- •О. Ю. Сартакова
- •Учебное пособие
- •Содержание
- •1 Основы микробиологии ................................................... 7
- •2 Основы биотехнологии ................................................... 42
- •3 Типовая схема и основные стадии
- •4 Основные понятия биокатализа и53
- •5 Ферментация....................................................................... 65
- •6 Области применения биотехнологии........................... 69
- •Введение
- •1 Основы микробиологии
- •1.1 Общие сведения о микроорганизмах
- •1.2 Распространение микроорганизмов в природе
- •1.3 Морфологическая характеристика отдельных групп микроорганизмов
- •1.3.1 Структура эукариотической клетки
- •Ской мембраны
- •1.3.2 Структура прокариотической клетки
- •1.3.3 Ультрамикробы
- •1.3.4 Бактерии
- •1.3.4.1 Спорообразование у бактерий
- •1.3.4.2 Движение бактерий
- •1.3.4.3 Размножение бактерий
- •1.3.4.4 Питание бактерий
- •1.3.4.5 Типы питания
- •1.3.4.6 Систематика бактерий
- •1.3.5 Актиномицеты
- •1.3.6 Грибы
- •1.3.7 Водоросли
- •1.3.8 Простейшие
- •1.3.9 Коловратки
- •2 Основы биотехнологии
- •2.1 Объекты биотехнологии
- •2.2 Прошлое и настоящее биотехнологии
- •2.3 Перспективы развития биотехнологии
- •2.4 Основные виды биотехнологической деятельности микроорганизмов
- •2.5 Преимущества биотехнологических процессов
- •3 Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств
- •4 Основные понятия биокатализа и биотрансформации
- •4.1 Основные группы биотрансформаций
- •4.2 Основные виды реакций биокатализа
- •4.3 Классификация ферментов
- •4.4 Преимущества и недостатки биокаталитических процессов
- •4.5 Основные понятия иммобилизации ферментов
- •4.6 Методы иммобилизации ферментов
- •Го связывания с носителем
- •«Сшивки»
- •4.7 Оценка качества иммобилизованных ферментов и метода иммобилизации
- •4.8 Примеры использования ферментов
- •5 Ферментация
- •5.1 Классификация процессов ферментации
- •Ферментация бывает:
- •5.2 Основные параметры периодической ферментации
- •5.3 Понятие скорости роста
- •5.4 Фазы периодической ферментации
- •5.5 Преимущества и недостатки периодической ферментации
- •6 Области применения биотехнологии
- •6.1 Биотехнологические процессы в решении экологических задач
- •6.2 Примеры блок-схем микробиологической очистки стоков
- •6.3 Биохимические методы очистки воды
- •6.3.1 Микробная ассоциация и технологические условия ме-
- •6.3.2 Очистка воды в аэротенках
- •6.3.3 Очистка воды в биофильтрах
- •6.3.4 Комбинированные сооружения аэробной биохимической очистки воды
- •6.3.5 Процессы нитрификации и денитрификации
- •6.3.6 Методы обработки осадка
- •6.3.7 Аэробная стабилизация осадка
- •6.3.8 Метановое брожение (биометаногенез)
- •6.3.8.1 Этапы метанового брожения
- •Биогаз (сн4, co2 )
- •6.3.8.2 Химизм процесса метанового брожения
- •6.3.8.3 Микробная ассоциация биометаногенеза
- •6.3.8.4 Сырье биометаногенеза
- •6.3.8.5 Технологические режимы и аппаратурное оформление процесса метанового брожения
- •6.4 Биоценозы как индикаторы сапробности водоемов
- •6.5 Применение биотехнологии в медицине
- •6.5.1Антибиотики
- •6.5.2. Гормоны
- •6.5.3 Вакцины, иммунные сыворотки и иммуноглобулины
- •6.5.4 Ферменты
- •6.5.5 Биодатчики в медицине
- •6.6 Применение биотехнологии в энергетике
- •6.6.1 Законы биоэнергетики
- •6.6.2 Биологические мембраны, как преобразователи энергии
- •6.6.3 Характеристика растительного сырья как источника энергии
- •6.6.4 Альтернативные источники энергии и их получение
- •6.7 Производство пищевых продуктов и напитков
- •6.7.1 Биотехнологические процессы в хлебопекарном производстве
