Курсовая работа: Биосинтез аминокислот

4. ПРОМЫШЛЕННЫЙ СИНТЕЗ АМИНОКИСЛОТ

Промышленное производство аминокислот осуществляется двумя способами: микробиологическим и химическим.

4.1 Микробиологический синтез

Микробиологический синтез основан на выращивании определенных видов микроорганизмов на питательных средах, имеющих подходящий источник углерода. Чаще всего это сахара, содержащиеся, например, в патоке. Мутированные микроорганизмы с нарушенным азотным обменом выделяют в раствор большое количество какой-либо одной аминокислоты. После окончания процесса ферментации аминокислоту выделяют из раствора химическими методами

Путем микробиологической ферментации получают основное количество глутаминовой кислоты и весь лизин. У этого процесса свои преимущества и свои недостатки. С одной стороны, в нем мало стадий и требуется относительно простая и универсальная аппаратура. С другой стороны, живые микроорганизмы, с которыми приходится работать, очень чувствительны к малейшему изменению условий, а концентрация целевого продукта получается низкой, что ведет к увеличению размеров аппаратуры.

Существует способ микробиологического получения фенилаланина при помощи тирозин - и метиониндефицитного мутанта Brevibacterium lactofermentum. В периодическом процессе ферментации достигнута концентрация продукта 24,8 г/л. Однако для данного процесса требуются сложные и дорогие среды. Определенный интерес представляют биосинтез фенилаланина ауксотрофным мутантом Е. coli, который можно культивировать в глюкозной среде с фосфатами. Процесс ферментации осуществляют доливным методом с рециркуляцией биомассы. Биомасса в реакторе 60 - му часу достигает 45 - 50 г/л, а концентрация фенилаланина - 22,4 - 22,8 г/л. Продуктивность системы 0,72-0,86 г/( лч ); выход продукта 0,11г.

4.2 Химический синтез

Химический синтез более универсален, чем микробиологический, и позволяет получать соединения любой возможной структуры. Здесь используется непищевое минеральное сырье, достигается любая концентрация продукта, однако, как правило, процесс многостадиен и требует более сложной аппаратуры.

Оба способа обеспечивают получение природных аминокислот необходимой степени химической и оптической чистоты. Так что в конечном счете, когда речь идет о промышленном производстве, последнее слово остается за экономикой: по данным зарубежных специалистов, при больших масштабах химические методы становятся более рентабельными.

Наиболее широко разработан промышленный синтез метионина- аминокислоты, главным потребителем которой является птицеводство. Исходным веществом служит пропилен - продукт крекинга нефти. Пропилен окисляется до акролеина, который в результате серии реакций, превращается в рацемический метионин.

В результате химического синтеза обычно получается смесь равных количеств L и D - изомеров аминокислот, в то время как в состав белков входят исключительно L-изомеры. Эти же изомеры питательны. D-изомеры организмом, как правило, не усваиваются и являются балластом. Следовательно, необходимо разделение, что неминуемо отрицательно сказывается на экономике. В последнее время в области расщепления рацемических смесей аминокислот достигнуты серьезные успехи. В работах СВ. Рогожина и В.А. Даванкова показано, что оптически неактивные аминокислоты, будучи ковалентно присоединены к нерастворимому полимерному носителю, легко образуют комплексы с медью, никелем и т.п. другая рацемическая аминокислота, находящаяся в растворе, занимает два вакантных координационных места у атома металла, причем прочность комплексов L - и D - изомеров различна. Сколь ни мало это различие, будучи повторенным многократно в процессе хромотографии, оно обеспечивает полное или частичное разделение оптических антиподов. Наилучшие результаты получены с DL - пролином, который может быть препаративно разделен на оптические изомеры.

