== БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= =
УДК: 57.022:57.033:57.036
АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ИНТЕН СИФИКАЦИИ П P ОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ ДРОЖЖЕВЫМИ КЛЕТКАМИ В СУСПЕНЗИИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫЕ ОКСИДЫ
© 2014 г. А.Н. Багацкая, Р.В. Мазуренко, С.Н. Махно, П.П. Горбик
Институт химии поверхности им. А .А. Чуйко НАН Украины, ул. Генерала Наумова, 17, 03164 Киев, Украина
E-mail: Baganna2008@yandex.ru Поступила в p едакцию 14.05.13 г.
Методом дифференциальной микрокалориметрии исследовано влияние частиц кремнезема, а также других высокодисперсных оксидов (0,05 масс.%) в водной суспензии дрожжевых клеток на интенсификацию процесса их ферментации в условиях эндогенного метаболизма. Показано, что в указанном интервале концентрации частиц гидрозоля кремнезема наблюдается интенсификация процессов жизнедеятельно сти дрожжевых микроорганизмов. Рассмотрены механизмы взаимодействия частиц SiÜ2 как с поверхностью клеточного организма, так и с одним из продуктов метаболизма - двуокисью углерода. Установлено, что стимулирующим эффектом, но в меньшей степени, по сравнению с SiÜ2, обладают также гидрозоли AI2O3 и TiÜ2.
Ключевые слова: дрожжевые клетки, микрокалориметрия, процесс ферментации, высокодисперсный оксид.
В работах [1-4] было установлено, что высокодисперсный диоксид кремния (ВДК) оказывает заметное влияние на интенсивность метаболических пр оцессов в некотор ых одноклеточных организмах и, в зависимости от его массовой доли в питательной среде микроорганизмов, может оказывать как катализирующее, так и ингибирующее действие в отношении их жизнедеятельно сти. Механизмы, лежащие в основе такого пр оявления свойств ВДК, остаются во многом неясными и требуют дальнейшего их изучения.
Ранее работы с дрожжевыми клетками в присутствии ВДК проводили, применяя методику с использованием в качестве питательной ср еды 8%-й раствор глюкозы пр и температуре 293 К [3]. При анализе роста колоний подсчитывали количество клеток и измеряли параметры, зависящие от числа клеток: мутность раствора и выделение углекислого газа. Исходя из этого, рассчитывали кинетические константы. Таким образом, многие известные публикации, посвященные исследованиям влияния ВДК на жизнедеятельность дрожжевых клеток, касались опытов с гидрозолем оксида кремния в условиях искусственно поддерживаемой питательной среды с заданными свойствами и контролем отработанных продуктов метаболизма, поступающих в эту же питательную ср еду.
Сокращения: ВДК - высокодисперсный диоксид кремния.
П роведение анализа взаимодействий про -дуктов питания и отработанных продуктов метаболизма в водной ср еде является сложной задачей, особенно когда в ней присутствуют взвешенные частицы кремнезема (8Ю2). В этом случае условия транспорта продуктов метаболизма на гр анице раздела поверхность клетки-раствор постоянно изменяются и осуществлять их контроль достаточно корректным образом не представляется возможным.
В связи с этим определенный интерес представляют более информативные эксперименты с дрожжевыми клетками в среде гидрозоля в отсутствие внешней питательной среды и в условиях, когда транспорт продуктов метаболизма через клеточную поверхность является односторонним. Такие условия реализуются, когда метаболические процессы в клетке осуществляются за счет расщепления практически всегда имеющихся запасных (резервных) углеводов - трегалозы и гликогена, характерных для данного вида клеток. Жизнедеятельно сть дрожжевых микроорганизмов за счет запасных углеводов исследована, например, в работе [5].
Целью данной работы является выяснение механизмов интенсификации процессов ферментации дрожжевыми клетками в среде гидрозоля 8^2, а также установление возможного аналогичного проявления этого эффекта в условиях эндогенного метаболизма с использованием высокодисперсных оксидов А1203, М§0 и ТЮ2.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ И ССЛЕДОВАНИЯ
В исследованиях использовали пр омышлен-ные штаммы хлебопекарских др ожжей Saccha-romyces cerevisiae. Кремнезем, другие высокодисперсные оксиды и др ожжевые клетки хр а -нили при комнатной температуре в воздушной ср еде с относительной влажно стью около 60%. Известно, что др ожжевые клетки, влаго содержание котор ых со ставляет менее 5%, необр а -тимо тер яют способность к жизнедеятельно сти.
С целью выяснения возможного механизма интенсификации процесса ферментации дрожжевыми клетками были проведены опыты с использованием:
- высокодисперсного кр емнезема А-300 (ГОС Т 1422-77) (пр оизводства Калушского опытно-экспериментального завода Института химии поверхности им. А .А. Чуйка НАН Украины) с удельной поверхностью около 300 м 2/г ;
- дисперсного диоксида титана (D^ont R 960), с р азмер ом частиц 0,5 мкм;
- оксида магния (ГОСТ 4526-75, «ч.д.а.») с удельной поверхностью ~ 150 м2/г;
- оксида алюминия (ГОСТ 3758-75, «ч.») с удельной поверхностью ~ 90 м2/г.
Экспер именты с обр азцами всех высокодисперсных оксидов проводили пр и одинаковых условиях.
