II Семестр
Тема 5. НІТРОГЕНОВМІСНІ ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ
Урок 55
Тема уроку. Успіхи у вивченні й синтезі білків. Поняття про біотехнології. Біологічне значення амінокислот і білків
Цілі уроку: формувати в учнів поняття про сучасний рівень вивчення білків як природних полімерів; ознайомити учнів з головними напрямами розвитку біотехнологій; показати значення амінокислот і білків для живих організмів; формувати уявлення про матеріальну єдність світу, діалектичні положення про організацію речовини “від простого
Тип уроку: комбінований урок засвоєння знань, умінь і навичок і творчого застосування їх на практиці.
Форми роботи: евристична бесіда, виконання вправ, лабораторна робота, міні-конференція.
Лабораторна робота 4. Кольорові реакції білків.
ХІД УРОКУ
I. Організація класу
II. Актуалізація опорних знань.
Мотивація навчальної діяльності
1. Фронтальна робота
Лабораторна робота 4. Кольорові реакції білків
Для білків характерними є кольорові реакції, з допомогою яких проводять якісний хімічний аналіз білків.
– Біуретова реакція
– Ксантопротеїнова реакція (для білків, що містять бензольне кільце) – дія концентрованої нітратної кислоти з появою жовтого забарвлення. У разі додавання лугу жовте забарвлення змінюється на жовтогаряче.
– Цистеїнова реакція (для білків, що містять Сульфур) – кип’ятіння розчину білка з плюмбум(ІІ) ацетатом до появи чорного забарвлення.
2. Повідомлення учнів про біологічні функції білків та амінокислот
3. Чому білкову їжу не можна на тривалий час замінити їжею, що містить лише жири й вуглеводи?
4. Чотири рівні організації білкових молекул
III. Вивчення нового матеріалу
УСПІХИ У ВИВЧЕННІ Й СИНТЕЗІ БІЛКІВ. ПОНЯТТЯ ПРО БІОТЕХНОЛОГІЇ
1. Вступне слово вчителя
Біотехнологія – виробниче використання біологічних агентів (мікроорганізмів, рослинних клітин, тваринних клітин, частин клітин: клітинних мембран, рибосом, мітохондрій, хлоропластів) для одержання цінних продуктів і здійснення цільових перетворень.
У біотехнологічних процесах також використовуються такі біологічні макромолекули, як рибонуклеїнові кислоти (ДНК, РНК), білки (найчастіше ферменти). ДНК або РНК необхідні для перенесення чужорідних генів у клітини.
Люди були біотехнологами тисячі років: пекли хліб, варили пиво, готували сир, інші молочнокислі продукти, використовуючи різні мікроорганізми й навіть не підозрюючи про їхнє існування. Власне термін “біотехнологія” з’явився в нашій мові не дуже давно, замість нього вживалися словосполучення “промислова мікробіологія”, “технічна біохімія” та ін. Мабуть, найдавнішим біотехнологічним процесом було бродіння. На користь цього свідчить опис процесу приготування пива, виявлений 1981 р. під час розкопок Вавилона на дощечці, що датується приблизно VI тисячоріччям до н. е. У ІІІ тисячоріччі до н. е. шумери виготовляли близько двох десятків видів пива. Не менш давніми біотехнологічними процесами є виноробство, хлібопечення й одержання молочнокислих продуктів. У традиційному, класичному, розумінні біотехнологія – це наука про методи й технології виробництва різних речовин і продуктів з використанням природних біологічних об’єктів і процесів.
Термін “нова” біотехнологія, на противагу “старій” біотехнології, застосовують для поділу біопроцесів, що використовують методи генної інженерії й нову біопроцесорну техніку й більш традиційні форми. Так, звичайне виробництво спирту в процесі бродіння – “стара” біотехнологія, але використання в цьому процесі дріжджів, поліпшених методами генної інженерії з метою збільшення виходу спирту, – “нова” біотехнологія.
Головні напрями біотехнології: біоенергетика, контроль над забрудненням навколишнього середовища, біогеотехнологія, сільськогосподарська біотехнологія, біоелектроніка, біотехнології в нафтовій промисловості, медицині, харчовій промисловості.