Усилие многих исследователей направлены также на разработку такого химического синтеза, который давал бы только один желаемый природный оптически активный изомер - изомер, синтезируемый живой природой, - ассиметрического синтеза. В этом направлении за последние годы достигнуты серьезные успехи. В работах А. Кагана (Франция ) и Е, Корна ( США ) достигнуты практически количественные оптические выходы. Чрезвычайно заманчивым представляется воспроизведение путей синтеза аминокислот природными ферментными системами. Большое количество таких синтезов осуществляется пироксальзависимыми ферментами, причем сразу получается нужный оптический изомер аминокислоты. Большой вклад в изучение этих процессов сделан академиком А.Е. Браунштейном (Россия) и профессором Ю. Снеллом (США).

Российские ученые поставили своей целью найти химические системы, которые могли бы не только моделировать биохимические реакции, но и осуществлять процессы, не проходящие в живом организме. В качестве такой системы были выбраны комплексы шиффовых оснований аминокислот с ионами переходных металлов. Предпологалось, что салициловый альдегид в этих комплексах будет играть роль лиридоксаля, увеличивая реакционную способность С - Н - связи аминокислоты, ион металла будет делать тоже самое, но еще удерживать систему в жестком плоском состоянии, что в природе обеспечивает белок фермента. Общая диссимметрия комплекса позволяла надеяться, что в природе обеспечивает белок фермента. Общая диссиметрия комплекса позволяла надеяться, что реакция может быть проведена стереоспепифически, т.е. в результате дать оптически активную кислоту.

Такие реакции в природе не идут, а практическая ценность их заключается в том, что при этом сразу получается глутаминовая кислота. Таким образом, открывается путь нового общего синтеза аминокислот, проходящего в чрезвычайных условиях.

Несравненно сложнее оказатось воспроизвести другую сторону действия природных ферментов - ассиметричеекий синтез. Для этого комплексы были разделены на оптически активные антиподы.

5. ПРИМЕНЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ

Белки всех организмов от вируса до человека состоят из 21 аминокислоты, которые по своей биологической ценности делятся на заменимые ( их для построения белков организм может синтезировать сам с достаточной скоростью ) и незаменимые (их он синтезировать не может и должен получать из вне из пищи ). Каждый белок содержит определенное количество каждой аминокислоты. Если в потребляемом белке какой - либо незаменимой аминокислоты нет или мало, белок организма не будет построен. Отсюда необходимость балансирования рациона, что приводит к увеличению их питательной ценности.

На рисунке (4) в качестве этанола взят казеин- питательный животный белок. Заштрихованная в линейку часть каждой колонки соответствует питательной ценности природного белка в единицах КЭБ ( коэффициент эффективности белка). Добавление в продукт некоторого количества лизина, первой лимитирующей аминокислоты, приводит к резкому увеличению питательности, добавление второй лимитирующей аминокислоты повышает питательность до уровня животных белков.

Рис. 4 Увеличение питательной ценности белка добавлением лимитирующих аминокислот в единицах КЭБ

Балансирование рациона широко используется в сельском хозяйстве. По данным М.Ф. Томмэ, И.Ф. Ткачева, включение 0,2 - 0,5 % лизина в рацион поросят и цыплят позволяет снизить расход кормового белка на 25 % и повысить продуктивность животных на 10-13 %. Обобщая результаты исследований, как российских, так и зарубежных авторов получаем, что при организации производства 20 тысяч тонн лизина в год можно получить дополнительно 1,2 миллиона тонн мяса и сэкономить 3,6 миллионов тонн белкового корма. По мнению голландского экономиста Н. Маргудера, 0,125% лизина в корме свиней, состоящем из кукурузной муки и земляного ореха, дают чистую прибыль 100%.

