ما هي أمثلة التوليف البيولوجي. ما هو التخليق الحيوي في علم الأحياء؟ طرق زراعة منتجي المضادات الحيوية

تحدث تفاعلات تخليق المواد العضوية في الخلية بالتزامن مع عمليات الانقسام. يتم تصنيع البوليمرات الحيوية المعقدة المحددة (البروتينات والدهون والكربوهيدرات والأحماض النووية) من مواد بسيطة تشكلت نتيجة لعمليات التفتيت.

تُستخدم المواد العضوية المُصنَّعة لبناء عضيات الخلايا المختلفة والإنزيمات والإفرازات والمواد الاحتياطية لتحل محل تلك المستهلكة. كل هذه العمليات تحدث مع امتصاص الطاقة. يسمى تخليق المواد التي تحدث في الخلية بالتخليق الحيوي أو تبادل البلاستيك.

في هذه المرحلة، يتم إطلاق ما مجموعه 2600 كيلوجول من الطاقة في عدد من الوصلات الوسيطة.

يتطلب تكوين 36 رابطة عالية الطاقة أثناء تحويل ADP إلى ATP 1440 كيلوجول، أو 54% من الطاقة المتحررة، والتي يتم تحويلها إلى طاقة وضع ATP. وبالتالي، أثناء تقسيم الأكسجين، يتم توليد طاقة أكثر بـ 13 مرة من تلك التي يتم توليدها أثناء الانقسام الخالي من الأكسجين، وتخزن الخلية 18 مرة أكثر منها على شكل ATP.

يمكن كتابة المعادلة الشاملة للتحلل الكامل للجلوكوز على مرحلتين على النحو التالي:

وفقًا لطريقة الحصول على المركبات العضوية، تنقسم جميع الخلايا إلى ذاتية التغذية وغيرية التغذية (انظر قسم "علم النبات").

يتم إرسال الـATP المتكون في هذه الحالة عبر قنوات الشبكة الإندوبلازمية إلى أجزاء أخرى من الخلية حيث تنشأ الحاجة إليه. وبالتالي، من الطاقة المتولدة أثناء تحلل الجلوكوز، يتم توفير إجمالي 80 كيلوجول + 1440 كيلوجول = 1520 كيلوجول للخلية، أو 55٪ من الطاقة، والتي تتحول إلى طاقة محتملة وتستخدمها الخلية لاحقًا. ولذلك، فإن رد فعل الانقسام يسمى تبادل الطاقة.

التمثيل الضوئي(جدول الألوان الأول) هي عملية فريدة لتكوين مركبات عضوية من مواد غير عضوية باستخدام الطاقة الضوئية. لأول مرة، تم وصف عملية التمثيل الضوئي ودور الكلوروفيل النباتي فيها من قبل العالم الروسي البارز كليمنت أركاديفيتش تيميريازيف (1843-1920). التمثيل الضوئي هو عملية معقدة متعددة المراحل تحدث على مرحلتين - الضوء والظلام.

مرحلة الضوءيبدأ بإضاءة البلاستيدات الخضراء بالضوء المرئي. تحت تأثير الكمات الضوئية، تنتقل بعض الإلكترونات المتحركة لجزيئات الكلوروفيل إلى مستوى طاقة أعلى وتكتسب طاقة كامنة. وتعود بعض هذه الإلكترونات "المثارة" إلى مكانها الأصلي، وتتبدد الطاقة المنطلقة على شكل حرارة. جزء آخر منهم، بمشاركة الناقلات، يعمل كعوامل اختزال ويرتبط بأيونات الهيدروجين التي تتشكل باستمرار في الخلايا أثناء تفكك جزيئات الماء (H 2 O =H + +OH -). تتحول أيونات الهيدروجين، بعد إضافة إلكترون، إلى ذرات هيدروجين (H + +e - = H) وتتحد مع جزيئات المواد الحاملة.

OH - الأيونات، التي تُركت بدون عدادات الهيدروجين، تتخلى عن إلكتروناتها لأيونات أخرى وتتحول إلى جذور OH (OH = e - + OH). وبتفاعلها مع بعضها البعض، فإنها تشكل الماء والأكسجين الجزيئي (40H = 2H 2 O+O 2).

تسمى عملية تكوين الأكسجين الجزيئي أثناء تحلل الماء تحت تأثير الطاقة الضوئية بالتحلل الضوئي للماء. تمت دراستها ووصفها لأول مرة من قبل العالم السوفيتي ألكسندر بافلوفيتش فينوغرادوف (1895 -1975)، باستخدام طريقة الذرات الموسومة. في آليته، يشبه التحلل الضوئي للماء التحليل الكهربائي للماء.

بالإضافة إلى ذلك، خلال مرحلة الضوء، تشارك بعض إلكترونات الكلوروفيل "المثارة" والإلكترونات المنفصلة عن أيونات OH في تكوين رابطة فوسفات عالية الطاقة أثناء تخليق ATP من ADP والفوسفات غير العضوي (P) (ADP) + ف = أتب).

وهكذا، خلال المرحلة الضوئية من عملية التمثيل الضوئي، نتيجة لامتصاص الكلوروفيل الطاقة الضوئية بسبب الإلكترونات "المثارة"، يحدث التحلل الضوئي للمياه مع إطلاق الأكسجين وتوليف ATP.

تتكون المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي من سلسلة من التفاعلات الأنزيمية المتتابعة لربط ثاني أكسيد الكربون، ونتيجة لذلك يتكون الجلوكوز، والذي يعمل بمثابة المادة الأولية للتخليق الحيوي للمواد العضوية الأخرى في النبات. تحدث هذه العملية بسبب طاقة ATP بمشاركة ذرات الهيدروجين المتكونة في الطور الضوئي (6СO 2 +24Н=С 6 Н 12 O 6 +6Н 2 O).

المعادلة العامة لعملية البناء الضوئي هي:

6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2

يميز هيكل غشاء البلاستيدات الخضراء بين المواد المتفاعلة.

إنتاجية التمثيل الضوئي- 1 جم من المواد العضوية لكل 1 م 2 من الأوراق في ساعة واحدة كل عام، نتيجة لعملية التمثيل الضوئي، يتم تشكيل حوالي 400 مليار طن من المواد العضوية. يتم توفير الاحتياجات السنوية من الأكسجين لشخص واحد من خلال عمل 10-12 شجرة متوسطة العمر خلال موسم النمو. لقد ثبت أن إنتاجية عملية التمثيل الضوئي تزداد بزيادة تصل إلى مستوى معين في شدة الضوء ومحتوى ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحرارة والرطوبة في الهواء المحيط. تستخدم هذه الأنماط على نطاق واسع عند زراعة النباتات في التربة المحمية.

تم اكتشاف التركيب الكيميائي في عام 1888 من قبل عالم الأحياء الروسي إس. إن. فينوغرادسكي، الذي أثبت قدرة بعض البكتيريا على استيعاب ثاني أكسيد الكربون باستخدام الطاقة الكيميائية. هناك عدة مجموعات من البكتيريا المصنعة كيميائيًا، وأهمها البكتيريا النيتروجينية، وبكتيريا الكبريت، وبكتيريا الحديد. على سبيل المثال، تحصل البكتيريا الآزوتية على الطاقة اللازمة لتخليق المواد العضوية عن طريق أكسدة الأمونيا إلى نيتروز ثم إلى حمض النيتريك؛ بكتيريا الكبريت - أكسدة كبريتيد الهيدروجين إلى كبريتات، وبكتيريا الحديد - تحويل أملاح أكسيد الحديد إلى أملاح أكسيد. تتراكم الطاقة المنطلقة في خلايا البكتيريا المصنعة كيميائيًا على شكل ATP. إن عملية التخليق الكيميائي، التي تتكون فيها المادة العضوية من ثاني أكسيد الكربون، تستمر بشكل مشابه للمرحلة المظلمة لعملية التمثيل الضوئي.

بفضل نشاط البكتيريا الكيميائية، تتراكم في الطبيعة رواسب كبيرة من الملح الصخري وخام المستنقعات.

يحدث التخليق الحيوي للبروتين في كل خلية حية. وهو أكثر نشاطًا في الخلايا الشابة النامية، حيث يتم تصنيع البروتينات المستخدمة لبناء عضياتها، وكذلك في الخلايا الإفرازية، حيث يتم تصنيع بروتينات الإنزيمات وبروتينات الهرمونات.

