Учебное пособие министерство Российской Федерации по связи и информатизации Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им проф. М. А. Бонч-Бруевича
| Вид материала | Учебное пособие |
- Федеральное агентство связи санкт-петербургский государственный университет телекоммуникаций, 30.2kb.
- Федеральное агентство связи санкт-петербургский государственный университет телекоммуникаций, 39.82kb.
- М. А. Бонч-Бруевича Кафедра опдс бочелюк Т. В., Доронин Е. М. «Назначение и примеры, 612.04kb.
- Петербургский Государственный Университет телекоммуникаций им проф. М. А. Бонч-Бруевича, 55.39kb.
- «мобильная связь», 49.1kb.
- Название доклада: универсальный, 63.37kb.
- Проблемы формирования учебно-методического комплекса, 151.02kb.
- Название учреждения, 806kb.
- Дорогие друзья и коллеги!, 15.57kb.
- Федеральное агентство связи государственное образовательное учреждение, 361.18kb.
БИОСЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ В МЕДИЦИНЕ И ЭКОЛОГИИ
И.С. Захаров, А.В. Пожаров, Т.В. Гурская, А.Д. Финогенов
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Министерство Российской Федерации по связи и информатизации
Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Содержание:
Введение
1. Свойства живого вещества, используемые в биосенсорных системах (БСС)
1.1. Единство организации.
1.1.1. Физико-химическое единство.
1.1.2. Единство биохимического строения.
1.1.3. Единство механизма обмена веществ.
1.2. Механизмы питания, дыхания и передачи наследственной информации.
1.2.1. Типы питания.
1.2.2. Типы дыхания.
1.2.3. Типы передачи наследственной информации.
1.2.4. Защитная система организмов.
1.3. Особенности восприятия стимулов (раздражителей)
1.3.1. Организация рецепторных систем.
1.3.2. Особенности клеточной сигнализации.
1.3.3. Особенности воздействия стимулов на организм.
1.4. Этологические реакции организмов.
1.4.1. Локомоции.
1.4.2. Таксисы, кинезы, реакции прикрепления.
1.5. Рост, размножение и гибель.
1.6. Живой организм как система.
1.7. Проблемы использования живого.
2. Подготовка биохимических преобразователей для биосенсорных систем.
2.1. Биологические объекты для биохимических преобразователей.
2.2. Методы отбора и подготовки живых организмов.
2.2.1. Первичный отбор.
2.2.2. Культивирование.
2.2.3. Оборудование для культивирования.
2.2.4. Идентификация организмов.
2.2.5. Коллекции организмов.
2.2.6. Модификация организмов.
2.2.7. Понятие о генной инженерии.
2.3. Организмы как биохимические преобразователи (БХП)
2.3.1. БПХ с подвижными организмами.
2.3.2. БХП с модифицированными организмами.
2.4. Методы подготовки структур организмов.
2.4.1. Выделение веществ из тканей и клеток.
2.4.3. Модификация.
2.5. Биологические вещества и структуры, применяющиеся для биохимических преобразователей.
2.5.1. Ферменты.
2.5.2. Ткани организмов.
2.5.3. Фотосинтезирующиепигменты.
2.5.4. Носители генетической информации.
2.5.5. Комплекс антиген-антитело.
2.5.6. Комплекс антиген–антитело–фермент
3. Измерительные преобразователи биосенсорных систем
3.1. Оптические
3.1.1 Денситометрические
3.1.2. Колометрические
3.1.3. Спектрометрические
3.1.4. Турбидиметрические и нефелометрические
3.1.5. Рефлектрометрические
3.1.6. Рефрактометрические
3.1.7. Флуктуационные
3.1.8. Флуктуационно - корреляционные
3.1.9. Биолюминометрические
3.1.10. Жидкокристаллические
3.2. Электрохимические
3.2.1. Кондуктометрические
3.2.2. Потенциометрические
3.2.3. Амперометрические
3.3. Гравиметрические
3.4. Калориметрические
3.5. Радиоактивные
3.6. Микроаналитические
3.7. Миктромеханические
4. Особенности конструирования и эксплуатации биосенсорных систем
4.1. Обобщенная структура биосенсорной системы
4.2. Факторы, влияющие на результат работы системы
4.3. Комплекс для иммуноферментного анализа
Заключение
Приложение
Литература
1. Свойства живого вещества, используемые в биосенсорных системах (БСС)
1.1. Единство организации
1.1.1. Физико-химическое единство
Применение БСС в медицине и экологии возможно в первую очередь благодаря тому, что разные формы живого обладают единством структурного строения, обмена веществ, систем жизнеобеспечения и приспособления к окружающей среде.
