Введение в биотехнологию. Презентационные материалы. Банк тестовых заданий в системе UniTest». Ю. О. Сазыкин С. Н. Орехов И. И. Чакалева
 Скачать 7.47 Mb.
|
|
Водорастворимые витамины в, Тиамин Т иаминпирофосфат (ТПФ), кокарбоксилаза, тиаминтри- фосфат (ТТФ) Антиневритный В 2 Рибофлавин ФМН,ФАД Витамин роста В 3 Пантоте новая кислота KoA-SH, дефосфоКоА, 4-фосфопантетеин Антидерматитный В 5 (РР) Ниацин НАД+ и НАДФ+ Антипеллафи- ческий В 6 Пиридоксин Пиридоксальфосфат, пиридоксами но фосфат Антидерматитный В, 2 Кобаламин Метил кобаламин, дезоксиаденозинко- баламин Антианемический с Аскорбиновая кислота Аскорбиновая и де гид роаскорбиновая кислоты Регулятор метаболических процессов, иммуно стимулятор Жирорастворимые витамины А Ретинол Рети нол ретиналь ьциферол Антирахити чески й Е Токоферол а-, р, у, 8 -токофе ролы, токотриенолы Антиоксидантный К Филлохинон Дифарнезилнафто- хинон Анти геморраги ческий тот или иной сезон календарного года и кулинарная обработка что опять нас возвращает к вопросу организации рационального и сбалансированного питания Научные исследования последних лет показали не только высокую биологическую активность витаминов, но и то, что, как правило, этой активностью обладают не сами витамины, а их производные — коферменты, которые нашли широкое применение в медицинской практике. Если говорить о производстве основной части витаминной продукции, то ведущее положение здесь занимают химические методы, нов ряде производств в качестве их полноправного конкурента как в нашей стране, таки за рубежом, выступают биотехнологические методы, использование которых более предпочтительно в связи с ужесточением экологических требований к фармацевтическому производству. Кроме того, при применении биотехнологических методов появляются возможности сокращения части стадий химического синтеза за счет использования высокоактивных штаммов микроорганизмов-продуцентов. Например производство витаминов В, В, В и D (эргостерина) осуществляется в одну стадию. Также микроорганизмы нашли свое применение ив синтезе витамина С, убихинонов, каротиноидов. Витамин В 12 (кобаламин) В,настоящее время витамин В 2 получают чисто биотехнологическими методами. Витамин B t 2 является производным внутреннего кобальтового комплекса нуклеотида бензимидазола и макро- циклической корриновой системы. Способность синтезировать соединения корриноидной природы широко распространена среди прокариотических микроорганизмов. Так, некоторые мутантные штаммы пропионовых бактерий из рода Propionibacterium 160 способны продуцировать свыше 50 мг витамина В 2 на 1 л среды а в присутствии его предшественника 5,6-диметилбензимидазола ДМ Б) накапливать до 200 мг на 1 л культуральной жидкости Культивируют продуценты витамина В 2 на средах, приготовленных из пищевого сырья (кукурузный и мясной экстракты, соевая и рыбная мука. В настоящее время успешно ведется поиск активных продуцентов, образующих достаточное количество витамина на средах, из непищевого сырья, когда в качестве источника углерода и энергии используются изопропиловый спирт, метанол и др. Пропионовые бактерии выращивают периодическим методом в анаэробных условиях на среде, содержащей кроме пищевого сырья глюкозу, соли кобальта и сульфат аммония. В процессе ферментации образуются кислоты, которые затем нейтрализуют, непрерывно подавая в ферментер раствор щелочи Через 72 ч после начала ферментации в питательную среду вносят предшественник (ДМ Б, так как без добавления последнего вместо витамина В) 2 синтезируются фактор В (кобинамид) и не обладающий терапевтическим эффектом псевдовитамин В, у которого азотистым основанием служит аденин. Общее время ферментации — 6 сут. По ее окончании витамин В|2остается в клетках бактерий, те. в биомассе, которую далее сепарируют, а целевой продукт экстрагируют подкисленной водой. Необходимо отметить, что в качестве новых перспективных разработок создан высокопродуктивный штамм Propionibacterium ari, способный в отличие от ранее известных продуцентов выделять витамин В 2 в культуральную среду. Для предотвращения образования коферментной формы витамина В) 2 в качестве стабилизатора добавляют нитрит натрия. Далее следуют стандартные стадии выделения и очистки, поэтому подробно на них останавливаться