This paper deals with the theoretical derivation of the modified Haldane model of the substrate inhibition in the microbial growth processes. Based on the biological concepts of substrate-receptor complex working mechanisms, a new microbial kinetics of N-fold multiplex substrate inhibition and its generalization has been considered theoretically, which is natural expansion of the simple substrate inhibition mechanism in the enzyme reaction. As a result, the modified Haldane model of the substrate inhibition turns out to be a well-designed four-parameter kinetic model with a biological constant of the total substrate inhibition concentration.
Enzyme kinetics data play a vital role in the design of reactors and control of processes. In the present study, kinetic studies on pectinases were carried out. Partially purified polymethylgalacturonase (PMG) and polygalacturonase (PG) were the two pectinases studied. The plot of initial rate vs. initial substrate concentration did not follow the conventional Michaelis-Menten kinetics, but substrate inhibition was observed. For PMG, maximum rate was attained at an initial pectin concentration of 3 g/l, whereas maximum rate was attained when the initial substrate concentration of 2.5 g/l of polygalacturonic acid for PG I and PG II. The kinetic data were fitted to five different kinetic models to explain the substrate inhibition effect. Among the five models tested, the combined mechanism of protective diffusion limitation of both high and inhibitory substrate concentrations (semi-empirical model) explained the inhibition data with 96-99% confidence interval.
The mathematical model of specific growth rate of Saccharomyces cerevisiae ATCC 24858 is proposed as a function of sugar and ethanol concentrations by the combination of Andrew's equation and Aiba's equation. The maximum concentration of sugar Sm, which was the highest concentration of sugar not having any effect on the growth inhibition, was 150 g/L and the substrate inhibition was expressed as a function of (S-Sm). The maximum specific growth inhibition, was 150 g/L and the substrate inhibition was expressed as a function of (S-Sm). The maximum specific growth rate ${\mu}m$, Monod's constant Ks, and Andrew's inhibition constant KI were 0.49 hr-1, 19 g/L, and 139 g/L, respectively. The maximum ethanol concentration, Pm, which did not show any inhibition effect on the specific growth rate was found to be 2 g/L. Therefore, the ethanol inhibition was represented as a function of (P-Pm). The final mathematical model for the specific growth rate of the microorganism in this work is proposed as the following. And the average percent of errors between the calculated specific growth rate and the experimental values was 5.96%.
Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa) is a cyanobacterium species that can form harmful algal blooms in freshwater bodies worldwide. The use of pine needle extract (PNE) to control nuisance algae by allelopathic inhibition will be environmentally friendly and promising. PNE removed successfully upto 98% of M. aeruginosa at the following optimal conditions: pH 7, $25^{\circ}C$ of temperature, 100 rpm of mixing rate, 5 min of mixing time. These results was indicated that the amount of 1 g/L PNE was removed 1g dryweight/L of M. aeruginosa. The kinetic data showed substrate inhibition kinetics and maximum growth rate was obtained when the M. aeruginosa was grown in medium containing 0.5 g/L of initial concentration of PNE. Different substrate inhibition models were fitted to the kinetic data and found the Luong model was best. The model predicted kinetic parameters were in agreement with the experimental findings. The natural extract, PNE, can be a promising inhibition due to its high efficiency and low dose requirements.
Succinic semialdehyde dehydrogenase (SSADH) catalyzes the oxidation of succinic semialdehyde (SSA) into succinic acid in the final step of ${\gamma}$-aminobutyric acid degradation. Here, we characterized Bacillus subtilis SSADH (BsSSADH) regarding its cofactor discrimination and substrate inhibition. BsSSADH showed similar values of the catalytic efficiency ($k_{ca}t/K_m$) in both $NAD^+$ and $NADP^+$ as cofactors, and exhibited complete uncompetitive substrate inhibition at higher SSA concentrations. Further analyses of the sequence alignment and homology modeling indicated that the residues of catalytic and cofactor-binding sites in other SSADHs were highly conserved in BsSSADH.
