Рубрики
Диагностичекий

Тема 4. Слагаемые биотехнологического процесса производства лекарственных средств

Биообъекты как средство производства лекарственных профилактических и диагностических препаратов

Тема 4. Слагаемые биотехнологического процесса производства лекарственных средств

· Биообъекты-макромолекулы с ферментативной активностью.

Тема 3. Генетические основы совершенствования биообъектов

    Совершенствование биообъектов методами мутагенеза и селекции Совершенствование биообъектов методами клеточной инженерии. Создание новых биообъектов методами клеточной и генетической инженерии (технология рекомбинантной ДНК).

Тема 4. Геномика и протеомика

    Геномика и ее значение для поиска новых лекарств. Структурная, сравнительная и функциональная геномика. Международные базы данных и их использование через систему интернет. Протеомика, ее методы и значение для поиска новых лекарств.

Тема 4. Слагаемые биотехнологического процесса производства лекарственных средств

    Структура биотехнологического производства. Ферментеры. Технологические параметры биосинтеза. Выделение, концентрирование и очистка биотехнологических продуктов.

Studopedia. org — Студопедия. Орг — 2014-2022 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.014 с) .

Протеомика, ее методы и значение для поиска новых лекарств.

Studopedia. org

22.06.2019 5:16:06

2019-06-22 05:16:06

Источники:

Https://studopedia. org/13-27328.html

Понятие и классификация биообъектов. Иммобилизованные ферменты. Биотехнология витаминов и коферментов » /> » /> .keyword { color: red; } Биообъекты как средство производства лекарственных профилактических и диагностических препаратов

Понятие и классификация биообъектов. Иммобилизованные ферменты. Биотехнология витаминов и коферментов

Понятие и классификация биообъектов. Иммобилизованные ферменты. Биотехнология витаминов и коферментов

Биообъект как средство производства лекарственных, диагностических и профилактических препаратов; требования, классификация. Иммобилизация ферментов, используемые носители. Применение иммобилизованных ферментов. Биологическая роль витаминов, их получение.

Рубрика Биология и естествознание
Вид Контрольная работа
Язык Русский
Дата добавления 04.11.2015
Размер файла 83,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www. allbest. ru/

Вопрос 1. Биообъект Как Средство Производства Лекарственных, Диагностических И Профилактических ПРепаратов. Определение. Требования. Классификация. Примеры

Биообъект-это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

Требования, Предъявляемые К Биологическим Объектам

Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микробов — контаминантов, или загрязнителей. Представителями контаминирующей микрофлоры являются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. При использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофитной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие нестерильности системы.

Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов — одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.

Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках животного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником ферментов также являются изолированные клетки или специализированные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.

Классификация Биообъектов

— ферменты всех классов (чаще гидролазы и трансферазы); в т. ч. в иммобилизированном виде (связанные с носителем) обеспечивающем многократность использования и стандартность повторяющихся производственных циклов;

— ДНК и РНК — в изолированном виде, в составе чужеродных клеток.

— вирусы (с ослабленной патогенностью используются для получения вакцин);

— клетки прокариоты и эукариоты — продуценты первичных метаболитов: аминокислот, азотистых оснований, коферментов, моно — и дисахаров, ферментов для заместительной терапии и т. д.); — продуценты вторичных метаболитов:антибиотики, алкалоиды, стероидные гормоны, и др.;

— нормофлоры — биомасса отдельных видов микроорганизмов применяемые для профилактики и лечения дисбактериозов;

— возбудители инфекционных заболеваний — источники антигенов для производства вакцин;

— трансгенные м/о или клетки — продуценты видоспецифичных для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета и т. д.

— высшие растения — сырье для получения БАВ;

— животные — млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, членистоногие, рыбы, моллюски, человек;

В качестве биологических объектов или систем, которые использует биотехнология, прежде всего, необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетка. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:

1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимы в жизни человека, пока недоступны для получения «небиотехническими» способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья или же сложности технологических процессов.

2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 минут, дрожжевая — через каждые 1,5-2 ч, животная — через 24 ч, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток. Например, в биореакторе емкостью 100 м 3 за 2-3-сут. можно вырастить 10 16 -10 18 микробных клеток. В процессе жизнедеятельности клеток при их выращивании в среду поступает большое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют собой кладовые этих продуктов.

3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырье для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырье для других видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной,, пищевой промышленности, растительное сырье, дрожжи, древесина, меласса и др.).

4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т. е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технология переработки и т. д.

Вопрос 2. Иммобилизация Ферментов Физическими Методами. Используемые Носители. Характеристика Методов Иммобилизации. Область Применения Иммобилизованных Ферментов

Существует два основных метода иммобилизации ферментов: физический и химический.

Физическая иммобилизация ферментов представляет собой включение фермента в такую среду, в которой для него доступной является лишь ограниченная часть общего объема. При физической иммобилизации фермент не связан с носителем ковалентными связями. Существует четыре типа связывания ферментов:

— адсорбция на нерастворимых носителях;

— включение в поры геля;

— пространственное отделение фермента от остального объема реакционной системы с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны);

— включение в двухфазную среду, где фермент растворим и может находиться только в одной из фаз.

Перечисленные подходы проиллюстрированы рисунке 1.

Адсорбционная иммобилизация является наиболее старым из существующих способов иммобилизации ферментов, начало ей было положено еще в 1916 г. Этот способ достаточно прост и достигается при контакте водного раствора фермента с носителем.

Рис. 1. Способы иммобилизации ферментов: а — адсорбция на нерастворимых носителях, б — включение в поры геля, в — отделение фермента с помощью полупроницаемой мембраны, г — использование двухфазной реакционной среды

После отмывки неадсорбировавшегося белка иммобилизованный фермент готов к использованию. Удерживание адсорбированной молекулы фермента на поверхности носителя может обеспечиваться за счет неспецифических ван-дер-ваальсовых взаимодействий, водородных связей, электростатических и гидрофобных взаимодействий между носителем и поверхностными группами белка. Вклад каждого из типов связывания зависит от химической природы носителя и функциональных групп на поверхности молекулы фермента. Взаимодействия с носителем могут оказаться настолько сильными, что сорбция биокатализатора может сопровождаться разрушением его структуры. Например, при адсорбции некоторых растительных клеток на гранулах цитодекса клеточная стенка деформируется, повторяя рельеф поверхности частиц носителя. Преимуществом метода адсорбционной иммобилизации является доступность и дешевизна сорбентов, выступающих в роли носителей. Им также можно придать любую конфигурацию и обеспечить требуемую пористость. Важный фактор — простота применяемых методик. При адсорбционном связывании можно решить и проблему очистки фермента, так как связывание белка с носителем во многих случаях достаточно специфическое. К сожалению, прочность связывания фермента с носителем не всегда достаточно высока, что ограничивает применение метода. К недостаткам адсорбционной иммобилизации следует отнести отсутствие общих рекомендаций, позволяющих сделать правильный выбор носителя и оптимальных условий иммобилизации конкретного фермента.

Некоторых из перечисленных затруднений можно избежать при иммобилизации ферментов путем включения в гели. Суть этого метода иммобилизации состоит в том, что молекулы фермента включаются в трехмерную сетку из тесно переплетенных полимерных цепей, образующих гель. Среднее расстояние между соседними цепями в геле меньше размера молекулы включенного фермента, поэтому он не может покинуть полимерную матрицу и выйти в окружающий раствор, т. е. находится в иммобилизованном состоянии. Дополнительный вклад в удерживание фермента в сетке геля могут вносить также ионные и водородные связи между молекулой фермента и окружающими ее полимерными цепями. Пространство между полимерными цепями в геле заполнено водой, на долю которой обычно приходится значительная часть всего объема геля. Например, широко применяемые гели полимеров акриловой кислоты в зависимости от концентрации полимера и его природы содержат от 50 до 90% воды.

Для иммобилизации ферментов в геле существует два основных способа. При одном из них фермент помещают в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию, в результате чего образуется полимерный гель с включенными в него молекулами фермента. В реакционную смесь часто добавляют также бифункциональные (содержащие в молекуле две двойные связи) сшивающие агенты, которые придают образующемуся полимеру структуру трехмерной сетки. В другом случае фермент вносят в раствор готового полимера, который затем каким-либо образом переводят в гелеобразное состояние. Способ иммобилизации ферментов путем включения в полимерный гель позволяет создавать препараты любой геометрической конфигурации, обеспечивая при этом равномерное распределение биокатализатора в объеме носителя. Метод универсален, применим для иммобилизации практически любых ферментов, полиферментных систем, клеточных фрагментов и клеток. Фермент, включенный в гель, стабилен, надежно защищен от инактивации вследствие бактериального заражения, так как крупные клетки бактерий не могут проникнуть в мелкопористую полимерную матрицу. В то же время, эта матрица может создавать значительные препятствия для диффузии субстрата к ферменту, снижая каталитическую эффективность иммобилизованного препарата, поэтому для высокомолекулярных субстратов данный метод иммобилизации не применим вообще.

Общий принцип иммобилизации ферментов с использованием мембран заключается в том, что водный раствор фермента отделяется от водного раствора субстрата полупроницаемой перегородкой. Полупроницаемая мембрана легко пропускает небольшие молекулы субстрата, но непреодолима для крупных молекул фермента. Существующие модификации этого метода различаются лишь способами получения полупроницаемой мембраны и ее природой. Водный раствор фермента можно включать внутрь микрокапсул, представляющих собой замкнутые сферические пузырьки с тонкой полимерной стенкой (микрокапсулирование). При двойном эмульгировании получается водная эмульсия из капель органического раствора полимера, содержащих, в свою очередь, еще более мелкие капли водного раствора фермента. Через некоторое время растворитель затвердевает, образуя сферические полимерные частицы с иммобилизованным в них ферментом. Если вместо водонерастворимого отвердевающего полимера используются жидкие углеводороды с высокой молекулярной массой, метод называется иммобилизацией путем включения в жидкие мембраны. К модификациям метода иммобилизации ферментов с использованием полупроницаемых оболочек относятся также включение в волокна (при этом вместо капель, содержащих ферменты, получаются нити) и включение в липосомы. Применение систем мембранного типа позволяет получать иммобилизованные препараты с высоким содержанием фермента. Метод, как и предыдущий, достаточно универсален, т. е. применим как ферментам, так и к клеткам, а также их фрагментам. Благодаря высокому отношению поверхности к объему и малой толщине мембраны удается избежать значительных диффузионных ограничений скорости ферментативных реакций. Основной недостаток мембранных систем — невозможность ферментативного превращения высокомолекулярных субстратов.

