6.5.5 Биодатчики в медицине

Большое влияние на развитие медицины оказывает биоэлектро- ника и биоэлектрохимия. В последние годы здесь достигнуты заметные успехи. Создан ряд чувствительных биодатчиков. Действие большин- ства разработанных на сегодня датчиков основано на улавливании продуктов действия ферментов. Для этого используются обычные электроды с иммобилилизованной на них биологической системой, называемые - биодатчики, биосенсоры. Под термином биосенсор сле- дует понимать устройство, в котором чувствительный слой, содер- жащий биологический материал: ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены, липосомы, органелы, рецепторы, ДНК, непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное уст- ройство, состоящее из двух преобразователей (трансдъюсеров) био- химического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом.

Новые подходы в этой области ставят своей целью создание бо- лее чувствительных и эффективных приборов и расширение сферы их применения. В основе работы таких устройств лежит процесс прямого переноса электронов между электродами и окислительно-восстанови- тельными центрами белков.

109

Так, в медицине широко применяются ферментсодержащие датчики для определения содержания глюкозы. Основное применение они находят при регуляции содержания сахара в крови у больных са- харным диабетом. Недостаточно точный контроль уровня сахара при этой болезни приводит к развитию опасных для жизни побочных про- цессов диабета.

6.6 Применение биотехнологии в энергетике

Биоэнергетика - это область биотехнологии связанная с эффек- тивным использованием энергии, запасенной при фотосинтезе био- массой.

В последние годы, часто говорят об "энергетическом кризисе"-

запасы ископаемого топлива ограничены, а население планеты растет,

и потребление энергии все увеличивается.

Известно, что около 99,4%, доступной нам не ядерной энергии мы получаем от Солнца, и часть ее аккумулируется в биомассе, хотя и

с малой эффективностью. Усредненная максимальная эффективность превращения энергии при фотосинтезе составляет от 5% до 6%. В зо-

нах с умеренным климатом эффективность преобразования энергии

составляет от 0,5% до 1,3%. Растения используют свет с длиной волны от 400 до 700 нм, то есть доля фотосинтетически активной радиации

(ФАР) составляет 50% всего солнечного света.

Основные процессы фотосинтеза протекают в хлоропластах, ко-

торые поглощают СО₂, поступающий в растение путем диффузии.

Фотосинтез состоит из двух этапов:

- преобразование энергии фотонов в химическую энергию, кото- рая накапливается в форме АТФ и комплекса водорода связанного с коферментом НАДФ;

 Фотолиз - образование углеводов из СО₂ с участием Н₂ и АТФ

12 Н₂О свет 12 [Н₂] + 6 О₂ + АТФ

 Фотоассимилиция

6 СО₂ + 12 [Н₂] темнота, АТФ С₆Н₁₂О₆ + 6 Н₂О

110

Преимущество использования солнечной энергии, заключенной в биомассе, в том, что она запасается в форме органических веществ и поэтому ее можно хранить и перемещать во времени и в пространстве. Биомассу можно сжигать или довольно простыми способами при помощи микроорганизмов превращать в жидкое или газообразное топ- ливо (метан, этиловый спирт или водород). По этой причине биомасса

представляет собой постоянно возобновляемый источник энергии.

Сырье, используемое для производства биотоплива: древесина,

масленичные растения, водоросли.

Ранее основным путем использования растительного сырья в ка- честве топлива во всем мире было прямое сжигание. В настоящее вре- мя - это система термической модификации такого сырья: пиролиз, га- зификация и гидрогенизация.

При всем разнообразии жизненных функций, связанных с потреб-

лением энергии, в их основе лежат три вида трансформации энергии:

 энергия АТФ – энергия химических связей стабильных био-

логических соединений;

 энергия АТФ – механическая работа;

 энергия АТФ – осмотическая работа.

Первый вид использования энергии АТФ составляет основу син- тезов разнообразных химических соединений, в том числе и биопо- лимеров – нуклеиновых кислот, белков и полисахаридов (анаболиче-

ская ветвь метаболизма). Их энергообеспечение достигается сопряже-

нием реакций, протекающих на одном ферменте («энергия из рук в руки»). При этом запасы энергии в одном из участков реакции повы- шаются за счёт распада макроэргических соединений с понижением запасов энергии системы в целом.

Второй вид - использование энергии АТФ для осуществления механической работы. Этот процесс лежит в основе разнообразных форм двигательной активности организмов и клеток: сокращение

мышц у животных, движение листьев и цветков у растений, работы

жгутиков и ресничек у простейших, перемещения ядерного аппарата при делении клеток и т.п. Коэффициент полезного действия трансфор- мации энергии в мышце составляет около 40%. Решающую роль в та- ких механо-химических процессах играют сократительные белки, спо- собные перестраивать свою структуру и взаиморасположение, что на- ходит свое внешнее проявление в макроскопическом эффекте – сокра- щении мышцы.

Третий вид использования энергии АТФ – осмотическая рабо-

та. В ее основе лежит генерация и поддержание концентрационных

111

перепадов (градиентов) различных веществ, и, прежде всего, ионов на- трия и калия в системах: клетка – окружающая среда или клеточные органоиды – цитоплазма. Перенос веществ, связанный с расходом бо- гатых энергией соединений, получил название активного транспорта. Благодаря активному транспорту в клетках поддерживается необходи- мое постоянство ионного состава и ионная поляризация мембран воз- будимых (нервные, мышечные) клеток – мембранный потенциал, или потенциал покоя. Это является основной предпосылкой для возникно- вения и распространения нервного импульса – потенциала действия.

Наконец, энергия АТФ может с высокой эффективностью трансформироваться в световую энергию. Это имеет место в явле- нии биолюминесценции. Значительно меньшую роль в биоэнергетике играют процессы чисто физического переноса энергии. Наибольшее функциональное значение миграция энергии имеет в процессе фото- синтеза: с ее помощью осуществляется перенос энергии квантов света, поглощенных различными пигментами, к реакционным центрам, с по- мощью которых энергия электронного возбуждения трансформируется

в химическую энергию продуктов фотосинтеза.