Реферат: Компоненты пищи, биосенсоры, микробные ферменты

Медь содержится практически во всех органах и тканях человека: в печени, мозге, сердце, почках, накапливается в мышечной и костной тканях.  Суточная потребность в меди для взрослых составляет около 2 мг. Разнообразное питание обычно ее обеспечивает. Но детям, особенно при малокровии, в пищевой рацион необходимо включать продукты, наиболее богатые этим элементом, - печень, рыбу, овощи, лиственную зелень, черную смородину, клюкву, абрикосы, крыжовник, груши, клубнику. 

Цинк. Норма содержания его в организме человека от 1,5 до 3 г, распределяется он в костях, коже, мышцах, волосах. Основные5 источники цинка - мясо, рыба, яйца, сыры. Богаты им грибы, зерновые, бобовые, орехи. Суточная потребность человека в цинке составляет 10-15 мг.

Хлор, один из минеральных элементов питания достаточно высокой активности.  При обычном питании общее количество хлора у взрослых людей составляет 10-15 г.  Для удовлетворения потребности организма взрослого человека требуется 4-6 г хлора в сутки. Содержание хлора в пищевых продуктах незначительно. Несколько больше его в крупах и бобовых, мало во фруктах и овощах. В продуктах животного происхождения хлора содержится значительно больше.

Минеральные вещества имеют отношение и к красоте. Железо оказывает влияние на чистоту и свежесть кожи. Сера входит в лекарства, применяемые для лечения угрей и перхоти. Йод укрепляет ногти. Магниевые соли придают упругость мышцам и улучшают питание кожи. Кальций, калий, фосфор укрепляют мышцы и кожу. Чем богаче рацион, тем больше в нем необходимых минеральных веществ.

7. Пищевые волокна. Этим термином определяются так называемые балластные вещества, вопрос о роли которых в составе пищи и сохранении функциональной и метаболической стабильности организма относится к наиболее новым и интересным проблемам гигиены питания. Химический анализ этих веществ показал, что в основном это некрахмальные полисахариды, которые могут быть разделены на целлюлозу (клетчатку) и нецеллюлозные полисахариды - гемицеллюлозы, пектин, запасные полисахариды, подобные инсулину и гуару, а также растительные камеди и слизи. Кроме того, в них входит неуглеродное вещество - лигнин. Пищевые волокна содержатся в больших количествах в хлебе из непросеянной муки, орехах, бобовых, несколько меньше их в овощах, корнеплодах, фруктах. Предполагается, что пищевые волокна, содержащиеся в некоторых продуктах питания, оказывают защитное действие против сахарного диабета, ишемической болезни сердца, некоторых заболеваний печени и толстой кишки.  Пищевые волокна в значительных количествах попадают в организм человека вместе с овощами, фруктами, орехами, картофелем, горохом, фасолью и кукурузой.

8. Вода составляет около 70% нашего организма. Чтобы сохранить нормальный уровень воды в организме, мы нуждаемся в постоянном ее пополнении. Добавляя в рацион много фруктов и овощей, мы вводим в организм большое количество дистиллированной воды.

Пища не может быть усвоена без воды. С ее помощью идет превращение белков, крахмалов и жиров в пищу, необходимую для нормальной жизнедеятельности организма. Вода необходима также для стимуляции работы желудка, в кишечнике она помогает формированию фекальных масс и своевременному выводу их из организма.

Человек в среднем потребляет только около 2,5 л воды в день, а в его организме циркулирует до 5 л. Разницу и составляет метаболическая вода.

Биосенсоры - это аналитические устройства, использующие биологические материалы для «узнавания» определенных моле­кул и выдающие информацию об их присутствии и количестве в виде электрического сигнала. Принцип анализа, реализуемый в биосенсорах, основан на том, что биоматериал (ферменты, клет­ки, органеллы, иммунокомпоненты), иммобилизованный на физических датчиках, при взаимодействии с анализируемыми со­единениями генерирует зависимый от концентрации сигнал, ре­гистрируемый преобразователем.

