Отримання амінокислот і білків


Скачати 349.48 Kb.
Назва Отримання амінокислот і білків
Сторінка 2/3
Дата 21.04.2013
Розмір 349.48 Kb.
Тип Документи
bibl.com.ua > Культура > Документи
1   2   3

Біотехнологія одержання антибіотиків

План

  1. Механізм дії антибіотиків.

  2. Отримання напівсинтетичних пеніцилінів.

  3. Біосинтетичні пеніциліни.

  4. Отримання напівсинтетичних цефалоспоринів та цефаміцинів.

  5. Стійкість мікроорганізмів до антибіотиків.

  6. Отримання кормових антибіотиків.

Механізм дії антибіотиків:

  1. А) Зв’язуються з йонами металів і порушують регуляцію йонної проникності бактеріальних мембран (пептидні). Б) Впливають на транспорт протонів та йонів в мембранах грибів (полієнові).

  2. Блокують роботу окремих ферментів (пеніцилін).

  3. Порушують синтез білка на рівні рибосом (тетрацикліни інгібують зв’язування аміноацил-т-РНК з А-ділянкою 30S-субчастин рибосом; лінкоміцин та хлорамфенікол інгібують утворення пептидного зв’язку і діють на 50S-субодиницю).

  4. Порушують синтез РНК (рафаміцин інгібує ініціацію транскрипції, стептолідигін інгібує елонгацію транскрипції).

  5. Вбудовуються в молекули ДНК (актиноміцин зв’язується з ДНК де є гуанін). Інтеркаляція – вбудовування плоских ароматичних кілець в молекулу ДНК.

Бактеріальні стінки

  • Муропептид – дисахарид з боковим тетрапептидним ланцюгом.

  • Муреїн (лат.murus – стінка) – пептидоглікан, який утворюється при зв’язуванні окремих муропептидів. Вуглеводні частини до вуглеводних, пептидні до пептидних.

  • Муреїн обволікає бактерію виступаючи в ролі бактеріального скелета.

Механізм дії β-лактамних антибіотиків

  • На зовнішній поверхні бактеріальних оболонок є мембранозв’язуючі ензими (пеніцилзв’язуючі білки). Вони каталізують реакції при яких формуються зв’язки між пептидними ланцюгами муропептидів і утворюється муреїн.

  • Пеніцилін зв’язується з цими ензимами (структурно подібний до пептидних ланцюгів) і порушує синтез муреїну.

  • Якщо не утворюється муреїн, то бактерія не може РОСТИ, але не гине від дії антибіотика. Вона гине від старості а нові бактерії не ростуть, бо не можуть сформувати свої стінки. Тому важливо витримати в часі курс антибіотикотерапії, щоб старі бактерії загинули від старості, а молоді не виросли через пригнічення їх росту.

Arsphenamine (1910, торгівельна назва Salvarsan) 606 (606 синтезована речовина для випробувань)

  • У 1928 році Alexander Fleming зауважив, що плісневий гриб Penicillium notatum викликав лізис колоній золотистого стафілокока (Staphylococcus aureus).

  • Антибактеріальний ефект проявлявся на збудників скарлатини, пневмонії, гонореї, менінгіту і дифтерії.

  • У 1940 році Ernst Chain і Howard Florey отримали очищений пеніцилін.

14 березня 1942 року в Оксфорді John Bumstead та Orvan Hess здійснили перше успішне лікування пацієнта використовуючи пеніцилін

19 жовтня 1943 року Albert Schatz в лабораторії Selman Abraham Waksman виділив стрептоміцин

Антибіотики – продукти обміну будь-яких організмів (як правило це мікроорганізми, але можуть бути рослини та тварини) та продукти їх хімічної модифікації, які в низьких концентраціях здатні пригнічувати ріст та розвиток мікроорганізмів (бактерії, нижчі гриби, віруси, простіші) та клітин злоякісних пухлин.

