Transcript ppt, 3,1 Mb

ТОПТ . БИОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
БИОТЕХНОЛОГИИ
Биотехнология – это отрасль науки, сочетающая в себе черты
как биологии, так и техники. Биотехнология изучает пути
изменения окружающей среды в связи с потребностями
человека.
Цель - интенсификация производства и получения новых видов
продуктов.
Как отрасль промышленности биотехнология включает в себя
промышленную микробиологию, техническую биохимию,
генную инженерию и клеточную инженерию.
Междисциплинарная природа биотехнологии
Генетика
Биохимия
Химия
Микробиология
Электроника
БИОТЕХНОЛОГИЯ
Биохимическая
технология
Научные основы
получения пищевых
продуктов
Механическая
технология
Химическая
технология
Некоторые направления, развивающиеся на основе биотехнологии,
и продукты, получаемые с ее помощью
Отрасль
Примеры
Сельское хозяйство
Получение новых штаммов, новые методы
селекции растений и животных (включая
клонирование)
Производство химических
веществ
Получение органических кислот,
использование ферментов в составе моющих
средств
Энергетика
Увеличение потребления биогаза,
крупномасштабное производство этанола как
жидкого топлива
Контроль за состоянием
окружающей среды
Улучшение методов тестирования и
мониторинга, прогнозирование превращений
ксенобиотиков, благодаря более глубокому
пониманию биохимии микроорганизмов,
усовершенствованию методов переработки
бытовых и промышленных отходов, защита
атмосферы, охрана земель, очистка вод,
использование возобновляемых источников
энергии, переработка отходов растительности
Отрасль
Примеры
Пищевая промышленность Создание новых методов переработки и
хранения пищевых продуктов,
получение пищевых добавок,
использование белка, синтезируемого
одноклеточными организмами, и
ферментов при переработке пищевого
сырья
Материаловедение
Выщелачивание руд, дальнейшее
изучение и контроль биоразложения
Медицина
Применение ферментов для
усовершенствования диагностики,
создание датчиков на основе
ферментов, использование
микроорганизмов и ферментов при
производстве сложных лекарств
БИОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Н2
Электричество
Метан
Этанол
Н2О2
Н2О
Свет
(например,
солнечный)
Биомасса (углероды, белки, нуклеиновые кислоты, жиры, лигнин и пр.)
Биомасса
представляет
собой
постоянно
возобновляемый источник химической энергии:
метан, этиловый спирт или водород.
 Производство
сырья
для
химической
промышленности
 Пища для людей
1. Пищевые продукты и напитки
1.1. Брожение
Производство различных сортов пива, вина и
сброженных .продуктов.
Брожение – это процесс микробиологического синтеза.
Исходным сырьем для процессов брожения
являются
углеводороды
–
крахмал,
сахар,
целлюлоза. Конечным продуктом могут служить
спирты (спиртовое брожение), кислоты (брожение
уксуснокислое, пропионовокислое, маслянокислое,
молочнокислое, а также СО2 и другие соединения)..

СЕМА ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ
С6Н1206 → 2С02 + 2С2Н5ОН
Сырье – отходы производства сахара, крахмал кукурузы или
картофеля. Процесс осуществляется с использованием
микроорганизмов, имеющих оптимум развития при 48–50С,
так что такая высокая температура снижает опасность
заражения посторонней микрофлорой. Брожение продолжается
6–8 суток, в течение которых через определенные промежутки
времени постоянно добавляют сахар.
Молекула аденозинтрифосфата
NH 2
N
N
N
N
H2C
OH OH
O
O
P
OH
O
O
O
O
P
OH
O
P
OH
O
Генная инженерия
Генная инженерия — совокупность приёмов, методов и
технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК,
выделения генов из организма (клеток), осуществления
манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Генная инженерия является инструментом биотехнологии,
используя исследования таких биологических наук, как
молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика,
микробиология, вирусология.