не будем. Полученный продукт используется для изготовления разных лекарственных форм препарата ив производстве поливитаминных препаратов. Витамин В (рибофлавин) ОН ОН ОН I I I СН 2 —СН—СН—СН—СН2ОН I о Биосинтез флавинов осуществляется как растительными, таки многими бактериальными клетками, а также плесневыми грибами и дрожжами. Благодаря именно микробному биосинтезу рибофлавина в желудочно-кишечном тракте жвачные животные не нуждаются в этом витамине. У человека синтезирующихся флави- нов недостаточно для предупреждения гиповитаминоза. Витамин В хорошо растворим вводе, устойчив в кислой среде, но легко разрушается в нейтральной и щелочной средах, атак же под действием УФ-облучения. Для этого витамина характерно функционирование в коэнзимных формах флавиномононуклео- тид (ФМН) и флавиноадениндинуклеотид (ФАД). Именно на примере выделения рибофлавина в культуральную жидкость было открыто явление сверхсинтеза. При промышленном получении рибофлавина используют культуры дрожжеподобных грибов Eremothecium ashbyii и Ashbya gossipii, синтезирующих дои гл рибофлавина соответственно. Однако серьезным недостатком этих культур является их нестабильность при хранении на твердых средах во всем диапазоне температур — от комнатной до температуры лиофилизации, в результате чего они теряют способность к сверхсинтезу рибофлавина. Поэтому для сохранения активности штамма приходится систематически проводить рассев на твердые среды, отбирая колонии с высокой активностью. Сейчас вместе с вышеуказанными культурами при промышленном получении рибофлавина в помощью методов используется мутантный штамм продуцент Bacillus subtilis с нарушенной регуляцией синтеза витамина В. Этот штамм устойчив к наиболее сильному антиметаболиту рибофлавина — его аминоаналогу ро зеофлавину и обладает способностью к сверхсинтезу витамина В При культивировании его на среде с мелассой и дрожжевым экстрактом в культуральной жидкости накапливается 3,5 —4,5 гл рибофлавина. При этом время ферментации сократилось в 3 раза Рибофлавин получают и химическим методом, используя в качестве биокатализатора сухие клетки бревибактерий. Причем, если биосинтез с нативными клетками занимает несколько суток, то при биосинтезе с суспензией сухих клеток время синтеза ФАД составляет всего 15—17 ч. Витамин В (пантотеновая кислота) СН3ОН О I и /> НО— СН,—С—СН— С сн 2 - с нс ; СНз В основном в условиях промышленного производства пантотеновую кислоту получают методом химического синтеза. Наиболее важной коферментной формой витамина В является кофермент ацетилирования (КоА). Способностью продуцировать в значительных количествах КоА обладают многие микроорганизмы, в частности актиномицеты. Активно внедряются в промышленное производство способы получения пантотеновой кислоты и ее структурных компонентов из (аланина и пантотеата калия с помощью иммобилизованных клеток бактерий, а также достигнуты существенные успехи при получении КоА с использованием мутантных штаммов Brevibacterium ammoniagenes, которые позволяют получать КоА в количестве дог на литр. Витамин РР (никотиновая кислота) Одним из наиболее распространеных биотехнологических способов получения коферментной формы никотиновой кислоты — никотинамидадениндинуклеотида (НАД) является выделение (экстракция) его из микроорганизмов, как правило, из пекарских дрожжей. Для повышения содержания НАД в дрожжевых клетках культивирование проводят на средах с предшественниками синтеза никотиновой кислоты. Так, при добавлении в среды культивирования аденина или самой никотиновой кислоты получают до 12 мг НАД наг клеток (по сухой массе. Использование мутантных штаммов Brevibacterium ammoniagenes с одновременным изменением проницаемости мембраны клеток микроорганизмов (коферменты через биомембраны не проникают) с помощью поверх ностно-активных соединений (цетилсульфата натрия, цетилпи- ридина хлорида) позволяет получать НАД до 6 г/л. Аскорбиновая кислота (витамин СОН ОН н) Аскорбиновая кислота в мировом промышленном производстве витаминной продукции в целом занимает наибольшую долю — около 40 тыс. т в год. Ее синтез был разработан швейцарскими учеными А. Грюсснером и С. Рейхштейном в 1934 г. и используется до настоящего времени. Синтез аскорбиновой кислоты является