Изучение тепловыделения при образовании гидр озолей адсо р бентов в пр оцессе метаболизма клеточными организмами проводили с использованием дифференциального микрокалориметра в изотермическом режиме (295 ± 0,5 К). Его чувствительность по тепловому потоку со ставляла 10-6 Вт. Полное изменение энтальпии AH и ра ссчитывали из кинетической кр ивой, используя интегральное уравнение Тиана [6]:
t t
AH и = P \Kdt + v\dK = PA + ^(Kt - K0).
Методика измерений [5] позволяет следить за пер еходом свободной воды в связанное со -стояние по уменьшению экзотер мического пика теплового потока, что обусловлено ее адсорб-цией на поверхности клеточного о р ганизма и, по большей ча сти, на внутр иклеточных поверхностях р азличных о р ганоидов, а также контр о -лир овать кинетику метаболизма в пр оцессе жизнедеятельности дрожжевых клеток до полного р асщепления в ней резер вных углеводов. Мощность тепловыделения в суспензиях регистрировали с момента перевода дрожжевых клеток
P ис. 1. Релаксационные кр ивые напр яжения детектор ной тер мобатар еи для исходной системы др ожжевые клетки-вода (1) и системы вода-дрожжевые клетки-кр емнезем (2).
из анабиотического, дегидр атир ованного со -стояния в оводненное (пер вая стадия) и далее -в со стояние жизнедеятельно сти (вто р ая стадия).
Двухстадийный пр оцесс взаимодействия клетки с водой представлялся в виде термограмм, которые обрабатывали в соответствии с методикой [5]. Термограммы представляли собой кинетические кривые тепловыделения, рассматриваемые как тепловой релаксационный пр оцесс, пр оисходящий в исходной системе во -да-др ожжевые клетки и системе вода-др ожжевые клетки-высокодисперсный оксид. Данный пр оцесс хар актер изуется опр еделенным вр еме-нем релаксации, за котор ое и пр оисходит во с-становление жизнедеятельно сти микр оор ганиз-ма до полного расщепления запасных резервных веществ.
Контр оль за изменением значений р Н в исследуемых системах проводили с использованием лабор атор ного рН -метр а-иономер а И-160.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены исходные кривые р елаксации напряжения детектор ной тер моба-тареи, характеризующие релаксацию энтальпии для систем: др ожжевые клетки-вода (кр ивая 1); др ожжевые клетки-вода-кр емнезем (кр ивая 2).
Эти же р елаксационные кр ивые, по стр оен-ные в полулогар ифмических координатах \gUit), пр едставлены на рис. 2. Уча стки а и Ь на кр ивых соответствуют двум стадиям релак -сационного пр оцесса - оводнению клетки с частичным пер еходом клеточной воды в свя-
0
0
Р ис. 2. Релаксационные кр ивые исходной системы вода-дрожжевые клетки (1) и системы вода-дрожжевые клетки-кремнезем (2) в полулогарифмических координатах.
занное со стояние и по следующему пр оявлению жизнедеятельно сти клеточного о р ганизма чер ез р азличные метаболические пр оцессы.
На пр имер е силикагеля и др ожжевы х клеток было показано [5], что пр и иммерсионном смачивании в воде исходной поверхности адсорбента, частично уже заполненной в условиях воздушной ср еды (60% относительной влажности), дальнейший процесс адсорбции происхо-дит, когда константа равновесия процесса Ка не зависит от степени заполнения адсо р бента.
На стадии оводнения клетки регистрируемый тепловой поток обусловлен пер еходом свободной воды в связанное со стояние вследствие ее адсо р бции клеточным о р ганизмом. Рассматривая адсорбцию, как квазихимическую реакцию, так же как и для любой химической р еакции, из выр ажения для константы р авновесия Ка чер ез свободную энер гию со р бцион-ного пр оцесса Два:
доа = - ЯТ1п К а
(1)
Ка)Л
¿Т
н
ят2,
(2)
где ДНа - энтальпия адсор бционного пр оцесса, Я - газовая постоянная, Т - абсолютная темпер атура (К), можно получить уравнение для темпер атурного коэффициента константы р авновесия сор бционного пр оцесса КТа:
КТа -
¿Т
ДНа
ЯТ
ехр
ЯТ
(3)
Здесь и далее по тексту нижние индексы а, га, га, Та, / в обозначениях термодинамических и кинетических параметров соответственно обозначают: а - стадия адсор бции; / - стадия ферментации; га - адсорбция в присутствии высокодисперсного оксида; га - адсо р бция пр и температуре ниже комнатной на 283 К; Та -темпер атурный коэффициент адсор бции.
Экспер иментально полученные значения ДНа пр и иммерсионном смачивании др ожжевых клеток для исходной системы и системы, со -держащей кремнезем, представлены в табл. 1.
Принимая во внимание, что зависимость изменения энтальпии от темпер атур ы незначительна, можно пр овести интегр ир ование ур ав-нения (2):
К Ка - Я ^, 1п Кга - - Т + С,
(4)
где С - постоянная интегр ир ования.
Поскольку Ка не зависит от степени заполнения поверхности адсорбента и практически не зависит от темпер атур ы, на о сновании экспер иментально полученных значений энтальпии адсорбционного процесса при температуре 283 и 295 К получим:
КТа -
'¿К?
¿Т
= 0,0038 К
-1
и ур авнения изобар ы Вант-Гоффа
Преобразуя выражение (3), получим:
Таблица 1. Тер модинамические пар аметр ы пр оцессов оводнения и фер ментации др ожжевой клетки для исходной др ожжевой суспензии и суспензии, содер жащей кр емнезем
Значения тер модинамических пар аметр ов
С истема ДНа, кДж/моль ДНу, Дж/кг Д£а,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.