Идея создания такого рода устройств возникла сравнительно недавно, в 60-х годах XX века. Впервые ее высказали Кларк и Лионе в 1967 г. Идея Кларка состояла в использовании фермент­ного электрода, т.е. электрохимического датчика с иммобилизо­ванным на его поверхности ферментом. Затем в обиход вошло понятие «биосенсор» или «биочип». Это важное событие к нау­ке. Здесь отражаются глубокие причины, связанные с так назы­ваемыми интеграционно-синтетическими процессами в науке, приводящими к появлению новых знаний.

Большинство биосенсоров ориентированы на анализ биологи­ческих жидкостей. Действительно, например, в крови находятся тысячи различных соединений. Задача заключается в том, чтобы быстро и эффективно (количественно) определить концентрацию нужного соединения, например, глюкозы. Для людей, страдаю­щих диабетом, это жизненно важный клинический анализ. Био­сенсоры обеспечивают такую возможность.

Функционально биосенсоры сопоставимы с датчиками живо­го организма — биорецепторами, способными преобразовывать все типы сигналов, поступающих из окружающей среды, в элек­трические. Наибольшее распространение сейчас получили био­сенсоры на основе ферментов, Среди таких устройств различают субстратные и ингибиторные биосенсоры. С их помощью реша­ют различные медико-биологические задачи (например, опреде­ление сахара в крови) и контролируют состояние среды обитания (контроль содержания токсикантов). Чувствительность ингиби­торных биосенсоров чрезвычайно высока, например, возможно определение остаточных количеств некоторых пестицидов на уровне 0.01 мкг/л и меньше.

Принципы конструирования биосенсоров. Конструктивно любой биосенсор представляет комбинированное устройство, состоящее из двух принципиальных функциональных элементов: биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический элемент представляет собой биоселектирующую структуру и выполняет функцию биологического элемента распознавания. В качестве бкохимического преобразователя используют все типы биологических структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты и даже живые клетки. Физический преобразователь сигнала, на­зываемый трансдьюсер, преобразует определяемый компонент, а точнее, концентрационный сигнал, в электрический. Для счи­тывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала.

Трансдьюсерами могут быть электрохимические преобразо­ватели (электроды), различного рода оптические преобразовате­ли, гравитационные, калориметрические, резонансные системы. Все виды биоселектирующих элементов можно комбинировать с

различными трансдьюсерами. Это создает большое разнообразие различных типов биосенсоров.

Основными характеристиками, позволяющими биосенсорному анализу успешно конкурировать с традиционными методами, являются оперативность анализа, высокая специфичность и чув­ствительность при низкой стоимости, отсутствие необходимости использовать дорогостоящую аппаратуру и квалифицированный персонал.

Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойст­вами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким Дополнительным операциям, связанным с использованием дру­гих реагентов, концентрированием и т.д. (отсюда и название  безреагентные методы анализа). Существует большое разнообра­зие физических преобразователей: электрохимические (электро­ды), спектроскопические (оптроды), пьезоэлектрические и т.д.

Разработка биосенсоров относится к наукоемким технологиям и представляет одну из ветвей современной биотехнологии. В настоящее время существует несколько типов биосенсоров. Наи­большее развитие получили ферментные и клеточные биосенсо­ры. Например, ферментные электроды, ферментные микрокало­риметрические датчики, биодатчики на основе хеми— и биолю­минесценции.

Ферментные (или безреагентные) электроды – используют электрохимический способ определения веществ, образующихся в ходе ферментативного превращения. Представляют собой электрод с нанесенным поверхностным слоем (каким-либо при­родным полимером), содержащим один или несколько иммоби­лизованных ферментов (иногда фермент может находиться в растворимом состоянии в приэлектродном слое, окруженном мембраной). В зависимости от типа взятого за основу электрода подразделяются на потенциометрические и амперометрические.

