Biotechnologie (Fach) / 8. VL: Aminosäuren (Lektion)
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VL
Diese Lektion wurde von MiriWieni erstellt.
- Aminosäuren -Proteine -Zahl -Nomenklatur -Klassifizierung -Bausteine Proteine -20 AS -Drei/Einbuchstabencode -Klassifizierung: nach Seitenketten, essentiell/nicht essentiell
- 5 geladene Aminosäuren -Asparginsäure -Glutaminsäure -Histidin -Lysin -Arginin
- 6 polare AS -Serin -Threonin -Cystein -Tyrosin -Aspargin -Glutamin
- Proteinogene AS 1 und 22 Vorkommen -L-Selenocystein => Bestandteile Selenoproteine, Enzyme -L-Pyrrolysin => bakt Enzym aus Monomethylamin-Methyltransferase
- Stereoisomerie der Aminosäuren -außer Glycin haben alle mind. ein chirales C-Atom => 2 Stereoisomere -Threonin, Isoleucin, Hydroxylysin, Hydroxyprolin 2 assymetrische Zentren => 4 Stereoisomere
- L-AS und S-Konfiguration alle L haben auch S-Konfiguration Ausnahme Cystein: Schwefel hat höhere OZ
- Geschmack von Aminosäuren -L-AS: schwach bitter -D-AS: süß
- Geschmack Peptide süß, bitter, geschmacksverstärkend, wohlschmeckend
- Beefy Meaty Peptide aus Rindfleisch isoliertes Octapeptid
- Aminosäuren Süßkraft im Vergleich zu Saccharose oft süßer Aspartam wesentlich süßer
- Wovon wird der Geschmack von Aminosäuren beeinflusst? von dem hydrophoben Charakter der Seitenkette
- Wirtschaftliche Bedeutung Aminosäuren Marktwert 2,5 Mio Marktwert 5 Mrd
- 3 Anwendungsbereiche Aminosäuren -Pharma -Lebensmittel -Futtermittel
- 3 Anwendungsbereiche Aminosäuren -Pharma -Lebensmittel -Futtermittel
- 3 Aminosäuren mit hoher wirtschaftlichen Bedeutung Herstellung Einsatz -L-Glu Ferm Geschmacksverstärker -L-Lysin Ferm Futtermittelzusatz -D, L- Met chemisch Futtermittelzusatz
- Aspartam -Aufbau -Süßkraft -Einsatz -Stabilität, Produkt -Dipeptidester: L-Asp - LePhe 0 Me -180 x süßer -Getränke und Lebensmittel -bei Erhitzung instabil, dekomposiert bei Lagerung -Diketopiperazine
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- Methanol in Aspartam -Methanol ist giftig, aber in Pflanzen in gebundener Form und fermentierten LM -
- Hinweis bei Aspartam Ursache -enthält Phenylalaninquelle -Phenylketonurie: Stoffwechselstörung, mentale Retardation
- 5 Schritte AS aus Proteinhydrolysaten 1. Proteinquelle zb Keratin, Weizen, Soja 2. Totalhydrolyse mit Salzsäure und hohen Temperaturen 3. Gemisch freier Aminosäuren 4. Trennung Ionenaustausch-Chromatographie 5. Isolierte AS
- Gewinnung AS nach saurer Hydrolyse mehrere Filtrationsschritte -Trennung durch Kristallisation -Trennung durch chromatographische Verfahren /Extraktion
- Entdeckung Geschmacksverstärkung L-Glutaminsäure -Kombu Seetang als Geschmacksverstärker -L-Glu: sauer und kristallin -Zugabe Natronlauge: Glutamat
- 2 Methoden kommerzielle Produktion AS -Hydrolyse von Weizengluten: Abbau -mikrobielle Produktion: Synthese
- Welche 2 Arten der biotechnologischen Produktion von Aminosäuren gibt es? 1. Synthese im Rahmen De-novo-Synthese normaler und modifizierter Stoffwechsel 2. Umwandlung synthetisch gewonnener Vorstufen in L-AS mit stereoselektiver Reaktionsschritte
- Wie wird L-Alanin hergestellt? woraus, Nebenreaktion mit Enzymmembranreaktoren und Cofaktor-Regenerierung Bspw. aus alpha-Ketosäure -Ameisensäure zu Co2
- L-Glutaminsäure -Marktvolumen -Anwendung -Produktion und Quellen -über 2,5 Mio T -Geschmacksverstärker, Arzneimittel, Kosmetika -Produktion Bakterien Coryneforumbakterien -C-Quellen: Zuckerrohr, Melasse, Hydrolysate von Mais und Cassava
- Corynebacterium glutamicum -Morphologie, Vorkommen -Lebensweise -Aufnahme und Abgabesystem -Folgen -keulenförmig, aerob, unbeweglich -Boden -auxothroph braucht Biotin -Peptidaufnahme, keine guten Abbausysteme AS => Glu, Asp, Alla werden metabolisiert => andere AS akkumulieren
- Was führt bei C. corynebacterium zum Overflow Metabolismus? Wann wird Glutaminsäure produziert? -hohe Zufuhr Kolenstoff, Stickstoff, Energie => Ressourcen werden auch verschwendet -Biotin als limitierender Faktor ebenfalls Overflow-Metabolismus -spontane Exkretion bei Biotinmangel
- Aus welchen Stoffwechselwegen geht die Produktion von L-Glutaminsäure hervor? Glucose Glykolyse => C3 und C2 Elemente Bildung Oxalacetat über Citratcyclus Ketoglutarat L-Glu
- Was kann noch zur Glutamatexkretion führen? -Detergentien wie Tween 40 -Penicillin
- Bei welcher Biotinkonzenration ist Glutaminsäureproduktion maximal? 0,5 ug / g
- Bedingungen bei der Glutaminsäureproduktion 5 Alternative -gerührte Fermenter bis 500 m3 -batch oder fed -30-35 °C, pH 7-8 -kritische Sauerstoffkonz -Corynebacterium efficiens, wächst auch bei höheren Temperaturen
- Downstream Processing Glutaminsäure 4 Schritte -pH wird niedrig eingestellt -alpha-Form für Kristallisation -alpha wird in beta umgewandelt -Lösen, Entfärben, Konzentrierung
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- Warum wird Glutamat überproduziert? 2 Theorien -Leak Model -Metabolic flux model
- Leak Model -Fokus Fettsäurensynthese und Membranänderung -Biotin: Cofaktor Acetyl-CoA-Carboxylase -Biotinlimitierung: weniger FS und Phospholipide -Detergentien und Penicilline greifen Zellwand an -Model: L-Glu-Sekretion ist ein passiver Prozess, strömt aus der Zelle
- Was spricht gegen das Leak Model? 3 -Membran Durchlässigkeit wird nicht verändert -ungeklärt ob es Glutamatexporter gibt -Membranfluidität verändert sich nicht
- Metabolischer Fluss Model -Glutamat wird aus 2-Oxoglutarat gebildet -aus 2-Oxoglutarat wird einerseits über GDH Glutaminsäure, andererseits über ICDH Isocotrat gebildet -bei wenig Biotin ist Aktivität ICDH viel geringer und GDH leicht erhöht
- L-Lysin -Einsatz -Produktionsmenge -Wer Produziert -als Futtersupplement da in vielen Pflanzenproteinen nur geringe Konzentrationen -100.000 Tonnen -Mutanten Corynebacterium glutamicum
- Wie wird L-Lysin produziert? -Regulation mit Feedback-Inhibierung -hohe Ertragsstämme mit Mutation und Entwicklung -aktive Exkretion über spezifischen Transporter => Mutante, die nicht mehr von einem Lysinüberschuss gehemmt wird
