Биотехнология получения метаболитов

Оглавление

Введение 3
1. Биотехнология получения метаболитов 4
1.1. Технология производства аминокислот 4
1.2. Биосинтез аминокислот клетками микроорганизмов 6
1.3. Использование аминокислот в медицине, пищевой промышленности,
народном хозяйстве и т.п. 7
1.4. Продуценты аминокислот, их культивирование 8
1.5. Технология получения L-лизина микробиологическим синтезом 9
1.6. Технология биосинтеза триптофана, глутаминовой кислоты,
аспарагиновой кислоты 10
Заключение 11
Список использованных источников 13

Введение
Метаболический путь – это последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образующиеся в процессе превращения, называют метаболитами, а последнее соединение метаболического пути – конечным продукт. Примером метаболического пути является гликолиз, синтез холестерина.
Почти все метаболические реакции в конечном итоге связаны между собой, поскольку продукт одной ферментативной реакции служит субстратом для другой, которая в данном процессе играет роль следующей стадии. Таким образом, метаболизм можно представить в виде чрезвычайно сложной сети ферментативных реакций. 
В катаболизме азота в организме важнейшее место занимают реакции, ответственные за выведение азотсодержащих продуктов метаболизма из организма (синтез мочевины, глутамина), серы (таурина, сульфинилпировиноградной кислоты) и окисления углеродных скелетов аминокислот до СО2 и воды.
Представления о внутриклеточном фонде свободных аминокислот, не входящих в состав белков, сложились в 50-х годах ХХ века и основывались на экспериментах с мечеными аминокислотами. Введенный животным изотоп обнаруживался не только в составе белков, но и почти во всех свободных аминокислотах (кроме треонина и лизина). Эти результаты легли в основу положения о существовании лабильного аминокислотного пула, формирующегося за счет взаимопревращения свободных аминокислот, а также гидролиза белков и пептидов на разных этапах обмена веществ.
Данная смесь экзогенно поступающих и эндогенно образующихся азотсодержащих метаболитов формирует основу многих метаболических путей.
Показано, что в промежуточном обмене аминокислот, в процессах формирования их вне- и внутриклеточных пулов решающее значение принадлежит реакциям трансаминирования (в которых не участвует только лизин, треонин и α-аминогруппа аргинина).
1. Биотехнология получения метаболитов1.1. Технология производства аминокислотСреди соединений, получаемых биотехнологическими методами, аминокислоты занимают первое место по объему производства и второе место по стоимости, уступая по последнему параметру антибиотикам. Объем мирового производства аминокислот составляет более 500 тыс. тонн в год. 
В промышленных масштабах белковые аминокислоты получают:
- гидролизом природного белоксодержащего сырья;
- химическим синтезом;
- микробиологическим синтезом;
- биотрансформацией предшественников аминокислот с помощью микроорганизмов или выделенных из них ферментов (химико-микробиологический метод).
Гидролиз природного белоксодержащего сырья. При гидролизе белоксодержащее сырье (отходы пищевой и молочной промышленности) нагревают с растворами кислот или щелочей при температуре 100 – 105 °С в течение 20 – 48 ч. Чаще всего используют 20 %-й раствор соляной кислоты, обеспечивающий глубокий гидролиз белка. В ходе кислотного гидролиза белков происходят рацемизация и разрушение некоторых составляющих их аминокислот. При кислотном гидролизе полностью разрушается триптофан и достаточно значительны потери цистеина, метионина и тирозина (10 – 30 %). Кроме того, для ускорения реакции гидролиза белков используют иммобилизованные протеолитические ферменты и ионообменные смолы. Аминокислоты, полученные методом гидролиза, используют, в медицине, животноводстве, пищевой и микробиологической промышленности.
Химический синтез. Используя метод химического синтеза аминокислот целевой продукт получают в виде рацемической смеси D- и L-стереоизомерных форм. Подавляющее большинство природных аминокислот относится к L-ряду. D-α-аминокислоты обнаружены лишь в составе гликопротеинов клеточных стенок бактерий, антибиотиков и некоторых токсинов. Проницаемость L-аминокислот в клетке в 500 раз превышает таковую ее антипода.  HYPERLINK "http://info.sernam.ru/book_ways.php?id=28" Стереоспецифичны также транспорт и метаболизм аминокислот. Разделение рацематов других аминокислот – дорогая и чрезвычайно трудоемкая процедура.
Исключением в этом отношении является лишь метионин, метаболизм которого нестереоизбирателен, благодаря чему данная аминокислота получается преимущественно путем химического синтеза, что экономически более выгодно в сравнении с микробиологическим способом.
