20 12 ./20 13 . mācību gada 2. semestris

1. Bioloģijas laboratorijas eksperimenta veidošanas un demonstrēšanas metodika.Sadaļa: "Mikrobioloģija un biotehnoloģija". 2012./2013. mācību gada 2. semestris

2. Rūgšanas procesi. 3. lekcija

3. Rūgšanas procesi tiek uzskatīti par primitīvāko organismu enerģijas ieguves veidu. Procesi, kuros anaerobos apstākļos no substrāta tiek paņemta tikai daļa tajā ietvertās enerģijas. Sākotnējais substrāts ir elektronu donors, bet tā metabolisma starpprodukts - elektronu akceptors.

4. Hemo-organo-anaero-heterotrofi E avots – ķīmisks, e- donori – organiski, e- akceptors – organisks C avots – organisks Plaša organismu eksistences grupa, kuru pamatā pārstāv dažādi mikroorganismi. Spējas iegūt enerģiju stipri ierobežotas. Pārstāvji: pienskābās, sviestskābās, spirta un citas rūgšanas baktērijas. C6H12O6 2C2H5OH + 2 CO2 (2 ATF)

5. Rūgšanas procesi Vairumā gadījumu enerģijas avots ir tikai glikolīze vai tai līdzīgi procesi, kā rezultātā tiek iegūtas 2 ATP molekulas un 2 NAD+ molekulas tiek reducēts par NADH+H+ . C6H12O6 + 2 NAD+ ==> 2 C3H4O3 +2 NADH+H+ 2 ADP + 2 P ==> 2 ATP + 2 H2O (ar P apzīmēta fosfātu grupa) - 47 kcal/mol

6. Rūgšanas procesi Tajos iegūtais ATP veidojas ar substrāta līmeņa fosforilācijas palīdzību un elektronu transporta ķēdes netiek iesaistītas.

7. Pienskābā rūgšana Viens no vienkāršākajiem rūgšanas veidiem, kurā glikolīzes gaitā iegūtā reducētā NAD forma (NADH+H+) tiek oksidēta izmantojot tiešo glikolīzes gala produktu - pirovīnogskābi. Reakciju katalizē enzīms - laktāt-dehidrogenāze.

8. Pienskābā rūgšana OHOH || C=OC=O |===>| C=ONADH+H+ H - C - OH+NAD+ | | CH3CH3 pirovīnog- pienskābe skābe laktāt- dehidrogenāze

9. Pienskābe / optiskā izomērija R1 | R2 - C - R3 | R4 Pienskābe ir organiska oksiskābe, krai piemīt optiskā izomērija. Optiskā izomērija ir viens no telpiskās izomērijas (stereoizomērijas) veidiem. Optiskā izomērija raksturīga organiskām vielām, kurās vismaz vienam C atomam ar katru no 4 kovalentajām saitēm saistīta kāda cita funkcionālā grupa (asimetrisks oglekļa atoms).

10. Optiskā izomērija Pienskābei ar a C atomu saistītās funkcionālās grupas: - COOH; -H; -OH; -CH3 Tā kā atšķirīgo funkcionālo grupu iespējas mainīt savu telpisko novietojumu ir ierobežotas, šādiem savienojumiem parasti iespējamas 2 pastāvēšanas formas, kuras savā starpā atšķiras kā attēls no spoguļattēla.

11. Optiskā izomērija COOH COOH OH HO H H C C 1 CH3 CH3 n 1 1 2 2 3 3 Šādas formas sauc par spoguļizomēriem vai enantiomēriem.

12. Optiskā izomērija Optiskajiem izomēriem piemīt optiskā aktivitāte - spēja pagriezt polarizētas gaismas plakni. Kādas vielas viens enantiomērs polarizēto gaismu griež pa labi (pulksteņa rādītāju virzienā) - "+" izomērs, bet otrais - pa kreisi (pretēji pulksteņa rādītāju virzienam) - "-" izomērs.

13. Optiskā izomērija Gaismas griešanas virziens nav viennozīmīgi saistīts ar funkcionālo grupu (atomu) secību molekulā, tas tiek noteikts eksperimentāli. Funkcionālo grupu telpiskā izvietojuma raksturošanai ilgstoši tika izmantota molekulu salīdzināšana ar gliceraldehīdu, kuram "+" enantiomērs tika apzīmēts ar "D" (lat. dexter - labais), bet "-" enantiomērs - ar "L" (lat. laevus - kreisais), pēc iedarbības ar polarizēto gaismu.