- •6.7.2 Биотехнология приготовления пива
- •6.7.3 Производство вина и спиртсодержащих продуктов
- •6.7.4 Биотехнология приготовления кисломолочных продуктов и сметаны
- •6.7.5 Биотехнологические процессы в сыроделии
- •6.7.6 Биотехнология приготовления маргарина
- •6.8 Химическая промышленность и биотехнология
- •6.9 Сельское хозяйство и биотехнология
- •6.10 Биогеотехнология
- •6.10.1Биогидрометаллургия
- •6.10.2 Выщелачивание куч и отвалов
- •6.10.3 Бактериальное выщелачивание in situ
- •6.10.4 Выщелачивание минеральных концентратов
- •6.10.5 Микробиологический способ извлечения золота
- •6.10.6 Биосорбция металлов из растворов
- •6.10.7 Обогащение руд
- •6.10.8 Извлечение нефти
- •6.11 Безопасность биотехнологических процессов
- •Глава 1
- •Главы 2, 3
- •Глава 4
- •Глава 5
- •Глава 6
6.5.4 Ферменты
Ферменты (от лат. fermentum - брожение, закваска), специфи- ческие белки, присутствующие во всех живых клетках и играющие роль биологических катализаторов.
Ферменты являются регуляторами скорости химических реакций, строго контролируют процессы синтеза и распада индивидуальных химических компонентов клетки и всего организма в целом. Благодаря этому свойству ферментов живые системы сохраняют постоянство внутренней среды (так называемый гомеостаз). Ферменты выполняют важные защитные функции, обезвреживая как экзогенные (поступаю- щие из внешней среды), так и эндогенные (образующиеся в самом ор- ганизме) токсические вещества. Последние подвергаются под действи- ем ферментов различным реакциям окисления, восстановления и, нако- нец, распада на продукты, теряющие свои токсические свойства.
Методы выделения и очистки ферментов. Хотя уже осуще- ствлен лабораторный синтез ряда ферментов - рибонуклеазы, лизоци- ма, ферредоксина и цитохрома - С, трудно ожидать, что синтетическое получение ферментов получит широкое распространение в ближайшие десятилетия ввиду его сложности и дороговизны, поэтому единствен- ный реальный в настоящее время способ получения ферментов - это выделение их из биологических объектов.
Выделяют ферменты так же, как и другие белки, хотя есть прие- мы, применяемые преимущественно для ферментов. Из них можно от- метить экстракцию глицерином, в котором сохраняются нативные свойства ферментов, а также метод ацетоновых порошков, состоящий в осаждении и быстром обезвоживании при температуре не выше -10°С тканей или вытяжек из них, содержащих ферменты. К их числу отно-
106
сится также получение ферментов путем адсорбции с последующей элюцией (снятием) с адсорбента. Наряду с ними широко применяют метод ионообменной хроматографии, метод молекулярных сит, элек- трофорез и особенно изоэлектрофокусирование. Особое внимание при выделении ферментов уделяют проведению всех операций в условиях, исключающих денатурацию белка, так как она всегда связана с поте- рей ферментативной активности. Этому способствует проведение опе- раций в присутствии защитных добавок, в частности HS-содержащих соединений (цистеина, глутатиона, меркаптоэтанола, цистеамина, ди- тиотреитола и др.).
Переломным моментом в усовершенствовании методов полу- чения высокоочищенных, гомогенных препаратов ферментов было от- крытие способности их кристаллизоваться, осуществленное впервые в
1906 г. А. Д. Розенфельдом (им была получена в виде кристаллов ок- сидаза из корней редьки) и приобретшее с 1926 г. широкую из- вестность после работы Д. Самнера по получению кристаллической
уреазы из бобов канавалии.
Медицинская энзимология. Существуют три основных направ- ления исследований в области медицинской энзимологии: энзимопато- логия, энзимодиагностика и энзимотерапия.
