Макромолекула - основа организации и функционирования биологических систем

КЛАРИФИКАЦИЯ МЕЛАССНЫХ РАСТВОРОВ

СТЕРИЛИЗАЦИЯ МЕЛАССЫ

Скорость гибели микроорганизмов при летальной температуре описывается кинетическим уравнением химической реакции перво­го порядка

N = N_оe^kt

где N — количество микроорганизмов через время т, мин; N₀— начальное коли­чество микроорганизмов; е — основание натуральных логарифмов; k — константа скорости отмирания микроорганизмов.

Споровые микроорганизмы более теплорезистентны, чем вегетативные формы. Молодые растущие клетки погибают быстрее старых, так как при повышении летальной температуры резко снижается продолжительность ее воздействия на микроорганизмы, то в последнее время наметилась тенденция кратковременной стерилизации при температуре до 140°С. Чтобы затормозить скорость инверсии сахарозы и разложения инвертированного сахара, рН мелассного раствора поддерживают не ниже 6. Для достижения большего эффекта по отмиранию микроорганизмов концентрацию мелассы снижают до 60—45%.

Меласса содержит 0,3—0,5% взвешенных частиц, состоящих примерно наполовину из органических веществ (коллоидов). Из минеральных веществ присутствуют преимущественно известь, со­ли кремниевой кислоты, окислы железа. Взвешенные частицы засо­ряют дрожжевые сепараторы и затрудняют промывку дрожжей. Кроме того, они уменьшают выход дрожжей, придают им темный цвет и понижают стойкость при хранении.

Под термином «кларификация» в данном случае следует пони­мать не «отделение», а «очистку» мелассных растворов. Этот про­цесс осуществляется в кларификаторах (сепараторах-очистителях) под действием центробежных сил, возникающих при вращении барабана. Применяют кларификаторы с барабаном и вставками цилиндрической формы, образующими грязевые камеры.

При концентрации сухих веществ в мелассном растворе 35—40% в оса­док переходит в среднем 0,08% к массе осветляемой мелассы. На­ряду с отделением суспендированных веществ из мелассы удаляет­ся примерно 40% всей содержащейся в ней микрофлоры, главным образом палочек и стрептококков.

Основу структурной и функциональной организации живых систем (клеток, организмов, экосистем) составляют специфические биополимеры – макромолекулы, в первую очередь, белки и нуклеиновые кислоты, полисахариды. Мономерами этих крупных молекул являются малые органические молекулы, которые представляют собой соединения углерода с мол. массой от 100 до 1000, содержащие до 30 атомов углерода.

Определенные простые комбинации атомов, такие, как метальные (—СН3), гидроксильные (—ОН), карбоксильные (—СООН) группы и аминогруппы (—NH2), неоднократно повторяются в биологических молекулах. Каждая такая группа обладает определенными химическими и физическими свойствами, которые оказывают влияние на поведение любых молекул, содержащих такие группы.

Органические молекулы находятся и в свободном состоянии в цитоплазматическом растворе, образуя пул промежуточных продуктов. Они служат также важнейшими промежуточными продуктами в химических реакциях, преобразующих извлеченную из пищи энергию в пригодную для использования форму.

На долю малых молекул приходится около одной десятой всего клеточного органического вещества, причем в клетке присутствует (по приближенным оценкам) около тысячи различных видов таких молекул. Расщепляясь, все биологические молекулы распадаются до тех простых соединений, из которых они и синтезируются, причем синтез и распад происходят в результате ограниченного количества химических превращений, которые подчиняются определенным правилам.

Все имеющиеся в клетке соединения можно разбить на небольшое число отдельных семейств. Вообще говоря, содержащиеся в клетках малые органические молекулы образуют четыре семейства: простые сахара, жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды. В состав каждого из этих семейств входит много различных соединений, имеющих общие химические свойства. Хотя некоторые соединения клетки не попадают в эти категории, на упомянутые четыре семейства, включающие как малые молекулы, так и построенные из них макромолекулы, приходится удивительно большая часть клеточной массы. Рисунок 1. Примеры сахаров, аминокислот, жирные кислоты и нуклетидов (слайд)

Таблица

Содержание молекул и ионов в составе живой (бактериальной) клетки

Виды молекул	Доля от общей массы клетки, %	Число типов молекул
Вода
Неорганические ионы
Сахара и их предшественники
Аминокислоты и их предшественники	0,4
Нуклеотиды и их предшественники	0,4
Жирные кислоты и их предшественники
Другие малые молекулы	0,2	~300
Макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды)		~3000

Макромолекулы характеризуются большой молекулярной массой (м.м.). Различные молекулы белков и нуклеиновых кислот значительно различаются по размерам и молекулярной массе, которая изменяется от 10³ до 10¹⁰ Да. Специфика больших полимерных молекул определяется большим числом однотипных звеньев - мономеров, связанных в линейную цепь. Так, молекула белка с м.м. 10⁶ Да состоит примерно из 10⁵ ковалентно соединенных атомных групп. Тепловое движение атомов и атомных групп, входящих в состав макромолекулы, повороты и вращения их вокруг единичных связей, обуславливают и большое число степеней свободы. Это позволяет рассматривать макромолекулу как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров, как размеры, форма, степень свернутости полимерной цепи. Вместе с тем, существующие между атомами химические связи и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций макромолекулы. Изменения конформации биомолекул в процессе их функционирования также носят вполне конкретный характер и отражают внутримолекулярную динамическую организацию биополимеров.

В основе функционирования макромолекул лежат электронно-конформационные взаимодействия, которые проявляются во всех процессах, где участвуют макромолекулярные комплексы. Во многих случаях, функционирование макромолекул обуславливается протеканием сложных процессов трансформации энергии, включающих миграцию электронного возбуждения и транспорт электронов.

Сложность строения на атомном и молекулярном уровнях предьявляет свои требования и имеет особенности при изучении биологических молекул. Информацию о пространственной структуре макромолекул можно получить, используя комплекс различных методов, таких как рентгено-структурный анализ, ЭПР, ЯМР-спектроскопия, дисперсия оптического вращения и т.д. Основная проблема заключается в раскрытии механизмов взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику макромолекул и на этой основе понять механизмы функционирования биополимеров в живых системах.

Разнообразие функций макромолекул определяется в значительной мере их пространственной организацией. Вращения вокруг одинарных ковалентных связей вызывают образование различных поворотных изомеров и конформаций полимерной цепи. Конформация макромолекулы - это расположение полимерной цепи в пространстве за счет образования большого количества слабых связей, в результате чего создается наиболее термодинамически выгодная и стабильная пространственная структура биополимера. Условно выделяют несколько уровней структурной организации биомолекул. Самым первым уровнем молекулярной организации является первичная структура макромолекулы - последовательность мономеров в полимерной цепи, связанных ковалентными связями. Ковалентные связи достаточно устойчивые. Свободная энергия их образования составляет 200 - 800 кДж моль^-1.

Вторичной структурой макромолекулы называют локальное упорядочивание отдельных участков полимерной цепи. Третьичная структура - пространственная укладка всей полимерной цепи в пространстве. Пространственную укладку нескольких компактно организованных полимерных цепей с образованием надмолекулярного комплекса называют четвертичной структурой. На уровне вторичной, третьичной и четвертичной организации макромолекул важную роль играют нековалентные, слабые связи (взаймодействия), за счет которых преимущественно осуществляется стабилизация прстранственной структуры биополимеров. Известен только один тип ковалентной связи (S - S- связь), участвующий в стабилизации высших структур белковых молекул.

Дата добавления: 2014-01-11