При иммобилизации ферментов с использование систем двухфазного типа ограничение свободы перемещения фермента в объеме системы достигается благодаря его способности растворяться только в одной из фаз. Субстрат и продукт ферментативного превращения распределяются между обеими фазами в соответствии с их растворимостями в этих фазах. Природа фаз подбирается таким образом, что продукт накапливается в той из них, где фермент отсутствует. После завершения реакции эту фазу отделяют и извлекают из нее продукт, а фазу, содержащую фермент, вновь используют для проведения очередного процесса. Одним из важнейших преимуществ систем двухфазного типа является то, что они позволяют осуществлять ферментативные превращения макромолекулярных субстратов, которые невозможны при применении жестких носителей с ограниченным размером пор.

Главным отличительным признаком химических методов иммобилизации является то, что путем химического взаимодействия на структуру фермента в его молекуле создаются новые ковалентные связи, в частности между белком и носителем. Препараты иммобилизованных ферментов, полученные с применением химических методов, обладают, по крайней мере, двумя важными достоинствами. Во-первых, ковалентная связь фермента с носителем обеспечивает высокую прочность образующегося конъюгата. При широком варьировании таких условий, как рН и температура, фермент не десорбируется с носителя и не загрязняет целевых продуктов катализируемой им реакции. Это особенно важно при реализации процессов медицинского и пищевого назначения, а также для обеспечения устойчивых, воспроизводимых результатов в аналитических системах. Во-вторых, химическая модификация ферментов способна приводить к существенным изменениям их свойств, таких как субстратная специфичность, каталитическая активность и стабильность. Химическая иммобилизация ферментов является искусством, уровень которого определяется, в первую очередь, умением экспериментатора. Основная задача экспериментатора заключается в формировании новых ковалентных связей в молекуле фермента при использовании его функциональных групп, несущественных для проявления его каталитической активности. При химической модификации фермента его активный центр желательно защищать. При сопоставлении различных приемов иммобилизации химические методы для крупномасштабных биотехнологических процессов кажутся малопривлекательными из-за сложности и дороговизны. В промышленных процессах обычно используются те или иные методы физической иммобилизации.

Применение Иммобилизованных Ферментов

Особенно ощутимый вклад иммобилизованные ферменты внесли в тонкий органический синтез, в анализ, в медицину, в процессы конверсии энергии, в пищевую и фармацевтическую промышленности.

Для синтетической органической химии важно то, что в двухфазных реакционных средах фермент сохраняет каталитическую активность даже при исключительно малом содержании воды, поэтому равновесие катализируемой реакции (выход продукта) экспериментатор может регулировать в широких пределах, подбирая нужный органический растворитель. Иммобилизованные ферменты дали толчок к созданию принципиально новых методов «безреагентного» непрерывного анализа многокомпонентных систем органических (в ряде случаев и неорганических) соединений.

В будущем важную роль в контроле окружающей среды и в клинической диагностике должны сыграть такие методы, как биолюминесцентный анализ и иммуноферментный анализ.

В медицине иммобилизованные ферменты открыли путь к созданию лекарственных препаратов пролонгированного действия со сниженной токсичностью и аллергенностью. Иммобилизационные подходы способствуют решению проблемы направленного транспорта лекарств в организме.

Проблемы биоконверсии массы и энергии в настоящее время пытаются решить микробиологическим путем. Тем не менее, иммобилизованные ферменты вносят ощутимый вклад в осуществление фотолиза воды и в биоэлектрокатализ.

Заслуживает внимание и использование иммобилизованных ферментов в процессах переработки лигноцеллюлозного сырья.

Иммобилизованные ферменты могут использоваться и как усилители слабых сигналов. На активный центр иммобилизованного фермента можно подействовать через носитель, подвергая последний ультразвуковой обработке, механическим нагрузкам или фотохимическим превращениям. Это позволяет регулировать каталитическую активность системы фермент — носитель под действием механических, ультразвуковых и световых сигналов. На этой основе были созданы механо — и звукочувствительные датчики и открыт путь к бессеребряной фотографии.

Промышленные процессы с применением иммобилизованных ферментов внедрены, прежде всего, в пищевую и фармацевтическую промышленность. В пищевой промышленности с участием иммобилизованных ферментов идут процессы получения глюкозо-фруктовых сиропов, глюкозы, яблочной и аспарагиновой кислоты, оптически активных L-аминокислот, диетического безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки и др.

В медицине иммобилизованные ферменты используются также как лекарственные препараты, особенно в тех случаях, когда необходимо локальное воздействие. Кроме того, биокатализаторы широко используются в различных аппаратах для перфузионной очистки различных биологических жидкостей. Возможности и перспективы использования в медицине ферментов в иммобилизованном состоянии гораздо шире, чем достигнутые на сегодняшний день, именно на этом пути медицину ждет создание новых высокоэффективных методов лечения.

Биообъект иммобилизованый фермент витамин

Вопрос 3. Биотехнология Витаминов И Коферментов. Биологическая Роль Витаминов. Достоинства И Недостатки Традиционных Методов Получения (выделение Из Природных Источников, Химический Синтез) И Микробиологического Синтеза Витаминов

Витамины (от лат. vita — жизнь + амины) — низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, абсолютно необходимые для нормальной жизнедеятельности организмов. Витамин являются незаменимыми пищевыми веществами, т. к. за исключением никотиновой кислоты они не синтезируются организмом человека и поступают главным образом в составе продуктов питания. Некоторые витамины могут производиться нормальной микрофлорой кишечника. В отличие от других жизненно важных пищевых веществ витамины не обладают пластическими свойствами и не используются организмом в качестве источника энергии. Участвуя в разнообразных химических превращениях, они оказывают регулирующее влияние на обмен веществ и тем самым обеспечивают нормальное течение практически всех биохимических и физиологических процессов в организме.

Коферменты (син. Коэнзимы) — органические соединения небелковой природы необходимые для осуществления каталитического действия многих ферментов, соединяясь с белковой частью молекулы фермента — Апоферментом, кофермент образует каталитически активный комплекс — Холофермент. Прочно связанные с белками коферменты называются Простетическими Группами. Коферменты могут участвовать в активировании молекул субстрата, образуя с ними реакционно-способные соединения, которые затем подвергаются ферментативному превращению. Некоторые метаболиты, выступающие в ферментативных реакциях как обычные субстраты, в определенных условиях могут играть роль коферментов. Многие коферменты являются производными витаминов и, поэтому нарушение обмена веществ при витаминной недостаточности опосредовано через понижение активности определенных ферментов.

Коферменты, как правило, термостабильны, разнообразны по химическому строению и механизму действия.

Биологическая Роль Витаминов

Действие витамина на организм

Содержится в продуктах

Витамин А (Ретинол)

Витамин А предотвращает проблемы со зрением, способствует здоровью иммунной системы, имеет весомое значение для роста клеток и улучшает состояние кожи.

К основным источникам ретинола можно отнести печень, молоко, яйца и витаминизированные каши, зеленые и оранжевые овощи (например картофель, морковь, тыква и капуста), и оранжевые фрукты — персики, папайя, дыня, абрикосы или манго.

Витамин В12 (Цианокобаламин)

Витамин В12 помогает воспроизводству красным кровяным тельцам, нервным клеткам. Он участвует в делении клеток, поэтому без него невозможна регенерация тканей и рост мышц.

В рыбе, красном мясе, мясе птиц, молоке, сыре и яйцах можно найти этот витамин. Его также добавляют в некоторые сухие завтраки.

Витамин B6 (Пиридоксин)

Для правильной работы мозга и других неврологических функций незаменим Витамин В6. Также он помогает организму расщеплять белки и вырабатывать эритроциты.

Широкий спектр продуктов содержат витамин В6 — в том числе картофель, бананы, бобы, семена, орехи, красное мясо, рыба, яйца и птица, шпинат и витаминизированные каши.

Витамин В1 (Тиамин )

Тиамин служит катализатором для преобразования углеводов в энергию и необходим для мышц, для сердечной деятельности а также состояния нервной системы.

Люди получают тиамин из различных продуктов, в том числе разных сортов хлеба, круп и макаронных изделий; постного мяса, сушеных бобов, соевых продуктов и гороха, а также из пророщенных зерен, таких например — как зародыши пшеницы.

Витамин В3 (Никотиновая кислота)

Никотиновая кислота помогает поддержанию здоровья кожи, а также в работе нервной системы.

Вы найдете ниацин в птице, красном мясе, крупах, рыбе и арахисе.

Витамин В2 (Рибофлавин)

Рибофлавин нужен организму для роста, превращения углеводов в энергию, и в производстве эритроцитов.

Некоторыми из источников рибофлавина являются молоко, мясо, яйца, бобовые (например горох и чечевица), орехи, зелень. А также: спаржа, брокколи и витаминизированные каши.

Витамин B9 (Фолиевая кислота)

Фолиевая кислота (B9) — содействует в выработке эритроцитов. Кроме того, она необходима, для воссоздания ДНК.

Апельсиновый сок, печень, сушеные бобы и другие бобовые, зелень, спаржа — очень хороший источник этого витамина. А так же: хлеб, рис и зерновые культуры.

Витамин С (Аскорбиновая кислота)

Витамин С нужен для формирования коллагена (ткани, служащей для связывания клеток). Это важно и для здоровья десен, зубов и для роста костей. Также Витамин С — поддерживает в тонусе кровеносные сосуды. Он служит катализатором для усваивания железа организмом, стимулирует функции головного мозга и ускоряет заживление ран.

Витамин С — есть в клубнике, киви, гуаве, перце, шпинате помидорах и брокколи. И конечно самый высокий уровень этого витамина — в цитрусовых!

Витамин D (Кальциферол)

Витамин D, служит укреплению костей, потому что помогает организму усваивать укрепляющий кости кальций и наращивать прочность скелета человека.

Этот витамин является уникальным — ваше тело производит его, когда вы получаете солнечные ванны! Витамин D содержится также и некоторых продуктах, например он есть в жирной рыбе (такой как лосось) в яичных желтках, тунце или сардине а также в молоке коровьем, соевом молоке и апельсиновом соке.

Витамин Е (Токоферол)

Для выработки и поддержания красных кровяных телец в здоровом состоянии нужен витамин E. А еще токоферол — антиоксидант, и в его функции входит защита клеток от разрушений и повреждений.

Токоферол есть в зелени и орехах, растительных маслах и авокадо. Также его достаточно в пророщенных зернах пшеницы и ячменя.

Помогает контролировать свертывание крови в организме и необходим для синтеза в печени белков, которые управляют свертыванием. Нехватка этого витамина — может привести к носовым и внутренним кровотечениям.

