Inligting

Energiekoste van kou vs produksie van ensieme

Energiekoste van kou vs produksie van ensieme



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Oorweeg 'n hipotetiese geval dat jy 'n stukkie stysel inneem. Wat is energiek duurder 1) kou + verminderde hoeveelheid ensieme wat benodig word of 2) alleenproduksie van al die ensieme vir vertering om dieselfde hoeveelheid glukose-absorpsie te bereik gegewe die vertering tyd is konstant. (Daar kan verskillende antwoorde wees vir verskillende groottes stysel wat ingeneem word)


Ensieme: Die klein molekules wat brood bak

Toe ek die eerste keer begin brood maak, was die betrokke wetenskap altyd in my agterkop. Ek het 'n idee gehad van wat gebeur het - my diagram vir die chemiese reaksies in deeg het iets soos volg gelyk:

Toe ek egter 'n handleiding vir 'n broodmaakklas begin voorberei het, het ek regtig begin wonder oor die besonderhede. Is die suiker vir fermentasie deel van meel? Hoe presies verwerk die gis hierdie suiker? Kom al die komplekse geure van brood regtig van een organiese molekule, etanol? Talle reise na die universiteitsbiblioteke het my gehelp om die ensieme betrokke by die maak van die deeg te verstaan.

Toe ek besef dat meel 'n baie klein hoeveelheid suiker bevat, net een tot twee persent, het ek gedink: "Wag 'n bietjie, hoe is dit moontlik? Dit is nie genoeg om deeg te laat rys nie.” Toe kom ek agter dat die stysel in meel die meeste van die suiker vir fermentasie verskaf, en die stysel moet in suiker afgebreek word voordat dit gefermenteer kan word. Hierdie afbreek is die werk van ensieme.

An ensiem word gedefinieer as 'n groot molekule, gewoonlik 'n proteïen, wat 'n biologiese reaksie kataliseer. Dit beteken dat die ensiem die reaksie versnel deur die energieversperring te verminder wat verhoed dat die reaksie vinnig en maklik plaasvind.

Wanneer twee molekules teen mekaar stamp, is daar 'n kans dat hulle sal reageer om nuwe molekules te vorm. Soms gebeur dit maklik - die twee molekules het byvoorbeeld elkeen 'n onstabiele plek, en wanneer hulle stamp, vorm 'n binding tussen die plekke, wat 'n nuwe, stabiele molekule skep. In ander gevalle moet bindings in die reagerende molekules egter breek (wat energie benodig) voordat nuwe bindings kan vorm. Die hoeveelheid energie wat nodig is om die ou bindings te breek, is die energieversperring vir die reaksie. Dit word voorgestel deur die soliede lyn in die diagram hieronder.

Een manier om die spoed van 'n reaksie te verhoog, is om dit op te warm. Warmer molekules beweeg vinniger hulle besit meer energie. Wanneer twee van hulle bots, is daar 'n groter kans dat die nodige bindings sal breek en reaksie sal plaasvind. As meer molekules die energie besit wat nodig is om oor die versperring te kom, vind meer van die reaksie plaas.

Die ander manier om 'n reaksie te bespoedig, is om die versperring te verminder, soos aangedui deur die stippellyn in die diagram. Wanneer minder energie vir die reaksie nodig is, sal meer molekules genoeg energie hê om oor die versperring te kom. Die vermindering van die versperring is die taak van katalisators. Hulle verander die situasie om die hindernis tot reaksie te verminder. Ensieme is 'n subset van katalisators wat op biologiese reaksies werk. Dit is bekend dat ongeveer 4000 reaksies ensieme behels, insluitend die meeste van die reaksies wat in die menslike liggaam voorkom en verskeie reaksies in brooddeeg, wat volgende beskryf word.

Ensieme kataliseer drie hoofreaksies in broodmaak: breek stysel in maltose, 'n komplekse suiker breek komplekse suikers in eenvoudige suikers en breek proteïenkettings. Die breek kan sonder ensieme plaasvind, maar die energieversperring is so groot dat dit baie onwaarskynlik is. In wese is die ensieme nodig vir die reaksies om plaas te vind.

Dit is maklik om ensieme te begin sien as klein diertjies wat inkom, die plek te herken waar hulle kan werk en aan bindings begin kou of hulle in die helfte knip. Alhoewel dit 'n gerieflike prentjie is, doen dit 'n onguns aan die wonders van biologie. Ensieme dink of doen nie, maar kry dit tog reg om by die plekke uit te kom waar dit nodig is. Elke ensiem het 'n baie spesifieke werk om te doen en het slegs interaksie met die toepaslike molekules waarvoor dit ontwerp is, en ignoreer alle ander. Ensieme werk doeltreffend en word nie deur die proses opgebruik nadat die reaksie plaasgevind het nie, die oorspronklike ensiemmolekule word ongeskonde gelaat en kan na 'n nuwe plek voortgaan.

As die ensiem nie dink nie, hoe kry dit dit reg om sy spesifieke taak uit te voer? Die vereenvoudigde prentjie wat in algemene chemie-handboeke aangebied word, word die "slot-en-sleutelmodel" genoem. 'n Ensiem het 'n spesifieke vorm wat saam pas met die substraat, die molekule waarop dit sal werk. Die ensiem bind byvoorbeeld aan die substraat met 'n swakker chemiese binding, 'n waterstofbinding of hidrofobiese binding. Dit verander die substraat op 'n manier wat reaksie gunstig maak. Sodra reaksie plaasvind, stel die ensiem die produkte vry en beweeg aan.

Byvoorbeeld, die substraat sukrose is 'n komplekse suiker wat met 'n watermolekule kan reageer om twee eenvoudige suikermolekules te vorm, glukose en fruktose.

Daar is 'n energieversperring vir die reaksie omdat dit baie energie verg om die middelbinding van die sukrose te breek.

Die ensiem sukrase pas saam met die sukrose (onder). Om aan die ensiem te bind, moet die sukrose rek. Hierdie strek verswak die sukrose se middelbinding, wat vatbaar word vir aanval deur watermolekules. Die energieversperring is verlaag. Wanneer 'n watermolekule bykom, breek die middelbinding maklik en reageer met die watermolekule. Die ensiem hou nou die produkmolekules vas, wat dit vrystel. Sukrose is opgebreek in glukose en fruktose.

Nog 'n voorbeeld beklemtoon die bindingsaard van die ensieme wat nie bloot in substrate soos legkaartstukke pas nie, wat in plek klap. Bande moet vorm. Sodra dit gebind is, word die aktiewe plek van die ensiem naby die reaksieplek van die substraat geplaas, wat dit verander om die energieversperring te verminder.

In hierdie voorbeeld is die substraat 'n proteïen. Proteïene is kettings van aminosure wat deur peptiedbindings verbind word. Wanneer 'n peptiedbinding vorm, word 'n watermolekule vrygestel.

’n Watermolekule kan terugkom en ’n peptiedbinding breek, maar dit het gewoonlik nie genoeg energie nie.

Die ensiem karboksipeptidase kataliseer die breek van die laaste peptiedbinding in die proteïenketting, wat die eindaminosuur vrystel. Karboksipeptidase bevat 'n sinkatoom met 'n positiewe lading. Hierdie sink-atoom bind met die proteïen naby die laaste peptiedbinding, wat die elektrone van die binding daarvan wegtrek en dit dus verswak (hieronder). Die ensiem het ook 'n sakarea wat uit hidrofobiese atome bestaan ​​as die terminale aminosuur 'n hidrofobiese groep daarop het, word die groep na hierdie sak aangetrek en daardeur vasgehou. Daarbenewens kan karboksipeptidase waterstofbindings met die terminale aminosuur vorm, wat dit verder in plek verseker.

Wanneer 'n watermolekule die verswakte peptiedbinding teëkom, het dit waarskynlik nou genoeg energie om dit te breek, en herkombineer met die gebreekte punte om die los aminosuur te hervorm. Die verskillende bindings wat die ensiem aan die proteïensubstraat hou, word verswak en die ensiem word vrygestel.

Die eerste ensiem wat aksie neem in brooddeeg is amilase. Amilase werk op stysel (óf amilose of amilopektien) en breek die styselketting tussen aangrensende suikerringe. Daar is twee soorte amilase: α-amilase (alfa-amilase) breek die ketting lukraak in kleiner stukke terwyl β-amilase (beta-amilase) maltose-eenhede van die einde van die ketting afbreek.

Amilase word in meel aangetref. Koringpitte bevat amilase omdat hulle stysel in suiker moet afbreek om vir energie te gebruik wanneer die pitte ontkiem. Die hoeveelheid amilase wissel met die weer en oestoestande van die koring, so meulens toets gewoonlik daarvoor en voeg ekstra of meng meel by om 'n gepaste hoeveelheid te kry.

Amilases word gemobiliseer wanneer water by die meel gevoeg word. Dit is een rede waarom deeg met 'n hoër hidrasie dikwels vinniger fermenteer—die amilases (en ander ensieme) kan meer effektief rondbeweeg. Om die styselmolekules te bereik, moet amilases die stysel se korrels binnedring dus, die meeste van die aksie in brooddeeg vind plaas by gebreekte korrels, waar die stysel beskikbaar is vir reaksie. Gelukkig word 'n persentasie styselkorrels tydens maal beskadig en toeganklik vir die amilases.

'n Amilase is 'n groot molekule, met honderde aminosure wat aan mekaar gekoppel is. Baie verskillende groepe dra by tot die binding tussen die amilase en die styselsubstraat. Daarbenewens is daar verskeie verskillende amilasemolekules, en elkeen funksioneer anders. Die voorbeelde van ensiemwerking wat hierbo aangebied word, gee die algemene idee.

As gevolg van amilase word van die stysel in brooddeeg ingebreek maltose, 'n dubbelringsuiker wat uit twee glukosemolekules bestaan, maar fermentasiereaksies vereis enkelglukoseringe. Eenvoudige suikers soos glukose verskaf ook geur aan die brood en neem deel aan verbruiningsreaksies wat by die kors voorkom tydens bak.

Gelukkig bevat die gis wat in broodbereiding gebruik word, die ensiem maltase, wat maltose in glukose breek. Wanneer die gissel 'n maltosemolekule teëkom, absorbeer dit dit. Maltase bind dan aan die maltose en breek dit in twee. Gisselle bevat ook invertase, 'n ander ensiem wat sukrose kan breek, soos die sukrase hierbo beskryf. Hierdie ensiem werk op die klein persentasie sukrose wat in die meel voorkom. Hierdie twee ensieme is verantwoordelik vir die vervaardiging van baie van die glukose wat die gis benodig vir fermentasie.

Die ander belangrikste ensiem wat in brooddeeg werk, is protease. Protease werk op proteïenkettings en breek die peptiedbindings tussen aminosure. Karboksipeptidase, hierbo beskryf, is 'n voorbeeld van 'n protease. Daar is honderde proteases, maar net 'n paar word in brooddeeg gevind, waar hulle die gluten in stukke kap. Proteases kom natuurlik voor in meel, gisselle en mout. Hulle vlakke word by die meule gemeet en op dieselfde manier aangepas as wat amilasevlakke aangepas word.

Proteases in brooddeeg is die afgelope honderd jaar die onderwerp van wetenskaplike navorsing. Daar was baie debat oor die belangrikheid daarvan. In die vroeë jare het wetenskaplikes probeer om hul bestaan ​​te bewys en relatiewe aktiwiteit in verskillende handelsmerke meel te meet. Hulle het die protease-aktiwiteit versterk deur nie-glutensubstrate by die mengsel te voeg. Hierdie substrate was dié wat protease geredelik aanval. Uiteindelik het iemand gedink om na protease-aktiwiteit in normale brooddeeg te kyk en het baie min aktiwiteit gevind.