Важливою складовою біотехнології є генетична інженерія. Вона виникла на початку 70-х рр. минулого століття, але сьогодні вже досягла значних успіхів. методи генної інженерії перетворюють клітини бактерій, дріжджів і ссавців на “фабрики” для масштабного виробництва будь-якого білка. Це дає можливість детально аналізувати структуру й функції білків і використовувати їх як лікарські засоби.
Наразі кишкова паличка (E. coli) стала постачальником таких важливих гормонів, як інсулін і соматотропін. раніше інсулін одержували з клітин підшлункової залози тварин, тому вартість його була дуже висока. Для одержання 100 г кристалічного інсуліну потрібно 800-1000 кг підшлункової залози, а одна залоза корови важить 200-250 г. Це робило інсулін дорогим і важкодоступним для широкого кола діабетиків. 1978 р. дослідники з компанії “Генентек” уперше одержали інсулін у спеціально сконструйованому штамі кишкової палички.
2. Історія розвитку біотехнологій
Уперше термін “біотехнологія” застосував угорський інженер Карл Ерекі в 1917 р.
Використання в промисловому виробництві мікроорганізмів або їхніх ферментів, що забезпечують технологічний процес, відомі здавна, однак систематизовані наукові дослідження дозволили істотно розширити арсенал методів і засобів біотехнології.
Так, 1814 р. петербурзький академік К. С. Кірхгоф відкрив явище біологічного каталізу й намагався біокаталітичним шляхом одержати цукор з доступної вітчизняної сировини (до середини ХІХ ст. цукор одержували лише з цукрової тростини). 1891 р. у США японський біохімік Дз. Такаміне одержав перший патент на використання ферментних препаратів у промислових цілях: учений запропонував застосувати діастазу для оцукрювання рослинних відходів.
На початку XX ст. активно розвивалися бродильна й мікробіологічна галузі промисловості. У той же час було здійснено перші спроби налагодити виробництво антибіотиків, харчових концентратів, отриманих із дріжджів, здійснювати контроль над ферментацією продуктів рослинного і тваринного походження.
Перший антибіотик – пеніцилін – удалося виділити й очистити до прийнятного рівня в 1940 р., що поставило нові завдання: пошук і налагодження промислового виробництва лікарських речовин, які продукуються мікроорганізмами, робота над здешевленням і підвищенням рівня біологічної безпеки нових лікарських препаратів.
Незважаючи на те що перші успішні досліди з трансформації клітин екзогенної ДНК були поставлені ще в 1940-ві Ейвері, Маклеодом і Маккарті, перший комерційний препарат людського рекомбінантного інсуліну було отримано лише в 1970-ті. Уведення сторонніх для генома бактеріальних клітин генів здійснюють з використанням так званих векторних ДНК: наприклад, плазміди, наявні в бактеріальних клітинах, а також бактеріофаги та інші мобільні генетичні елементи можуть бути використані як вектори для перенесення екзогенної ДНК у клітину реципієнта.
3. Трансгенні технології
Одержати новий ген можна шляхом:
А) вирізання його з геномної ДНК хазяїна з допомогою рестрицію – ючої ендонуклеази, що каталізує розрив фосфодіестерових зв’язків між певними азотистими основами в ДНК на ділянках з певною послідовністю нуклеотидів;
Б) хіміко-ферментативного синтезу;
В) синтезу к-ДНК на базі виділеної з клітини матричної РНК з допомогою ферментів ревертази й ДНК-полімерази, при цьому ізолюється ген, що не містить незначних послідовностей і здатний експресуватися за умови підбору відповідної промоторної послідовності в прокаріотичних системах без наступних модифікацій, що найчастіше необхідне для трансформації прокаріотичних систем еукаріотичними генами, які містять нітрони й екзони. Після цього векторну молекулу ДНК обробляють рестриктазою з метою утворення дволанцюгового розриву, а в “утворений пролом” у вектор з допомогою ДНК-лігази “вклеюється” ген. Потім такими рекомбінантними молекулами трансформують клітини реципієнта, наприклад клітини кишкової палички. У трансформації з використанням як вектора, наприклад, плазмідної ДНК необхідно, щоби клітини були компетентними для проникнення екзогенної ДНК у клітину, для чого використовують, наприклад, електропорацію клітин реципієнта. Після успішного проникнення в клітину екзогенна ДНК починає реплікуватися й експресуватися в клітині.
Трансгенні рослини
Трансгенні рослини – це ті рослини, яким “пересадили” гени інших організмів.