Балансирование зерновых продуктов чистыми аминокислотами пока не нашло себе широкого применения в пищевой промышленности, хотя оно улучшает питательные свойства растительного белка, и, следовательно, увеличивает количество белка, пригодного для использования в пищу. Последнее особенно важно, так как появляется реальная возможность обеспечить быстро растущие потребности в пищевом белке без одновременных изменений характера рационов и органолептических свойств продуктов Не менее успешно применяются аминокислоты в медицине. После тяжелых операции, ожогов и т.п. организм человека очень часто не может усваивать белок в количестве, необходимый для процессов регенерации, и это приводит к ухудшению состояния больного. Тогда прибегают к аминокислотному питанию. Прекрасный терапевтический эффект, достигаемый в этих случаях, вызывает большую потребность в смесях аминокислот. Смесью, не содержащей фенилаланина, кормят детей, страдающих фенилпировиноградной олигофренией.

Аминокислоты служат исходными веществами для синтеза полипептидов, многие из которых являются сильнейшими физиологически активными соединениями, а также для создания других лекарственных препаратов.

Наконец, в процессе поликонденсации аминокислоты образуют полимеры, которые, не обладая биологической активностью белков, похожи на них своим строением и лимитируют некоторые их важные физические свойства. Искусственные шерсть, шелк и кожа, полученные с участием аминокислот по эксплуатационным показателям не уступают естественным материалам.

Несмотря на широкое использование аминокислот в медицине, промышленности и сельском хозяйстве, главным их потребителем остается пищевая промышленность. Так, глутамат натрия ( натриевая соль глутаминовой кислоты ) - мощный усилитель вкуса. Во многих странах его добавляют во все продукты при консервировании, замораживании, при длительном хранении; он находит применение и в общественном питании и в домашнем хозяйстве в виде смеси со столовой поваренной солью. Из смеси из аминокислот составляют также композиции, имитирующие вкус и запах пищевых продуктов.

Потребление аминокислот в мире возрастает ежегодно на 10 %. Их производство характеризуется следующими цифрами

Заключение

Данная курсовая работа посвящена промышленному биосинтезу аминокислот. Благодаря этой работе я выяснила, что существуют следующие способы получения аминокислот:

1.  Биосинтез аминокислот, который включает в себя одноступенчатый и двухступенчатый методы;

2.  Промышленный синтез аминокислот - микробиологический и химический синтез.

Рассмотрели получение аминокислот с помощью иммобилизованных ферментов и клеток, а также технологию получения лизина и глутамата.

Установила применение аминокислот не только в медицине, но и в сельском хозяйстве для того чтобы снизить расход кормового белка; и в пищевой промышленности в качестве консервантов и усилителей вкуса

Список использованных источников

1.  Е.А. Строев. Биологическая химия. М., Высшая школа, 1986.

2.  М.Е. Беккер, Г.К. Лиепинын, Е.П. Райпулис. Биотехнология. М., ВО Агропромиздат, 1990.

3.  У.Э. Виестур, И.А. Шмите, А.В. Жилевич. Биотехнология. Био технологические агенты, технология, аппаратура. Рига, Зинатне, 1987.

4.  Г.К. Лиепинын, М.Э. Дунцэ. Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии. Рига, Зинатне, 1986.

5.  Н.П. Блинов. Основы биотехнологии. СПБ., Наука, 1995.

6.  Л.И. Воробьев. Промышленная микробиология. М., МГУ, 1989.

7.  С.Д. Варфоломеев, С.В. Калюжный. Биотехнология. Кинетические основы микробиологических процессов. М., Высшая школа, 1990.

8.  В.М. Беликов. Аминокислоты, их химический синтез и применение. Вестн. АН СССР, 1973.

9.  Дж.   Бейли, Д. Оллис. Основы биохимической инженерии, т. 1. М„ Мир, 1989.

10.  Г.С. Муровцев, Р.Г. Бутенко, Т.Н. Тихоненко, М.И. Прокофьев. Основы сельскохозяйственной биотехнологии. М., ВО Агропромиздат, 1990.

11.  Биотехнология: принципы и применение. Под ред. И. Хиггинса, Д.Беста, Дж. Джонса. М., Мир, 1988.