II семестр
Тема 5. НИТРОГЕНОСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Урок 55
Тема урока. Успехи в изучении и синтезе белков. Понятие о биотехнологии. Биологическое значение аминокислот и белков
Цели урока: формировать у учащихся понятие о современном уровне изучения белков как природных полимеров; ознакомить учащихся с главными направлениями развития биотехнологий; показать значение аминокислот и белков для живых организмов; формировать представление о материальном единстве мира, диалектические положения об организации веществах «от простого к сложному» на примере белков.
Тип урока: комбинированный урок усвоения знаний, умений и навыков и творческому применению их на практике.
Формы работы: эвристическая беседа, выполнение упражнений, лабораторная работа, мини-конференция.
Лабораторная работа 4. Цветные реакции белков.
ХОД УРОКА
II. Актуализация опорных знаний.
Мотивация учебной деятельности
1. Фронтальная работа
Лабораторная работа 4. Цветные реакции белков
Для белков характерны цветные реакции, с помощью которых проводят качественный химический анализ белков.
• Биуретовая реакция — действие на белок раствора щелочи и раствора купрум(ІІ) сульфата. Раствор приобретает фиолетовую окраску, что указывает на наличие полипептидных связей.
• Ксантопротеїнова реакция (для белков, содержащих бензольне кольцо) — действие концентрированной азотной кислоты с появлением желтой окраски. При добавлении щелочи желтая окраска меняется на оранжевый.
• Цистеїнова реакция (для белков, содержащих Сульфур) — кипячение раствора белка с плюмбум(II) ацетатом до появления черного окраса.
2. Сообщения учащихся о биологических функциях белков и аминокислот
3. Почему белковую пищу нельзя на длительное время заменить пищей, содержащей только жиры и углеводы?
4. Четыре уровня организации белковых молекул
III. Изучение нового материала
УСПЕХИ В ИЗУЧЕНИИ И СИНТЕЗЕ БЕЛКОВ. ПОНЯТИЕ О БИОТЕХНОЛОГИИ
1. Вступительное слово учителя
Биотехнология — производственное использование биологических агентов (микроорганизмов, растительных клеток, животных клеток, частей клеток: клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений.
В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы, как рибонуклеїнові кислоты (ДНК, РНК), белки (чаще всего ферменты). ДНК или РНК необходимы для переноса чужеродных генов в клетки.
Люди были биотехнологами тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, готовили сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании. Собственно термин «биотехнология» появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. Пожалуй, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно VI тысячелетием до н. е. В III тысячелетии до н. е. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.
Термин «новая» биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии и новую біопроцесорну технику, и более традиционные формы. Так, обычное производство спирта в процессе брожения — «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта, — «новая» биотехнология.
Главные направления биотехнологии: биоэнергетика, контроль над загрязнением окружающей среды, біогеотехнологія, сельскохозяйственная биотехнология, биоэлектроника, биотехнологии в нефтяной промышленности, медицине, пищевой промышленности.
Важной составной частью биотехнологии является генетическая инженерия. Она возникла в начале 70-х гг. прошлого века, но сегодня уже достигла значительных успехов. методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в «фабрики» для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их как лекарственные средства.
Сейчас кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов, как инсулин и соматотропин. раньше инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100 г кристаллического инсулина нужно 800-1000 кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200-250 г. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. 1978 г. исследователи из компании «Генентек» впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки.
2. История развития биотехнологий
Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Ерекі в 1917 г.
Использование в промышленном производстве микроорганизмов или их ферментов, обеспечивающих технологический процесс, известны издавна, однако систематизированные научные исследования позволили существенно расширить арсенал методов и средств биотехнологии.
Так, 1814 г. петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался біокаталітичним путем получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века. сахар получали только из сахарного тростника). 1891 г. в США японский биохимик Дз. Такаміне получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: ученый предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.
В начале XX века. активно развивалась бродильная и микробиологическая отрасли промышленности. В то же время были сделаны первые попытки наладить производство антибиотиков, пищевых концентратов, полученных из дрожжей, осуществить контроль над ферментацией продуктов растительного и животного происхождения.
Первый антибиотик — пенициллин — удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 г., что поставило новые задачи: поиск и налаживание промышленного производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня биологической безопасности новых лекарственных препаратов.
Несмотря на то что первые успешные опыты по трансформации клеток экзогенной ДНК были поставлены еще в 1940-е Эйвери, Маклеодом и Маккарти, первый коммерческий препарат человеческого рекомбинантного инсулина был получен только в 1970-ые. Введение посторонних для генома бактериальных клеток генов осуществляют с использованием так называемых векторных ДНК, например, плазмиды, присутствующие в бактериальных клетках, а также бактериофаги и другие мобильные генетические элементы могут быть использованы в качестве векторов для переноса экзогенной ДНК в клетку реципиента.