14. Optiskā izomērija Pienskābes "-" enantiomēru ķīmiskās reakcijās pārveidojot par gliceraldehīdu tika iegūts D-gliceraldehīds. Tātad pienskābes "D" enantiomērs polarizēto gaismu griež "-" virzienā (nevis "+", kā tas ir gliceraldehīda gadījumā). To vēlāk arī apstiprināja molekulas struktūras analīze ar rentgenstaru palīdzību.

15. Optiskā izomērija COOH COH 1 1 2 2 HO HO H H C C 3 3 CH2OH CH3 L (-) - gliceraldehīds L (+) - pienskābe

16. Optiskā izomērija Vairumā gadījumu enzīmi ir noteiktu enantiomēru specifiski, tie katalizē reakcijas tikai ar viena veida izomēriem. Šo parādību veiksmīgi izmanto noteikta veida enantiomēru ieguvei, vai to attīrīšanai no organiskajā sintēzē iegūtajiem racemiskajiem maisījumiem.

17. Optiskā izomērija Dabā dominē: - ogļhidrātu "D" enantiomēri; - a aminoskābju "L" enantiomēri.

18. Pienskābe L(+) pienskābe ir dabā biežāk sastopamais pienskābes izomērs, tas pamatā veidojas arī cilvēku organismā, to spēj racionāli izmantot praktiski visu cilvēka audu šūnas. D(-) pienskābe cilvēku organismā var tikt pārstrādāta aknās (iespējams arī citos audos), daļa ar pārtiku uzņemtās D(-) pienskābes izomēra izdalās urīnā. Šis pienskābes izomērs normāli atrodams cilvēka asinīs.

19. Pienskābe Pienskābes D izomēra izmantošana cilvēka organismā notiek lēnāk nekā L izomēra, taču nav pamata uzskatīt, ka pienskābes D izomērs cilvēkam būtu kaitīgs vai neizmantojams. Vairāki autori iesaka pienskābes D(-) formu izslēgt no zīdaiņu (0-3 gadi) uztura.

20. Pienskābe Daļa baktēriju sugu: - veido L(+) pienskābi (Lactobacillus agilis; L. amylophilus; L. casei u.c. ); - daļa - D(-) pienskābi (L. delbrueckiiu.c. ); - bet daļa veido abu pienskābes izomēru maisījumu dažādās attiecībās (L. acidophilus [1:1]; L. plantarumu.c. ).

21. Pienskābe Nereti baktēriju veidoto pienskābes izomēru attiecību ietekmē: - to augšanas apstākļi, - izmantotās barības vielas, - kultūras vecums (attīstības fāze) un citi faktori.

22. Pienskābā rūgšana Izšķir homofermentatīvo pienskābo rūgšanu - to rosinošie mikroorganismi rūgšanas procesā veido tikai pienskābi. raksturīgi pārstāvji Streptococcus ģints baktērijas (Streptococcus lactis) un Lactobacillus ģints baktērijas (Lactobacillus acidophilus).

23. Pienskābā rūgšana Izšķir heterofermentatīvo pienskābo rūgšanu - tās rezultātā bez pienskābes veidojas arī citi gala produkti - spirti, citas organiskās skābes..

24. Pienskābes baktērijas Pienskābes baktērijas vai pienskābās rūgšanas baktērijas - tā nav baktēriju grupa sistemātikā. Tās pārstāvju metabolismā pienskābās rūgšanas process ieņem ļoti nozīmīgu vietu. Pienskābi spēj veidot lielākā daļa dzīvo organismu, taču, atšķirībā no pienskābās rūgšanas baktērijām, tiem tā drīzāk ir metabolisma blakus- vai starpprodukts, noteikti ne ierastais gala produkts.

25. Pienskābes baktērijas Vairums pienskābes baktēriju meklējamas baktēriju sistemātikas Lactobacillalesrindā, taču ir arī izņēmumi. Piemēram, bifidobaktērijas pieder aktinobaktēriju (Actinobacteria) nodalījumam. Savukārt ne visas Lactobacillalesrindas pārstāves uzskatamas par pienskābes baktērijām.

26. Pienskābes baktērijas Citas raksturīgākās pazīmes: - pielāgojušās dzīvei skābā vidē, - nesporulējošas, - neizmanto elpošanas ķēdi (anaerobas), - aero-tolerantas, kaut arī parasti katalāzes negatīvas, - spēj izmantot laktozi, - prasīgas pret dažādu vielu klātbūtni augšanas vidē, - gram-pozitīvas (G+).

