Samenvatting
Fermentatie en
Metabolisme
Egmond, Daisy van
617316 | 2019-2020
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Inhoudsopgave
Learning objectives ......................................................................................................................................... 2
Fermentatieprocessen .................................................................................................................................... 4
Formulering kweekmedium (Mediumformulation) ............................................................................................ 4
Kweken van de Gastheer .................................................................................................................................... 5
Microbiële groeikinetiek ................................................................................................................................. 6
H3 Energie en Catalyse.................................................................................................................................... 8
Activated carrier molecules ................................................................................................................................ 8
De synthese van biologische polymeren ............................................................................................................. 9
H13 Cellulaire genetica ................................................................................................................................. 10
Regulatie van het metabolisme ........................................................................................................................ 14
Energie generatie, mitochondrion en chlorplasten ........................................................................................ 15
Oxidative fosforylatie........................................................................................................................................ 15
Moleculaire mechanisme van elektron transport en de proton pomp ............................................................. 17
Chloroplasten en fotosynthese ..................................................................................................................... 18
Aminozuur metabolisme ............................................................................................................................... 22
1
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Learning objectives
Fermentation
- Outline fermentation processes
- Explain formulas used in fermentation
- Describe demands on production strains, growth media and preservation of sterility
Chapter 3 Energy and Catalysis
- Describe how and why ATP is used in cells.
- Appreciate the importance of NADH and NADPH as important electron carriers that
carry high-energy electrons.
- Understand the significance for cellular energetics of coupled chemical reactions.
- Able to list minimal 3 activated carrier molecules and the corresponding group
carried in high-energy linkage
- Describe the requirement of activated carrier molecules in the condensation reaction
of biological polymer synthesis
Chapter 13 Cellular Energetics
- Describe how food molecules are broken down in three metabolic stages with
different cellular location
- Review the basic organizing principles of metabolism, including the critical position of
glycolysis
- Describe that glycolysis requires energy investment and cleavage of a six-carbon
sugar to two three-carbon sugars before energy is harvested
- Examine gluconeogenesis
- Understand the anaerobic generation of energy by fermentation
- Outline beta-oxidation and fatty acid metabolism
Chapter 14 Energy Generation Mitochondria and Chloroplasts
- Mitochondria and Oxidative Phosphorylation
- Recognize the contributions of Citric Acid Cycle and electron transport to the
production of ATP
- Outline Oxidative Phosphorylation in Mitochondria
- Examine electron transfer in the inner mitochondrial membrane
- Understand the electrochemical gradient of protons and its forces
- Review the molecular mechanism of ATP synthase
- Review coupled transport over the inner mitochondrial membrane
- Outline the product yields from glucose oxidation
- Molecular Mechanisms of electron transport and proton pumping
- Describe that Quinones and Cytochrome C are electron carriers within the lipid
bilayer
- Review the mechanism of proton pumping
- Recognize that redox potential increases along the electron-transport chain
- Chloroplasts and Photosynthesis
- Review the similarities and differences between mitochondria and chloroplasts
- Understand the electro-transfer reactions (light reactions) and carbon-fixation
reactions (dark reactions)
2
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
- Outline the organization and function of chlorophyll molecules in antenna complex
and reaction center
- Outline the organization and function of the electron transport chain in the thylakoid
membrane
- Understand that coupling of photosystems I and II boosts electrons to the energy
level needed to produce NADPH
- Explain that chloroplasts can also produce ATP and no NADPH by cyclic
photophosphorylation
- Describe carbon fixation by ribulose bisphosphate carboxylase
- Outline the carbon-fixation cycle in terms of the number of carbon dioxide and
activated carrier molecules to produce one molecule of glyceraldehyde 3-phosphate
Amino acid metabolism and Pentose Phosphate pathway
- Outline Nitrogen fixation in bacteria and Protein degradation in our body
- Outline degradation of amino acids by transamination, passage of nitrogen into the
urea cycle and degradation of the carbon atoms in the TCA cycle
- Appreciate the role of alfa-Ketoglutarate in transamination
- Outline Pentose Phosphate pathway in terms of anabolic/catabolic, NADH/NADPH,
pentose (C5) sugars and its role in DNA/RNA synthesis
3
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Fermentatieprocessen
Formulering kweekmedium (Mediumformulation)
Als eerste moet er bepaald worden met welk kweekmedium er gekweekt gaat worden, hier
wordt vaak veel aandacht aan besteed omdat dit vaak bepalend is voor de kostprijs van het
proces zelf.
