Изучение нового материала

3.  Изучение нового материала

Витамины – группа низкомолекулярных природных органических соединений, абсолютно необходимых для гетеротрофных организмов (что это за организмы?). Автотрофные организмы обладают способностью к синтезу витаминов. (под запись)

Антибиотики – низкомолекулярные регуляторы обычно природного происхождения, способные подавлять рост живых клеток.

Итак, в процессе роста организмы вырабатывают различные низкомолекулярные (какие ещё вы знаете?) продукты (метаболиты). Они подразделяются на первичные (абсолютно необходимы) и вторичные (не требующиеся для выживания).

Таким образом, вторичные метаболиты повышают адаптационные возможности организмов.

масса организма I – первичные метаболиты

II – вторичные (синтезируются

на завершающей стадии роста)

время роста

К каким метаболитам вы отнесете аминокислоты, углеводы? Почему?

В норме обмен веществ в клетке осуществляется по принципу строжайшей экономии. Задача биотехнолога состоит в обеспечении сверхсинтеза одного из продуктов метаболизма, что обеспечивается следующими методами:

1) Изменение генетической программы организма:

а) селекция – направленный отбор организмов со скачкообразным изменением генома. Но для возникновения мутации интересующий нас ген должен удвоиться ~10⁷ раз.

б) искусственный мутагенез – химический, УФ, радиационный.

2) Нарушение регуляторных систем организма: (на доске)

Сегодня мы рассмотрим также производство кормового белка как прообраз современного управляемого биосинтеза аминокислот, витаминов и антибиотиков.

В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей 60–120 г. полноценного белка (содержащего все незаменимые аминокислоты). Незаменимые аминокислоты наиболее сбалансированы в белках семян сои, также риса и гороха. В белках зерна пшеницы мало лизина, метионина и изолейцина.

Особый интерес представляет использование микроорганизмов в качестве источника белка и витаминов:

1)  использование разнообразных сред для культивации (вплоть до отходов производства);

2)  высокая интенсивность роста

удвоение белковой массы: крупный рогатый скот – 5 лет,

свиньи – 4 месяца,

дрожжи – 1–6 часов;

3)  повышенное содержание незаменимых аминокислот;

4)  относительная простота влияния на процессы синтеза.

Дрожжевые клетки способны использовать жидкие фракции углеводородов нефти (10–30ºС). В России первый завод по производству кормовых дрожжей из жидких парафинов нефти вступил в действие в 1971 году. При выращивании в среду добавляют также минеральные соли, витамины и воду. Полученная высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК), содержащий до 60% белковых веществ.

Хорошим субстратом для выращивания кормовых дрожжей является молочная сыворотка – отход при переработке молока, а также низшие спирты. Хороший резерв пищевого белка и витаминов – остаточные пивные дрожжи. Организм человека усваивает свыше 90% питательных веществ, содержащихся в них.

Известно также более 30 видов бактерий, которые могут быть применены в качестве источника полноценного белка. Например, водородоокисляющие бактерии способны накапливать в клетках до 80% сырого протеина (среда 75% Н₂, 20% О₂, 5% СО₂).

Используются также одноклеточные водоросли (Chlorella, Seenedesmus). Обычно их выращивают в естественных условиях южных регионов в бассейнах открытого типа (70 т/га в год).

Микопротеин – белок грибного происхождения. Среда культивации – глюкозный сироп (гидролизат кукурузного крахмала).

4.  Заключение

Итак, острота проблемы глобального перенаселения, сокращение с/х площадей в результате роста городов и деградации земель выводит нас на новый виток развития биотехнологии, а именно, крупномасштабное использование микроорганизмов для наработки белково-витаминной продукции.

УРОК №5 по теме «Производство аминокислот, витаминов и антибиотиков»

Задачи:

1. Образовательная: изучить примеры некоторых производств аминокислот, витаминов и антибиотиков. Другие промышленно важные процессы эры управляемого биосинтеза: производство лимонной и молочной кислот.

