Elementos de la estructura intracelular

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1. bioproceso Modelos

Karl Heinz Bellgardt

2.1

Introducción

En esta capítulo, principios de modelado de biotécnico los procesos se ser introducido. El enfocar es colocar sobre modelos de el biológico sistema dentro el completo bioproceso, ya que sus pasos más importantes son el crecimiento y la formación de productos durante el cultivo. Las técnicas generales de modelado se aplicarán y se describirán más adelante en Partes C y D, donde el métodos será ser aplicado a varios procesos. Esta El capítulo está estructurado de la siguiente manera: primero se ofrece una descripción general de los diferentes tipos de modelos. Los modelos de la fase biótica se introducen luego con creciente complejidad, comenzando con simple cinético-formal modelos encima estructurado modelos hasta a población segregada modelos

Para un análisis y modelado matemático de los procesos biotécnicos, se debe observar con algo más de detalle el sistema biológico, es decir, las células microbianas, vegetales o animales que constituyen la fase biótica del biorreactor. Es bien sabido que el metabolismo celular y la cinética resultante de crecimiento y formación de productos son bastante complejos. Por lo tanto, la pregunta interesante es por qué este sistema complejo a menudo da como resultado una cinética de crecimiento relativamente simple y puede describirse solo mediante unas pocas ecuaciones matemáticas. Una razón es que los bloques funcionales del metabolismo operan juntos , coordinados por una red de regulación metabólica y de intercambio de masa, carga y energía , para asegurar la supervivencia y reproducción del organismo. Otra razón es la tremenda cantidad de células en la población en un biorreactor que oculta variaciones individuales en su crecimiento y conduce a un comportamiento promedio suavizado.

2.1.1

Elementos de la estructura intracelular

La célula de un organismo vivo contiene en una vista muy simplificada varios. bloques funcionales y pools centrales de sustancias [1]. En el catabolismo, los sustratos extracelulares , p.ej, azúcares, ese fueron transportado en el celda son degradado a menor compuestos, los llamados catabolitos. Estrechamente relacionado con el catabolismo está el metabolismo intermedio, en el que se sintetizan una serie de ácidos orgánicos y ésteres de fosfato. Bien conocido catabólico sistemas ese son fundar en muchos microorganismos son la glucólisis de glucosa a piruvato, y el ciclo del ácido cítrico del piruvato al dióxido de carbono. Otra tarea importante del catabolismo es proporcionar energía química. por sustrato fosforilación. Esta energía es requerido a conducir energía-con-

sumando reacciones y para sintetizar los compuestos macromoleculares de las células. El rendimiento energético de la fosforilación del sustrato es mucho menor en comparación con la respiración, pero en los procesos anaeróbicos, la fosforilación del sustrato suele ser el único paso del metabolismo que produce energía. Muchos productos liberados por los microorganismos (los metabolitos primarios ) surgen directamente del catabolismo, a menudo en relación con el metabolismo de electrones para la regeneración de NADH. Ejemplos son, además del producto común C 2. “productos de fermentación” típicos, tales como alcoholes, glicerol, lactato, butirato, butanol, butano-diol, metano, y también productos de “oxidación incompleta” aeróbica, por ejemplo, acético ácido, ácido glucónico. La formación de estos productos a menudo es causada por un ciclo del ácido cítrico que funciona solo parcialmente.

En el anabolismo, el catabolito y intermedio piscina previsto por el catabolismo y metabolismo intermediario, junto con reservas de energía química (ATP) y reducción equivalentes (NADH), es usado a sintetizar de alto peso molecular celda materiales y compuestos estructurales de la célula, como pared celular, membranas, orgánulos y macromoléculas, semejante como carbohidratos, proteínas, ARN, ADN, lípidos El El anabolismo es el principal sumidero de energía del metabolismo.

Con respecto a el metabolismo energético y Grupo de ATP-ADP-AMP, el celular el metabolismo como un todo consume energía que es producida por el catabolismo y la respiración. La energía liberada en estos procesos se conserva en compuestos fosforilados, principalmente en adenosin-tri-fosfato (ATP), el transportador de energía universal de la célula. El menos fosforilado compuestos son adenosina-di-fosfato (ADP) y adenosina-mono-fosfato (AMPERIO). A segundo energía piscina de menor importancia es formado por guanosina-fosfatos (GTP, GDP, BPF).

Con respecto a el metabolismo de electrones y piscina de NAD-NADH, el crecimiento proceso Es esencial un oxidación proceso con transferencia de electrones desde el sustratos a el productos finales La oxidación biológica se realiza por deshidrogenación vía nicotina-amida-adenina-di-nucleótido (NAD) como a central protón aceptador. En algunos reacciones de transferencia de electrones nicotina-amida-adenina-di-nucleótido-fosfato (NADP) y flavina-adenina-di-nucleótido (FAD) están involucradas. Los equivalentes de reducción producidos en el catabolismo tener a ser continuamente regenerado en paralelo, cualquiera por el respiración, o transfiriendo hidrógeno al productos finales fermentativos del metabolismo.

El respiración es bajo aerobio condiciones el más eficaz camino por ambos regeneración de NADH a NAD y producción de energía química como ATP por fosforilación oxidativa. La cadena respiratoria, ubicada en la membrana mitocondrial, realiza el oxihidrógeno biológico reacción:

2 0 2 + NADH + H+ + P/ 0 ADP         H 2 0 + NAD+ + P/ 0 - atp

El número de fosforilaciones por átomo de oxígeno (relación P/O) puede ser de hasta tres, pero se encuentra principalmente en la región de uno a dos.

El análisis de los flujos de masa, energía y electrones a través de la célula por las reacciones metabólicas es la base para el modelado matemático de la estequiometría del proceso de crecimiento. El simple hecho de que los elementos químicos, la masa, la energía y la carga deben conservarse en cualquier reacción, y en el metabolismo en su conjunto, impone fuertes restricciones a la red de reacción microbiana [2]. Unas pocas reacciones ya pueden determinar las velocidades de muchas otras. Mediante el uso de los balances relacionados, se pueden obtener predicciones de gran alcance sobre los rendimientos de la masa celular y los productos, especialmente los productos primarios [6]. Cuando los principales sustratos y productos finales del crecimiento son

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