Согласно закону физико-химического единства живого вещества (совокупности организмов на планете), открытому В. И. Вернадским в результате спектрального анализа вещества многих организмов, живое вещество Земли состоит из одной довольно узкой группы химических элементов.
Элементы, необходимые живому в большем количестве, чем остальные, называют макроэлементами (С, H, O, N, S, P, K, Na, Mg, Ca, Cl). Они обычно в форме ионов выполняют сходную роль в процессах регуляции различных форм жизни. Например, Na+ и K+ влияют на функции проводимости мембран клеток, а Ca2+ является элементом строения оболочек и “несущих конструкций” (костей, эмали, раковин, межклеточных стенок у растений).
Ионы макроэлементов необходимы для обеспечения жизнедеятельности любых видов организмов, применяемых в биосенсорах и при их искусственном размножении.
Важное следствие закона физико-химического единства живого вещества было сформулировано в 80-е гг. XX в. Н. Ф. Реймерсом: всякий фактор, оказывающий вредное воздействие на одну форму живого вещества, может быть вредным и для других его форм. Это, с одной стороны, объясняет возможность использования различных видов живого для прогноза воздействия вредных факторов на человека, с другой – побуждает осторожно относиться к применению веществ и излучений биоцидного действия: ультрафиолетовой радиации, мыла с антибиотиками, моющих средств с бактерицидным эффектом, сельскохозяйственных ядов, бытовых инсектицидов.
1.1.2. Единство биохимического строения
В большинстве видов живого обнаруживаются простые органические соединения такие, как аминокислоты, моносахариды, пептиды и жирные кислоты, из которых строятся более крупные полимеры: белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды соответственно.
Строение белков. Вещества, называемые аминокислотами, содержат аминогруппу (NH2) и углеродную группу (COOH). Заменимые аминокислоты синтезируются организмом, незаменимые – поступают с пищей. Белки являются полимерами аминокислот и характеризуются относительной пищевой ценностью (ОПЦ), зависящей от состава аминокислот. ОПЦ является важным показателем качества пищи и кормов, который ухудшается при воздействии загрязнителей [8].
Сложная компактно образованная пространственная структура белков обладает зарядом, препятствующим “слипанию” цепей из аминокислот, и гидрофобными свойствами, защищающими ее от растворения в водной среде. Трехмерная структура белка обычно размещается в оболочке – глобуле.
Белки – важный компонент пищи организмов. Они выполняют структурные функции, составляя свыше 50% общей сухой массы клеток, и функции обмена веществ. Некоторые белки являются биологическими катализаторами – ферментами (п. 1.1.3). Свойства ферментов сохраняют только глобулярные (с ненарушенной пространственной структурой) белки.
Денатурацией белков называется утрата трехмерной структуры, присущей белковой молекуле. При этом она теряет возможность выполнять свои биологические функции. К денатурации могут привести различные факторы окружающей среды: нагрев, ионизирующие излучения, сильные кислоты и щелочи, разрывающие различные связи между аминокислотами, тяжелые металлы, снижающие электрический заряд молекулы, органические растворители и дезинфицирующие вещества, уменьшающие гидрофобность белка, после чего он выпадает в виде осадка.
БСС используют для выявления денатурирующих свойств веществ и излучений, оценки качества переработки белков различными организмами, определения показателя ОПЦ. В свою очередь для БСС опасны любые факторы, способные вызвать денатурацию белка. Обычно денатурация белка происходит при 45 С. Биологами выделены термофильные (теплолюбивые) микроорганизмы, которые сохраняют жизнеспособность при 55...60 C и даже при более высокой температуре.
Строение углеводов. Углеводы являются полимерами простых сахаров, например глюкозы. К подобным полисахаридам относятся: крахмал – главный продукт фотосинтеза, энергетический компонент клеток растений; гликоген – эквивалент крахмала, синтезируемый животными и грибами; целлюлоза – строительный материал клеток растений; хитин – компонент наружного скелета насекомых, близкий по строению к целлюлозе.