  • 1943 р. 0,5 кг пеніциліну

  • 1945 р. 2310 кг пеніциліну (11 000 $ / кг)

  • 1978 р. 14 800 000 кг антибіотиків (18,45 $ / кг)

  • Сьогодні відомо близько 6000 антибіотичних речовин. З них близько 100 використовують у медицині, ветеринарній медицині і сільському господарстві.

  • З часу відкриття перших природних антибіотиків отримали напівсинтетичні антибіотики. Вони за будовою складні і отримувати їх хімічним способом дорожче ніж методом ферментації.

  • При хімічному синтезі: 1) більший розхід матеріалу; 2) низький вихід продукту; 3) велика кількість реакцій які треба здійснити.

Передумови розробки нових антибіотиків та їх продуцентів:

  1. Бензилпеніцилін необхідно було отримувати у великих кількостях, а для цього потрібні були нові штами-продуценти.

  2. Бензилпеніцилін діяв на грам + бактерії, тому потрібні були антибіотики з широким спектром дії.

  3. Пеніцилін нестабільний у кислому середовищі, тому його не можна було застосовувати per os.

  4. Антибіотики викликають алергічні реакції, тому треба мати ряд засобів з однаковою ефективністю, щоб можна було вибрати.

  5. Бактерії набувають стійкості до антибіотиків.

β-лактамні антибіотики

  • β-лактамні антибіотики мають β-лактамне кільце.

  • 42% усіх вироблених у світі антибіотиків – пеніциліни.

  • 11% цефалоспорини.

Отримання напівсинтетичних пеніцилінів

  • В кінці 50-х років ХХ сторіччя отримано 6-амінопеніциланову кислоту (6-АПК) відщепленням її від бензилпеніциліну ензимом пеніцилінацилазою.

  • Отримана 6-АПК має вільну аміногрупу, що відкрило нові можливості для синтезу нових речовин, що володіють антибіотичною активністю. (За 10 наступних років їх отримали 15 000).

  • У 1978 році 53% з усіх вироблених (14800000 кг) антибіотиків використали на отримання 6-амінопеніциланової кислоти.

Ферментативний синтез пеніцилінів

  • Пеніцилінацилаза каталізує утворення 6-АПК і каталізує приєднання до 6-АПК з утворенням нових напівсинтетичних антибіотиків.

Пеніцилін

6-амінопеніциланова кислота

Напівсинтетичні пеніциліни

Переваги напівсинтетичних антибіотиків:

  1. Кислотостійкість (можна застосовувати per os).

  2. Стійкі до дій β-лактамаз (пеніциліназ) мікроорганізмів і як результат здатні проявляти активність по відношенню до стафілококів, що стійкі до природних і деяких напівсинтетичних антибіотиків.

  3. Широкий спектр дії (активні до грам + і грам – мікроорганізмів).

Біосинтетичні пеніциліни

  • При додаванні в поживне середовище Penicillium notatum попередників бокового ланцюга пеніциліну (карбонових кислот та їх похідних) отримували пеніциліни з введеними в боковий ланцюг цими попередниками. Тобто без ензиму пеніцилінацилази.

  • Так в кінці 40-х років ХХ сторіччя отримали ряд біосинтетичних пеніцилінів (найкращий з них що переважав природні аналоги – феноксицилін).

  • Але в такому методі був великий недолік – непередбачувана майбутня модифікація. І тому цей метод далі не розвивали.

Цефалоспорини

  • В кінці 40-х років в культуральній рідині гриба з роду Cephalosporium виявлений новий β-лактамний антибіотик – цефалоспорин С.

  • Порівняно з пеніциліном він має переваги: 1) менш токсичний; 2) стійкіший до дії β-лактамаз (цефалоспориназ) які його руйнують; 3) не викликав алергічних реакцій у пацієнтів чутливих до пеніциліну; 4) модифікацію крім бокового ланцюга біля вільної аміногрупи можна було здійснювати і в ланцюзі біля третього вуглецю дигідротіазинового кільця.

Цефаміцини

  • За будовою подібні до цефалоспоринів.

  • Біля 7 вуглецю мають додатково метоксигрупу.