Dit blyk egter dat hierdie baie klein aktiwiteit dalk net is wat nodig is in brooddeeg. Te veel protease-aktiwiteit sal die gluten opbreek, wat die netwerk wat tydens knie gevorm word, vernietig. 'n Bietjie maak die deeg egter sag en maak dit meer werkbaar. As die deeg toegelaat word om te outolyseer (d.w.s. rus) of as voorkeure gebruik word, het proteases tyd om te werk voordat dit geknie word, wat die deeg makliker maak om te knie. (Ek wonder of dit die oorsprong is van die woord "outolise," van "outolise," wat "selfbreek" beteken en kan verwys na die proteïenproteases wat op die proteïenkettings werk.)

Benewens die invloed van die deeg se konsekwentheid, beïnvloed proteases sy geur. Proteases lei tot enkele aminosure wanneer hulle die laaste peptiedbinding van die proteïenketting breek. Hierdie aminosure kan deelneem aan die geur- en verbruiningsreaksies wat by die kors voorkom tydens bak.

So nou, my vereenvoudigde diagram van die chemiese reaksies in brooddeeg lyk meer soos volg:

Hierdie diagram sluit die teenwoordigheid van ensieme in. Sonder ensieme sou broodmaak nie moontlik wees nie. Dan weer, ons sou ook nie.

Die menings wat uitgespreek word, is dié van die skrywer(s) en is nie noodwendig dié van Scientific American nie.


Energiekoste van kou vs produksie van ensieme - Biologie

Die stroom van energie: primêre produksie na hoër trofiese vlakke

"Alle vlees is gras."
- Jesaja

Driehonderd forelle is nodig om een ​​man vir 'n jaar te onderhou. Die forel moet op sy beurt 90 000 paddas vreet, wat 27 miljoen moet vreet sprinkane wat van 1 000 ton gras leef.
-- G. Tyler Miller, jr., Amerikaanse chemikus (1971)

  • Hoeveel van die son se energie is beskikbaar vir en geassimileer deur plante, en hoe word dit gemeet?
  • Hoe hou bruto produksie, netto produksie en ekosisteemproduksie verband?
  • Hoe hou staande oes, omsettempo en netto primêre produksie verband?
  • Watter tipe ekosisteme het die hoogste produksiekoerse, en watter lewer die grootste bydraes tot wêreldwye primêre produksie?
  • Watter faktore beperk die hoeveelheid primêre produksie plaaslik en wêreldwyd?
  • Wat is die doeltreffendheid waarmee energie van trofiese vlak na trofiese vlak omgeskakel word?
  • Wat is die verskille tussen assimilasiedoeltreffendheid, netto produksiedoeltreffendheid en ekologiese doeltreffendheid?
  • Hoe verskil ekosisteme in die hoeveelheid biomassa of aantal organismes wat op enige tydstip teenwoordig is en met verloop van tyd op elke trofiese vlak gegenereer word?
  • Hoeveel energie is vir mense beskikbaar, hoeveel gebruik ons, en is daardie hoeveelheid volhoubaar?

Spring na: [ Inleiding] [Produksie] [Energie-oordrag] [Voorbeeld van jakkals en haas] [Piramides-modelle] [Menslike energieverbruik] [Opsomming]

Inleiding - Energievloei in voedselwebwerwe

Beide energie en materiale is noodsaaklik vir ekosisteemstruktuur, funksie en samestelling. Jy is reeds aan die basiese konsepte van voedingstofsiklusse blootgestel in hierdie lesing wat ons fokus op energie. Let daarop dat in terme van die siklus van koolstof, "materiale" en energie inter-omgeskakel kan word. Ons weet byvoorbeeld hoeveel kalorieë ('n maatstaf van energie) 'n gram van sekere koolstofverbindings soos vette of koolhidrate bevat.

Outotrofe verse Heterotrofe

As 'n kort oorsig, erken ons dat sommige organismes in staat is om organiese molekules van anorganiese voorlopers te sintetiseer, en om biochemiese energie in die proses te stoor. Hierdie word genoem outotrofe, wat beteken "selfvoedend." Daar word ook na outotrofe verwys as primêre produsente. Organismes wat komplekse organiese molekules kan vervaardig uit eenvoudige anorganiese verbindings (water, CO2, voedingstowwe) sluit plante, sommige protiste en sommige bakterieë in. Die proses waardeur hulle dit gewoonlik doen, is fotosintese, en soos die naam aandui, verg fotosintese lig (sien Figuur 1).

Vir volledigheid moet ons die pad wat bekend staan ​​as noem chemosintese. Sommige produsente-organismes, meestal gespesialiseerde bakterieë, kan anorganiese voedingstowwe omskakel na organiese verbindings sonder die teenwoordigheid van sonlig. Daar is verskeie groepe chemosintetiese bakterieë in mariene en varswater omgewings, veral dié wat ryk is aan swael of waterstofsulfiedgas. Soos chlorofildraende plante en ander organismes wat tot fotosintese in staat is, is chemosintetiese organismes outotrofe (sien mikrobes-lesingnotas vir meer inligting). Baie organismes kan slegs hul energie verkry deur op ander organismes te voed. Hierdie word genoem heterotrofe. Dit sluit verbruikers van enige organisme in, in enige vorm: plante, diere, mikrobes, selfs dooie weefsel. Heterotrofe word ook genoem verbruikers.

In hierdie lesing sal ons begin met 'n oorweging van primêre produksie, en in die volgende lesing sal ons ondersoek wat met hierdie energie gebeur soos dit langs 'n voedselketting oorgedra word.

Die proses van primêre produksie

Of 'n mens die tempo waarteen fotosintese plaasvind, of die tempo waarteen die individuele plant in massa toeneem, meet, is 'n mens gemoeid met primêre produksie (definisie: die sintese en berging van organiese molekules tydens die groei en voortplanting van fotosintetiese organismes). Die kerngedagte is dat nuwe chemiese verbindings en nuwe plantweefsel geproduseer word. Met verloop van tyd lei primêre produksie tot die toevoeging van nuwe plantbiomassa tot die stelsel. Verbruikers kry hul energie van primêre produsente, hetsy direk (herbivore, sommige detritivore), of indirek (roofdiere, ander detritivore).

Is daar 'n boonste limiet vir primêre produksie? Die kort antwoord is "yes". Kom ons kyk kortliks na hoeveel energie in werklikheid deur outotrofe vasgevang word, en ondersoek hoe doeltreffend die proses van fotosintese is. Onthou dat die intensiteit van sonstraling wat die aarde se oppervlak bereik, deels van ligging afhang: die maksimum energie-intensiteit word by die ewenaar ontvang, en die intensiteit neem af soos ons na die pole beweeg. Soos ons in die lesing oor ekosisteme gesien het, het hierdie verskille diepgaande uitwerking op klimaat, en lei tot die waargenome geografiese patrone van biome.

Verder weet ons dat slegs 'n klein fraksie van die son se straling eintlik gebruik word in die fotosintetiese reaksie in plante op die Aarde se oppervlak. Van die totale sonstraling wat die aarde se buitenste atmosfeer tref, word ongeveer die helfte daarvan teruggekaats na die ruimte deur ys, sneeu, oseane of woestyne, of geabsorbeer deur gasse in die atmosfeer - byvoorbeeld, die atmosfeer se osoongaslaag absorbeer byna alle ultraviolet lig, wat sowat 9% van die son se straling uitmaak.

In die algemeen, van die lig wat die aarde se oppervlak bereik, is slegs ongeveer die helfte daarvan in die golflengtereeks wat deur plante in fotosintese gebruik kan word (

400-700 nm golflengte) - dit word die fotosinteties aktiewe straling, of PAR, genoem. Plante absorbeer lig van blou en rooi golflengtes sterk (vandaar hul groen kleur, die resultaat van weerkaatsing van groen golflengtes), sowel as lig in die verre infrarooi gebied, en hulle weerkaats lig in die nabye infrarooi gebied. Selfs al is die golflengte korrek, word die ligenergie nie deur fotosintese in koolstof omgeskakel nie. Van die lig mis die blaarchloroplast, waar die fosintetiese reaksies plaasvind, en baie van die energie van lig wat deur fotosintese na koolstofverbindings omgeskakel word, word opgebruik om die plant se biochemiese "masjinerie" behoorlik te laat funksioneer - hierdie verlies word gewoonlik "respirasie" genoem, hoewel dit sluit ook termodinamiese verliese in. Plante gebruik dus nie al die ligenergie wat teoreties tot hulle beskikking is nie (sien Figuur 2).


Figuur 2: Vermindering van energie beskikbaar vir plante

Plant se bruto primêre produksie op aarde is gemiddeld ongeveer 5,83 x 10 6 cal m -2 jr -1. Dit is ongeveer 0,06% van die hoeveelheid sonenergie wat per vierkante meter op die buitenste rand van die aarde se atmosfeer per jaar val (gedefinieer as die sonkonstante en gelyk aan 1,05 x 10 10 cal m -2 jr -1 ). Na die koste van respirasie word plant netto primêre produksie verminder tot 4,95 x 10 6 cal m -2 jr - 1, of ongeveer 0,05% van die sonkonstante. Let daarop dat dit die "gemiddelde" doeltreffendheid is, en in landplante kan hierdie waarde bereik

2-3% en in waterstelsels kan hierdie waarde bereik

1%.Hierdie relatief lae doeltreffendheid van omskakeling van sonenergie in energie in koolstofverbindings bepaal die algehele hoeveelheid energie wat beskikbaar is vir heterotrofe op alle ander trofiese vlakke.

Sommige definisies

Tot dusver was ons nie baie presies oor ons definisies van "produksie" nie, en ons moet die terme wat met produksie geassosieer word baie duidelik maak.

* Bruto primêre produksie, GPP, is die totale hoeveelheid CO2 wat deur die plant in fotosintese vasgemaak word.

* Asemhaling, R, is die hoeveelheid CO2 wat verlore gaan van 'n organisme of stelsel weens metaboliese aktiwiteit. Respirasie kan verder verdeel word in komponente wat die bron van die CO weerspieël2.

Rbl =Asemhaling deur plante

Rh = Respirasie deur Heterotrofe

Rd = Respirasie deur ontbinders (die mikrobes)

* Netto primêre produksie, NPP, is die netto hoeveelheid primêre produksie nadat die koste van plantrespirasie ingesluit is. Daarom, NPP = GPP - R

* Netto ekosisteemproduksie, NEP, is die netto hoeveelheid primêre produksie nadat die koste van respirasie deur plante, hetertrofe en ontbinders alles ingesluit is. Daarom, NEP = GPP - (Rbl + Rh + Rd)

'n Maatstaf van Netto Ekosisteemproduksie is van groot belang wanneer die CO bepaal word2 balans tussen verskeie ekosisteme, of die hele aarde, en die atmosfeer. Dit sal meer bespreek word in ons lesings oor klimaatsverandering en die globale koolstofsiklus.

Let wel dat ons in hierdie definisies slegs met "primêre" en nie "sekondêre" produksie gemoeid is nie. Sekondêre produksie is die wins in biomassa of reproduksie van heterotrofe en ontbinders. Die koerse van sekondêre produksie, soos ons in 'n komende lesing sal sien, is baie laer as die koerse van primêre produksie.