Состав ДНК и РНК
пуриновые и пиримидиновые основания, углеводы
(рибоза и дезоксирибоза), фосфорная кислота
Нуклеиновые основания
N
N
Пиримидин
N
N
NH
N
Пурин
A — А: Аденин;
G — Г: Гуанин;
C — Ц: Цитозин;
T — Т: Тимин (5-метилурацил), не встречается в РНК,
занимает место урацила в ДНК;
U — У: Урацил, не встречается в ДНК, занимает место
тимина в РНК
Нуклеиновые основания
Пиримидиновые
CH3
HN 3 4 5
2
O
1
N
NH2
O
O
HN
N
6
H
Урацил Ura
(2,4-диоксопиримидин)
O
N
H
Тимин Thy
(5-метил-2,4диоксопиримидин,
5-метилурацил
O
N
H
Цитозин Cyt
(4-амино-2оксопиримидин)
Нуклеиновые основания
Пуриновые
NH2
N1 6 5
4
2
3
N
O
N
7
8
9
N
N
HN
H2N
N
N
H
H
Аденин Ade
(6-аминпурин)
Гуанин Gua
(2-амино-6-оксопурин)
Углеводы в составе ДНК и РНК
HOH2C
OH
O
HO
R
R=OH -D-рибофураноза
R=H 2-Дезокси--D-рибофураноза
НУКЛЕОЗИДЫ
Соединение пентозы и азотистого основания называется нуклеозидом.
Гетероциклическое
основание
HOH2C
B
O
HO
R
Общая структура нуклеозида
R=OH Рибонуклеозид
R=H Дезоксирибонуклеозид
N-гликозидная
связь
НУКЛЕОЗИДЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ РНК
(РИБОНУКЛЕОЗИДЫ)
O
NH2
H
N
HOH2C
N
N
Урацил
O
HOH2C
N
O
HO
O
OH
Уридин (U)
HO
OH
Цитидин (C)
Цитозин
O
НУКЛЕОЗИДЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ РНК
(РИБОНУКЛЕОЗИДЫ)
O
NH2
N
N
HOH2C
N
N
N
HOH2C
O
HO
OH
OH
Гуанозин (G)
Аденозин (А)
N
Аденин
O
HO
H
N
N
Гуанин
NH2
НУКЛЕОЗИДЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ РНК
(РИБОНУКЛЕОЗИДЫ)
C
N
N
HOH2C
Гипоксантин
HN 1
6
N
2
5
Урацил
3 NH
4
O
С-гликозидная
связь
O
OH
Инозин
NH
HOH2C
O
HO
O
HO
OH
Псевдоуридин
НУКЛЕОЗИДЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ ДНК
(ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОЗИДЫ)
NH2
O
CH3
H
N
HOH2C
N
N
Тимин
O
HOH2C
N
O
O
O
HO
Цитозин
OH
Тимидин (dU)
HO
Дезоксицитидин (dC)
НУКЛЕОЗИДЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ ДНК
(ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОЗИДЫ)
NH2
N
N
HOH2C
O
N
N
Аденин
N
HOH2C
O
O
HO
Дезоксиаденозин (dА)
H
N
HO
Дезоксигуанозин (dG)
N
N
Гуанин
NH2
Нуклеотиды
нуклеотид - вещество, состоящее из азотистого основания, сахара и
остатка фосфорной кислоты
NH2
N
N
Аденин
O
N
HO
P
O
CH2
N-гликозидная
связь
O
HO
Сложноэфирная
связь
HO
N
OH
D-рибоза
Аденозин-5'-фосфат,
5'-адениловая кислота
NH2
N
N
Аденин
N
HO CH2
N
N-гликозидная
связь
O
3'
O
HO
OH
P
O
OH
Сложноэфирная
связь
Аденозин-3'-фосфат,
3'-адениловая кислота
СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
5'-Конец
(P-конец)
5' - 3'
3'-Конец
(OH-конец)
Сложноэфирные связи
5'
фосфат
3'
пентоза
Основание
Нуклеотидное звено
3'
5'
фосфат
пентоза
Основание
Гликозидные связи
Общее строение полинуклеотидной цепи
3'
5'
фосфат
пентоза
Основание
СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
NH2
N
5'-Конец
N
A
N
пентоза
N
O CH2
O
фосфат
NH2
N
P
O
CH2
пентоза
C
O
O
O
N
OH
N
пентоза
NH
основание
G
O
N
P
основание
фосфат
O
O
O
основание
O
N
CH2
O
OH
фосфат
NH2
пентоза
O
H3C
фосфат
NH
O
O
P
основание
T
O
CH2
N
O
O
OH
3'-Конец
O
d(…A—С—G—Т...)
