Значення генетики для вирішення проблем біотехнології: синтез харчового білка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Кафедра біотехнології мікробного синтезу

Реферат

з дисципліни «Генетика»

«Значення генетики для вирішення проблем біотехнології: синтез харчового білка»

Виконала

Шемет А.В.

Перевірив

Скроцька О.І.

Київ 2010

Зміст

Вступ

1. Білки, їх функції та біологічна роль

2. Синтез білків

3. Білкові продукти

Висновок

Вступ

генетика білок біотехнологія

Сьогодні генетика - це галузь, яка активно розвивається швидкими темпами як за кордоном, так і в Україні. Академік М.П. Дубинін писав, що наступає пора міцного союзу генетики і селекції, генетики і медицини, генетики і біологічних проблем, пов'язаних із впровадженням у життя атомної енергії і широкої хімізації народного господарства. Генетика, як центральна наука про життя стає не тільки важливою теоретичною дисципліною, але й наукою практичною, що глибоко проникає у життя і суттєво впливає на рівень розвитку продуктивних сил суспільства, пов'язаних з промисловістю та сільським господарством.

Досягнення в галузі генетики мікроорганізмів привели до важливих зміну технології промислового виробництва антибіотиків, живих вакцин, вітамінів, гормонів, амінокислот, білків та інших біологічно активних речовин внаслідок створення мутагенезом та добором нових форм мікроорганізмів. Нині в генетиці поряд з мутагенезом і схрещуванням розвивається новий напрям - генна інженерія, яка займається конструюванням генетичних структур (рекомбінантних молекул ДНК) з наступним введенням їх у живі клітини для цілеспрямованої зміни генотипу. Після генетично-інженерних втручань у кишкову паличку вдалость перемістити гени, які визначають синтез тваринних білків; гормону росту - соматотропіну, інсуліну, інтерферону і т.д.

Таким чином, генетичні дослідження мають важливе значення для підвищення інтенсивності промислового та сільськогосподарського виробництв, створення повного достатку продуктів харчування.

1. Білки, їх функції та біологічна роль

Білки - це високомолекурні органічні речовини, які складаються з ланцюгів амінокислот з'єднаних пептидним зв'язком. В живих організмів амінокислотний склад білків визначається генетичним кодом, при синтезі в більшості випадків використовується 20 стандартних амінокислот. Більшість їх комбінацій дають велику різноманітність функцій молекул білків. Крім того амінокислоти в складі білка часто піддаються посттрасляційним модифікаціям, які можуть виникнути і до того, як білок починає виконувати свою функцію, і в період його “роботи'' в клітині. Часто в живих організмах декілька молекул білків утворюють складні комплекси, наприклад, фотосинтетичний комплекс.

Функції білків в клітинах живих організмів більш різноманітні чим функції інших біополімерів - полісахаридів і ДНК. Так, білки-ферменти каналізують протікання біохімічних реакцій і мають велику роль в обміні речовин. Деякі білки виконують структурну або механічну функцію, утворюючи цитоскелет, підтримуючий форму клітини. Також білки мають велику роль в сигналах системах клітин, при імуновідповіді і в клітинному циклі.

Білки - це важливий компонент харчування тварин та людини, оскільки в їх організмі не можуть синтезуватися всі необхідні амінокислоти і частина з них поступає з білкової їжі. В процесі травлення ферменти руйнують білки до амінокислот, які використовуються при біосинтезі білків організму або піддаються подальшому розпаду для отримання енергії.

Так як і інші біологічні макромолекули (полісахариди, ліпіди) і нуклеїнові кислоти, білки - необхідні компоненти всіх живих організмів. Вони беруть участь в більшості життєво важливих процесах клітини. Білки здійснюють обмін речовин і енергетичні перетворення. Білки входять до складу кліткових структур - органел, сикретуються в міжклітинний простір для обміну сигналами між клітинами, гідроліза їжі і утворення міжклітинної речовини.

Слід відмітити, що класифікація білків по їх функціям є умовною, тому що у еукаріот один і той же білок може виконувати декілька функцій. Так білки виконують найрізноманітніші функції, такі як: каталітична, структурна, захисна, регуляторна, сигнальна, транспортна, запасна(резервна), рецепторна, моторна (двигунна), енергетична.

