Оқу-әдістемелік материалдар №1 басылым 08. 09. 2016 ж 5В070100 «Биотехнология» мамандығының студенттеріне арналған «Биотехнология нысандары»

Зат алмасу физиологиялық – ас қорыту, сіңіру, бөліп шығару, физикалық-химиялық-сорбция, диффузия, биопотенциалдар, биохимиялық-заттардың синтезделуі, ыдырауы, өздігінен- өзі құралуы сияқты т.б әртүрлі кейде қарама-қарсы процестерді айтамыз.

Зат алмасудың негізгі 3 кезеңі:

1. 
   Ас қорыту (тамақтану биохимиясы)
   
2. 
   Аралық алмасу (клетка ішілік зат алмасу)
   
3. 
   Бөліп шығару (түзілген соңғы заттар)
   

Полимерлердің мономерлерге дейін ақуыздың амин қышқылдарына, көмірсулардың моносахаридтерге, майлардың май қышқылына және глицеринге дейін ыдырауы.

Ас қорыту процесі асқазан жолдрында жүреді, яғни асқазанға түскен ас қорытылып, ішектің кілегейлі қабатына сіңіріледі.

Аралық зат алмасу, басқа сөзбен айтқанда метоболизм – тірі клеткада жүретін барлық химиялық процестерден тұрады. Тірі клеткада көптеген биохимиялық реакциялар жүреді.

Метоболизм— көптеген мультиферменттік жүйелердің өзара тығыз байланысының арқасында іске асатын клетканың белгілі бір бағытқа бағытталған, аса мұқият ұйымдасқан белсенділігі.

Метоболизм қызметі:

1. 
   Клетканың ағзаға түскен тамақтың ыдырауынан түзілетін энергиямен қамтамасыз ету.
   
2. 
   Тамақты кіші молекулалы заттарға дейін ыдыратып, оларды басқа макромолекулаларды құрауға қолдануға дайындау.
   
3. 
   Ақуыз, нуклеин қышқылдары, майлар, полисахаридтер т.б сияқты макромолекулаларды, биополимерлерді олардың құрамды бөліктерінен жинау, құрастыру.
   
4. 
   Клетканың арнаулы қызметі үшін қажет биомолекулалардың синтезі мен ыдырауы (гормондар,медиаторлар, кофакторлар).
   

АТФ → АДФ + Фн

Клеткадағы катаболиздік және анаболиздік реакциялар бірінен-бірі тәуелсіз болады және бір мезгілде жүреді. Бұл екеуі зат алмасудың біртұтастығын және оның мазмұнын көрсетеді. бұл реакцияларды ферменттер катализдейді және және оны эндокриндік жүйе мен орталық нерв жүйесі басқарып, реттейді. Катаболизм және анаболизм нәтижесінде түзілетін қосылыстар метаболиттер немесе- аралық өнімдер деп аталады. Катаболизм диссимиляция деп, ал анаболизм ассимиляция деп те аталады.

Негізгі қоректік заттар (белоктар, көмірсу және майлар)-күрделі де жоғары молекулалы қосылыстар. Сондықтан олар ас қорыту жолында ішек-қарын қабырғасы арқылы сорылып, организмге ене алмайды.Ол заттар организмге сіңіп,оның құрам бөлігіне айналу үшін оларды ыдырату және қарапайым молекулалы заттарға айналдыру қажет.Қоректік заттардың ыдыракп айырылуы әр-түрлі ферменттердің әсері арқылы іске асады және ол ас қорыту процесі деп аталады.

Зат алмасу қарқыны

1. 
   Белок алмасу
   
2. 
   Көмірсу алмасу
   
3. 
   Май алмасу
   
4. 
   Су алмасу
   
5. 
   Минерал алмасу
   

Биологиялық мембраналар ең алдымен клетка метаболизмінің биохимиялық, клеткалық және физиологиялық деңгейде интеграциялық және дифференциялық ( іріктеу және басқару ) жүйесі. Биохимиялық деңгейде болатыны биомембранасыз АТФ-тың синтезі,мысалы гормондардың зат алмасуға әсері жүрмейді.Клеткалық және субклеткалық деңгейде болатыны мембранасыз ядроның, митохондрийдің, лизосомалардың, цитоплазманың өз қызметтерін істеуі мүмкін емес.