O
P
OH
Первичная структура участка
цепи ДНК
СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
СБОРКА ПОЛИМЕРНОЙ
ЦЕПИ ДНК из фрагментов
фосфорной
кислоты и
дезоксирибозы
СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
ПРИСОЕДИНЕНИЕ К
ПОЛИМЕРНОЙ ЦЕПИ
АЗОТСОДЕРЖАЩИХ
ГЕТЕРОЦИКЛОВ
Первичная структура нуклеиновых кислот
Щелочной гидролиз
Рибонуклеотиды Щелочной гидролиз
Рибонуклеозиды + Фосфорная кислота
Кислотный
гидролиз
Гетероциклические основания + D-Рибоза
СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Вторичная структура нуклеиновых кислот
число пуриновых оснований в ДНК всегда равно числу
пиримидиновых, количество аденина равно количеству
тимина, а гуанина — количеству цитозина. Такая
закономерность получила название правило Чаргаффа.
Какой-либо пурин в одной цепи всегда связан водородными
связями с одним из пиримидинов в другой цепи. Аденин
может спариваться лишь с тимином, а гуанин только с
цитозином. При этом между аденином и тимином
образуются две водородные связи, а между гуанином и
цитозином три. Противоположные последовательности и
соответствующие полинуклеотидные партнеры называются
комплементарными.
Объемная модель молекулы ДНК
РАЗМЕЩЕНИЕ ДВУХ ПОЛИМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ ДНК и образование водородных связей между
парами А – Т и Г – Ц. Свободные валентности на концах цепи (отмечены красным и синим
цветом) указывают на полимерный характер молекул ДНК. Цепи располагаются, чтобы их
направление было противоположным (см. расположение синих и красных свободных
валентностей), именно в этом случае группы А, Т, Г и Ц оказываются оптимально
ориентированными навстречу друг другу.
Вторичная структура нуклеиновых кислот
Упаковка молекулы ДНК в хромосоме
В состав каждой из хромосом входит одна молекула
ДНК, состоящая из двух связанных между собой нитей и
имеющая вид двойной спирали толщиной 2 нм.
По своей структуре ДНК напоминает закрученные
ступеньки, и поэтому ее определяют как двойную
закрученную спираль. Она состоит из двух очень
тонких нитей, которые соединены перемычками.
Структурными единицами этой спирали являются
нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трех
частей: сахара, остатка фосфорной кислоты и
азотистого основания (аденина, тимина, цитозина или
гуанина).
Два основания, аденин - тимин и цитозин - гуанин,
соединяясь между собой с помощью водородной
связи, образуют ступеньки спиральной лестницы.
Остатки фосфорной кислоты образуют перила
лестницы, а молекулы сахара являются связующими
звеньями одной цепи молекулы ДНК. Молекула ДНК
состоит из отдельных фрагментов, называемых
генами
Вторичная структура нуклеиновых кислот
NH
O
C
NH
H
H3C
O
NH
H
N
N
N
N
К цепи
N
N
O
Тимин
Аденин
1,11 нм
К цепи
N
Вторичная структура нуклеиновых кислот
H
N
N
O
H
H
N
N
N
N
N
К цепи
O
H
N
H
Гуанин
Цитозин
1,08 нм
К цепи