Использование органического синтеза и биосинтеза в получении БАВ

Раскрытие понятия, назначения и использования органического синтеза и биосинтеза в получении БАВ. Характеристика технологического процесса синтеза и биосинтеза при получении БАВ: ферментов, гормонов, ингибиторов. Удлинение творческой активности человека.

Рубрика Медицина
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 15.09.2010
Размер файла 22,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

2

Содержание

Введение

1. Понятие органического и биологического синтеза

2. Органический синтез БАВ. Его отличие от биосинтеза

3. Биосинтез в получении БАВ. Особенности технологического процесса

Заключение

Список литературы

Введение

Биологически активные вещества (БАВ) - общее название веществ, имеющих выраженную физиологическую активность.

Термин объединяет вещества, оказывающее заметное стимулирующее, либо подавляющее воздействие на биохимические процессы in vivo или in vitro. К биологически активным веществам относятся ферменты, гормоны, фитогормоны, ингибиторы обменных процессов, иногда -- токсические вещества (яды) и др. Это жизненно важные и необходимые соединения, каждое из которых выполняет незаменимую и очень важную роль в жизнедеятельности организма.

Переваривание и усвоение пищевых продуктов происходит при участии ферментов. Синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, липидов, гормонов и других веществ в тканях организма представляет собой также совокупность ферментативных реакций.

Любое функциональное проявление живого организма - дыхание, мышечное сокращение, нервно-психическая деятельность, размножение и т.д. - все это непосредственно связано с действием соответствующих ферментных систем. Без ферментов нет жизни. Их значение для человеческого организма не ограничивается рамками нормальной физиологии. В основе многих заболеваний человека лежат нарушения ферментативных процессов. [3]

Витамины могут быть отнесены к группе биологически активных соединений, оказывающих свое действие на обмен веществ в ничтожных концентрациях.

Это органические соединения различной химической структуры, которые необходимы для нормального функционирования практически всех процессов в организме. Они повышают устойчивость организма к различным экстремальным факторам и инфекционным заболеваниям, способствуют обезвреживанию и выведению токсических веществ и т.д.

Гормоны - это продукты внутренней секреции, которые вырабатываются специальными железами или отдельными клетками, выделяются в кровь и разносятся по всему организму в норме вызывая определенный биологический эффект.

Сами гормоны непосредственно не влияют на какие-либо реакции клетки. Только связавшись с определенным, свойственным только ему рецептором вызывается определенная реакция.

Основными их свойствами являются следующие:

- действие на расстоянии от места продукции;

- специфичность действия - эффект каждого из них не адекватен эффекту другого гормона;

- высокая скорость образования и инактивации, с чем и связана кратковременность их действия;

- высокая биологическая активность - нужный эффект достигается при очень малой концентрации вещества;

- роль посредника (месенджера) в передаче информации от нервной системы к клетке.

Помимо гормонов известны еще гормоноиды или гормоноподобные вещества. Они синтезируются не железами внутренней секреции, а клетками желудочно-кишечного тракта, тучными клетками соединительной ткани, клетками почек и т.д. Их особенность - они не секретируются в кровь, а действуют в месте образования. Нередко гормонами называют и некоторые другие продукты обмена веществ, образующиеся во всех (углекислота) или лишь в некоторых (ацетилхолин) тканях, обладающие в большей или меньшей степени физиологической активностью и принимающие участие в регуляции функций организма животных. Термином «гормоны» следует обозначать только те активные продукты обмена веществ, которые образуются в специальных образованиях - железах внутренней секреции. Биологически активные продукты обмена веществ образуются и в растениях, но относить эти вещества к гормонам совершенно не правильно. [1]

1. Понятие органического и биологического синтеза

Органический синтез - раздел органической химии и технологии, изучающий различные аспекты (способы, методики, идентификация, аппаратура и др.) получения органических соединений, материалов и изделий, а также сам процесс получения веществ.

Цель оргсинтеза - получение веществ с ценными физическими, химическими и биологическими свойствами или проверка предсказаний теории. Современный органический синтез многогранен и позволяет получать практически любые органические молекулы. [5]

Стремительный рост числа синтезов привел к оформлению отдельных его самостоятельных направлений, характеризующихся специфическими признаками: нефтесинтез, кислотный катализ, плазмосинтез, синтез биологически активных веществ, тонкий оргнанический синтез и т. д.

Реализация органического синтеза включает следующие научные, организационные и технологические этапы:

- задание структуры целевой молекулы;

- рассмотрение возможных схем синтеза;

- подбор продуктов, аппаратуры;

- проведение химических реакций, выделение промежуточных и целевых продуктов, их анализ и очистку;

- модифицирование, принятие мер безопасности, экологический контроль, экономический анализ и др.