Використання білка як джерела енергії особливо важливо в умовах голодування, коли білки організму, особливо м'язів,використовуються як джерело енергії. Амінокислоти також являються важливим джерелом азоту в харчуванні організму.

Отже, білки виконуючи важливі функції в організмі людини та тварин відіграють важливу біологічну роль, забезпечуючи організм амінокислотами та енергією.

2.Синтез білків

Білок можна отримати такими шляхами: хімічним синтезом, біосинтезом, нерибосомним синтезом.

Хімічний синтез білка.

Короткі білки можуть можуть синтезуватися хімічним шляхом, за допомогою групи методів, які використовують органічний синтез - наприклад, хімічне лігінування. Більшість методів хімічного синтеза проходять в напрямку від С-кінця до N-кінця, в проти напрямку біосинтезу. Таким чином можна синтезувати короткий імуногенний пептид (епітоп), для отримання антитіл шляхом ін'єкції в тварин, або отримання гібридом; хімічний синтез використовується також для отримання інгібіторів деяких ферментів. Хімічний синтез допускає введення штучних, тобто тих яких не можна зустріти в звичайних білках, амінокислот - наприклад, приєднувати флюорисцентні мітки до бокових ланцюгів амінокислот. Однак хімічні методи синтезу не ефективні при довжині білків більше 300 амінокислот; крім того, штучні білки можуть мати не правильну третинну структуру, і в амінікислот штучних білків відсутня пост трансляційна модифікація. Також хімічний синтез потребує вкладення великих коштів і тому являється не вигідним з економічної точки зору.

Біосинтез білка.

Білки синтезуються живими організмами з амінокислот на основі інформації, закодованою в генах. Кожний білок складається з унікальної послідовності амінокислот, яка виявляється нуклеотидною послідовністю гена, кодую чого даний білок. Генетичний код складається з кодонів, кожний з яких відповідає за приєднання до білка певної амінокислоти, наприклад, склад АУГ відповідає метіоніну. Оскільки ДНК складається з 4 типів нуклеотидів, то загальне число кодонів дорівнює 64; а так як в білках використовується 20 амінокислот, то багато які з них кодуються більше чим одним кодоном. Гени, які кодують білки спочатку транскриптуються в послідовності нуклеотидів матричної РНК білками РНК-полімеразами. Далі проходить процес трансляції - процес синтезу білка на основі молекули мРНК. Потім процес елонгації під час якого до малої субодиниці приєднується велика субодиниця. Синтез пептидного зв'язку каталізується рибосомальною РНК. На стадії термі нації білкові факторитермінації гідролізують останню тРНК від білка, закінчуючи його синтез. Таким чином, в рибосомах білки завжди синтезуються від N-кінця до С-кінця.

Нерибосомний синтез білка.

У нижчих грибів і також деяких бактерій існує менш розповсюджений спосіб біосинтезу білків, який не потребує участі рибосом. Синтез пептидів, звичайно вторинних метаболітів, проводиться високомолекулярним білковим комплексом, так званої НРС-синтазу. НРС-синтазу складається з декількох доменів або окремих білків, які здійснюють селекцію амінокислот, утворення пептидного зв'язку, вивільнення синтезованого пептида і, інколи, домен, здатний до ізомеризації L-амінокислоти в D-форму.

3. Білкові продукти

Білкові продукти - це продукти, які можна одержати в біотехнології на основі біомаси мікроорганізмів. Ними являються: гапрін (синтезується метаноокиснювальними бактеріями роду Methylococcus), кормові дріжджі (Saccharomyces, Candida, Rhodotorula, Trichosporon), спіруліна (Spirulina platensis).