27. Pienskābes baktērijas Dabā sastopamas: - uz dzīvnieku: - ādas, - gļotādas, - gremošanas traktā; - uz augu lapām un augļiem, - trūdošās augu valsts pārstāvju paliekās, - piena produktos.

28. Pienskābes baktērijas Raksturīgākās ģintis: - Lactobacillus, - Lactococcus, - Leuconostoc, - Pediococcus, - Streptococcus.

29. Pienskābā rūgšana Labvēlīgos apstākļos pienskābās rūgšanas baktērijas spēj: strauji savairoties, paskābināt vidi. Tā vairs nav pieņemama daudzām pūšanas baktērijām, tāpēc pienskābās baktērijas kā arī pati pienskābe (E270) tiek izmantotas produktu skābēšanai un konservēšanai.

30. Pienskābā rūgšana Pienu raudzējošie pienskābās rūgšanas mikroorganismi uzskatāmi par probiotiskiem mikroorganismiem. Jēdziens “Probiotisks” pretstatams jēdzienam “Antibiotisks”. Probiotiskie mikroorganismi uzlabo cilvēka dzīves vidi.

31. Pienskābā rūgšana Daudzi pienu raudzējošie pienskābās rūgšanas mikroorganismi uzskatāmi par probiotiskiem mikroorganismiem. Jēdziens “Probiotisks” pretstatāms jēdzienam “Antibiotisks”. Probiotiskie mikroorganismi uzlabo cilvēka (un ne tikai) dzīves vidi.

32. Probiotiķi Tas apzīmē parādības, kas uzlabo dzīvi, mikroorganismu asociācijas uz ādas, gļotādām, gremošanas traktā. Jēdziens visbiežāk tiek attiecināts uz mikroorganismiem un to kultūru produktiem, kuri uzlabo vai stabilizē zarnu mikrofloru.

33. Probiotiķi Probiotiskās īpašības: - Samazina zarnu trakta infekciju risku. - Uzlabo pārtikas sagremošanu. - Uzlabo imūnsistēmas darbību. - Samazina risku saslimt ar dažiem ļaundabīgajiem audzējiem.

34. Probiotiķi Infekcijas Cilvēka zarnu traktā kā parasti iemītnieki atrastas ap 200 - 400 dažādas baktēriju sugas, kuras uzskatāmas par organismam draudzīgām – bez to līdzdalības gremošanas process nenotiek normāli; “pareizie” mikroorganismi izkonkurē un nomāc dažādus nevēlamos mikroorganismus.

35. Probiotiķi Nepareizs uzturs, neregulāras ēdienreizes, kaitīgi ieradumi zarnu traktā samazina labvēlīgo mikroorganismu daudzveidību un skaitu. Probiotiski mikroorganismi paātrina atveseļošanos - bērniem, kuri cieš no hroniskas caurejas - pieaugušajiem, kurus moka ”ceļotāju caureja”.

36. Probiotiķi Imūnsistēma Krievu zinātnieks - Ilja Mečņikovs jau pagājušā g.s. sākumā, vērojot Kaukāza ilgdzī- votājus, nonāca pie secinājuma, ka laba veselība saistīta ar zarnu trakta mikrofloru, un ka kefīrā dzīvojoši mikroorganismi uzlabo organisma imunitāti un paildzina dzīvi.

37. Laktozes nepanesamība Ir cilvēki, kuru organisms pietiekamā daudzumā neizstrādā enzīmu - laktāzi, kurš katalizē galvenā piena ogļhidrāta, disaharīda – laktozes hidrolīzi (noārdīšanu) par glikozi un galaktozi. Šādā gadījumā cilvēka zarnu trakts nespēj laktozi uzņemt organismā. Šādiem cilvēkiem laktoze paliek zarnu traktā, kur to labprāt izmanto dažādi tur mītošie mikroorganismi, pastiprināti vairojoties, izdalot gāzes (CO2, H2) un citus starpproduktus.

38. Laktozes nepanesamība Rezultātā var notikt vēdera uzpūšanās, pastiprināti izdalīties gāzes, veidoties caureja vai vēdersāpes. Laktozes nepanesamības gadījumā var būt pilnīgs vai arī tikai daļējs laktāzes trūkums, līdz ar to arī simptomi var variēt.

39. Laktozes nepanesamība Laktozes nepanesamība var būt: - bez simptomiem – šādā gadījumā vienkārši netiek uzņemta daļa no pienā esošajām barības vielām, - ar simptomiem - visbiežāk caureju 0,5 – 2 stundas pēc piena produktu uzņemšanas.