'n Alledaagse voorbeeld van hoe GPP, NPP en R verband hou. Om die verband tussen respirasie (R) en bruto en netto primêre produksie (GPP en NPP) beter te verstaan, oorweeg die volgende voorbeeld. Kom ons sê dat jy 'n deeltydse werk het en $100 per week verdien wat direk in jou bankrekening ingaan. Dit is jou "bruto produksie" van geld, en dit is analoog aan die bruto produksie van koolstof wat tydens fotosintese in suikers vasgemaak is. Kom ons sê nou dat jy $50 per week uit jou bankrekening aan kos spandeer, wat deels nodig is vir jou om aan die lewe te bly en in goeie gesondheid te bly en om na jou deeltydse werk te kan aanhou. Dit is die "koste" wat jy betaal om aan te hou werk, en dit is analoog aan die respirasiekoste wat 'n plant het wanneer hul selle van die energie wat in fotosintese vasgemaak word, gebruik om nuwe ensieme of chlorofil te bou om lig vas te vang of om ontslae te raak van afvalprodukte in die sel. Dus in jou bankrekening is jou bruto produksie $100/week, jou lewenskoste (respirasie) is $50 per week, en die "net" bedrag geld wat jy elke week produseer (jou netto produksie) is $100 - $50 = $50. Jy kan sien dat jou bankrekeningsaldo soos volg bepaal word: Jou netto produksie is gelyk aan jou bruto produksie minus respirasie, wat dieselfde is as die vergelyking hierbo wat die netto primêre produksie (NPP) = die bruto primêre produksie (BPP) aandui. minus Respirasie (R).

Meting van primêre produksie

(a) Tempo van fotosintese :

Jy ken die vergelyking vir fotosintese uit 'n vorige lesing:

As ons ons plante in 'n geslote sisteem kon plaas, en die uitputting van CO kan meet2 per tydseenheid, of die generering van O2, sou ons 'n direkte maatstaf van primêre produksie hê.

Die metode wat gebruik word in studies van akwatiese primêre produksie illustreer hierdie metode goed. In die oppervlakwater van mere en oseane is plante hoofsaaklik eensellige alge, en die meeste verbruikers is mikroskopiese skaaldiere en protosoë. Beide die produsente en verbruikers is baie klein, en hulle is maklik vervat in 'n liter water. As jy hierdie organismes in 'n bottel sit en die ligte aanskakel, kry jy fotosintese. As jy die ligte afskakel, skakel jy die primêre produksie af.

Duisternis het egter geen effek op asemhaling nie. Onthou daardie sellulêre asemhaling is die omgekeerde proses vanaf fotosintese, soos volg.

Fotosintese stoor energie, en asemhaling stel dit vry vir gebruik in funksies soos voortplanting en basiese instandhouding. Wanneer ons die hoeveelheid energie bereken wat 'n plant as biomassa berg, wat dan vir heterotrofe beskikbaar is, moet ons plantrespirasiekoste van die totale primêre produksie aftrek.

Die algemene prosedure is so eenvoudig dat primêre produksie van die wêreld se oseane in aansienlike besonderhede gekarteer is, en baie van die wêreld se varswater mere is ook ondersoek (Figuur 3). ’n Mens neem ’n reeks klein glasbotteltjies met proppies, en die helfte daarvan is toegedraai met een of ander materiaal soos tinfoelie sodat geen lig deurdring nie. Dit word onderskeidelik die "ligte" en "donker" bottels genoem.

Figuur 3. "Limnoloë" (mense wat mere en strome bestudeer) werk
op Victoriameer in Oos-Afrika (links) en op Lake Michigan (regs).

Die bottels word gevul met water wat van 'n spesifieke plek geneem is en diepte bevat hierdie water die klein plante en diere van die akwatiese ekosisteem. Die bottels word met proppe toegemaak om enige uitruiling van gasse of organismes met die omliggende water te voorkom, en dan word dit vir 'n paar uur gesuspendeer op dieselfde diepte waaruit die water oorspronklik geneem is. Binne die bottels CO2 word verteer, en O2 geproduseer word, en ons kan die verandering oor tyd in enige van hierdie gasse meet.

Byvoorbeeld, die hoeveelheid suurstof wat in water opgelos is, kan maklik deur chemiese titrasie gemeet word. Voordat die bottels opgeskort word, moet die aanvanklike O2 konsentrasie word bepaal en uitgedruk as mg O2 per liter water (mg/L). Dan word die finale waarde gemeet in beide die ligte en donker bottels na 'n tydsduur van inkubasie. Watter prosesse vind in elke bottel plaas wat die oorspronklike O kan verander2 of CO2 konsentrasies? Die vergelykings hieronder beskryf hulle.

Ligte bottel: In die ligbottel is daar fotosintese, of Bruto Primêre Produksie (GPP), en daar is Respirasie (R). Die verskil tussen hierdie twee prosesse, soos ons hierbo gesien het, is Netto Primêre Produksie = NPP = (GPP - R)

Donker bottel:In die donker bottel is daar geen fotosintese nie en slegs asemhaling. (In hierdie voorbeeld kan ons ook 'n mate van verbruikersasemhaling in albei bottels hê, tensy ons 'n net gebruik het om klein heterotrofe uit te sif.)

Beskou nou die volgende eenvoudige voorbeeld. Dit illustreer hoe ons rekening hou met veranderinge vanaf die aanvanklike suurstofkonsentrasies in die water wat tydens die inkubasie plaasgevind het. Ons sal aanvaar dat ons inkubasietydperk 1 uur was. Gemeet suurstofkonsentrasies:

Aanvanklike bottel = 8 mg O2 /L Ligte bottel = 10 mg O2 /L Donker bottel= 5 mg O2 /L

Die suurstof het in die ligbottel toegeneem in vergelyking met die aanvanklike as gevolg van fotosintese, en die suurstof het in die donker bottel afgeneem as gevolg van asemhaling. Met hierdie inligting kan ons die bereken Asemhaling, NPP, en GPP vir ons stelsel:

(Lig - Aanvanklik) = (10 - 8) = 2 mg/L/uur = (GPP - R) = NPP

(Aanvanklik - Donker) = (8 - 5) = 3 mg/L/uur = Asemhaling

(Lig - Donker) = (10 - 5) = 5 mg/L/uur = (NPP + R) = GPP

Ons het dus 'n maatstaf van die netto en bruto primêre produksie sowel as die respirasie van ons stelsel. Die suurstoftegniek is beperk in situasies waar die primêre produksie baie laag is. In hierdie situasies is die radioaktiewe vorm van koolstof, C 14 ( 14 CO2), kan gebruik word om koolstofopname en fiksasie te monitor. Jy kan ook die resultate tussen die suurstof- en koolstofmetodes omskakel deur die suurstofwaardes met 0,375 te vermenigvuldig om dit in koolstofekwivalente te sit (die faktor kom van verskille in atoommassa).

(b) Tempo van biomassa-akkumulasie:

Wat maak jy met plante wat te groot is om in bottels te sit? Beskou die volgende voorbeeld. Gestel ons wil weet wat die primêre produksie van 'n mielie-oes is. Ons plant 'n paar sade, en aan die einde van een jaar oes ons monsters van die hele plante, insluitend die wortels wat in een vierkante meter oppervlakte was. Ons droog dit om enige variasie in waterinhoud te verwyder, en weeg dit dan om die "droë gewig" te kry. Ons maatstaf van primêre produksie sal dus gram m -2 jr -1 van stingels, blare, wortels, blomme en vrugte wees, minus die massa van die sade wat dalk weggewaai het. Wat het ons gemeet?

Dit is nie GPP nie, want van die energie wat deur fotosintese geproduseer word, het in die metaboliese behoeftes van die mielieplante self voorsien. Is dit NPP? Wel, as ons al die verbruikers soos insekte van die mielieplant uitsluit, sou ons 'n mate van NPP hê. Maar ons neem aan dat sommige insekte en grondgeleedpotiges 'n deel van die plantbiomassa geneem het, en aangesien ons nie daardie aandeel gemeet het nie, het ons eintlik iets minder as NPP gemeet. Let daarop dat dit presies dieselfde situasie is in die bottelmetode wat ons hierbo beskryf het as klein heterotrofe wat op alge gewei het by die bottel ingesluit is, in welke geval die twee metodes dieselfde ding sou meet.

In onlangse jare het dit ook moontlik geword om GPP en R in groot plante of hele woude te skat deur gebruik te maak van spoorsnyers en gaswisselingstegnieke. Hierdie metings vorm nou die basis van ons ondersoeke na hoe primêre produksie die koolstofdioksiedinhoud van ons atmosfeer beïnvloed.

Produksie, staande oes en omset

Staande oes, aan die ander kant, is 'n maatstaf van die biomassa van die stelsel op 'n enkele tydstip, en word gemeet as kalorieë of gram per m 2 . Die verskil tussen produksie en staande gewas is 'n deurslaggewende een, en kan deur die volgende vraag geïllustreer word. Behoort 'n bosbouer, wat daarin belangstel om die grootste opbrengs van 'n perseel te oes, meer belangstel in die bos se staande oes of sy primêre produksie? Wel, die sleutelelement tot die antwoord is "TYD". As die bosbouer 'n korttermynbelegging wil hê (d.w.s. om die bos af te kap en die bome te verkoop vir maksimum, onmiddellike wins), hoe hoër die staande oes, hoe beter. As die bosbouer eerder die bos mettertyd wil bestuur (verkoop sommige bome terwyl hy elke jaar meer groei), dan is die tempo waarteen die bos nuwe biomassa produseer krities.

Die verhouding van die staande oes tot die produksie (Stand Crop / Production) is gelyk aan die Omset van die stelsel. Deur staande oes (eenhede van g/m 2 ) deur produksie (eenhede van g/m 2 /jr) te deel, kan jy sien dat die omset in eenhede van 1/(1/jr) = jaar in hierdie voorbeeld is. Dus gee die voorraad of staande oes van enige materiaal gedeel deur die tempo van produksie jou 'n mate van tyd. Let op hoe soortgelyk (regtig, identies) hierdie omsettyd is aan die verblyftyd waaroor jy in vroeëre lesings geleer het. Dit is regtig belangrik om hierdie element van "tyd" te oorweeg wanneer jy ook al dink aan byna enige aspek van 'n organisme of 'n ekosisteem of 'n probleem in volhoubaarheid. Om te leer oor hoeveel van iets gebeur en hoe vinnig dit verander, is 'n kritieke aspek om die stelsel goed genoeg te verstaan ​​om besluite te neem, byvoorbeeld, die besluit van die bosbouer hierbo kan gedryf word deur ekonomiese bekommernisse of bekommernisse oor bewaring, maar die " beste" keuse vir enige van daardie kwessies hang steeds af van 'n begrip van die produksie, staande oes en omset van die bos. Dit beklemtoon die punt wat in vroeëre lesings gemaak is dat jy hierdie basiese wetenskaplike konsepte moet verstaan ​​om besluite oor volhoubaarheid te neem.

Patrone en kontroles van primêre produksie in die wêreld se ekosisteme

Figuur 4. Netto primêre produksie per oppervlakte-eenheid van die wêreld se algemene ekosisteme.

As ons die totale hoeveelheid NPP in die wêreld wil weet, moet ons hierdie waardes vermenigvuldig met die oppervlakte wat die verskillende ekosisteme beslaan. Deur dit te doen, vind ons dat die mees produktiewe stelsels nou oop oseane, tropiese reënwoude, savannas en tropiese seisoenale woude is (sien Figuur 5).

Figuur 5. Gemiddelde wêreld netto primêre produksie van verskeie ekosisteme.

Wat is verantwoordelik vir hierdie verskille in produksie per oppervlakte-eenheid? Basies is die antwoord dat klimaat en voedingstowwe primêre produktiwiteit beheer. Gebiede wat warm en nat is, is oor die algemeen meer produktief (sien Figuur 6a en 6b). Oor die algemeen beperk die hoeveelheid water wat beskikbaar is, grondproduksie op ons wêreld, deels as gevolg van die groot woestyngebiede wat op sekere kontinente voorkom. Landbougewasse is veral produktief weens “kunsmatige” subsidies van water en kunsmis, asook die beheer van plae.