Ферментные микрокалориметрические датчики - использу­ют тепловой эффект ферментативной реакции. Состоит из двух колонок (измерительной и контрольной), заполненных носите­лем с иммобилизованным ферментом и снаряженных термисто-рами. При пропускании через измерительную колонку анализи­руемого образца происходит химическая реакция, которая со­провождается регистрируемым тепловым эффектом. Данный тип датчиков интересен своей универсальностью.

Хеми- и биолюминесцентные датчики — регистрируется све­товое излучение с различной длиной волны, испускаемое про­дуктами ферментативной реакции, находящимися в возбужден­ном состоянии. Конструкция включает колонку с иммобилизо­ванными на носителе ферментами (люциферазой, пероксидазой) и светоприемное устройство. Заложенный в систему этого типа датчиков аналитический метод характеризуется, прежде всего, крайне высокой чувствительностью — позволяет определять фем-томольные (10-12М) количества вещества.

Клеточные биосенсоры. Одно из достижений биотехнологии связано с развитием методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы, и применение та­кого рода материалов для решения задач медицины, управляемо­го биосинтеза, анализа. Иммобилизованные клетки обладают рядом удивительных свойств.

 Клетки являются доступным биологическим материалом. Используют клетки растений, животных, человека, ко наи­большее применение нашли клетки микроорганизмов, ко­торые культивируются, легко воспроизводятся и поддер­живаются в чистой культуре. В отличие от ферментов при использовании клеток не требуется дорогостоящих стадий очистки.

Имеющиеся методы иммобилизации: позволяют получить клетки, сохраняющие около 100% активности ферментов и способные функционировать достаточно длительные про­межутки времени. Клетки сохраняют все наиболее важные структуры и проявляют большую стабильность. В некото­рых случаях клетки сохраняют жизнеспособность и актив­ность ферментных систем в течение нескольких лет.

 Клетки сохраняют, как правило, все системы жизнеобеспе­чения. Это позволяет проводить сложные последователь­ные реакции, осуществляя многостадийные процессы.

Для многих типов клеток, особенно микробных, разрабо­таны эффективные методы генетических операций, даю­щие возможность получать мутанты с высоким содержа­нием того или иного белка или фермента, что дает воз­можность оперировать с высокоэффективными каталити­ческими системами. Поскольку клетки сохраняют аппарат биосинтеза белка, потенциально могут быть разработаны высокоэффективные методы генодиагностики. Основными недостатками этих биосенсоров являются мед­ленный отклик электрода, связанный с необходимостью исполь­зовать толстые мембраны, а также сравнительно низкая селек­тивность, обусловленная присутствием в клетке или тканях не­скольких ферментных систем.

Для создания клеточных биосенсоров используют различные физические трансдьюсеры: электрохимические (амперометриче-ские, потенциометрические), оптические, акустические, калори­метрические. Развитие получили биосенсоры с использованием техники LAPS (светоадресуемых потенциометрических сенсо­ров). На основе LAPS-системы созданы достаточно чувствитель­ные системы слежения за физиологическим состоянием отдель­ных клеток - так называемые микрофизиометры.

Для   создания   биосенсоров   используют   микроорганизмы: Neyrospora europea -  для определения аммиака, Trichosporon brassicae - для определения уксусной кислоты, Sarcina flava — для определения глутамина, Azoiobacier vineiaudii — для опреде­ления нитратов и другие. В тканевых электродах используют срезы почек и печени свиньи, срезы желтой тыквы, банана и другие. На основе гриба Aspergilus niger группой японских уче­ных были созданы биосенсоры для определения биогенных ами­нов в мясных продуктах.

Для иммобилизации клеток с сохранением их активности первоначально использовали материалы природного происхож­дения: желатину, агар, альгинат кальция, каррагенан. В послед­ние годы разработаны и развиты методы включения живых кле­ток в синтетические полимерные гели. Особенно интересные и перспективные результаты получены с использованием так на­зываемого метода криоиммобилизации клеток. Процедура крио-иммобилизации состоит из стадии получения суспензии клеток: в растворе полимера, замораживания суспензии с получением криоструктурированных гелей, размораживания с образованием пористого, механически прочного материала, устойчивого до температур 70-80°С. Клетки, включенные в такого рода порис­тый материал, сохраняют активность и способны функциониро­вать в течение нескольких месяцев.