40. Laktozes nepanesamība Laktozes nepanesamībai var būt dažādi iemesli: - iedzimts laktāzes deficīts – šādā gadījumā tas izpaužas jau bērnībā un ir nepārejošs; - ar zarnu epitēlijšūnu darbības traucējumiem (iekaisumi, infekcijas u.c.) saistīts laktāzes deficīts, kas parasti pāriet novēršot pamatslimību; - ar organisma novecošanos saistīta laktāzes aktivitātes samazināšanās (visbiežāk sastopamā problēma), kam arī parasti ir iedzimstošs raksturs.

41. Laktozes nepanesamība Ar organisma novecošanos saistītās laktāzes aktivitātes samazināšanās izplatība dažādās populācijās. Nīderlande 1% Zviedrija 6% Šveice 10% Amerikas indoeiropieši 12% Baltkrievija, Krievija, Ukraina 15% Somi 18% Vidusāzija 80% Austrālijas iezemieši 85% Ķīnieši 93% Amerikas indiāņi 100%

42. Laktozes nepanesamība Laktozi izmantojošie pienskābās rūgšanas mikroorganismi veido un izdala pienā laktāzi vai tai līdzīgu enzīmu, kā rezultātā rūgšanas laikā piena laktoze tiek vismaz daļēji noārdīta, tās daudzums skābajos piena produktos ir daudz mazāks, nekā svaigā piena produktos.

43. Probiotiķi Raudzēto piena produktu probiotiskais efekts izpaužas, - ja šos produktus lieto uzturā regulāri. Vienreizēji uzņemti raudzēta piena mikroorganismi gremošanas traktā nesaglabājas ilgāk par 3 dienām.

44. Prebiotiķi Savienojumi, kas uzlabo probiotisko mikroorganismu dzīves vidi: - to vairošanos, - izdzīvošanas apstākļus, - aktivitāti. Prebiotiķi parasti ir cilvēka gremošanas traktā grūti noārdāmi polisaharīdi. Tie sekmē arī imūnsistēmas darbību.

45. Prebiotiķi Piemēram, fruktooligosaharīdi vai fruktāni - fruktozes polimēri, kurus labprāt izmanto bifidobaktērijas. Tiek izmantoti arī kā mazkaloriju saldinātājs. Daļa pienskābās rūgšanas baktēriju tos spēj sintezēt pašas.

46. Nevēlamās izpausmes Noteiktas pienskābās rūgšanas baktērijas tiek vainotas zobu bojājumos. - ar veidoto fruktānu palīdzību tās piestiprinās zobu virsmai; - to izdalītā pienskābe šķīdina zobus veidojošos minerālos savienojumus. Piemēram, Streptococcus mutans

47. Jogurts Par jogurta dzimteni uzskata Kaukāzu (arī Bulgāriju). Kā jogurta pamatkultūru visbiežāk izmanto: Streptococcus thermophilus (Streptococcus salivariusthermophilus)un Lactobacillusbulgaricus (Bulgāru nūjiņas) (Lactobacillus delbrueckiibulgaricus)maisījumu 1:1.

48. Jogurts Abas baktērijas aug viena no otras neatkarīgi, tomēr to sadarbība paātrina rūg- šanas procesu. S. salivariusaug ātrāk, metabolismā izmanto arī aerobos procesus, tādejādi samazinot pienā esošo O2 daudzumu un paskābinot vidi, kas veicina anaerobus apstākļus un skābu vidi mīlošoL. delbrueckiiaugšanu. Raudzēšanai parasti izmanto 45oC.

49. Jogurts L. delbrueckiisavukārt šķeļ pienā esošos proteīnus. Tos tālāk var izmantotS. salivarius. Jogurta sabiezēšana notiek pateicoties baktēriju izdalītajām skābēm, kuras denaturē piena olbaltumvielas. S. salivariusatbildīgas par sākotnējo vides paskābināšanos līdz pH 5, L. delbrueckiipar tālāko vides reakcijas samazināšanu līdz pH 4.0.

50. Jogurts Ļoti iespējams, ka abas baktērijas iet bojā kuņģa skābajā vidē. Šajā ziņā izturīgāks irLactobacillus acidophilus. Jo vairāk dzīvo baktēriju ir produktā, jo lielākas izredzes, ka daļa no tām sasniegs zarnu traktu. Uz produkta probiotisko efektu var cerēt, ja tajā ir vairāk kā 100 000 KVV vienā gramā produkta.