Пополнить запасы витамина K — вам поможет брюссельская капуста, обычная капуста и брокколи, а также зелень. Много его в сое, рапсе и оливковом масле.

Достоинства И Недостатки Методов Получения Витаминов

Производство витаминов в нашей стране организовано в начале 30-х гг. прошлого века. Вначале выпускались витаминные препараты из натурального сырья. Затем было освоено производство синтетических витаминов С и K3. С 1949 по технологии, разработанной советскими учёными, в промышленном масштабе стал осваиваться синтез других витаминов, например тиамина (витамин B1). В 1950 производство витаминов увеличилось по сравнению с 1940 в 5,6 раза. К 1955 г. были разработаны схемы синтеза всех известных основных витаминов. Дальнейшее развитие витаминной промышленности связано главным образом с разработкой и внедрением синтетических методов производства витаминов. Эти методы по характеру технологических процессов значительно сложнее, чем метод извлечения витаминов из натурального сырья, но они позволяют получать продукцию в химически чистом виде, что имеет большое значение для их лечебного применения и точных дозировок при изготовлении кормовых концентратов. Кроме того, издержки на производство синтетических витаминов ниже издержек на получение соответствующих витаминов из натурального сырья.

Метод выделения витаминов из природных источников, безусловно, проще с точки зрения производства, но не удобен тем, что требует переработки огромного количества сырья. Что касается химического синтеза, то недостатками его является все же: многостадийность процессов, значительная материалоёмкость, обусловливающая необходимость размещения предприятий вблизи сырьевых баз; необходимость выработки высокочистой продукции.

Витаминная промышленность нуждается в более эффективных технологиях, и такие технологии успешно создаются.

С помощью лишь генетических манипуляций (воздействием на регуляцию метаболизма) были получены штаммы микроорганизмов, которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов, чем необходимо для их роста. Это штаммы Ashbya gossypii — продуцент рибофлавина, штаммы Pseudomonas denitrifikans и Propionibacterium freudonreichii, производящие витамин В12 и др. В России на базе бактерий рода Bacillus subtilis сконструирован эффективный продуцент витамина В2.

Для микробиологического синтеза органических соединений в качестве сырья применяют наиболее дешевые источники азота (например, нитраты или соли аммония) и углерода (напр., углеводы. орг. кислоты, спирты. жиры. углеводороды. в т. ч. газообразные).

Применение биосинтеза дает возможность сокращения стадий химического синтеза за счет использования высокоактивных штаммов микроорганизмов. Например производство витаминов В12, В2, В3 и D (эргостерина) стало возможным осуществлять в 1 стадию. БТ методы нашли применение в синтезе вит. С, убихинона, каротиноидов. В12 — получают и спользованием прокариотической микрофлоры — мутагенных штаммов пропионовых бактерий — 50 мг/л среды и его предшественника — ди метилбенимидазола — до 200 мг/л. В2, — (рибофлавин) поучают с использованием дрожжеподобных грибов Eremothecium и Ashbya — 3,8-6,4 г/л. В последнее время используется мутантный штамм Bacillus subtilis — 3,5-4,5 г/л. — В3 — (пантотеновая к-та) и синтез кофермента КоА актиномицетами из аланина и пантотената К с помощью иммобилизованных клеток бактерий Brevibacteria. Недостатки — небольшой выход готового продукта, для этого проводят совершенствование по направлениям: селекция мутантных штаммов, оптимизация состава и удешевление сред, оптимизация условий культивирования продуцента.

Используемая Литература

1. Биотехнология: учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений / Ю. О. Сазыкин, С. Н. Орехов, И. И. Чакалева; под ред. А. В. Катлинского.-3-е изд.,- М.: Издательский центр «Академия», 2008-256 с.

2. Биотехнология лекарственных средств. Учебное пособие / Под ред. Быкова В. А. и Далина М. В. — М.: Медбиоэкономика — 303с.

3. Основы фармацевтической биотехнологии: учеб. Пособие / под ред. Чучалин В. С. Прищеп Т. П. Белова Л. С. Зайков К. Л. Михалева Л. К.,- Ростов н/Д, «Феникс», 2006 г.

Размещено на Allbest. ru

Подобные документы

Виды носителей для иммобилизации клеток и ферментов. Иммобилизованные культуры и возможность их применения в различных отраслях. Типы реакторов с использованием иммобилизованных культур. Преимущества и недостатки использования иммобилизованных культур.

Курсовая работа [365,2 K], добавлен 15.01.2012

Химический состав, природа и структура белков. Механизм действия ферментов, виды их активирования и ингибирования. Современная классификация и номенклатура ферментов и витаминов. Механизм биологического окисления, главная цепь дыхательных ферментов.

Шпаргалка [893,3 K], добавлен 20.06.2013

Биологическая химия как наука, изучающая химическую природу веществ живых организмов. Понятие витаминов, коферментов и ферментов, гормонов. Источники жирорастворимых и водорастворимых витаминов. Понятие обмена веществ и энергии, обмена липидов и белков.

Курс лекций [442,2 K], добавлен 21.01.2011

Характеристика ферментов, органических катализаторов белковой природы, которые ускоряют реакции, необходимые для функционирования живых организмов. Условия действия, получение и применение ферментов. Болезни, связанные с нарушением выработки ферментов.

Презентация [2,6 M], добавлен 19.10.2013

Витамины как один из факторов питания человека. Биологическая роль витаминов. Номенклатура и классификация витаминов. Понятие рекомендуемой суточной нормы. Понятие гипо-, гипер — и авитаминоза. Характеристика жирорастворимых и водорастворимых витаминов.

Реферат [56,9 K], добавлен 27.05.2015

Классификация ферментов, их функции. Соглашения о наименовании ферментов, структура и механизм их действия. Описание кинетики односубстратных ферментативных реакций. Модели «ключ-замок», индуцированного соответствия. Модификации, кофакторы ферментов.

Презентация [294,1 K], добавлен 17.10.2012

Технология ферментных препаратов. Производство ферментов при поверхностном культивировании продуцентов. Характеристика ферментных препаратов. Перспективы совершенствования приемов ферментативного катализа в виноделии. Биологическая очистка сточных вод.

Понятие и классификация биообъектов. Иммобилизованные ферменты. Биотехнология витаминов и коферментов

Рубрика Биология и естествознание
Вид Контрольная работа
Язык Русский
Дата добавления 04.11.2015
Размер файла 83,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www. allbest. ru/

Вопрос 1. Биообъект Как Средство Производства Лекарственных, Диагностических И Профилактических ПРепаратов. Определение. Требования. Классификация. Примеры

Биообъект-это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

Требования, Предъявляемые К Биологическим Объектам

Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются: чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микробов — контаминантов, или загрязнителей. Представителями контаминирующей микрофлоры являются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток. В этих случаях микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии. При использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофитной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие нестерильности системы.

Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов — одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.

Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках животного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником ферментов также являются изолированные клетки или специализированные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.

Классификация Биообъектов

— ферменты всех классов (чаще гидролазы и трансферазы); в т. ч. в иммобилизированном виде (связанные с носителем) обеспечивающем многократность использования и стандартность повторяющихся производственных циклов;

— ДНК и РНК — в изолированном виде, в составе чужеродных клеток.

— вирусы (с ослабленной патогенностью используются для получения вакцин);

— клетки прокариоты и эукариоты — продуценты первичных метаболитов: аминокислот, азотистых оснований, коферментов, моно — и дисахаров, ферментов для заместительной терапии и т. д.); — продуценты вторичных метаболитов:антибиотики, алкалоиды, стероидные гормоны, и др.;

— нормофлоры — биомасса отдельных видов микроорганизмов применяемые для профилактики и лечения дисбактериозов;

— возбудители инфекционных заболеваний — источники антигенов для производства вакцин;

— трансгенные м/о или клетки — продуценты видоспецифичных для человека белковых гормонов, белковых факторов неспецифического иммунитета и т. д.

— высшие растения — сырье для получения БАВ;

— животные — млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, членистоногие, рыбы, моллюски, человек;

В качестве биологических объектов или систем, которые использует биотехнология, прежде всего, необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетка. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:

1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимы в жизни человека, пока недоступны для получения «небиотехническими» способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья или же сложности технологических процессов.

2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 минут, дрожжевая — через каждые 1,5-2 ч, животная — через 24 ч, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток. Например, в биореакторе емкостью 100 м 3 за 2-3-сут. можно вырастить 10 16 -10 18 микробных клеток. В процессе жизнедеятельности клеток при их выращивании в среду поступает большое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют собой кладовые этих продуктов.

3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырье для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырье для других видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной,, пищевой промышленности, растительное сырье, дрожжи, древесина, меласса и др.).

4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т. е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технология переработки и т. д.

Вопрос 2. Иммобилизация Ферментов Физическими Методами. Используемые Носители. Характеристика Методов Иммобилизации. Область Применения Иммобилизованных Ферментов

Существует два основных метода иммобилизации ферментов: физический и химический.

Физическая иммобилизация ферментов представляет собой включение фермента в такую среду, в которой для него доступной является лишь ограниченная часть общего объема. При физической иммобилизации фермент не связан с носителем ковалентными связями. Существует четыре типа связывания ферментов:

— адсорбция на нерастворимых носителях;

— включение в поры геля;

— пространственное отделение фермента от остального объема реакционной системы с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны);

— включение в двухфазную среду, где фермент растворим и может находиться только в одной из фаз.

Перечисленные подходы проиллюстрированы рисунке 1.

Адсорбционная иммобилизация является наиболее старым из существующих способов иммобилизации ферментов, начало ей было положено еще в 1916 г. Этот способ достаточно прост и достигается при контакте водного раствора фермента с носителем.

Рис. 1. Способы иммобилизации ферментов: а — адсорбция на нерастворимых носителях, б — включение в поры геля, в — отделение фермента с помощью полупроницаемой мембраны, г — использование двухфазной реакционной среды

После отмывки неадсорбировавшегося белка иммобилизованный фермент готов к использованию. Удерживание адсорбированной молекулы фермента на поверхности носителя может обеспечиваться за счет неспецифических ван-дер-ваальсовых взаимодействий, водородных связей, электростатических и гидрофобных взаимодействий между носителем и поверхностными группами белка. Вклад каждого из типов связывания зависит от химической природы носителя и функциональных групп на поверхности молекулы фермента. Взаимодействия с носителем могут оказаться настолько сильными, что сорбция биокатализатора может сопровождаться разрушением его структуры. Например, при адсорбции некоторых растительных клеток на гранулах цитодекса клеточная стенка деформируется, повторяя рельеф поверхности частиц носителя. Преимуществом метода адсорбционной иммобилизации является доступность и дешевизна сорбентов, выступающих в роли носителей. Им также можно придать любую конфигурацию и обеспечить требуемую пористость. Важный фактор — простота применяемых методик. При адсорбционном связывании можно решить и проблему очистки фермента, так как связывание белка с носителем во многих случаях достаточно специфическое. К сожалению, прочность связывания фермента с носителем не всегда достаточно высока, что ограничивает применение метода. К недостаткам адсорбционной иммобилизации следует отнести отсутствие общих рекомендаций, позволяющих сделать правильный выбор носителя и оптимальных условий иммобилизации конкретного фермента.

