КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ
По дисциплине «Основы биотехнологии»
Специальность — 240802.65 Основные процессы химических производств и химическая кибернетика
Владивосток
2012
Модуль 1. «Введение»
Тема 1. Предмет и задачи биотехнологии. Общие понятия. Биотехнология как совокупность наук.
Лекция № 1
Предмет и задачи биотехнологии. Общие понятия. Биотехнология как совокупность наук (1 час).
Возникновение и быстрое развитие биотехнологии, приобретающей все большее значение в народном хозяйстве, базируется, прежде всего, на использовании микроорганизмов как продуцентов множества полезных веществ, как-то: кормового белка, многих ферментов, антибиотиков, стероидных препаратов, аминокислот, витаминов и других. Возможности микроорганизмов в этом отношении чрезвычайно велики. На использовании микроорганизмов основаны методы генетической инженерии, позволяющие создавать новые штаммы, обладающие полезными свойствами и образующие ряд важных веществ.
Большое значение имеет разработка способов рационального использования биохимической активности микроорганизмов для повышения плодородия почв, добычи полезных ископаемых, восполнения энергетических ресурсов и очистки окружающей среды от многих загрязняющих веществ.
Вместе с тем остается необходимым изыскание эффективных способов борьбы с некоторыми микроорганизмами, вызывающими заболевания человека, животных и растений, а также порчу промышленных изделий и нежелательные изменения в окружающей среде.
Биотехнология - это не просто новомодное, броское название одной из древнейших сфер деятельности человека; так могут думать одни только скептики. Само появление этого термина в нашем словаре глубоко символично. Оно отражает широко распространенное, хотя и не общепринятое мнение: считается, что применение биологических материалов и принципов в ближайшие десять - пятьдесят лет радикально изменит многие отрасли промышленности и само человеческое общество. Нетрудно убедиться, что интерес к этой науке и темпы ее развития в последние годы росли очень быстро. Свидетельств тому множество. Это и появление бесчисленных небольших частных биотехнологических фирм, и образование правительственных комитетов, призванных оценить возможности нового направления, и чтение лекций по биотехнологии во многих университетах. Правительства большинства наиболее развитых стран, как, впрочем, и ряда развивающихся, уже вложили значительные средства в развитие биотехнологии. Надо сказать, что как размеры этих вкладов, так и эффективность их использования далеко не одинаковы. Специалисты, участвующие в развитии биотехнологии, единодушно считают, что в масштабах государства успех в этой области может быть достигнут только при участии правительственных органов. Их поддержка чрезвычайно важна для развития этой сложной междисциплинарной технологии. От появления идеи до ее воплощения в разных отраслях биотехнологии лежит большой путь, и лишь в немногих странах, в частности в США, действуют сегодня адекватные экономические механизмы, создающие основу для оптимального развития этой технологии, причем в значительной мере независимого от администрации.
Может быть, правильнее всего называть биотехнологией использование в промышленности биологических систем или процессов. В основе ее лежит уникальность биологических систем в отношении узнавания и катализа. Проявляется это при распознавании других биологических систем или определенных химических соединений, а также в удивительной способности ферментов катализировать широкий спектр химических реакций в мягких условиях. Даже сегодня химикам не удается создать катализаторы, превосходящие по своей эффективности и специфичности биологические катализаторы, кроме того, наши знания о механизмах ферментативного катализа остаются весьма скудными. Несмотря на все достижения химии, которые лежат в основе многих отраслей промышленности, мы еще очень мало знаем о природе катализа.
Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб. Они придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы. Однако только разработка методов генетической инженерии, основанных на создании рекомбинантных ДНК, привела к тому «биотехнологическому буму», свидетелями которого мы являемся. Эти методы не только открывают возможности улучшения уже освоенных процессов и продуктов, но и дают нам совершенно оригинальные способы получения новых, ранее недоступных веществ, позволяют осуществлять новые процессы. Сама история этой науки - генетической инженерии - яркий пример того, как сложно прогнозировать внедрение в практику достижений фундаментальных наук. Разработка технологии рекомбинантных ДНК - результат значительных вложений в развитие молекулярной биологии за последние сорок с лишним лет. А ведь не так давно, в конце 60-х годов, многие биологи сетовали, что слишком уж много внимания уделяется этой престижной области биологии и химии, которая не дает ничего полезного. Сегодня нам ясно, что открытия молекулярной биологии глубоко скажутся на судьбе человечества.
Хотя популярность биотехнологии обусловлена главным образом использованием технологии рекомбинантных ДНК, нужно подчеркнуть, что и в других областях науки был сделан ряд крупных открытий, повлиявших на ее развитие.
Области науки, в которых недавно были получены новые результаты, важные для развития биотехнологии:
Генетическая инженерия (технология рекомбинантных ДНК)
Ферменты (выделение, иммобилизация, стабилизация). Биокатализ
Целые клетки микроорганизмов и клетки макроорганизмов (иммобилизация, стабилизация).
Иммунология (особенно моноклональные антитела).
Производство. Технология ферментации.
Переработка отходов. Биоэлектрохимия.
Использование научных достижений в биотехнологии тесно связано с фундаментальными исследованиями и осуществляется на самом высоком уровне современной науки. Удивительная научная многоликость биотехнологии, о которой уже шла речь, отчетливо видна из рис. 1.1. Не все перечисленные на нем отрасли науки вносят свой вклад в осуществление каждого конкретного биотехнологического процесса или в получение того или иного продукта, но, как правило, таких отраслей несколько.
Рис. 1.1. Междисциплинарная природа биотехнологии.
В наши дни определилась одна важная особенность развития некоторых перспективных разделов биотехнологии: необходимость тесного международного сотрудничества специалистов, ученых и технологов. Дело в том, что лишь немногие научные коллективы в мире обладают достаточным опытом работы в этой области. Ярким примером тому служит многонациональность ряда основанных в последние годы крупнейших международных биотехнологических фирм.
Тема 2. Уровни организации жизни. Положение микроорганизмов в природе. Классификация микроорганизмов. (1 час).
Различия во внешнем виде и в строении животных и растений, служившие вплоть до прошлого столетия основой классификации живых существ, видны с первого взгляда. Эти различия определяются принципиальной разницей в способе питания. Животные питаются готовыми органическими веществами (С-гетеротрофно), которые внутри их тела, в пищеварительном тракте, перевариваются и всасываются. В процессе эмбрионального развития животного пищеварительная полость образуется у него путем впячивания стенки зародыша на стадии гаструляции: этот процесс должен обеспечить образование внутренних всасывающих поверхностей. Такой структурный принцип характерен для всего животного царства, от кишечнополостных (Hydrozoa; пример - гидра) до высших позвоночных.
Растения с их совершенно иным С-автотрофным способом питания устроены совсем иначе. Они синтезируют вещества, необходимые для построения тела, прямо из неорганических соединений, используя солнечный свет как источник энергии. Фотосинтетически активные клетки и ткани с поглощающими свет пигментами (хлорофиллами и кароти-ноидами) ориентированы у растений во внешнюю среду и образуют большие наружные поверхности. Другие важнейшие различия между животными и растениями касаются клеточных оболочек, способности к активному передвижению и способности синтезировать определенные вещества.
Царства животных и растений могли быть разграничены достаточно четко, до тех пор пока мало что было известно о микроорганизмах. Даже грибы имели столько общих с растениями признаков, что, несмотря на гетеротрофность, их можно было относить к растениям. Труднее было решить, к какому царству следует отнести бактерий, слизевики и другие одноклеточные организмы. Для третьего царства живых существ было предложено собирательное название протисты.
