, átalakítása • keményítőbontó amilázok: pl. Aspergillus • fehérjebontó proteázok: pl. Bacillus • cellulózbontó cellulázok: pl. Trichoderma reesei, Serpula lacrimans • laktózbontó laktáz:pl. Kluyveromyces • szaccharózbontó invertáz: pl. Saccharomyces (glükóz-fruktóz-szirup) • glükóz-izomeráz: pl. Lactobacillus (glükóz-fruktóz-szirup, High Fructose Corn Syrup, pl. HFCS 55 ) • stb.

12. szubsztrát szintű foszforiláció

13. Grádiens • A gradiens a matematikában egy skalármezőkre alkalmazható differenciáloperátor. • Példák: • hőmérsékleti grádiens, • nyomásgrádiens, • elektrokémiai grádiens • Utóbbi: az elektromos potenciál és egy kémiai koncentráció térbeli eltérése a membrán két oldala között. • Általában iongrádiens (protongrádiens) okozza, eredménye pedig elektromos feszültség (energia) kialakítása, melyet a sejt felhasználhat. állati sejtek membránpotenciálja

14. Elektrontranszportlánc a mitokondriumban

15. A légzési lánc, mint redoxrendszerek sorozata • Légzési enzim-redoxrendszerek   Egyensúlyi potenciál  (Volt) • NADH dehidrogenáz (NAD+ / NADH) −0,32 • Szukcinát-dehidrogenáz (FMN vagy FAD / FMNH2 vagy FADH2)−0,20 • Citokróm bc1 komplex koenzim Q10ox / koenzim Q10red +0,06 • Citokróm bc1 komplex - citokróm box / citokróm bred +0,12 • Komplex IV: citokróm cox / citokróm cred +0,22 • Komplex IV: citokróm aox / citokróm ared +0,29 • Komplex IV: O2 / HO- +0,82 • Tartomány: 1,14

16. Hőmérsékleti toleranciagörbe

17. Hőmérsékleti optimumok

18. Környezeti tényezők -fil -toleráns • Hőmérséklet (pszichro-, mezo-, termo-, hipertermo-) • pH (acido-, neutro-, alkalo-) • víz(aktivitás: ozmo-) • Fény (UV) • Tápanyagok (szénforrás, nitrogénforrás, egyéb elemek) • Oxigén aerob aerotoleráns mikroaerofil fakultatív anaerob anaerob használja|nem használja, de bírja|keveset igényel|vele is, nélküle is|nem bírja

19. Veszélyfaktorok • Hőmérséklet: A legtöbb ételmérgezést okozó kórokozó 5-57oC között szaporodik, ezért ez a hőmérsékleti veszélyzóna. Fokozottan veszélyes a 21-49oC közé eső tartomány. • Idő: az ételeket két órán belül el kell távolítani a veszélyes zónából (hűtéssel vagy melegítéssel) • Nedvesség: az ételmérgezést okozó kórokozók legjobban 0,86-1,0 vízaktivitás-értékek között szaporodnak. Konzervekben 0,85 alatt célszerű tartani a vízaktivitást. • Tápanyag: általában a fehérjegazdag ételek romlanak legkönnyebben (tej, tojás, hús, hal) • Oxigén: A legtöbb ételmérgezést okozó kórokozó aerob. (Kivétel pl: Cl. botulinum) • Sav: az ételmérgezést okozó kórokozók általában gyengén savas pH-n szaporodnak leggyorsabban (pH=4,6-7,5). Az ételek savanyításával célszerű a 4,5 pH érték alatti tartományt elérni. • Inokulum(csíraszáma – erről a szintről indul az exponenciális szaporodás!) (FAT TOM: FoodAcidityTimeTemperatureOxygenMoisture)

20. Terjedés • Levegő: • O2-tolerancia (kataláz, SOD) • UV-tolerancia (színanyagok) • Kiszáradás-tűrés (Gram+) • Kémiai tolerancia (pl. SO2) • Aeroszol • Cseppfertőzés • Fertőzött anyaggal • por • Kontakt terjedés

21. Semmelweis Ignác (Buda, 1818. – Bécs-Döbling, 1865.) magyar orvos, az „anyák megmentője” • Algemeines Krankenhaus: gyermekágyi láz • Jacob Kolletschka vérmérgezése klórmész-oldatos kézmosást antiszeptikumként ajánlotta kollégáinak 1847.