Некоторых из перечисленных затруднений можно избежать при иммобилизации ферментов путем включения в гели. Суть этого метода иммобилизации состоит в том, что молекулы фермента включаются в трехмерную сетку из тесно переплетенных полимерных цепей, образующих гель. Среднее расстояние между соседними цепями в геле меньше размера молекулы включенного фермента, поэтому он не может покинуть полимерную матрицу и выйти в окружающий раствор, т. е. находится в иммобилизованном состоянии. Дополнительный вклад в удерживание фермента в сетке геля могут вносить также ионные и водородные связи между молекулой фермента и окружающими ее полимерными цепями. Пространство между полимерными цепями в геле заполнено водой, на долю которой обычно приходится значительная часть всего объема геля. Например, широко применяемые гели полимеров акриловой кислоты в зависимости от концентрации полимера и его природы содержат от 50 до 90% воды.

Для иммобилизации ферментов в геле существует два основных способа. При одном из них фермент помещают в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию, в результате чего образуется полимерный гель с включенными в него молекулами фермента. В реакционную смесь часто добавляют также бифункциональные (содержащие в молекуле две двойные связи) сшивающие агенты, которые придают образующемуся полимеру структуру трехмерной сетки. В другом случае фермент вносят в раствор готового полимера, который затем каким-либо образом переводят в гелеобразное состояние. Способ иммобилизации ферментов путем включения в полимерный гель позволяет создавать препараты любой геометрической конфигурации, обеспечивая при этом равномерное распределение биокатализатора в объеме носителя. Метод универсален, применим для иммобилизации практически любых ферментов, полиферментных систем, клеточных фрагментов и клеток. Фермент, включенный в гель, стабилен, надежно защищен от инактивации вследствие бактериального заражения, так как крупные клетки бактерий не могут проникнуть в мелкопористую полимерную матрицу. В то же время, эта матрица может создавать значительные препятствия для диффузии субстрата к ферменту, снижая каталитическую эффективность иммобилизованного препарата, поэтому для высокомолекулярных субстратов данный метод иммобилизации не применим вообще.

Общий принцип иммобилизации ферментов с использованием мембран заключается в том, что водный раствор фермента отделяется от водного раствора субстрата полупроницаемой перегородкой. Полупроницаемая мембрана легко пропускает небольшие молекулы субстрата, но непреодолима для крупных молекул фермента. Существующие модификации этого метода различаются лишь способами получения полупроницаемой мембраны и ее природой. Водный раствор фермента можно включать внутрь микрокапсул, представляющих собой замкнутые сферические пузырьки с тонкой полимерной стенкой (микрокапсулирование). При двойном эмульгировании получается водная эмульсия из капель органического раствора полимера, содержащих, в свою очередь, еще более мелкие капли водного раствора фермента. Через некоторое время растворитель затвердевает, образуя сферические полимерные частицы с иммобилизованным в них ферментом. Если вместо водонерастворимого отвердевающего полимера используются жидкие углеводороды с высокой молекулярной массой, метод называется иммобилизацией путем включения в жидкие мембраны. К модификациям метода иммобилизации ферментов с использованием полупроницаемых оболочек относятся также включение в волокна (при этом вместо капель, содержащих ферменты, получаются нити) и включение в липосомы. Применение систем мембранного типа позволяет получать иммобилизованные препараты с высоким содержанием фермента. Метод, как и предыдущий, достаточно универсален, т. е. применим как ферментам, так и к клеткам, а также их фрагментам. Благодаря высокому отношению поверхности к объему и малой толщине мембраны удается избежать значительных диффузионных ограничений скорости ферментативных реакций. Основной недостаток мембранных систем — невозможность ферментативного превращения высокомолекулярных субстратов.

При иммобилизации ферментов с использование систем двухфазного типа ограничение свободы перемещения фермента в объеме системы достигается благодаря его способности растворяться только в одной из фаз. Субстрат и продукт ферментативного превращения распределяются между обеими фазами в соответствии с их растворимостями в этих фазах. Природа фаз подбирается таким образом, что продукт накапливается в той из них, где фермент отсутствует. После завершения реакции эту фазу отделяют и извлекают из нее продукт, а фазу, содержащую фермент, вновь используют для проведения очередного процесса. Одним из важнейших преимуществ систем двухфазного типа является то, что они позволяют осуществлять ферментативные превращения макромолекулярных субстратов, которые невозможны при применении жестких носителей с ограниченным размером пор.

Главным отличительным признаком химических методов иммобилизации является то, что путем химического взаимодействия на структуру фермента в его молекуле создаются новые ковалентные связи, в частности между белком и носителем. Препараты иммобилизованных ферментов, полученные с применением химических методов, обладают, по крайней мере, двумя важными достоинствами. Во-первых, ковалентная связь фермента с носителем обеспечивает высокую прочность образующегося конъюгата. При широком варьировании таких условий, как рН и температура, фермент не десорбируется с носителя и не загрязняет целевых продуктов катализируемой им реакции. Это особенно важно при реализации процессов медицинского и пищевого назначения, а также для обеспечения устойчивых, воспроизводимых результатов в аналитических системах. Во-вторых, химическая модификация ферментов способна приводить к существенным изменениям их свойств, таких как субстратная специфичность, каталитическая активность и стабильность. Химическая иммобилизация ферментов является искусством, уровень которого определяется, в первую очередь, умением экспериментатора. Основная задача экспериментатора заключается в формировании новых ковалентных связей в молекуле фермента при использовании его функциональных групп, несущественных для проявления его каталитической активности. При химической модификации фермента его активный центр желательно защищать. При сопоставлении различных приемов иммобилизации химические методы для крупномасштабных биотехнологических процессов кажутся малопривлекательными из-за сложности и дороговизны. В промышленных процессах обычно используются те или иные методы физической иммобилизации.

Применение Иммобилизованных Ферментов

Особенно ощутимый вклад иммобилизованные ферменты внесли в тонкий органический синтез, в анализ, в медицину, в процессы конверсии энергии, в пищевую и фармацевтическую промышленности.

Для синтетической органической химии важно то, что в двухфазных реакционных средах фермент сохраняет каталитическую активность даже при исключительно малом содержании воды, поэтому равновесие катализируемой реакции (выход продукта) экспериментатор может регулировать в широких пределах, подбирая нужный органический растворитель. Иммобилизованные ферменты дали толчок к созданию принципиально новых методов «безреагентного» непрерывного анализа многокомпонентных систем органических (в ряде случаев и неорганических) соединений.

В будущем важную роль в контроле окружающей среды и в клинической диагностике должны сыграть такие методы, как биолюминесцентный анализ и иммуноферментный анализ.

В медицине иммобилизованные ферменты открыли путь к созданию лекарственных препаратов пролонгированного действия со сниженной токсичностью и аллергенностью. Иммобилизационные подходы способствуют решению проблемы направленного транспорта лекарств в организме.

Проблемы биоконверсии массы и энергии в настоящее время пытаются решить микробиологическим путем. Тем не менее, иммобилизованные ферменты вносят ощутимый вклад в осуществление фотолиза воды и в биоэлектрокатализ.

Заслуживает внимание и использование иммобилизованных ферментов в процессах переработки лигноцеллюлозного сырья.

Иммобилизованные ферменты могут использоваться и как усилители слабых сигналов. На активный центр иммобилизованного фермента можно подействовать через носитель, подвергая последний ультразвуковой обработке, механическим нагрузкам или фотохимическим превращениям. Это позволяет регулировать каталитическую активность системы фермент — носитель под действием механических, ультразвуковых и световых сигналов. На этой основе были созданы механо — и звукочувствительные датчики и открыт путь к бессеребряной фотографии.

Промышленные процессы с применением иммобилизованных ферментов внедрены, прежде всего, в пищевую и фармацевтическую промышленность. В пищевой промышленности с участием иммобилизованных ферментов идут процессы получения глюкозо-фруктовых сиропов, глюкозы, яблочной и аспарагиновой кислоты, оптически активных L-аминокислот, диетического безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки и др.

В медицине иммобилизованные ферменты используются также как лекарственные препараты, особенно в тех случаях, когда необходимо локальное воздействие. Кроме того, биокатализаторы широко используются в различных аппаратах для перфузионной очистки различных биологических жидкостей. Возможности и перспективы использования в медицине ферментов в иммобилизованном состоянии гораздо шире, чем достигнутые на сегодняшний день, именно на этом пути медицину ждет создание новых высокоэффективных методов лечения.

Биообъект иммобилизованый фермент витамин

Вопрос 3. Биотехнология Витаминов И Коферментов. Биологическая Роль Витаминов. Достоинства И Недостатки Традиционных Методов Получения (выделение Из Природных Источников, Химический Синтез) И Микробиологического Синтеза Витаминов

Витамины (от лат. vita — жизнь + амины) — низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, абсолютно необходимые для нормальной жизнедеятельности организмов. Витамин являются незаменимыми пищевыми веществами, т. к. за исключением никотиновой кислоты они не синтезируются организмом человека и поступают главным образом в составе продуктов питания. Некоторые витамины могут производиться нормальной микрофлорой кишечника. В отличие от других жизненно важных пищевых веществ витамины не обладают пластическими свойствами и не используются организмом в качестве источника энергии. Участвуя в разнообразных химических превращениях, они оказывают регулирующее влияние на обмен веществ и тем самым обеспечивают нормальное течение практически всех биохимических и физиологических процессов в организме.

Коферменты (син. Коэнзимы) — органические соединения небелковой природы необходимые для осуществления каталитического действия многих ферментов, соединяясь с белковой частью молекулы фермента — Апоферментом, кофермент образует каталитически активный комплекс — Холофермент. Прочно связанные с белками коферменты называются Простетическими Группами. Коферменты могут участвовать в активировании молекул субстрата, образуя с ними реакционно-способные соединения, которые затем подвергаются ферментативному превращению. Некоторые метаболиты, выступающие в ферментативных реакциях как обычные субстраты, в определенных условиях могут играть роль коферментов. Многие коферменты являются производными витаминов и, поэтому нарушение обмена веществ при витаминной недостаточности опосредовано через понижение активности определенных ферментов.