1. 
   бүтін ағзада
   
2. 
   мүшелер мен тіндер кесінділерінде.
   

Әдетте тұрақты изотопты элементтер қолданылады, олар бір бірінен организмдегі салмағы кең таралған элементтер (ауыр изотоптар) немесе радиактивті изотобы бойынша ерекшеленеді.

Тұрақты изотоптар ішінде жиі қолданатын салмағы екіге тең сутек изотобы (дитериі, 2Н), массасы 15 ке тең азот(15 N), массасы 13 болатын көміртек(13С) және массасы 18 оттек(18О). Радиактивті изотоптардың ішінен қолданылатын сутек изотобы (трити, 3Н), фосфор(32Р және 33Р), көміртек (14С), күкірт (35S), йод (131I), темір (59Fe), натрий(24Na) және т.б.

Қорыта келгенде, метаболизм – катабализм мен анаболизмнің үздіксіз бірлігі. Метаболиттердің тұрақты концентрациясы (глюкоза,ақуыз, май қышқылдары), синтез бен ыдырау процестерінің динамикалық тепе теңдігі.

Биологиялық мембраналар ең алдымен, клетка метаболизімінің биохимиялық, клеткалық және физиологиялықдеңгейде интеграциялық және дифференциялық(іріктеу және басқару) жүйесі. Биохимиялық деңгейде болатын биомембранасыз АТФ- тың синтезі, гормондардың зат алмасуға әсері т.б. жүрмейді.

Дәріс 5,6.Өсімдік клеткаларының және жануар клеткаларының топтасуының негізгі белгілері

Өсімдік және жануар клеткаларының ұқсастықтары (4-кесте):

—            өсімдік және жануар клеткаларының жалпы құрылыстары ортақ, яғни екеуінің де беттік кешені, цитоплазмасы және ядросы бар;

—            мембраналық құрылымдары ортақ;

—            химиялық құрамдары ұқсас;

—            зат пен энергия алмасу үрдістері ұқсас жүреді, цитоплазма мен ядрода жүретін көптеген химиялық үрдістерінің жолы ұқсас, мысалы, ақуыз синтезі, ДНҚ репликациясы және т.б.;

—            клетканың бөлінуі кезінде тұқымқуалаушылық ақпаратын ұрпаққа берулері бірдей;

—            бөліну үрдістері бірдей.

Өсімдік және жануар клеткаларының айырмашылықтары:

—            өсімдік клеткасының клетка қабықшасы, пластидтер, ірі вакуольдері бар, клетка орталығы жоқ;

—            жануарлар клеткаларында клетка орталығы бар;

—            жануарлар клеткалары қоректенуі гетеротрофты;

—           

Прокариот ұғымы “ядроға дейінгі”, ал эукариот – “жақсы немесе анық ядросы бар” дегенді көрсетеді. Пішіні әр түрлі. Біржасушалы клеткалардың арасында денесі өте қарапайым құрылысты (хлорелла,амеба), сондай-ақ күрделі құрылысты (ацетабулярия,инфузория) болып келетіндері де бар. Біржасушалы клеткалартеңізде,өзенде,шалшықтысуларда,құрлықтада кездеседі. Олардың арасында басқажануарларғажем болатын, сондай-ақадаммен жануарлардыауруғашалдықтыратын түрлері де кездеседі.