многостадийным химическим процессом, в котором только одна стадия представлена биотрансформацией. Эта стадия трансформации сорбита в L-сорбозу при участии ацетатных бактерий. Для получения сорбозы используют глубинную ферментацию, когда культуру продуцента Gluconobacter oxydans выращивают в ферментерах периодического режима с мешалкой и барботером для усиления аэрации и массообмена в течение 20—40 ч с результатом по выходу сорбозы до 98% исходного количества сорбита в среде. Обычно для достижения такого высокого выхода целевого продукта в питательную среду вносят кукурузный или дрожжевой экстракт в количестве около 2 0 %. По окончании ферментации сорбозу выделяют из культураль ной жидкости. Помимо оптимизации среды можно совершенствовать и технологическую аппаратуру. Например, переход от периодического культивирования продуцента Gluconobacter oxydans к непрерывному в аппарате колоночного типа увеличивает скорость образования сорбозы в 1,7 раз. В настоящее время широкое использование биотехнологических процессов позволяет совершенствовать синтез аскорбиновой кислоты, сокращая многоэтапные и дорогие химические стадии. Например, синтез витамина С осуществляют енолизацией его важнейшего промежуточного продукта — 2 -кето-Ь-гулоно- вой кислоты, которую, в свою очередь, получают методом двухстадийного микробиологического синтеза, состоящего из окисления глюкозы в 2,5-дикето^-глюконовую кислоту (2,5-ДКДГК) и биотрансформации последней в 2 -кето-Ь-гулоновую кислоту (2-КГК). Основными продуктивными микроорганизмами, обеспечивающими процессы окисления глюкозы в 2,5-ДКДГК и восстановление последней до 2-КГК, являются мутантные штаммы Erwinia punctata и Corynebacterium sp., при использовании которых выход целевого продукта составляет около 90 % количества глюкозы. Однако данная технология имеет существенные недостатки так как при совместном культивировании продуцентов происходит ингибирование синтеза 2-КГК. Поэтому культуральную жидкость после выращивания продуцента 2,5-ДКДГК стерилизуют применяя поверхностно-активные вещества (ПАВ, что позволяет значительно сократить потери при получении гулоновой кислоты. Существует и другой биотехнологический способ получения гулоновой кислоты, основанный на синтезе этого продукта штаммом микроорганизмов рода Gluconobacter из сорбозы, производ- 164 Использование отходов крахмало-паточного производства — сукурузного экстракта и зеленой патоки позволяет снизить себе :тоимость получаемой продукции, а применение в качестве источника углерода целлобиозы, образующейся при утилизации отводов целлюлозы, позволяет в несколько раз увеличить синтез чаротиноидов у штаммов культуры Blakslea trispora. Убихиноны (коферменты Q) ? Нз С Н 3 СН 2 - С НС —(СН 2 ) 9 - С Нс нс bbСНзbbУбихиноны в последнее время вызывают интерес как перспективные лечебные препараты. С одной стороны, они синтезируются в организме животных и человека, делая необязательным их поступление с пищевыми продуктами, что отличает их от группы витаминов. С другой стороны, недостаток убихинонов ведет к нарушениям в обменных процессах, характерных для проявлений недостаточности витаминов групп В и К. Убихиноны являются регуляторами ( тканевого дыхания, окислительного фосфолирирования вцепи транспорта электронов и за счет высокой специфичности проявляют свой регуляторный эффект. С практической стороны наибольший интерес вызывают высшие гомологи убихинон-9 (KoQ9) и убихинон - 1 0 (KoQ(0). Убихи- нон- 1 0 является коферментом организма человека, вследствие чего на его основе создан лекарственный препарат Ubichynon composi- tum, проявляющий общетонизирующее, антиоксидантное и им муностимулирующее действие. В производстве убихинонов применяются биотехнологические методы, в основе которых лежит экстракция KoQ из биологического материала. В промышленном производстве убихинонов в качестве субстрата используются как растительные ткани (каллус риса или опухолевые ткани Carthamus tinctorius), таки микроорганизмы с высоким содержанием убихинонов, например дрожжи Cryptococcus curvatus и грибы Candida В настоящее время используется биотехнология получения уби- хинона и эргостерина из микробных липидов, являющихся побочным продуктом крупного производства бел ково-витам и иного концентрата при выращивании грибов Candida maltosa. 