Коферменты, как правило, термостабильны, разнообразны по химическому строению и механизму действия.

Биологическая Роль Витаминов

Действие витамина на организм

Содержится в продуктах

Витамин А (Ретинол)

Витамин А предотвращает проблемы со зрением, способствует здоровью иммунной системы, имеет весомое значение для роста клеток и улучшает состояние кожи.

К основным источникам ретинола можно отнести печень, молоко, яйца и витаминизированные каши, зеленые и оранжевые овощи (например картофель, морковь, тыква и капуста), и оранжевые фрукты — персики, папайя, дыня, абрикосы или манго.

Витамин В12 (Цианокобаламин)

Витамин В12 помогает воспроизводству красным кровяным тельцам, нервным клеткам. Он участвует в делении клеток, поэтому без него невозможна регенерация тканей и рост мышц.

В рыбе, красном мясе, мясе птиц, молоке, сыре и яйцах можно найти этот витамин. Его также добавляют в некоторые сухие завтраки.

Витамин B6 (Пиридоксин)

Для правильной работы мозга и других неврологических функций незаменим Витамин В6. Также он помогает организму расщеплять белки и вырабатывать эритроциты.

Широкий спектр продуктов содержат витамин В6 — в том числе картофель, бананы, бобы, семена, орехи, красное мясо, рыба, яйца и птица, шпинат и витаминизированные каши.

Витамин В1 (Тиамин )

Тиамин служит катализатором для преобразования углеводов в энергию и необходим для мышц, для сердечной деятельности а также состояния нервной системы.

Люди получают тиамин из различных продуктов, в том числе разных сортов хлеба, круп и макаронных изделий; постного мяса, сушеных бобов, соевых продуктов и гороха, а также из пророщенных зерен, таких например — как зародыши пшеницы.

Витамин В3 (Никотиновая кислота)

Никотиновая кислота помогает поддержанию здоровья кожи, а также в работе нервной системы.

Вы найдете ниацин в птице, красном мясе, крупах, рыбе и арахисе.

Витамин В2 (Рибофлавин)

Рибофлавин нужен организму для роста, превращения углеводов в энергию, и в производстве эритроцитов.

Некоторыми из источников рибофлавина являются молоко, мясо, яйца, бобовые (например горох и чечевица), орехи, зелень. А также: спаржа, брокколи и витаминизированные каши.

Витамин B9 (Фолиевая кислота)

Фолиевая кислота (B9) — содействует в выработке эритроцитов. Кроме того, она необходима, для воссоздания ДНК.

Апельсиновый сок, печень, сушеные бобы и другие бобовые, зелень, спаржа — очень хороший источник этого витамина. А так же: хлеб, рис и зерновые культуры.

Витамин С (Аскорбиновая кислота)

Витамин С нужен для формирования коллагена (ткани, служащей для связывания клеток). Это важно и для здоровья десен, зубов и для роста костей. Также Витамин С — поддерживает в тонусе кровеносные сосуды. Он служит катализатором для усваивания железа организмом, стимулирует функции головного мозга и ускоряет заживление ран.

Витамин С — есть в клубнике, киви, гуаве, перце, шпинате помидорах и брокколи. И конечно самый высокий уровень этого витамина — в цитрусовых!

Витамин D (Кальциферол)

Витамин D, служит укреплению костей, потому что помогает организму усваивать укрепляющий кости кальций и наращивать прочность скелета человека.

Этот витамин является уникальным — ваше тело производит его, когда вы получаете солнечные ванны! Витамин D содержится также и некоторых продуктах, например он есть в жирной рыбе (такой как лосось) в яичных желтках, тунце или сардине а также в молоке коровьем, соевом молоке и апельсиновом соке.

Витамин Е (Токоферол)

Для выработки и поддержания красных кровяных телец в здоровом состоянии нужен витамин E. А еще токоферол — антиоксидант, и в его функции входит защита клеток от разрушений и повреждений.

Токоферол есть в зелени и орехах, растительных маслах и авокадо. Также его достаточно в пророщенных зернах пшеницы и ячменя.

Помогает контролировать свертывание крови в организме и необходим для синтеза в печени белков, которые управляют свертыванием. Нехватка этого витамина — может привести к носовым и внутренним кровотечениям.

Пополнить запасы витамина K — вам поможет брюссельская капуста, обычная капуста и брокколи, а также зелень. Много его в сое, рапсе и оливковом масле.

Достоинства И Недостатки Методов Получения Витаминов

Производство витаминов в нашей стране организовано в начале 30-х гг. прошлого века. Вначале выпускались витаминные препараты из натурального сырья. Затем было освоено производство синтетических витаминов С и K3. С 1949 по технологии, разработанной советскими учёными, в промышленном масштабе стал осваиваться синтез других витаминов, например тиамина (витамин B1). В 1950 производство витаминов увеличилось по сравнению с 1940 в 5,6 раза. К 1955 г. были разработаны схемы синтеза всех известных основных витаминов. Дальнейшее развитие витаминной промышленности связано главным образом с разработкой и внедрением синтетических методов производства витаминов. Эти методы по характеру технологических процессов значительно сложнее, чем метод извлечения витаминов из натурального сырья, но они позволяют получать продукцию в химически чистом виде, что имеет большое значение для их лечебного применения и точных дозировок при изготовлении кормовых концентратов. Кроме того, издержки на производство синтетических витаминов ниже издержек на получение соответствующих витаминов из натурального сырья.

Метод выделения витаминов из природных источников, безусловно, проще с точки зрения производства, но не удобен тем, что требует переработки огромного количества сырья. Что касается химического синтеза, то недостатками его является все же: многостадийность процессов, значительная материалоёмкость, обусловливающая необходимость размещения предприятий вблизи сырьевых баз; необходимость выработки высокочистой продукции.

Витаминная промышленность нуждается в более эффективных технологиях, и такие технологии успешно создаются.

С помощью лишь генетических манипуляций (воздействием на регуляцию метаболизма) были получены штаммы микроорганизмов, которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов, чем необходимо для их роста. Это штаммы Ashbya gossypii — продуцент рибофлавина, штаммы Pseudomonas denitrifikans и Propionibacterium freudonreichii, производящие витамин В12 и др. В России на базе бактерий рода Bacillus subtilis сконструирован эффективный продуцент витамина В2.

Для микробиологического синтеза органических соединений в качестве сырья применяют наиболее дешевые источники азота (например, нитраты или соли аммония) и углерода (напр., углеводы. орг. кислоты, спирты. жиры. углеводороды. в т. ч. газообразные).

Применение биосинтеза дает возможность сокращения стадий химического синтеза за счет использования высокоактивных штаммов микроорганизмов. Например производство витаминов В12, В2, В3 и D (эргостерина) стало возможным осуществлять в 1 стадию. БТ методы нашли применение в синтезе вит. С, убихинона, каротиноидов. В12 — получают и спользованием прокариотической микрофлоры — мутагенных штаммов пропионовых бактерий — 50 мг/л среды и его предшественника — ди метилбенимидазола — до 200 мг/л. В2, — (рибофлавин) поучают с использованием дрожжеподобных грибов Eremothecium и Ashbya — 3,8-6,4 г/л. В последнее время используется мутантный штамм Bacillus subtilis — 3,5-4,5 г/л. — В3 — (пантотеновая к-та) и синтез кофермента КоА актиномицетами из аланина и пантотената К с помощью иммобилизованных клеток бактерий Brevibacteria. Недостатки — небольшой выход готового продукта, для этого проводят совершенствование по направлениям: селекция мутантных штаммов, оптимизация состава и удешевление сред, оптимизация условий культивирования продуцента.

Используемая Литература

1. Биотехнология: учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений / Ю. О. Сазыкин, С. Н. Орехов, И. И. Чакалева; под ред. А. В. Катлинского.-3-е изд.,- М.: Издательский центр «Академия», 2008-256 с.

2. Биотехнология лекарственных средств. Учебное пособие / Под ред. Быкова В. А. и Далина М. В. — М.: Медбиоэкономика — 303с.

3. Основы фармацевтической биотехнологии: учеб. Пособие / под ред. Чучалин В. С. Прищеп Т. П. Белова Л. С. Зайков К. Л. Михалева Л. К.,- Ростов н/Д, «Феникс», 2006 г.

Размещено на Allbest. ru

Что касается химического синтеза, то недостатками его является все же многостадийность процессов, значительная материалоёмкость, обусловливающая необходимость размещения предприятий вблизи сырьевых баз; необходимость выработки высокочистой продукции.

Knowledge. allbest. ru

28.06.2017 20:07:52

2017-06-28 20:07:52

Источники:

Https://knowledge. allbest. ru/biology/3c0b65625a3ad69b5d53b89521206d36_0.html

Аспекты биотехнологического процесса » /> » /> .keyword { color: red; } Биообъекты как средство производства лекарственных профилактических и диагностических препаратов

Аспекты биотехнологического процесса

Аспекты биотехнологического процесса

Биообъекты растительного происхождения, используемые в культуре ткани для получения лекарственных веществ. Ферменты, используемые в генетической инженерии, механизм их действия. Сущность метода иммобилизации ферментов путем включения в структуру геля.

Рубрика Биология и естествознание
Вид Контрольная работа
Язык Русский
Дата добавления 14.02.2013
Размер файла 617,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www. allbest. ru/

    1. Назовите биообъекты растительного происхождения используемые в культуре ткани для получения лекарственных вещества (не менее 8). Примеры использования (донор, донатор) 2. Ферменты используемые в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы) и механизм их действия 3. В чем сущность метода иммобилизации ферментов путем включения в структуру геля. Гелеобразующие вещества органической и неорганической природы и примеры их использования в биотехнологии 4. Биотехнологический процесс как заключительный этап производства целевых продуктов в том числе и лекарственных веществ (примеры) 5. Критерии подбора ферментаторов при реализации конкретных целей биотехнологического процесса. Нарисовать схему ферментатора (биореактора) и пример его использования 6. Методы извлечения целевых продуктов, накапливающихся внутри клеток продуцента 7. Биотехнология аминокислот (глютаминовая кислота, лизин, треонин и др.). преимущества микробиологического синтеза перед другими способами получения 8. Биологическая роль антибиотиков как вторичных метаболитов. Причины позднего накопления антибиотиков в ферментационной среде по сравнению с накоплением биомассы 9. Применение растительных клеток для трансформации лекарственных веществ. Преимущества получения целевых продуктов с использованием культур клеток растении по сравнению с традиционными. Экономические аспекты биоиндустрии культуры тканей растений Список использованной литературы 1.Назовите биообъекты растительного происхождения используемые в культуре ткани для получения лекарственных вещества (не менее 8). Примеры использования (донор, донатор)

1) каллусные ткани на агаризованной среде;

2) суспензионная культура клеток и небольших агрегатов в жидкой среде;

3) культуры протопластов;

4) изолированные зародыши;

5) изолированные кончики корней;

6) изолированные меристемы побегов;

7) изолированные стебли;

8) Изолированные листья.