Окончательный выбор метода синтеза происходит после всестороннего комплексного анализа этих этапов и их оптимизации.

Биосинтез или микробиологический синтез - это образование необходимых организму веществ в живых клетках с участием биокатализаторов - ферментов. Обычно в результате биосинтеза из простых исходных веществ образуются более сложные соединения вплоть до гигантских молекул белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов. В промышленности используют микробиологический синтез - биосинтез микроорганизмами антибиотиков, гормонов, витаминов, аминокислот и др.

При биосинтезе, как и любом органическом синтезе, сложные вещества образуются из более простых соединений. Биосинтез следует отличать от брожения, в результате которого тоже получаются различные продукты микробного обмена (например, спирты, органические кислоты), но преимущественно за счёт распада органического вещества. Значительная часть продуктов, образующихся, в ходе биосинтеза обладает физиологической активностью и представляет практическую ценность.

К биосинтезу относят широкий круг процессов:

- накопление микробной массы для использования её:

а) в качестве белково-витаминных добавок к кормам;

б) как источника получения белков, липидов, ферментов, токсинов, витаминов, антибиотиков;

в) для борьбы с паразитами животных и растений;

г) в качестве носителя ферментативной активности в реакциях микробиологической (энзиматической) трансформации органических соединений;

- получение накапливающихся вне микробной клетки метаболитов, в том числе ферментов, токсинов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т.п. [10]

Биосинтез осуществляется внутри клетки при активации низкомолекулярных компонентов (например, коферментом А) и участии нуклеотид фосфатов, чаще всего адениловых производных. Затем многие метаболиты выводятся из клетки в среду. Характерная особенность микроорганизмов - их способность к сверхсинтезу, то есть избыточному образованию некоторых продуктов обмена веществ (многих аминокислот, нуклеотидов, витаминов), превышающему потребность микробной клетки. Так, глутаминовая кислота при сверхсинтезе может накапливаться в количестве свыше 10 мг/мл среды (культура Micrococcus glutamicus), витамин B2 - до 1-2 мг/мл (грибы Eremothecium ashbyii u Ashbya gossipii), вместо обычных сотых и даже тысячных долей мг.

Способность к сверхсинтезу того или иного соединения свойственна определённым видам микроорганизмов, которыми, как правило, и пользуются в качестве продуцентов при производстве соответстветствующих метаболитов путём биосинтеза.

При этом применяют не только культуры, отобранные из природных источников, но и специально выведенные искусственным путём мутанты - штаммы, у которых сверхсинтез - следствие нарушений обмена веществ под воздействием мутагенов.

Применение мутантов позволяет значительно увеличить выход ряда продуктов. Например, выведены культуры с высоким уровнем сверхсинтеза лизина, инозиновой кислоты, некоторых витаминов. При помощи мутантов удалось в 100-150 раз поднять активность биосинтеза пенициллина, мутантные штаммы используются при производстве и других антибиотиков.

2. Органический синтез БАВ. Его отличие от биосинтеза

В промышленном масштабе наибольшее значение имеют химический микробиологический методы. Химический метод синтеза БАВ носит название тонкого органического синтеза, отличительными особенностями которого являются:

- многостадийность получения веществ;

- необходимость тщательной очистки;

- небольшие объемы производства;

- большой ассортимент;

- высокая стоимость продуктов синтеза.

В основу выбора способа синтеза БАВ должны быть положены знания механизме химических реакций, свойствах, используемых для синтеза химических предшественников, сведения о рациональных методах их получения и очистки. Обычно в каждом синтезе можно выделить четыре части:

- выбор источников сырья (соединений - предшественников);

- разработка химической схемы синтеза БАВ;

- выбор метода очистки целевого соединения;

- идентификация БАВ.

Методы, используемые в тонком органическом синтезе, обеспечивают получение сложных органических соединений из более простых предшественников. Для промышленного производства продуктов тонкого органического синтеза очень важно найти наиболее удобный, безопасный и дешевый способ получения таких предшественников. [4]

Правильный выбор источников сырья является одним из определяющих моментов в синтезе. Наиболее важными источниками сырья являются продукты первичной переработки угля, нефти и природного газа, при химической переработке которых получают ароматические углеводороды и газообразные оксиды углерода. Последующих превращениях первичных продуктов угле-, нефте- и газопереработки приводят к таким веществам, как спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, кислоты.

Для получения БАВ используются также растительные и животные материалы. Очень важный вклад в сырьевую базу внесло производство синтез - газа, из которого получают метанол, высшие углеводороды (синтез Фишера - Тропша). Из монооксида углерода получают фосген, муравьиную кислоту, из метана - циановодородную кислоту, сероуглерод и хлорпроизводные.