167 Установлено, что биомасса уксуснокислых бактерий (G lu co- nobacter oxydans), которые используются в производстве аскорбиновой кислоты на этапе окисления сорбита в сор бозу, содержит значительное количество K oQi 0 без примеси его гомологов. Причем, с одной стороны, эта биомасса является отходом производства аскорбиновой кислоты, с другой стороны, штаммы G luconobacter oxydans в биомассе характеризуются наибольшей окислительной активностью по сорбиту. Этот уникальный факт позволил разработать и внедрить совместную технологию получения L-сорбозы и экстракции убихинона-10 из отсепарированной биомассы с последующей очисткой и с выходом целевого продукта до. Аминокислоты Все более ухудшающиеся экологические условия создают для населения планеты новую тяжелую проблему — выживание. Одновременно к этой проблеме добавляются такие факторы, как бедность, плохое питание, неуверенность в завтрашнем дне, стрессы. Хорошо изучено благоприятное действие аминокислотных смесей на иммунную систему и различные органы. Помимо этого аминокислоты заменяют насыщенные белком пищевые продукты, недоступные для большинства населения низкоразвитых стран Таким образом, аминокислоты становятся в настоящее время одним из важнейших факторов выживания населения Земли. Все 20 аминокислот хорошо изучены (методы их синтеза давно подробно описаны ) и являются составными элементами белков или мономерами для построения природных полипептидов. Известно также, что эти соединения существуют в виде оптических изомеров. При этом надо отметить, что аминокислоты в белках находятся в L- и D -формах (Ц О стереоизомеры, причем биологически активны в основном формы , а D -стереоизомеры могут быть даже токсичными. Все аминокислоты делятся на незаменимые и заменимые, в зависимости оттого, синтезируются они в организме человека или нет. Приблизительно половина из 20 аминокислот являются незаменимыми, а остальные, соответственно, заменимыми. Незаменимые аминокислоты имеют широкий спектр применения как в сельском хозяйстве (кормовые балансирующие добавки, так в пищевой (биологически активные добавки) и медицинской (лекарственные препараты и смеси для парентерального питания) промышленности. В сельском хозяйстве аминокислоты используются для балансировки кормов по аминокислотному составу, чтобы в организм животных и птиц они поступали в том соотношении, в каком они находятся в белках этих животных и птиц. Введение аминокислот в корма обеспечивает максимальную скорость синтеза белка и, соответственно, рост биомассы животного. Это очень важно в случае скороспелого животноводства, свиноводства и птицеводства. В питательные продукты для человека также можно добавлять незаменимые аминокислоты. Это целесообразно делать или по медицинским показаниям, или в силу каких-либо соображений когда человек питается только растительной пищей (растительными белками. Эту пищу можно оптимизировать и улучшить ее питательные свойства, сбалансировав ее по аминокислотному составу путем добавления туда лизина, треонина, метионина (например, в пищу для вегетарианцев. Кроме того, что аминокислоты имеют огромное значение для нашей пищи, они также широко используются ив традиционной клинической практике (табл. Таблица 2 Моно- и комплексные лекарственные препараты на основе аминокислот Препарат Действие Применение Глицин Обладает ноотропным и седативным эффектом снижает проявления абстиненции у больных алкоголизмом В клинике нервных и психических заболеваний в наркологии — для стимуляции умственной деятельности (некоторые студенты проводят терапию глицином перед экзаменами) Глутамин Обеспечивает формирование высших психических функций участвует в многообразных реакциях переаминирования, те обеспечивает синтез других заменимых аминокислот активно связывает образующиеся в процессе метаболических реакций ионы аммония, которые являются токсичными и накопление их в клетках головного мозга вызывает процесс возбуждения В клинике нервных и психических заболеваний, а также при задержке умственного развития у детей входит в состав комплексных препаратов для профилактики стресса например препарат глутами вит наряду с витаминами и микроэлементами содержит также и глутаминовую кислоту |