Zo wordt er vaak een stoichiometrische vergelijking opgesteld voor de groei en
productvorming. Wanneer je een bepaalde hoeveelheid biomassa of product wilt verkrijgen,
heb je hier ook een hoeveelheid koolstof- en energiebron, stikstofbron, zuurstof bij aerobe
kweek en overige elementen
Koolstof- en energiebron + Stikstofbron + (zuurstof als aeroob) + overige elementen -
à
Biomassa + producten + CO2 + H2O + energie(warmte)
Kweekmedium bestaat meestal uit:
Water
Energiebron
- Koolstofbron, meeste bacteriën zijn chemo-organotroof (hebben koolhydraten
eiwitten en vetten nodig om te groeien)
Stikstofbron
- Anorganisch (ammonium, nitraat, nitriet) of organisch (eiwitten)
Verschillende mineralen
- Ca, Cl, K, Mg, P, S
EDTA of EGTA
- Voorkomt onoplosbare zoutcomplexen (de mineralen worden dan weggevangen)
Groeifactoren
- GF’s, vitamines, essentiële aminozuren etc.
Buffers (voor wanneer de zuurgraad verandert door uitscheidingen van de bacteriën)
Aeroob: zuurstof
Gedefinieerde vs. ongedefinieerde media
Meestal wordt er ongedefinieerde media gebruikt omdat dit gemaakt tis van natuurlijke
producten. Voorbeelden zijn:
- Gistextract
- Trypton: hydrolysaat van het melkeiwit caseïne
- Pepton: hydrolysaat van dierlijk vlees
- FCS/NCS: foetal Calf Serum of Newborn Calf Serum
Sterilisatie
De fermentatie moet steriel zijn daarom wordt het medium geautoclaveerd, wanneer er
componenten aanwezig zijn die thermolabiel zijn wordt er gebruik gemaakt van
microfiltratie (vaak 2mm). Fermentoren zijn vaak te groot voor een autoclaaf, hiervoor
wordt daarom vaak stoomsterilisatie gebruikt.
4
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Kweken van de Gastheer
Keuze productiestam
De stammen die je gebruikt voor de productie bij een fermentatie zijn belangrijk omdat deze
bepalend is voor de efficiëntie van je product. Het is meestal een compromis tussen de
productiviteit (hoeveel biomassa/product er gevormd wordt) en de economische
beperkingen van het proces (de kosten).
Een goede productiestam kan bewaard worden in/op agar, in glycerol (-80) en gedroogd
(langste houdbaar). Verder worden ze vaak op meerder plekken bewaard.
Opkweken voorculturen
Bij grote culturen moet je een kleine voorcultuur maken. Hier ent je de grote cultuur mee
aan, de inoculum. Bij grote culturen (10.000 liter): eerst een voorcultuur in een schudfles,
vervolgens checken of die echt goed schoon is, dat ent je aan in een fermentor en dan weer
in een grotere fermentor.
Na de groei in de fermentor moet het product opgeschoond, geëxtraheerd en ingepakt
worden, dit hele proces heet Down Stream Processing (DSP).
à Afvalstromen moeten verantwoord worden verwijderd.
Industrieel belangrijke fermentatieprocessen
- Productie cellen, (gist, veel biomassa nodig)
- Productie metabolieten (ethanol)
- Productie enzymen
- Recombinant technologie, GGO’s (zodat eiwitten van humane herkomst
geproduceerd kunnen worden in een bacterie of gist)
Voorbeelden van producten die worden verkregen door middel van fermentatieprocessen
5
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Microbiële groeikinetiek
Biomassa kan uitgedrukt worden in:
- Cel dichtheid (aantal cellen/ml)
- Kiemgetal (aantal levende cellen/ml), de cellen die op een plaat/in het medium
kunnen groeien
- Wet Cell Weight (WCW in g/l), hangt het medium nog aan de cel
- Dry Cell Weight (DCW in g/l), gedroogd dus het medium verwijderd
De groeisnelheid is de verandering van de biomassa in de tijd bij een bepaalde biomassa. Bij
weinig biomassa (weinig cellen) zal er minder groei plaats vinden dan bij een hogere
biomassa (veel cellen). Met deze formule bereken je de specifieke groeisnelheid, dit een
eigenschap van de cel onder die betreffende omstandigheden (groeimedium aeratie etc.)
