Урок 12
ТЕМА НА СЕСИЯТА:Каротеноиди. Схема на биосинтеза. Стимуланти на каротиногенезата. Получаване на витамин А на базата на -каротин. Определяне на общото количество каротеноиди в култура на микроорганизъм.
ЦЕЛ НА УРОКА:Разглеждане на характеристиките на биотехнологичното производство на каротеноиди, образуването на витамин А от β-каротин, характеристиките на биосинтезата на убихинони.
Въпроси, изпратени на семинара:
Въведете понятието "каротеноиди". Дайте описание на този клас съединения.
Въведете понятието "каротин". Дайте класификация на каротините. Опишете биологичната роля на каротините. Обяснете характеристиките на определяне на общото съдържание на каротини.
Опишете концепцията за ксантофилите. Опишете основните функции на ксантофилите.
Обяснете характеристиките на микробиологичното производство на каротеноиди: производители, хранителни среди, условия на култивиране, оборудване на процеса.
Опишете значението на растителните клетъчни и тъканни култури в областта на получаването на каротеноиди.
Опишете витамин А.
Дайте характеристиките на убихиноните: понятие, свойства, биологична роля. Обяснете характеристиките на биосинтезата на убихинони, базирани на използването на растителни клетъчни и тъканни култури.
Задача 1:Проучете учебния материал.
Учебен материал.
Общи характеристики на каротеноидите.
Каротеноидитеса жълти, оранжеви, червени или кафяви пигменти, които абсорбират силно в синьо-виолетовия регион. Обикновено те са "маскирани" от зелени хлорофили, но се откриват добре преди падането на листата, т.к. Хлорофилите в листата се разграждат първи. Каротеноидите се съдържат и в хромопластите на някои цветя и плодове, чийто ярък цвятслужи за привличане на насекоми, птици и други животни, участващи в опрашването на цветята или разпръскването на семена
Каротеноидите са тетратерпени. Каротеноидите имат изопренова верига в структурата си, състояща се от четири бутадиенови остатъка, разделени в средата от CHCH - група, и един или два циклохексенови -йононови пръстена в краищата на веригата.
Каротеноидите се синтезират от много пигментни микроорганизми от родовете Aleuria, Blakeslea, Corynebacterium, Flexibacter, Fusarium, Halobacterium, Phycomyces, Pseudomonas, Rhodotorula, Sarcina, Sporobolomyces, а също така се синтезират от висши растения, гъби, бактерии, докато животните не ги образуват. Общо досега са описани около 500 каротеноида.
Каротеноидите се подразделят накаротини -ненаситени въглеводороди иксантофили -кислородсъдържащи каротеноиди с хидрокси-, метокси-, карбокси-, кето- и епоксидни групи.
-, -, -каротините са широко разпространени в растенията, ликопен, зеаксантин, виолаксантин, флавоксантин и др. Значителни количества каротеноиди се натрупват в корени от моркови, шипки, плодове от офика, касис, морски зърнастец, домати, кайсии, тикви, цветове от невен, спанак листа , маруля, коприва.
Каротеноидите са локализирани под формата на естери и гликозиди в клетъчната мембрана на микроорганизмите или в свободно състояние - в липидните гранули в цитоплазмата. Каротеноидът "ретинал", например, в халофилния вид - Halobacterium halobium - е свързан с протеина чрез лизинов остатък (опсин-подобен протеин); той участва в синтеза на АТФ поради генерирането на трансмембранен потенциал. Като цяло основната функция на каротеноидите е защитната. Тяхната биосинтеза в клетките се улеснява от светлината.
Каротеноидите играят съществена роля впо време на фотосинтеза, участвайки в реакции на епоксидиране и образувайки множество производни на кислорода. Те също участват в процесите на дишане и растеж на растенията, пренос на активен кислород, фиксиране на светлината, стимулират редокс и генеративните процеси. В растенията те се намират в хромо- и хлоропласти в мастноразтворимо състояние или под формата на водоразтворими протеинови комплекси.
Каротеноидите имат три максимума на абсорбция в синьо-виолетовата област на спектъра.
Те не само функционират като допълнителни пигменти, но и предпазват хлорофила от излишната светлина и от окисляването от кислорода, отделен по време на фотосинтезата.
Каротинитеса въглеводороди, повечето от които са тетратерпени (С40 съединения). Най-често срещаният и най-важен от тях еβ-каротин.
Каротин(от латински carota - морков) е представител на семейството на каротините, принадлежащ към каротеноидите, т.е. биологично активни растителни пигменти от жълто, оранжево, червено. Каротините са мастноразтворими полиненаситени въглеводороди от терпеновата серия, които са продукти на полимеризация на изопрен.
Каротинът има биологичната активност на провитамин А, участва в защитата на клетките от разрушителното въздействие на светлината, в процеса на зрение и пренос на енергия в процеса на фотосинтеза. В тялото каротинът е в свободна форма или под формата на комплекс с протеини -хромопротеини.