           Прокариоттардың мөлшері өте кішкентай, ұзындығы 1—10 мкм. Прокариоттардың эукариоттарданайырмашылығы — олардың айқындалған органоидтері, яғниэндоплазмалықторы, Гольджи жиынтығы,митохондрияларыболмайды. Жануарлардың және өсімдіктердің жасушаларында жаксы айқындалған түйіршіктер болады. Олар — нәруыз, май жәнегликогенсияқты қор заттарынан тұрады. Прокариоттың эукариоттан негізгі айырмашылығы — онда қалыптасканядросыжәнехромосомаларыболмайды. ПрокариотДНҚ-сыныңэукариотДНҚ-сынан айырмашылығы — мұндаДНҚ-ның сыртын нәруыздар қаптап тұрмайды және пішіні сақина тәріздес болып келеді. Прокариот жасушаларындамембранақұрылымы болады, олармикроорганизмдердіңэнергетикалық процестеріне қатысады. Мысалы, көк-жасыл балдырлардыңмембранақұрылымындахлорофиллболады және оларфотосинтезпроцесін жүзеге асырады. Кейбір микроорганизмдердемембранақұрылымдары аэробты тыныс алу процестеріне катысады. Негізінен, прокариоттар клетканың жай екіге бөлінуі арқылы көбейеді, яғни аналық клетка екі жас клеткаға тікелей бөлінеді. Прокариот клеткаларының эукариот жасушаларынан айырмашылығы – олардың генетикалық материалы – сақиналы ДНҚ құрамына ақуыздар кіретін күрделі хромосомаларға жинақталмаған және де мембранамен қапталмаған. Прокариоттарда белгілі бір қызметтер атқаратын мембраналық құрылымдары болмайды. Бактериялар екіге жай бөліну арқылы көбейеді, сондай-ақ екі клетка арасында генетикалық ақпарат алмастыру түрінде жүретін жыныстық көбеюді байқауға болады. Прокариоттар клеткаларының пішіндеріне сәйкес ұсақ болып келеді. Олардың көлемі шамамен 1-10 мкм. Прокариот клеткаларының құрылымы мен химиялық құрамдарында өздеріне тән ерекшеліктері болады.  Цитоплазмалық мембранадан тыс орналасқан құрылымдары (жасуша қабықшасы, капсула, сілемейлі қап, талшықтар, ворсинкалар) көбінесебеттік құрылымдар деп аталады. Цитоплазмалық мембрана мен цитоплазма протопласт деп аталады.

Эукариоттар (грек. еu – жақсы, толығымен және karyon – ядро) – құрамында ядросы бар организмдер. Эукариоттарға барлық жоғары сатыдағы жануарлар мен өсімдіктер, сондай-ақ бір немесе көп жасушалы балдырлар, саңырауқұлақтар және қарапайымдар жатады. Эукариоттар жасушалары прокариоттармен салыстырғанда күрделі келеді. Эукариот жасушалары көптеген ішкі мембраналармен жеке бөліктерге бөлінеді. Бұл бөліктерде бір мезгілде бір-біріне тәуелсіз әр түрлі химиялық  реакциялар жүреді. Бұл жасушаларда ядро мен түрлі органеллалар (митохондрия, рибосома, Гольджикешені) қызметтері жақсы жіктеледі. Клетка ядросы, митохондриялар, пластидтер цитоплазмадан екі қабат мембрана арқылы шектеледі. Ядрода жасушаның генетикалық материалдары (ДНҚ, онымен байланысқан заттар) шоғырланады. Өсімдік жасушаларының хлоропластары негізінен Күн сәулесін сіңіріп, оны фотосинтез нәтижесінде органикалық заттардың химиялық энергиясына айналдырса, митохондриялар көмірсулар, майлар, белоктар, т.б. органикалық қосылыстарды ыдыратып энергия түзеді. Эукариот жасушалары цитоплазмасының мембраналық жүйесі (эндоплазмалық тор,Гольджикешені) – жасуша әрекетін қамтамасыз ететін макромолекулаларды түзіп, жинақтайды. Эукариот жасушалары митоз жолымен бөлінеді. Эукариот клеткаларының прокариоттардан негізгі ерекшелігі – олар жеке-жеке компоненттерге бөлшектенген, яғни көптеген мембраналық органеллалары  болады.  Эукариоттардың ақуызбен байланысқан ДНҚ-ы  хромосомаларға жинақталып, қос мембранамен қапталған ядрода орналасады. Эукариот клеткаларының пішіндері прокариоттарға қарағанда ірі келеді. Прокариот пен эукариот клеткаларының негізгі ерекшеліктері төменде нақты көрсетілген.