الدور الرئيسي في تحديد بنية البروتينات ينتمي إلى الحمض النووي. قطعة الحمض النووي التي تتكون من عدة مئات من النيوكليوتيدات التي تحتوي على معلومات حول بنية بروتين واحد تسمى الجين. يحتوي جزيء واحد كبير من الحمض النووي على عدة مئات من الجينات. يحتوي الجزيء على رمز حول تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين على شكل نيوكليوتيدات مدمجة بشكل خاص. جوهر كود الحمض النووي هو أن كل حمض أميني يتوافق مع جزء من سلسلة الحمض النووي المكونة من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة -ثلاثة توائم

التخليق الحيوي للبروتين هو عملية معقدة متعددة المراحل، تمثل سلسلة من التفاعلات الاصطناعية التي تتم وفقًا لمبدأ تخليق المصفوفة.

الجوهر تفاعلات توليف المصفوفةهو أن جزيئات البروتين الجديدة يتم تصنيعها وفقًا للخطة الموضوعة في بنية جزيئات الحمض النووي الموجودة. تضمن هذه التفاعلات التسلسل المحدد الدقيق للمونومرات في البوليمرات المركبة.

في التخليق الحيوي للبروتين، يتم تحديد المراحل التالية، التي تحدث في أجزاء مختلفة من الخلية.

تخليق mRNA (يحدث في النواة). يتم نسخ المعلومات الموجودة في جين DNA إلى mRNA. تسمى هذه العملية بالنسخ (من الكلمة اللاتينية "transcriptis" - إعادة الكتابة).

في هذه الحالة، يوجد مقابل كل نيوكليوتيد في إحدى سلاسل الحمض النووي نيوكليوتيد مكمل من i-RNA. جزيئات mRNA فردية، كل منها يحمل معلومات من جين واحد.

اتصال الأحماض الأمينية مع جزيئات tRNA(يحدث في السيتوبلازم). تتكون جزيئات الحمض الريبي النووي النقال من 70-80 نيوكليوتيدات. تحتوي سلسلة tRNA على عدد من وحدات النيوكليوتيدات المكملة لبعضها البعض. عندما يتم جمعها معًا، فإنها تلتصق ببعضها البعض لتشكل بنية تشبه ورقة البرسيم (61). يرتبط حمض أميني معين بـ "سويقات" الورقة، ويوجد في "أعلى" الورقة كود الثلاثيالنيوكليوتيدات المقابلة لحمض أميني معين. كل من الأحماض الأمينية العشرين له tRNA الخاص به.

"تركيبة البروتين"(يحدث في الريبوسومات). يتم إرسال mRNAs إلى الريبوسومات من النواة. في هذه الحالة، توجد العديد من الريبوسومات في وقت واحد على جزيء mRNA واحد، وتشكل مركبًا يسمى بوليريبوسوم. وهذا يضمن التوليف المتزامن لعدد كبير من جزيئات البروتين المتطابقة.

من السيتوبلازم، تقترب جزيئات t-RNA مع الأحماض الأمينية "المعلقة" عليها من الريبوسومات، وبنهاية الكود الخاصة بها، تلمس ثلاثية نيوكليوتيدات mRNA التي تمر حاليًا عبر الريبوسوم. في هذا الوقت، يدخل الطرف المقابل من t-RNA مع الحمض الأميني إلى موقع "تجميع" البروتين، وإذا تبين أن ثلاثية كود t-RNA مكملة لثلاثية i-RNA الموجودة حاليًا في الريبوسوم، يتم فصل الحمض الأميني عن t-RNA ويصبح جزءًا من البروتين، ويأخذ الريبوسوم "خطوة" ثلاثية واحدة على طول mRNA (ثلاثية mRNA تتوافق مع كل من الأحماض الأمينية العشرين، انظر الملحق).

بعد التبرع بحمض أميني، يترك الحمض الريبي النووي النقال الريبوسوم ويتم استبداله بحمض أميني آخر، والذي يشكل الرابط التالي في جزيء البروتين قيد الإنشاء (62). هذه هي الطريقة التي يتم بها تجميع سلسلة البولي ببتيد من البروتين رابطًا تلو الآخر، ويتم إعادة إنتاج المعلومات حول بنية البروتين، المسجلة في الرنا المرسال كسلسلة من النيوكليوتيدات، على سلسلة البولي ببتيد من البروتين في شكل تسلسل من الأحماض الأمينية الأحماض. تسمى هذه العملية الترجمة (من "البث" اللاتيني - النقل) (انظر الملحق، المهمة 2 والجدول). عند اكتمال تركيب جزيء البروتين، يترك الريبوسوم mRNA. ويدخل البروتين الناتج إلى الشبكة الإندوبلازمية ومن خلال قنواتها إلى أجزاء أخرى من الخلية، ويدخل الريبوسوم إلى mRNA آخر ويشارك في تركيب بروتين آخر. يتم تحفيز جميع تفاعلات تخليق البروتين بواسطة إنزيمات خاصة، ويتم توفير الطاقة بواسطة ATP.

التخليق الحيوي (التوليف البيولوجي) هو تكوين مواد معقدة من مواد أبسط في الكائن الحي.


ويختلف التخليق الحيوي الأخير عن التخليق الكيميائي، الذي يحدث خارج الخلايا - في المختبرات والمصانع الكيميائية، وأحيانًا في الخزانات والتربة والصخور.

بالإضافة إلى ذلك، يتضمن التخليق الحيوي دائمًا مواد خاصة - الإنزيمات. أنها تمكن و/أو تسرع التفاعلات الكيميائية. هناك حوالي 5000 إنزيم معروف، وهي غير موجودة في الطبيعة خارج الكائنات الحية.

لقد كان لدى الطبيعة مليارات السنين تحت تصرفها وقد شهدت مليارات من طرق التوليف. خلال هذا الوقت، اختارت المواد الأكثر ملاءمة وأنشأت هياكل مصغرة لمعالجتها. لقد تحولت الخلية الحية إلى مصنع كيميائي يمكن أن تحدث فيه أعقد التحولات. يعمل "المصنع" تلقائيًا وبسرعة وبأقل الخسائر وأقصى قدر من الإنتاج. لقد تم تجهيز "المواد الخام" للخلية، وهي إمدادات غير منقطعة من الطاقة، والمعلومات المكتوبة في الجينات حول ما يجب القيام به وكيفية القيام به جاهزة دائمًا.

خذ على سبيل المثال ورقة خضراء على شجرة. وفي الضوء، ينتج الجلوكوز بشكل مستمر من ثاني أكسيد الكربون والماء. يتغذى عليه النبات ويستقبل الطاقة. يمتلك الإنسان بين يديه علمًا قويًا وتكنولوجيا قوية. ثاني أكسيد الكربون والماء - بقدر ما تريد. ويبدو أنه لا توجد مشاكل مع أي منهما. لكن الناس، الذين يستخدمون هذا فقط، غير قادرين على تصنيع حبة واحدة من الجلوكوز. نحصل عليه بطريقة مختلفة تمامًا، ومن النشا الذي تم تصنيعه بواسطة نفس النباتات.

لماذا لا يستطيع البشر تقليد تفاعلات التخليق الحيوي؟

أولاً، لأننا لا نملك نفس "المعدات" التي تمتلكها الخلية.

ثانيًا، معظم الإنزيمات عبارة عن بروتينات؛ للحصول عليها، يجب على الإنسان معرفة بنية كل منها، ثم إيجاد طريقة للحصول عليها. كل هذا ممكن، لكنه ليس سهلا. ونتيجة لذلك، فإن منتج التخليق الكيميائي (على سبيل المثال، الهرمون الاصطناعي) مكلف للغاية.


يمكن تبسيط الأمر إذا تم نقل جزء من العمل على الأقل إلى الخلايا الحية. على سبيل المثال، يتم إنتاج حمض الأسكوربيك (فيتامين ج) في المصانع نتيجة ستة تفاعلات كيميائية. إحداها يتم توفيرها بواسطة... البكتيريا النشطة. وتستخدم مخططات مماثلة على نطاق واسع في مجال التكنولوجيا الحيوية.

لقد قارنا الخلية بالمصنع. ولكن في الصناعة، يعد نقل الشركات ممارسة شائعة. الهندسة الوراثية تفعل شيئا مماثلا. وهكذا، تمكن الجين البشري لبروتين الأنسولين من "الحصول على وظيفة" في خلية بكتيريا الإشريكية القولونية. ونتيجة لذلك، يتم تصنيع الأنسولين في مكان جديد - وهو أمر غير معروف وغير ضروري على الإطلاق بالنسبة للإشريكية القولونية، ولكنه ضروري بشكل عاجل للمرضى الذين يعانون من مرض السكري.

كيف يستخدم الشخص المنتجات الاصطناعية؟

وهو يستخدمها دون تردد في كل ثانية من حياته. عندما تقرأ هذه السطور، يحدث التركيب الحيوي للأصباغ البصرية في عينيك، ويتم تصنيع مادة الجليكوجين الاحتياطية من الجلوكوز في الكبد، ويبني نخاع العظم جزيئات الهيموجلوبين، وما إلى ذلك.