Микробиологический синтез. Наиболее перспективен и экономически выгоден микробиологический синтез аминокислот. Более 60 % всех производимых в настоящее время промышленностью высокоочищенных препаратов белковых аминокислот получают именно этим способом, главное преимущество которого в сравнении с методами химического синтеза состоит в возможности получения L-аминокислот на основе возобновляемого сырья.
Большинство диких штаммов микроорганизмов способны продуцировать аминокислоты во внешнюю среду в очень незначительных количествах. Среди возможных продуцентов глутаминовой кислоты отмечены организмы, из которых 30 % – дрожжи, 30 % – стрептомицеты, 20 % – бактерии и 10 % – микроскопические грибы.
Перспективные штаммы продуцентов постоянно улучшают посредством селекции мутантов с измененной генетической программой и регуляторными свойствами. Распространенные объекты селекции продуцентов – микроорганизмы, относящиеся к родам  HYPERLINK "http://www.studfiles.ru/preview/5244881/page:3/" Brevibacterium,  HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BA%D0%BA%D0%B8" Micrococcus,  HYPERLINK "http://www.studfiles.ru/preview/5244881/page:3/" Corynebacterium, Arthrobacter.
Химико-микробиологический метод. В последние годы при производстве аминокислот все шире используют биотрансформацию предшественников аминокислот, с помощью иммобилизованных ферментов или клеток микроорганизмов, предварительно получаемых химическим путем.
Применение ферментов в производстве аминокислот обеспечивает стереоспецифичность процессов их синтеза, что выгодно отличает биотехнологические производства от химических.
1.2. Биосинтез аминокислот клетками микроорганизмовВ состав белка микробных клеток входят все 20 аминокислот, биосинтез которых у прототрофных культур осуществляется из углерод-, азот- и серо содержащих компонентов среды. В качестве источников углерода могут быть углеводы, углеводороды и продукты их неполного окисления.
Несмотря на многообразие источников углерода в результате функционирования таких метаболитных последовательностей, как гликолиз, пути Энтнера-Дударова и пентозофосфатный, а также цикл трикарбоновых кислот, почти всегда образуются одни и те же углеродные предшественники аминокислот.
Для некоторых микроорганизмов, однако, возможны исключения, когда одна и та же аминокислота образуется из разных предшественников. В зависимости от таксономической принадлежности микроорганизмов к той или другой физиологической группе источниками азота для аминирования углеродного скелета могут быть аммонийные соли, нитраты или молекулярный азот. Ассимиляция NНз, приводящая к образованию аминогруппы глутаминовой кислоты, может осуществляться как путем восстановительного аминирования а-кетоглутаровой кислоты, так и через глутаматный цикл. (р-ция аминирования).
Глутаминовая кислота — основной донор аминогрупп для других, синтезируемых клеткой аминокислот: с помощью трансаминаз возможно образование более чем 10 аминокислот из соответствующих кетокислот.
1.3. Использование аминокислот в медицине, пищевой промышленности, народном хозяйстве и т.п.
В последние годы широкое применение в народном хозяйстве и медицине находят различные аминокислоты.
Особое значение они имеют для сбалансирования белкового питания. Некоторые пищевые и кормовые продукты не содержат в своем составе необходимых количеств незаменимых аминокислот, в частности лизина. К таким продуктам относятся пшеница, кукуруза, овес, рис и ряд других.
Для ликвидации возможного дисбаланса аминокислоты используют в чистом виде или вводят в состав комбинированных кормов, выпускаемых промышленностью. Поэтому основной сферой применения аминокислот следует считать создание рационов, позволяющих понизить содержание растительных белков в кормах. Показано, что искусственные смеси аминокислот позволяют экономить расход естественных кормов.
Кроме добавок к кормам сельскохозяйственных животных, аминокислоты используются в пищевой промышленности. Применяются они и при изготовлении ряда полимерных материалов, например, синтетической кожи, некоторых специальных волокон, пленок для упаковки пищевых продуктов.
Ряд аминокислот или их производных обладают пестицидным действием.
Метионин и у-аминомасляная кислота широко применяются как лекарственные средства.
Удельный вес применения аминокислот в различных отраслях хозяйства может быть продемонстрирован на примере Японии, где на долю пищевой промышленности приходится 65% всех производимых в стране аминокислот, на животноводство — 18, для медицинских целей — 15 и на прочие нужды — 2 %.
Мировой уровень производства аминокислот достигает в настоящее время нескольких миллионов тонн в год. В наибольших количествах в мире вырабатываются L-глутаминовая кислота, L-лизин, DL-метионин, L-аспарагиновая кислота, глицин.
