Оглавление
Ответы
на вопросы.. 2
Введение. 3
Вторичные метаболиты:
пигменты, алкалоиды, танины, гликозиды, органические кислоты 5
Производство вторичных
метаболитов. 8
Физиологические основы
преимущества иммобилизованных растительных клеток перед традиционными способами
культивирования. 12
Список использованной
литературы.. 16
Биосинтез белка процесс,
происходящий на рибосомах клеток живых организмов с участием молекул мРНК и
тРНК.
Фотосинтез происходит в
листе, в клетках листа, в хлоропластах, которые содержат зеленый пигмент
хлорофилл.
Структурной и
функциональной единицей хлоропластов являются тилакоиды — плоские мембранные
мешочки, уложенные в стопки (граны).
Анаэробная фаза дыхания
- последовательность реакций, которая называется гликолиз. В процессе гликолиза
происходит преобразование молекулы гексозы до двух молекул пировиноградной
кислоты: С6Н12О6->2СзН4О2 + 2H2. Этот окислительный процесс может протекать
в анаэробных условиях.
Метаболиты вторичные – соединения, часто сложного состава, не
являющиеся основными промежуточными соединениями метаболизма клетки, образуются
в его тупиковых ветвях. Метаболиты вторичные растений являются, например,
алкалоиды. Микроорганизмы образуют вторичные метаболиты, как правило, в период
замедления или прекращения активного роста и размножения культур. В качестве
вторичных метаболитов микроорганизмы образуют некоторые пигменты, антибиотики,
витамины. Большое значение имеет синтез вторичных метаболитов микроорганизмами
в процессе формирования гумуса почвы[1].
Каким бы путем ни осуществлялся фотосинтез, в конечном итоге
он завершается накоплением энергетически богатых запасных веществ, составляющих
основу для поддержания жизнедеятельности клетки и в конечном итоге всего
многоклеточного организма. Эти вещества являются продуктами первичного метаболизма.
Помимо главнейшей своей функции первичные метаболиты - основа для биосинтеза
соединений, которые принято называть продуктами вторичного метаболизма.
Последние, часто называемые условно "вторичными метаболитами",
целиком "обязаны" своим существованием в природе продуктам,
образующимся в итоге фотосинтеза. Следует заметить, что синтез вторичных
метаболитов осуществляется за счет энергии, освобождающейся в митохондриях в
процессе клеточного дыхания.
Вторичные метаболиты - предмет изучения биохимии растений, но
небезынтересно ознакомиться со схемой ( рис. 1 ), на которой показана их
биогенетическая связь с прямыми продуктами фотосинтеза.
Рисунок 1. Биогенетическая связь вторичных метаболитов с
прямыми продуктами фотосинтеза.
Пигменты
Среди пигментов вакуоли наиболее часто встречаются антоцианы
и флавоны.
Антоцианы относятся к группе гликозидов с фенольными
группами. Антоцианы одной группы отличаются от другой. Интересной особенностью
этого пигмента является то, что он меняет свою окраску в зависимости от рН
клеточного сока. При кислой реакции клеточного сока антоциан окрашивает его в
розовый цвет, при нейтральной – в фиолетовый, а при основной – в синий.
У некоторых растений окраска может меняться по мере развития
цветков. Например, у огуречной травы бутоны розового цвета, а зрелые цветки
синего. Предполагается, что таким образом растение сигнализирует насекомым о
готовности к опылению.
Антоцианы накапливаются не только в цветках, но и в стеблях,
листьях и плодах.
Антохлор - это пигмент желтого цвета, относится к
флавоноидам. Он встречается реже. Содержат антохлор желтые цветки тыквенных,
льнянки, плоды цитрусовых.
В клеточном соке также может накапливаться пигмент антофеин,
окрашивающий его в темно-бурый цвет[2].
К алкалоидам относят природные гетероциклические соединения,
содержащие в циклах помимо углерода один или более атомов азота, реже
кислорода. Они проявляют щелочные свойства. Алкалоиды обладают высокой фармакологической
активностью, поэтому большинство лекарственных растений относятся к
алкалоидоносам. В коробочках снотворного мака найдено более 20 различных
алкалоидов, в том числе морфин, тебаин, кодеин, папаверин и др. Как известно,
морфин, обладая болеутоляющим и противошоковым действием, вызывает эйфорию: при
его повторном применении развивается болезненное пристрастие к нему –
наркомания. Кодеин уменьшает возбудимость кашлевого центра, входит в состав
противокашлевых средств. Папаверин применяется в качестве спазмолитического
средства при гипертонии, стенокардии, мигрени. Богаты алкалоидами пасленовые,
лютиковые, лилейные.
