Изучение вопросов биотехнологии в курсе химии средней школы (стр. 16 из 18)
Витамин В2 (рибофлавин) вплоть до 30-х годов 20 века выделяли из природного сырья (1г из 1т моркови и 6г из 1т печени трески). В 1935 году был обнаружен активный продуцент рибофлавина – гриб Eremothecium, способный давать с 1т питательной среды 25 кг витамина. Отбор мутантов ведут по устойчивости к аналогу витамина В2.
Витамина В12 из 1т печени трески можно было выделить лишь 15 мг. В настоящее время витамин В12 синтезируется только микробиологическим путем с использованием актиномицетов и одноклеточных водорослей.
β-каротин можно выделить из ряда растительных объектов: 1т моркови содержит 0,06 мг витамина, в то время как биомасса гриба Blaneslea накапливает β-каротин в количестве 8 мг/г.
III. Получение органических кислот
Объем мирового производства лимонной кислоты НООССН2С(ОН) (СООН) СН2СООН – 400 тыс. т/год. Данное производство относится к старейшим микробиологическим процессам: 1893 г. – год основания. Используют культуру гриба Aspergillus niger. Условиями высокого выхода лимонной кислоты является хорошая аэрация и дефицит фосфата в среде.
Одновременно с лимонной было налажено аналогичное производство молочной кислоты при участии молочнокислых бактерий Lactobacillus.
IV. Получение антибиотиков
Вспомните, что такое антибиотики? Думаю, важность получения соединений данной группы нет необходимости доказывать.
В 1940 году было известно всего 6 антибиотиков, а в настоящее время описано свыше 12 000 соединений, из которых в клинике используется около 200 (остальные токсичны).
Биосинтез антибиотиков осуществляется:
1) добавлением в питательную среду подходящего предшественника (фенилуксусная кислота стимулирует биосинтез бензилпенициллина);
2) использованием блокированных мутантов, у которых отсутствует определенное звено в цепи реакций, ведущих к синтезу антибиотика. Следовательно, можно получить аналоги антибиотиков и модифицировать их химически (бензилпенициллин, ампицилин).
4. Вывод
Пока человек лишь приближается к моделированию природных биохимических процессов, а пока изыскивает новые пути использования существующих.
УРОК №6 по теме «Применение ферментов»
Задачи:
1. Образовательная: знакомство с иммобилизованными ферментами. Промышленное применение иммобилизованных ферментов.
2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса;
б) формирование логического мышления в ходе знакомства с методами иммобилизации ферментов;
в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.
3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать использование катализаторов белковой природы;
б) воспитание мотивации к обучению при акцентировании на современности и важности данной методики работы с ферментными препаратами.
Ход урока:
1. Организация класса
Какими способами можно получить белковые аминокислоты? Попытайтесь написать реакцию гидролиза белка в общем виде.
2. Актуализация знаний
Всем хорошо известно, что в морской воде много растворенного кислорода, но, тем не менее, его использование затруднено, и при погружении приходится использовать дополнительные источники кислорода. А что, если гемоглобин, выделенный из крови, использовать в качестве посредника между морской водой и газовой средой дыхательного аппарата?! Более того, модель «гемогубки» уже предложена и, возможно, в ближайшем будущем будут сконструированы эффективные искусственные жабры. Сегодня на уроке мы попытаемся разобраться, каким образом можно «направить в нужное русло» тот или иной фермент.
3. Изучение нового материала
Ферменты сохраняют свои уникальные свойства (какие?) и вне клеток, поэтому их традиционно широко применяют в практике.
Применение ферментов
| Фермент | Химико-биологический процесс | Область применения |
| Амилазы | Гидролиз крахмала до мальтозы и глюкозы | Спиртовая промышленность, хлебопечение, получение глюкозы |
| Глюкоизомераза |  Глюкоза фруктоза | Кондитерская промышленность |
| Липазы | Гидролиз жиров и масел | Пищевая и медицинская промышленность |
| Пептидогидролазы | Гидролиз белка | Получение аминокислот, производство сыра, выделка кожи, медицина |
| Целлюлазы | Гидролиз целлюлозы до глюкозы | Производство этанола, глюкозо-фруктозных сиропов |
| Сахараза | Гидролиз сахарозы | Сиропопроизводство |
Но если смешать фермент с реагентами, то после окончания реакции его будет очень трудно отделить от продуктов. Еще в 1916 году Дж. Нельсон и Е. Гриффин показали, что сахараза, сорбированная на угле, сохраняла свою каталитическую активность, а уголь можно отделить от раствора продуктов без особых затруднений, и, следовательно, фермент можно применять многократно.