1.4. Продуценты аминокислот, их культивированиеНесмотря на широкое распространение микроорганизмов, накапливающих аминокислоты в процессе роста, продуцентов, обеспечивающих экономически выгодные выходы этих продуктов, не так много. Получают их обычно путем применения различных мутагенных факторов. Продуцент должен аккумулировать преимущественно одну аминокислоту. Одновременное присутствие нескольких аминокислот, особенно если они близки по своим физико-химическим свойствам, затрудняет их выделение и очистку.
Ауксотрофные мутанты микроорганизмов, лишенные в результате действия мутагенов, ряда ферментных систем, признаны наиболее ценными продуцентами. Блокада у таких мутантов соответствующих реакций в цепи обмена веществ приводит к сверхсинтезу одного из метаболитов.
Наиболее распространенные продуценты аминокислот - грамположительные бесспоровые бактерии, относимые к родам Corynebacterium, Micrococcus, Arthrobacter, Brevibacterium и некоторым другим, но точное таксономическое положение большинства из них определить трудно, так как содержащаяся в публикациях информация явно недостаточна для этого.
Одним из наиболее важных научных положений микробиологического синтеза аминокислот считается вопрос об их происхождении: находящиеся в среде аминокислоты - продукты ферментативного распада белков в результате автолитического процесса или они результат синтеза из других соединений. При использовании синтетических сред для культивирования продуцентов достаточно определенно показано, что аминокислоты, обнаруживаемые в среде, представляют собой продукты синтеза de novo.
Ферментативные реакции синтеза аминокислот протекают внутри клеток. Первоначально аминокислоты накапливаются внутри клеток в виде так называемых свободных аминокислот. На ранних этапах роста культуры свободные аминокислоты включаются в конструктивный обмен микроорганизма. Активное накопление аминокислот в среде в периодической культуре происходит обычно с середины экспоненциальной фазы ее роста, достигая максимума к концу.
1.5. Технология получения L-лизина микробиологическим синтезомТехнология получения лизина, как и других аминокислот, одноступенчатым микробиологическим синтезом в зависимости от источника углерода предполагает использование специально подобранных штаммов-продуцентов. Количество субстрата, технология внесения его в среду, степень утилизации определяются физиологическими особенностями выбранного продуцента и адаптацией его к взятому источнику углерода.
Поскольку большинство промышленных продуцентов лизина обладает уреазной активностью, помимо традиционных источников азота в виде солей аммония возможно использование мочевины. Однако для каждого штамма выбор соли осуществляют экспериментально по наибольшему образованию лизина. На течение процесса биосинтеза оказывает влияние соотношение концентраций углерода и азота в среде, для каждого штамма существует свой оптимум. Например, для продуцента Согуп. glutamicum 95 соотношение C:N=11:1, при его увеличении падает выход лизина, при уменьшении — вместо лизина накапливается аланин. Недостаточная аэрация в ходе ферментации приводит к образованию молочной кислоты.
Для нормального роста и развития продуцента необходимо присутствие в среде фосфора. Его включают в состав питательных сред в виде калиевых солей фосфорной кислоты. Однако количество фосфора в среде регламентировано в пределах 8—20 мг %. Увеличение данной концентрации на один порядок для продуцента Согуп. glutamicum почти наполовину снижает выход лизина.
Все продуценты лизина в той или иной степени испытывают потребность в ряде макро- и микроэлементов: магнии, железе, меди, марганце. Эти металлы вводят в среду в виде солей серной кислоты; сульфат магния задают на уровне 0,03—0,05%, остальных солей берут меньше — от 0,0008 до 0,001%. Железо, медь и марганец специально в среды не вносят, если они присутствуют в достаточном количестве в кукурузном экстракте, мелассе и других компонентах среды.
Выход лизина тесно связан с основными параметрами процесса ферментации: температурой, концентрацией растворенного кислорода, длительностью культивирования, дозой и возрастом посевного материала.
1.6. Технология биосинтеза триптофана, глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислотыL-триптофан - незаменимая аминокислота, входит в состав многих белков. Наибольшее количество триптофана содержатся в фибриногене и g-глобулине крови.
Биосинтез триптофана в микроорганизмах осуществляется из антраниловой кислоты и серина. Важнейшие продукты превращения триптофана в организме - триптамин, серотонин, гетероауксин, кинуренин и др. В кишечнике из триптофана образуется скатол.
L-глутамин встречается во всех организмах в свободном виде (в свекле до 5,6%) и в составе белков. Для опухолевых клеток L-глутамин - незаменимый компонент, на чем основан один из подходов в создании противоопухолевых препаратов (например, g-гидрокси-L-глутамин - антиметаболит для опухолевых тканей). L-глутамин - промежуточный продукт ассимиляции азота в организме, участвует в переаминировани. Его биосинтез осуществляется в результате амидирования карбоксильной группы глутаминовой кислоты.