Микробные ферменты все активнее заменяют растительные и животные ферменты. Так, амилазы из Bacillus и Aspergillus за­менили аналогичные ферменты из пшеничного солода и ячменя в пивоварении, хлебопечении и производстве сухого печенья, а также в текстильной промышленности; протеазы из Aspergillus  - животные и растительные протеазы, употребляемые для раз­мягчения мяса: протеазы из Aspergillus и Bacillus lichemformis заменили панкреатические протеазы в процессе размягчения ко­жи (дубления) и в производстве моющих средств; реннины из Mucor — сычужный фермент из желудка телят в сыроварении.

Ферменты и их применение

В настоящее время в промышленных масштабах получают четыре фермента: протеазу, глюкоамилазу, а-амилазу и глюко-зоизомеразу. Мировой рынок данных ферментов оценивается на сумму около 300 млн долл. Ежегодно производится 530 т протеа-зы, 350 т глюкоамилазы, 320 т а-амилазы и 70 т глюкозоизоме-разы. Основными производителями являются европейские ком­пании, причем 60% всей мировой торговли ферментами прихо­дится на датскую фирму «Ново индастри» и голландскую фирму «Гито-Брокадес НВ».

Все ферменты подразделяют на две категории - внеклеточ­ные и внутриклеточные ферменты. К первой категории относят­ся ферменты, выделяемые клеткой в среду, где они расщепляют питательные полимерные вещества до низкомолекулярных со­единений, которые могут проникать в клетку через клеточную стенку. Внутриклеточные ферменты в нормальных условиях сконцентрированы в объеме клетки и в среду не транспортиру­ются. Поэтому для их выделения необходимо разрушить клетки тем или иным способом.

Для некоторых областей применения ферментов необходимы относительно чистые препараты. Например, глюкозооксидаза, применяющаяся в производстве яичного порошка, не должна содержать ферменты расщепления яичного белка. Протеазы, во­димые внутримышечно домашнему скоту перед забоем для мяг­чения мяса не должны содержать никаких соединений, которые могли бы вызвать аллергическую реакцию у потребителей этого мяса. Относительно чистые ферменты применяются в клиниче­ской диагностике и в процессах, связанных с производством и обработкой пищевых продуктов.

В то же время многие из применяемых в промышленности препаратов ферментов очищены в гораздо меньшей степени. Как правило, они содержат ряд ферментов с различными каталитиче­скими свойствами.

Ценность, полученных микробиологическим способом фер­ментов наиболее ярко демонстрирует превращение крахмала в кукурузную патоку с высоким содержанием фруктозы, заме­няющую сахарозу в безалкогольных напитках. Хотя этот процесс внедрен в производство недавно, он уже дает более 2 млн. т па­токи в год. Превращение крахмала происходит в три этапа, на которых субстрат последовательно подвергается воздействию а-амилазы, глюкоамилазы и глюкозоизомеразы.

Стоимость выработанной патоки зависит исключительно от эффективности способа получения ферментов. Буньи Маруо и его сотрудники из Университета Нихон увеличили выход а-амилазы из Bacillus subtilis почти в 200 раз, комбинируя класси­ческие методы мутагенеза и селекции с техникой генетической рекомбинации. Они обнаружили ряд регуляторных механизмов, контролирующих синтез а-амилазы; действуя совместно, эти регуляторы повышают выход фермента в отобранных штаммах В.subtilis.