В настоящее время (с 1971 года) применяется термин «иммобилизация» – полное или частичное ограничение движения белковых молекул. Иммобилизованными ферментами называют ферменты, искусственно связанные с нерастворимым носителем, но сохраняющие свои каталитические свойства (под запись). Иммобилизованный ферментный препарат включает в себя непосредственно фермент и носитель (природные полимеры – целлюлоза, хитин, желатин; синтетические – полистирол, поливиниловый спирт; неорганические – керамика, силикагель, графит).
Примеры химической иммобилизации:
1) образование амидной связи:
H – C(O) Cl + H2N – Ф = H – C(O) NHФ + HCl
2) образование дисульфидного мостика:
H – SH + 0,5O2 +HS – Ф = H – S – S – Ф +Н2О
3) образование оснований Шиффа:
H – C(O) H + H2N – Ф = H – CH = N – Ф + Н2О
Промышленное применение иммобилизованных ферментов:
1. Иммобилизованная сахараза работает до 10 лет, при этом активность фермента теряется незначительно:
С12Н22О11 + Н2О = С6Н12О6 + С6Н12О6
глюкоза фруктоза
инвертный сахар
2. Глюкоизомераза превращает глюкозу во фруктозу и таким образом получают глюкозо-фруктозный сироп (50 х 50).
3. Осуществлен промышленный синтез аминокислот из их аналогов на иммобилизованных ферментах:
НООС – СН = СН – СООNH4 HOOC – CH2 – CH(NH2) – COOHфумарат аммония аспарагиновая кислота
HOOC – CH2 – CH(NH2) – COOH H3C – CH(NH2) – COOH + CO2аспарагиновая кислота аланин
4. Яблочную кислоту – заменитель лимонной в продуктах питания – получают из химически синтезируемой фумаровой:
НООС – СН = CH – СООН + Н2О НООС – СН(ОН) – СН2СООНфумаровая кислота яблочная кислота
4. Заключение
Итак, нам стало ясно, какое значение играют ферменты в современной химической промышленности. На следующем уроке мы попробуем сами получить иммобилизованный ферментный препарат.
УРОК №7 Практическая работа «Приготовление иммобилизованных ферментных препаратов»
Задачи:
1. Образовательная: освоение простейших методов получения ферментных препаратов в растворенном и иммобилизованном виде.
2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса учащихся;
б) формирование логического мышления в ходе выполнения практической работы;
в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.
3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения проведением качественных проб на ферменты показать реальность процесса иммобилизации;
б) воспитание мотивации к обучению.
Ход урока:
1. Организация класса
Какие способы иммобилизации ферментов вы знаете?
2. Постановка учебных задач
На сегодняшнем занятии вы попробуете самостоятельно выделить фермент из природного объекта и иммобилизовать его на полимерном носителе.
Класс делится на 3 группы, и каждая работает со своим ферментом.
3. Проведение работы (более подробно см. [13].
I. Получение ферментных препаратов:
10 г. природного объекта (пекарские дрожжи – сахараза; бобы фасоли без кожуры – уреаза; проростки пшеницы – комплекс амилаз) тщательно растирается в ступке с кварцевым песком и заливается 20–30 мл воды; перемешивание – 10 мин. Фильтрование через складчатый фильтр.
II. Иммобилизация:
После пояснения термина «катионит» берут 1 г его и в химическом стакане перемешивают с полученным ранее фильтратом 40–60 мин. После фильтрования (обычный фильтр) массу промывают 2 раза водой.
III. Проведение качественных проб:
(Заранее на доске приготовлена таблица)
| Фермент | Субстрат | Реагент обнаружения | Признаки реакции |
| Сахараза | 3 мл 5% сахарозы | Фелингова жидкость (2 мл) | Образование красного Cu2O при нагревании |
| Уреаза | 5 мл 1% мочевины | 2 капли спиртового фенолфталеина | Малиновая окраска |
| Амилазы | 5 мл 1% крахмала | Фелингова жидкость (2 мл) | Образование красного Cu2O при нагревании |
Контроль выполняют 3 человека из класса со смоченным водой катионитом.
4. Выводы
Итак, что вы можете сказать после проведения качественных реакций? Почему катионит не дал положительных результатов в контрольных опытах? Оформите дома работу, попробуйте написать химический процесс, катализируемый «вашим» ферментом, и ответьте на вопрос: какой вид иммобилизации мы использовали в ходе работы?