Многие алкалоидоносные растения ядовиты и не поедаются
животными, они слабо поражаются грибковым и бактериальным заболеваниям.
Гликозиды – производные сахаров, соединенные со спиртами,
альдегидами, фенолами и другими безазотистыми веществами. При соприкосновении с
воздухом гликозиды распадаются, при этом выделяется приятный аромат, например,
запах сена, завариваемого чая и т.д.
Наиболее широкое практическое применение находят сердечные
гликозиды и сапонины. Сердечные гликозиды являются активным началом такого
известного лекарственного растения как ландыш майский. Его лекарственные
свойства известны очень давно и не утратили своего значения до сих пор. Раньше
из ландыша готовили лекарства от водянки, сердечных болезней, эпилепсии,
лихорадки.
Название сапонинов происходит от способности этих соединений
к пенообразованию. Большинство представителей этой группы имеют высокую
биологическую активность, которая обусловливает лечебное действие и
соответственно лекарственное применение таких известных биостимуляторов, как
женьшень, солодка, аралия.
Танины (дубильные вещества) – производные фенола. Они имеют
вяжущий вкус и обладают антисептическими свойствами. В клетке накапливаются в
виде коллоидных растворов и имеют желтый, красный и коричневый цвет. При
добавлении солей железа приобретают голубовато-зеленый цвет, что раньше
использовалось для получения чернил.
Танины могут накапливаться в значительных количествах в
различных органах растений. Их много в плодах айвы, хурмы, черемухи, в коре
дуба, в листьях чая.
Предполагается, что танины выполняют самые различные функции.
При отмирании протопласта танинами пропитываются клеточные стенки и придают им
стойкость против гниения. У живых клеток танины защищают протопласт от
обезвоживания. Предполагается также, что они участвуют в синтезе и транспорте
сахаров.
Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов,
наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Вторичные метаболиты,
называемые также идиолитами, это низкомолекулярные соединения, не требующиеся
для роста в чистой культуре. Они производятся ограниченным числом
таксономических групп и часто представляют собой смесь близкородственных
соединений, относящихся к одной и той же химической группе. Если вопрос о
физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом
серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный
интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами:
одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими
ингибиторами ферментов, третьи - ростовыми факторами, многие обладают
фармакологической активностью. К вторичным метаболитам относятся антибиотики,
алкалоиды, гормоны роста растений и токсины. Фармацевтическая промышленность
разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов
на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.
Получение такого рода веществ послужило основой для создания
целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду
стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина
был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной
биотехнологии.
Молекулы антибиотиков очень разнообразны по составу и
механизму действия на микробную клетку. При этом в связи с возникновением
устойчивости патогенных микроорганизмов к старым антибиотикам постоянно
существует потребность в новых. В некоторых случаях природные микробные
антибиотические продукты химическим или энзиматическим путем могут быть
превращены в так называемые полусинтетические антибиотики, обладающие более
высокими терапевтическими свойствами.
Антибиотики — органические соединения. Они синтезируются
живой клеткой и способны в небольших концентрациях замедлить развитие или
полностью уничтожить чувствительные к ним виды микроорганизмов. Их продуцируют
не только клетки микроорганизмов и растений, но и клетки животных. Антибиотики
растительного происхождения называют фитонцидами. Это хлорелин, томатин,
сативин, получаемый из чеснока, и алин, выделяемый из лука.
Рост микроорганизмов можно охарактеризовать как S - образную
кривую. Первая стадия - стадия быстрого роста, или логарифмическая, для которой
характерен синтез первичных метаболитов. Далее наступает фаза медленного роста,
когда увеличение биомассы клеток резко замедляется. Микроорганизмы,
производящие вторичные метаболиты, вначале проходят стадию быстрого роста,
тропофазу, во время которой синтез вторичных веществ незначителен. По мере
замедления роста из-за истощения одного или нескольких необходимых питательных
веществ в культуральной среде микроорганизм переходит в идиофазу; именно в этот
период синтезируются идиолиты. Идиолиты, или вторичные метаболиты, не играют
явной роли в процессах метаболизма, они вырабатываются клетками для адаптации к
условиям окружающей среды, например, для защиты. Их синтезируют не все
микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие
бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся
к разным таксономическим группам[3].