22. Fermentációk • Embden-Meyerhof-úthoz (glikolízis) csatlakozó f. • Hexóz-monofoszfát-váltáshoz (pentóz-foszfát-út) kapcsolódó f. • Speciális utak Homofermentatív/heterofermentatív Egyéb anyagcsereutak elemei megjelennek (pentóz-foszfát-út, citromsav-ciklus) Elágazó utak: NADH/ATP arány változtatható, végtermék-gátlás csökkenthető

25. Erjedések • Etil-alkoholos (élesztők, Sarcina ventriculi, Zymomonas lindneri bakt. – utóbbi más úton) Piroszőlősav Alkohol-dehidrogenáz Acetaldehid etil-alkohol +CO2 Saccharomyces cerevisiae: • amiláz nincs, invertáz ált. van • tejsav, tejsavbakt. gátolja: komló • kénessavat jól tűri • 30-33 oC erjesztési optimum (ale: >21 oC, lager: 5oC) • pH: 4,5 Piruvát-dekarboxiláz

26. Erjedések • Homofermentatív tejsavas (glikolízishez kapcs.) Tejföl, aludtej, joghurt (Streptococcus thermophilus + Lactobacillus bulgaricus), kefir, acidophilus milk, vaj, író,sajt, kovász, savanyú káposzta, kovászos uborka, silókukorica Tejsav-baktériumok (Lactobacillus) egyes csoportjai végzik: • 2% tejsav erősen gátló hatású • H2O2-termelés • Heterofermentatív tejsavas (pentóz-foszfát-úthoz kapcs) • Leuconostoc: tejsav, etanol, CO2 • Bifidobaktériumok (speciális): tejsavas-ecetsavas Frukto-oligoszaccharidok (FOS) Bifidobaktériumok SCFA Ca, Fe, Mg felszívódása nő Vastagbél hámsejtek táplálása, pH csökk. Kórokozók visszaszorítása(Crohn-betegség: irritabilis vastagbél-szindróma)

27. Funkcionális élelmiszerek „Tervező”, „designer„ élelmiszerek: a tápanyag-tartalmon túl egészségmegőrző, betegség-megelőző hatás • Probiotikum (Lactobacillus) • Prebiotikum (FOS, inulin) • Szinbiotikum (pre- és pro-, pl. kefir)

28. Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok • Tartósítás (sajt, káposzta, uborka, silókukorica) • Aroma, íz, illat, élvezeti érték • Vitamintartalom, egyéb tápanyag dúsulása, feltárása • Könnyebb emészthetőség • Toxicitás csökkentése (maniókagyökér ciánglikozidjai savas közegben bomlanak: Ny-Afrikában savas erjesztéssel gari n. ételt készítenek) Kelt tészták • élesztők növények felületén, pl. komlón:  komlós kovász • pékélesztő: 30-33 oC, Pasteur-effektus • sikér: nem engedi ki a buborékot • alkohol is emeli a tésztát sütés közben • „szalonnás” kenyér: túl sok alkohol, alkoholtűrő sikérbontó baktériumok elszaporodása • Kovász: 25-30 °C-on az élesztő szaporítása kenyértésztában. A hűvösebb kovász jobban kedvez az élesztőgombák szaporodásának, míg a melegebb kovász erőteljesebben savanyodik. Benne a tészta anyagával megegyező anyagokon szaporított élesztő aktívabb és ellenállóbb, mint a gyári élesztő. Mire a tésztába kerül, hozzászokik a körülményekhez és lazítóhatása nagyobb lesz.

29. Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok • Kék-Nílus völgye, Szudán: 7000 éves edény sörmaradványokkal • Hammurapi törvénykönyve: a sörkészítés szabályai • 1516. Reinheitsgebot (a bajor sörtisztasági törvény): sörkészítéshez a következő négy alapanyag szükséges: maláta, komló, élesztő és víz.

30. Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok • Bor: spontán vagy irányított erjesztés • Oxidatív/reduktív • almasav-bontás: gyengébb sav (tejsav) képződik (Oenococcus oeni, Lactobacillus, Pediococcus) • aszúbor: Botrytis cinerea • direkttermők: pektinbontásmetanol • túl sok oxigén (töltögetéssel megelőzhető) Levegőíz (kevés CO2) ecetsav-baktériumok virágélesztők: meleg pincében, felületen oxidálnak, gombaízt okoznak • kevés alkohol, kevés sav: nyúlósodás • rossz dugó: dugóíz (triklór-anizol) • melegben tárolás: barnatörés, fenolok oxidációja • Kevés sav, túl sok tejsavbaktérium: zavarosodás, egéríz, karcosság, muskátliszag, keserű íz (glicerinből akrolein) • vadélesztők: erjedés indulásakor, záptojásszag • penészek: szőlőről, eszközökről • Megkésett szűrés, élesztőbomlás: dögszag, seprőbomlás

31. Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok • gyümölcsbor, méz-ser (mézbor: Schizosaccharomyces pombae), pezsgő • égetett (desztillált) szeszesitalok • rozs, árpa, búza, kukorica, burgonya, rizs, (köles, cirok, hajdina) • gyümölcs, cukornád, bor, törköly, seprő • kumisz, tejpálinka, savószesz, (kefir): Kluyveromyces spp. • 1% alkohol: kvasz, boza, kombucha

32. Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok • Savanyú káposzta (Őrség: kerekrépa): Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum ill. brevis 2,25-2,5% só: Gram- bakt. visszaszorítása 1,6-1,8 % sav (ebből 1,0-1,3% tejsav) • Kovászos uborka (felületén tejsavbaktériumok: nem szabad túlzottan megmosni) Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum (L. brevis: gázképző, nem kívánatos) • Só, kevés ecetsav: kontroll (élesztők, pektinbontók) • Olajbogyó (lúgkezelés, sózás, 6-10 hónap tejsavas erjedés):  feketedés • Szójaszósz: koji (Aspergillus oryzae) keményítőt, fehérjét bontszabad glutaminsav umami íz + tejsavbaktériumok • Miso: jellemzően szójából készült japán ételízesítő, • A. oryzae + Lactobacillus acidophilus, B12+probiotikum, sugárbetegség ellen

33. Mikroorganizmusok segítségével készített ételek, italok • Sajtkészítés • kazein kicsapása (renin enzim, vagy tejsav-baktériumok termelte tejsav leviszi a pH-t, kicsapja a Ca-ot denaturáció) • Tejcukor bontása: tejsav-baktériumok v. Propionibacterium (ementáli) • Néha utóérlelés: Penicillum camemberti, P. roqueforti, Bacillusok (pálpusztai, kvargli, ilmici) Egyéb: Halszószok (DK-Ázsia, ókori Róma): fehérjebontás Bongkrek (indonéz kókusz-sütemény, gyakran toxin-tartalmú) Kávé: terméshús eltávolítása pektinbontó mikroorganizmusokkal Kakaó: erjesztés melegen (élesztők, tejsav- és ecetsav-baktériumok) Fekete tea: zöld tea erjesztésével Szalámik: nitrátredukáló és/vagy tejsav-baktériumok, nemespenészek Érlelt kolbászok, szalámik: min. 60 oC hőkezelés (pl. füstölés) trichinózis ellen (egy)sejt-fehérje: nagy hozam, olcsóság, de gyakran Metionin-hiány ill. túl sok purinbázis

34. Ecetgyártás • Hiányos oxidáció (biokémiai értelemben nem fermentáció!) • Acetobacterek: etil-alkoholecetsav propil-alkohol propionsav izopropil-alkoholaceton • Alapanyagok: gyümölcs (must, alma, szeder, meggy, málna, stb) bor, almabor, maláta, finomszesz + ivóvíz, levegő • Eljárások: • Nyugvócefrés (Orleansi: nyitott hordóban, Pasteur: fakádban) • Mozgócefrés (felületi csörgedező, bükkfaforgácson) • Átmeneti: a töltetet hol cefrével, hol levegővel árasztják el • Alámerített: levegőbefúvással, a közegben a sejtek elkeverve • Max. 14%, töményebb: kifagyasztás, desztilláció, extrakció

35. Hain János, Johannes Patersonius (17. sz. második fele): orvos, természettudós. Porosz származású katonaorvos, aki rövid lengyelo.-i tartózkodás után Lőcsén, majd Eperjesen működött. Thököly, Teleki Mihály családi orvosi tanácsadója. Orvosi és természettudományi értekezései a lipcsei Academia Naturae Curiosorum: Miscellanea e. folyóiratban jelentek meg (1671) mo.-i betegségekről, ásványokról, meg a kárpáti barlangok sárkányairól (De draconibus Carpathicis). Ennek alapján döntötte el Cuvier, hogy az európai barlangok sárkányainak mondái a barlangi medve maradványainak félremagyarázásából keletkeztek(Magyar Életrajzi Lexikon)