  • Ці антибіотики мають підвищену стійкість до β-лактамаз.

Ферментативний синтез цефалоспоринів

  • У кінці 70-х – на початку 80-х років ХХ сторіччя відкрили цефалоспоринацилазу. Вона каталізує синтез 7-аміноцефалоспоранової кислоти (7-АЦК) та синтез із неї (7-АЦК) модифікованих цефалоспоринових антибіотиків.

Цефалоспорин

7-аміноцефалоспоранова кислота

Напівсинтетичні цефалоспорини

Ферментативний синтез цефаміцинів

  • Цефаміцинацилаза каталізує синтез 7-аміноцефаміцинової кислоти (7-АЦМК) та синтез із неї (7-АЦМК) модифікованих цефаміцинових антибіотиків.

Цефаміцин

7-аміноцефаміцинова кислота

Напівсинтетичні цефаміцини

Стійкість мікроорганізмів до антибіотиків

  • У 1928 році Alexander Fleming зауважив, що плісневий гриб Penicillium notatum викликав лізис колоній золотистого стафілокока (Staphylococcus aureus).

  • Стафілококи синтезують ензими β-лактамази (зокрема пеніциліназу, цефалоспориназу, цефаміциназу і т. д.) які гідролізують зв’язки між 4 і 7 атомами вуглецю у β-лактамному кільці антибіотиків і тим перетворюють їх у неактивні сполуки.

  • β-лактамази діють на пеніциліни, цефалоспорини, цефаміцини та усі інші β-лактамні антибіотики.

  • Вислів “бактерії набувають стійкості до антибіотиків” пояснюється тим, що проходять мутації в геномі бактерій і в них з’являються гени, які кодують β-лактамази, що здатні інактивувати β-лактамні антибіотики.

  • За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я в сільському господарстві менше половини антибіотиків використовують для лікування тварин, а більшість є стимуляторами росту тварин. Це є головною причиною мутацій в геномі бактерій які ведуть до “привикання бактерій до антибіотиків”.

  • Це є головною причиною мутацій в геномі бактерій які ведуть до “привикання бактерій до антибіотиків”.

  • Для людей антибіотики використовують лише з лікувальною метою, але людей уражають ті мікроорганізми що і тварин, а стійкість до антибіотиків вони набувають від сільськогосподарських тварин.

Січень 1997 року

Резистентний різновид чотирьох бактерій, що спричиняють захворювання у людей, передалися від тварин людям і становлять небезпеку для здоров'я людей зокрема це: Salmonella, Campylobacter, enterococci, E. Coli

В Європейському Союзі заборонені

  • 1997 рік – авопарцин (avoparcin);

  • 1 липня 1999 стимулятори росту тварин: віргініаміцин (virginiamycin), спіраміцин (spiramycin), тілозін фосфат (tylosin phosphate) та бацитрацин цинк (bacitracin zinc);

  • Січень 2006 стимулятори росту тварин: монензін натрій (monensin sodium), саліноміцин натрій (salinomycin sodium), авіламіцин (avilamycin) і флавофосфоліпол (flavophospholipol).


Генна інженерія

План

  1. Будова нуклеїнових кислот.

  2. Структура гена еукаріот.

Нуклеотиди:

Основа (пуринова або піримідинова)

Пентоза (дезоксирибоза або рибоза)

Фосфорна кислота (від 1 до 3 залишків)

  1. Нуклеотиди з’єднані естерним зв’язком між фосфатним залишком (знаходиться біля 5’ вуглеця пентози) одного нуклеотида і ОН-групою (знаходиться біля 3’ вуглеця пентози) іншого нуклеотида.

  2. На одному кінці ланцюга є вільна фосфатна група – 5’ кінець, а на іншому кінці ланцюга є вільна ОН-група – 3’ кінець.

Правила Чаргаффа: А – Т; Ц – Г

Транскрипція – синтез РНК “на” ДНК.

Реплікація (редуплікація) ДНК – синтез ДНК “на” ДНК.