Загрязнители, ухудшающие синтез глюкозы, могут одновременно повреждать растения и грибы; наносить вред человеку, животным и насекомым.
Строение нуклеиновых кислот. Первичный элемент строения этих соединений – нуклеотиды, которые состоят из пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты. Их полимеры – нуклеиновые кислоты (ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, РНК – рибонуклеиновая кислота), подобно белкам, характеризуются последовательностью видов нуклеотидов и трехмерной структурой.
Макромолекула ДНК является первичной единицей жизни. На ее структуру могут воздействовать ионизирующие излучения и химические вещества, разрывающие связи ДНК и приводящие к образованию другой объемной конфигурации.
Строение липидов. Жирные кислоты – важные биологические мономеры, характеризующиеся гидрофобностью и высокой энергетической ценностью, что определяет их роль в организме. Липиды являются полимерами жирных кислот. К важнейшим липидам относятся: жиры, масла, виды воска (основного водоотталкивающего покрытия листьев, плодов, семян, шерсти, перьев, хитина), компоненты клеточных мембран, ароматизирующие соединения, фотосинтетические пигменты и вещества, ускоряющие рост растений и входящие в состав гормонов, витаминов, желчи. Жиры более энергоемкое соединение, чем углеводы, поэтому в семенах часть энергии запасается в липидах.
Липиды могут разрушаться при попадании в окружающую среду различных органических растворителей бытового или промышленного назначения.
1.1.3. Единство механизма обмена веществ
Метаболизм. Основной механизм обмена веществ у различных форм живого – ферментативные реакции, подразделяющиеся на реакции синтеза и распада, совокупность которых называется метаболизмом клетки или организма.
Ферменты или энзимы (соответственно с лат. и греч. “закваски”) были впервые обнаружены в результате изучения дрожжевых грибов (дрожжей), использовавшихся в процессах брожения. Долгое время ферментами назывались катализаторы, работающие внутри клеток, а энзимами – выделенные после их распада белки, ускоряющие биохимические реакции. Сегодня более распространено обобщенное понятие “фермент” [18, 51].
Ферменты являются биологическими катализаторами, т.е. ускоряют биохимические реакции в тысячи и более раз за счет понижения уровня энергии, необходимой для начала реакции, но почти не расходуются
Ферменты обладают свойством специфичности, т. е. один фермент катализирует обычно только одну реакцию, которая записывается в виде
S + F = P + F,
(1)
где S – субстрат, F – фермент, P – продукт. Субстратом называется любое исходное вещество, на которое действует фермент. Продуктом – полученные в результате биохимической реакции соединения или излучения.
Считается, что ферментов в организме существует столько, сколько в нем происходит разного типа реакций распада, синтеза, трансформации, транспорта веществ. Каждому открытому ферменту (в настоящее время их известно более трех тысяч) присваивается полное систематическое и краткое рабочее наименование, состоящее из следующих частей:
- названия катализируемого субстрата (в тексте выделено курсивом);
- указания на тип реакции (выделено жирным курсивом). Наиболее распространенные сокращения: “синт” – синтез, “оксид” – окисление, “катал” – катализ, “гидро” – гидролиз (разложение водой), “редукт” – перенос атомов, “трансфер” – перенос групп, “кин” – ускорения реакции переноса групп, “фосфо” – присоединение фосфорной группы, “карбоксил” – присоединение СO2, “эстер” – перевод в форму эфира, “лиг” – соединение двух молекул. Приставка “де” означает обратный тип реакции;
- общего окончания “-аза” (приведено без курсива).
Например, “сахараза” – фермент, который расщепляет сахарозу (углеводный субстрат) на глюкозу и мальтозу. Ацетилхолинэстераза, катализирует преобразование ацетилхолина в форму сложного эфира.
Ферменты играют важнейшую роль в функционировании всех систем человека, их недостаток может приводить к различным заболеваниям.
Действие фермента можно наблюдать, если залить перекисью водорода (пероксидом) растолченную горошину из стручка [12]. Субстрат S (перекись) с помощью фермента (каталазы) F будет на глазах распадаться на воду и выделяемый в виде пены кислород – продукты P ферментативной реакции. При этом фермент каталаза “обнаруживает” лишь свой субстрат – перекись водорода, реакцию распада которой ускоряет в миллион раз.