Более сложные исходные соединения получают переработкой сельскохозяйственного, лесохимического и микробиологического сырья (жиры, масла, крахмал, белки и т. д.).

При разработке химической схемы синтеза наиболее сложным является создание химической схемы получения вещества, подборе химической реакции или сочетания нескольких химических реакций, которые могут привести к данному соединению. [8]

При выборе промышленного способа синтеза необходимо учитывать доступность реагентов, их стоимость, состав образующихся продуктов, возможность утилизации отходов. При использовании реакции окисления более предпочтительны каталитические методы. При синтезе более сложных веществ трудности возрастают. Особенно сложны синтезы оптически активных веществ.

Все многообразие химических превращений, с которыми приходится иметь дело в процессах тонкого органического синтеза, можно объединить в несколько групп, каждая из которых характеризуется общими приемами проведения химических реакций:

- превращения имеющихся в молекуле заместителей;

- введение новых заместителей;

- элиминирование заместителей;

- циклизация;

- перегруппировки;

- проведение регио- и энантиоселективных реакций.

Выбор метода очистки целевого соединения зависит от агрегатного состояния полученных целевых соединений, которые могут содержать примеси, снижающие качество полученного продукта. Для жидких соединений очистку проводят путем перегонки, ректификации, молекулярной дистилляции. Кристаллические соединения подвергают кристаллизации из растворителей.[2]

Для более тщательной очистки используют хроматографические методы (ионообменные, на твердых адсорбентах).

Идентификация целевого продукта проводят для оценки его качества. С этой целью сначала определяют физико-химические константы (температуру кипения, температуру плавления, показатель преломления, плотность и т.д.), а затем подтверждают структуру целевого соединения спектральными методами (УФ-, ИК-, ЯМР), масс-спектроскопией, рентгеноструктурным анализом.

3. Биосинтез в получении БАВ. Особенности технологического процесса

В процессе биосинтеза получают ряд продуктов, причём за счёт самых разных соединений углерода и азота. Это обусловливается большим разнообразием ферментных систем микроорганизмов. Подбор соответствующих культур даёт возможность получать путём биосинтеза желаемые вещества из дешёвого и доступного сырья. Эти особенности делают биосинтез весьма эффективным способом производства многих соединений. Часть из них (например, многие антибиотики) экономически выгодно получать ныне только таким путём.[11]

Широкое промышленное применение биосинтез получил, начиная с 40-50-х гг. 20 века. Прогресс в этой области связан, прежде всего, с открытием пенициллина, что побудило начать детальные исследования у микроорганизмов продуктов обмена веществ, обладающих физиологической активностью.

Технологически современный процесс биосинтеза состоит из ряда последовательных этапов:

- подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента;

- подготовка питательной среды;

- выращивание посевного материала;

- культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется биосинтез, часто называемый ферментацией;

- фильтрация и отделение биомассы;

- выделение и очистка требуемого продукта, когда это необходимо;

- сушка.

Процессы выделения и очистки, часто занимающие важное место среди других технологических операций, определяются химической природой получаемого вещества и могут включать экстракционные и хроматографические методы, кристаллизацию, осаждение и др.

Наиболее прогрессивным способом культивирования считается непрерывный - с непрерывными подачей питательной среды и выводом продуктов биосинтеза. Так производят, например, микробную биомассу (кормовые дрожжи). Однако непрерывный способ разработан далеко ещё не для всех процессов биосинтеза, и большинство метаболитов (аминокислоты, антибиотики, витамины) получают периодическим способом - с выводом продукта в конце процесса.

В некоторых случаях (например, при производстве ряда ферментов) продуценты выращивают не в ферментёрах с аэрацией и перемешиванием (глубинный способ), а на поверхности питательной среды - поверхностным способом. Для производства разнообразных продуктов биосинтезе создана микробиологическая промышленность, уже выпускающая большой ассортимент соединений разных классов.[6]

Антибиотики - один из первых продуктов биосинтеза, которые широко производят для медицины и сельского хозяйства. Большинство антибиотиков накапливается вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в основном являются актиномицеты, некоторые грибы и бактерии, главным образом их мутантные формы. Антибиотические препараты, употребляемые преимущественно в медицине, отличаются высокой степенью чистоты.