Энзимопатология призвана изучать молекулярные основы раз- вития патологического процесса, основанные на данных нарушениях механизмов регуляции активности или синтеза индивидуального фер- мента, или группы ферментов. Так как, чаще всего, развитие болезни непосредственно связано с наследственной недостаточностью или пол- ным отсутствием синтеза одного единственного фермента в организме больного.
Так, например, развитие тяжелого наследственного заболевания – галактоземии (непереносимость молочного сахара) связано с отсутст- вием синтеза в клетках печени фермента, катализирующего превраще- ние галактозы в глюкозу.
Энзимодиагностика призвана заниматься разработкой фер-
ментных тестов, основанных на определении активности (уровня) фер- ментов и изоферментов в биологических жидкостях организма больно- го (сыворотка крови, желудочный сок, спинномозговая жидкость, моча
и др.).
В настоящее время разработаны количественные методы анализа многих распространенных ферментов, выявляемых в биологических жидкостях при поражении разных органов. Для каждого из этих фер-
107
ментов определены контрольные величины (уровни) активности и пре-
делы колебания в норме как в сыворотке крови, так и в самом органе.
Диагностическая энзимология достигла значительных успехов при постановке диагноза болезней многих органов, в частности почек, сердца, поджелудочной железы, желудка, кишечника и легких. Фер-
ментная диагностика может служить основой не только для постанов-
ки правильного и, что самое главное, своевременного диагноза болез-
ни, но и для проверки эффективности применяемого метода лечения.
Обладая высокой специфичностью действия, ферменты приме- няются в качестве самых тонких и избирательных инструментов в на- правленном воздействии на течение любой патологии. О степени по-
ражения органов, биомембран клеток и субклеточных структур, о тя-
жести патологического процесса можно судить по появлению (или рез- кому повышению уровня) органотропных ферментов и изоферментов в сыворотке крови больных, что составляет предмет диагностической эн- зимологии.
Энзимотерапия. Ферменты используются для лечения различ- ных заболеваний, в том числе и наследственных, вызванных наруше- нием синтеза того или иного фермента или резким перепадом субстра-
та, на который организм не смог среагировать по причине, например,
ослабленного иммунитета. Также ферменты применяют для лучшего вживания и устойчивости в организме искусственных органов, проте- зов, их применяют в различных перевязочных материалах для ускоре- ния заживления ран и ожогов, для разрушения тромбов.
Основной проблемой при использовании ферментов является их быстрая инактивация, аллергенность, токсичность (так как по существу они чужеродны для данного организма), доставка точно в пораженный орган или ткань. Для решения этих проблем применяют методы иммо- билизации ферментов, разработанные инженерной энзимологии. Иммобилизация ферментов заключается в их физическом (адсорбци- онном) и (или) химическом (ковалентном) связывании с некой матри- цей носителя, который защищает фермент от инактивирующего воз- действия и не влияет на его активные центры.
Основные требования к иммобилизованным ферментам:
- иммобилизованные ферменты должны сохранять свою актив-
ность в течение максимально возможного времени;
- введенные в организм вещества должны быть мало подвержены действию антител и естественных ингибиторов;
- не должны оказывать негативного воздействия на организм в це-
лом;
108
- носитель, с которым связан фермент, должен обеспечивать не только устойчивость, но и направленную доставку исключительно или хотя бы предпочтительно в зону поражения.
Таким образом, если присутствие данного фермента необходимо во всех органах и тканях организма или он необходим для длительной циркуляции в кровотоке, то целесообразно применять растворимые препараты, то есть связывать фермент с неким растворимым носителем
(растворимые капсулы, или «искусственные клетки»). В некоторых случаях идут по пути создания биоразлагаемых и биосовместимых производных ферментов в виде микрочастиц, гранул или таблеток, ко- торые способны «добираться» к местам поражения и в течение опреде- ленного времени диффундировать необходимый фермент. Для наруж- ного применения соответствующий фермент иммобилизуют на по- верхности или в объеме перевязочных материалов, защитных пленок, дренажа или добавляют содержащие его микрокапсулы в различные мази и кремы.