Для понимания принципа БСС важно отметить, что субстрат и продукт обладают различными физико-химическими свойствами (перекись водорода и вода с кислородом).
Свечение насекомых, рыб обусловливает реакция окисления субстрата люциферина в присутствии фермента люциферазы (п. 2.5.1).
Чтобы превратить данное исходное вещество (субстрат) в требуемый продукт, часто необходима сложная последовательность реакций, предполагающая катализ ряда промежуточных соединений (метаболический путь). При этом соблюдается принцип “конвейера”: предыдущие реакции создают продукты, которые становятся субстратами для последующих.
Если количество субстрата велико, то количество продукта и скорость реакции будет линейно зависеть от количества фермента, участвующего в реакции. Это свойство позволяет измерять концентрацию фермента по количеству продукта биохимической реакции в единицу времени и оценивать недостаток ферментов в организме человека для диагностики нарушений обмена веществ.
При постоянной концентрации фермента зависимость количества продукта от концентрации субстрата будет нелинейной, так как реакционные возможности фермента ограничены..
Регуляция активности ферментов. Активность ферментов может изменяться в зависимости от условий окружающей среды.
При повышении температуры (не доходя до температуры денатурации, п. 1.1.2) скорость реакций удваивается через каждые 10 C, а после достижения температурного максимума – уменьшается. При температурах среды выше 45 C ферментный белок подвергается денатурации.
Для каждой реакции существует свой диапазон кислотности среды, в границах которого скорость катализа максимальна. Окружающей средой для ферментов может быть как внешняя среда, так и внутренняя среда живых организмов.
Неорганические ионы могут либо инициировать реакции, выступая в качестве кофакторов, или, наоборот, подавлять, действуя как ингибиторы. Например, цинк или магний являются кофакторами, а тяжелые металлы (Hg, Ag) ингибиторами для ряда ферментов.
Некоторые нуклеотиды выполняют функции коферментов, т. е. связующего звена между двумя ферментными системами.
Схема в прил. 1 наглядно отражает уровни регуляции активности ферментов.
В современных стиральных машинах используют порошки с биодобавками – ферментами (прил. 2), а для обеспечения максимума активности ферментов задают автоматический подогрев воды до необходимой температуры.
Ферменты нашли широчайшее применение в БСС. Их специфичность позволяет обнаруживать в среде органические загрязнители, являющиеся субстратами для специально подобранных ферментативных реакций, и оценивать их концентрацию по количеству образующегося продукта. Влияние на скорость реакций групп кофакторов и ингибиторов дает возможность оценивать по изменению выхода продукта интегральное загрязнение окружающей среды неорганическими ионами.
В области биоочистки ферментативные реакции являются основным путем переработки органических веществ. Например, большинство теплокровных животных и человек не могут усваивать целлюлозу (п. 1.2.1), что создает проблемы при утилизации отходов целлюлозно-бумажных комбинатов (ЦБК). Для катализа переработки целлюлозы используют бактерий вида Trichodorma с ферментами целлюлазами, которые катализируют ее распад на глюкозу и другие виды сахаров.
Регуляция обмена веществ. Витамины и микроэлементы – это содержащиеся в пище в очень малых количествах сложные органические соединения и химические элементы (Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, F, J, B, Se), которые не обладают пищевой ценностью, но необходимы для протекания нормального обмена веществ, при этом они расходуются, в связи с чем необходимо их восполнение. Недостаток витаминов в пище приводит к гиповитаминозу, симптомом которого, например при недостатке витамина К, является замедление свертываемости крови. Некоторые болезни связаны с нехваткой в организме микроэлемента цинка.
Витамины и микроэлементы позволяют интенсифицировать не только обмен веществ у человека, но и у растений, животных и микроорганизмов.
Поэтому ферменты, помогающие усваивать витамины, существуют у организмов разных уровней (разд. 2).
Эффект аккумуляции. Если вещество или элемент из внешней среды способны замещать другое вещество в обменных процессах, то возникает эффект аккумуляции. Например, ионы алюминия могут замещать кальций в составе костной ткани, что приводит к хрупкости костей. Поэтому в современных химических методиках определения элементного состава среды микроорганизмы используются для концентрирования и выделения микроэлементов из разбавленных растворов. Плесневые грибы применяют для избирательного поглощения золота из хлоридных растворов, а также для очистки растворов от ионов меди, цинка, железа [52].