2.  Развивающая: а) развитие познавательного интереса учащихся в процессе ознакомления с материалом;

б) формирование логического мышления;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3.  Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать использование человеком природных систем для получения некоторых БАВ;

б) воспитание мотивации к обучению в связи с важностью биотехнологических методов в современной химической промышленности.

Ход урока:

1. Организация класса

Какие компоненты используются при получении БВК?

2. Актуализация знаний

На предыдущем уроке мы познакомились с возможными путями обеспечения сверхсинтеза одного их продуктов метаболизма (какими?), а сегодня попытаемся рассмотреть конкретные производства.

3. Изучение нового материала

I.  Производство аминокислот

Среди соединений, полученных биотехнологическими методами, аминокислоты занимают первое место по объему производства (500 тыс. т/год).

Белковые аминокислоты можно получить:

1)  гидролизом природного белоксодержащего сырья, но кислотное воздействие разрушает некоторые аминокислоты;

2)  химическим синтезом, в ходе которого получается трудноразделимая смесь целевого продукта и его аналогов;

3)  микробиологическим синтезом, который обеспечивается возобновляемым сырьем и характеризуется строгостью чистоты получаемого продукта. Более 60% производимых аминокислот получают именно этим методом.

Промышленное производство аминокислот стало возможным после открытия способности некоторых микроорганизмов выделять в культурную среду значительные количества какой-либо аминокислоты (1955). Corynebacterium glutamicum был способен, кроме того, к сверхсинтезу глутамина, и в 1956 году этот микроорганизм был использован при организации первого в мире производства глутаминовой кислоты (НООС-СН₂-СН₂-СН(NH₂) COOH). Сейчас на глутамат натрия приходится 300 тыс. т/год, т.е. 60% производства аминокислот. Японцы называют глутамат натрия «солью вкуса», т.е. он значительно продлевает вкусовые ощущения.

Лизина производится 100 тыс. т/год. Данная аминокислота H₂N(CH₂)₄CH(NH₂) COOH – незаменимый компонент питания с/х животных. В клетках микроорганизмов лизин служит конечным продуктом разветвлённого метаболического пути, и эффекта накопления в среде целевой аминокислоты добиваются путем блокирования процессов, ведущих к синтезу побочных продуктов. Получаемые мутанты дефектны по ферменту разветвления метаболического пути, в результате чего накапливается только лизин. В качестве питательной среды используют молочную сыворотку или гидролизаты крахмала.

Некоторые аминокислоты синтезируют из предшественников, полученных химически и модифицированных ферментной системой организма (триптофан получают из антраниловой кислоты).

II.  Производство витаминов

В настоящее время микробиологически синтезируют лишь особо сложные по строению витамины (В₂, В₁₂, β-каротин, D). Остальные либо синтезируют химическим путем, либо выделяют из природных источников.

Витамин В₂ (рибофлавин) вплоть до 30-х годов 20 века выделяли из природного сырья (1г из 1т моркови и 6г из 1т печени трески). В 1935 году был обнаружен активный продуцент рибофлавина – гриб Eremothecium, способный давать с 1т питательной среды 25 кг витамина. Отбор мутантов ведут по устойчивости к аналогу витамина В₂.

Витамина В₁₂ из 1т печени трески можно было выделить лишь 15 мг. В настоящее время витамин В₁₂ синтезируется только микробиологическим путем с использованием актиномицетов и одноклеточных водорослей.

β-каротин можно выделить из ряда растительных объектов: 1т моркови содержит 0,06 мг витамина, в то время как биомасса гриба Blaneslea накапливает β-каротин в количестве 8 мг/г.

III.  Получение органических кислот

Объем мирового производства лимонной кислоты НООССН₂С(ОН) (СООН) СН₂СООН – 400 тыс. т/год. Данное производство относится к старейшим микробиологическим процессам: 1893 г. – год основания. Используют культуру гриба Aspergillus niger. Условиями высокого выхода лимонной кислоты является хорошая аэрация и дефицит фосфата в среде.