Как правило, вторичные вещества получают из каллусной ткани, выращенные на твердой (агаразованной) или жидкой (суспензионная культура) питательной среде.

Для производства биологически активных веществ (БАВ) используют каллусную ткань, которую получают твердофазной ферментацией и глубинным суспензионным культивированием. Каллусная культура — это неорганизованная профилирующая ткань, состоящая из дедифференцированных клеток. Каллусная клетка имеет свой цикл развития и повторяет развитие любой клетки, включая деление, растяжение и дифференцировку, после чего начинается старение и отмирание клетки. Для того чтобы не произошло старения, первичный каллус через 4-6 недель переносят на свежую питательную среду.

Эту операцию называют пассированием. При регулярном пассировании способность к делению может поддерживаться в течение десятков лет.

Использование культуры протопластов.

Отсутствие клеточной стенки у протопластов обусловливает им свойства, отличные от целых клеток. Благодаря тому, что протопласты способны поглощать макромолекулы и органеллы, их используют в качестве реципиентов при трансформации, а также в экспериментах по клеточной селекции и мутагенезу. Изолированные протопласты служат источником для выделения неповрежденных и функционально активных субклеточных и цитоплазматических структур и органелл (хлоропластов, ядер, хромосом).

Способность протопластов сливаться друг с другом нашла применение для получения соматических гибридов.

Изолированные органы растений применяют для синтеза БАВ.

2. Ферменты используемые в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы) и механизм их действия

Рестриктазы — это ферменты, при помощи которых получают фрагменты ДНК.

Лигазы — ферменты, соединяющие фрагменты ДНК.

Расщепление ДНК в специфических участках нуклеотидных последовательностей осуществляется особыми ферментами — рестрикцирующими нуклеазами, способными разрушить чужеродную ДНК. Все ферменты можно условно разделить на следующие группы:

1) используемые для получения фрагментов ДНК;

2) синтезирующие фрагменты ДНК на матрице РНК;

3) соединяющие фрагменты ДНК;

4) позволяющие осуществить изменение структуры концов фрагментов ДНК;

5) применяемые для приготовления гибридизационных проб.

Каждый фермент, способный разрушить чужеродную ДНК, опознает в ней последовательность из 4…6 нуклеотидов. В настоящее время выпускается более 100 разнообразных рестриктаз. Каждый фермент опознает различные последовательности нуклеотидов и специфично разрывает их. При разрыве образуется серия фрагментов, называемая рестрикционной (рестрикта), с тупыми либо липкими концами. Преимущественно разрывается двунитевая ДНК.

Рисунок 1 — Участки узнавания ДНК тремя рестриктазами из Haemophilus Parainfluenzae (HpaI); Escherichia Coli (EcoRI) и Haemophilus Influenzae (HindIII)

Многие рестриктазы вносят разрывы в две цепи ДНК со смещением на несколько нуклеотидов и образованием на концах фрагментов коротких одноцепочечных участков. Они способны образовывать комплементарные пары оснований с любым другим одноцепочечным участком, полученным с помощью того же фрагмента (липкие концы). Липкие концы позволяют легко соединить два любых фрагмента ДНК в одно целое. Полученный фрагмент ДНК можно встроить в очищенную ДНК плазмиды или бактериального вируса.

Сравнение размеров фрагментов ДНК после обработки соответствующего участка генома набором рестриктаз позволяет построить рестрикционную карту, отражающую расположение определенной последовательности нуклеотидов в данном участке. Сравнением таких карт можно оценить степень гомологии между отдельными генами без определения их нуклеотидной последовательности. Рестрикционные карты важны для клонирования ДНК, решения эволюционных и филогенетических задач.

Один из важных этапов конструирования молекулы ДНК — лигирование (или сшивание) генов с помощью фрагмента ДНК — лигазы. Сшивание фрагментов ДНК, содержащих нужные гены, осуществляют двумя основными методами:

А) по «липким» концам;

Б) с помощью искусственно достроенных «липких» концов (ферментативным путем). «Липкие» концы — взаимнокомплементарные участки, длиной из 4…6 пар нуклеотидов.

После того, как рекомбинантная ДНК сшита, ее вводят в живые клетки.

3. В чем сущность метода иммобилизации ферментов путем включения в структуру геля. Гелеобразующие вещества органической и неорганической природы и примеры их использования в биотехнологии

Для иммобилизации ферментов в геле существует два основных способа. При одном из них фермент помещают в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию, в результате чего образуется полимерный гель с включенными в него молекулами фермента. В реакционную смесь часто добавляют также бифункциональные (содержащие в молекуле две двойные связи) сшивающие агенты, которые придают образующемуся полимеру структуру трехмерной сетки.

В другом случае фермент вносят в раствор готового полимера, который затем каким-либо образом переводят в гелеобразное состояние.

Способ иммобилизации ферментов путем включения в полимерный гель позволяет создавать препараты любой геометрической конфигурации, обеспечивая при этом равномерное распределение биокатализатора в объеме носителя. Метод универсален, применим для иммобилизации практически любых ферментов, полиферментных систем, клеточных фрагментов и клеток. Фермент, включенный в гель, стабилен, надежно защищен от инактивации вследствие бактериального заражения, так как крупные клетки бактерий не могут проникнуть в мелкопористую полимерную матрицу. В то же время, эта матрица может создавать значительные препятствия для диффузии субстрата к ферменту, снижая каталитическую эффективность иммобилизованного препарата, поэтому для высокомолекулярных субстратов данный метод иммобилизации не применим вообще.

Для первого варианта используют гели полиакриламида, поливинилового спирта, поливинилпирролидона, силикагеля, для второго — гели крахмала, агар-агара, каррагинана, агарозы, фосфата кальция.

Иммобилизация ферментов в гелях обеспечивает равномерное распределение энзима в объеме носителя. Большинство гелевых матриц обладает высокой механической, химической, тепловой и биологической стойкостью и обеспечивает возможность многократного использования фермента, включенного в его структуру. Однако метод непригоден для иммобилизации ферментов, действующих на водонерастворимые субстраты.

4. Биотехнологический процесс как заключительный этап производства целевых продуктов в том числе и лекарственных веществ (примеры)

Основная цель биотехнологии — промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологический процесс — включает ряд этанов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.

В завершении биотехнологического процесса получают три основные группы товаров:

1. Биопрепараты, имеющие в товарном продукте в качестве основного компонента жизнеспособные микроорганизмы. К этой группе относятся средства защиты растений, бактериальные удобрения, закваски для силосования кормов, биодеграданты, другие активные средства биотрансформации.

2. Биопрепараты, в состав которых входит инактивированная биомасса клеток и продукты ее переработки. Это кормовые дрожжи, грибной мицелий и т. д.

3. Биопрепараты на основе очищенных продуктов метаболизма микроорганизмов. К ним относятся витамины, аминокислоты, ферменты, антибиотики, биолипиды, полисахариды, продукты комплексной переработки микробных масс и метаболитов.

В зависимости от принятых на предыдущей стадии решения товарные формы представляют собой либо сложную смесь, содержащую некоторое количество основного вещества, либо высокоочищенный препарат, отвечающий ряду специальных требований.

Продукт может выпускаться в жидком (например жидкий концентрат лизина) или сухом виде (белково-витаминный концентрат, энтомопатогенные препараты, кормовой концентрат лизина). Стадия фасовки рассмотренных комплексных препаратов заключается в помещении их в тару (мешки, барабаны и т. п.), размеры и тип которой определяются потребностями заказчика и свойствами продукта (его слеживаемостью, гигроскопичностью, стойкостью к загниванию и т. д.). Другие требования предъявляются к медицинским препаратам и биохимическим реактивам.

Растительный лекарственный фермент генетический

5. Критерии подбора ферментаторов при реализации конкретных целей биотехнологического процесса. Нарисовать схему ферментатора (биореактора) и пример его использования

Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов (биомасс, эндо — и экзопродуктов). Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментере) и может быть организована в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта различными способами. Ферментация может проходить в строго асептических условиях и без соблюдения правил стерильности (так называемая «незащищенная» ферментация); на жидких и на твердых средах; анаэробно и аэробно. Аэробная ферментация, в свою очередь, может протекать поверхностно или глубинно (во всей толще питательной среды).

Культивирование биологических объектов может осуществляться в периодическом и проточном режимах, полунепрерывно с подпиткой субстратом.

В соответствии с вышесказанным критериями выбора ферментера являются:

2) Скорость роста единичной клетки;

3) Тип дыхания биообъекта;

4) Вид транспорта и превращения субстрата в клетке;

5) Время размножения отдельной клетки.

Рис. 2. Ферментер

Клеточный ферментер (биореактор) представляет собой резервуар с мешалкой, сконструированный для культивирования клеток животных. Он доступен в пилотном и производственном масштабе (общим объемом до 2000 л). Для минимизации стресса при ранении перемешивание осуществляется лопастной мешалкой морского типа.

Культивирование может быть стационарным, стационарным с подпиткой, а также непрерывным благодаря наличию тензодатчиков. Реактор используется для культивирования взвеси клеток или клеток, иммобилизованных на микроносителях. Для задержания биомассы при непрерывном культивировании можно использовать роторные или спиральные фильтры (см. ниже).

Встроенное устройство пробоотбора обеспечивает стерильный отбор контагиозных клеток (например, для производства вирусов).

6. Методы извлечения целевых продуктов, накапливающихся внутри клеток продуцента

Это завершающая стадия биотехнологического процесса. Продукт может накапливаться в клетке или выделятся в культуральную жидкость. Наиболее сложно выделение продукта, накапливающегося в клетках. Для этого клетки необходимо отделить от культуральной жидкости, разрушить, затем целевой продукт очистить от массы компонентов разрушенных клеток.

Первым этапом на пути к очистке целевого продукта является отделение биомассы от культуральной жидкости — сепарация.