Трансляція – синтез поліпептидів “на” м-РНК (і-РНК).

Ген (цистрон) – ділянка ДНК, яка кодує один поліпептидний ланцюг.

Локус – ділянка молекули ДНК на якій знаходяться гени чи регуляторні ділянки.

Кодон – послідовність трьох нуклеотидів. Кожний кодон кодує певну амінокислоту або є сигнальним.

Геном людини складається з 3 000 000 000 пар основ. 20 000-25 000 генів.

Регуляторні гени контролюють транскрипцію.

Структурні гени визначають амінокислотну послідовність білків.

Оперон – ділянка ДНК, яка включає регуляторні та структурні гени.

Промотор – ділянка ДНК з якою зв’язується РНК-полімераза та ініціюється транскрипція (є РНК-полімерази І (А), ІІ (В) та ІІІ (С) – транскрипція генів рРНК, більшості генів та тРНК відповідно). Знаходиться на початку оперона.

Оператор – ділянка ДНК, з якою зв’язується білок репресор в результаті чого блокується транскрипція (якщо репресор не зв’яжеться, то транскрипція відбудеться). Знаходиться після промотора і перед структурними генами. Синтез репресора контролює регуляторний ген, який знаходиться безпосередньо перед опероном, або на певній відстані від нього.

Екзони – ділянки ДНК, які транскрибуються в про-і-РНК та знаходяться в і-РНК.

Інтрони – ділянки ДНК, які транскрибуються в про-і-РНК, але в процесі сплайсингу видаляються і тому відсутні в і-РНК.

Сплайсинг – посттранскрипційна модифікація про-і-РНК, при якій інтрони видаляються, а екзони об’єднуються в і-РНК.

Термінатор – ділянка ДНК, яка відповідає за припинення транскрипції. Знаходиться на кінці транскрипта.

Оперон еукаріот має складний за будовою промотор та екзон-інтронну почерговість структурних генів.

Оперон прокаріот має простіший за будовою промотор та не має інтронів.

ОТРИМАННЯ ГЕНІВ

  • Трансдукція – перенесення генетичного матеріалу в клітину при допомозі вірусного вектора.

  • Сайт – нуклеотидна послідовність в нуклеїновій кислоті (ділянка нуклеїнової кислоти).

  • Праймер – олігорибонуклеотид, який містить від 4 до 10 нуклеотидних залишків.

  • Праймаза – РНК-полімераза.

  • Плазміди – подвійні замкнені в кільце спіралі ДНК з одним, або кількома генами (іноді і без генів). Виявлені в бактеріях (цитоплазма), дріжджах та мітохондріях еукаріотичних клітин. Вони функціонують незалежно від решти генетичного матеріалу, переходять з однієї клітини в іншу. Деякі бактеріальні плазміди можуть включатись в геном і знову відділятись.

  • Епісома – плазміда, яка включається в хромосому клітини і утворює ковалентно-зв’язану структуру.

  • Бактеріофаги – віруси, які розмножуються в бактеріях.

  • Вектор – молекула ДНК, яка здатна до автономної реплікації і включення чужорідної ДНК.

  • Бактеріальні плазміди і епісоми, бактеріофаг λ, деякі онкогенні віруси – це вектори.

Методи отримання генів:

  • Хімічний синтез генів.

  • Ферментативний синтез генів.

  • Виділення генів з природного матеріалу.

Хімічний синтез генів

  • Суть методу: структуру гена встановлюють на основі розшифрованої первинної структури білка чи РНК які кодуються цим геном.

  • Вперше у 1969 році в США здійснив індійсько-американський біофізик Hara Corana (народився 9 січня 1922 року у селі Райпура провінція Пенджаб в той час Індія, тепер Пакистан).

Синтезували ген, який кодує структуру аланінової т-РНК пекарських дріжджів:

  1. Встановили послідовність нуклеотидів в гені на основі послідовності нуклеотидів в т-РНК;

  2. Синтезували фрагменти довжиною 4-13 нуклеотидних пар;

  3. З’єднали окремі фрагменти за допомогою Т4-полінуклеотидлігази (виділена з фага Т4);

  4. Отримали ген довжиною 77 нуклеотидних пар, але він був неактивний, бо не мав регуляторних ділянок (промотора і термінатора).