Витамины, провитамины, коферменты. Методом биосинтеза производят в основном витамин B12, а частично и витамин B2 и его коферментную форму - флавинадениндинуклеотид (ФАД), каротиноиды, эргостерин. Развивается производство разных других соединений этого типа (никотинамидные коферменты и др.). Витамин B12 получают практически только путём биосинтеза. Основными продуцентами при этом служат пропионовокислые бактерии, актиномицеты, а также комплекс метанобразующих бактерий, использующих отходы бродильной промышленности (послеспиртовые, ацетоно-бутиловые барды и др.) и применяемых в основном для получения кормового концентрата (высушенная среда с биомассой продуцента).

Ферменты, синтезируемые микроорганизмами, и создаваемые на их основе ферментные препараты приобрели большое значение в народном хозяйстве, особенно в пищевой промышленности. Продуцентами ферментов - протеаз, амилаз, фосфатаз, целлюлаз, пектиназ, глюкозооксидазы, липаз, каталазы - служат многие мицелиальные грибы, некоторые актиномицеты и бактерии. В зависимости от локализации фермента подвергают обработке микробную массу или фильтрат, свободный от микробных клеток. Получение чистых ферментных препаратов связано со значительными технологическими трудностями. Такие препараты обычно очень дороги; поэтому в промышленности используют комплексные препараты, содержащие, например, протеазы и липазы, протеазы и амилазы.

Аминокислоты. Существенное преимущество биосинтеза аминокислот перед химическим методом заключается в получении их непосредственно в виде природных изомеров (L-формы). Из аминокислот, вырабатываемых биосинтезо, наиболее важны лизин и глутаминовая кислота. Продуцентами аминокислот обычно служат культуры бактерий, относящихся к родам Brevibacterium и Micrococcus; для производства используются преимущественно мутанты-ауксотрофы, осуществляющие сверхсинтез соответствующей аминокислоты с выделением её в среду.[7]

Нуклеотиды. Широкое развитие биосинтеза нуклеотидов, в частности инозиновой, гуаниловой и др. кислот, получил в Японии, где они используются главным образом как добавки к специфическим продуктам восточной кухни. В будущем нуклеотиды приобретут, вероятно, более важное значение в качестве регуляторов многих энзиматических и гормональных процессов в животном организме. Накопление нуклеотидов происходит преимущественно в культуральной жидкости, вне клеток продуцентов. биосинтеза нуклеотидов, как и аминокислот, используются биохимические мутанты с выраженным сверхсинтезом нужного соединения.

Технологическая особенность биосинтеза БАВ заключена в том, что в основе технологии биосинтеза БАВ главными компонентами являются биообъекты: вирус, гриб, растительные или животные клетки, биомолекулы, обладающие различными физиологическими свойствам.

Биосинтез имеет свои преимущества:

- простота организации генома;

- легкая приспосабливаемость (лабильность) к среде обитания в естественных и искусственных условиях;

- достаточно высокие скорости протекания ферментативных реакций при низких температурах (20-60оС) и нарастания клеточной массы;

- возможность использования недефицитного, дешевого сырья (отходы промышленности, сточные воды).

К недостаткам технологии микробного синтеза БАВ можно отнести:

- многокомпонентность питательных сред;

- необходимость стерилизации питательных сред, оборудования и коммуникаций для удаления или разрушения контаминантов при сохранении качества среды, а также трудности в управлении процессом биосинтеза и автоматизации.

Это связано с процессами саморегуляции биообъектов (включая способность к мутации), которые могут привести к непредвиденному изменению биотехнологического процесса. При размножении и развитии происходит постоянное изменение отдельных параметров, и в каждый момент времени клетки функционируют в иных условиях. [9]

В связи с этим при управлении технологическим процессом биосинтеза БАВ следует учитывать индивидуальные особенности «поведенческих реакций» биообъекта в конкретных условиях культивирования, а именно: чувствительность биообъектов к воздействию физико-механических факторов при перемешивании, а также знание химической природы синтезируемого БАВ, характера биохимических процессов, осуществляемых биообъектами, специфику наследственных свойств данного вида.

Заключение

Биологически активные вещества: ферменты, витамины и гормоны - жизненно важные и необходимые компоненты человеческого организма. Находясь в малых количествах, они обеспечивают полноценную работу органов и систем. Ни один процесс в организме не обходится без участия тех или иных ферментов. Эти белковые катализаторы способны не только осуществлять самые удивительные превращения веществ, но и делают это исключительно быстро и легко, при обычных температурах и давлении.

В отличие от катализаторов неорганической природы ферменты обладают высокой специфичностью действия. Эта высокая специфичность действия фермента заключена в архитектуре его молекулы.

