Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 63 из 68)

17.4. Биохимические процессы в технологической отрасли

Применение биохимических процессов в технологической отрасли особенно перспективно. В живой природе под действием высокоактивных биологических катализаторов – ферментов и гормонов – происходят всевозможные биохимические и каталитические реакции. Они происходят в атмосферных условиях без повышения температуры и давления, с высоким выходом, поэтому подобные технологии, которые можно перенять у живой природы, обладали бы высокой экономической эффективностью. Технологическая биохимия, или биотехнология, или изучает природные процессы и разрабатывает биохимические методы производства самых разнообразных химических продуктов. Эти методы можно разделить на следующие группы:

Биокатализ (ферментация)

В технологической отрасли давно используются биохимические процессы брожения под действием микроорганизмов. Например, в результате брожения глюкозы под действием ферментации дрожжевыми грибками происходит следующая реакция:

С₆Н₁₂О₆→ 2СН₃СООН + 2СО₂; H 15,2 ^кДж

моль

Биохимические процессы подобного рода широко применяются в гидролизной промышленности при сбраживании сахаристых веществ с целью получения спиртов и кислот, в виноделии, для производства кормовых дрожжей, в сыроварении, при обработке кож и т.п. Ферментами (или энзимами) называют особые биокатализаторы, которые вырабатываются живыми организмами. По своей химической природе ферменты являются белковыми молекулами, хотя далеко не все белки – ферменты. Молекулы белковых ферментов отличаются своей величиной; их относительная молекулярная масса достигает 100000 единиц относительной атомной массы. По сравнению биокатализаторами, молекулы, на которые действуют ферменты, сравнительно невелики. Эти молекулы называют субстратами. Небольшие молекулы субстрата располагаются на поверхности фермента, в активных центрах. Продукты реакции уходят с поверхности фермента, а их место занимают новые молекулы субстрата. Общий ход биокаталитического процесса можно представить в виде схемы:

Фермент+субстрат→[ферментно-субстратный комплекс]→фермент+продукты

Многие ферменты проявляют активность и вне клетки, поэтому задача биохимии состоит в том, чтобы провести аналогию между химическим катализом и биокатализом, между ферментами и катализаторами. Достигнуты большие успехи в моделировании биокатализаторов. Удалось построить модели многих ферментов с высокой активностью и селективностью, но с более простым строением, чем у природных биокатализаторов. Но ни одна полученная модель до сих пор не смогла заменить природную систему, так как такой искусственный катализатор работает всего несколько минут, тогда как в живых организмах ферменты способны самовосстанавливаться и самосовершенствоваться. Ещѐ одним направлением технологической биохимии является биохимия иммобилизированных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твѐрдой поверхности, которая адсорбирует биокатализатор, превращая его в систему, которая может работать непрерывно и стабильно.

Биохимический синтез

Биохимический синтез антибиотиков, витаминов, гормонов и прочих ценных биохимических продуктов позволяет удовлетворить потребности населения в этой продукции, так как природных соединений явно не хватает. Особое значение имеют биохимические методы синтеза пищевых продуктов, в частности, белков. Известно, что в мире ощущается недостаток белковых продуктов, и одним из способов увеличения пищевых ресурсов является производство белков биохимическими методами. В настоящее время осуществляется синтез белков в промышленных масштабах из легких масел, нормальных парафинов, метанола, этанола, уксусной кислоты и других органических соединений, получаемых преимущественно из нефти. Используя для биохимического синтеза всего 4 % современной мировой добычи нефти, можно обеспечить белковый рацион 4 миллиардов человек, т. е. почти все население земного шара. В настоящее время установлена первичная структура множества белковых молекул, поэтому синтез белка можно осуществлять химическими методами. Однако это чрезвычайно трудоѐмкий процесс. Например, для синтеза рибонуклеазы, белка, состоящего из 124 аминокислотных остатков, необходимо провести 369 химических реакций, включающих в себя 11931 стадию. Поэтому всѐ чаще используются синтетические методы получения различных белковых материалов в промышленных масштабах, посредством микробиологического синтеза ферментными системами микроорганизмов.

Промышленное использование микроорганизмов С помощью некоторых бактерий, усваивающих водород, можно вовлечь в реакцию кислород и атмосферный диоксид углерода, при этом получить формальдегид и воду. Таким образом, бактерии синтезируют необходимый химической промышленности формальдегид и очищают воздух от двуокиси углерода. Некоторые организмы типа дрожжей способны в соответствующей солевой среде усваивать углеводороды, начиная с метана, и превращать их в белки, которые по аминокислотному составу не уступают самым качественным белкам животного происхождения. Органическая масса дрожжей удваивается за 10-15 минут, поэтому их также можно использовать для производства кормов, поскольку они наполовину состоят из полноценного белка.

Микроорганизмы используются также для извлечения белков и углеводов из травы, древесных и сельскохозяйственных отходов, изготовления искусственной пищи из водорослей (таких, как хлорелла). Одним из методов промышленного использования микроорганизмов является биогеотехнология, или микробное выщелачивание металлов из руд. Существуют микроорганизмы, способные переводить металлы из рудных минералов в раствор. Механизмы такого выщелачивания бывают разные. Например, некоторые микроорганизмы непосредственно окисляют железосодержащий минерал пирит до соединений трѐхвалентного железа 4FeS₂ + 15O₂ + 2H₂O = 2Fe₂(SO₄)₃ +

2H₂SO_4, а ион Fe³⁺ как сильный окислитель способен перевести в раствор медь из минерала халькоцита Cu₂S + 2Fe₂(SO₄)₃ = 2CuSO₄ + 4Fe_SO₄ + S или уран из минерала уранита: UO₂ + Fe₂(SO₄)₃ = UO₂SO₄ + 2FeSO₄. Реакции окисления являются экзотермическими, при их протекании выделяется энергия, которую микроорганизмы используют в ходе своей жизнедеятельности.

Генно-инженерные технологии

Революция в молекулярной биологии, свершившаяся в результате расшифровки структуры информационной молекулы ДНК, генетического кода и механизма матричного синтеза в молекулярной биологии, привела к появлению в 1970-х годах генной инженерии. Генно-инженерные технологии основаны на рекомбинации молекул ДНК представителей разных видов живых организмов. Наибольшие успехи были достигнуты в области изменения генетического аппарата бактерий. Вводить новые гены в генетический аппарат бактерии можно с помощью небольших кольцеобразных молекул ДНК — плазмид, присутствующих в бактериальных клетках. В плазмиды «вклеивают» необходимые гены, а затем такие гибридные плазмиды добавляют к культуре бактерий, например кишечной палочки. Некоторые из этих бактерий целиком поглощают такие плазмиды. После этого плазмида начинает работать в клетке как ген, продуцируя в клетке кишечной палочки десятки своих копий, которые обеспечивают матричный синтез новых белков. Историю развития генетической, или генной инженерии можно условно разделить на три этапа. Первый этап связан с доказательством принципиальной возможности получения рекомбинантных молекул ДНК in vitro (вне организма, в пробирке) и получением гибридов различных плазмид. Была доказана возможность создания рекомбинантных молекул с использованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммов бактерий, их жизнеспособность, стабильность и функционирование. Второй этап связан с началом работ по получению рекомбинантных молекул ДНК между хромосомными генами прокариот и различными плазмидами, доказательством их стабильности и жизнеспособности. Третий этап - начало работ по включению в векторные молекулы ДНК (так называют молекулы ДНК, используемые для переноса генов и способные встраиваться в генетический аппарат клетки-рецепиента) генов эукариот, главным образом, животных. Формальной датой рождения генной инженерии следует считать 1972 год, когда в Стэндфордском университете П. Берг, С. Коэн, Х. Бойлер с сотрудниками создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и кишечной палочки E. coli. В конце 1970-х годов году в ряде стран (в том числе, в Институте биоорганической химии Академии наук СССР) было осуществлено введение в бактериальную клетку ген, выделенный из человеческого организма. Это достижение позволило решить, в частности, проблему производства ценных лекарственных средств. Наиболее известным примером является синтез инсулина методом генной инженерии. Известно, что у больных сахарным диабетом гормон инсулин, отвечающий за поддержание определѐнной концентрации сахара в крови, не может справляться со своей задачей. Таким больным необходимо постоянно вводить этот гормон извне. На протяжении 60 лет для лечения сахарного диабета применяли говяжий и свиной инсулины, которые по составу отличаются от человеческого на 3 и 1 аминокислоты соответственно, но их активность в организме человека ниже, чем активность человеческого инсулина. Кроме того, инсулин — хотя и небольшой по размерам, но всѐ же белок, и в организме человека со временем накапливаются антитела к нему: организм борется против чужеродных белков, отторгает их. Поэтому бычий или свиной инсулин может начать необратимо нейтрализовываться этими антителами и в результате может исчезнуть прежде, чем успеет оказать лечебное действие. Чтобы этого не произошло, необходимо вводить в организм вещества, предотвращающие этот процесс, но они сами по себе не безразличны для организма. В 1960 году был установлен аминокислотный состав гормона человека и вскоре осуществлен его синтез в лабораторных условиях. Но этот синтез настолько сложен и дорог, что его проводили только в экспериментальных целях, а полученные количества инсулина были недостаточны даже для одной инъекции. В настоящее время для производства человеческого инсулина используют генно-инженерный метод^[21]. При этом ген, ответственный за синтез инсулина, встраивается в ДНК штамма кишечной палочки или дрожжей, которые начинают в больших количествах вырабатывать человеческий инсулин. Преимуществом синтетического человеческого инсулина является полная идентичность естественному гормону человека, поэтому он не обладает иммуногенными свойствами. Человеческий инсулин считают наиболее эффективным средством лечения инсулинзависимого сахарного диабета, поэтому в ряде стран в настоящее время полностью или практически полностью отказались от применения инсулинов животного происхождения. Столь же большой интерес и не меньшее значение имела работа, выполненная в том же институте, по введению методами генной инженерии в бактериальную клетку гена, ответственного за синтез интерферона человека. Интерферон — это белок, играющий исключительно важную роль в борьбе организма против вирусных инфекций. Ген интерферона также был введѐн в клетку кишечной палочки. Созданные штаммы отличались высоким выходом интерферона, обладающего мощным противовирусным действием. Осуществление промышленного производства интерферона является большим достижением, так как предполагают, что интерферон обладает также и противоопухолевой активностью.