Технология рекомбинантных ДНК была использована также для производства температуроустойчивой а-амилазы. Бактерия B.subtilis растет при комнатной температуре, и синтезируемая ею а-амилаза легко денатурируется при нагревании. Если бы фер­мент обладал активностью при повышенной температуре, ката­литическое расщепление крахмала до глюкозы протекало бы с более высокой скоростью. Один из возможных путей для полу­чения такого фермента - это встраивание в геном B.subtilis гена а-амилазы из термофильной бактерии. Термофильные бактерии живут при повышенной температуре, и их ферменты устойчивы к нагреванию. Однако эти бактерии не могут служить источни­ком а-амилазы, так как организация их генома изучена плохо. Шойи Шиномия и его сотрудники из Токийского университета продемонстрировали, что введение в В.subtilis гена а-амилазы из термофильной бактерии приводит к увеличению выхода термо­стабильной а-амилазы.

Другим путем повышения эффективности производства фруктозы могла бы стать замена трех этапов утилизации крахма­ла одним. Этого можно достичь, включив в геном одного орга­низма гены для а-амилазы, глюкоамилазы и глюкозоизомеразы Превращение крахмала в кукурузную патоку с высоким содер­жанием фруктозы проходило бы тогда в одном ферментацион­ном сосуде.

Протеазы в промышленных масштабах выделяют из орга­низмов животных (из поджелудочной железы), высших растений (из соков и латексов), а также из дрожжей, плесеней и бактерий.

Протеазы применяются в производстве моющих средств, в химической чистке, при мягчении мяса, в сыроделии (только реннин), дублении, извлечении серебра из фотографических пленок и бумаг, производстве препаратов, способствующих пи­щеварению, а также в медицине при лечении воспалительных процессов и ран.

В качестве добавок к моющим средствам ферменты применя­лись, начиная уже с 19.13 г. Особенно резкий рост потребления протеаз в производстве детергентов наблюдался в конце 1960-х гг. наибольшего уровня производство ферментов для этих целей достигло в 1969 г., когда с ферментными добавками выпускалось 30-75% всех моющих средств в Западной Европе и 40% в США. Затем Федеральная комиссия по торговле США высказала опа­сение, что детергенты опасны для здоровья человека и окру­жающей среды. В результате в 1970-1971 гг. производство бак­териальных протеолитических ферментов резко сократилось. Позднее Федеральная комиссия сняла предупреждение. Были. внедрены усовершенствованные методы. В результате уже в 1980 г. в США было произведено протеаз на сумму около 6 млн. долл.

Различные методы мягчения разделанных мясных туш осно­ваны на использовании недорогих и устойчивых к действию теп­ла растительных протеаз папаина и бромелаина. До разделки и расфасовки целые туши подвергают действию протеаз при тем­пературе около 15°С с одновременным облучением ультрафио­летом, что предотвращает развитие нежелательных микроорга­низмов.

Сырые ферментные препараты поджелудочной железы раз­личных животных содержат все пищеварительные протеазы и обладают мощной активностью. Поэтому они используются для обезволашивания (удаления волос) шкур животных.

В молочной промышленности широко применяется только один фермент - реннин. Реннин превращает растворимый казеи­нат кальция в относительно малорастворимый параказеинат кальция, осаждающийся в виде творожного сгустка. Нехватка животного реннина стимулировала разработку методов получе­ния аналогичных бактериальных ферментов. С помощью мето­дов генетической инженерии реннин теленка теперь получают с помощью микроорганизмов.

Свободные или внеклеточные ферменты находят все более широкое применение в медицине.

Ферменты, применяющиеся в медицине

Протеазы применяются в медицине и клинической практике в качестве способствующих пищеварению средств, а также при лечении тяжелых ран. Поскольку ферменты представляют собой белки, то способствующие пищеварению ферменты применяют только в капсулах, предохраняющих ферменты от кислой среды    желудка, которая неминуемо вызвала бы их разрушение. Из при­меняемых в медицине протеаз нет ни одного, который был бы выделен из организма человека.

Введение протеаз животных человеку применяется также для подавления воспалительных процессов в тканях. В отличие от живых мертвые клетки обычно не способны защищать себя от действия протеаз. На этом различии основано применение рас­творов протеаз для лечения вирулентных ран. Протеазы способ­ствуют размягчению омертвевшей ткани и клеток, облегчая тем самым дренаж ран и ускоряя их заживление.