Источники и роль отдельных витаминов
К билету №1
В условиях биотехнологических исследований:
1. Приведите обоснования биологической активности сульфаниламидов.
Сульфаниламиды служат иллюстрацией известного в фармакологии принципа конкурентного ингибирования. Фолиевая кислота необходима для роста многих бактерий. Она представляет собой предшественник пуринов, участвующих в образовании ДНК и РНК, а ее предшественником служит парааминобензойная кислота (ПАБК); сульфаниламиды по структуре близки последней.
Некоторые бактерии, например, стрептококки, синтезируют собственную фолиевую кислоту из ПАБК. Сульфаниламиды настолько сходны с последней, что поглощаются бактериями, и настолько отличаются от нее, что не дают возможности довершить синтез фолиевой кислоты. В результате такого «диетического» и метаболического обмана бактерии оказываются лишенными фолиевой кислоты и их размножение прекращается. Сульфаниламиды, таким образом проявляют бактериостатическое действие. В организме человека фолиевая кислота не синтезируется: он использует уже готовую, поступающую из листовых овощей, в результате чего его клетки не повреждаются при метаболизме сульфаниламидов.
К билету №2
Культуры тканей растений – продуценты лекарственных веществ
| № п/п | Растительный объект | Продукт | |
| Алкалоиды | |||
| 1. | Catharanthus roseus | аймалин | |
| 2. | То же | катарантин | |
| 3. | То же | серпентин | |
| 4. | Coffea Arabica | кофеин | |
| 5. | Coptis japonica | берберин | |
| 6. | Macleaya microcarpa | протопин | |
| 7. | Peganum garmala | гармановые алкалоиды | |
| 8. | Rauwolfia serpentine | аймалин | |
| 9. | Thalictrum minus | берберин | |
| 10. | Ammi visnaga | виснагин | |
| 11. | Ruta graveolens | рутакридон | |
| Антраценпроизводные | |||
| 12. | Cassia tora | антрахиноны | |
| 13. | Morinda citrifolia | антрахиноны | |
| Нафтохиноны | |||
| 14. | Dithospermum erythrorhizon (Воробейник) | шиконин | |
| Сапонины | |||
| 15. | Panax ginseng (Жень-шень) | панаксозиды | |
| 16. | Panax notoginseng | то же | |
| 17. | Dioscorea deltoideum | диосгенин | |
| 18. | Tripterygium wilfordii | дитерпеноид трипдиолид | |
| 19. | Coleus blumei | розмариновая кислота | |
| 20. | Nicotiana tabacum (табак) | убихинон-10 |
По сравнению с традиционным растительным сырьем клеточные культуры обладают следующими преимуществами:
1. Получение биомассы независит от влияния различных факторов окружающей среды (климат, сезон, погода, почвенные условия, вредители). Таким образом, возможно получение различных полезных веществ растительного происхождения независимо от географического положения, климата стран6ы и времени года.
2. Более высокий выход и качество продукта благодаря оптимизации и стандартизации условий выращивания.
К билету №3
В условиях биотехнологических исследований:
1. Объясните роль витаминов и их производных.
2. Назовите источники витаминов.
3. Определите преимущества их получения методами биотехнологии.
Витамины – жизненно важные органические соединения, необходимые для человека и животных в ничтожных количествах, но имеющие огромное значение для нормального роста, развития и самой жизни. Витамины обычно поступают с растительной пищей или с продуктами животного происхождения, поскольку они не синтезируются в организме человека и животных. Большинство витаминов являются предшественниками коферментов, а некоторые соединения выполняют сигнальную функцию. Суточная потребность в витаминах зависит от типа вещества, а также от возраста, пола и физиологического состояния организма (период беременности и кормления ребенка, физические нагрузки, состояние упитанности). При нормальном питании суточная потребность организма в витаминах удовлетворяется полностью. Недостаточное или неполноценное питание (например, несбалансированная диета у пожилых людей, недостаточное питание у алкоголиков, потребление полуфабрикатов) или нарушение процессов усвоения и использования витаминов могут быть причиной различных форм витаминной недостаточности, вплоть до авитаминоза. Важная роль в обеспечении организма рядом витаминов (В12, Н) принадлежит микрофлоре пищеварительного тракта. Поэтому дефицит витаминов может возникать вследствие медикаментозного лечения с использованием антибиотиков.
До настоящего времени остается неясным, почему организм человека и многих животных испытывает потребность в витаминах. Предполагают, что у животных это связано с утратой вследствие мутаций некоторых стадий синтеза коферментов, в то время как такие стадии сохранились без изменений у микроорганизмов и растений. Во всяком случае, наличие в пищевом рационе предшественников, необходимых для биосинтеза коферментов, а также готовых витаминов, позволяет компенсировать дефекты эндогенного синтеза, вызванные такими мутациями.