Figure 6a en 6b. Grafieke wat die verwantskap toon
tussen NPP en neerslag, en tussen NPP en temperatuur.

Selfs al hou temperatuur en veral neerslag verband met produksie, sal jy 'n groot mate van "verstrooiing" rondom die lyn van beste passing opmerk wat in die grafieke hierbo geteken is. Kyk byvoorbeeld na die reeks produksiewaardes (Y-as) by 'n temperatuurwaarde van 10 deg C of by 'n neerslagwaarde van 1000 mm. Die verstrooiing of variasie in die produksie is deels as gevolg van ander aspekte van bepaalde (plaaslike) stelsels, soos hul nutriëntbeskikbaarheid of hul omsettempo's. Byvoorbeeld, grasvelde kan 'n relatief hoë tempo van primêre produksie hê wat tydens 'n kort groeiseisoen plaasvind, maar die staande gewasbiomassa is nooit baie groot nie. Dit is 'n aanduiding van 'n hoë omsetkoers. In 'n woud, daarenteen, is die staande gewasbiomassa van bogrondse hout en ondergrondse wortels groot. Elke jaar se produksie van nuwe plantmateriaal is 'n klein fraksie van die totale staande oes, en dus is die omset van bosbiomassa baie laer.

Nog 'n goeie voorbeeld word gesien in die oseane, waar die meeste van die primêre produksie in mikroskopiese alge gekonsentreer is. Alge het kort lewensiklusse, vermeerder vinnig, genereer nie veel biomassa relatief tot hul getalle nie, en word vinnig deur herbivore geëet. Op enige gegewe tydstip is die staande oes van alge in 'n oseaan dus waarskynlik laag, maar die omsettempo kan hoog wees (sien hieronder) Ons het nou die eerste stap in die vloei van energie deur ekosisteme ondersoek: die omskakeling van energie deur primêre produsente in 'n vorm wat bruikbaar is deur heterotrofe, sowel as deur produsente self. In die volgende lesing sal ons ondersoek hoe hierdie energie deur die res van die ekosisteem beweeg, wat brandstof verskaf vir lewe op hoër trofiese vlakke.

Die vloei van energie na hoër trofiese vlakke

Die meeste van julle is nou bekend met die konsep van die trofiese vlak (sien Figuur 1). Dit is bloot 'n voedingsvlak, soos dit dikwels in 'n voedselketting of voedselweb voorgestel word. Primêre produsente bestaan ​​uit die onderste trofiese vlak, gevolg deur primêre verbruikers (herbivore), dan sekondêre verbruikers (karnivore wat op herbivore voed), ensovoorts. Wanneer ons praat van "op" in die voedselketting, praat ons figuurlik en bedoel ons dat ons van plante na herbivore na karnivore beweeg. Dit neem nie ontbinders en detritivore (organismes wat op dooie organiese materiaal voed), wat hul eie, uiters belangrike trofiese weë uitmaak, in ag nie.

In die proses word metaboliese werk gedoen en energie in chemiese bindings word omgeskakel na hitte-energie. As NPP nie verbruik word nie, sal dit iewers ophoop. Gewoonlik gebeur dit nie, maar gedurende tydperke van die Aarde se geskiedenis soos die Karboon en Pennsilvanië, het enorme hoeveelhede NPP meer as die afbraak van organiese materiaal in moerasse opgehoop. Dit is begrawe en saamgepers om die steenkool- en olieafsettings te vorm wat ons vandag ontgin. Wanneer ons hierdie neerslae verbrand (dieselfde chemiese reaksie as hierbo behalwe dat daar groter energie geproduseer word) stel ons die energie vry om die masjiene van die industrie aan te dryf, en natuurlik die CO2 gaan in die atmosfeer as 'n kweekhuisgas. Dit is die situasie wat ons vandag het, waar die oortollige CO2 van die verbranding van hierdie neerslae (verlede oortollige NPP) gaan die atmosfeer in en bou mettertyd op, wat ons klimaat dramaties verander.

  • Slegs 'n fraksie van die energie wat op een trofiese vlak beskikbaar is, word na die volgende trofiese vlak oorgedra. Die duimreël is 10%, maar dit is baie benaderd.
  • Tipies neem die getalle en biomassa van organismes af soos 'n mens die voedselketting bestyg.

'n Voorbeeld: Die jakkals en die haas

Die haas gebruik 'n beduidende fraksie van die geassimileerde energie net om 'n haas te wees - om 'n hoë, konstante liggaamstemperatuur te handhaaf, proteïene te sintetiseer en rond te spring. Hierdie energie wat gebruik word (verlore) word toegeskryf aan sellulêre respirasie. Die res gaan vir die maak van meer haasbiomassa deur groei en voortplanting (dit wil sê, die verhoging van die algehele biomassa van hase deur nageslag te skep). Die omskakeling van geassimileerde energie in nuwe weefsel word genoem sekondêre produksie in verbruikers, en dit is konseptueel dieselfde as die primêre produksie of NPP van plante. In ons voorbeeld is die sekondêre produksie van die haas die energie wat beskikbaar is vir jakkalse wat die hase vir hul behoeftes eet. Dit is duidelik dat as gevolg van al die energiekoste van hase wat by normale metaboliese aktiwiteite betrokke is, die energie wat aan jakkalse beskikbaar is, baie minder is as die energie wat vir hase beskikbaar is.

Net soos ons die assimilasiedoeltreffendheid hierbo bereken het, kan ons ook die netto produksiedoeltreffendheid vir enige organisme. Hierdie doeltreffendheid is gelyk aan die produksie gedeel deur die assimilasie vir diere, of die NPP gedeel deur die GPP vir plante. Die "produksie" verwys hier na groei plus reproduksie. In vergelykingvorm het ons netto produksie doeltreffendheid = (produksie / assimilasie), of vir plante = (NPP / GPP). Hierdie verhoudings meet die doeltreffendheid waarmee 'n organisme geassimileerde energie in primêre of sekondêre produksie omskakel.

Hierdie doeltreffendheid verskil tussen organismes, grootliks as gevolg van wyd uiteenlopende metaboliese vereistes. Byvoorbeeld, gemiddeld warmbloedige gewerwelde diere soos soogdiere en voëls gebruik ongeveer 98% van geassimileerde energie vir metabolisme, wat net 2% oorbly vir groei en voortplanting. Gemiddeld gebruik ongewerweldes slegs

80% van geassimileerde energie vir metabolisme, en toon dus groter netto produksiedoeltreffendheid (

20%) as gewerwelde diere. Aanlegte het die grootste netto produksiedoeltreffendheid, wat wissel van 30-85%. Die rede waarom sommige organismes so lae netto produksiedoeltreffendheid het, is dat hulle so is homeoterme, of diere wat 'n konstante interne liggaamstemperatuur handhaaf (soogdiere en voëls). Dit verg baie meer energie as wat deur gebruik word poikiloterme, wat ook bekend staan ​​as "koudbloedige" organismes (alle ongewerwelde diere, sommige gewerwelde diere en alle plante, al het plante nie " bloed" nie) wat nie hul temperature intern reguleer nie.

Net soos ons ons begrip van 'n stelsel van die individu tot die bevolking tot die gemeenskap kan bou, kan ons nou hele trofiese vlakke ondersoek deur ekologiese doeltreffendheid te bereken. Ekologiese doeltreffendheid word gedefinieer as die energietoevoer beskikbaar vir trofiese vlak N + 1, gedeel deur die energie wat deur trofiese vlak N verbruik word.Jy kan daaraan dink as die doeltreffendheid van hase om plante in jakkalskos te omskep. In vergelykingvorm vir ons voorbeeld, die ekologiese doeltreffendheid = (jakkalsproduksie / haasproduksie). Let daarop dat die ekologiese doeltreffendheid 'n " gekombineerde" maatstaf is wat beide die assimilasie- en netto produksiedoeltreffendheid in ag neem. Jy kan ook verskillende spesies plante en diere in 'n enkele trofiese vlak kombineer, en dan die ekologiese doeltreffendheid ondersoek van byvoorbeeld al die plante in 'n veld wat op my al die verskillende weidings, van insekte tot koeie, gevoer word.

Om oor die algehele ekologiese doeltreffendheid in 'n stelsel te dink, bring ons terug na ons eerste reël vir die oordrag van energie deur trofiese vlakke en op in die voedselketting. Oor die algemeen is slegs sowat 10% van die energie wat deur een vlak verbruik word, beskikbaar vir die volgende. Byvoorbeeld, as hase 1000 kcal plantenergie verbruik het, kan hulle dalk net 100 kcal nuwe haasweefsel vorm. Vir die haasbevolking om in bestendige toestand te wees (nie toeneem of afneem nie), behoort elke jaar se verbruik van hase deur jakkalse min of meer gelyk te wees aan elke jaar se produksie van nuwe haasbiomassa. Die jakkalse verbruik dus ongeveer 100 kcal haasbiomassa, en skakel miskien 10 kcal om in nuwe jakkalsbiomassa. Trouens, hierdie ekologiese doeltreffendheid is redelik veranderlik, met homeoterms wat gemiddeld 1-5% en poikiloterms gemiddeld 5-15%. Die algehele verlies aan energie van laer na hoër trofiese vlakke is belangrik in die vasstelling van die absolute aantal trofiese vlakke wat enige ekosisteem kan bevat.

Uit hierdie begrip behoort dit duidelik te wees dat die massa jakkalse minder as die massa hase moet wees en die massa hase minder as die massa van plante. Oor die algemeen is dit waar, en ons kan hierdie konsep visueel voorstel deur 'n piramide van biomassa vir enige ekosisteem te bou (sien Figuur 3).

Figuur 3. 'n Piramide van biomassa wat produsente en verbruikers in 'n mariene ekosisteem wys.

Piramides van biomassa, energie en getalle

Ons kan ook 'n bou piramide van getalle, wat soos sy naam aandui die aantal organismes in elke trofiese vlak verteenwoordig (sien Figuur 4-bo). Vir die grasveld wat in Figuur 4-bo getoon word, sal die onderste vlak redelik groot wees, as gevolg van die enorme aantal klein plantjies (grasse). Vir ander ekosisteme, soos die gematigde woud, kan die piramide van getalle omgekeer word: byvoorbeeld, as 'n woud se plantgemeenskap uit slegs 'n handvol baie groot bome saamgestel is, en tog was daar baie miljoene insekvreters wat die plantmateriaal geëet het .

Net soos met die omgekeerde piramide van getalle, kan daar in sommige seldsame uitsonderings 'n omgekeerde piramide van biomassa wees, waar die biomassa van die laer trofiese vlak minder is as die biomassa van die volgende hoër trofiese vlak. Die oseane is so 'n uitsondering omdat die totale hoeveelheid biomassa in mikroskopiese alge op enige tydstip klein is. So kan 'n piramide van biomassa vir die oseane omgekeerd voorkom (sien Figuur 4b-middel). Jy moet nou vra "hoe kan dit wees?" As die hoeveelheid energie in biomassa op een vlak die limiet van energie in biomassa op die volgende vlak stel, soos die geval was met die hase en jakkalse, hoe kan jy minder energie op die laer trofiese vlak hê? Dit is 'n goeie vraag, en kan beantwoord word deur, soos ons hierbo bespreek het, die allerbelangrike aspek van "tyd" te oorweeg. Al mag die biomassa klein wees, kan die KOERS waarteen nuwe biomassa geproduseer word baie groot wees. Met verloop van tyd is dit dus die hoeveelheid nuwe biomassa wat geproduseer word, van wat ook al die staande voorraad biomassa mag wees, wat belangrik is vir die volgende trofiese vlak.