Особенности культурального роста этих микроорганизмов
необходимо учитывать при производстве. Например, в случае антибиотиков
большинство микроорганизмов в процессе тропофазы чувствительно к собственным
антибиотикам, однако во время идиофазы они становятся к ним устойчивыми.
Чтобы уберечь микроорганизмы, продуцирующие антибиотики, от
самоуничтожения, важно быстро достичь идиофазы и затем культивировать
микроорганизмы в этой фазе. Это достигается путем варьирования режимов
культивирования и составом питательной среды на стадиях быстрого и медленного
роста.
Культуры клеток и тканей растений считаются потенциальным
источником специфических вторичных метаболитов, к которым относятся такие
соединения, как алкалоиды, стероиды, масла и пигменты. Многие из этих веществ
все еще получают путем экстракции из растений. Не ко всем видам растений в
настоящее время применимы методы микробиологической промышленности. За
исключением некоторых видов растений, суспензионные и каллусные культуры клеток
синтезируют вторичные метаболиты в меньших количествах, чем целые растения. При
этом рост биомассы в ферментере может быть значительным.
Новым подходом, направленным на увеличение выхода вторичных
метаболитов, является иммобилизация клеток и тканей растений. Первая удачная
попытка зафиксировать целые клетки была осуществлена в 1966 г. Мосбахом. Он
зафиксировал клетки лишайника Umbilicaria pustulata в полиакриламидном геле. На
следующий год ван Вецель выращивал клетки эмбрионов животных, иммобилизованных
на микрошариках ДЭАЭ (диэтиламиноэтил сефадекса, на основе декстрана). После
этого клетки были иммобилизованы на разных субстратах. В основном это были
клетки микроорганизмов.
Методы иммобилизации клеток делят на 4 категории:
Иммобилизация клеток или субклеточных органелл в инертном
субстрате. Например, клетки Catharanthus roseus, Digitalis lanata в
альгинатных, агарозных шариках, в желатине и т.д. Метод предполагает
обволакивание клеток одной из различных цементирующих сред – альгинат, агар,
коллаген, полиакриламид.
Адсорбция клеток на инертном субстрате. Клетки прилипают к
заряженным шарикам из альгината, полистирола, полиакриламида. Метод применялся
в экспериментах с животными клетками, а также клетками Saccharomyces uvarum, S.
cerevisiae, Candida tropicalis, E. coli.
Адсорбция клеток на инертном субстрате с помощью
биологических макромолекул (таких, как лектин). Применяется редко, есть
сведения об экспериментах с различными линиями клеток человека, эритроцитами
крови барана, адсорбированными на покрытой белком агарозе.
Ковалентное связывание с другим инертным носителем типа КМЦ.
Очень редко применяется, известна удачная иммобилизация для Micrococcus luteus.
В основном проводились эксперименты по иммобилизации клеток животных и
микроорганизмов.
В последнее время интерес к иммобилизации клеток растений
значительно возрос, это связано с тем, что иммобилизованные клетки имеют
определенные преимущества перед каллусными и суспензионными культурами при
использовании их для получения вторичных метаболитов.
В литературе имеются многочисленные данные о том, что
существует положительная корреляция между накоплением вторичных метаболитов и
степенью дифференцировки в культуре клеток. Кроме того, лигнин, например,
откладывается в трахеидах и сосудистых элементах ксилемы только после
завершения процессов дифференцировки, что было показано в экспериментах как in
vivo, так и in vitro. Полученные данные свидетельствуют о том, что
дифференциация и накопление вторичных продуктов обмена веществ происходит в
конце клеточного цикла. При снижении роста процессы дифференциации ускоряются.
Изучение содержания алкалоидов, накапливаемых многими
растениями in vitro, показало, что компактные, медленно растущие культуры
клеток содержат алкалоиды в больших количествах, чем рыхлые, быстро растущие
культуры. Организация клеток необходима для их нормального метаболизма. Наличие
организованности в ткани и ее последующее действие на различные физические и
химические градиенты – четкие показатели, по которым различаются высоко- и
низкопродуктивные культуры. Очевидно, что иммобилизация клеток обеспечивает
условия, приводящие к дифференциации, упорядочивает организацию клеток и
способствует тем самым высокому выходу вторичных метаболитов.
Иммобилизованные клетки имеют ряд преимуществ:
1. Клетки, иммобилизованные в или на инертном субстрате,
образуют биомассу гораздо медленнее, чем растущие в жидких суспензионных
культурах.