Только немногие из витаминов такие, как D, Е, В12 могут накапливаться в организме. Поэтому витаминная недостаточность быстро влечет за собой болезни витаминодефицита, затрагивающие состояние кожи, клетки крови и нервную систему организма. Витаминная недостаточность излечивается посредством полноценного питания с помощью витаминных препаратов. Явление гипервитаминоза касается лишь витаминов А и D. Избыточное количество большинства других витаминов быстро выводится из организма с мочой. По растворимости все витамины подразделяются на жирорастворимые и водорастворимые.
Источники и роль отдельных витаминов.
Витамин А (ретинол) является предшественником группы «ретиноидов», к которой принадлежит ретиналь и ретиноевая кислота. Ретинол образуется при окислительном процессе окисления провитамина b-каротина. Ретиноиды содержатся в животных продуктах, а b-каротина в свежих фруктах и овощах (в особенности в моркови). Ретиналь обуславливает окраску зрительного пигмента родопсина. Ретиноевая кислота выполняет функции ростового фактора. При недостатке витамина А развиваются ночная («куриная») слепота, ксерофтальмия (сухость роговой оболочки глаз), наблюдается нарушение роста.
Витамин D (кальциферол) при гидроксилировании в печени и почках образует гормон кальцитриол (12, 25-дигидрооксихолекальциферол). Вместе с двумя другими гормонами (паратгормоном или паратирином и кальцитонином) кальцитриол принимает участие в регуляции метаболизма кальция. Кальциферол образуется из предшественника 7-дигидрохолестерина, присутствующего в коже человека и животных, при облучении ультрафиолетовым светом. Если УФ-облучение кожи недостаточно или витамин D отсутствует в пищевых продуктах, развивается витаминная недостаточность и, как следствие, рахит у детей, остеомаляция (размягчение костей) у взрослых. В обоих слечаях нарушается процесс минерализации (включение кальция) костной ткани.
Витамин Е включает токоферол и группу родственных соединений с хромановым циклом. Такие соединения содержатся только в растениях, особенно их много в проростках пшеницы. Для ненасыщенных липидов эти вещества являются эффективными антиоксидантами.
Витамин К – общее название группы веществ, включающей филлохинон и родственные соединения с модифицированной боковой цепью. Недостаток витамина К наблюдается довольно редко, т.к. эти вещества вырабатываются микрофлорой кишечника. Витамин К принимает участие в карбоксилировании остатков глютаминовой кислоты белков плазмы крови, что важно для нормализации или ускорения процесса свертывания крови. Богатые источники витамина К – шпинат, тыква, капуста.
Витамин В1 (тиамин)построен из двух циклических систем – пиримидина и тиазола, соединенных метиленовой группой. Активной формой витамина В1 является тиаминдифосфат, выполняющий функцию кофермента при переносе гидроксиалкильных групп («активированных альдегидов»), например, в реакции окислительного декарбоксилирования a-кетокислот, а также в транскетолазной реакции гексозомонофосфатного пути. Богатые источники витамина В1 – фасоль, зеленый горох, чечевица, соя.
Витамин В2 – комплекс витаминов, включающий рибофлавин, фолиевую, никотиновую и пантотеновую кислоты. Рибофлавин служит структурным элементом простетических групп флавинмононуклеотида (ФМН) и флавинадениндинуклеотида (ФАД). ФМН и ФАД являются простетическими группами многочисленных оксидоредуктаз (дегидрогеназ), гдк выполняют функции переносчиков водорода (в виде гидрид-ионов). Молекула фолиевой кислоты (витамин В9, витамин Вс, фолацин, фолит) включает три структурных фрагмента: производное птеридина, 4-аминобензоат и 1 или несколько остатков глутаминовой кислоты. Продукт восстановления фолиевой кислоты – тетрагидрофолиевая (фолиновая) кислота (ТГФ) – входит в состав ферментов, осуществляющих перенос одноуглеродных фрагментов (С1-метаболизм).
В отличие от человека и животных микроорганизмы способны синтезировать фолиевую кислоту. Поэтому рост микрооргназмов подавляется сульфаниламидными препаратами, которые как конкурентные ингибиторы блокируют включение 4-аминобензойной кислоты в биосинтез фолиевой кислоты. Сульфаниламидные препараты не могут оказывать воздействие на метаболизм животных организмов, поскольку они не способны синтезировать фолиевую кислоту. Источник витамина В2 – молочные и мясные продукты, зеленые растения; Вс – салат, шпинат, капуста, морковь, сыр.