У 1976 році у цій же лабораторії синтезували ген тирозинової т-РНК:

  1. Довжина 126 пар нуклеотидів, сюди входили промотор (52 пари) і термінатор (21 пара).

  2. До кінців гена були прикріплені “липкі” кінці ААТТ і ТТАА.

  3. Цей ген вмонтували в геном бактеріофагу λ і потім ввели в бактеріальну клітину.

Недоліки отримання генів методом хімічного синтезу:

  • Сам метод трудомісткий;

  • Розшифровка генів еукаріот ускладнена їх екзон-інтронною будовою.

  • Великі за розміром гени складно синтезувати.

Ферментативний синтез генів

ДНК



РНК



Білок

ДНК



РНК



Білок

  • У 1970 році в онкогенних вірусах відкрили фермент зворотну транскриптазу (ревертазу), за допомогою якого ДНК транскрибується з молекул і-РНК.

У 1972 році (США) отримали ділянку ДНК, що була геном глобіну кроля:

  1. Виділяють молекули і-РНК необхідного гена.

  2. На 3’-кінці така молекула і-РНК має кілька аденілових нуклеотидів. До них приєднують ще кілька таких нуклеотидів.

  3. Вносять “затравки” – олігонуклеотиди тиміну (комплементарні аденіловим), які ініціюють процес утворення пар А-Т.

  4. В середовище вносять дезокситрифосфати (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) та фермент зворотню транскиптазу (виділена з віруса пташиного міобластозу) – проходить зворотне транскрибування.

  5. Після завершення транскрипції ланцюга ДНК на матриці і-РНК, отриманий комплекс ДНК-і-РНК обробляють лугом або РНК-азою, щоб звільнити ланцюг ДНК.

  6. На одному ланцюзі ДНК здійснюють комплементарний синтез другого ланцюга ДНК (процес аналогічний реплікації).

Недоліки ферментативного синтезу генів

  • Отриманий таким чином ген не є повноцінний, бо не має регуляторних ділянок (промотора і термінатора) та інтронів, оскільки в і-РНК немає інформації про ці частини гена.

  • Промотор і термінатор синтезують хімічним способом і приєднують до гена.

  • Щоб в гені були інтрони треба виділити не і-РНК, а про-і-РНК, яка не пройшла сплайсингу і містить інтрони.

Виділення генів з природного матеріалу

  • Суть методу – з клітин виділяють ДНК і фрагментують її ензимами для виділення генів.

  • У 1972 році відкрили рестриктази.

  • Рестрикційні ендонуклеази (рестриктази) – це бактеріальні ензими, які розщеплюють ДНК яка потрапляє в бактеріальну клітину з вірусами (захисна дія). До 1985 року індентифікували 100 рестриктаз, сьогодні – близько 400.

  • Дію рестриктаз нейтралізують метилази, які метилюють азотисті основи (рестриктази не розщеплюють метильовані сайти).

Рестриктази розщеплюють ДНК з утворенням двох типів кінців:

  1. Рестриктаза E.coRI (виділена з E.coli) специфічна до зв’язків А і Г. Вона розщеплює ДНК на фрагмети з одноланцюговими послідовостями які є “липкими” кінцями.

  2. Рестриктаза HaeIII (виділена з Haemophilus aegypticus) специфічна до зв’язків Г і А. Вона розщеплює ДНК залишаючи “тупі” кінці.

Недоліки методу виділення генів з природного матеріалу:

  • Важко точно “вирізати” ген з ДНК, тобто залишаються зайві нуклеотиди, які заважають наступному використанню генів, або може бути відсутня необхідна частина гена.

  • Якщо ген дуже малий, то його складно виділити з отриманої суміші.

  • Краще застосовувати для генів прокаріот, що не мають екзон-інтронної (в генів еукаріот) будови, яка ускладнює їх дію.

Рекомбінантні ДНК

  • Рекомбінація – обмін генетичним матеріалом між двома вихідними (батьківськими) молекулами ДНК.

Одержання рекомбінантних ДНК:

  1. Однією рестриктазою розщеплюють ДНК з якої добувають ген (отримують ген з двома липкими кінцями) і ДНК вектора (отримують вутор з двома липкими кінцями).

  2. ДНК-лігазами (які каталізують утворення естерних зв’язків між 3’-ОН-групами і 5’-Р-групами) з’єднують кінці векторної ДНК з кінцями гена. Можна також хімічно синтезувати фрагменти з 6-10 пар основ (лінкери) і ними з’єднати кінці векторної ДНК з кінцями гену.

  3. Вводять таку рекомбінантну ДНК в бактеріальну клітину E.coli, де буде проходити реплікація – відтворення ідентичних рекомбінантних ДНК.

  4. Контролюють експресію необхідних генів.

insulin for diabetics; factor VIII for males suffering from hemophilia A; factor IX for hemophilia B; human growth hormone (GH); erythropoietin (EPO) for treating anemia; three types of interferons; several interleukins; granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) for stimulating the bone marrow after a bone marrow transplant; granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) for stimulating neutrophil production, e.g., after chemotherapy and for mobilizing hematopoietic stem cells from the bone marrow into the blood; tissue plasminogen activator (TPA) for dissolving blood clots; adenosine deaminase (ADA) for treating some forms of severe combined immunodeficiency (SCID); angiostatin and endostatin for trials as anti-cancer drugs; parathyroid hormone; leptin; hepatitis B surface antigen (HBsAg) to vaccinate against the hepatitis B virus; C1 inhibitor (C1INH) used to treat hereditary angioneurotic edema (HANE)
1   2   3

Схожі:

Умкового заняття з модуля Тема: Загальні закономірності метаболізму....
Актуальність теми: Знання основних закономірностей обміну вуглеводів, ліпідів, білків і амінокислот необхідні для розуміння регуляції...
Урок по темі «Класифікація білків» Тема: Класифікація білків
Сформувати уявлення про взаємозвязок будови, складу та властивостей білків;Ознайомити з класифікацією білків та її звязком з будовою...
ТЕМА: Сполуки із змішаними функціями
МЕТА: Вивчити властивості галогено-, гідроксі-, оксо-, амінокислот і білків. Добути оцтовоетиловий естер, використовуючи 10 мл етилового...
ДОСВІД ВИКОРИСТАННЯ ХІРУРГІЧНИХ ЛАЗЕРІВ У ПРОГРАМАХ КОМПЛЕКСНОГО ЛІКУВАННЯ ПАТОЛОГІЇ ШИЙКИ МАТКИ
ЦІН) та їх прогресії у рак шийки матки (РШМ). Молекулярний механізм дії білків ВПЛ (Е2, Е5, Е6, Е7) описано у ряді робіт, в яких...
Обмін білків Заняття №1 (методичка №9)
Відсутність у шлунковому соці вільної соляної кислоти при наявності пепсину носить назву
РОЗ’ЯСНЕННЯ щодо порядку отримання будівельного паспорта забудови земельної ділянки
Для отримання будівельного паспорта замовник звертається до відділу містобудування та архітектури міської ради із заявою, до якої...
Міський етап Всеукраїнської олімпіади з біології 2012-2013 н р. 10 клас
...
1. При дослідженні амніотичної рідини, одержаної в результаті амніо
У клітині штучно блоковано синтез гістонових білків. Яка структура клітини буде пошкоджена?
РОЗ’ЯСНЕННЯ щодо порядку отримання містобудівних умов та обмежень забудови земельної ділянки
...
Тема: Програма Everest. Отримання сумарної інформації про ПК. Отримання...
Для виконання лабораторної роботи була використана программа Everest Ultimate Edition 30. 1900 фірми Lavasys
Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання


При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
Головна сторінка