- өсімдік және жануар клеткаларының жалпы құрылыстары ортақ, яғни екеуінің де беттік кешені, цитоплазмасы және ядросы бар;

- мембраналық құрылымдары ортақ;

- химиялық құрамдары ұқсас;

- зат пен энергия алмасу үрдістері ұқсас жүреді, цитоплазма мен ядрода жүретін көптеген химиялық үрдістерінің жолы ұқсас, мысалы, ақуыз синтезі, ДНҚ репликациясы және т.б.;

- клетканың бөлінуі кезінде тұқымқуалаушылық ақпаратын ұрпаққа берулері бірдей;

- бөліну үрдістері бірдей.

Жануар клеткасында пластидтер, клетка орталығы болмайды, пішіні әр түрлі болып, клетканың сыртын қатты қабық глюкокаликс қаптайды .Ал, өсімдіктер клеткасында өсімдіктерге түс беріп тұратын пластидтері болып, клетка қабығы целлюлозадан тұрады.

1. 
   Әрбір клеткада өзіндік сыртқы қаңқа- клетка қабықшасының болуы;
   
2. 
   тұрақты вакуольді жүйенің болуы;
   
3. 
   өсімдіктердің жоғары синтездік қабілеттілігіне байланысты протопласта арнайы органелла – пластидтердің болуы;
   
4. 
   эргастикалық қосындылардың жиналуы: әртүрлі қоректік қор заттары (клетканың барлық бөлімдерінде) және зат алмасудың зиянды өнімдері (вакуольде);
   
5. 
   кариокинезде центриольдің болмауы және фрагмопластың цитокинезде пайда болуы.
   

Дәріс 7,8.Микроорганизмдер мен олардың метаболизм өнімдері биотехнологиялық объекті ретінде

Микробиотехнология өндірісінің негізгі объектілері болып микробтар мен вирустар (вироидтар мен фагтарды қоса алғанда), бактериялар мен зең саңырауқұлақтары, протозоа туыстары есептелінеді. Кейбір жағдайларда микробиотехнология өндірісінің биообьектісі ретінде, микробтардың біріншілік өнімі болып табылатын қайсібір ферменттер де бола алады.

Өсімдіктер мен хайуандар жасушаларына қарағанда, микробтар өте тез көбею қабілеттіліктеріне ие болуы себебінен, олардағы барлық зат алмасу реакциялары да өте жоғары қарқында жүреді. Микроорганизмдердің биообъект ретіндегі басқалармен салыстырғандағы артықшылықтары қатарына:

1. 
   олардың геном құрылымының қарапайымдылығы;
   
2. 
   табиғи немесе жасанды орта жағдайына тез бейімделгіштіктері (лабильділіктері);
   
3. 
   бұларда жүретін ферментативті реакцияларының қарқынды жүруі нәтижесінде қысқа мерзімде олардың массасының тез артуы жатады.
   

Екінші артықшылықтарын бактериялар мен зең саңырауқұлақтарын мысалға ала отырып көрсетуге болады. Мысалы, температураға төзімділіктеріне байланысты микробтар психрофильді (тіршілік ету аясы 20⁰С-тан төмен), мезофильділер (тиісінше 20-45⁰С аралығы ) және термофильділер (45⁰С-тан жоғары ортада тіршілік ете алады) деп бөлінетіндіктері белгілі. Бірақ та жоғарыда келтірілген температуралық шамалардан асып кететін жағдайлар да кездеседі. Атап айтсақ, Xanthomonas pharmiicola туысына жататын психрофильді бактериясы 0-ден +40⁰С дейінгі температуралық орталықта өсе алса, мезофильді бактериясына жататын lactobacillus lactis 20 мен 50⁰С аралықтарында, ал термофильді Bac. Coaculans бактериясы 20-дан 65⁰С аралықтарында да өмір сүре алады екен.