1. Флотация. Если клетки продуцента в биореакторе из-за низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости, то жидкость предварительно вспенивают, затем отделяют ее верхний слой с клетками. Флотаторы различных конструкций сцеживают, откачивают или соскребают пену, состоящую из пузырьков газа с прилипшими к ним клетками. Флотацию широко используют как первый этап отделения дрожжевой массы для осветления культуральной жидкости.

2. Фильтрация — задержание биомассы на пористой фильтрующей перегородке. Применяют фильтры однократного или многократно использования: барабанные, дисковые, ленточные, тарельчатые, карусельные, вакуум-фильтры, фильтр-прессы различных конструкций, мембранные фильтры. Диаметр пор может превышать размеры клеток. Иногда биомассу сдувают с поверхности фильтра сжатым воздухом или срезают специальным ножом.

3. Центрифугирование — осаждение взвешенных в жидкости частиц с применением центробежной силы. Требует более дорогостоящего оборудования, чем фильтрование. Поэтому оно оправдывает себя, если: а) суспензия фильтруется медленно; б) поставлена задача максимального освобождения культуральной жидкости от содержащихся частиц; в) необходимо наладить непрерывный процесс сепарации в условиях, когда фильтры рассчитаны только на периодическое действие.

Центрифугирование и фильтрация иногда реализуются в комбинации, в фильтрационных центрифугах. Перспективны для осаждения биомассы центрифуги-сеператоры, в которых биомасса оседает на стенках вращаемого цилиндра или на тарелках специальной тарельчатой вставки.

Вторым этапом при получении продукта, накапливающегося в клетках, является разрушение клеток, которое проводят физическим, химическим и химико-ферментативным методами.

Физическое разрушение проводят ультразвуком, с помощью вращающихся лопастей или вибраторов, встряхиванием со стеклянными бусами, продавливанием под высоким давлением через узкое отверстие, раздавливанием замороженной массы, растиранием в струнке, осмотическим шоком, замораживанием — оттаиванием, сжатием с последующим резким снижением давления. Этим способам дезинтеграции клеток присуща определенная неизбирательность: обработка может отрицательно влиять на качество получаемого продукта. Физические методы позволяют целенаправленно выделять какую-либо одну фракцию внутриклеточного содержимого.

Химическое и химико-ферментативное разрушение клеток избирательно, не всегда пригодно. Его проводят обработкой клеток толуолом или бутанолом при промышленном получении дрожжевого автолизата и ряда ферментов. Эффективный лизис клеток вызывают антибиотики полимиксины, тироцидины. новобиоцин, нистатин и другие, некоторые поверхностно-активные вещества, а также глицин.

Разрушенные клеточные стенки отделяют методами сепарации. В большинстве биотехнологических процессов клеточные стенки отбрасывают как балласт, но возможно и промышленное получение компонентов клеточных стенок как целевого продукта.

Третий этап — выделение целевого продукта из культуральной жидкости или гомогената разрушенных кислот проводят путем его осаждения, экстракции или адсорбции.

7. Биотехнология аминокислот (глютаминовая кислота, лизин, треонин и др.). Преимущества микробиологического синтеза перед другими способами получения

Аминокислоты с каждым годом находят все большее применение в качестве кормовых и пищевых добавок и приправ, сырья фармацевтической и парфюмерной промышленности.

Получение аминокислот возможно несколькими путями: химическим синтезом, гидролизом природного белкового сырья и в биотехнологических процессах. Химический синтез дает рацемат — продукт, содержащий как L-, так и D-формы аминокислот. За исключением глицина, который не имеет оптически активных изомеров, и метионина, усвояемого организмами в обеих формах, D-изомеры обладают токсичностью. Получение оптически активных L-изомеров аминокислот из гидролизатов природных материалов растительного и животного происхождения связано с многоступенчатой и дорогостоящей очисткой. Биотехнологическое получение аминокислот включает в себя прямую микробную ферментацию, а также микробиологический или ферментативный синтез из предшественников.

Микробиологический метод получения аминокислот, наиболее распространенный в настоящее время, основан на способности микроорганизмов синтезировать все L-аминокислоты, а в определенных условиях — обеспечивать их сверхсинтез.

Рис. 3. Схема получения микробных биопрепаратов

Биосинтез аминокислот в микробных клетках протекает в виде так называемых свободных аминокислот или «пула аминокислот», из которого в процессах конструктивного метаболизма синтезируются клеточные макромолекулы. Для синтеза всех белков требуется 20 аминокислот. Пути синтеза большинства аминокислот взаимосвязаны. При этом одни аминокислоты являются предшественниками для биосинтеза других. Пируват — предшественник аланина, валина, лейцина; 3-фосфоглицерат — серина, глицина, цистеина; щавелево-уксусная кислота — аспартата, аспарагина, метионина, лизина, треонина, изолейцина; б-кетоглутаровая кислота — глутамата, глутамина, аргинина, пролина; фосфоэнолпируват+эритрозо-4-фосфат — фенилаланина, тирозина, триптофана; 5-фосфорибозил-1-пирофосфат + АТФ — гистидина. Синтез каждой аминокислоты в микробных клетках реализуется в строго определенных количествах, обеспечивающих образование последующих аминокислот, и находится под строгим генетическим контролем. Контроль осуществляется по принципу обратной связи на уровне генов, ответственных за синтез соответствующих ферментов (репрессия), и на уровне самих ферментов, которые в результате избытка образующихся аминокислот могут изменять свою активность (ретроингибирование). Данный механизм контроля исключает перепроизводство аминокислот и также препятствует их выделению из клеток в окружающую среду. Чтобы добиться сверхсинтеза отдельных аминокислот, нужно обойти или изменить данный контрольный механизм их синтеза. Для первого пути возможно использование природных «диких» штаммов; очень существенны при этом условия ферментации, так как добиться дисбаланса в системе синтеза аминокислот можно путем изменения ряда основных факторов среды (концентрация основного субстрата, рН, соотношение макро — и микроэлементов в среде и др.). Изменение контрольного механизма синтеза аминокислот осуществляется генетическими методами. При этом получают мутантные организмы: ауксотрофные и регуляторные мутанты.

Среди продуцентов аминокислот — различные микроорганизмы, представители родов Corynebacterium, Brevibacterium, Bacillus, Aerobacter, Microbacterium, Eschirichia. Используемые в промышленности микроорганизмы можно подразделить на несколько классов: дикие штаммы, ауксотрофные мутанты, регуляторные мутанты и ауксотрофные регуляторные мутанты. Промышленные штаммы, как правило, несут несколько мутаций, затрагивающих механизмы регуляции целевой аминокислоты и ее предшественников.

Для получения таких аминокислот, как L-глутамата, L-валина, L-аланина, L-глутамина и L-пролина, возможно применение природных штаммов и усиление у них продукции аминокислот условиями ферментации. Например, высокий, до 30 г/л, выход глутамата возможен при полном или частичном подавлении активности a-кетоглутаратдегидрогеназы, добавках в среду ПАВ и антибиотиков (пенициллина, цефалоспорина) для увеличения проницаемости клеточных мембран для глутамата. Синтез L-глутамата можно переключить на образование L-глутамина или L-пролина, изменяя условия ферментации. При повышении концентрации ионов аммония и биотина в среде стимулируется образование L-пролина; слабокислая среда и ионы цинка при избытке аммония усиливают синтез L-глутамина.

В последние годы для получения новых эффективных штаммов-продуцентов аминокислот стали применять новейшие методы биотехнологии. Методы генетической инженерии позволяют повышать количество генов биосинтеза путем их клонирования на плазмидах. Это приводит к увеличению количества ферментов, ответственных за синтез аминокислот, следовательно, повышает выход целевого продукта. Клонирование генов системы синтеза аминокислот в клетки микроорганизмов с иным, по сравнению с донорским организмом, типом питания позволяет расширять сырьевую базу и заменять дорогостоящие сахаросодержащие субстраты более дешевыми.

8. Биологическая роль антибиотиков как вторичных метаболитов. Причины позднего накопления антибиотиков в ферментационной среде по сравнению с накоплением биомассы

Антибиотики (антибиотические вещества) — это продукты обмена микроорганизмов, избирательно подавляющие рост и развитие бактерий, микроскопических грибов, опухолевых клеток. Образование антибиотиков — одна из форм проявления антагонизма.

Антибиотики — это вторичные продукты обмена микроорганизмов, (идиолиты). Характерной особенностью развития продуцентов антибиотических веществ является ярко выраженная двухфазность: в первой фазе развития микроорганизмов происходит накопление биомассы, во второй — синтез антибиотика. При этом очень важно создать условия ферментации, адекватные этой двухфазности с учетом ингибирующего действия антибиотика как продукта обмена на продуцент.

Процесс ферментации осуществляется в строго стерильной, глубинной, аэробной и периодической культуре и носит выраженный двухфазный характер (слайд). Первая фаза сбалансированного роста (тропофаза) характеризуется быстрым накоплением биомассы продуцента на фоне исчерпания углеродного субстрата, а также азота, фосфатов и др. При этом может наблюдаться некоторое изменение величины рН; синтез антибиотиков отсутствует. На второй фазе (идиофаза) прирост биомассы прекращается, может иметь место снижение концентрации клеток в культуре в результате гибели и лизиса части популяции. При этом среда обогащается продуктами обмена и продуктами автолиза погибших клеток, и начинается активный процесс синтеза антибиотиков. Исключительно важным на этом этапе становится правильно организованный режим пеногашения. Наряду с пеногасителями химической природы, дополнительно применяют механическое пеногашение с использованием специальных устройств. В большинстве случаев антибиотики выделяются в культуральную среду, хотя возможно и сохранение их внутри клеток. Локализация антибиотика, а также сфера применения последнего определяют специфику приемов постферментационной стадии. Если антибиотик находится в клетках, на первом этапе обработки биомассу выделяют из культуральной жидкости (фильтрацией или центрифугированием); далее после разрушения клеток антибиотик экстрагируют и переводят в растворимую фазу.

Затем данный раствор, а также культуральные среды (если антибиотик в процессе идиофазы выделяется из клеток в среду) подвергают различным методам экстракции, разделения, очистки и концентрирования для получения готового продукта. Особенность процедуры выделения и очистки антибиотиков — разбавленные исходные растворы (около 1 %) и возможность инактивации антибиотика в ходе постферментационной стадии. Цель всех процедур постферментационной стадии — получение стерильных препаратов высокой степени чистоты.

Принципиальная схема получения антибиотиков представлена на рис. 3.

9. Применение растительных клеток для трансформации лекарственных веществ. Преимущества получения целевых продуктов с использованием культур клеток растении по сравнению с традиционными. Экономические аспекты биоиндустрии культуры тканей растений

Растения являются продуцентами многих БАВ — соединений, способных оказывать слияние на биологические процессы в организме. К таким соединениям принадлежат сердечные гликозиды, сапонины, стерины, каратиноиды, полифенолы, алкалоиды, витамины, хиноны, а также вещества, обладающие специфическим ароматом, вкусом и окраской.