Na integratie (als bovenstaande formule stabiel is deze formule):
De verdubbelingstijd:
De groeiopbrengst (yield):
Metabolische quotiënt (q) is de mate van substraatconsumptie
Cx = concentratie van biomassa
qs = specifieke metabolische quotiënt voor substraatconsumptie (h-1)
6
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Om de behoefte voor substraat bij verschillende groeisnelheden te bepalen wordt de
vergelijking gebruikt:
7
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
H3 Energie en Katalyse
Elk molecuul van een levende cel bevat een bepaalde vrije energie, deze energie is een
samenspel tussen vibraties, rotaties, beweging door de ruimte en de energie dat is
opgeslagen in de bindingen tussen individuele atomen. Dit wordt ook wel de vrije energie
genoemd (G, kcal/mol)
Bijvoorbeeld bij de afbraak/verbranding van glucose
met zuurstof naar CO2 en H2O. Bij
kamertemperatuur zal glucose niet snel omgezet
worden. Deze reactie heeft dus enzymen nodig die
de lopende reactie (die heel langzaam verloopt)
versneld.
Delta G is het verschil in vrije energie tussen de
reactanten aan het begin van de reactie en de vrije
energie aan het einde van deze reactie. Deze
reactie verloopt vanzelf als deze delta G negatief is, dit verloopt alleen vaak heel langzaam.
Bij de reactie ATP naar ADP zorgt de cel ervoor dat die buiten het equilibrium (evenwicht)
blijft doordat het ATP blijft aanvoeren, zo blijft de delta G dus groot.
Bij een positieve delta G moet er energie in de reactie worden toegevoegd zodat deze
uitgevoerd kan worden, dit wordt gedaan met gekoppelde reacties, zoals ATP à ADH.
Activated carrier molecules
Katabolisme is de afbraak van voedsel waarbij energie vrijkomt. Anabolisme is de opbouw
van grotere moleculen waarbij energie wordt opgeslagen. Deze twee processen worden
gekoppeld door activated carrier molecules.
ATP/ADP is de meest gebruikte activated carrier molecule. De reactie van ATP naar ADP
heeft een negatieve delta G doordat er energie vrijkomt. De reactie van ADP naar ATP heeft
een positieve delta G en daar moet dus energie ingestopt worden. Bij deze reactie wordt de
gamma fosfaat overgezet op een ander molecuul. ATP hydrolyse kan gebruikt worden om
reacties te laten verlopen die zonder niet of amper zou verlopen:
8
Fermentatie en
Metabolisme
Egmond, Daisy van
617316 | 2019-2020
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Inhoudsopgave
Learning objectives ......................................................................................................................................... 2
Fermentatieprocessen .................................................................................................................................... 4
Formulering kweekmedium (Mediumformulation) ............................................................................................ 4
Kweken van de Gastheer .................................................................................................................................... 5
Microbiële groeikinetiek ................................................................................................................................. 6
H3 Energie en Catalyse.................................................................................................................................... 8
Activated carrier molecules ................................................................................................................................ 8
De synthese van biologische polymeren ............................................................................................................. 9
H13 Cellulaire genetica ................................................................................................................................. 10
Regulatie van het metabolisme ........................................................................................................................ 14
Energie generatie, mitochondrion en chlorplasten ........................................................................................ 15
Oxidative fosforylatie........................................................................................................................................ 15
Moleculaire mechanisme van elektron transport en de proton pomp ............................................................. 17
Chloroplasten en fotosynthese ..................................................................................................................... 18
Aminozuur metabolisme ............................................................................................................................... 22
1
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Learning objectives
Fermentation
- Outline fermentation processes
- Explain formulas used in fermentation
- Describe demands on production strains, growth media and preservation of sterility
Chapter 3 Energy and Catalysis
- Describe how and why ATP is used in cells.
- Appreciate the importance of NADH and NADPH as important electron carriers that
carry high-energy electrons.
- Understand the significance for cellular energetics of coupled chemical reactions.