Микроорганизмдер жасушаларының үшінші үлкен ерекшеліктері – олардағы зат алмасу үдерістерінің қарқынды жүруі екендігі жоғарыда айтылды. Бір микробтық жасушасы минутына 10-100000 дейін ақуыз молекуласын синтездей алады. Көптеген микроорганизмдер массасының 2 еселену уақыты 0,3-2 сағат арасында болады. Бұл ең жоғарғы өнімді өсімдіктермен салыстырғанда 500 рет, ал жоғарғы өнімді асыл тұқымды малдардан 1000-5000 рет жылдам екенін көрсетеді. Тағы бір үлкен көңіл қоятын мәселе, кейде жасушалардың барлық биохимиялық активтілігі өздерінің өсуі мен көбеюіне ғана бағытталмай, керісінше адамдарға қажет заттарды ситездеуге жұмсалады және микроорганизмдердің мұндай қабілетін реттеп, оның қарқындылығын арттыруға да болады.

Микробиологиялық синтездің тиімділігі субстрат ретінде меласса, сүт сарысуы, мұнай және т.б. өнімдердің қалдықтары мен екіншілік шикізат көздерін қолдану мүмкіндігімен артады.

Микроорганизмдер қолданылатын өндірістерді шартты түрде 2 топқа бөледі :

1. Тамақ және ашу өндірісі. Тамақ және ашу өндірісінде, ауылшаруашылық шикізаттарын өңдеуде микроорганизмдердің қолданылуы технологиялық циклдың белгілі бір сатысында шектеледі. Яғни, микроорганизмдердің жоғарғы биомассасын дақылдау және олардың метаболизмінің өнімдерін жинау мен тазартуды қажет етпейді, мұндай өндіріс орындарын микробиологиялық өнеркәсіпке жатқызбайды.

2. Микробиологиялық өнеркәсіп. Микробиологиялық өнеркәсіптің негізгі технологиялық сатысы микроорганизмдерді дақылдау болып табылатын өндіріс.

Микробиологиялық өнеркәсіпті өз кезегінше технологиялық белгілері бойынша екі топқа бөледі:

Ал көп тоннажды өндірістің негізгі ерекшеліктері қатарына – өнімді бөліп алу сатысының қарапайымдылығы, олардың сұйық түрде өндірілуі және өнімдердің термотөзімділігіне байланысты жылумен кептіруге болатындығын жатқызуға болады.

Микробиологиялық өндірістің технологиялық үдерістері жалпылай алғанда келесі сатылардан тұрады:

• 
  себінді материялды дайындау;
  
• 
  қоректік орталарды дайындау және залалсыздандыру;
  
• 
  микроорганизмдерді дақылдау (микроб синтезі);
  
• 
  қажетті (соңғы, құнды) өнімді бөліп алу;
  
• 
  дәрмектердің тауарлы өнімдерін алу (кептіру, ұнтақтау, стандарттау және қаптау).
  

Микробиологиялық синтездердің өнімдерін 3 түрге бөледі:

1. Негізгі активті компоненті ретінде тіршілік етуге қабілетті, тірі микроорганизмдерден тұратын биологиялық дәрмектер (өсімдіктерді қорғайтын заттар, бактериялы тыңайтқыш заттары, ұйытқылары және т.б.).

2. Инактивирленген жасушалар және олардың өңделген өнімдерінен құрылған биологиялық дәрмектер (азықтық, ашытқылар, саңырауқұлақтың мицеллиялары).

3. Микроорганизмдер метаболизмінің тазаланған өнімдері негізіндегі биологиялық өнімдер (дәрумендер, амин қышқылдары, ферменттер, антибиотиктер).