Выделяют L-глутамин из свеклы и других растений. Он применяется для синтеза пептидов, в смеси с другими аминокислотами - для парэнтерального питания.
L-аспарагин - кодируемая аминокислота, встречается во всех организмах в свободном виде (в проростках вики - до 28%) и в составе белков. В организме животных связывает аммиак и переносит его к почкам. Биосинтез осуществляется в результате амидирования аспарагиновой кислоты.
ЗаключениеНа основе исследования были выявлены следующие аспекты:
Свободные аминокислоты и их производные являются одними из наиболее универсальных природных регуляторов и эндогенных модификаторов биологических реакций, поскольку их уровни являются важнейшими регулирующими факторами процессов биосинтеза белка и высокоактивных биологических субстанций (медиаторы, гормоны), активности основных метаболических потоков и функционального состояния органов и систем.
На сегодняшний день существует более чем достаточно доказательств в пользу того, что аминокислоты относятся к соединениям, на основе которых уже созданы и продолжают разрабатываться эффективные лекарственные препараты направленного метаболического действия.
В настоящее время отдельные аминокислоты и их комбинации широко используются не только с заместительной целью, но и для целенаправленной метаболической коррекции. Регуляторные функции аминокислот и их производных являются следствием химической полифункциональности этих соединений.
Производству аминокислот после кормового белка уделяется наибольшее внимание. Это обусловлено  высокой питательной ценностью получаемых на их основе кормов и отдельных продуктов питания. Недостаток в рационе (дефицит) отдельных аминокислот, особенно незаменимых, которые не синтезируются в достаточном количестве и с необходимой скоростью в организме животного или человека, отрицательно сказывается на росте и развитии, может привести к различного рода заболеваниям. (К незаменимым аминокислотам относятся валин, аргинин, гистидин, лизин, лейцин, изолейцин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.).
Основными типами производства аминокислот являются способы:
- гидролизом природного белоксодержащего сырья;
- химическим синтезом;
- микробиологическим синтезом;
- биотрансформацией предшественников аминокислот с помощью микроорганизмов или выделенных из них ферментов (химико-микробиологический метод).
В результате  химического синтеза всегда образуются рацематы — равновесные смеси L- и D-форм аминокислоты, требующие в дальнейшем достаточно  сложной и (или) дорогостоящей очистки, присутствие D-формы в готовом продукте всегда нежелательно не только потому, что она представляет собой балласт, поскольку не усваивается организмом человека и животного, но у некоторых аминокислот она обладает токсичными свойствами.
Производство аминокислот методом органического синтеза предполагает осуществление большого количества технологических операций. Технология такого производства в большинстве случаев направлена на использование достаточно токсичных соединений, высокоочищенных реагентов и осуществление стадии разделения образующихся рацематов.
В результате функционирования таких метаболитных последовательностей, как гликолиз, пути Энтнера-Дударова и пентозофосфатный, а также цикл трикарбоновых кислот, почти всегда образуются одни и те же углеродные предшественники аминокислот.
Аминокислоты широко применяются во многих отраслях хозяйства и медицине.
Аминокислоты получают, как правило, путем применения различных мутагенных факторов. Продуцент должен аккумулировать преимущественно одну аминокислоту.
Список использованных источниковБеккер, М.Е. Введение в биотехнологию / М.Е. Беккер. - М.: Книга по Требованию, 2018. - 115 c.
Биотехнология / Под редакцией Е.С. Воронина. - М.: Гиорд, 2018. - 704 c.
Биотехнология. Теория и практика / Н.В. Загоскина и др. - М.: Оникс, 2015. - 496 c.
Дебабов, В. Г. Биотехнология. В 8 книгах. Книга 2. Современные методы создания промышленных штаммов микроорганизмов. Учебное пособие / В.Г. Дебабов, В.А. Лившиц. - М.: Высшая школа, 2017. - 208 c.
Загоскина, Н.В. Биотехнология: теория и практика / Н.В. Загоскина. - М.: Оникс-ЛИТ, 2019. - 829 c.
Клунова, С. М. Биотехнология / С.М. Клунова, Т.А. Егорова, Е.А. Живухина. - М.: Академия, 2017. - 256 c.
Сазыкин, Ю. О. Биотехнология / Ю.О. Сазыкин, С.Н. Орехов, И.И. Чакалева. - М.: Академия, 2018. - 256 c.
Сассон, Алдьбер Биотехнология: свершения и надежды / Алдьбер Сассон. - М.: Мир, 2016. - 412 c.