بالإضافة إلى ذلك، يستهلك الشخص منتجات التخليق الحيوي "الغريبة" الجاهزة بقوة وقوة. ما هو طعامنا - الخبز واللحوم والزبدة والحبوب والحليب، وما إلى ذلك؟ كل هذه خليط من البروتينات والدهون والكربوهيدرات والفيتامينات. أي منتجات التخليق الحيوي التي تحدث في خلايا النباتات والحيوانات.

يزودنا التخليق الحيوي أيضًا بالمواد الخام الصناعية. نستخرج المضادات الحيوية والفيتامينات من الفطريات والبكتيريا. نحن نرتدي ونرتدي أنواعًا مختلفة من البروتين - الصوف والفراء وجلد الثدييات، وكذلك ألياف القطن. نختار الحرير الطبيعي من فراشات دودة القز. نقوم بتحويل السليلوز، الذي صنعته الأشجار على مدى عقود، إلى ورق، وجلوكوز، وفيسكوز، وبلاستيك، ومواد بناء، وأثاث.


لا يسعنا إلا أن نكون سعداء لأن الطبيعة خلقت عملية التخليق الحيوي - وبدونها سنحرم من كل هذا. صحيح أننا لولا التخليق الحيوي لما كنا موجودين.

الحمض النووي، وهو الناقل لجميع المعلومات الوراثية في الخلية، لا يشارك بشكل مباشر في تخليق البروتين (تنفيذ هذه المعلومات الوراثية). في الخلايا الحيوانية والنباتية، يتم فصل جزيئات الحمض النووي عن السيتوبلازم بواسطة غشاء نووي، حيث يحدث تخليق البروتين. يتم إرسال رسول من النواة إلى الريبوسومات، وهي مواقع تجميع البروتين، والتي تحمل المعلومات المنسوخة وتكون قادرة على المرور عبر مسام الغشاء النووي. مثل هذا الوسيط هو messenger RNA، الذي يشارك في تفاعلات المصفوفة.

تفاعلات المصفوفة هي تفاعلات لتخليق مركبات جديدة تعتمد على جزيئات كبيرة "قديمة" تعمل كمصفوفة، أي نموذج، وعينة لنسخ جزيئات جديدة. تفاعلات المصفوفة لتنفيذ المعلومات الوراثية التي يشارك فيها الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) هي:

1. تكرار الحمض النووي– مضاعفة جزيئات الحمض النووي، والتي بفضلها يتم نقل المعلومات الوراثية من جيل إلى جيل. المصفوفة هي الحمض النووي للأم.

2. النسخ(خط العرض. النسخ- إعادة الكتابة) هي تركيب جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) وفق مبدأ التكامل على مصفوفة إحدى سلاسل الحمض النووي (DNA). يحدث في النواة تحت تأثير إنزيم بوليميريز RNA المعتمد على الحمض النووي. Messenger RNA هو جزيء أحادي الشريط، ويحدث نسخ الجينات من شريط واحد من جزيء DNA مزدوج الشريط. تتم ترجمة لغة ثلاثية توائم الحمض النووي إلى لغة أكواد mRNA. نتيجة لنسخ الجينات المختلفة، يتم تصنيع جميع أنواع الحمض النووي الريبي (RNA). ثم يدخل mRNA وt-RNA وr-RNA إلى سيتوبلازم الخلية من خلال المسام الموجودة في الغشاء النووي لأداء وظائفهم.

3. البث (lat. ترجمة– النقل والترجمة) هو تخليق سلاسل البروتينات متعددة الببتيد على مصفوفة الرنا المرسال الناضج، والتي تتم بواسطة الريبوسومات. هناك عدة مراحل في هذه العملية:

المرحلة الأولى – البدء(بداية التوليف). في السيتوبلازم، يدخل الريبوسوم إلى أحد نهايات الرنا المرسال (وهو بالضبط الطرف الذي بدأ منه تركيب الجزيء في النواة) ويبدأ تركيب البولي ببتيد. يتصل جزيء tRNA الذي ينقل جلوتامين الأحماض الأمينية (GLN tRNA) بالريبوسوم ويرتبط ببداية سلسلة mRNA (رمز UAG). بجوار t-RNA الأول (الذي لا علاقة له بالبروتين المُصنّع)، تتم إضافة t-RNA ثانٍ مع حمض أميني. إذا كان الكودون المضاد هو t-RNA، فستحدث رابطة الببتيد بين الأحماض الأمينية، والتي يتكون بواسطة إنزيم معين. بعد ذلك، يترك t-RNA الريبوسوم (يذهب إلى السيتوبلازم للحصول على حمض أميني جديد)، ويقوم mRNA بنقل كودون واحد.

المرحلة الثانية – استطالة(إطالة السلسلة). يتحرك الريبوسوم على طول جزيء mRNA ليس بسلاسة، ولكن بشكل متقطع، ثلاثة أضعاف بعد ثلاثة أضعاف. يرتبط الحمض النووي الريبي النووي الثالث الذي يحتوي على حمض أميني مع الكودون الخاص به بكودون mRNA. عندما يتم إنشاء رابطة تكميلية، يتخذ الريبوسوم خطوة أخرى هي "الكودون"، ويقوم إنزيم محدد "بربط" الأحماض الأمينية الثانية والثالثة برابطة الببتيد - يتم تشكيل سلسلة الببتيد. ترتبط الأحماض الأمينية في سلسلة عديد الببتيد المتنامية بالتسلسل الذي توجد به أكواد الرنا المرسال التي تشفرها (الشكل 14).

المرحلة الثالثة – الإنهاء(نهاية التوليف) سلسلة. يحدث عندما يترجم الريبوسوم أحد "الرموز الهراء" الثلاثة (UAA، UAG، UGA). تقفز الريبوسومات من mRNA، ويكتمل تخليق البروتين.

وبالتالي، بمعرفة ترتيب الأحماض الأمينية في جزيء البروتين، يمكن تحديد ترتيب النيوكليوتيدات (الثلاثية) في سلسلة mRNA، ومنه - ترتيب أزواج النيوكليوتيدات في قسم الحمض النووي والعكس، مع الأخذ في الاعتبار مبدأ تكامل النوكليوتيدات.

ولكن في عملية تفاعلات المصفوفة، قد تحدث تغييرات - طفرات. وهي طفرات جينية على المستوى الجزيئي - نتيجة لأضرار مختلفة في جزيئات الحمض النووي - تؤثر على واحد أو أكثر من النيوكليوتيدات. يمكن تقسيم جميع أشكال الطفرات الجينية إلى مجموعتين كبيرتين.

المجموعة الأولى- إزاحة إطار القراءة - تمثل إدخال أو حذف واحد أو أكثر من النيوكليوتيدات. اعتمادًا على موقع الانتهاك، يتغير عدد أو آخر من الأكواد. هذا هو الضرر الأكثر خطورة للجينات، حيث سيتم تضمين الأحماض الأمينية المختلفة تماما في البروتين. تمثل عمليات الحذف والإدراج هذه 80% من جميع الطفرات الجينية التلقائية.

التأثيرات الأكثر ضررًا هي الهراء - الطفرات المرتبطة بظهور الكودونات الإنهاءية التي توقف تخليق البروتين. وهذا يمكن أن يؤدي إلى الإنهاء المبكر لتخليق البروتين، والذي يتحلل بسرعة. والنتيجة هي موت الخلايا أو تغير في طبيعة التطور الفردي.

تتجلى الطفرات المرتبطة بالاستبدال أو الحذف أو الإدراج في الجزء المشفر من الجين ظاهريًا كاستبدال للأحماض الأمينية في البروتين. اعتمادا على طبيعة الأحماض الأمينية والأهمية الوظيفية للمنطقة المتضررة، يلاحظ فقدان كامل أو جزئي للنشاط الوظيفي للبروتين. يتم التعبير عن ذلك في انخفاض القدرة على البقاء، والتغيرات في خصائص الكائنات الحية، وما إلى ذلك.

المجموعة الثانية- هذه طفرات جينية مع استبدال أزواج قاعدة النيوكليوتيدات. هناك نوعان من البدائل الأساسية:

1. الانتقال - استبدال قاعدة البيورين بقاعدة بيورين أخرى (A مع G أو G مع A) أو بيريميدين ببيريميدين آخر (C مع T أو T مع C).