Спіруліна. Spirulina platensis (Cyanophyta/Cyanobacteria) синтезує широкий спектр біологічно активних речовин, через що є одним з провідних об'єктів сучасної фітобіотехнології. Переважна більшість робіт, виконаних за більш ніж тридцятирічний період інтенсивних досліджень спіруліни, сфокусовано, в основному, на біотехнологічних напрямах (Richmond, 1986; Vonshak, 1997; Borowitzka, 1999). У той же час багато еколого-фізіологічних аспектів росту і мінерального живлення цього виду при різних умовах вирощування дотепер залишаються не цілком виразними. Конкретне сполучення параметрів культивування (швидкості протоки середовища, щільності біомаси, освітленості, температури, конструкції культиваторів тощо) визначає продуктивність культур, швидкість і вибірність асиміляції живильних речовин, величини їхніх оптимальних і лімітуючих концентрацій, а також спрямованість конструктивних і енергетичних процесів у клітинах. Квазібезперервний і непропорційно проточний режими культивування у відкритих басейнах спільно з природними коливаннями освітленості і температури створюють особливі умови, які істотно відрізняються від умов в описаних раніше лабораторних і промислових системах вирощування спіруліни. Дослідження особливостей росту і метаболізму S. platensis у таких культурах може стати науковою основою для удосконалення методів її масового культивування з метою підвищення продуктивності виду і біологічної цінності одержуваної біомаси. Крім того, відомості такого роду сприятимуть з'ясуванню фізіолого-біохімічних механізмів, що регулюють розвиток Cyanophyta у водоймах з високим рівнем евтрофікації, підданих впливу промислових і побутових стоків.

Є особливо актуальною проблема розробки фізіолого-біохімічних критеріїв стану мікроводоростей в умовах щільної культури. Для спіруліни такими критеріями можуть бути вміст білка (основного компонента сухої речовини) і фотосинтетичних пігментів, що визначають енергетичний статус клітин. Біосинтез амінокислот, тетрапірольних пігментів і каротиноїдів зв'язаний у рамках центральних метаболічних шляхів мевалонової і д-амінолевулінової кислот з біосинтезом ключових антиоксидантів і вітамінів (токоферолів, супероксиддисмутази, вітамінів В₁₂ і К₁). Отже, по вмісту білка і пігментів можна з достатньою мірою точності міркувати про біологічну цінність біомаси в цілому. Серед основних елементів живлення, що впливають на біосинтез цих компонентів, варто виділити азот. Питанням азотного живлення спіруліни в роботі приділена основна увага.

Кормові дріжджі. Одним із важливих джерел балансування кормів сільськогосподарських тварин і птиці є дріжджі. В Україні традиційними кормовими дріжджами є Saccharomyces cerevisiae i Candida tropicalis. Добавка їх біомаси до корму не забезпечує повної його збалансованості за біологічно активними речовинами. Тому створення нових кормових препаратів залишається актуальним. Резервом для цього є нетрадиційні дріжджі, які здатні синтезувати широкий спектр біологічно активних речовин. До них належать, наприклад, дріжджі Pichia guilliermondii і Candida famata, які здатні синтезувати підвищені кількості вітаміну В₂, та Phaffia rhodozyma, біомаса яких є джерелом каротиноїдів та інших біологічно активних речовин.

В Україні виробництво кормових дріжджів, як джерела каротиноїдів не налагоджено. Біомасу, збагачену каротиноїдами, виготовляють з використанням як продуцента гетероталічного мукорового гриба Blakeslea trispora. Вартість такої біомаси досить висока, що робить її малодоступною для більшості господарств. Відомо, що каротиноїди є важливими компонентами системи антиоксидантного захисту (САЗ) в організмі тварин (Olson J., 1993). Вони відіграють значну роль в інактивації активних форм кисню, котрі негативно впливають на організм. Тому доцільно селекціонувати штами, що синтезують підвищені кількості каротиноїдів для збагачення раціону тварин і птиці цими біологічно активними речовинами.

Отримання штамів, надсинтетиків каротиноїдів, вибір оптимальних умов вирощування, біохімічна характеристика селекціонованих штамів та дослідження впливу біомаси як кормової добавки на організм птиці є актуальною проблемою для цієї галузі тваринництва.

Гапрін. Одним з джерел бактеріального білка є гапрін. Гапрін - біомаса бактерій Methylococcus capsulatus, отримана на природному газі. Він представляє собою порошок світло-коричневого кольору з сіруватим відтінком. Гапрін складається з 80% сирого протеїна. Вуглеводи гапріна зовсім не засвоюються тваринами, а протеїн перетравлюється на 85,7% і жир - на 80%. В наш час виробництво гапріна обмежено.

