Изучение вопросов биотехнологии в курсе химии средней школы (стр. 15 из 18)
УРОК №4 по теме «Основы получения БАВ. Производство кормового белка»
Задачи:
1. Образовательная: изучение основных механизмов интенсификации процессов получения продуктов клеточного метаболизма. Производство кормового белка как предшественник управляемого биосинтеза БАВ.
2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса учащихся;
б) формирование логического мышления в ходе изучения механизмов интенсификации процессов получения продуктов клеточного метаболизма;
в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.
3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать возможность воздействия человека на процессы клеточного метаболизма;
б) воспитание мотивации к обучению.
Ход урока:
1. Организация класса
Напишите уравнения химических процессов лежащих в основе микробиологического выщелачивания медных отвалов, руд, содержащих пирит.
2. Актуализация знаний
Всем вам хорошо известны витаминные препараты, продающиеся повсеместно в аптеках. Антибиотики как средство от многих возбудителей заболеваний прочно вошли в нашу жизнь. Встает вопрос, какими методами получают в промышленности все эти соединения. Прежде, чем говорить о получении, вспомним, что из себя представляет предмет нашего разговора.
3. Изучение нового материала
Витамины – группа низкомолекулярных природных органических соединений, абсолютно необходимых для гетеротрофных организмов (что это за организмы?). Автотрофные организмы обладают способностью к синтезу витаминов. (под запись)
Антибиотики – низкомолекулярные регуляторы обычно природного происхождения, способные подавлять рост живых клеток.
Итак, в процессе роста организмы вырабатывают различные низкомолекулярные (какие ещё вы знаете?) продукты (метаболиты). Они подразделяются на первичные (абсолютно необходимы) и вторичные (не требующиеся для выживания).
низкомолекулярные метаболиты   | |
| первичные (структурные единицы биополимеров, витамины, органические кислоты) | вторичные (антибиотики, пигменты, токсины) |
Таким образом, вторичные метаболиты повышают адаптационные возможности организмов.
масса организма I – первичные метаболиты
II – вторичные (синтезируются
на завершающей стадии роста)
время роста
К каким метаболитам вы отнесете аминокислоты, углеводы? Почему?
В норме обмен веществ в клетке осуществляется по принципу строжайшей экономии. Задача биотехнолога состоит в обеспечении сверхсинтеза одного из продуктов метаболизма, что обеспечивается следующими методами:
1) Изменение генетической программы организма:
а) селекция – направленный отбор организмов со скачкообразным изменением генома. Но для возникновения мутации интересующий нас ген должен удвоиться ~107 раз.
б) искусственный мутагенез – химический, УФ, радиационный.
2) Нарушение регуляторных систем организма: (на доске)
Ф Ф'  А Б С   блокировка фермента конечным метаболитом | Если Д (тоже блокирует Ф) – антиметаболит С, т.е. Д не включается в обмен, то на среде с Д выживают организмы с дефектами регуляции. |
Сегодня мы рассмотрим также производство кормового белка как прообраз современного управляемого биосинтеза аминокислот, витаминов и антибиотиков.
В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей 60–120 г. полноценного белка (содержащего все незаменимые аминокислоты). Незаменимые аминокислоты наиболее сбалансированы в белках семян сои, также риса и гороха. В белках зерна пшеницы мало лизина, метионина и изолейцина.
Особый интерес представляет использование микроорганизмов в качестве источника белка и витаминов:
1) использование разнообразных сред для культивации (вплоть до отходов производства);
2) высокая интенсивность роста
удвоение белковой массы: крупный рогатый скот – 5 лет,
свиньи – 4 месяца,
дрожжи – 1–6 часов;
3) повышенное содержание незаменимых аминокислот;
4) относительная простота влияния на процессы синтеза.
Дрожжевые клетки способны использовать жидкие фракции углеводородов нефти (10–30ºС). В России первый завод по производству кормовых дрожжей из жидких парафинов нефти вступил в действие в 1971 году. При выращивании в среду добавляют также минеральные соли, витамины и воду. Полученная высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК), содержащий до 60% белковых веществ.
