Контрольная работа по "Биологии"

5. изомеризация (изомеразы) 

6. синтез сложных соединений (синтетазы или лигазы).

28

Ответ к задаче № 7.

1. Существует ряд факторов, влияющих на биосинтез ферментов.  В первую очередь, к ним относится  генетический. Состав и количество синтезируемых ферментов наследственно детерминированы. Применяя мутагены можно изменить генетические свойства микроорганизмов и получить штаммы с ценными для промышленности свойствами. К мутагенным факторам относятся ионизирующее и неионизирующее излучения, изотопы, антибиотики, другие химические соединения, преобразующие наследственные элементы клетки. Несмотря на определяющую роль генетического фактора в биосинтезе ферментов, производительность биотехнологических процессов зависит и от состава питательной среды, соблюдения условий культивирования (рН, степень аэрации, терморежим, влажность). При этом важно не только наличие источников основных питательных веществ, но и веществ, играющих роль индукторов или репрессоров биосинтеза данного конкретного фермента или их групп.

Для интенсификации процесса роста и синтеза ферментов  добавляют различные факторы  роста, например, аминокислоты, пуриновые  основания и их производные, РНК  и продукты еѐ гидролиза. В качестве источника углерода используют крахмал, кукурузный экстракт, соевую муку, гидролизаты  биомассы дрожжей. Микроорганизмы могут  утилизировать и минеральные  источники азота. В состав питательных  сред входят и ионы MG, Mn, Zn, Fe, Cu и др. металлов. Механизм действия большинства  из них неизвестен. Некоторые входят в состав фермента. Ионы Ca повышают устойчивость a-амилазы, ионы Fe и Mg активизируют и стабилизируют протеолитические ферменты.

2. При разработке процесса  биосинтеза a-амилазы культурой Asp.oryzae замена сахарозы (как источника  углерода) на крахмал увеличила  активность фермента в 3 раза, добавление солодового экстракта  (из проросших семян злаковых) ещѐ в 10 раз, а повышение  концентрации основных элементов  питательной среды на 50% - ещѐ в  2 раза.

3. Оптимальный состав  питательной среды для каждого  продуцента может быть определен  двумя способами: эмпирический  и построение математической  модели с использованием компьютера.

4. По решению Международного  биохимического союза активность  решено определять при t = 30оС  по начальной скорости реакции,  когда концентрация насыщения  фермента и временная зависимость  близка к кинетике реакции  нулевого порядка. Остальные параметры  реакции индивидуальны для каждого  фермента. Активность ферментного  препарата выражается в микромолях  субстрата, прореагировавшего под  действием 1 мл ферментного раствора  или 1 грамма препарата в оптимальных  условиях за 1 минуту. Если ферментный  препарат не содержит балласта, то его активность выражается  в тех же стандартных единицах  на 1 мг фермента. Если же есть  балласт, то активность считается  на 1 мг белка в ферментном препарате.  Активность выпускаемого препарата  - важнейший нормируемый показатель  качества. 29

5. Основную часть ферментов,  получаемых промышленным способом, составляют гидролазы. 

Ответ к задаче № 8.

1. При поверхностном методе  культура растет на поверхности  твердой увлажненной питательной  среды. Мицелий полностью обволакивает  частицы субстрата. Поскольку  для дыхания клетки используют  кислород, то среда должна быть  рыхлой, а слой культуры-продуцента  небольшим. 

2. Преимущества поверхностной  культуры: значительно более высокая  конечная концентрация фермента  на единицу массу среды, поверхностная  культура относительно легко  высушивается, легко переводится  в товарную форму. 

3. Посевной материал может  быть трѐх видов:

- культура, выросшая на  твердой питательной среде; 

- споровый материал;

- мицелиальная культура, выращенная глубинным способом.

4. Схема очистки сводится  к следующему:

- освобождение от нерастворимых  веществ; 

- освобождение от сопутствующих  растворимых веществ; 

- фракционирование (как правило,  хроматографическими методами).

Для выделения фермента из поверхностной культуры необходима экстракция. Как правило, экстраген - вода. При этом в раствор переходят  сахара, продукты гидролиза пектиновых веществ и целлюлозы. Стадию выделения  и очистки завершает сушка. После  сушки препарат должен содержать  не более 6-8% влаги, тогда он может  в герметичной упаковке храниться  до года без потери активности.

5. Стандартизация ферментного  препарата - доводка активности  фермента до стандартной, соответствующей требованиям ГОСТ. Для этого используются различные нейтральные наполнители - крахмал, лактоза и др.