Ons kan dit verder ondersoek deur 'n te konstrueer piramide van energie, wat produksietempo eerder as staande oes toon. Sodra dit klaar is, sal die figuur vir die oseaan die kenmerkende piramidevorm hê (sien Figuur 4-onder). Albevolkings kan binne 'n paar dae verdubbel, terwyl die soöplankton wat daarop vreet stadiger voortplant en binne 'n paar maande in getalle kan verdubbel, en die visse wat op soöplankton vreet, mag dalk net een keer per jaar reproduseer. Dus, 'n piramide van energie neem die omsettempo van die organismes in ag, en kan nooit omgekeer word nie. Let daarop dat hierdie afhanklikheid van een trofiese vlak op 'n laer trofiese vlak vir energie is waarom, soos jy in die lesings oor predasie geleer het, die prooi- en roofdierbevolkingsgetalle gekoppel is en hoekom hulle saam deur die tyd verskil (met 'n offset).

Figuur 4: Piramides van getalle, biomassa en energie vir verskeie ekosisteme.

Die Verblyftyd van Energie. Ons sien dat denke oor piramides van energie en omsettyd soortgelyk is aan ons besprekings van verblyftyd van elemente. Maar hier praat ons van die verblyftyd van “energie”. Die verblyftyd van energie is gelyk aan die energie in biomassa gedeel deur die netto produktiwiteit, Rt = (energie in biomassa / netto produktiwiteit). As ons die verblyftyd van energie in die primêre produsente van verskeie ekosisteme bereken, vind ons dat die verblyftye wissel van ongeveer 20-25 jaar vir woude (beide tropiese reënwoude en boreale woude), tot

3-5 jaar vir grasvelde, en uiteindelik tot net 10-15 dae vir mere en oseane. Hierdie verskil in verblyftyd tussen akwatiese en terrestriële ekosisteme word weerspieël in die piramides van biomassa, soos hierbo bespreek, en is ook baie belangrik om te oorweeg in die ontleding van hoe hierdie verskillende ekosisteme op 'n versteuring sal reageer, of watter skema die beste gebruik kan word om te bestuur die hulpbronne van die ekosisteem, of hoe jy die beste kan herstel van 'n ekosisteem wat gedegradeer is (bv. deur storms of deur mense).

Mense en Energieverbruik

Insette: NPP, bereken as jaarlikse oes. In 'n saailand vind NPP en jaarlikse oes in dieselfde jaar plaas. In woude kan die jaarlikse oes die jaarlikse NPP oorskry (byvoorbeeld, wanneer 'n woud afgekap word, is die oes van baie jare se groei), maar ons kan steeds jaarlikse gemiddeldes bereken. Let daarop dat die volgende skattings agtereenvolgens in die literatuur hersien word, maar die benadering tot die probleem is altyd dieselfde.


Gratis Energie en ATP

Die energetika van biochemiese reaksies word die beste beskryf in terme van die termodinamiese funksie genoem Gibbs vrye energie (G), vernoem na Josiah Willard Gibbs. Die verandering in gratis energie (ΔG) van 'n reaksie kombineer die uitwerking van veranderinge in entalpie (die hitte wat vrygestel of geabsorbeer word tydens 'n chemiese reaksie) en entropie (die graad van wanorde wat uit 'n reaksie voortspruit) om te voorspel of 'n reaksie energeties gunstig is of nie. Alle chemiese reaksies verloop spontaan in die energeties gunstige rigting, gepaardgaande met 'n afname in vrye energie (ΔG < 0). Oorweeg byvoorbeeld 'n hipotetiese reaksie waarin A na B omgeskakel word:

As ΔG < 0, sal hierdie reaksie in die voorwaartse rigting voortgaan, soos geskryf. As ΔG > 0, maar die reaksie sal in die omgekeerde rigting voortgaan en B sal na A omgeskakel word.

Die ΔG van 'n reaksie word nie net bepaal deur die intrinsieke eienskappe van reaktante en produkte nie, maar ook deur hul konsentrasies en ander reaksietoestande (bv. temperatuur). Dit is dus nuttig om die vrye-energie verandering van 'n reaksie onder standaard toestande te definieer. (Standaard voorwaardes word beskou as 'n 1-M konsentrasie van alle reaktante en produkte, en 1 atm druk). Die standaard vrye-energie verandering (ΔG°) van 'n reaksie is direk verwant aan sy ewewigsposisie omdat die werklike ΔG is 'n funksie van beide Δ en die konsentrasies van reaktante en produkte. Dink byvoorbeeld aan die reaksie

Die vrye-energie verandering kan soos volg geskryf word:

waar R is die gaskonstante en T is die absolute temperatuur.

By ewewig, ΔG= 0 en die reaksie verloop nie in enige rigting nie. Die ewewigskonstante vir die reaksie (K= [B]/[A] by ewewig) is dus direk verwant aan ΔG° deur die bogenoemde vergelyking, wat soos volg uitgedruk kan word:

As die werklike verhouding [B]/[A] groter is as die ewewigsverhouding (K), ΔG > 0 en die reaksie verloop in die omgekeerde rigting (omskakeling van B na A). Aan die ander kant, as die verhouding [B]/[A] minder is as die ewewigsverhouding, ΔG < 0 en A word omgeskakel na B.

Die standaard vrye-energie verandering (ΔG°) van 'n reaksie bepaal dus sy chemiese ewewig en voorspel in watter rigting die reaksie onder enige gegewe stel toestande sal verloop. Vir biochemiese reaksies word die standaard vrye-energie verandering gewoonlik uitgedruk as Δ′, wat die standaard vrye-energie verandering is van 'n reaksie in waterige oplossing by pH= 7, ongeveer die toestande binne 'n sel.

Baie biologiese reaksies (soos die sintese van makromolekules) is termodinamies ongunstig (ΔG > 0) onder sellulêre toestande. Om sulke reaksies te laat voortgaan, is 'n bykomende bron van energie nodig. Dink byvoorbeeld aan die reaksie

Die omskakeling van A na B is energeties ongunstig, dus die reaksie verloop in die omgekeerde eerder as die vorentoe rigting. Die reaksie kan egter in die voorwaartse rigting gedryf word deur die omskakeling van A na B te koppel aan 'n energeties gunstige reaksie, soos:

As hierdie twee reaksies gekombineer word, kan die gekoppelde reaksie soos volg geskryf word:

Die ΔG van die gekombineerde reaksie is die som van die vrye-energie veranderinge van sy individuele komponente, dus is die gekoppelde reaksie energeties gunstig en sal voortgaan soos geskryf. Dus word die energeties ongunstige omskakeling van A na B aangedryf deur dit te koppel aan 'n tweede reaksie wat geassosieer word met 'n groot afname in vrye energie. Ensieme is verantwoordelik vir die uitvoering van sulke gekoppelde reaksies op 'n gekoördineerde wyse.

Die sel gebruik hierdie basiese meganisme om die baie energeties ongunstige reaksies wat in biologiese sisteme moet plaasvind, aan te dryf. Adenosien 5′-trifosfaat (ATP) speel 'n sentrale rol in hierdie proses deur op te tree as 'n stoor van vrye energie binne die sel (Figuur 2.31). Die bindings tussen die fosfate in ATP staan ​​bekend as hoë-energiebindings omdat hul hidrolise gepaard gaan met 'n relatief groot afname in vrye energie. Daar is niks besonders aan die chemiese bindings self nie hulle word hoë-energiebindings genoem net omdat 'n groot hoeveelheid vrye energie vrygestel word wanneer hulle binne die sel gehidroliseer word. In die hidrolise van ATP na ADP plus fosfaat (Pi), ΔG°′= -7.3 kcal/mol. Onthou egter dat ΔG°′ verwys na “standaardtoestande,” waarin die konsentrasies van alle produkte en reaktante 1 is M. Werklike intrasellulêre konsentrasies van Pi is ongeveer 10-2 M, en intrasellulêre konsentrasies van ATP is hoër as dié van ADP. Hierdie verskille tussen intrasellulêre konsentrasies en dié van die standaardtoestand bevoordeel ATP-hidrolise, dus vir ATP-hidrolise binne 'n sel, ΔG is ongeveer -12 kcal/mol.

Figuur 2.31

ATP as 'n stoor van gratis energie. Die bindings tussen die fosfaatgroepe van ATP word hoë-energiebindings genoem omdat hul hidrolise 'n groot afname in vrye energie tot gevolg het. ATP kan óf gehidroliseer word na ADP plus 'n fosfaatgroep (HPO4 2- ) of na AMP (meer. )

Alternatiewelik kan ATP gehidroliseer word na AMP plus pirofosfaat (PPi). Hierdie reaksie lewer ongeveer dieselfde hoeveelheid vrye energie as wat die hidrolise van ATP na ADP doen. Die pirofosfaat wat deur hierdie reaksie geproduseer word, word dan self vinnig gehidroliseer, met 'n ΔG soortgelyk aan dié van ATP-hidrolise. Dus, die totale vrye-energie verandering as gevolg van die hidrolise van ATP na AMP is ongeveer twee keer die wat verkry word deur die hidrolise van ATP na ADP. Ter vergelyking, die binding tussen die suiker- en fosfaatgroep van AMP, eerder as om hoë energie te hê, is tipies van kovalente bindings vir die hidrolise van AMP, ΔG°′= -3.3 kcal/mol.

As gevolg van die gepaardgaande afname in vrye energie, kan die hidrolise van ATP gebruik word om ander energie-vereiste reaksies binne die sel aan te dryf. Byvoorbeeld, die eerste reaksie in glikolise (bespreek in die volgende afdeling) is die omskakeling van glukose na glukose-6-fosfaat. Die reaksie kan soos volg geskryf word:

Omdat hierdie reaksie energiek ongunstig is soos geskryf (ΔG°′= +3.3 kcal/mol), dit moet in die voorwaartse rigting aangedryf word deur gekoppel te word aan ATP-hidrolise (ΔG°′= -7.3 kcal/mol):

Die gekombineerde reaksie kan soos volg geskryf word:

Die vrye-energie verandering vir hierdie reaksie is die som van die vrye-energie veranderinge vir die individuele reaksies, dus vir die gekoppelde reaksie ΔG°′= -4.0 kcal/mol, wat glukose-6-fosfaatvorming bevoordeel.

Ander molekules, insluitend ander nukleosiedtrifosfate (bv. GTP), het ook hoë-energie-bindings en kan gebruik word aangesien ATP energie-vereiste reaksies aandryf. Vir die meeste reaksies verskaf ATP egter die vrye energie. Die energie-oplewerende reaksies binne die sel is dus gekoppel aan ATP-sintese, terwyl die energie-vereiste reaksies aan ATP-hidrolise gekoppel is. Die hoë-energie bindings van ATP speel dus 'n sentrale rol in selmetabolisme deur te dien as 'n bruikbare bergingsvorm van vrye energie.


Die toekoms van vervaardiging word met biologie gebou. Of hoe hierdie biotegnologie-opstart die triljoen-dollar globale chemiese industrie uitdaag

EnginZyme se tegnologie kan die toerusting en energiekoste van vervaardiging dramaties verminder deur . [+] benut die natuur se vermoë om chemikalieë te maak, wat moontlik die triljoen-dollar globale chemiemark transformeer.

Vervaardiging is 'n kru wetenskap. Ons vernietig berge om swaar metale te ontgin, wat ons dan teen hoë druk en temperature kook om dinge soos plastiek, nylon en rubber te maak. Vergelyk dit met die natuur: Lewende selle en organismes kan al die chemikalieë maak wat nodig is om oor 'n wye reeks omgewings te floreer, wat dikwels min meer as koolstofatome en 'n bietjie sonlig benodig.

"Die natuur het blykbaar 'n baie beter oplossing," sê Karim Engelmark Cassimjee, uitvoerende hoof van EnginZyme. Sy maatskappy beskou die benutting van biologie as 'n vervaardigingsplatform nie as 'n blote volhoubaarheidspel nie, maar as 'n wêreldwye markgeleentheid van biljoen dollar.

Op Woensdag 22 April het EnginZyme aangekondig dat hulle €6.4 miljoen ingesamel het in 'n reeks A-rondte gelei deur Sofinnova Partners, wat die maatskappy se totale befondsing op meer as €10 miljoen te staan ​​bring. Die sesjarige maatskappy, 'n uitvloeisel van die Arrhenius-laboratorium aan die Universiteit van Stockholm, het stilweg gewerk aan 'n nuwe tegnologie wat die impak wat sintetiese biologie op die vervaardiging van alles van voedselbestanddele tot biomateriale tot aktiewe sal verander. farmaseutiese bestanddele.

In die breë gesproke begin maatskappye biovervaardiging as hul voorkeurmetode van produksie aanneem. Dit wat goed is vir die omgewing is immers oor die algemeen goed vir besigheid (minder energie, minder hulpbronne, minder chemiese verwerking en laer koste). Biovervaardiging verteenwoordig 'n groeiende deel van die produkte wat ons elke dag gebruik. As 'n voorbeeld, hoëprestasie-bio-elektronika sal waarskynlik in jou volgende slimfoon, skootrekenaar, horlosie of televisie beland, nie omdat dit met biologie gemaak is nie, maar bloot omdat dit beter werk.

Biovervaardiging—sonder die sel?

Maar wat verstommend is van EnginZyme se benadering is dit: Dit word alles gedoen deur die gebruik van selvrye sintetiese biologie, 'n tegniek wat die krag kan benut om met biologie te bou, sonder om die sel self te benodig - en al die kompleksiteit wat daarmee gepaard gaan daarmee saam.

Stanley Black en Decker se Jim Loree het groot planne om gasaangedrewe gereedskap, trimmers en maaiers te elektrifiseer

Forbes 2021 volgende miljard-dollar-opstartlys: nominasies is oop

Samewerkende tegnologie maak dwelmontdekking makliker en vinniger

"Ons platform boots fermentasie na," sê Cassimjee, en praat oor die eeue oue proses om biologie te gebruik om alles van kimchee tot bier te maak. Fermentasie is nou al dekades lank ’n hoeksteen van die biotegnologiebedryf. Maar EnginZyme se tegnologie beloof 'n vermindering van 40% in CapEx (die koste van vervaardiging van toerusting en instandhouding) en 'n vermindering van 70% in energie.

"Ons gebruik biologie en ensiem katalisators in plaas van metaal katalisators, teen laer temperatuur en druk," sê Cassimjee. Dit is 'n speletjie-wisselaar wat EnginZyme in staat kan stel om te kompeteer met die stadiger bewegende reuse van die chemiese industrie, wat voorsiening maak vir kleinerskaalse vervaardiging op aanvraag - iets waarna hierdie post-COVID-wêreld en sy behoefte aan gelokaliseerde voorsieningskettings vra.

Neem die chemiese industrie aan

Cassimjee wil niks minder as die hele chemiese industrie aanvat nie, alles van plastiek tot grootmaat chemikalieë. Maar die taak sal nie noodwendig maklik wees vir 'n begin nie. "Vir elke toepassing moet ons 'n chemiese proses en produksie-aanleg vervaardig," sê hy. En die eindspel kom met 'n bewese, grootskaalse produksiestrategie om uit chemie te maak wat dit ook al is wat die wêreld nodig het.

Die vastebedtegnologie wat EnginZymes gebruik, word reeds goed verstaan, en sy skeidingstegnologie word ook goed verstaan. EnginZyme se geheime sous - die vooruitgang wat die potensiaal het om die paradigma van bio-gebaseerde vervaardiging te verander - is 'n spesiale materiaal wat aan ensieme kan bind terwyl dit hulle toelaat om hul funksionaliteit te behou.

Met konvensionele chemie, "Jy sit alles in die tenk en meng," sê Cassimjee. Daardie chemie hang af van ensieme, die proteïene wat 'n chemiese reaksie vorentoe laat beweeg. Byvoorbeeld, wanneer ons hoor van 'n maatskappy wat 'n bakterie ontwikkel het om suiker in 'n hoëwaarde-chemikalie te verander, is dit eintlik 'n stel ensieme in die bakterieë wat die harde werk doen om suiker in 'n chemiese stof te omskep. Die bakterieë tree eenvoudig op as klein tenks wat die ensieme produseer en meng, wat die fermentasieproses vergemaklik wat bruikbare chemikalieë vir ons maak.

Maar met hierdie nuwe tegnologie word die biologiese ensieme vasgestel, en die verskillende bestanddele vloei deur die vaste ensieme, en die finale produk vloei aan die ander kant uit.

Die uiteindelike vervaardigingsplatform

Soos ek al voorheen geskryf het, is sintetiese biologie en die proteïenontwerpwêreld nou in staat om ensieme vir allerhande nuwe toepassings te ontwerp. En omdat ensieme lang kettings van 20 verskillende aminosure is, is die verskeidenheid verskillende moontlike ensieme wat beskikbaar is meer as die aantal sterre in die heelal, wat mense wat vanuit eerste-orde ontwerpbeginsels werk, 'n oneindige ontwerpruimte gee om binne te werk.

"As 'n maatskappy 'n spesifieke molekule in gedagte het, kan ons hulle help om dit te maak," sê Cassimjee.

EnginZyme werk saam met maatskappye wat biokatalisators gebruik—ensieme wat met biologie gemaak word—om hul prosesse op te skaal tot industriële produksieskale.

Deur die ensieme van die bakterieë te skei, vereenvoudig EnginZyme die chemiese produksieproses aansienlik. Dit vereenvoudig die proses aansienlik en verwyder die vreemde chemiese reaksies en energie wat nodig is om die bakterieë lewendig te hou. In plaas daarvan om 'n groot bakkie bakterieë te gebruik wat duur is om op te stel en te bestuur, kan maatskappye 'n doeltreffende kolom gebruik wat met gekonsentreerde ensieme gevul is, voortdurend suiker bo-in voer en hul produk onder uitkry.

Soos Cassimjee dit beskryf, "Dit is soos om iemand wat 'n motor met die hand bou te vergelyk met Henry Ford en die outomatiese monteerlyn."

Stevia is 'n natuurlike soet plaasvervanger vir suiker, maar kan sintetiese biologie dit minder bitter maak?

Universal Images Group via Getty Images

Een voorbeeld van hoe EnginZyme se tegnologie ons sal beïnvloed, is in die wêreld van voeding. Die suiker wat ons by ons koeke, koekies en souse voeg is homogeen, wat beteken dat elke molekule (sukrose) dieselfde is. Maar dit is nie natuurlik nie, en dit is beslis nie gesond nie. Ek het al voorheen geskryf oor maatskappye wat gesonde alternatiewe vir suiker ontwikkel, soos Codexis met Stevia. EnginZyme se tegnologie kan 'n toekoms moontlik maak waar ons toegang het tot baie verskillende soorte gesonde suikers en suikervervangers, elkeen geskik vir 'n ander spesifieke gebruiksgeval.

Ons kan dieselfde ding sien gebeur met plastiek, of met ander molekules. Ons het tans verskillende plastiekmolekules wat vir verskillende doeleindes gebruik word (plastiekbottels teenoor plastieksakke, byvoorbeeld), maar in die toekoms kan ons groener alternatiewe vir al hierdie ontwikkel, dit uit afval vervaardig of dit bioafbreekbaar maak.

Belegging en vervaardiging in die post-COVID-wêreld

Baie in die beginwêreld sal vir jou sê dat waagbefondsing tans amper gevries is, aangesien fondse evalueer watter besighede die nuwe wêreld waarin ons leef sal kan oorleef. Met dit in gedagte, vir EnginZyme om so 'n indrukwekkende rondte befondsing in te samel , iemand moet glo dat hulle op iets werklik transformerend is.

Biovervaardiging gaan nie net daaroor om ons huidige materiale goedkoper te maak nie. Dit gaan ook daaroor om ongelooflike nuwe produkte op die mark te bring wat beter presteer as die beste produkte wat konvensionele chemie ons nou kan gee. Deur te leer van en voort te bou op die diversiteit wat die natuur ons gegee het, kan ons 'n beter produk op 'n beter manier maak.


Gevolgtrekking en toekomsperspektiewe

Om aan die verhoogde energiebehoeftes van oefening te voldoen, het skeletspier 'n verskeidenheid metaboliese weë wat ATP beide anaërobies (wat geen suurstof benodig nie) en aërobies produseer. Hierdie paaie word gelyktydig geaktiveer vanaf die aanvang van oefening om presies te voldoen aan die eise van 'n gegewe oefensituasie. Alhoewel die aërobiese bane die verstek, dominante energie-produserende paaie tydens uithouvermoë oefening is, benodig hulle tyd (sekondes tot minute) om ten volle te aktiveer, en die anaërobiese stelsels verskaf vinnig (in millisekondes tot sekondes) energie om te dek wat die aërobiese stelsel nie kan verskaf nie. . Anaërobiese energievoorsiening is ook belangrik in situasies van hoë-intensiteit oefening, soos naelloop, waarin die behoefte aan energie die tempo wat die aërobiese stelsels kan verskaf ver oorskry. Hierdie situasie is algemeen in stop-en-gaan-sportsoorte, waarin oorgange van laer-energie- na hoër-energiebehoeftes talle is, en voorsiening van beide aërobiese en anaërobiese energie dra energie vir atletiese sukses by. Saam laat die aërobiese energieproduksie deur vet en koolhidrate as brandstof en die anaërobiese energievoorsiening van PCr-afbreking en koolhidraatgebruik in die glikolitiese pad Olimpiese atlete toe om aan die hoë energiebehoeftes van bepaalde byeenkomste of sportsoorte te voldoen.

Die verskillende metaboliese weë word gereguleer deur 'n reeks binnespierse en hormonale seine wat ensiemaktivering en substraatbeskikbaarheid beïnvloed, om sodoende te verseker dat die tempo van ATP-resintese nou ooreenstem met die ATP-vereistes van oefening. Gereelde opleiding en verskeie voedingsintervensies is gebruik om moegheidsweerstand te verbeter deur modulasie van substraatbeskikbaarheid en die effekte van metaboliese eindprodukte.

Die begrip van oefening-energievoorsiening, die regulering van metabolisme en die gebruik van vet- en koolhidraatbrandstowwe tydens oefening het oor meer as 100 jaar toegeneem, op grond van studies wat verskeie metodes gebruik, insluitend indirekte kalorimetrie, weefselmonsters van sametrekking van skeletspiere, metaboliese- spoorsnyermonsterneming, geïsoleerde skeletspierpreparate, en ontleding van hele liggaam en streeks arterioveneuse bloedmonsters. In feitlik alle areas van die regulering van vet- en koolhidraatmetabolisme bly baie egter onbekend. Die bekendstelling van molekulêre biologie tegnieke het geleenthede gebied vir verdere insigte in die akute en chroniese reaksies op oefening en die regulering daarvan, maar selfs daardie studies word beperk deur die vermoë om herhaaldelik spiere in menslike deelnemers te monster om die uiteenlopende tydsverloop van sleutelgebeure volledig te ondersoek. . Die vermoë om bevindinge van in vitro-eksperimente en dierestudies na mense in mededingende omgewings te oefen, bly beperk.

Die veld sukkel ook steeds met maatstawwe spesifiek vir die verskillende kompartemente wat in die sel bestaan, en kennis ontbreek steeds aangaande die fisiese strukture en steierwerk binne hierdie kompartemente, en die kommunikasie tussen proteïene en metaboliese weë binne kompartemente. 'n Duidelike voorbeeld van hierdie kwessies is in die bestudering van die gebeure wat tydens oefening in die mitochondria plaasvind. Een area wat nie so vinnig gevorder het as wat nodig is nie, is die vermoë om nie-indringend die brandstof, metaboliete en proteïene te meet in die verskeie belangrike spierselkompartemente wat betrokke is by die regulering van metabolisme tydens oefening. Alhoewel magnetiese resonansiespektroskopie sekere verbindings nie-indringend kon meet, is dit oor die algemeen nie moontlik om veranderinge wat plaasvind met oefening op die molekulêre en sellulêre vlakke te meet nie.

Sommige navorsers ondersoek oefeningsmetabolisme op die hele liggaamsvlak deur 'n fisiologiese benadering, en ander ondersoek die ingewikkeldhede van selsein en molekulêre veranderinge deur 'n reduksionistiese benadering. Nuwe geleenthede bestaan ​​vir die geïntegreerde gebruik van genomika, proteomika, metabolomika en sisteembiologie-benaderings in data-ontledings, wat nuwe insigte in die molekulêre regulering van oefeningmetabolisme behoort te verskaf. Baie vrae bly oor elke area van energiemetabolisme, die regulering van vet- en koolhidraatmetabolisme tydens oefening, optimale opleidingsintervensies en die potensiaal vir manipulasie van metaboliese response vir ergogeniese voordele. Oefenbiologie sal dus vir baie jare voortgaan om 'n vrugbare navorsingsarea te wees, aangesien navorsers 'n groter begrip soek van die metaboliese basisse vir die atletiese suksesse wat tydens die vierjaarlikse Olimpiese sportfees geniet en gevier sal word.


Ensieme wat in die brouproses gebruik word

Selfs vir Associate in Nursing onlangse handel soos broueryproduksie, neem nuwe industriële prosesse plesier in die ontginning van ensieme wat uit mikroörganismebronne ontwikkel is. Verlede jaar se gehaltekwessies soos geurbeheer, bierstabiliteit en algemene kostebesparings in die bedryf hou indirek verband met doeltreffende oplossings vir omgewingsprobleme. Die toekomstige fokus sal wees op 'n wyer toepassing van ensieme om te brou met hoë hoeveelhede goedkoop grondstowwe soos gars. Alternatiewe bierprosesse word ontwikkel vir die produksie van wort en bier met hoër produktiwiteit en verminderde hoeveelhede afval en neweprodukte. In hierdie artikel laat’s praat oor Ensieme wat gebruik word in Brou proses.

Inleiding

Bier en wyn is al vir soveel jare deel van ons sosiale lewe en beide drankies word geproduseer deur gisfermentasie van suikers. Druiwe is die basis vir wyn en gars is die basiese bestanddeel vir bier. Druiwe wat verouder is, bevat reeds die suikers wat nodig is vir die fermentasie, terwyl gars stysel bevat wat tot fermenteerbare suikers afgebreek moet word voordat die gis alkohol kan maak. Daarom bevat antieke produksie 'n bykomende stap in vergelyking met wynmaak, naamlik vermouting waarin ensieme geproduseer word wat nodig is vir die afbreek van stysel tot fermenteerbare suikers.

Ontkiemde gars of ander graansoorte soos koring en sorghum is wat gars is:

Die korrelarea-eenheid “steeped” dra die waterinhoud oor van omtrent twaalftoonmusiek na vyf-en-veertigste.

Hulle word toegelaat om vir 4-6 te ontkiem.

Laastens word die ontkieming gestop deur verhitting (verhitting) wat 'n finale nat inhoud van omtrent vierdimensioneel bereik.

Sommige ensieme soos β-amilases is reeds teenwoordig in die gars, maar die meerderheid ensieme word tydens die ontkieming geproduseer wat α-amilases en proteases insluit en in die finale mout al die ensieme wat nodig is vir die omskakeling van “grains” in 'n moontlike vloeistof (wort).

Beperkings van moutensieme is dat hulle slegs by sekere temperature, pH-waardes, ens kan werk en die aktiwiteite kan te laag wees om behoorlike werk te doen in die regte tyd. Maar aan die ander kant kan kommersiële ensieme ontwerp word om teen voorkeurtemperature en pH-waardes te werk, om meer ensiematiese krag te hê, of om gewenste ensiemaktiwiteite uit te druk wat nie in mout voorkom nie. Daarom maak die byvoeging van eksogene ensieme die brouproses makliker, vinniger en meer konsekwent. Dit bring broumeesters ekstra buigsaamheid in die keuse van grondstowwe as gevolg van minder afhanklikheid van moutensieme, asook die geleentheid om nuwe produkte te skep, wat nie moontlik is om met moutensieme alleen te maak nie. Kommersiële ensieme bied ook die moontlikheid om biergehalte te verbeter deur ongeure te vermy. Die toenemende kommer oor hulpbronne en CO2-vrystelling het die gebruik van sake-ensieme bykomend onder die produksiebedryf geplaas. Met die gebruik van eksogene ensieme, sal bykomende uit die grondstowwe onttrek word, meer plaaslike grondstowwe en ongemoute korrels kan gebruik word, wat aansienlike hoeveelhede energie en vervoer bespaar.

Kommersiële ensieme uit eksogene bronne

Die tradisionele aanbod van ensieme wat gebruik word vir die omskakeling van graan in brouery is garsmout. As gebrekkige versnelleraktiwiteit 'n geskenk binne die mash is, sal daar verskeie ongewenste gevolge wees:

Die uittrekselopbrengs sal te laag wees

Wortskeiding sal te lank neem

Die fermentasieproses sal te stadig wees

Te min alkohol sal geproduseer word

Die bierfiltrasietempo sal verminder word

Die geur en stabiliteit van die brouery is minderwaardig.

Eksogene ensieme area eenheid wat gewoond is om die mout’s eie ensieme aan te vul om so hierdie kwessies te voorkom. Verder word industriële ensieme gebruik om beter bykomende vloeibaarmaking te verseker, om lae-koolhidraatbier te produseer (‘light beer’), om die bier rypwordingstyd te verkort, en om bier van goedkoper grondstowwe te produseer.

Stappe van die produksiebedrywighede waar mikroörganisme-ensieme ook al gebruik word.

Operasie uitgevoer Ensiem gebruik Werking van ensiem Funksie
Afkookpan (graanstoof) α-amilase Hidrolyseer stysel Vervloeiing.
Verminder viskositeit
β-glukanase Hidrolyseer glukane. Help die filtrasie.
Mashing α-amilase Hidrolyseer stysel. Mout verbetering.
Amiloglucosidase Die glukose-inhoud neem toe. 'n Verhoging in die % fermenteerbare suiker in "ligte" bier.
Onttakkende ensiem Hidrolyseer α-1,6 vertakkingspunte van stysel. Verseker maksimum fermenteerbaarheid van die wort.
Proteases Verhoog oplosbare proteïen en vrye aminostikstof. Mout verbetering
Verbeterde gisgroei.
β-glukanase Hidrolyseer glukane. Verbeter wortskeiding.
Pentosanase/xilanase Hidrolyseer pentosane van mout, gars, koring. Verbeter ekstraksie en bierfiltrasie.
Fermentasie Swam α-amilase Verhoog die inhoud van maltose en glukose. Verhoog % van fermenteerbare suiker in "ligte" bier.
β-glukanase Hidrolyseer glukane. Verminder viskositeit en bevorder filtrasie.
α-asetolaktaat-dekarboksilase (ALDC) Skakel α-asetolaktaat direk om na asetoïen. Verkort fermentasietyd deur die vorming van diasetiel te vermy.
Kondisionering tenk Protease Verander proteïen-polifenoliese verbindings. Verminder die koue waas wat in bier gevorm word.

Brou Met Gars

Die tradisionele gebruik van gars is beperk tot 10-20% van die kors wanneer hoëgehalte mout gebruik word. Deur onder gemodifiseerde mout te gebruik, word die brouproses moeiliker en dus moet die mash aangevul word met ekstra ensiemaktiwiteit as die brouer voordeel wil trek uit die voordele van ontginning van ongemoute gars terwyl hy steeds produksieprestasie behou. Brouers voeg gewoonlik 'n mout-ekwivalente mengsel van α-amilase, β-glukanase en protease by tydens die inmengingstadium of hulle kan kies om ensieme afsonderlik by te voeg soos benodig.

Ensieme by die werk

Baie brouerye het die afgelope twee jaar programme uitgevoer om doeltreffendheid te verhoog en grondstofgebruik te optimaliseer, terwyl hulle fokus op die gebruik van kommersiële ensieme om die produksietyd te verkort, kapasiteit te verhoog en die gebruik van 'n grondstofalternatief vir mout moontlik te maak.

Enkele belangrike voorbeelde is:

Die uitruil van 'n deel van die mout met gars is baie gewild as gevolg van ontginning gars tesame met besigheid ensieme bied 'n ekwivalente brouery kwaliteit soos mout.

Die bekendstelling van 'n hoër inhoud van styselhidrolerende ensieme bied die moontlikhede van die vervaardiging van “ligte bier” ook genoem “lae-kalorie bier”.

'n Versneller-resolusie vir diasetielbestuur wanneer fermentasie verbeter vaartuigbenutting, bespaar energie en verseker 'n hoë broukwaliteit wanneer 'n verminderde rypwordingstyd.

Diasetiel word gemaak deur die nie-ensiematiese aërofiele chemiese verandering van α-asetolaktaat, wat deur die gis geskep word gedurende primêre fermentasie. Die diasetiel word weer verwyder as gevolg van die gis tydens die bier rypwording stadium deur omskakeling na asetoïen, wat 'n baie hoër geur drempelwaarde het. Trouens, asetoïen is amper smaakloos in vergelyking met diasetiel.

Effektiewe Adjunk- en Moutoplossings

Brewers United Nations-agentskap benodig waardebesparings of gebruik van inheemse grondstowwe wat ondergemodifiseerde mout kan verskaf of die grootteverhouding van byvoegsel kan verhoog. Die beperkende kwessie is om seker te maak dat 'n voldoende gevorderde versnelleraktiwiteite vir 'n hoë-gehalte wort is. Die versnellerverskaffers verskaf 'n verskeidenheid vermengde produkte om gemaklike waaier, ekstrak-opbrengs, filtreerbaarheid en fermenteerbaarheid vir hoëgehalte-indeks finale biere te verseker. Koste-effektiewe byvoegings- en moutoplossings vierkantige maat geskep met β-glukanase, xilanase, α-amilase en protease.

Vinniger deurset en meer uittreksel

Selfs met slim moutsoorte is dit haalbaar om vierhonderdste langer broufiltersikluslopies, 0,5% tot 1% meer ekstrak en 0,5% verminderde bierverliese vir meer brousels per dag te besef. Vinniger opkoms en bykomende uittreksel vierkantige maat geskep met β-glukanase en arabinoksielanase.


