2014-04-09
3041
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Основные составляющие биотехнологических
Систем
Современное промышленное производство продуктов биосинтеза представляет собой единую биотехнологическую систему, которая складывается из последовательных стадий и операций, количество и особенности которых зависят от вида производимой продукции и ее товарной формы.
Структура и особенности биотехнологии могут охватывать отдельные операции или процесс в целом. Совершенствование биотехнологического процесса может привести к созданию новых структурных единиц и к ликвидации устаревших.
Определяющими факторами в данном случае являются:
- используемый биологический агент;
- субстрат и его биохимические и биофизические характеристики;
- аппаратурное оформление, включая системы контроля и управления;
- технологический режим или способ реализации;
- соответствие технологических процессов, оборудования, помещений, качества продукции и ее упаковки международным требованиям GMP.
Состав любой биотехнологической системы может быть представлен схемой (рис. 3).
| Биотехнологический агент |
| Субстрат |
| Аппаратура для осуществления процесса |
| Продукт |
| Технологический режим |
Рис. 3. Основные компоненты биотехнологической системы
Биологическим агентом биотехнологической системы может быть клетка (прокариот, эукариот) или вирусная частица. Субстратом является питательная среда для культивирования клеток, продуктом биомасса клеток, вирусов или синтезируемое клетками вещество, которому при соответствующей обработке придается товарный вид. Одним из основных элементов аппаратурного обеспечения биотехнологического процесса является биореактор (аппарат-культиватор, ферментер). При определенных параметрах и режимах культивирования в биореакторах можно выращивать практически любые клетки.
Химический состав клетки
Живые организмы синтезируют все химические соединения, которые необходимы для жизнедеятельности и размножения клеток. Преобладающие в клетке высокомолекулярные соединения (полимеры) построены из небольших мономерных молекул. Элементарный состав бактериальной клетки приведен в табл. 7.
Перечень главных физиологических функций важнейших элементов приведен в табл.8.
Таблица 7.
Элементарный состав E. Coli
| Элемент | Процентное содержание на массу сухого вещества | Элемент | Процентное содержание на массу сухого вещества |
| Углерод Кислород Азот Водород Фосфор Сера Калий | Натрий Кальций Магний Хлор Железо Все другие элементы | 0,5 0,5 0,5 0,2 0,3 |
Таблица 8.
Физиологические функции важнейших химических элементов(И.В. Тихонов, 2005)
| Химиче ский элемент | Физиологическая роль |
| Н2 | Входит в состав воды и органических веществ в клетки |
| О2 | Входит в состав воды и органических веществ в клетки, служит акцептором электронов при аэробном дыхании |
| С,N | Входит в состав воды и органических веществ в клетки, белков, нуклеиновых кислот, Коферментов |
| S | Входит в состав белков и некоторых коферментов (кокарбоксилаза) |
| P | Входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов |
| K | Один из главных неорганических катионов клетки, кофактор для некоторых ферментов |
| Mg | Важный катион клетки, неорганический кофактор для ферментных реакций, в том числе и для реакции с участием АТФ, участвует в связывании ферментов с субстратами, входит в состав хлорофиллов |
| Mn | Неорганический кофермент для некоторых ферментов, может заменить Mg |
| Ca | Важный катион клетки, кофактор для некоторых ферментов (протеаз) |
| Fe | Входит в состав цитрохромов и других белков, кофактор для некоторых ферментов |
| Co | Входит в состав витамина В12 и его производных, служащих коферментами |
| Cu,Zn, Mo | Неорганические компоненты некоторых ферментов |
Преобладающие элементы (водород, кислород, азот и углерод) образуют химические связи путем заполнения своих внешних электронных оболочек одним, двумя, тремя и четырьмя электронами соответственно. Это самые легкие элементы периодической таблицы (за исключением водорода), которые способны образовывать краткие химические связи. Из фосфора и серы построено множество соединений, в том числе и все основные четыре класса биополимеров - жиры, липиды, полисахариды (целлюлоза, крахмал, углеводы и т.д.) носители информации (полидезоксирибонуклеиновые ДНК и полирибонуаклеиновые РНК кислоты) и белки. Примерный сравнительный состав бактерий и клеток животных приведен в табл. 9.
Таблица 9.
Примерный состав метаболитов в бактериях и клетках животных
| Компонент | Состав метаболитов, % | |
| Бактерии | Клетки животных | |
| Н2О | ||
| Белок | ||
| Аминокислоты или аминокислотные остатки | 0,4 | 2,1 |
| ДНК | 1,0 | 0,2 |
| РНК | 1,0 | |
| Нуклеотиды или нуклеотидные звенья | 0,4 | 0,03 |
| Углеводы | - | |
| Гликоген | - | 3,8 |
| Липиды | ||
| Фосфолипиды | - | 3,1 |
| Нейтральные липиды | - | 1,6 |
| Стероиды | - | 0,3 |
| Другие малые молекулы | 0,2 | - |
| Неорганические ионы К+Nа+ | 0,4 |
Всем клеткам присущ постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой. Для осуществления процессов питания и размножения необходимы определенные условия и, в первую очередь, наличие питательных материалов, из которых клетки синтезируют составные части своего тела и получают путем окисления различных веществ необходимую энергию.