Какова же связь между ростом и метаболизмом? При чем здесь
клеточная организация и дифференцировка? Предполагают, что эта взаимосвязь
обусловлена двумя типами механизмов. Первый механизм основан на том, что рост
определяет степень агрегации клеток, оказывая косвенное влияние на синтез
вторичных метаболитов. Организация в данном случае является результатом
агрегации клеток, а достаточная степень агрегации может быть получена только в
медленно растущих культурах. Второй механизм связан с кинетикой скорости роста
и предполагает, что «первичный» и «вторичный» пути метаболизма по-разному
конкурируют за предшественники в быстро и медленно растущих клетках. Если
условия среды благоприятны для быстрого роста, то в первую очередь
синтезируются первичные метаболиты. Если быстрый рост блокирован, то начинается
синтез вторичных метаболитов. Таким образом, низкая скорость роста иммобилизованных
клеток способствует высокому выходу метаболитов.
2. Кроме медленного роста иммобилизация клеток позволяет им
расти в тесном физическом контакте друг другом, что благоприятно отражается и
на химических контактах.
В растении любая клетка окружена другими клетками, но ее
положение меняется в ходе онтогенеза в результате деления как этой, так и
окружающих клеток. От положения клетки в растении зависит степень и тип
дифференциации этой клетки. Следовательно, физическое окружение клетки влияет
на ее метаболизм. Каким образом? Регуляция синтеза вторичных метаболитов
находится как под генетическим, так и под эпигенетическим (внеядерным)
контролем, то есть любые изменения в цитоплазме могут привести к количественным
и качественным изменениям в образовании вторичных метаболитов. В свою очередь,
цитоплазма представляет собой динамическую систему, находящуюся под влиянием
окружающей среды.
Из внешних условий на метаболизм существенное влияние
оказывают 2 важных фактора: концентрация кислорода и углекислого газа, а также
уровень освещения. Свет играет роль и в процессе фотосинтеза, и в таких
физиологических процессах, как деление клеток, ориентация микрофибрилл,
активация ферментов. Интенсивность и длина световой волны определяется
положением клетки в массе других клеток, то есть зависят от степени
организованности ткани. В организованной структуре существуют центробежные
градиенты концентрации О2 и СО2, которые играют исключительно важную роль в
процессе дифференциации.
Таким образом, вторичный метаболизм в крупных агрегатах
клеток с небольшим отношением площади к объему (S/V) отличается от такового
изолированных клеток и мелких групп клеток в результате действия градиентов
концентрации газов. Аналогично действуют градиенты регуляторов роста,
питательных веществ, механического давления. Условия окружения у
диспергированных клеток и клеток в виде агрегатов различны, поэтому пути
метаболизма у них также различаются.
3. Регулировать выход вторичных метаболитов можно также,
изменяя химический состав окружающей среды.
Изменение состава среды для каллусной и суспензионной
культуры сопровождается определенными физическим манипуляциями с клетками, что
может привести к повреждению или загрязнению культур. Эти трудности можно
преодолеть, используя циркуляцию больших объемов питательной среды вокруг
физически неподвижных клеток, что позволяет осуществлять последовательные
химические воздействия.
4. В некоторых случаях возникают проблемы с выделением
идиолитов.
При использовании иммобилизованных клеток относительно легко
осуществляется обработка их химическим веществами, индуцирующими высвобождение
требуемых продуктов. Это также снижает ингибирование по типу обратной связи,
которое ограничивает синтез веществ вследствие накопления их внутри клетки.
Культивируемые клетки некоторых растений, например, Capsicum frutescens
выделяют вторичные метаболиты в окружающую среду, а система иммобилизованных
клеток позволяет отбирать продукты без повреждения культур. Таким образом,
иммобилизация клеток способствует легкой изоляции идиолитов[4].
1. «Микробиология: словарь терминов»,
Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.
2. Лекарственное сырьё растительного и
животного происхождения. Фармакогнозия: учебное пособие/под ред. Г.П.Яковлева.
СПб.: СпецЛит, 2006. 845 с.
3. Шабарова З. А., Богданов А. А.,
Золотухин А. С. Химические основы генетической инженерии. - М.: Изд-во МГУ,
2004, 224 с.
4.
Чебышев Н.В.,
Гринева Г.Г., Кобзарь М.В., Гулянков С.И. Биология.М., 2000