В последние годы удалось добиться существенных успехов и в разрешении вопроса о регуляции активности ферментов. Cуществуют две возможности ее регуляции: изменение активности «готовых» молекул фермента и регулирование на генетическом уровне, которое реализуется в изменении скорости биосинтеза ферментного белка. Различают также наличную (имеющуюся) и потенциальную (регулируемую) активность ферментов.

В этой связи небезынтересно отметить, что к старости в первую очередь снижается потенциальная (регулируемая) активность ферментов. При старении уже в обычных условиях могут быть мобилизованы приспособительные возможности многих ферментных систем, диапазон дальнейшего приспособления систем резко сужается, т.е. первичные механизмы старения, по-видимому, в значительной мере связаны с изменением (ослаблением) потенциальной активности ферментов.

Можно предположить, что дальнейшее бурное развитие энзимологии уже в недалеком будущем принесет самые неожиданные возможности контроля над процессом старения, удлинит период высокой творческой активности человека.

Список литературы

1. Пассет Б.А. Технология химико-фармацевтических препаратов и антибиотиков/ Б.А. Пассет., В.Я. Воробьева.- М.: Медицина, 1977.- 430 с.

2. Евстигнеева Р.П. Тонкий органический синтез/ Р.П. Евстигнеева.- М.: Химия, 1991.- 184с.

3. Елинов Н.П. Основы биотехнологии/ Н.П. Елинов.- СПБ.: Наука 1995.- 600с.

4. Мосичев М.С. Общая технология микробиологических производств./ М.С. Мосичев, А.А. Складнев, В.Б. Котов.- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982.- 264с.

5. Промышленная микробиология/ ред. Н.С. Егорова.- М.: Высшая школа, 1989.- 688с.

6. Виестур У.Э. Системы ферментации/ У.Э. Виестур, А.М. Кузнецов, В.В. Савенков.- Рига: Зинатне, 1986.- 174 с.

7. Манаков М.Н. Теоретические основы технологии микробиологических производств/, Д.Г. Победимский - М.: Агропромиздат, 1990.- 272 с.

8. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов / В.А. Быков, И.А. Крылов, М.Н. Манаков и др.- М.: Высшая школа. Кн.6.: Биотехнология.-1987. - 143 с.

9. Бекер М.Е. Введение в биотехнологию/ М.Е. Беккер.- М.: Пищевая промышленность, 1978.- 228 с.

10. Грачева И.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия/ И.М. Грачева.- М.: Пищевая промышленность, 1992.- 383 с.

11. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза/ И.И. Юкельсон. - М. Химия, 1968. - 848 с.


Подобные документы

  • Исследование стероидных гормонов, их роль в жизнедеятельности человеческого организма (функции, которые обеспечиваются данными гормонами). Изучение хода биосинтеза эстрогенов и прогестерона - особенности развития половых гормонов у женщин и их функции.

    презентация [4,8 M], добавлен 23.10.2011

  • Особое место белкового обмена в многообразных превращениях веществ во всех живых организмах. Нарушения биосинтеза и распада белков в органах и тканях. Наследственные дефекты биосинтеза белков. Нарушения выделения и конечных этапов метаболизма аминокислот.

    реферат [123,1 K], добавлен 22.01.2010

  • Роль цитокинов в продукции иммуноглобулинов разных классов. Значение и модель индукции синтеза IgE. Пределы его содержания в сыворотке крови здоровых людей и участие в защите против гельминтов. Регуляция синтеза IgE у человека и его эффекторные свойства.

    реферат [335,1 K], добавлен 12.12.2011

  • Строение, номенклатура и классификация стероидных гормонов, обзор путей их биосинтеза. Ферменты, вовлечённые в биосинтез стероидных гормонов, их регуляция. Механизм действия, взаимодействие с клетками-мишенями. Особенности инактивации и катаболизма.

    презентация [4,1 M], добавлен 23.10.2016

  • Основные классы гормонов коры надпочечников. Внутриклеточная локализация синтеза кортизола. Главные особенности синтеза минералкортикоидов. Метаболические эффекты: обмен углеводов и липидов, высвобождение и обмен аминокислот. Сущность "синдрома" отмены.

    презентация [1,0 M], добавлен 26.10.2014

  • Понятие и функции гормонов. Микробиологические трансформации стероидов, имеющих промышленное применение. Сырье для синтеза стероидных гормонов. Генно-инженерный метод получения соматостатина. Создание инсулина на основе технологии рекомбинантных ДНК.

    презентация [1,4 M], добавлен 22.12.2016

  • Общая характеристика сульфаниламидов. Особенности получения, общие формулы сульфаниламидов и их натриевых солей, методы синтеза. Специфика методов количественного определения, идентификация и количественное определение физико-химическими методами.

    курсовая работа [275,3 K], добавлен 12.02.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.