Получить новый ген можно путем:
а) вырезание его из геномной ДНК хозяина с помощью рестрицію — ючої эндонуклеазы, которая катализирует разрыв фосфодіестерових связей между определенными азотистыми основаниями в ДНК на участках с определенной последовательностью нуклеотидов;
б) химико-ферментативного синтеза;
в) синтеза к-ДНК на базе выделенной из клетки матричной РНК с помощью ферментов ревертазы и ДНК-полимеразы, при этом изолируется ген, не содержащий незначительных последовательностей и способный експресуватися при условии подбора соответствующей промоторної последовательности в прокаріотичних системах без последующих модификаций, что чаще всего необходимо для трансформации прокаріотичних систем еукаріотичними генами, которые содержат нітрони и екзони. После этого векторную молекулу ДНК обрабатывают рестриктазой с целью образования дволанцюгового разрыва, а в «образовавшуюся брешь» в вектор с помощью ДНК-лигазы «вклеивается» ген. Затем такими рекомбинантными молекулами трансформируют клетки реципиента, например клетки кишечной палочки. В трансформации с использованием в качестве вектора, например, плазмидной ДНК необходимо, чтобы клетки были компетентными для проникновения экзогенной ДНК в клетку, для чего используют, например, електропорацію клеток реципиента. После успешного проникновения в клетку экзогенная ДНК начинает реплікуватися и експресуватися в клетке.
Трансгенные растения
Трансгенные растения — это те растения, которым «пересадили» гены других организмов.
Картошка, устойчивая к колорадскому жуку, был создан путем введения гена выделенного из генома почвенной тюрінґської бациллы Bacillus thuringiensis, вырабатывающий белок Cry, который является протоксином. В кишечнике насекомых этот белок растворяется и активируется до истинного токсина, что губительно действует на личинок и имаго насекомых; у человека и других теплокровных животных эта трансформация протоксину невозможна и, соответственно, этот белок для человека не токсичен и безопасен. Опрыскивание спорами Bacillus thuringiensis использовалось для защиты растений и до получения первого трансгенного растения, но было малоэффективным. Продукция эндотоксина внутри тканей растения существенно повысило эффективность защиты, а также экономическую эффективность благодаря тому, что растение само начало продуцировать защитный белок. Путем трансформации растения картофеля с помощью Agrobacterium tumefaciens получили растения, синтезирующие этот белок в мезофілі листа и других тканях растения и, соответственно, не поражаются колорадским жуком. Этот подход используется и для создания других сельскохозяйственных растений, резистентных к различным видам насекомых.
Трансгенные животные
Как трансгенные животные чаще всего используются свиньи. Например, существуют свиньи с человеческими генами: их вывели как доноров человеческих органов.
Японские генные инженеры ввели в геном свиней ген шпината, который производит фермент FAD2, способный преобразовывать жирные насыщенные кислоты в линолевую — ненасыщенную жирную кислоту. У модифицированных свиней на 1/5 больше ненасыщенных жирных кислот, чем у обычных.
Зеленые светящиеся свиньи — трансгенные свиньи, выведенные группой исследователей из Национального университета Тайваня путем введения в ДНК эмбриона гена зеленого флуоресцентного белка, позаимствованного у флуоресціюючої медузы Aequorea victoria. Эмбрион был имплантирован в матку самки свиньи. Поросята светятся зеленым цветом в темноте и имеют зеленоватый оттенок кожи и глаз на дневном свете. Главная цель выведения таких свиней, как заявили исследователи, — возможность визуального наблюдения за развитием тканей при пересадке стволовых клеток.
4. Промышленная биотехнология
Главные направления биотехнологии
Условно можно выделить следующие основные направления биотехнологии: биотехнология пищевых продуктов, препаратов для сельского хозяйства, препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования, лекарственных препаратов, средств диагностики и реактивов. Биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение добычи нефти.
Биоэнергетика
Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что энергетически эквивалентно известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют около 68 % биомассы суши, травяные экосистемы — примерно 16 %, а возделываемые земли — только 8 %.
Для сухого вещества простейший способ превращения биомассы в энергию заключается в сгорании: оно обеспечивает тепло, что, в свою очередь, превращается в механическую или электрическую энергию. Что же касается сырого вещества, то в этом случае древнейшим и наиболее эффективным методом превращения биомассы в энергию является получение биогаза (метана).
Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX века. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.
Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х гг. прошлого века, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к их эффективного использования в науке и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого максимальный экономический эффект. По прогнозам, уже в начале XXI века. биотехнологические товары должны составлять четверть общей мировой продукции.
5. Связь биотехнологии с другими науками (по в. И. Кефели, 1989)
Рассматриваем и комментируем связь биотехнологии с другими науками.
IV. Подведение итогов урока
Подводим итоги урока, оценивает работу учащихся на уроке.
V. Домашнее задание
Проработать материал параграфа, ответить на вопросы к нему, выполнить упражнения.
Творческое задание: подготовить сообщение о главных направления применения биотехнологий.