Царство протистов охватывает организмы, отличающиеся от животных и растений слабой морфологической дифференцировкой, - это главным образом одноклеточные. По строению своих клеток протисты могут быть подразделены на две четко разграниченные группы. У высших протистов клетки сходны с животными и растительными клетками; это эукариоты. К ним относятся водоросли, грибы и простейшие.
К группе низших протистов принадлежат бактерии, в том числе циано-бактерии (сине-зеленые водоросли); это прокариоты, которые по строению своих клеток существенно отличаются от всех других организмов. К бактериям относятся также риккетсии - облигатные внутриклеточные паразиты. Название «микроорганизмы» указывает лишь на малую величину всех этих существ, которые в действительности являются протистами. Вирусы, как неклеточные частицы, можно противопоставить всем организмам; они не способны размножаться самостоятельно, их репродукция может происходить только внутри живых клеток.
Элементарной физической единицей живого является клетка; это наименьшая жизнеспособная единица. По своему химическому составу все живые существа очень сходны. Основные компоненты всякой клетки - это дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибонуклеиновые кислоты (РНК), белки, липиды и фосфолипиды. Изучение тонкого строения различных типов клеток позволило, однако, выявить заметные различия между бактериями и цианобактериями, с одной стороны, и животными и растениями (включая также их микроскопически малых представителей) - с другой. Различия между теми и другими настолько глубоки, что эти две группы организмов противопоставляются друг другу как прокариоты и эукариоты. Прокариот мы вправе рассматривать как реликтовые формы, сохранившиеся с самых ранних времен биологической эволюции, а появление эукариотических форм, возникших из прокариот,-как величайший скачок в истории жизни.
Эукариоты имеют истинное ядро. Оно содержит преобладающую часть генома эукариотической клетки. Геном в основном представлен набором хромосом, которые в ходе процесса, называемого митозом, удваиваются и распределяются между дочерними клетками. В хромосомах ДНК находится в связи с гистонами. В эукариотической клетке имеются и другие органеллы, содержащие ДНК, - митохондрии и (у растений) хлоропласты, но в этих органеллах находится лишь очень малая часть клеточного генома, которая представлена молекулами ДНК, замкнутыми в кольцо. Рибосомы в эукариотической клетке более крупные (80S), чем у прокариот.
Прокариоты не имеют окруженного мембраной ядра. ДНК в виде замкнутой в кольцо молекулы свободно располагается в цитоплазме. Эта «бактериальная хромосома» содержит всю необходимую для размножения кдетки информацию. Кроме того, в прокариотической клетке могут содержаться очень небольшие кольцевые молекулы ДНК - плазмиды; без них, однако, клетка может обойтись. Прокариотическая клетка органелл не содержит; подразделение клетки на компартменты менее выражено, чем у эукариот. Рибосомы меньше (70S). У прокариот рибосомы, ферменты белкового синтеза и состав клеточной стенки имеют ряд особенностей, благодаря которым на клетку могут специфически воздействовать многие антибиотики. Существуют и другие принципиальные различия. Прокариоты морфологически относительно слабо дифференцированы, поэтому среди них можно различить лишь ограниченное число форм. В основном это либо сферические формы, либо прямые и изогнутые палочки. С таким внешним «единообразием» удивительно контрастирует чрезвычайное многообразие и пластичность метаболических процессов. В то время как животные и растения нуждаются в молекулярном кислороде, многие группы прокариот способны жить без доступа воздуха (в анаэробных условиях), получая необходимую для роста энергию в результате брожения или анаэробного дыхания. Другие группы прокариот обладают способностью использовать энергию света и строят нужные им вещества либо из органических соединений, либо из двуокиси углерода. Некоторые бактерии могут получать энергию путем окисления различных неорганических соединений. Среди бактерий широко распространена также способность к фиксации молекулярного азота.
Благодаря такой физиологической разносторонности и гибкости, а также высокой скорости синтетических процессов и роста, простому строению клеток и несложной структуре генетического аппарата прокариоты в последние десятилетия стали излюбленным объектом при изучении многих проблем общей биологии.