Висновок

Наш час характеризується періодом швидкого розвитку біотехнології як науки та впровадженням її в промисловість. В науковому плані це пов'язано з великими можливостями використання методів генетичної і кліткової інженерії для отримання біологічних об'єктів з заданими властивостями, здатність яких продукувати ту чи іншу речовину або протидіяти шкідливим впливам визначена генетично.

Серед величезної кількості нерозв'язаних проблем людства найбільш складною та актуальною є ліквідація дефіциту білка. В Україні потреба у кормовому білку значно перевищує потребу у харчовому. Це пояснюється недовершеною структурою посівів зернових, які є найважливішим джерелом протеїну, а також його низьким вмістом у рослинних культурах, які складають основу кормових раціонів. У деякій мірі дефіцит білка покривається за рахунок використання високобілкових сільськогосподарських культур, жмихів та шротів олійних, рибного та м'ясокісткового борошна. Загальний об'єм виробництва традиційних кормових добавок дозволяє забезпечити не більше 20 % потреби у білку.

Враховуючи неповноцінність рослинного білка, велику трудоємкість та тривалість його одержання, обмежені можливості у виробництві сухих тваринних кормів, дефіцит білкових добавок можна ліквідувати найбільш ефективним методом - шляхом мікробіологічного синтезу біологічно активних кормових дріжджів. Біотехнологічний спосіб одержання білка не залежить від природних факторів і здійснюється індустріальним методом. Темпи його розвитку залежать тільки від потреби у цільовому продукті та наявності сировини, яку необхідно утилізувати.

Зниження виробництва кормових дріжджів в Україні за останнє десятиріччя викликане як загальнодержавними економічними обставинами, так і відсутністю сировини для їх одержання. Основною сировиною для виробництва кормового білка є рослинні відходи, більше 70 % яких для діючих заводів України ввозились із Росії. Таким чином, необхідним є пошук альтернативних джерел сировини, використання яких дозволить у деякій мірі покрити дефіцит кормового білка.

Одним із джерел власної сировини можуть бути обрізки фруктових дерев (ОФД), стебла хмелю (СХ) та рицини (СР), які не використовуються, щорічно поновлюються і накопичуються до мільйона тонн за рік.

Розробка оптимальних умов використання ОФД, СХ та СР може вирішити не тільки складну технічну проблему, але й соціальну, тому що на сьогоднішній день ці відходи не використовуються, практично всі заорюються в землю або ж спалюються, завдаючи шкоди навколишньому середовищу.

Відомі декілька шляхів нарощування об'ємів кормової біомаси: вдосконалення технології за рахунок апаратурного оформлення; використання високопродуктивних дріжджових культур; введення генно інженерних штамів; інтенсифікація процесу культивування за рахунок введення біостимуляторів росту і розмноження дріжджових культур. Останній відрізняється простотою, технологічністю та ефективністю.

У зв'язку з вище сказаним, робота спрямована на розробку біотехнології, інтенсифікацію і нарощування обсягів виробництва кормового білка з використанням багатотоннажних рослинних відходів, які щорічно поновлюються, не використовуються і раніше не вивчались, є актуальною.

За рахунок передбачуваного впровадження можна буде отримати 250 тисяч тонн високоякісного біологічно активного кормового білка.

Також одним з способів виходу з даної проблеми являється впровадження генно-інженерних штамів для підвищення кількості білку і тим самим вирішення проблеми його дефіциту.

Література

1. В.А. Биков, М.Н. Маликов «Виробництво білкових речовин» - Москва « Вища школа» - 1987.- 142ст.

2. Ж. Доссе «Нові технології у генній інженерії» Кур'єр ЮНЕСКО - 1994. - 11ст.

3. Пирог Т.П., Ігнатова О.А. Загальна біотехнологія: Підручник. - К.: НУХТ, 2009. - 336с.

4. Дебабов В.Г. Сучасні селекційно-генетичні методи отримання промислових мікроорганізмів // Журнал ВХО ім. Д.И. Менделєєва. - 1982. - Т. 27, № 6. - с. 630-633.

Размещено на Allbest.ru