-каротинът се използва от човешкото тяло за синтезиране на витамин А. В допълнение, той проявява изразен антиоксидантен ефект, спомага за намаляване на риска от развитие на рак и други заболявания, които възникват поради повишения стрес на околната среда върху хората; активира функциите на левкоцитите и по този начин допринася запрофилактика на инфекциозни и настинки, подобрява функционирането на имунната и репродуктивната система на организма. Има добър терапевтичен ефект при гастрит, пептична язва на стомаха и дванадесетопръстника, насърчава бързото зарастване на рани и възстановяване след хирургични интервенции.
1 mg β-каротин е еквивалентен по ефективност на 0,17 mg витамин А, т.е. ефективността на β-каротина е 6 пъти по-малка, но в същото време β-каротинът, както беше отбелязано по-горе, има редица специфични функции, които играят важна роля в поддържането на здравето.
Централната функция на каротините в тялото на бозайницитее функцията му на провитамин А, която се причинява от превръщането му във витамин А (ретинал). Всички изомери на каротина - α-, β-, γ-каротини - имат активността на провитамин А. Като провитамин А, β-каротинът е най-ефективен, тъй като от него се образуват две молекули витамин А (само една молекула витамин А се образува от α- и γ-каротини). Активността на витамин А се измерва в международни единици (IU). Биологичната активност на 1 IU витамин А е еквивалентна на биологичната активност на 0,6 µg β-каротин. Този каротин изомер е широко разпространен в растенията, животните и микроорганизмите. α-каротинът често придружава β-каротин; например морковите съдържат 85% β-каротин и 15% α-каротин.
Хората и животните не са в състояние да синтезират каротини, но могат да метаболизират екзогенния каротин. Човешкото тяло получава предимно каротин от растителен произход.
Превръщането на каротините във витамин А се извършва в червата под действието на ензима диоксигеназа. Първоначално образуваният алдехид ретинал след това се редуцира до ретинол в присъствието на NAD·H или NADP·H. Усвояването на каротина става при условиедостатъчно количество жлъчка, активна липаза и антиоксиданти (витамин Е, витамин С и др.), които предпазват каротините от окисление.
Децата усвояват каротините по-лошо от възрастните.
В чревната лигавица ретинолът образува естери с дълговерижни мастни киселини; тези естери, адсорбирани върху хиломикрони, се транспортират през лимфната система до черния дроб, който е основното депо на витамин А.
Много тъкани съдържат естери на ретинол и мастни киселини. В човешката плазма ретинолът е в комплекс със специфичен ретинол-свързващ протеин, свързан с α-глобулините; концентрацията на този протеин в кръвната плазма е 4-5 mg/100 ml. Съдържанието на каротин в кръвната плазма зависи от приема му с храната и е 80-320 mcg / 100 ml, в плацентарната кръв - 90 mcg / 100 ml, в кръвта от пъпната връв - 90 mcg / 100 ml. Концентрацията на каротин в майчиното мляко е по-ниска, отколкото в кръвта. Концентрацията на каротин в кръвта рязко намалява по време на раждане (8-30 mcg / 100 ml) и някои заболявания (спру, екзема и др.).
Увеличаването на съдържанието на каротин в кръвната плазма (над 400 μg/100 ml) в резултат на прекомерен прием на каротин от храната -каротинемия- води до оцветяване на кръвната плазма и отделни участъци от кожата в жълто-оранжев цвят. Отлагането на каротини в епидермиса се нарича още псевдожълтеница, каротеноза, каротенодермия и др. Каротинемия се наблюдава при остро чернодробно увреждане, захарен диабет и др.
Определяне на общото количество каротини:
Няма специфичен метод за определяне на съдържанието на каротини в клиниката. Като цяло, каротините и витамин А могат да бъдат определени с помощта нареакцията на Carr-Price: 30% разтвор се добавя към пробата от биологична течност, разтворена в хлороформантимонов трихлорид в хлороформ, а интензитетът на получения син цвят, който е право пропорционален на съдържанието на каротини в разтвора, определя тяхната концентрация. За прилагането на този метод на определяне се използва колориметричен метод.
Колориметричен (фотоколориметричен) метод за анализ - съвкупност от методи за качествен и количествен анализ на интензитета на инфрачервеното, видимото и ултравиолетовото лъчение. Разновидност на колориметричния метод за анализ еспектрофотометрията,базирана на измерване на оптичната плътност на вещества с помощта на спектрофотометри, при коятоизточникът на радиацияе: лампа с нажежаема жичка, водородна или деутериева лампа;монохроматор -призма или дифракционна решетка, която ви позволява да избирате доста тесни области (1 - 20 nm) в целия диапазон на инфрачервения, видимия и ултравиолетовия спектър.
Ксантофили– естествени пигменти от групата на каротеноидите; оксигенирани производни на каротини. Известни са повече от 50 различни ксантофили с различни функционални групи (алкохоли, кетони и др.), принадлежащи към ациклични, моноциклични, бициклични каротеноиди. Съдържа се в листата, цветовете, плодовете и пъпките на висшите растения, както и в много водорасли и микроорганизми. В комбинация с флавоноидите създават есенния цвят на листата. Участват във фотосинтезата като допълнителни пигменти. Възможно е ксантофилите да играят ролята на светлинни филтри, които предпазват светлочувствителните ензими от разрушаване.