2. التحويل - استبدال قاعدة بيورين واحدة بقاعدة بيريميدين أو العكس (A إلى C، أو G إلى T، أو A إلى U). مثال على التحول هو فقر الدم المنجلي، والذي يحدث بسبب اضطراب وراثي في ​​​​بنية الهيموجلوبين. في الجين الطافر الذي يشفر إحدى سلاسل الهيموجلوبين، يتم تعطيل نيوكليوتيد واحد فقط، وفي mRNA، يتم استبدال الأدينين باليوراسيل (GAA إلى HUA). ونتيجة لذلك، يحدث تغيير في النمط الظاهري الكيميائي الحيوي في سلسلة الهيموجلوبين بيتا، حيث يتم استبدال حمض الجلوتاميك بحمض الفالين. يغير هذا الاستبدال سطح جزيء الهيموجلوبين: بدلاً من قرص ثنائي التقعر، تصبح خلايا الدم الحمراء على شكل منجل وتسد الأوعية الصغيرة أو يتم إزالتها بسرعة من الدورة الدموية، مما يؤدي بسرعة إلى فقر الدم. .

وبالتالي فإن أهمية الطفرات الجينية لحياة الكائن الحي تختلف:

· بعض "الطفرات الصامتة" لا تؤثر على بنية البروتين ووظيفته (على سبيل المثال، استبدال النوكليوتيدات الذي لا يؤدي إلى استبدال الأحماض الأمينية)؛

· تؤدي بعض الطفرات إلى فقدان كامل لوظيفة البروتين وموت الخلايا (على سبيل المثال، الطفرات غير المنطقية)؛

· طفرات أخرى - مع تغير نوعي في الرنا المرسال والأحماض الأمينية تؤدي إلى تغيرات في خصائص الكائن الحي.

· بعض الطفرات التي تغير خصائص جزيئات البروتين لها تأثير ضار على النشاط الحيوي للخلايا - مثل هذه الطفرات تسبب أمراضًا خطيرة (على سبيل المثال، التحويلات).

ما هو التوليف البيولوجي؟ أعط أمثلة.

التوليف البيولوجي هو عملية تكوين الجزيئات البيولوجية الكبيرة، التي يتم تحديد تركيبها من خلال تسلسل النوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي (تخليق البروتين). يحدث تخليق البوليمرات الحيوية غير البروتينية على النحو التالي: أولاً، يتم تصنيع إنزيم البروتين، وبمساعدته يتم تشكيل جزيئات الكربوهيدرات والدهون والهرمونات والفيتامينات.

تعريف الاستيعاب.

الاستيعاب (الاستقلاب أو التمثيل الغذائي البلاستيكي) هو مجموعة من التفاعلات التوليفية البيولوجية التي يتم خلالها تكوين مواد مشابهة لتلك الموجودة في الخلية من مواد بسيطة تدخل الخلية من الخارج.

ما هي الشفرة الوراثية؟

الكود الوراثي هو نظام موحد لتسجيل المعلومات الوراثية في جزيئات الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) على شكل تسلسل من النيوكليوتيدات فيها. يحمل معلومات حول ترتيب الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد.

صياغة الخصائص الأساسية للشفرة الوراثية.

1. الخصوصية. نفس الثلاثي يتوافق دائمًا مع حمض أميني واحد فقط.

2. التكرار. هناك 64 مجموعة محتملة من أربع قواعد نيتروجينية (3 في ثلاثية)، وهي ترمز لـ 20 حمضًا أمينيًا. ونتيجة لذلك، يتم تشفير بعض الأحماض الأمينية بعدة ثلاثة توائم، مما يزيد من موثوقية نقل المعلومات الوراثية.

ح. تعدد الاستخدامات. الشفرة الوراثية عالمية لجميع الكائنات الحية. على سبيل المثال، هو نفسه في الإشريكية القولونية والبشر.

4. عدم التداخل. لا تتداخل الأحماض الأمينية الثلاثية أبدًا، ولكنها تُقرأ دائمًا وتُنقل ككل. لا يمكن استخدام القاعدة النيتروجينية لثلاثية واحدة مع القواعد النيتروجينية لثلاثية أخرى.

أين يتم تصنيع الأحماض الريبية النووية؟

توجد معلومات حول بنية جميع أنواع الحمض النووي الريبي (RNA) في تسلسل نيوكليوتيدات الحمض النووي (DNA) ويتم تحقيقها في خطوة واحدة من خلال التوليف التكميلي لجزيء الحمض النووي الريبي (RNA) في إحدى سلاسل جزيئات الحمض النووي (DNA) ، أي نتيجة النسخ.

أين يحدث تخليق البروتين؟

يحدث التجميع المباشر لجزيء البروتين في السيتوبلازم على الريبوسومات.

اشرح كيف يحدث تخليق البروتين.

تتم عملية تخليق البروتين على مرحلتين:

المرحلة الأولى هي النسخ - ترجمة المعلومات من سلسلة ثلاثية من الحمض النووي إلى سلسلة ثلاثية من الحمض النووي الريبي. ويتم ذلك عن طريق التوليف التكميلي للحمض النووي الريبي المرسال على إحدى سلاسل جزيء الحمض النووي.

المرحلة الثانية هي الترجمة - نقل المعلومات من تسلسل ثلاثيات الحمض النووي الريبي المرسال إلى تسلسل الأحماض الأمينية لسلسلة البولي ببتيد. ويتم ذلك عن طريق اختيار رموز مضادة لنقل الحمض النووي الريبي (RNA) إلى كودونات (ثلاثية) من الحمض النووي الريبي المرسال وفقًا لمبدأ التكامل. إذا كان مضاد كودون نقل الحمض النووي الريبي (RNA) مكملاً لكودون الرسول RNA، يحدث اتصال بينهما، ويتم تضمين الحمض الأميني في سلسلة البولي ببتيد. تحدث هذه العملية في السيتوبلازم، على الريبوسومات، التي تكون معلقة على أحد طرفي الحمض النووي الريبي المرسال وتتحرك على طوله، ثلاثة أضعاف ثلاثة أضعاف.

ما هو التماثل؟ وصف مراحل التشتت.

التماثل (التقويض، استقلاب الطاقة) هو عملية عكسية لتفاعلات الاستيعاب. تتحلل البوليمرات الحيوية المعقدة لتشكل مواد بسيطة. وهذا يطلق الطاقة اللازمة لتفاعلات التخليق الحيوي.

هناك ثلاث مراحل لاستقلاب الطاقة.

1. الإعدادية. في هذه المرحلة، تنقسم جزيئات السكريات والبروتينات والدهون إلى جزيئات أصغر: الجلوكوز والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والجلسرين. تتبدد جميع الطاقة المنطلقة كحرارة.

2. نقص الأكسجين (التنفس اللاهوائي، أو تحلل السكر). وتسمى هذه المرحلة من الأكسدة غير الكاملة أيضًا بالتخمر. الأكسدة اللاهوائية لجزيء واحد من الجلوكوز تنتج جزيئين من ATP. يتم تخزين 40% من الطاقة المتحررة في صورة ATP، والباقي يتبدد على شكل حرارة.

3. تقسيم الأكسجين (التنفس الهوائي). في هذه المرحلة، تتم أكسدة المركبات العضوية إلى المنتجات النهائية CO2 وH20. يصاحب انقسام الأكسجين إطلاق كمية كبيرة من الطاقة وتخزين 60٪ منها في 36 جزيء ATP.

ما هو دور ATP في استقلاب الخلية؟

يتم تخزين الطاقة المنطلقة أثناء أكسدة العناصر الغذائية في الخلية في روابط الفوسفات لجزيء ATP. يوفر ATP الطاقة لجميع الوظائف الخلوية - التخليق الحيوي، وانقسام الخلايا، وتقلص العضلات، ونقل المواد عبر الغشاء، والحفاظ على إمكانات الغشاء وتوصيل النبضات العصبية.

يتكون جزيء ATP من قاعدة الأدينين النيتروجينية وسكر الريبوز وثلاث بقايا حمض الفوسفوريك.

أخبرنا عن استقلاب الطاقة في الخلية باستخدام تحلل الجلوكوز كمثال.

1. المرحلة التحضيرية. تحلل الجليكوجين أو النشا إلى جزيئات الجلوكوز:

(C6H10O5)n + nH2O > C6H12O6

2. الأكسدة اللاهوائية. ينتج جزيء واحد من الجلوكوز جزيئين من حمض البيروفيك، وجزيئين من ATP، وجزيئين من الماء. يتم بعد ذلك اختزال جزيئات حمض البيروفيك إلى حمض اللاكتيك:

C 6H 12O 6 + 2H 3PO 4 + 2ADP > 2C 3H 6O 3 +2ATP +2H 2O

3. أكسدة الأكسجين. تتأكسد جزيئات حمض اللاكتيك الناتجة ووجود الأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون والماء لتكوين 36 جزيء من ATP:

2SZNb03 + 60236ADF + 36NZRO.1 -

E 6C02 + 42H20 +36ATP.

ما هي أنواع تغذية الكائنات الحية التي تعرفها؟

بناءً على نوع التغذية، تنقسم جميع الكائنات الحية إلى ذاتية التغذية وغيرية التغذية.

ما هي الكائنات الحية التي تسمى ذاتية التغذية؟

الكائنات ذاتية التغذية هي كائنات حية تعيش على مصدر غير عضوي للكربون - ثاني أكسيد الكربون، وذلك باستخدام طاقة ضوء الشمس لتنفيذ عمليات التخليق - الصور الضوئية أو طاقة الروابط الكيميائية - الكائنات ذاتية التغذية.

وصف المراحل المضيئة والمظلمة لعملية التمثيل الضوئي.

التمثيل الضوئي هو عملية تكوين مركبات عضوية من مركبات غير عضوية باستخدام طاقة ضوء الشمس. هناك مراحل خفيفة ومظلمة من عملية التمثيل الضوئي.

المرحلة الخفيفة من عملية التمثيل الضوئي. يحدث الامتصاص الكمي بواسطة الكلوروفيل والتحلل الضوئي (التحلل) للماء. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل جزيئات ATP، الهيدروجين الذري H"، والتي يتم استخدامها أيضًا في المرحلة المظلمة لتخليق الجلوكوز والأكسجين الجزيئي (كمنتج ثانوي) الذي يتم إطلاقه في البيئة.

المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي. يتكون الجلوكوز من ثاني أكسيد الكربون الممتص من الخارج، والهيدروجين H الذي يتم الحصول عليه خلال مرحلة الضوء، مع إنفاق طاقة ATP، والتي يتم تصنيعها أيضًا خلال مرحلة الضوء.

لماذا تطلق النباتات الخضراء الأكسجين الحر في الغلاف الجوي نتيجة لعملية التمثيل الضوئي؟

أثناء تفاعلات المرحلة الضوئية من عملية التمثيل الضوئي، وتحت تأثير الكمات الضوئية وعند التفاعل مع الكلوروفيل، يحدث التحلل (التحلل الضوئي) إلى الهيدروجين الذري والجذور الحرة التي تتفاعل مع بعضها البعض، وتشكل الأكسجين والماء الحر.

نظرًا لعدم تضمين الأكسجين في سلسلة تفاعلات التمثيل الضوئي الإضافية، فإنه يتم إطلاقه في البيئة الخارجية.

ما هو التخليق الكيميائي؟

التخليق الكيميائي هو عملية تصنيع المركبات العضوية باستخدام الكربون من ثاني أكسيد الكربون باستخدام طاقة الروابط الكيميائية للمواد غير العضوية.

ما هي الكائنات الحية التي تسمى غيرية التغذية؟ أعط أمثلة.

المتغايرون هي كائنات حية تستخدم مصدر الكربون العضوي. وتشمل هذه جميع الحيوانات والفطر ومعظم النباتات.

(الوسوم: جزيء، تخليق، عملية التمثيل الضوئي، يحدث، حمض، عملية، تخليق، كائنات حية، طاقة، أكسجين، ثاني أكسيد الكربون، نتيجة، تسلسل، أكسجين، ضوء، أحماض أمينية، والتي يتم تنفيذها، ثلاثية، كربون، تتشكل، طاقة ، الخلية، الأحماض الأمينية، المتممة، النيوكليوتيدات، الاستخدام، الكائنات الحية، الشمسية، المظلمة، المحققة، العضوية، الروابط، الكميات، التحلل، اللاهوائية، الحرارة، الرصاص، السيتوبلازم، التل، التبادل، أيضا، النقل، التحلل الضوئي، الضوء، الحر، مواد، تتبدد، C6H12O6، تتأكسد، نيتروجيني، تسلسل، ذري، دائمًا، طاقة، ثلاثية، اتحاد، انقسام، تكوين، وراثي، متعدد ببتيد، غير عضوي، تشبيه، تفكك، مرحلة، مرحلة، ساطع، ثلاثي، بين، مخزن، متضمن، من الخارج، البيروفيك، الأكسدة، يتكون، يسمى، الهيدروجين، البيئة، التغذية، التنفس، الخلايا، الأكسدة، المركبات، المتكونة، الكيميائية، التخليق الكيميائي، وصف، النباتات، السجلات، على سبيل المثال، البشر، الوارد، غير البروتين، غير- (متداخلة، وراثية، مفردة، كربوهيدرات، نقل، حمل)

المضادات الحيوية هي مخلفات خاصة من الكائنات الحية الدقيقة وتعديلاتها التي لها نشاط فسيولوجي عالي ضد مجموعات معينة من الكائنات الحية الدقيقة (الفيروسات والبكتيريا والفطريات والطحالب) أو الأورام الخبيثة. ترتبط الأفكار التقليدية حول المضادات الحيوية باستخدامها على نطاق واسع في الطب الحديث والطب البيطري. تُستخدم بعض أدوية المضادات الحيوية كمنشطات لنمو الحيوان، وفي مكافحة أمراض النبات، وفي حفظ الأغذية، وفي البحث العلمي (في مجال الكيمياء الحيوية، والبيولوجيا الجزيئية، وعلم الوراثة، وعلم الأورام). وفقًا للتصنيف الذي يعتمد على التركيب الكيميائي، يمكن تقسيم المضادات الحيوية إلى المجموعات التالية:

1. المركبات اللاحلقية (باستثناء الأحماض الدهنية والتربين)

2. المركبات الحلقية (بما في ذلك التتراسيكلين)

3. المركبات العطرية

5. الحلقات غير المتجانسة المحتوية على الأكسجين

7. الببتيدات

حاليا، هناك ثلاث طرق للحصول على المضادات الحيوية: البيولوجية، وطريقة الحصول على الأدوية شبه الاصطناعية وتوليف المركبات الكيميائية - نظائرها من المضادات الحيوية الطبيعية.

المضادات الحيوية الاصطناعية

أتاحت دراسة التركيب الكيميائي للمضادات الحيوية الحصول عليها عن طريق التخليق الكيميائي. وكان الكلورامفينيكول من أوائل المضادات الحيوية التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة. أدى التقدم الكبير في التطور والكيمياء إلى إنشاء مضادات حيوية ذات تغييرات مستهدفة في الخصائص، وتأثير طويل الأمد، وفعالة ضد المكورات العنقودية المقاومة للبنسلين. تشمل الأدوية طويلة المفعول إيمونوفوسيلين، بيسيلين 1،3،5.

المضادات الحيوية شبه الاصطناعية

يتم تحضيرها باستخدام طريقة مشتركة: يتم الحصول على النواة الرئيسية لجزيء المضاد الحيوي الأصلي عن طريق التركيب البيولوجي، ويتم الحصول على الأدوية شبه الاصطناعية عن طريق التركيب الكيميائي عن طريق تغيير التركيب الكيميائي جزئيًا. الإنجاز الكبير هو تطوير طريقة لإنتاج البنسلين شبه الاصطناعي. تم استخراج جوهر جزيء البنسلين، حمض 6-أمينوبنسيلانيك (6-APA)، الذي كان له نشاط مضاد للميكروبات ضعيف، باستخدام طريقة التخليق البيولوجي. من خلال إضافة مجموعة البنزيل إلى جزيء 6-APA، تم إنشاء البنزيل بنسلين، والذي يتم الحصول عليه الآن أيضًا عن طريق التخليق البيولوجي.

يستخدم البنزيلبيسلين على نطاق واسع في الطب تحت اسم البنسلين، وله نشاط علاجي كيميائي قوي، ولكنه نشط فقط ضد الميكروبات إيجابية الجرام ولا يؤثر على الكائنات الحية الدقيقة المقاومة، وخاصة المكورات العنقودية، التي تشكل إنزيم بيتا لاكتاماز. يفقد البنزيل بنسلين نشاطه بسرعة في البيئات الحمضية والقلوية، لذلك لا يمكن استخدامه عن طريق الفم، لأنه يتم تدميره في الجهاز الهضمي. يتم أيضًا تحضير الأدوية شبه الاصطناعية على أساس حمض 7-أمينوسيفالوسبوريك (7-ASA). 7- مشتقات ACC: السيفالوثين، السيفالوريدين (السيبوريا) لا تسبب حساسية لدى الأشخاص الذين لديهم حساسية للبنسلين. كما تم الحصول على مضادات حيوية نصف اصطناعية أخرى، على سبيل المثال، ريفامبيسيب، وهو دواء فعال مضاد للسل.

التوليف البيولوجي

تم تحديد التركيب الكيميائي الكامل لثلث المضادات الحيوية المعروفة، ويمكن الحصول على نصفها فقط عن طريق التخليق الكيميائي. ولذلك، فإن التوليف الميكروبيولوجي لإنتاج عوامل المضادات الحيوية مهم للغاية. يعد تخليق المضادات الحيوية بواسطة الكائنات الحية الدقيقة أحد أشكال التضاد. يرتبط بطبيعة معينة من عملية التمثيل الغذائي، والتي نشأت وتم إصلاحها أثناء تطورها، أي أنها ميزة وراثية يتم التعبير عنها في تكوين واحد أو أكثر محددة، محددة بدقة لكل نوع من المواد المضادة للمضادات الحيوية.

عادة ما يتم الإنتاج الصناعي للمضادات الحيوية عن طريق التخليق الحيوي ويشتمل على المراحل التالية:

· اختيار السلالات المنتجة عالية الأداء (تصل إلى 45 ألف وحدة/مل)

· اختيار الوسط الغذائي.

· عملية التخليق الحيوي.

· عزل المضاد الحيوي من سائل المزرعة.

· تنقية المضادات الحيوية.

اختيار سلالات منتجة عالية الأداء. السلالات الطبيعية في الغالب غير نشطة ولا يمكن استخدامها للأغراض الصناعية. ولذلك، بعد اختيار السلالة الطبيعية الأكثر نشاطا، يتم استخدام العديد من المطفرات لزيادة إنتاجيتها، مما يسبب تغيرات وراثية مستمرة. المطفرات الفعالة هي مطفرات ذات طبيعة فيزيائية - الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية أو النيوترونات السريعة أو المواد الكيميائية. لا يسمح استخدام المطفرات بزيادة إنتاجية السلالة الطبيعية فحسب، بل يسمح أيضًا بالحصول على سلالات ذات خصائص جديدة غير معروفة للكائنات الحية الدقيقة الطبيعية.

إن اختيار التركيبة العقلانية للوسائط المغذية له أهمية كبيرة في التخليق الحيوي للمضادات الحيوية. لا يشمل مفهوم "وسط الاستزراع" فقط تكوينًا نوعيًا وكميًا معينًا للمكونات أو العناصر الفردية اللازمة لعملية التمثيل الغذائي البناء والحيوي للجسم (مصادر النيتروجين والكربون والفوسفور ومصادر عدد من العناصر النزرة والفيتامينات والنمو المواد)، ولكن أيضًا العوامل الفيزيائية والكيميائية (الحموضة النشطة، وإمكانية الأكسدة والاختزال، ودرجة الحرارة، والتهوية، وما إلى ذلك). كل هذه العوامل مترابطة وتلعب دورا هاما في تطور الكائنات الحية الدقيقة.

عند اختيار الوسائط ذات التركيب المطلوب، ينبغي للمرء أن يأخذ في الاعتبار خصوصيات الكائن المزروع. يعد ذلك ضروريًا لتهيئة الظروف المثالية التي من شأنها تعزيز أفضل نمو للميكروب والتخليق الحيوي لمنتجات النفايات الضرورية. على سبيل المثال، إذا كان الجسم لا يستطيع تصنيع بعض المركبات الأساسية لوظائفه الحيوية (مثل الأحماض الأمينية أو الفيتامينات) من مواد بسيطة من الركيزة، فيجب إضافة الأحماض الأمينية أو الفيتامينات الجاهزة إلى التركيبة من أجل تطويره. وتشمل هذه الكائنات "المتطلبة" بعض أنواع البكتيريا (بكتيريا حمض اللاكتيك، وما إلى ذلك). عادةً ما تقوم الأكتينوميسيتات والعفن في الغالب ببناء مواد أجسامها والمنتجات النهائية لعملية التمثيل الغذائي، والتي تكون معقدة جدًا في التركيب، من مركبات مكونة من مكونات بسيطة من الركيزة.

طرق زراعة منتجي المضادات الحيوية

في الظروف الحديثة، يتم التعرف على طريقة الزراعة العميقة باعتبارها الطريقة الواعدة لزراعة الكائنات الحية الدقيقة التي تنتج المضادات الحيوية أو غيرها من المركبات النشطة بيولوجيا. تتكون الطريقة من حقيقة أن الكائنات الحية الدقيقة تتطور في سمك وسط مغذي سائل، يتم من خلاله تمرير الهواء المعقم بشكل مستمر، ويتم خلط الوسط.

يمكن الإشارة إلى أربعة تعديلات رئيسية للطريقة العميقة لنمو الكائنات الحية الدقيقة.

1. زراعة الدفعة. باستخدام هذه الطريقة، يتم إكمال عملية تطور الكائنات الحية الدقيقة بالكامل في جهاز تخمير واحد، وبعد ذلك يتم تحرير جهاز التخمير من سائل الاستنبات، وغسله جيدًا وتعقيمه وإعادة تعبئته بوسط مغذٍ جديد. يتم تلقيح الوسط بالكائنات الحية الدقيقة التي تتم دراستها، وتستأنف العملية.2. طريقة الفطام. تتم زراعة الكائنات الحية الدقيقة في أجهزة التخمير مع أخذ عينات دورية من جزء من حجم سائل الاستزراع (من 30 إلى 60٪ من الحجم الإجمالي). يتم رفع حجم سائل الاستزراع في جهاز التخمير إلى المستوى الأصلي باستخدام وسط غذائي طازج.

3. طريقة البطارية. يحدث تطور الكائنات الحية الدقيقة في سلسلة من أجهزة التخمير المتصلة بالسلسلة. في مرحلة معينة من تطور الكائنات الحية الدقيقة، يتم ضخ السائل الثقافي من جهاز التخمير الأول إلى الثاني، ثم من الثاني إلى الثالث، وما إلى ذلك. ويتم ملء جهاز التخمير الفارغ على الفور بوسط مغذٍ جديد ملقح بالكائنات الحية الدقيقة. مع هذه الطريقة لزراعة الكائنات الحية الدقيقة، يتم استخدام الحاويات بشكل أكثر عقلانية.

4. الزراعة المستمرة. تختلف الطريقة اختلافًا جوهريًا عن التعديلات المشار إليها للزراعة العميقة لمنتجي المضادات الحيوية. تعتمد هذه الطريقة على حقيقة أن تطور الكائنات الحية الدقيقة يحدث في ظل ظروف التدفق المستمر للوسط الغذائي، مما يسمح بالحفاظ على تطور الكائنات الحية الدقيقة في مرحلة معينة من نموها. يتم تحديد مرحلة تطور الكائنات الحية الدقيقة على أساس المرحلة الأكثر فائدة لتحقيق أقصى قدر من التخليق الحيوي للمضاد الحيوي أو أي مركب نشط بيولوجيًا آخر.

طريقة أخرى لزراعة الكائنات الحية الدقيقة هي الزراعة السطحية. تُستخدم طريقة الزراعة السطحية على وسائط الآجار المختلفة على نطاق واسع في الممارسة المخبرية وفي بعض العمليات الصناعية، ولا سيما للحفاظ على ثقافات التجميع، ولدراسة الخصائص الفسيولوجية والكيميائية الحيوية للكائنات الحية الدقيقة، ولأغراض تحليلية. على المستوى الصناعي، وجدت هذه الطريقة تطبيقًا في الحصول على مادة بوغية لإنتاج الأحماض العضوية باستخدام قوالب من جنس الرشاشيات.

في الطريقة السطحية، تتم زراعة الكائنات الحية الدقيقة المنتجة على سطح طبقة رقيقة من وسط سائل أو صلب. تُستخدم الوسائط المغذية السائلة بشكل أساسي في إنتاج الأحماض العضوية (الستريك والإيتاكونيك) والأحماض الصلبة - في إنتاج المجمعات القائمة على النشا والمواد الخام المحتوية على السليلوز.

تتنوع طرق عزل المضادات الحيوية من سائل المزرعة بشكل كبير وتتحدد حسب الطبيعة الكيميائية للمضاد الحيوي. تستخدم الطرق التالية بشكل رئيسي:

1. زرع معلقة من التربة في الماء على سطح طبق أجار.يتم نقل عينة معينة من التربة، المطحونة جيدًا في ملاط ​​مع كمية صغيرة من الماء، كميًا إلى دورق به ماء معقم. يتم رج محتويات الدورق لمدة 5 دقائق، ثم يتم إجراء سلسلة من التخفيفات المتعاقبة من المعلق المائي، والتي يتم زراعتها على الوسط المناسب الموصى به. للحصول على مزارع نقية في المستقبل، يتم زراعة المستعمرات الفردية، بعد الحضانة في منظم الحرارة عند درجة الحرارة المطلوبة، في أنابيب ذات أجار مغذي مائل. يتم زراعة كل مزرعة نقية من الكائنات الحية الدقيقة على وسائط ذات تركيب مختلف، وبعد تطوير جيد بما فيه الكفاية، يتم فحص خصائص المضادات الحيوية.

2. زرع التربة على أجار مغذٍ تم زرعه مسبقًا بكائن اختباري. يتم بذر سطح الآجار المغذي بمزرعة اختبار للكائن الحي المطلوب، وبعد ذلك يتم وضع كتل صغيرة من التربة لا يزيد حجمها عن حبوب الدخن على صفيحة الآجار، أو يتم وضع التربة على شكل غبار، وتوزيعها ذلك على كامل سطح اللوحة. ثم يتم وضع الأكواب في منظم الحرارة وبعد فترة زمنية معينة (24-48 ساعة، وأحيانًا أكثر) يتم فحص قطع من التربة أو أجزاء فردية منها، والتي تشكلت حولها مناطق النمو المثبط لكائن الاختبار. يتم عزل الثقافات النقية للكائنات الحية من هذه المناطق وإخضاعها لمزيد من الدراسة.

3. طريقة تخصيب التربة.يتم إثراء التربة التي من المفترض أن يتم عزل الخصوم منها بالكائنات الحية من تلك الأنواع التي يريدون الحصول على مضاد لها. ولهذا الغرض، تتم إضافة المعلق المغسول للكائنات الحية الدقيقة المرغوبة بشكل منهجي إلى عينات التربة الموضوعة في أوعية زجاجية. ثم، على فترات زمنية معينة، يتم زرع هذه التربة في شكل كتل منفصلة على أطباق أجار في أطباق بيتري، والتي تم تلقيحها سابقًا بنفس الكائن الحي الذي تم استخدامه لإثراء التربة.

4. طريقة الطرد المركزي لتعليق التربة.لعزل الفطريات الشعاعية من التربة وخاصة من التربة في فصل الربيع، عندما يتطور فيها عدد كبير من الفطريات والبكتيريا، يتم استخدام طريقة الطرد المركزي لمعلق التربة. تعتمد الطريقة على الاختلاف في معدل استقرار الأنواع الفردية من الكائنات الحية الدقيقة في مجال الطرد المركزي. عند 3000 دورة في الدقيقة لمدة 20 دقيقة، تستقر الجزيئات المقابلة في الحجم لجراثيم العفن أو الخلايا البكتيرية في قاع أنبوب الاختبار. تظهر الجسيمات المقابلة في الحجم لجراثيم الشعيات عند سرعة طرد مركزي معينة في الطبقة السطحية للسائل. عن طريق زرع السائل الطاف، في معظم الحالات (ما يصل إلى 92٪)، من الممكن الحصول على مستعمرات الشعيات فقط على لوحات أجار المغذيات.

5. تجميد التربة – طريقة الذوبان.من المعروف أن الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في التربة تكون في حالة ممتصة على جزيئات التربة. لاستكمال امتصاص الكائنات الحية الدقيقة من جزيئات التربة، يتم استخدام طرق مختلفة: كيميائية، حيث يتم معالجة عينات التربة بمنظفات مختلفة، فيزيائية، والتي تعتمد على طريقة الطحن الميكانيكي لعينات التربة.

لتحسين امتصاص الكائنات الحية الدقيقة من جزيئات التربة، يوصى باستخدام طريقة تجميد ذوبان التربة. جوهر الطريقة على النحو التالي. يتم وضع عينة التربة المختارة لعزل الفطريات الشعوية في مبخر الثلاجة المنزلية عند درجة حرارة 8 درجات مئوية. بعد مرور ساعة، تُخرج العينة من الثلاجة وتُحفظ في درجة حرارة الغرفة حتى تذوب تمامًا. يتم تكرار إجراء التجميد والذوبان مرتين. ثم توضع عينة من التربة في ماء الصنبور المعقم، ويرج المعلق لمدة 15 دقيقة على شاكر دائري بسرعة 230 دورة في الدقيقة، وبعد ذلك يتم زرع التخفيفات المختلفة للمعلق على طبق أجار مغذي في أطباق بتري.

تتيح طريقة تجميد عينات التربة وإذابتها اكتشاف عدد أكبر من الفطريات الشعوية فيها بمقدار 1.2 إلى 3.6 مرة مقارنةً بنفس العينات دون تجميدها. ويبدو أن هذا يرجع إلى زيادة امتزاز الشعيات من سطح جزيئات التربة. تتم تنقية المضاد الحيوي عن طريق الطرق الكروماتوغرافية (الفصل اللوني على أكسيد الألومنيوم، السليلوز، المبادلات الأيونية) أو الاستخلاص بالتيار المعاكس. يتم تجفيف المضادات الحيوية النقية بالتجميد. بعد عزل المضاد الحيوي، يتم اختبار نقائه. للقيام بذلك، تحديد تكوينه العنصري، والثوابت الفيزيائية والكيميائية (نقطة الانصهار، الوزن الجزيئي، الامتزاز في المناطق المرئية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء من الطيف، دوران محدد). كما تتم دراسة النشاط المضاد للبكتيريا والعقم وسمية المضاد الحيوي.

يتم تحديد سمية المضادات الحيوية في حيوانات التجارب، والتي يتم إعطاؤها عن طريق الوريد، أو داخل الصفاق، أو في العضل، أو بطريقة أخرى على مدى فترة زمنية معينة مع جرعات مختلفة من المضاد الحيوي الذي تتم دراسته. إذا لم تكن هناك تغييرات خارجية في سلوك الحيوانات خلال 12-15 يومًا، فيُعتبر أن المضاد الحيوي الذي يتم اختباره ليس له خصائص سامة ملحوظة. وستحدد دراسة أكثر تعمقا ما إذا كان مضاد حيوي معين له سمية مخفية وما إذا كان يؤثر على الأنسجة والأعضاء الفردية للحيوانات. في الوقت نفسه، يتم دراسة طبيعة العمل البيولوجي للمضادات الحيوية - جراثيم أو مبيد للجراثيم، مما يجعل من الممكن التنبؤ بآليات خصائصه المضادة للبكتيريا.

المرحلة التالية من دراسة المضاد الحيوي هي تقييم خصائصه العلاجية. تصاب حيوانات التجارب بنوع معين من الميكروبات المسببة للأمراض. الحد الأدنى من المضاد الحيوي الذي يحمي الحيوان من جرعة مميتة من العدوى هو الحد الأدنى من الجرعة العلاجية. كلما زادت نسبة الجرعة السامة للمضاد الحيوي إلى الجرعة العلاجية، كلما ارتفع المؤشر العلاجي. إذا كانت الجرعة العلاجية مساوية أو قريبة من الجرعة السامة (مؤشر علاجي منخفض)، فإن احتمالية استخدام المضاد الحيوي في الممارسة الطبية محدودة أو مستحيلة تمامًا. عندما يدخل المضاد الحيوي في الممارسة الطبية على نطاق واسع، يتم تطوير الطرق الصناعية لإنتاجه ودراسة تركيبه الكيميائي بالتفصيل.

توحيد المضادات الحيوية

تعتبر وحدة واحدة من نشاط المضاد الحيوي هي الحد الأدنى من كمية المضاد الحيوي القادرة على تثبيط تطور أو تأخير نمو سلالة قياسية من ميكروب الاختبار في حجم معين من الوسط الغذائي. عادة ما يتم التعبير عن حجم النشاط البيولوجي للمضادات الحيوية بوحدات الجرعة القياسية (ED) الموجودة في 1 مل من المحلول (ED/ml) أو في 1 ملغ من الدواء (ED/mg). على سبيل المثال، تعتبر وحدة نشاط المضاد الحيوي من البنسلين هي الحد الأدنى من كمية الدواء القادرة على تثبيط نمو المكورات العنقودية الذهبية القياسية 209 في 50 مل من مرق المغذيات. بالنسبة للستربتوميسين، تعتبر وحدة واحدة من النشاط هي الحد الأدنى من كمية المضاد الحيوي الذي يمنع نمو الإشريكية القولونية في 1 مل من مرق المغذيات.