Ответ к задаче № 9.

1. да 

 

биообъект-биокатализатор: ферменты клеток Digitalis lanata

Источник получения: культура клеток Digitalis lanata, которая из-за изменения  типа питания с фотоавтотрофного (у растений) на гетеротрофный (у  культуры клеток) и путей метаболизма  утратила способность образовывать сердечные гликозиды, но сохранила  метаболический путь присоединения  -ОН группы в 12 положении циклопентанпергидрофенантрена.

2. Цели и преимущества  использования иммобилизованных  клеток растений в качестве  биокатализатора в данном процессе: цель — повышение выхода целевого  продукта и времени функционирования  биокатализатора; преимущества: многократное  использование биокатализатора,  четкое отделение биокатализатора  от целевого продукта, увеличение  времени функционирования биокатализатора. 

30

 

3. Реакции, катализируемые  биокатализатором: 12 — дегидроксилирование 

4. Носители для иммобилизации:  кальция альгинат, нейлон, полиуретан 

 

Методы имобилизации биокатализатора: включение в структуру геля

5. Виды биореакторов для процесса с применением иммобилизованного биокатализатора: в зависимости от состояния системы «имобилизизованные клетки — полимер» могут быть использованы биореакторы с циркуляционным перемещиванием гранул и насадкой, с механическим перемешиванием и фильтром, «корзиночного типа» для гранулированной системы, со стимуляцией газообмена для системы в виде геля.

 

Ответ к задаче № 10.

1. Решить эти проблемы  помогает создание в 1916г иммобилизованных  ферментов. 

2. Преимущества иммобилизованных  ферментов перед нативными предшественниками: 

 

Гетерогенный катализатор  легко отделим от реакционной  среды, что дает возможность остановить реакцию в любой момент, использовать фермент повторно, а также получать чистый от фермента продукт.

Ферментативный процесс  с использованием иммобилизованных ферментов можно проводить непрерывно, регулируя скорость катализируемой реакции и выход продукта.

Модификация фермента целенаправленно  изменяет его свойства, такие как  специфичность (особенно в отношении  макромолекулярного субстрата), зависимость  каталитической активности от рН, ионного  состава и других параметров среды, стабильность к денатурирующим воздействиям.

Можно регулировать каталитическую активность иммобилизованных ферментов  путем изменения свойств носителя действием физических факторов, таких  как свет и звук. Иммобилизовать ферменты можно как путем связывания на нерастворимых носителях, так  и путем внутримолекулярной или  межмолекулярной сшивки белковых молекул  низкомолекулярными бифункциональными  соединениями, а также путем присоединения 

3. К носителям предъявляются  следующие требования (Дж.Порат, 1974):

- высокая химическая и  биологическая стойкость; 

- высокая химическая прочность; 

- достаточная проницаемость  для фермента и субстратов, пористость, большая удельная поверхность; 

- возможность получения  удобных в технологическом отношении  форм (гранул, мембран);

- легкая активация; 

- высокая гидрофильность;

- невысокая стоимость. 31

4. Классификация носителей  для иммобилизованных ферментов 

Следует отметить, что органические носители (как низко-, так и высокомолекулярные) могут быть природного или синтетического происхождения. Природные полимерные органические носители делят в соответствии с их биохимической классификацией на 3 группы: полисахаридные, белковые и липидные.

Синтетические полимеры также  можно разделить на группы в связи  с химическим строением основной цепи макромолекул: полиметиленовые, полиамидные, полиэфирные.

5. Наиболее часто для  иммобилизации используются такие  полисахариды, как целлюлоза, декстран, агароза и их производные. Для  увеличения механической прочности  целлюлозу гранулируют путем  частичного гидролиза, в результате  которого разрушаются аморфные  участки. На их место для  сохранения пористости между  кристаллическими участками вводят  химические сшивки. Гранулированную  целлюлозу довольно легко превратить  в различные ионообменные производные,  такие как ДЭАЭ-целлюлоза, КМЦ  и т.д. 

Широко распространены носители на основе декстрана, выпускаемые под  названием "сефадексы". При высушивании  они легко сжимаются, в водном растворе сильно набухают. В этих носителях  размер пор в геле регулируется степенью сшитости. К группе декстранов относят  и крахмал. Химически модифицированный крахмал сшивается агентами, такими как формальдегид. Таким способом был получен губчатый крахмал, обладающий повышенной устойчивостью по отношению  к ферментам, гидролизу.

6. Хорошим носителем считается  агар. Его свойства улучшаются  после химической сшивки, например, диэпоксидными соединениями. Такой  агар становится устойчивым к  нагреванию, прочен, легко модифицируется.