Бұл өнімдерді химиялық табиғатына және өндіруші түріндегі (продуцент) микробтық жасушалар үшін мәніне байланысты 3 топқа бөледі:

1. Молекулалық массасы 10000-нан бірнеше мыңға дейінгі үлкен молекулалық заттар (ферменттер, полисахаридтер).

2. Бірінші реттік метоболиттер, яғни микрооргизмдер өсуі үшін қажетті қосылыстар (амин қышқылдары, дәрумендер, пуринді және пиримидинді нуклеотидтер және т.б.).

3. Екінші реттік метаболиттер, яғни микроорганизмдердің өсуіне қажетсіз қосылыстар (антибиотиктер, токсиндер, алкалоидтар).

ТМД елдерінде жемдік азық ретінде ағаш гидролизаты және мұнай көмірсутегі негізіндегі микробтық ақуыздың көп тоннажды өндірісі құрылған. Мұндай өндірістегі ашытқылардың бір жылдық жалпы өнімі 1 млн. тоннаға тең деп есептелінеді. Бұл өнімде, шамамен, 20 млн. тонна аралас жемдік азықты және тауық шаруашылығы мен шошқа шаруашылығында қосымша 1 млн. тонна етті ақуызбен байытуға мүмкіндік беретін 60%-ға жуық протеин болады. Сонымен бірге көптеген дәрумендер, амин қышқылдарынан – лизин, активтендіретін және антибактериялық әсері бар микробиологиялық дәрмектер, бактериялық тыңайтқыштар, ферментті дәрмектерді өндіру жолға қойылған.

Биотехнологиядағы техникалық дамудың негізгі критериялары ретінде – субстратты терең өңдеу, максималды шығымдылық және өнімнің химиялық тазалығы болып табылады.
Бактериялар, алуантүрлілігі және оларды биотехнологияда қолдану.
Бактериялар (гр. βακτήριον — таяқша) — көбінесе біржасушалы болатын прокариотты микроорганизмдер тобы. Қазіргі уақытта он мыңға жуық бактериялық түрлер сипатталған және олардың саны миллионнан астам деп жорамалданады.

Бактериялардың басым көпшілігі (актиномицеттер мен жіпшелі цианобактериялардан басқа) біржасушалы. Жасушалар пішініне қарай олар дөңгелек (коккалар), таяқша тәрізді (бацилла, клостридия, псевдомонад), ирек (вибрион, спирилла, спирохета), сирек – жұлдыз тәрізді, тетраэдр, кубтық, С- немесе О- пішінді болады. Пішіні бойынша бактериялардың жабысу, қозғалу, қоректік заттарды сіңіру қасиеттері анықталады.

Міндетті жасушалық құрылымнан үшеуін көрсетеді:

- нуклеоид

- рибосомалар

- цитоплазмалық мембрана (ЦПМ)

Бір біріне қатысты дара жасушалардың орналасуына байланысты келесі топтарға бөлінеді:

1)микрококкалар – жасушалар жеке және ретсіз орналасады;

2) диплококкалар – екі кокканың тұтасуы;

3) стрептококкалар – әр түрлі ұзындықтағы тізбек түрінде орналасады;

4) тетракоккалар – төрттен тұтасқан жеке коккалар;

5) стафилококкалар – жүзім шоғын еске салатын коккалардың жиыны;

6) сарциналар – пакеттер немесе тайламалар тәрізді, әрқайсысында 8-16 коккадан.

Бактериялар ұзын және қысқа, жуан және жіңішке, тік және иілген, үшкір, дөңгелек немесе тік ұштармен болуы мүмкін. Олар спора түзуші (бациллалар) және спора түзбейтіндер (бактериялар) болып бөлінеді. Жасушалардың бір-біріне қатысты өзара орналасуына байланысты олар дара, диплобактериялар және диплобациллалар, стрептобактериялар және стрептобациллалар болып жіктеледі.

Шиыршықты-ирек бактериялар ұзындығы, саны және иректердің көлеміне қарай келесідей жіктеледі: