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Rompimiento celular




Enviado por mireya



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    Caldo de Fermentación Con Células Proteínas
    Intracelular Separación de Células Rompimiento
    Celular Separación Material Intracelular Sobrenadante Sin
    Células •Células inmovilizadas
    •Células retenidas Precipitación Ácidos
    Nucleicos, Proteasas Tratamiento de cuerpos incluidos
    Concentración Purificación Alta Resolución
    Refinamiento Permite •Altos niveles de pureza
    •Estabilidad del producto

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    Membrana celular Estructura de la membrana celular La
    características de las membranas nos permiten diferenciar
    a las bacterias en 2 tipos: – Gram-negativas Como modelo se
    utilizará un bacteria Gram-negativa, no tiene
    núcleo y todo su material genético se encuentra en
    una simple cadena de DNA, un ejemplo es la E.coli, ampliamente
    utilizada como huésped en la mayoría de
    proteína recombinantes. – Gram-positivas Entre ellas las
    bacterias del tipo Bacillus.

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    Gram-negativas La estructura de una Gram-negativa involucra tres
    capas : Membrana externa: 8nm de ancho, polímero que
    contiene proteínas y lipopolisácaridos.
    Peptidoglucano: Delgada capa de peptidoglucano. Espacio
    periplasmático: 8 nm de ancho, donde a menudo se localizan
    algunas enzimas.

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    Membrana plasmática : Compuesta de fosfolípidos,
    pero contiene proteínas dispersas e iones
    metálicos, estas moléculas de lípidos,
    tienen dos partes una parte hidrofóbica y una
    hidrofílica. La parte hidrofóbica o cola, a menudo
    contiene dos grupos alquilos, y la parte hidrofílica o
    cabeza a menudo tiene un grupo cargado, o un grupo alcohol. La
    cola hidrofóbicas suelen agruparse con otros grupos
    hidrofóbicos y las cabezas son expuestos al agua

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    Gram-positivas Gram-positivas involucra sólo dos capas :
    •Peptidoglucano •Espacio periplasmático
    •Membrana plasmática En el caso de las bacterias de
    este tipo la capa de peptidoglucano presenta condiciones de mayor
    resistencia que en bacterias gram- negativas, motivo por el cual
    no resultan necesariamente más fáciles de
    romper.

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    Funciones de las membranas Cada membrana tiene diferentes
    funciones: La membrana externa y la capa de peptidoglucano
    proporcionan la resistencia mecánica y su ruptura es lo
    fundamental para la ruptura de células. La membrana
    plasmática es muy débil y controla la permeabilidad
    de la célula, lo que incluye el transporte de nutrientes
    al interior de la célula y la exportación de
    metabolitos “en el interior de las soluciones
    circundantes”. El interior de la célula llamado
    citoplasma, es una solución acuosa de sales,
    azúcar, amino ácidos y biopolímeros. En los
    biopolímeros se incluyen proteínas, muchas de ellas
    enzimas, RNA y DNA.

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    Células Procariotes En los procariotes ocurre que las
    proteínas se encuentran en solución, pero en muchos
    procariotes modificados se sintetiza un exceso de
    proteínas las cuales precipitan en el interior del
    citoplasma (muchas veces éstas son las proteínas
    que se desean recuperar). En algunos casos sólo se quiere
    remover algunas de las capas para liberar alguna proteína
    específica.

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    Células Eucariotes En el caso de las células
    eucariotes, que poseen un núcleo y son estructuras
    más complejas que las procariotes, tienen una membrana
    alrededor de las células similar a las que tienen las
    procariotes. La membrana de las eucariotes contiene organelos,
    como las mitocondrias que son las responsables de la
    respiración y los núcleos que contienen el DNA en
    los cromosomas. Cada estructura está rodeada de una
    membrana similar a la membrana celular interna de los
    procariotes.

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    ¿Cuándo se usa? ROMPIMIENTO DE CÉLULAS (
    Cell Disruption) Los procesos de bio-separación se inician
    con una separación de la biomasa desde el resto del
    cultivo. En muchos casos los productos se encuentran en el medio.
    En estos casos la biomasa se descarta y hasta se puede vender
    como sub-producto. Pero en otros casos el producto de
    interés se encuentra en el interior de las células,
    en particular la mayoría de las proteínas
    producidas por manipulación genética de bacterias
    que no segregan las proteína al medio, pero que son
    precipitadas en el interior de la células en forma de
    cuerpos incluidos (“inclusion bodies”) . Se trata de
    proteínas intracelulares.

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    Procesos y Equipos La liberación de las proteínas
    intracelulares involucra la ruptura o permeabilización de
    la pared celular. Los equipos involucrados en esta etapa no han
    sido diseñados especialmente para el área
    biotecnológica sino que son prestadas de otras
    áreas (área de alimentos, de pinturas y pigmentos).
    Este rompimiento o permeabilización se puede llevar a cabo
    por dos métodos: •Métodos No- Mecánicos
    •Métodos Mecánicos

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    La selección de una u otra técnica dependerá
    las características del producto que se desea purificar,
    tales como: •Resistencia a: • Medios alcalinos. •
    Solventes. • Detergentes. • Enzimas. •
    Temperatura. • Esfuerzo de corte. La técnica
    utilizada determinará el tamaño de los desechos que
    se producirán.

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    Métodos No-Mecánicos Pueden ser de dos tipos:
    •Agente químicos •Solventes orgánicos
    • Detergentes • Alcalis • Agua (shock
    osmótico) •Enzimáticos se trata de enzimas que
    permeabilizan en forma selectiva las membranas celulares, tales
    como lisozima, glucanasas, mananasas, etc. Los métodos
    no-mecánicos son fáciles de escalar, si uno
    necesita tratar 10 veces más materia orgánica basta
    con adicionar 10 veces más reactivo químico o
    enzimático.

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    Métodos No-mecánicos Técnicas Permeabili-
    zación Enzimático Principios
    Permeabilización de la pared celular, lo cual produce el
    rompimiento de la Stress Suave Costos Caro Ejemplos Tratamiento
    de M. lysodeikticus con lisozima. célula Shock
    Osmótico Solubiliza- ción Ruptura Osmótica
    de la membrana Disolución de la membrana celular Suave
    Suave Barato Moderada- mente Caro Ruptura de Células de
    Glóbulos Rojos. Rompimiento de bacterias con con
    detergentes SDS. Disolución de Lípidos Solventes
    orgánicos que disuelve la pared celular y también
    la Modera do Barato Rompimiento de levaduras desestabilizan con
    tolueno. Tratamien- to con álcalis Solubilización
    de la membrana por saponificación de los lípidos
    Fuerte Barato

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    de Métodos Mecánicos El rompimiento se lleva a cabo
    por acción mecánica, pudiendo ser: •
    Fricción • Efecto de la presión
    Colisiones. Estos métodos incluyen las operaciones
    unitarias ultrasonido, homogenización , molinos de bolas,
    etc. Estos métodos resultan ser agresivos con las
    proteínas de interés, debido principalmente a la
    generación de calor. Adicionalmente, el escalamiento
    resultan ser un problema significativo.

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    Métodos Mecánicos Técnicas Homogeni- zador
    de cuchillos Homogeni- zador alta presión Ultrasonifi-
    cación Principios Las células son rotas en un
    mezclador Las células son forzadas a pasar a través
    de un pequeño orificio lo que produce que se rompan por el
    esfuerzo de corte Las células son quebradas en una Stress
    Moderado Fuerte Fuerte Costos Moderado Moderado Caro Ejemplos
    Rompimiento de tejidos y células animales. Tratamiento a
    gran escala de suspensión de células. Rompimiento
    de suspensiones de cavidad ultrasónica células a lo
    menos en pequeña escala Molienda Las células son
    Moderado Barato rotas por medio de una molienda con abrasivos
    Molinos de bolas Las células son trituradas con bodas de
    acero o Fuerte Barato Rompimiento a gran escala para suspensiones
    de células y células de vidrio plantas

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    Rompimiento Celular Métodos No- Mecánicos

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    Métodos No-mecánicos Técnicas Permeabili-
    zación Enzimático Principios
    Permeabilización de la pared celular, lo cual produce el
    rompimiento de la Stress Suave Costos Caro Ejemplos Tratamiento
    de M. lysodeikticus con lisozima. célula Shock
    Osmótico Solubiliza- ción Ruptura Osmótica
    de la membrana Disolución de la membrana celular Suave
    Suave Barato Moderada- mente Caro Ruptura de Células de
    Glóbulos Rojos. Rompimiento de bacterias con con
    detergentes SDS. Disolución de Lípidos Solventes
    orgánicos que disuelve la pared celular y también
    la Modera do Barato Rompimiento de levaduras desestabilizan con
    tolueno. Tratamien- to con álcalis Solubilización
    de la membrana por saponificación de los lípidos
    Fuerte Barato

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    Tratamiento enzimático Teoría Existen enzimas que
    pueden hidrolizar la membrana celular de microorganismos. Cuando
    la membrana ha sido suficientemente permeabilizada, algunos
    compuestos intracelulares pueden ser liberados al medio. Una
    comparación entre un proceso de rompimiento y otro de
    permeabilización.

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    Metodología El modo de acción es muy simple basta
    con agregárselo a una suspensión y se produce una
    reacción muy rápida la cual deteriora la pared
    celular. La reacción es selectiva y ataca a determinadas
    estructuras de la pared celular como son las glucanasa,
    mananasas. Ventajas: Método suave y selectivo escalable
    Desventajas: escala. Costo de la enzima lo hace difícil de
    utilizar a gran Microorganismo Bacterias Levaduras Células
    de plantas Enzima Lisozima Complejo glucanasa- mananasa Celulosas
    y peptinasas Efecto Ruptura de los enlaces ß-1,4 entre
    N-acetil murámico y N- acetil glucosamida Rompe la capa de
    glucano y de manano Rompen capa de celulosa y peptino

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    y Shock Osmótico Teoría Resulta ser uno de los
    métodos más simple: 1. Las células se
    colocan en una volumen de agua 2 veces mayor que el volumen de
    células. 2. Bajo estas condiciones las células se
    hinchan, debido a un simple flujo osmótico que se produce
    debido a que las células contienen solutos (los causantes
    del flujo osmótico de agua al interior de la
    célula). 3. Las células se hinchan y algunas llegan
    a reventarse. La susceptibilidad de las fuertemente de su tipo.
    células es relativa depende

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    Los glóbulos rojos son fáciles de lisar. Las
    células vegetales son muchos más difíciles,
    dado que sus paredes contienen compuestos que son impermeables al
    flujo osmótico. Se puede calcular la presión
    necesaria para romper células a partir de la ley
    van´t Hoof. La cual se deduce desde la condición de
    equilibrio : DP = – R*T*c1 Donde c1 : Concentración de
    solutos en el interior de la célula. En el caso de una
    célula que contiene una concentración de solutos
    del orden de 0.2 M, calculando la diferencia de presión
    alcanzara valores del orden de -5 atm (dentro mayor
    presión que afuera).

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    Solubilización Teoría Es uno de los método
    no-mecánico rompimiento de células. más
    utilizado para el Los detergentes tienen una zona
    hidrofílica y otra hidrofóbica, por esta
    razón pueden interactuar tanto con el agua como con los
    lípidos. Su habilidad se basa en la solubilización
    de los lípidos de la pared celular. Los detergentes
    más utilizados son de tres tipos: •Detergente
    aniónico •Detergente catiónico
    •Detergente no-iónico y polidispersante

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    Ejemplos Detergentes aniónicos •Dodecil Sulfato de
    Sodio (SDS) CH3(CH2)11 SO3- Na+ •Sulfonato de Sodio
    CH3(CH2)9 -Phenyl-SO3- Na+ •Tauroclorato de Sodio El SDS es
    uno de los detergentes aniónicos más ampliamente
    estudiados. Entre los materiales aniónicos se encuentran
    los jabones (sales de ácidos grasos), estos jabones
    dependen del grupo de ácido carboxílico que tengan
    y resultan efectivos a altos pH donde el grupo se encuentra
    ionizado. A su vez resultan ineficientes en aguas duras que
    contengan iones calcio que pueden reaccionar con ellos y formar
    compuestos insolubles. Las desventajas de los detergentes
    tradicionales se puede superar si se reemplazan los grupos
    carboxilos por grupos sulfatos. Los sulfatos que contienen grupos
    fenilos son más efectivos que los compuestos que contienen
    grupos alquilos, debido principalmente que no son fáciles
    de degradar microbianamente, como son los detergente utilizados
    para lavado.

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    Ejemplos Detergentes cationicos •Bromuro de Catiltrimetil
    Amonio (CTAB) CH3(CH2)15 N+ (CH3)3 Br- Son detergentes más
    suaves (tipo shampoo), por lo cual se produce un rompimiento
    más suave de las células. Ejemplos •Triton
    X-100 Detergente no-iónicos C8H17-Phenyl-(OCH2CH2)9.5OH
    Son generalmente polímeros solubles en agua, se utilizan
    en los detergente para lavar vajilla. Estos detergente
    también tienen una parte hidrofóbica y una
    hidrofílica, pero la parte hidrofílica no es ni un
    sulfato ni un tetraalquilamonio sino un alcohol. .

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    A bajas concentraciones de detergente no se produce
    degradación de los lípidos, pero a alta
    concentración se produce una degradación que
    resulta lineal a la concentración de detergente, junto a
    esta variable también se altera la tensión
    superficial de la solución. La relación que se
    produce entre la solubilización y otros fenómenos
    es que el detergente forma micelas, en cuyo interior se
    encapsulan los lípidos digeridos (Cabezas
    hidrofílicas y colas hidrofóbicas que están
    en contacto con la sopa de lípidos).

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    Procedimiento 1. Se coloca un determinado volumen de detergente
    concentrado por un volumen de células. Generalmente la
    mitad de volumen de detergente que de volumen de células.
    2. El detergente rompe la membrana celular. 3. La
    suspensión resultante se centrifuga para remover los
    fragmentos de células y luego se pasa a través de
    una columna de adsorción o por etapas de extracción
    para aislar el producto.

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    Tratamiento con solvente (disolución de lípidos) Es
    una técnica la cual no ha sido muy documentada,
    sólo se requiere de información experimental. Una
    buena forma de seleccionar el solvente es analizar la volatilidad
    (desde manuales), este parámetro puede relacionarse con
    las interacciones lípido solvente, poniendo
    atención en el calor de mezcla. Solventes con similar
    solubilidad atacarán los lípidos de forma similar.
    Procedimiento 1. El método consiste en adicionar la
    suspensión de biomasa un volumen de tolueno del orden de
    un 10% de biomasa. 2. El tolueno es absorbido por las
    células, las cuales se hinchan y luego explotan. 3. El
    contenido de las células se libera al medio y luego puede
    ser separado.

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    • • • • • Existen otros solventes que
    puede ser utilizados como : Benceno ( que es cancerigeno y de una
    alta volatilidad, el tolueno también es cancerigeno pero
    de más baja volatilidad). Cumeno Clorobenceno Xileno
    Octanol (Altos alcoholes)

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    Tratamiento alcalino Es un tratamiento bastante fuerte, no
    selectivo y barato. Algún álcalis es agregado a un
    suspensión de células, el álcalis reacciona
    con la pared celular en diversas formas, produciendo la
    saponificación de lípidos. Desventajas : Una alta
    concentración de álcalis puede hasta producir la
    denaturalización de las proteínas (destruyendo el
    producto). Resulta la opción menos utilizada.

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    Rompimiento Celular Métodos Mecánicos Unidad II
    Ingeniería de Bioseparaciones

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    MÉTODOS MECÁNICOS Los métodos
    mecánicos se pueden dividir en dos tipos : Métodos
    a pequeña escala son : •Ultrasonificación
    •Molina con abrasivos •Homogenizadores Métodos a
    gran escala •Homogenizadores •Molinos de bolas a alta
    presión Ambos son operaciones unitarias típicas de
    la Ingeniería de Procesos y de la industria de
    alimentos.

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    MÉTODOS MECÁNICOS Pequeña Escala

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    2. 3. 4. 5. 6. 6 Desintegración completa de una
    célula Para determinar el contenido de proteínas
    total de una célula se debe realizar la
    desintegración total de ellas, para ello se utiliza la
    siguiente metodología: 1. Se adicionan 1 volumen de bolas
    de vidrio en un ependorf. 1-3 4-5 Se adiciona 1 volumen de las
    células a desintegrar (en forma de pasta, previamente
    separadas del caldo) Se adiciona 0.5 volumen de buffer, se puede
    adicionar algún detergente (SDS, Triton X-100) Se agitan
    fuertemente en un vortex, entre 2 y 5 minutos (controlando que no
    se caliente) Se repite el punto 4 hasta asegurarse que no se
    rompen más las células. Se separan los desechos de
    la solución y se analiza la concentración de
    proteínas. 100% Rompimiento

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    Ultrasonificación Se utilizan frecuencias de 20 Khz esto
    produce vibraciones que provocan el fenómeno de
    cavitación. • Se producen zonas de baja
    presión en el líquido • El líquido se
    transforma en gas formándose pequeñas burbujas
    • Las burbujas colapsan debido a los cambios de
    presión. • Se producen fuertes esfuerzos de corte en
    el líquido que rompen las células.
    Ultrasonicador

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    Molienda con abrasivos Procedimiento: 1. Se utilizan un
    recipiente donde se agrega algún agente abrasivo, como
    bolas de vidrio. 2. El sistema se hace vibrar lo que produce:
    • Colisiones de las bolas con la biomasa • Fuertes
    esfuerzos de cortes • Se produce la ruptura de las
    células. 3. Posteriormente, se separan las bolitas y
    desechos celulares y se recupera el sobrenadate.

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    Homogenizadores La idea es generar altos esfuerzos de corte que
    produzcan la ruptura de las células. Los altos esfuerzos
    de corte se pueden obtener por: 1. Embolos 2. Cuchillas 3.
    Pistones Émbolos Cuchillas Pistones

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