Поэтому изучение процесса обмена веществ в живой клетке - актуальный вопрос для развития биотехнологии. Это имеет большое значение не только для животноводства и растениеводства или переработки промышленным способом сельскохозяйственного сырья, но и для медицины, а также экологии.
Состояние и перспективы развития биотехнологии в современном мире
Современная биотехнология привлекает внимание инвесторов не только в нашей стране, но и во всем мире. Эксперты и аналитики прогнозируют, что биотехнологии станут самым динамично развивающимся и самым прибыльным бизнесом нынешнего, XXI века.
Быстрыми темпами развиваются такие отрасли, как современные биологические методы защиты культурных растений, биоэнергетика и биодеградируемые полимеры, а также природоохранные биотехнологии. Ведутся научные работы по созданию новых биополимеров, в будущем они могут заменить ныне популярные ныне пластмассы. Биополимеры имеют большое преимущество в сравнении с пластмассами, так как они нетоксичны и могут разлагаться после их применения, не загрязняя при этом окружающее пространство. Конструирование необходимых генов даст возможность управлять жизнедеятельностью не только растений, но и животных, создавать новые организмы с иными свойствами.
Чем объясняется бурное развитие биотехнологии
Современные биотехнологии сыграют большую роль в качественном улучшении жизни человека, развитию экономического роста стран. Посредством биотехнологий получают новые средства для диагностики, вакцины, продукты питания, лекарства. Биотехнология помогает в увеличении урожайности всех злаковых культур, что более чем актуально, принимая во внимание рост численности населения нашей планеты.
В некоторых странах, где значительные объемы биомассы не используются полностью, биотехнология в обозримом будущем превратит их в ценные продукты или в биологические виды топлива. Биотехнология все больше перестает быть прикладной наукой, она активно входит в обычную жизнь людей, помогая решать насущные проблемы современного человечества.
Перспективы развития биотехнологий поражают воображение, а в ряде случаев вызывают страх и у людей. По поводу тех или иных исследований периодически разгораются дискуссии, и противники генной инженерии, клонирования организмов или исследования человеческого генома неоднократно требовали запретить все работы в этом направлении. Примером общественных протестов служит упоминавшаяся технология БВК.
Много страстей кипело вокруг генной инженерии. Люди опасались появления уродливых, непредсказуемых, всемогущих существ, созданных путем комбинации генов от несовместимых в природе видов. Фантастические произведения и фильмы способствовали распространению страхов. Были и научно обоснованные возражения: генетически модифицированные организмы не изучены, употребление кукурузы и сои с модифицированными генами может вызвать болезни. В результате в Европе и России запрещено выращивание и использование ГМО.
Развитие биотехнологии и генной инженерии в современной науке
Биотехнологии и генная инженерия, более чем все остальные, связана с фундаментальными научными исследованиями. Создание организмов с «заданными параметрами», лечение генетически обусловленных болезней, производство белковой массы вне организма, внедрение в организм «биологических чипов», влияющих на жизнедеятельность - все эти направления нуждаются в дорогостоящих исследованиях, сложном оборудовании и высококвалифицированных специалистов.
На стыке двадцатого и двадцать первого века был задуман и осуществлен грандиозный проект - прочитан геном человека. Это был большой труд, в котором участвовало много лабораторий в разных странах мира. Одним из продуктов этих исследований стало появление технологии идентификации личности по ДНК, получение информации о родстве (установление отцовства). Но от прочтения генома ученые ожидали большего. Информация, зашифрованная в ДНК, огромна и ее изучение, расшифровка еще сложнее, чем процедура исследований.