Хорошим субстратом для выращивания кормовых дрожжей является молочная сыворотка – отход при переработке молока, а также низшие спирты. Хороший резерв пищевого белка и витаминов – остаточные пивные дрожжи. Организм человека усваивает свыше 90% питательных веществ, содержащихся в них.
Известно также более 30 видов бактерий, которые могут быть применены в качестве источника полноценного белка. Например, водородоокисляющие бактерии способны накапливать в клетках до 80% сырого протеина (среда 75% Н2, 20% О2, 5% СО2).
Используются также одноклеточные водоросли (Chlorella, Seenedesmus). Обычно их выращивают в естественных условиях южных регионов в бассейнах открытого типа (70 т/га в год).
Микопротеин – белок грибного происхождения. Среда культивации – глюкозный сироп (гидролизат кукурузного крахмала).
4. Заключение
Итак, острота проблемы глобального перенаселения, сокращение с/х площадей в результате роста городов и деградации земель выводит нас на новый виток развития биотехнологии, а именно, крупномасштабное использование микроорганизмов для наработки белково-витаминной продукции.
УРОК №5 по теме «Производство аминокислот, витаминов и антибиотиков»
Задачи:
1. Образовательная: изучить примеры некоторых производств аминокислот, витаминов и антибиотиков. Другие промышленно важные процессы эры управляемого биосинтеза: производство лимонной и молочной кислот.
2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса учащихся в процессе ознакомления с материалом;
б) формирование логического мышления;
в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.
3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать использование человеком природных систем для получения некоторых БАВ;
б) воспитание мотивации к обучению в связи с важностью биотехнологических методов в современной химической промышленности.
Ход урока:
1. Организация класса
Какие компоненты используются при получении БВК?
2. Актуализация знаний
На предыдущем уроке мы познакомились с возможными путями обеспечения сверхсинтеза одного их продуктов метаболизма (какими?), а сегодня попытаемся рассмотреть конкретные производства.
3. Изучение нового материала
I. Производство аминокислот
Среди соединений, полученных биотехнологическими методами, аминокислоты занимают первое место по объему производства (500 тыс. т/год).
Белковые аминокислоты можно получить:
1) гидролизом природного белоксодержащего сырья, но кислотное воздействие разрушает некоторые аминокислоты;
2) химическим синтезом, в ходе которого получается трудноразделимая смесь целевого продукта и его аналогов;
3) микробиологическим синтезом, который обеспечивается возобновляемым сырьем и характеризуется строгостью чистоты получаемого продукта. Более 60% производимых аминокислот получают именно этим методом.
Промышленное производство аминокислот стало возможным после открытия способности некоторых микроорганизмов выделять в культурную среду значительные количества какой-либо аминокислоты (1955). Corynebacterium glutamicum был способен, кроме того, к сверхсинтезу глутамина, и в 1956 году этот микроорганизм был использован при организации первого в мире производства глутаминовой кислоты (НООС-СН2-СН2-СН(NH2) COOH). Сейчас на глутамат натрия приходится 300 тыс. т/год, т.е. 60% производства аминокислот. Японцы называют глутамат натрия «солью вкуса», т.е. он значительно продлевает вкусовые ощущения.
Лизина производится 100 тыс. т/год. Данная аминокислота H2N(CH2)4CH(NH2) COOH – незаменимый компонент питания с/х животных. В клетках микроорганизмов лизин служит конечным продуктом разветвлённого метаболического пути, и эффекта накопления в среде целевой аминокислоты добиваются путем блокирования процессов, ведущих к синтезу побочных продуктов. Получаемые мутанты дефектны по ферменту разветвления метаболического пути, в результате чего накапливается только лизин. В качестве питательной среды используют молочную сыворотку или гидролизаты крахмала.
Некоторые аминокислоты синтезируют из предшественников, полученных химически и модифицированных ферментной системой организма (триптофан получают из антраниловой кислоты).
II. Производство витаминов
В настоящее время микробиологически синтезируют лишь особо сложные по строению витамины (В2, В12, β-каротин, D). Остальные либо синтезируют химическим путем, либо выделяют из природных источников.