- Able to list minimal 3 activated carrier molecules and the corresponding group
carried in high-energy linkage
- Describe the requirement of activated carrier molecules in the condensation reaction
of biological polymer synthesis
Chapter 13 Cellular Energetics
- Describe how food molecules are broken down in three metabolic stages with
different cellular location
- Review the basic organizing principles of metabolism, including the critical position of
glycolysis
- Describe that glycolysis requires energy investment and cleavage of a six-carbon
sugar to two three-carbon sugars before energy is harvested
- Examine gluconeogenesis
- Understand the anaerobic generation of energy by fermentation
- Outline beta-oxidation and fatty acid metabolism
Chapter 14 Energy Generation Mitochondria and Chloroplasts
- Mitochondria and Oxidative Phosphorylation
- Recognize the contributions of Citric Acid Cycle and electron transport to the
production of ATP
- Outline Oxidative Phosphorylation in Mitochondria
- Examine electron transfer in the inner mitochondrial membrane
- Understand the electrochemical gradient of protons and its forces
- Review the molecular mechanism of ATP synthase
- Review coupled transport over the inner mitochondrial membrane
- Outline the product yields from glucose oxidation
- Molecular Mechanisms of electron transport and proton pumping
- Describe that Quinones and Cytochrome C are electron carriers within the lipid
bilayer
- Review the mechanism of proton pumping
- Recognize that redox potential increases along the electron-transport chain
- Chloroplasts and Photosynthesis
- Review the similarities and differences between mitochondria and chloroplasts
- Understand the electro-transfer reactions (light reactions) and carbon-fixation
reactions (dark reactions)
2
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
- Outline the organization and function of chlorophyll molecules in antenna complex
and reaction center
- Outline the organization and function of the electron transport chain in the thylakoid
membrane
- Understand that coupling of photosystems I and II boosts electrons to the energy
level needed to produce NADPH
- Explain that chloroplasts can also produce ATP and no NADPH by cyclic
photophosphorylation
- Describe carbon fixation by ribulose bisphosphate carboxylase
- Outline the carbon-fixation cycle in terms of the number of carbon dioxide and
activated carrier molecules to produce one molecule of glyceraldehyde 3-phosphate
Amino acid metabolism and Pentose Phosphate pathway
- Outline Nitrogen fixation in bacteria and Protein degradation in our body
- Outline degradation of amino acids by transamination, passage of nitrogen into the
urea cycle and degradation of the carbon atoms in the TCA cycle
- Appreciate the role of alfa-Ketoglutarate in transamination
- Outline Pentose Phosphate pathway in terms of anabolic/catabolic, NADH/NADPH,
pentose (C5) sugars and its role in DNA/RNA synthesis
3
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Fermentatieprocessen
Formulering kweekmedium (Mediumformulation)
Als eerste moet er bepaald worden met welk kweekmedium er gekweekt gaat worden, hier
wordt vaak veel aandacht aan besteed omdat dit vaak bepalend is voor de kostprijs van het
proces zelf.
Zo wordt er vaak een stoichiometrische vergelijking opgesteld voor de groei en
productvorming. Wanneer je een bepaalde hoeveelheid biomassa of product wilt verkrijgen,
heb je hier ook een hoeveelheid koolstof- en energiebron, stikstofbron, zuurstof bij aerobe
kweek en overige elementen
Koolstof- en energiebron + Stikstofbron + (zuurstof als aeroob) + overige elementen -
à
Biomassa + producten + CO2 + H2O + energie(warmte)
Kweekmedium bestaat meestal uit:
Water
Energiebron
- Koolstofbron, meeste bacteriën zijn chemo-organotroof (hebben koolhydraten
eiwitten en vetten nodig om te groeien)
Stikstofbron
- Anorganisch (ammonium, nitraat, nitriet) of organisch (eiwitten)
Verschillende mineralen
- Ca, Cl, K, Mg, P, S
EDTA of EGTA
- Voorkomt onoplosbare zoutcomplexen (de mineralen worden dan weggevangen)
Groeifactoren
- GF’s, vitamines, essentiële aminozuren etc.
Buffers (voor wanneer de zuurgraad verandert door uitscheidingen van de bacteriën)
Aeroob: zuurstof
Gedefinieerde vs. ongedefinieerde media
Meestal wordt er ongedefinieerde media gebruikt omdat dit gemaakt tis van natuurlijke
producten. Voorbeelden zijn:
- Gistextract
- Trypton: hydrolysaat van het melkeiwit caseïne
- Pepton: hydrolysaat van dierlijk vlees
- FCS/NCS: foetal Calf Serum of Newborn Calf Serum
Sterilisatie
De fermentatie moet steriel zijn daarom wordt het medium geautoclaveerd, wanneer er
componenten aanwezig zijn die thermolabiel zijn wordt er gebruik gemaakt van
microfiltratie (vaak 2mm). Fermentoren zijn vaak te groot voor een autoclaaf, hiervoor
wordt daarom vaak stoomsterilisatie gebruikt.
4
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Kweken van de Gastheer
Keuze productiestam
De stammen die je gebruikt voor de productie bij een fermentatie zijn belangrijk omdat deze
bepalend is voor de efficiëntie van je product. Het is meestal een compromis tussen de
productiviteit (hoeveel biomassa/product er gevormd wordt) en de economische
beperkingen van het proces (de kosten).