Никотиновая кислота (ниацин) и никотинамид (ниацинамид) (оба известны как витамин В5, витамин Рр) необходимы для биосинтеза двух коферментов – никотиннамидадениндинуклеотида (НАД+) и никотинамидадениндинуклиотидфосфата (НАДФ+). В животных организмах никотиновая кислота может синтезироваться из триптофана, однако биосинтез идет с низким выходом. Поэтому витаминный дифицит наступает лишь в том случае, если в рационе одновременно отсутствуют все 3 вещества: никотиновая кислота, никатинамид и триптофан. Источники витамина – зерновые продукты, дрожжи.
Пантотеновая кислота (витамин В3) представляет собой амид a,γ-дигидрокси-b, b-диметилмасляной кислоты (пантоевой кислоты) и b-аланина. Соединение необходимо для биосинтеза кофермента А[КоА(СоА)], принимающего участи в метаболизме многих карбоновых кислот. Пантотеновая кислота входит в состав простетической группы ацилпереносящего белка (АПБ). Пантотеновая кислота входит в состав многих пищевых продуктов: печень почки, маточное молочко пчел, икра и др.
Витамин В6 – групповое название трех производных пиридина: пиридоксаля, пиридоксина и пиридоксалина. Активной формой витамина В6 является пиридоксаль-5-фосфат, важнейший кофермент в метаболизме аминокислот. Пиридоксальфосфат входит также в состав гликогенфосфорелазы, принимающей участие в расщеплении гликогена. Источники витамина – дрожжи, отруби злаков, мясо, рыба.
Витамин В12 (кобаламины; лекарственная форма – цианокобаламин) – комплексное соединение имеющее в основе цикл коррина и содержащее координационно связанный ион кобальта. Этот витамин синтезируется в микроорганизмах. Из пищевых продуктов он содержится в печени, мясе, яйцах, молоке и полностью отсутствует в растительной пище (на заметку всем вегетарианцам!). Витамин всасывается слизистой желудка только в присутствии секретируемого (эндогенного) гликопротеина, так назывемого внутреннего фактора. Назначение этого мукопротеида заключается в связывании цианокобаламина и тем самым защита от деградации. В крови цианокобаламин также связывается специальным белком (транскобаламин). В организме витамин В12 запасается в печени.
Производные цианокобаламина являются коферментами принимающими участие, например, в конверсии метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА, биосинтезе метионина из гомоцистеина. Производные монокобаламина принимают участие в восстановлении рибонуклеотидов бактериями до дезоксирибонуклеотидов.
Витамин С (L-аскорбиновая кислота) представляет собой γ-лактон 2, 3 –дигидроголоновой кислоты. Обе гидроксильной группы имеют кислотный характер, в связи с чем при потере протона соединение может существовать аскорбат-аниона. Ежедневное поступление аскорбиновой кислоты необходимо человеку, приматам и морским свинкам, поскольку у этих видов отсутствует фермент гулонолактон-оксидаза, катализирующий последнюю стадию конверсии глюкозы в аскорбат.
Источником витамина С являются свежие фрукты и овощи. Аскорбиновая кислота в качестве сильного восстановителя принимает участие во многих реакциях (главным образом в реакциях гидроксилирования). Из биохимических процессов с участием аскорбиновой кислоты следует упомянуть синтез коллагена, деградацию тиразина, синтезы катехоламина и желчных кислот.
Витамин Н (биотин) содержится в печени, яичном желтке и других пищевых продуктах, кроме того, он синтезируется микрофлорой кишечника. В организме биотин (через e-аминогруппу остатка лизина) связан с ферментами, например, с пируваткарбоксилазой, катализирующими реакции карбоксилирования. При переносе карбоксильной группы два N-атома молекулы биотина в АТФ-зависимой реакции связывают молекулу СО2 и переносят ее на акцептор.
Обеспечение человека и животных витаминами – важная проблема, которую сложно решить только за счет природных ресурсов (получение витаминов на основе природных ресурсов связано с выращиванием растений, животных. Это довольно продолжительно во времени (от нескольких месяцев до нескольких лет) и стоит очень дорого). При использовании микроорганизмов как продуцентов витаминов достигаются следующие цели:
1. Сокращение срока получения витаминов до нескольких дней.
2. Возможность получения большего количества витаминов, так как микроорганизмы способны производить витамины в более высокой концентрации, чем растения и животные.
3. Снижение себестоимости витаминов в несколько раз, по сравнению с традиционными способами производства.
К билету №4
Из культур клеток лекарственных растений получают большое количество препаратов.