Картопля, стійка до колорадського жука, була створена шляхом уведення гена, виділеного з генома грунтової тюрінгської бацили Bacillus thuringiensis, що виробляє білок Cry, який є протоксином. У кишечнику комах цей білок розчиняється й активується до істинного токсину, що згубно діє на личинок та імаго комах; у людини та інших теплокровних тварин ця трансформація протоксину неможлива й, відповідно, цей білок для людини не токсичний і безпечний. Обприскування спорами Bacillus thuringiensis використовувалося для захисту рослин і до одержання першої трансгенної рослини, але було малоефективним. Продукція ендотоксину всередині тканин рослини істотно підвищила ефективність захисту, а також економічну ефективність завдяки тому, що рослина сама почала продукувати захисний білок. Шляхом трансформації рослини картоплі з допомогою Agrobacterium tumefaciens отримали рослини, що синтезують цей білок у мезофілі листка та інших тканинах рослини й, відповідно, не вражаються колорадським жуком. Цей підхід використовується й для створення інших сільськогосподарських рослин, резистентних до різних видів комах.
Трансгенні тварини
Як трансгенні тварини найчастіше використовуються свині. Наприклад, існують свині з людськими генами: їх вивели як донорів людських органів.
Японські генні інженери ввели в геном свиней ген шпинату, який виробляє фермент FAD2, здатний перетворювати жирні насичені кислоти на лінолеву – ненасичену жирну кислоту. У модифікованих свиней на 1/5 більше ненасичених жирних кислот, ніж у звичайних.
Зелені світні свині – трансгенні свині, виведені групою дослідників з Національного університету Тайваню шляхом уведення в ДНК ембріона гена зеленого флуоресцентного білка, запозиченого у флуоресціюючої медузи Aequorea victoria. Ембріон було імплантовано в матку самки свині. Поросята світяться зеленим кольором у темряві й мають зеленкуватий відтінок шкіри й очей на денному світлі. Головна мета виведення таких свиней, як заявили дослідники, – можливість візуального спостереження за розвитком тканин під час пересадки стовбурових клітин.
4. Промислова біотехнологія
Головні напрями біотехнології
Умовно можна виокремити такі головні напрями біотехнології: біотехнологія харчових продуктів, препаратів для сільського господарства, препаратів і продуктів для промислового й побутового використання, лікарських препаратів, засобів діагностики й реактивів. Біотехнологія також включає вилуговування й концентрування металів, захист навколишнього середовища від забруднення, деградацію токсичних відходів і збільшення видобутку нафти.
Біоенергетика
Рослинний покрив Землі становить понад 1800 млрд. т сухої речовини, що енергетично еквівалентно відомим запасам енергії корисних копалин. Ліси становлять близько 68 % біомаси суходолу, трав’яні екосистеми – приблизно 16 %, а оброблювані землі – лише 8 %.
Для сухої речовини найпростіший спосіб перетворення біомаси на енергію полягає в згорянні: воно забезпечує тепло, що, у свою чергу, перетворюється на механічну або електричну енергію. Що ж до сирої речовини, то в цьому випадку найдавнішим і найбільш ефективним методом перетворення біомаси на енергію є одержання біогазу (метану).
Біотехнологія як наука є найважливішим розділом сучасної біології, що, як і фізика, стала наприкінці XX ст. одним із провідних пріоритетів у світовій науці й економіці.
Сплеск досліджень з біотехнології у світовій науці відбувся у 80-х рр. минулого століття, коли нові методологічні й методичні підходи забезпечили перехід до їх ефективного використання в науці та практиці й виникла реальна можливість отримати від цього максимальний економічний ефект. За прогнозами, уже на початку ХХІ ст. біотехнологічні товари мають становити чверть загальної світової продукції.
5. Зв’язок біотехнології з іншими науками (за в. І. Кефелі, 1989)
Розглядаємо й коментуємо зв’язок біотехнологій з іншими науками.
IV. Підбиття підсумків уроку
Підбиваємо підсумки уроку, оцінюємо роботу учнів на уроці.
V. Домашнє завдання
Опрацювати матеріал параграфа, відповісти на запитання до нього, виконати вправи.
Творче завдання: підготувати повідомлення про головні напрями застосування біотехнологій.
(2 votes, average: 5,00 out of 5)