Биологически активные вещества принадлежат к продуктам вторичного обмена, которые называют вторичными метаболитами или вторичными продуктами биосинтеза. В настоящее время известно более 100 000 вторичных метаболитов, продуцируемых растениями. Многие из них являются практически, экономически важными продуктами и используются в фармакологической, косметической, пищевой промышленности.

Лекарственные препараты составляют основную статью расхода веществ растительного происхождения, но скорее, в финансовом отношении, чем по объему. Лекарственные растения все еще вносят значительный вклад в фармацевтическую промышленность, составляя около 25% важнейших лекарственных средств.

Следует отметить все возрастающий интерес промышленности к миру растений как к источнику химических соединений. Разработка нового синтетического лекарственного препарата обходится примерно в 100 млн. американских долларов и занимает в 10 лет, поэтому нетрудно понять возобновляющейся интерес к растениям как «фабрикам» для их синтеза.

Культуры клеток и тканей, полученные in vitro, как и клетки интактного растения, могут синтезировать вторичные метаболиты, которые могут иметь большое практическое значение. Причем по качественному составу и количественному составу они могут схожи.

Культуры клеток и тканей можно использовать для получения природных веществ растительного происхождения следующими способами:

— новые пути синтеза уже известных веществ, например кодеина, хинина, пиретроинов;

— синтез новых продуктов из тех растений, которые трудно выращивать или внедрять, например тебаин из Papaver bracteatum;

— использование культуры клеток как источника совершено новых веществ, например, рутакультин из культур Ruta;

— использование культуры клеток в качестве систем для биотрансформации: как самого процесса с получением конечного продукта, так и отдельного звена химического процесса, например при синтезе дигоксина.

Практически важные результаты использования культуры клеток и тканей были получены в 60-х годах ХХ века. Было показано, что такие практически важные БАВ как диосгенин, гармин и виснагин синтезируются культурами клеток в тех же количествах, как в исходном растении.

Скрининг, проведенные среди большого количества растений показал, что, во-первых, круг БАВ, синтезируемых в культурах, свидетельствует об огромном синтетическом потенциале и разнообразии вторичного метаболизма; во-вторых, относительно небольшое число их пригодно для использования в промышленности. К тому же, определенной трудностью биосинтеза является то, что во многих системах растений вторичные метаболиты накапливаются в значительных количествах на стационарной фазе роста; в физиологическом плане биосинтез БАВ связан с морфологическим развитием растения, с формированием дифференцированных тканей.

В настоящее время собрана большая коллекция клеточных культур растений из различных семейств синтезирующие вторичные метаболиты, широко используемые в промышленности. К ним относятся: женьшень дальневосточный — источник диосгенина, диоскорея дельтовидная — стероидные гликозиды, равольфия змеиная — продуцент антиаритмического алкалоида аймалина и т. д.

Установлено недавно, что клетки тиса ягодного синтезирует вещество-таксон, которое является антираковым препаратом.

Осуществляются большие научно-технологические исследования по культивированию клеток и тканей растений in vitro.

Прирост клеточной биомассы в условиях in vitro и in vivo может проходить с разной скоростью. Биомасса клеток женьшеня в суспензии при выращивании в 50 литровом ферментере увеличивается на 2,0 г в литре среды за сутки, что в 1000 раз больше, чем выращивании на плантации.

Учитывая высокую стоимость женьшеня (килограмм плантационного корня стоит 100-150 дол. США; цена дикорастущего корня может доходить до нескольких тысяч долларов США) биотехнологический способ получения биомассы культуры клеток женьшеня весьма привлекателен.

В основе промышленного производства БАВ (лекарственный субстанций и др.) из культуры клеток растений лежит ряд последовательных стадий и операций: получение высокопродуктивных продуцентов, разработка оптимальных условий культивирования продуцента БАВ с максимальным биосинтезом целевого продукта, разработка и внедрение в практику соответствующих методов и условий выделения и очистки БАВ, создание готовых препаратов и контроль качества.

Список использованной литературы

1. Биотехнология / Под ред. Т. Г. Воловой. — Новосибирск, 1999. — 252с.

2. Волова, Т. Г. Введение в биотехнологию / Т. Г. Волова. — Красноярск: ИПК СФУ, 2008. — 183с.

3. Евтушенков А. Н., Фомичев Ю. К. Введение в биотехнологию: Курс лекций:/ А. Н. Евтушенков, Ю. К. Фомичев. — Мн.: БГУ, 2002. — 105 с.

4. Цыренов В. Ж. Основы биотехнологии: Культивирование изолированных клеток и тканей растений: Учебно-методическое пособие. — Улан-Удэ: ВСГТУ, 2003. — 58с.

5. Кошелев, Ю. А. Краткий курс биотехнологии: учебное пособие / Ю. А. Кошелев, Е. А. Скиба, Е. В. Аверьянова; Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова, БТИ. — Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. — 77 с.

Размещено на Allbest. ru

Подобные документы

История, цели и основы генетической инженерии; биоэтические аспекты. Группы генетических заболеваний, их диагностика и лечение. Применение генетической инженерии в медицинской практике: генные вакцины, генотерапия, производство лекарственных препаратов.

Реферат [55,0 K], добавлен 26.10.2011

Ферменты генетической инженерии. Типы нуклеаз и их действия. Методы получения химер. Использование специфических термостабильных ДНК-полимераз. Ферментативная активность рестриктаз. Образование фосфодиэфирной связи между двумя основаниями одной цепи ДНК.

Контрольная работа [15,0 K], добавлен 21.04.2011

Биообъект как средство производства лекарственных, диагностических и профилактических препаратов; требования, классификация. Иммобилизация ферментов, используемые носители. Применение иммобилизованных ферментов. Биологическая роль витаминов, их получение.

Контрольная работа [83,1 K], добавлен 04.11.2015

Сущность генной и клеточной инженерии. Основные задачи генной модификации растений, анализ вредности их употребления в пищу. Особенности гибридизации растительных и животных клеток. Механизм получения лекарственных веществ с помощью генной инженерии.

Презентация [615,8 K], добавлен 26.01.2014

Возникновение биотехнологии. Основные направления биотехнологии. Биоэнергетика как раздел биотехнологии. Практические достижения биотехнологии. История генетической инженерии. Цели, методы и ферменты генной инженерии. Достижения генетической инженерии.

Реферат [32,4 K], добавлен 23.07.2008

Классификация ферментов, их функции. Соглашения о наименовании ферментов, структура и механизм их действия. Описание кинетики односубстратных ферментативных реакций. Модели «ключ-замок», индуцированного соответствия. Модификации, кофакторы ферментов.

Презентация [294,1 K], добавлен 17.10.2012

Раскрытие содержания генетической инженерии как системы использования методов молекулярной генетики и молекулярной биологии для конструирования наследственных свойств организмов. Синтез ДНК и полимеразная цепная реакция. Ферменты генетической инженерии.

Аспекты биотехнологического процесса

Рубрика Биология и естествознание
Вид Контрольная работа
Язык Русский
Дата добавления 14.02.2013
Размер файла 617,9 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www. allbest. ru/

    1. Назовите биообъекты растительного происхождения используемые в культуре ткани для получения лекарственных вещества (не менее 8). Примеры использования (донор, донатор) 2. Ферменты используемые в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы) и механизм их действия 3. В чем сущность метода иммобилизации ферментов путем включения в структуру геля. Гелеобразующие вещества органической и неорганической природы и примеры их использования в биотехнологии 4. Биотехнологический процесс как заключительный этап производства целевых продуктов в том числе и лекарственных веществ (примеры) 5. Критерии подбора ферментаторов при реализации конкретных целей биотехнологического процесса. Нарисовать схему ферментатора (биореактора) и пример его использования 6. Методы извлечения целевых продуктов, накапливающихся внутри клеток продуцента 7. Биотехнология аминокислот (глютаминовая кислота, лизин, треонин и др.). преимущества микробиологического синтеза перед другими способами получения 8. Биологическая роль антибиотиков как вторичных метаболитов. Причины позднего накопления антибиотиков в ферментационной среде по сравнению с накоплением биомассы 9. Применение растительных клеток для трансформации лекарственных веществ. Преимущества получения целевых продуктов с использованием культур клеток растении по сравнению с традиционными. Экономические аспекты биоиндустрии культуры тканей растений Список использованной литературы 1.Назовите биообъекты растительного происхождения используемые в культуре ткани для получения лекарственных вещества (не менее 8). Примеры использования (донор, донатор)

1) каллусные ткани на агаризованной среде;

2) суспензионная культура клеток и небольших агрегатов в жидкой среде;

3) культуры протопластов;

4) изолированные зародыши;

5) изолированные кончики корней;

6) изолированные меристемы побегов;

7) изолированные стебли;

8) Изолированные листья.

Как правило, вторичные вещества получают из каллусной ткани, выращенные на твердой (агаразованной) или жидкой (суспензионная культура) питательной среде.

Для производства биологически активных веществ (БАВ) используют каллусную ткань, которую получают твердофазной ферментацией и глубинным суспензионным культивированием. Каллусная культура — это неорганизованная профилирующая ткань, состоящая из дедифференцированных клеток. Каллусная клетка имеет свой цикл развития и повторяет развитие любой клетки, включая деление, растяжение и дифференцировку, после чего начинается старение и отмирание клетки. Для того чтобы не произошло старения, первичный каллус через 4-6 недель переносят на свежую питательную среду.

Эту операцию называют пассированием. При регулярном пассировании способность к делению может поддерживаться в течение десятков лет.

Использование культуры протопластов.

Отсутствие клеточной стенки у протопластов обусловливает им свойства, отличные от целых клеток. Благодаря тому, что протопласты способны поглощать макромолекулы и органеллы, их используют в качестве реципиентов при трансформации, а также в экспериментах по клеточной селекции и мутагенезу. Изолированные протопласты служат источником для выделения неповрежденных и функционально активных субклеточных и цитоплазматических структур и органелл (хлоропластов, ядер, хромосом).

Способность протопластов сливаться друг с другом нашла применение для получения соматических гибридов.

Изолированные органы растений применяют для синтеза БАВ.

Примеры использования донор, донатор.

Knowledge. allbest. ru

07.06.2017 2:19:23

2017-06-07 02:19:23

Источники:

Https://knowledge. allbest. ru/biology/3c0b65635b3bd68a5c43b88421206d36_0.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.