Развитие биотехнологии до 2020
Перспективы биотехнологии на ближайшее будущее можно разделить на рекламные и научно обоснованные. К широко разрекламированным проектам относятся, например, «таблетки молодости» - их обещают выпустить на рынок как раз к 2020 году. Однако скептики говорят, что таких сенсаций было много, начиная со времен алхимии…
Более реалистично выглядит 3D принтер, наносящий клеточные культуры на матрицу с питательным раствором, и формирующий искусственные органы. Еще один медицинский проект - лечение тяжелых ожогов путем нанесения на пораженный участок стволовых клеток, которые в считанные дни образуют новую кожу.
Генетический ремонт - направление, которое развивается и будет развиваться, и в него инвестируются большие деньги.
Компании, занимающиеся биотехнологиями
Лидерами в области биотехнологий являются фармацевтические фирмы США, Китая, Индии, Европы.
Биотехнологии условно подразделяют на группы:
· красная биотехнология - связанная с медициной и «лечением» генетического кода, на рынке биотехнологий ей принадлежит доля более 70%;
· зеленая - генная инженерия, работающая для сельского хозяйства;
· белая - производство биотооплива;
· серая - защита экологии, борьба с отходами;
· синяя - использование биологических ресурсов океана.
Лидеры «красной биотехнологии» - американские фирмы Genentech, Novartis, Merck&Co, Pfizer, Johnson & Johnson, Sanofi.
В области разработки и производства ГМО лидирует транснациональная компания Monsanto Company.
34. Физико-химические и функциональные свойства белков, их характеристика, денатурация
Белки - это органические вещества, которые играют роль строительного материала в человеческом организме клеток, органов, тканей и синтеза гормонов и ферментов. Они отвечают за много полезных функций, сбой которых приводит к нарушению жизнедеятельности, а также образуют соединения, обеспечивающие устойчивость иммунитета к инфекциям. Белки состоят из аминокислот. Если их соединять в разной последовательности, образуется более миллиона разных химических веществ. Они делятся на несколько групп, которые одинаково важны для человека.
Индивидуальные белки различаются по физико-химическим свойствам: 1) форме молекул; 2) молекулярной массе; 3) суммарному заряду, величина которого зависит от соотношения анионных и катионных групп аминокислот; 4) соотношению полярных и неполярных радикалов аминокислот на поверхности молекул; 5) степени устойчивости к воздействию различных денатурирующих агентов. Растворимость белков зависит: от перечисленных выше свойств белков; от состава среды, в которой растворяется белок (величины рН, солевого состава, температуры, наличия других органических веществ, способных взаимодействовать с белком). Величина заряда белков -- один из факторов, увеличивающий их растворимость. При потере заряда в изоэлектрической точке белки легче агрегируют и выпадают в осадок. Это особенно характерно для денатурированных белков, у которых на поверхности появляются гидрофобные радикалы аминокислот.
На поверхности белковой молекулы имеются как положительно, так и отрицательно заряженные радикалы аминокислот. Количество этих групп, а следовательно, и суммарный заряд белков зависят от рН среды. Значение рН, при котором белок имеет суммарный нулевой заряд, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ). В ИЭТ количество положительно и отрицательно заряженных групп одинаково, т.е. белок находится в изоэлектрическом состоянии.
Денатурация белков -- это разрушение их нативной конформации, вызванное разрывом слабых связей, стабилизирующих пространственные структуры, при действии денатурирующих агентов.
Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на физические и химические.
Физические факторы
· 1. Высокие температуры. Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-500С. Такие белки называют термолабильными. Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными.
· 2. Ультрафиолетовое облучение
· 3. Рентгеновское и радиоактивное облучение
· 4. Ультразвук
· 5. Механическое воздействие (например, вибрация).
· 5. Денатурация белков. Факторы, вызывающие денатурацию белков. Ренативация белка
Химические факторы
· 1. Концентрированные кислоты и щелочи. Например, трихлоруксусная кислота (органическая), азотная кислота (неорганическая).
· 2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO4).
· 3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)
· 4. Растительные алкалоиды.
· 5. Мочевина в высоких концентрациях
Денатурация сопровождается потерей биологической активности белка.