بعد أن تم الحصول على العديد من المضادات الحيوية في شكل نقي، بدأ البعض منهم في التعبير عن النشاط البيولوجي في وحدات جماعية. على سبيل المثال، وجد أن 1 ملغ من قاعدة الستربتوميسين النقية تعادل 1000 وحدة. ولذلك، فإن وحدة واحدة من نشاط الستربتومايسين تعادل 1 ميكروغرام من القاعدة النقية لهذا المضاد الحيوي. ولذلك، في معظم الحالات، يتم الآن التعبير عن كمية الستربتومايسين بالميكروجرام/مجم أو ميكروجرام/مل. كلما اقترب عدد ميكروجرام/مجم في مستحضرات الستربتوميسين من 1000، كلما كان الدواء أكثر نقاءً. من الواضح أن وحدة النشاط البيولوجي للمضاد الحيوي لا تتطابق دائمًا مع 1 ميكروغرام. على سبيل المثال، بالنسبة للبنزيل بنسلين، وحدة واحدة تعادل حوالي 0.6 ميكروغرام، حيث أن 1 ملغ من المضاد الحيوي يحتوي على 1667 وحدة.

طرق تحليل المضادات الحيوية

على عكس بعض المركبات الطبيعية الأخرى (قلويدات، جليكوسيدات)، لا توجد تفاعلات جماعية عامة للمضادات الحيوية. لا يمكن استخدام مثل هذه التفاعلات إلا مع المضادات الحيوية من فئة كيميائية واحدة، على سبيل المثال، التتراسيكلين أو النيتروفينيل ألكيلامين (الكلورامفينيكول). لتحديد المضادات الحيوية، يمكن استخدام تفاعلات الألوان المختلفة للمجموعات الوظيفية المقابلة؛ الخصائص الطيفية في المناطق المرئية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء من الطيف؛ الطرق الكروماتوغرافية. لتحديد كمية المضادات الحيوية، يتم استخدام الطرق البيولوجية والكيميائية والفيزيائية والكيميائية.

تعتمد الطرق البيولوجية على التأثير البيولوجي المباشر للمضاد الحيوي على كائن الاختبار المستخدم، والذي يكون حساسًا لهذا المضاد الحيوي. تعتمد طريقة الانتشار المستخدمة على قدرة جزيئات المضادات الحيوية على الانتشار في وسط الأجار. يتم تقدير حجم المنطقة التي لا تتطور فيها كائنات الاختبار المستخدمة. يعتمد هذا الحجم على الطبيعة الكيميائية للمضاد الحيوي، وتركيزه، ودرجة الحموضة وتكوين الوسط، ودرجة حرارة التجربة.

ويعتمد نوع آخر من الاختبارات البيولوجية على قياس التعكر - وهي طريقة للتحليل الكمي تعتمد على شدة الضوء التي تمتصها الجسيمات العالقة - الخلايا الميكروبية. عند إضافة كميات معينة من المضادات الحيوية، يحدث تأخير في نمو خلايا الكائنات الحية الدقيقة (تأثير جراثيم)، ومن ثم موتها (تأثير مبيد للجراثيم). في هذه الحالة، تتغير شدة الضوء الممتص (تتناقص). كبديل لقياس التعكر، يمكن استخدام طريقة قياس الكلى للتحليل الكمي لشدة الضوء المتناثرة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة.

من أجل التحديد الكمي للمضادات الحيوية، يتم استخدام طرق طيفية مختلفة - في المقام الأول طرق القياس اللوني الضوئي والطيف الضوئي. على سبيل المثال، لتحديد تركيز محلول الإريثروميسين، يمكن استخدام طريقة القياس اللوني الضوئي، بناءً على التغير في امتصاص محلول المضاد الحيوي بعد تفاعله مع حمض الكبريتيك. يمكن تحديد المضادات الحيوية من سلسلة التتراسيكلين طيفيًا بواسطة نطاق الامتصاص الذي يختفي بعد التحلل المائي القلوي للمادة الفعالة. تم تطوير طريقة تجمع بين الأساليب الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية لتقييم نشاط الدواء. وتعتمد الطريقة على حيود الليزر في وسط يحتوي على خلايا ميكروبية تحت تأثير المواد الكيميائية، وخاصة المضادات الحيوية.

الحفاظ على السلالات المنتجة للمضادات الحيوية في حالة نشطة

تعتبر طرق الحفاظ على حيوية الكائنات الحية التي تسمح بالحفاظ على نشاط المضادات الحيوية عند مستوى ثابت مهمة للإنتاج الصناعي للمضادات الحيوية، وكذلك للدراسات المختبرية لمنتجي مواد المضادات الحيوية. من المعروف أن الكائنات الحية الدقيقة، وخاصة الفطريات الشعاعية، يمكن تعديلها بسهولة عن طريق طرق التخزين التقليدية. علاوة على ذلك، في كثير من الأحيان يكون هناك فقدان كامل أو جزئي لخصائص المضادات الحيوية. يبدو أن فقدان خصائص المضادات الحيوية يعتمد على حقيقة أننا غير قادرين، في ظل ظروف الزراعة العادية، على خلق الظروف التي من شأنها تسهيل الحفاظ على الجسم لخصائصه الفسيولوجية الأساسية. غالبًا ما يتم ملاحظة فقدان النشاط عند زراعة الكائنات الحية الدقيقة في وسط غني بالتركيب ومع إعادة البذر بشكل متكرر.

وفي الوقت نفسه، يمكن تحديد التغيرات في الخصائص الفسيولوجية أو الكيميائية الحيوية لمنتجي المواد المضادة للمضادات الحيوية من خلال أنماطهم الجينية. ومن المعروف، على سبيل المثال، أن منتج الجراميسيدين C أثناء التطور ينفصل إلى عدد من المتغيرات، وبعضها لا يشكل هذا المضاد الحيوي. علاوة على ذلك، فإن عملية تفكك الثقافة تسير في اتجاه تكوين عدد كبير من المتغيرات غير النشطة بيولوجيا، مما يؤدي في النهاية إلى الفقدان الكامل لقدرة المزرعة على تكوين الجراميسيدين. حاليًا، يتم استخدام عدد من الطرق للحفاظ على مزارع منتجي المضادات الحيوية، مما يضمن بقائهم على المدى الطويل في حالة نشطة. وتعتمد هذه الطرق على مبدأ تأخير تطور الكائنات الحية الدقيقة، ومبدأ الحفظ. لكل نوع من منتجي المواد المضادة للمضادات الحيوية، يجب اختيار طريقة الحفظ الأكثر ملاءمة، مما يسمح بالحفاظ على الثقافات في حالة نشطة لفترة طويلة نسبيا.

فيما يلي الطرق الأكثر شيوعًا للحفاظ على ثقافات الكائنات الحية الدقيقة التي تنتج المضادات الحيوية في حالة نشطة.

1. تجفيد الثقافات.

2. تخزين الخلايا النباتية أو أبواغ الكائنات الحية في تربة معقمة أو رمل معقم أو على بذور بعض النباتات (مثل الدخن). وفقا لعدد من المؤلفين، تظل ثقافات الشعيات في التربة المعقمة قابلة للحياة لمدة 30 عامًا أو أكثر.

3. تخزين الجراثيم على شكل معلقات مائية في أمبولات محكمة الغلق.

4. تخزين الجراثيم في رمل الكوارتز المعقم.

5. تخزين الثقافات على وسادة أجار تحت الزيوت المعدنية.

6. تخزين المحاصيل في درجات حرارة منخفضة (+4، +5 درجة مئوية).

7. في الآونة الأخيرة، للحفاظ على الكائنات الحية الدقيقة المختلفة في حالة نشطة، يتم استخدام النيتروجين السائل، حيث يتم إضافة تعليق الخلية المغسول من الوسط. في بعض الأحيان يتم حفظ مزارع الشعيات في الطور الغازي للنيتروجين السائل على كتل أجار مقطوعة من طبق أجار في أطباق بتري.

إن أفضل شكل من أشكال حفظ الكائنات الحية، حيث لا يوجد فقدان لنشاط المضادات الحيوية، هو التجفيد - وهذه الطريقة مناسبة لكل من ثقافات الكائنات الحية الدقيقة المكونة للجراثيم وغير المكونة للجراثيم. جوهر هذه الطريقة هو أن تعليق الخلايا أو جراثيم الكائنات الحية الدقيقة، المحضرة في وسط غني بالبروتينات (غالبًا ما يستخدم مصل الدم لهذه الأغراض)، يتم تجميده بسرعة عند درجة حرارة - 40 إلى - 60 درجة مئوية و يجفف تحت فراغ إلى الرطوبة المتبقية (0.5-0.7٪). بعد هذا العلاج، يتم إغلاق الأمبولات التي تحتوي على جراثيم أو خلايا من الميكروب المجفف بالتجميد. يمكن تخزين أشكال البكتيريا المجففة بالتجميد لمدة 16-18 سنة؛ ولا تفقد الجراثيم الفطرية خصائصها الأساسية عند تخزينها في صورة مجففة بالتجميد لمدة 10 سنوات.