From several industrial wastewaters, 14 bacterial strains which degrade benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, or p-xylene (BTX) were obtained. These strains were characterized as to their species composition and the substrate range, kinetic parameters and the substrate interactions were investigated. Although BTX components have a similar chemical structure, isolated strains showed different substrate ranges and kinetic parameters. None of the strains could degrade all of BTX components and most of them showed an inhibition (Haldane) kinetics on BTX, BTX mixtures were removed under inhibitory substrate interactions with variation in the intensity of inhibition. For a complete degradation of BTX, a defined mixed culture containing three different types of patyways was constructed and all of the BTX components were simultaneously degraded with the totla removal rate of 225.69 mg/g biomass/h Judging from the results, the obtained mixed culture seems to be useful for the treatment of BTX-contaminated wastewater or groundwater as well as for the removal of BTX from the contaminated air stream.
The stimulatory effects of leucine on the activities of two soluble forms of brain glutamate dehydrogenase isoproteins (GDH I and GDH II) have been studied at various conditions. There were significant differences between GDH I and GDH II in their sensitivities to the action of leucine. When the effects of varied leucine concentrations on GDH activities were studied in the direction of reductive amination of 2-oxoglutarate with NADPH as a coenzyme, a marked activation was observed for both isoproteins at leucine concentrations up to 10 mM, whereas both isoproteins showed activation to a lesser extent with NADH as a coenzyme. The stimulatory effects of leucine on GDH activities in the direction of the oxidative deamination of glutamate were also observed, but to a much lesser extent. Leucine relieved the inhibition of GDH I by GTP and this resulted in an increase in the apparent activation by leucine in the presence of GTP. 2-Oxoglutarate was found to give rise to high substrate inhibition and leucine significantly reduced the substrate inhibition in the presence of $200\;{\mu}M$ NADH. Thus, the effects of leucine might be composed of a direct effect on the enzyme together with a relief of high substrate inhibition.
This study was carried out with the detection for multiresidue of the carbamate pesticide such as carbaryl and cabofuran by enzyme-inhibition method. The check time for determination of acetylcholinesterase(AChE) activity was selected at 60 sec. The AChE activity in chicken brain determined by the Ellman's method was $162{\mu}$mol/min/g protein. $I_{50}$ for AChE by carbamate pesticide with wet kit was 0.169mg/L of carbaryl and 0.089mg/L of cabofuran, respectively. The incubation time for enzyme kit with substrate kit was 30min for determination of AChE activity. Enzyme kit with substrate kit was stable at $4^{\circ}C\;and\;25^{\circ}C$ for 5 days. Limit detection concentration of carbaryl with dry kit for AChE was 0.05mg/L. The dry kit such as wet kit applied Enzyme-Inhibition(EI) method with AChE was confirmed the multi residue method to detect the carbamate pesticides.
Three dimensional quantitative structure-activity relationships (3D-QSARs) between new thiosemicarbazone analogues (1-31) as a substrate molecule and their inhibitory activity against tyrosinase as a receptor were performed and discussed quantitatively using CoMFA (comparative molecular field analysis) and CoMSIA (comparative molecular similarity indices analysis) methods. According to the optimized CoMSIA 2 model obtained from the above procedure, inhibitory activities were mainly dependent upon H-bond acceptor favored field (36.5%) of substrate molecules. The optimized CoMSIA 2 model, with the sensitivity of the perturbation and the prediction, produced by a progressive scrambling analysis was not dependent on chance correlation. From molecular docking studies, it is supposed that the inhibitory activation of the substrate molecules against tyrosinase (PDB code: 1WX2) would not take place via uncompetitive inhibition forming a chelate between copper atoms in the active site of tyrosinase and thiosemicarbazone moieties of the substrate molecules, but via competitive inhibition based on H-bonding.
The effects of acrylonitrile and acrylamide on the enzyme action of nitrile hydratase of Brevibacterium sp. CH1 and CH2 strains used for the biotransformations of nitriles were studied. The excessive substrate (acrylonitrile) and product (acrylamide) inhibited the enzyme activity competitively. In comparison with 0.2 mol/l of CH1 strain, the substrate inhibition of CH2 strain began to appear only at a high acrylonitrile concentration of 0.91 mol/l. In a packed bed reactor, dispersed plug flow model was proposed and this model was proved to be valid by the experiment. Also acrylamide productivity decreased sharply when acrylamide concentration in the substrate solution exceeded 20% (wt/v).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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