Одновременно с лимонной было налажено аналогичное производство молочной кислоты при участии молочнокислых бактерий Lactobacillus.

IV.  Получение антибиотиков

Вспомните, что такое антибиотики? Думаю, важность получения соединений данной группы нет необходимости доказывать.

В 1940 году было известно всего 6 антибиотиков, а в настоящее время описано свыше 12 000 соединений, из которых в клинике используется около 200 (остальные токсичны).

Биосинтез антибиотиков осуществляется:

1)  добавлением в питательную среду подходящего предшественника (фенилуксусная кислота стимулирует биосинтез бензилпенициллина);

2)  использованием блокированных мутантов, у которых отсутствует определенное звено в цепи реакций, ведущих к синтезу антибиотика. Следовательно, можно получить аналоги антибиотиков и модифицировать их химически (бензилпенициллин, ампицилин).

4.  Вывод

Пока человек лишь приближается к моделированию природных биохимических процессов, а пока изыскивает новые пути использования существующих.

УРОК №6 по теме «Применение ферментов»

Задачи:

1. Образовательная: знакомство с иммобилизованными ферментами. Промышленное применение иммобилизованных ферментов.

2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса;

б) формирование логического мышления в ходе знакомства с методами иммобилизации ферментов;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать использование катализаторов белковой природы;

б) воспитание мотивации к обучению при акцентировании на современности и важности данной методики работы с ферментными препаратами.

Ход урока:

1. Организация класса

Какими способами можно получить белковые аминокислоты? Попытайтесь написать реакцию гидролиза белка в общем виде.

2.  Актуализация знаний

Всем хорошо известно, что в морской воде много растворенного кислорода, но, тем не менее, его использование затруднено, и при погружении приходится использовать дополнительные источники кислорода. А что, если гемоглобин, выделенный из крови, использовать в качестве посредника между морской водой и газовой средой дыхательного аппарата?! Более того, модель «гемогубки» уже предложена и, возможно, в ближайшем будущем будут сконструированы эффективные искусственные жабры. Сегодня на уроке мы попытаемся разобраться, каким образом можно «направить в нужное русло» тот или иной фермент.

Похожие работы

Экологическое содержание темы "Основания" в курсе неорганической и органической химии средней школы

Скачать

68936

2

7

... весь цилиндр. Это опыт демонстрирует одну из биологических функций железа. По химической природе, каталаза – геминовый фермент, содержащий железо. [3] 2. Разработка темы «Основания» в курсе неорганической и органической химии 2.1 Урок по теме «Основания»   Цели урока: познакомить учащихся с новым классом химических соединений – основаниями, их свойствами (отношение к воде, действие на ...

Прикладная химия

Скачать

36422

1

0

... области создания новых конструкционных материалов с заданными химическими и физическими свойствами. Обсудить возможности и перспективы синтеза таких материалов на основе органических и неорганических полимеров. Прикладная химия неотделима и от социально-бытовой сферы общества. В лекциях необходимо знакомить студентов с областями применения продуктов химических производств. Это расширит кругозор ...

Альтернативная водородная энергетика как элемент школьного раздела химии: "Физико-химические свойства водорода"

Скачать

87142

4

4

... период многие страны приняли решение о полном или постепенном отказе от развития атомной энергетики. 1.3 Особенности альтернативной водородной энергетики Водородная энергетика включает следующие основные направления: Разработка эффективных методов и процессов крупномасштабного получения дешевого водорода из метана и сероводородсодержащего природного газа, а также на базе разложения воды; ...

Психолого-педагогические условия профессионального самоопределения учащихся в процессе обучения биологии

Скачать

208749

33

26

... экспериментальной площадки был выбран 9 А класс. В этом классе 29 человек: 17 мальчиков и 12 девочек. Цель эксперимента: выявление психолого-педагогических условий профессионального самоопределения учащихся в процессе обучения биологии; а также формирование устойчивой положительной мотивации к изучению курса биологии и развитие профессионального самоопределения учащихся при изучении курса “Общая ...