Een goede productiestam kan bewaard worden in/op agar, in glycerol (-80) en gedroogd
(langste houdbaar). Verder worden ze vaak op meerder plekken bewaard.
Opkweken voorculturen
Bij grote culturen moet je een kleine voorcultuur maken. Hier ent je de grote cultuur mee
aan, de inoculum. Bij grote culturen (10.000 liter): eerst een voorcultuur in een schudfles,
vervolgens checken of die echt goed schoon is, dat ent je aan in een fermentor en dan weer
in een grotere fermentor.
Na de groei in de fermentor moet het product opgeschoond, geëxtraheerd en ingepakt
worden, dit hele proces heet Down Stream Processing (DSP).
à Afvalstromen moeten verantwoord worden verwijderd.
Industrieel belangrijke fermentatieprocessen
- Productie cellen, (gist, veel biomassa nodig)
- Productie metabolieten (ethanol)
- Productie enzymen
- Recombinant technologie, GGO’s (zodat eiwitten van humane herkomst
geproduceerd kunnen worden in een bacterie of gist)
Voorbeelden van producten die worden verkregen door middel van fermentatieprocessen
5
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Microbiële groeikinetiek
Biomassa kan uitgedrukt worden in:
- Cel dichtheid (aantal cellen/ml)
- Kiemgetal (aantal levende cellen/ml), de cellen die op een plaat/in het medium
kunnen groeien
- Wet Cell Weight (WCW in g/l), hangt het medium nog aan de cel
- Dry Cell Weight (DCW in g/l), gedroogd dus het medium verwijderd
De groeisnelheid is de verandering van de biomassa in de tijd bij een bepaalde biomassa. Bij
weinig biomassa (weinig cellen) zal er minder groei plaats vinden dan bij een hogere
biomassa (veel cellen). Met deze formule bereken je de specifieke groeisnelheid, dit een
eigenschap van de cel onder die betreffende omstandigheden (groeimedium aeratie etc.)
Na integratie (als bovenstaande formule stabiel is deze formule):
De verdubbelingstijd:
De groeiopbrengst (yield):
Metabolische quotiënt (q) is de mate van substraatconsumptie
Cx = concentratie van biomassa
qs = specifieke metabolische quotiënt voor substraatconsumptie (h-1)
6
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
Om de behoefte voor substraat bij verschillende groeisnelheden te bepalen wordt de
vergelijking gebruikt:
7
, Daisy van Egmond I Samenvatting Fermentatie en Metabolisme I 2019-2020
H3 Energie en Katalyse
Elk molecuul van een levende cel bevat een bepaalde vrije energie, deze energie is een
samenspel tussen vibraties, rotaties, beweging door de ruimte en de energie dat is
opgeslagen in de bindingen tussen individuele atomen. Dit wordt ook wel de vrije energie
genoemd (G, kcal/mol)
Bijvoorbeeld bij de afbraak/verbranding van glucose
met zuurstof naar CO2 en H2O. Bij
kamertemperatuur zal glucose niet snel omgezet
worden. Deze reactie heeft dus enzymen nodig die
de lopende reactie (die heel langzaam verloopt)
versneld.
Delta G is het verschil in vrije energie tussen de
reactanten aan het begin van de reactie en de vrije
energie aan het einde van deze reactie. Deze
reactie verloopt vanzelf als deze delta G negatief is, dit verloopt alleen vaak heel langzaam.
Bij de reactie ATP naar ADP zorgt de cel ervoor dat die buiten het equilibrium (evenwicht)
blijft doordat het ATP blijft aanvoeren, zo blijft de delta G dus groot.
Bij een positieve delta G moet er energie in de reactie worden toegevoegd zodat deze
uitgevoerd kan worden, dit wordt gedaan met gekoppelde reacties, zoals ATP à ADH.
Activated carrier molecules
Katabolisme is de afbraak van voedsel waarbij energie vrijkomt. Anabolisme is de opbouw
van grotere moleculen waarbij energie wordt opgeslagen. Deze twee processen worden
gekoppeld door activated carrier molecules.
ATP/ADP is de meest gebruikte activated carrier molecule. De reactie van ATP naar ADP
heeft een negatieve delta G doordat er energie vrijkomt. De reactie van ADP naar ATP heeft
een positieve delta G en daar moet dus energie ingestopt worden. Bij deze reactie wordt de
gamma fosfaat overgezet op een ander molecuul. ATP hydrolyse kan gebruikt worden om
reacties te laten verlopen die zonder niet of amper zou verlopen:
8