7. Белки в качестве  носителей обладают рядом достоинств: вместительны, способны к биодеградации,  могут применяться в качестве  тонкой (толщиной 80 мкм) мембраны. Иммобилизацию  ферментов на белковых носителях  можно проводить как в отсутствие, так и в присутствии сшивающих  агентов. К недостаткам белков  в качестве носителей относят  их высокую иммуногенность (за  исключением коллагена и фибрина). Наиболее для иммобилизации используются структурные (кератин, фибрин, коллаген), двигательные (миозин) и транспортные (альбумин) белки. 32

Ответ к задаче № 11.

1. В пищевой промышленности  с участием иммобилизованных  ферментов идут процессы получения  глюкозо-фруктовых сиропов, глюкозы,  яблочной и аспарагиновой кислоты,  оптически активных L- аминокислот,  диетического безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки  и др.

2. В медицине иммобилизованные  ферменты открыли путь к созданию  лекарственных препаратов пролонгированного  действия со сниженной токсичностью  и аллергенностью. Иммобилизационные  подходы способствуют решению  проблемы направленного транспорта  лекарств в организме. В медицине  иммобилизованные ферменты используются  также как лекарственные препараты,  особенно в тех случаях, когда  необходимо локальное воздействие.  Кроме того, биокатализаторы широко  используются в различных аппаратах  для перфузионной очистки различных  биологических жидкостей. Возможности  и перспективы использования  в медицине ферментов в иммобилизованном  состоянии гораздо шире, чем достигнутые  на сегодняшний день, именно на  этом пути медицину ждет создание  новых высокоэффективных методов  лечения. 

3. Иммобилизованные клетки  имеют ряд преимуществ, как  перед иммобилизованными ферментами, так и перед свободными клетками:

- отсутствие затрат на  выделение и очистку ферментов; 

- снижение затрат на  выделение и очистку продуктов  реакции; 

- более высокая активность  и стабильность;

- возможность создания  непрерывных и полунепрерывных  автоматизированных процессов; 

- способность к длительному  функционированию полиферментных  систем без экзогенных кофакторов.

4. Для иммобилизации могут  быть использованы клетки в  различном состоянии: живые и  поврежденные в различной степени.  Одностадийные реакции могут  осуществлять и живые, и поврежденные  клетки. Полиферментные реакции  проводят с применением живых  клеток, которые могут длительное  время регенерировать АТФ и  коферменты (НАДФ, НАД).

Иммобилизовать можно  не только клетки микроорганизмов, но и клетки растительных и животных тканей, используя их для синтеза  физиологически активных соединений. Интересные возможность открываются и при иммобилизации клеточных органелл как активных полиферментных систем. Все это свидетельствует о перспективности развития одного из направлений биотехнологии, связанного с изучением и применением иммобилизованных клеток.

5. Химический метод основан  на образовании ковалентных связей  с активированным носителем, на  поперечной сшивке клеток за  счет активных групп в клеточной оболочке с бифункциональными реагентами (например, глутаровым альдегидом)

К физическим методам относятся  адсорбция и агрегация. 33

Иммобилизация клеток путем  включения в различные гели, мембраны, волокна основана на химических и  физических взаимодействиях. Химические методы используются реже по сравнению  с другими методами и малопригодны для иммобилизации живых клеток. Гораздо большее распространение  получило включение клеток в состав гелей, мембран и волокон. При  таком способе иммобилизации  клетки могут сохранять жизнеспособность и в присутствии питательной  среды размножаться в приповерхностных слоях гелей.

Ответ к задаче № 12.

1. Наиболее распространенным  методом генной инженерии является  метод получения рекомбинантных  плазмид, которые представляют  собой кольцевые, двухцепочечные  молекулы ДНК, состоящие из  нескольких пар нуклеотидов. Каждая  бактерия помимо основной, не  покидающей клетку молекулы ДНК  (5*106 пар нуклеотидов), может содержать  несколько различных плазмид,  которыми она обменивается с  другими бактериями. Плазмиды являются  автономными генетическими элементами, реплицирующимися в бактериальной  клетке не в то же время,  что основная молекула ДНК.  Плазмиды несут важные для  бактерии гены, как гены лекарственной  устойчивости. Разные плазмиды содержат  разные гены устойчивости к  антибактериальным препаратам. При  действии определѐнного антибиотика  на бактериальные клетки плазмиды, придающие устойчивость к нему, быстро распространяются среди  бактерий, сохраняя им жизнь.