· 1. Уникальная трехмерная структура каждого белка разрушается, и все молекулы одного белка приобретают случайную конформацию, т.е. отличную от других таких же молекул.
· 2. Радикалы аминокислот, формирующие активный центр белка, оказываются пространственно удаленными друг от друга, т.е. разрушается специфический центр связывания белка с лигандом.
· 3. Гидрофобные радикалы, обычно находящиеся в гидрофобном ядре глобулярных белков, при денатурации оказываются на поверхности молекулы, тем самым создаются условия для агрегации белков. Агрегаты белков выпадают в осадок. При денатурации белков не происходит разрушения их первичной структуры. Удаление денатурирующих агентов диализом приводит к восстановлению конформации и функции белка, т.е. к ренативации (ренатурации).
В клетке обнаружены семейства белков - шаперонов. Шапероны принадлежат к трем белковым семействам, так называемым белкам теплового шока (hsp60, hsp70, hsp90). Свое название эти белки получили потому, что и к синтез возрастает при повышении температуры и других формах стресса. При этом они выполняют функцию защиты белков клетки от денатурации. Белки -- представители семейства hsp70 -- связываются на начальной фазе образования растущего пептида. Одни из них контролируют процесс сворачивания белка в цитоплазме, другие -- участвуют в переносе белков в митохондрии. Белки hsp60 охватывают синтезированный полипептид наподобие бочонка, тем самым обеспечивая условия для принятия правильной конформации. Также шапероны участвуют в таких фундаментальных процессах, как: ренативация частично денатурированных белков; 2) узнавание денатурированных белков и транспорт их в лизосомы; 3) формирование трехмерной структуры белков; 4) сборка олигомерных белков; 5) транспорт белков через мембраны.
Молекулярные шапероны предотвращают денатурацию белков. Частично денатурированный белок попадает в полость шаперонинового комплекса. В специфической среде этой полости в условиях изолированности от других молекул цитозоля клетки выбор возможных конформаций белка происходит до тех пор, пока не будет найдена энергетически наиболее выгодная конформация. . Шаперонзависимое формирование нативной конформаций связано с расходованием значительного количества энергии, источником которой служит АТР
35. Микроорганизмы, используемые в пищевой промышленности. Их характеристика, направления использования
Промышленное использование микроорганизмов
Благодаря большому разнообразию синтезируемых ферментов микроорганизмы могут выполнять многие химические процессы более эффективно и экономично, чем если бы эти процессы проводились химическими методами. Изучение биохимической деятельности микроорганизмов позволило подобрать условия для максимальной активности их как продуцентов различных полезных ферментов - возбудителей нужных химических реакций и процессов. Микроорганизмы все шире применяются в различных отраслях химической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине.
В нашей стране создана и успешно развивается новая отрасль промышленности - микробиологическая, все производства которой базируются на деятельности микроорганизмов.
Микроорганизмы, с помощью которых производят пищевые продукты, называют культурными. Их получают из чистых культур, которые выделяют из отдельных клеток. Последние хранят в музейных коллекциях и снабжают ими различные производства.
В результате осуществляемых культурными микроорганизмами химических реакций растительное или животное сырье превращается в пищевые продукты. С помощью микроорганизмов получают многие жизненно важные продукты питания, и хотя изготовление их знакомо человеку с древних времен, роль в нем микроорганизмов открыта сравнительно недавно.
Хлебопекарное производство.
Хлебопечение основано на деятельности дрожжей и молочнокислых бактерий, развивающихся в тесте. Совместное действие этих микроорганизмов приводит к сбраживанию сахаров муки. Дрожжи вызывают спиртовое брожение, молочнокислые бактерии - молочнокислое. Образующиеся при этом молочная и другие кислоты подкисляют тесто, поддерживая оптимальный для жизнедеятельности дрожжей уровень рН. Углекислый газ разрыхляет тесто и ускоряет его созревание.