- L-Cystein -Einsatz -Vorkommen -Alternative und Eigenschaften -Zutat Backmischungen, Aromenpräkursur, Dauerwellenpräperate -hohe Gehalte in Haaren, Federn, Nägeln, Hufen, Hörnern hier zu geringe Gewinnungsmengen, ethische Probleme, Hygiene -Bedarf Alternativverfahren: E. coli Abschalten der Regulatorproteine, 50000 Liter Fermenter, 98,5 % Reinheit
- Wie unterscheiden sich die Wachstumsantworten von Mäusen bei D- und L-AS-Supplementierung im Vergleich? bei D ist der Nährwert im Vergleich oft höher
- Organische Säuren -Produktion -Ausscheidung -6 wichtige Säuren -klassische mikrobielle Produkte, Ableitung Primärstoffwechsel -extrazellulär: Ausscheidung in Medium -Citronensäure, Milchsäure, Gluconsäure, Iterconsäure, Bernsteinsäure, Essigsäure
- organische Säuren -Wie kam es zur Entwicklung? -Wovon hängt Wirtschaftlichkeit ab? -Verfahren großindustriell im 20 Jh erarbeitet: Konkurrenz chemische Herstellung -Unabhängigkeit von Erdöl -Wirtschaftlichkeit abhängig von Endproduktkonzentrationen und Kosten
- Substrate und ihr Ursprung für die Herstellung von organischen Säuren -Glucose, Saccharose: Zuckerrohr, Zuckerrüben -Stärke: Getreide, Kartoffelstärke, Vollkornmehl und Stärkehydrolysate -Lactose: Molkepermeate
- 6 organische Säuren: Bedeutung, Anwendungen -Citronensäure 1.500.000 t => Lebensmittel, Waschmittel -Milchsäure 500.000 t => Lebensmittel, Leder, Textilien, Polymere -Essigsäure 190.000 t => Lebensmittel, Reinigungsmittel, Streusalz -Gluconsäure 120.000 t => Lebensmittel, Textilien, Metall, Bau -Itaconsäure 50.000 => Polymere, Papier, Klebstoff -Bernsteinsäure 2000 => Polymere
- Milchsäure -Geschichte der Produktion -mikrobielle Säuerung Milch, Gemüse, Grünblatt => Konservierung -Entdeckung MS-Bakterien, industrielle Herstellung ca 80
- Milchsäure Einsatz -mildes Säuerungsmittel, konservierend Leder, Textil, Pharmaindustrie -Plattformchemikalie biobasierte Kunststoffe
- Milchsäure L und D-Isomer -Was wird bevorzugt? -Was liefert chemische Synthese? -L und D sind Enantiomere -L wird bevorzugt, in reiner Form -Biotechnologie: liefert L -chemische Synthese: Raceamat 50:50
- Produktionsstämme bei MS-Produktion -Lactobacillus delbruckii (Glucose) und helvetii (Molke) homofermentativ, über 90 % nur bis pH 4,5 Gärung, komplexe Nährmedien -Pilze: Rhizopus orzyae, Aspergillus niger wachsen bis pH 2 Hydrolyse komplexer Medien Glucose => Pyruvat => MS i. d. R. stammspezifisch ein Enantiomer, bei Lactat-Racemase unterschiedliche Verhältnisse
- Fermentationsmedium Milchsäure 5 Wachstumsablauf -C-Quelle: lösliche KH wie Glucose, Saccharose, Lactose -N und P-Quelle: Diammoniumhydrogenphosphat -Vitamine der B-Gruppe -Molkenpermeate als Substrate -kein Arbeiten unter Sauerstoffauschluss -MS-Bildung wachstumsgekoppelt, dann entkoppelt
- Ablauf industrielle MS-Herstellung 3 Schritte Alternative -Kultivierung Edelstahl-Fermenter: korrosiv, 25-120 l, pH-Steuerung, ca 50 °C -Lactate: Zugabe Schwefelsäure in Milchsäure -Entfärbung Aktivkohle, Anionenaustauscher Aternative: Veresterung Methanol, destillative Abtrennung
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