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

I. Организация класса

 

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.

3. Трансгенные технологии

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.