Ondersoek die potensiaal vir oewergrenslande om ekosisteemdienste en bio-energieproduksie te verbeter

Christine Costello, Nasser Ayoub, in Biobrandstof, Bio-energie en Voedselsekerheid, 2019

3 Oewer buffersones

Oewerbuffers is begroeide gebiede langs waterweë, wat natuurlewe-habitat, sediment en voedingstofsinks verskaf om waterkwaliteit te verbeter, gronderosie te verminder en potensieel lignosellulosiese grondstof vir biobrandstof te produseer (Williams et al., 2015 Gu en Wylie, 2018). Daarbenewens kan die omskakeling van oewerbuffers in landbougebiede van eenjarige rygewasse na kortrotasie-sellulosegewasse wat vir biobrandstofproduksie gekweek word, ekonomiese motivering bied vir bufferaanneming onder boere (Rosa et al., 2017). Groot aandag moet egter aan onkruidbestuur gegee word wanneer dit gebruik word vir die vervaardiging van monokultuur lignosellulose grondstowwe (Williams et al., 2015). Benewens die ekonomiese potensiaal van die aanplant van energiegewasse in oewersones kan daar ook groot omgewingsvoordeel wees as die sones onbemes is. Die belangrikheid van energiewilg as voedingstofonderskepping en -retensie op die omgewingsbalans van 'n 50-m oewerbuffer is in Swede getoets. Daar is gevind dat die geplante filterwilg netto aardverwarmingspotensiaal (GWP) en eutrofikasiepotensiaal (EP) besparings van tot 11,9 Mg CO behaal het2e en 47 kg PO4e ha − 1 jaar − 1 onderskeidelik, in vergelyking met 'n GWP-besparing van 14,8 Mg CO2e ha − 1 jaar − 1 en 'n EP-toename van 7 kg PO4e ha − 1 jaar − 1 vir bevrugte wilgerboom (Styles et al., 2016).

Die herstel van gedegradeerde oewersones kan baie ekosisteemdienste verskaf. Fortier et al. ekosisteemdiensverbeteringspotensiaal geëvalueer nadat die nie-bestuurde kruidagtige buffers met basterpopulier (Populus spp.) vervangingsbuffers in die suide van Québec. Hierdie plasing van oewersones langs plaasstrome kan lei tot die produksie van 5280-76,151 ton populier met die potensiaal om 2-29 miljoen L brandstofolie te verplaas (Fortier et al., 2016). Gu het ook die vervanging van gewaslandwaterwegbuffers met hoë wisselgrasproduktiwiteitspotensiaal in die oostelike Groot Vlakte (EGP) bestudeer en tot die gevolgtrekking gekom dat ongeveer 16 342 km 2 waterwegbuffers in die EGP moontlik geskik is vir wisselgrasontwikkeling met 'n geskatte 15 miljoen MT wisselgras. produksie elke jaar (Gu en Wylie, 2018).

3.1 'n Gevallestudie: Bio-energie verbouing in die Missouri/Mississippi River Corridor

In die Verenigde State word biobrandstofproduksie deur die aanplant van energiegewasse op marginale lande beskou as 'n baie belowende hernubare energiebron (Wicke, 2011 Stoof et al., 2014 Zhao et al., 2014). Om hierdie doelwit te bereik, moet die hoë logistieke koste van biomassahulpbronne egter opgelos word (Ayoub et al., 2007, 2009). Een van die voorgestelde oplossings is om energiegewasse langs rivierkorridors te produseer om vervoer via waterweë te maksimeer, bv. deur skutte te gebruik om biomassa na bioraffinaderye oor te dra. Die aanplant van biomassaspesies in oewergebiede kan ekosisteemdienste verskaf deur die laai van voedingstowwe en plaagdoders na die waterweg te verminder. Verder kan die maksimalisering van watergebaseerde vervoer lewensiklusenergie en KHG's aansienlik verminder aangesien watergebaseerde vervoer laer brandstofverbruik per ton-myl gereis as ander maniere van vervoer tot gevolg het. Een van die projekte wat hierdie potensiaal probeer verwesenlik, is die Mississippi/Missouri River Advanced Biomass/Biofuel Consortium (MRABC) samewerkingsprojek tussen meer as 40 akademiese instellings en landbou- en energiemaatskappye wat werk om die Missouri/Mississippi River Corridor (MMRC) te verander. tot 'n verskaffer van skoon energie vir die Verenigde State en ekonomiese geleentheid vir Missouri (Jose, 2015).Een van die oogmerke van die MRABC-projek is om die vermoë van die Midde-Weste te demonstreer om 'n beduidende bydraer tot biobrandstofproduksie in die Verenigde State te wees sonder om grond wat aan voedselgewasse toegewy is, te betree. Nog 'n doel is om te ondersoek hoe om die biomassa winsgewend en met bykomende ekosisteemvoordele te vervoer en te verfyn deur marginale lande langs die riviere te verbou. Om die potensiaal van hierdie idee te wys, word die huidige verspreiding van skeepshawens en bioraffinaderye rondom MMRC, binne 100 myl van die Mississippi/Missouri-rivier se middellyn, in Fig. 6.2 en 6.3 onderskeidelik. So 'n bekostigbare manier om energie-gewasse te vervoer is noodsaaklik om biomassa-produksie haalbaar te maak vir produsente en bio-energieprodusente. Hierdie wen-wen-situasie kan 'n gevestigde ekonomies stabiele mark skep wat biobrandstof na 'n ander stadium kan neem, byvoorbeeld die skepping van streeks biobrandstofverwerking en raffineringsaanlegte langs die rivier. Hierdie fasiliteite naby oesterreine sal die biomassa verwerk tot makliker-verskeepbare bio-energieprodukte soos korrels en brandstof wat ekonomiese metodes van verskeping, bv. vragmotors, regdeur die Verenigde State of deur die hawe van New Orleans vir uitvoer moontlik maak.

Fig. 6.2 . Barge hawens verspreiding rondom die Missouri / Mississippi River Corridor.

Fig. 6.3. Verspreiding van bioraffinaderye rondom die Missouri/Mississippi-rivierkorridor.

In 'n onlangse publikasie is die oppervlakte van marginale gronde beskikbaar in die MMRC onder 'n verskeidenheid scenario's bepaal (Ayoub et al., in pers). Die scenario's is ontwikkel om fisiese redes vir marginale grondstatus in te sluit, spesifiek lande wat as "dikwels oorstroom" geklassifiseer word en/of lande met hoë erodeerbaarheidsfaktore gedefinieer deur 'n faktor K groter as 0,4, soos gedefinieer deur die Natural Resources Conservation Service's Soil Survey Geographic databasis (NRCS-SSURGO, 2017). Om ander beleids- en omgewingsoorwegings te ondersoek, is scenario's ook ontwikkel om lande in te sluit of uit te sluit wat aan die fisiese kriteria vir marginaliteit voldoen het, maar wat ook woude of Bewaringsreservaat-program (CRP)-lande was. Beboste gebiede en CRP-lande is tipies nie toelaatbaar vir die gebruik van bio-energie-verbouing nie. Terwyl bewyse oor die algemeen ondersteun dat beboste grond nie vir bio-energie-verbouing gebruik moet word nie, is die potensiaal om die missie van bewaring te bereik terwyl ook biomassa van CRP-lande ingesamel word minder voor die hand liggend, soos vroeër. Die geskatte omvang van grond beskikbaar oor 24 scenario's het gewissel van 0,1 Mha in die mees konserwatiewe geval tot 58,4 Mha in die geval waar marginaliteit gedefinieer kan word as óf gereeld oorstroom óf hoogs erodeerbaar, en woud- en CRP-lande as in aanmerking kom (Ayoub et al. , in druk). Die skrywers het twee scenario's geïdentifiseer as waarskynlik haalbaar en aansienlike hoeveelhede biomassa produseer. Hierdie scenario's het lande ingesluit wat óf gereeld oorstroom óf hoogs erodeerbaar was, óf slegs erodeerbaar was en nie bos- of CRP-lande ingesluit het nie, maar wat as saailand geklassifiseer kon word, maar as ongeskik geag is vir gewasproduksie gegewe die oorstromings- of erodeerbaarheidstatus. In hierdie scenario's is 27.56 of 30.39 Mha in die MMRC geïdentifiseer (Ayoub et al., in pers). 'n Reeks waargenome opbrengsdata vir skakelgras, wilgerboom en populier binne die studiegebied en reekse van waargenome energie-omsettingsfaktore vir etanol, vliegtuigbrandstof en elektrisiteit is toe gebruik om energiepotensiaal te skat. Die skrywers het beraam dat hierdie twee scenario's gemiddeld tussen 297 en 365 miljoen ton biomassa, of tussen 98 en 131 miljard L etanol 63 en 76 miljard L biostraalbrandstof of 469 en 513 TWh elektrisiteit kan verskaf (Ayoub et al., in druk).


Aminosure met vertakte ketting, deel B

Henry M. Miziorko,. Jacqueline R. Roberts, in Methods in Enzymology, 2000

Inleiding

3-hidroksi-3-metielglutariel-CoA-liase (EC 4.1.3.4) kataliseer die splitsing van HMG-CoA om asetiel-CoA en asetoasetaat te vorm [Vgl. (1)].

Hierdie reaksie is 'n sleutelstap in ketogenese en verteenwoordig ook die laaste stap in die leucine kataboliese pad. Tekortkominge in ensiemaktiwiteit is verantwoordelik vir die menslike oorgeërfde metaboliese siekte, hydroxymethylglutaric aciduria. 1 Alhoewel ensiempreparate vanaf soogdierlewer gerapporteer en gekarakteriseer is, 2,3 is die eerste homogene, hoë spesifieke aktiwiteit voorbereiding van eukariotiese weefsel vir die voëlensiem gerapporteer. 4 Hierdie proteïen, sowel as 'n homogene voorbereiding van die rekombinant Pseudomonas mevalonii ensiem, 5 is gebruik in affiniteitsetiketteringsstudies wat elemente van die katalitiese apparaat geïdentifiseer het. 6 Werk met die voëlensiem het ook voorgestel dat 'n intersubeenheid tiol/disulfied-uitruiling 'n potensiële meganisme verteenwoordig vir die regulering van aktiwiteit van die eukariotiese ensiem. 7

Ondersoek van katalitiese en potensiële regulatoriese meganismes, sowel as die modellering van mutasies wat menslike hidroksimetielglutarisuurie tot gevolg het, het die ontwikkeling van 'n gerieflike rekombinante bron van stabiele, homogene menslike ensiem vereis. Om hierdie rede is menslike liase-koderende cDNA 8 gebruik om 'n bakteriële uitdrukkingstelsel vir die volwasse mitochondriale vorm van menslike HMG-CoA liase te ontwikkel. 9 Die metodologie wat in hierdie weergawe beskryf word, word gebruik vir roetine-uitdrukking en isolasie van die aktiewe rekombinante mitochondriale isovorm van die ensiem. Vervolgens is analogiese benaderings gebruik om 'n proteïen te produseer wat die leiervolgorde bevat wat geproteoliseer word saam met die invoer van HMG-CoA liase in die mitochondrion, hierdie vollengte proteïen blyk 'n peroksisomale isovorm van die ensiem te verteenwoordig. 10 Isolasie van hierdie isosiem is gerapporteer die protokol 11 behels slegs geringe wysigings van die prosedure uiteengesit vir die mitochondriale isovorm.


Die dikderm

In die verlede is geglo dat alles van voedingswaarde verteer is teen die tyd dat dit die dikderm bereik het. Slegs sout, water en sommige vitamiene is glo daar geabsorbeer. Navorsing toon egter steeds 'n meer komplekse rol. Al produseer die dikderm nie ensieme nie, gaan bakterieë wat daar floreer die spysverteringsproses voort deur koolhidrate te fermenteer wat nie in die dunderm verteer is nie. Hierdie proses produseer 'n klein hoeveelheid energie, sowel as vitamien K, volgens Colorado State University.