Литература :
1. Основы биотехнологии : учебное пособие для вузов /Т. А. Егорова, С. М. Клунова, Е. А. Живухина. Москва : Академия , 2005. 208 c.
2. Основы биотехнологии : учебное пособие для вузов /Т. А. Егорова, С. М. Клунова, Е. А. Живухина. Москва : Академия , 2006. 208 c.
3. Микробиология : учебник для высшего профессионального образования /А. И. Нетрусов, И. Б. Котова. Москва : Академия , 2012. 379 с.
Модуль 2 «Химическая организация клетки»
Тема 1. Строение биомолекул. Белки.
Лекция № 2-3
Белки. Липиды. Углеводы (3 часа)
Белки состоят из аминокислот, соединенных в определенной последовательности пептидными связями в полипептидные цепи. Эти цепи имеют совершенно определенную пространственную конфигурацию (конформацию), которая стабилизируется дополнительными связями - ковалентными и нековалентными (рис. 1). В зависимости от роли, которую играют в поддержании структуры те или иные связи, различают несколько структурных уровней. Первичная структура белка определяется числом и последовательностью ковалентно связанных аминокислот.
Рис. 1. Возможные внутримолекулярные связи между различными участками полипептидной цепи, a - ковалентные дисульфидные связи; б - водородные связи; в - неполярные (гидрофобные) взаимодействия; г - ионные связи.
Полипептидная цепь благодаря водородным связям, образующимся между кислородными атомами карбонильных групп и азотными атомами амидных групп, приобретает вторичную структуру; она может образовать спиральную конфигурацию (а-спираль) или конфигурацию так называемого складчатого слоя. Третичной структурой называют определенное пространственное расположение пептидной цепи, обусловленное взаимодействием между различными ее боковыми группами. В поддержании третичной структуры участвуют другие водородные связи, ионные связи и неполярные (гидрофобные) взаимодействия. Поперечные связи, соединяющие различные участки полипептидной цепи, могут быть и ковалентными; таковы, например, дисульфидные связи, образующиеся при окислении SH-групп. И наконец, благодаря взаимодействиям нескольких полипептидных цепей могут возникать надмолекулярные агрегаты. Такое строение (при котором белок состоит из определенного числа полипептидных цепей, или субъединиц) называют четвертичной структурой. При физиологических условиях белок находится в водной фазе. Поэтому между белками и диполями воды тоже имеет место взаимодействие. Полярные группы гидратированы. Факторы, вызывающие изменение заряда белков (концентрации ионов Н+, Са2+, Mg2+, К+ и др.), неизбежно влияют также на степень гидратации, а тем самым и на степень набухания белков.
Мономерными единицами, из которых построены белки, являются 20 «-аминокислот. Эти малые молекулы наделены свойством, общим для всех молекул, способных к полимеризации: они содержат по меньшей мере две разные химические группы, способные реагировать друг с другом с образованием ковалентной связи. У аминокислот такими группами служат аминогруппа (–NH2) и карбоксильная группа (–СООН), а связь, которой определяется образование белкового полимера, представляет собой пептидную (амидную) связь. Образование пептидной связи можно представлять себе как отщепление молекулы воды от присоединяющихся друг к другу –СООН и –NH2 групп [уравнение (1)]. В водной среде равновесие в реакциях такого типа сдвинуто в сторону образования свободных аминокислот, а не пептида. Следовательно, синтез пептидов (как в естественных условиях, так и в лаборатории) осуществляется непрямым путем и не сводится к простому отщеплению воды.
 (1)
Поскольку дипептид в уравнении (1) также содержит реакционноспособную карбоксильную и аминогруппу, то к нему с помощью новых пептидных связей могут присоединиться другие аминокислотные мономеры; в результате образуется полипептид (белок).
|
