Ю Основы биохимической инженерии. Пер. с англ, в 2-х частях. Ч. 1. — М.: Мир, 1989. — 692 с., ил. ISBN 5-03-001028-9
Фундаментальный труд, написанный известными американскими специалистами в области проектирования, разработки и применения процессов, связанных с переработкой биологических материалов и использованием биологических агентов, в первую очередь ферментов и клеток. Он написан с целью заполнить пробел, часто существующий между биологией и технологией на их пути к биотехнологии.
В русском переводе книга выходит в двух частях.
В первой части рассматриваются теоретические основы микробиологии, биохимии и биологии клетки, ферментативного катализа и молекулярной генетики. Отдельные главы посвящены стехиометрии и энергетике клеточных процессов, кинетике роста популяций клеток, транспортным явлениям в процессах с участием биокатализаторов и микроорганизмов.
Предназначена для студентов и преподавателей биологических и технологических специальностей, научных работников, инженеров, работающих в ^микробиологической и медицинской промышленности.
От переводчика
Биохимическая технология (биотехнология) —одна из самых старых и одновременно одна из самых молодых наук и отраслей промышленности, если под биотехнологией понимать использование живых организмов или биологических процессов в производстве,— ведь такие процессы, как хлебопечение, сыроделие, виноделие и др., известны человечеству с незапамятных времен. Однако термин «биотехнология» привился только с середины 70-х годов, когда биотехнология пережила свое второе рождение в связи с появлением генетической инженерии.
В настоящее время процессы биохимической технологии широко используются при производстве ценных биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, гормонов и др.), для предотвращения загрязнения окружающей среды, защиты растений от болезней и вредителей, в крупномасштабном производстве белков и аминокислот, предназначенных в качестве добавок к кормам в животноводстве. Развитие генетической и клеточной инженерии позволило получать ранее недоступные вещества — в первую очередь лекарственные препараты (ин-терфероны, гормоны роста, инсулин человека и др.). Другое перспективное направление биотехнологии связано с получением гибридом и продуцируемых ими антител, последние уже сейчас широко используются в качестве лекарственных и диагностических препаратов и специфических реагентов.
Для того чтобы все возможности генетической инженерии стали реальностью, необходимо перенести ее методы из стеклянной лабораторной пробирки в стальные промышленные реакторы*. Биохимическая технология в настоящее время переживает период чрезвычайно бурного роста, который был стимулирован успехами в фундаментальных и теоретических исследованиях в области наук о жизни, заметно опередивших практическое использование результатов этих исследований. Достижениям фундаментальных наук посвящено немало изданий, опубликованных как в СССР, так и за рубежом; в то же время
Промышленная МИКПобипЛПгия u vrnpvu глыртиио^тгпй uuwoupnuw ГГдп
Оглавление
От переводчика............... 5
Предисловие авторов.............. 8
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В МИКРОБИОЛОГИЮ....... 11
1.1. Биофизика и клеточная теория......... 1.3
1.2. Строение клеток.............. 14
1.2.1. Прокариотические клетки......... 14
1.2.2. Эукариотические клетки.....: 17
1.2.3. Фракционирование клеток......... 21
1.3. Важнейшие типы клеток........... 24
1.3.1. Бактерии.............. 26
1.3.2. Дрожжи .............. 30
1.3.3. Плесени............... 32
1.3.4. Водоросли и простейшие.....Г .... 36
1.3.5. Растительные и животные клетки....... 37
1.4. Перспективы дальнейшего изучения........ 40
Упражнения................ 40
Литература............... 43
Глава 2. ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ....... 44
2.1. Липиды................ 46
2.1.1. Жирные кислоты и родственные липиды..... 47
2.1.2. Жирорастворимые витамины, стероиды и другие липиды 51
2.2. Сахара и полисахариды........... 53
2.2.1. D-Глюкоза и другие моносахариды....... 55
2.2.2. Дисахариды и полисахариды........ 56
2.2.3. Целлюлоза............. 59
2.3. От нуклеотидов к РНК и ДНК......... 63
2.3.1. Структурные элементы нуклеиновых кислот; переносчик энергии и коферменты.......... 65
2.3.2. Хранение биологической информации, ДНК и РНК . • 69
2.4. Аминокислоты и белки............ 78
2.4.1. Белковые аминокислоты и полипептиды..... 81
2.4.2. Структура белков........... 86
2.4.3. Первичная структура........... 87
2.4.4. Пространственная структура белков; вторичная и третичная структуры.............. 90
2.4.5. Четвертичная структура и регулирование биологических процессов.............. 97
2.5. Биохимические соединения смешанного строения..... 98
2.5.1. Клеточные стенки; пептидогликаны и липополисахариды 99
2.5.2. Антитела и другие гликопротеины....... 104
ss.o. иерархия клеточной структуры......... 106
Упражнения................ ПО
Литература............... 116
Глава 3. КИНЕТИКА КАТАЛИЗИРУЕМЫХ ФЕРМЕНТАМИ РЕАКЦИИ ................ 118
3.1. Фермент-субстратные комплексы и механизм действия ферментов 125-
3.2. Кинетика простых ферментативных реакций с одним и двумя субстратами ................ 131
3.2.1. Уравнение Михаэлиса — Ментен........ 135
3.2.2. Определение параметров в уравнении Михаэлиса — Ментен 142:
3.2.3. Кинетика обратимых реакций, реакций с двумя субстрата-.
ми и с активацией фермента кофактором..... 144
3.3. Определение констант скоростей элементарных стадий ферментативной реакции.............. 149>
3.3.1. Релаксационные методы изучения кинетики . . . . 1491
3.3.2. Некоторые результаты изучения кинетики переходных состояний .............. 151
3.4. Другие типы зависимостей скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата ........... 15$
3.4.1. Активация и ингибирование ферментов субстратами . . 15$
3.4.2. Взаимодействие одного фермента с несколькими различными субстратами............ 156
3.5. Регуляция ферментативной активности....... 161
3.5.1. Механизмы обратимой регуляции ферментативной активности ............... 164
3.5.2. Анализ влияния обратимой регуляции на кинетику ферментативных реакций........... 16S
3.6. Другие факторы, влияющие на ферментативную активность 171
3.6.1. Влияние рН на кинетику ферментативных реакций в растворах ............... 173
3.6.2. Скорость ферментативных реакций и температура . . . 176
3.7. Инактивация ферментов........... 181
3.7.1. Механизм денатурации белков и сопутствующие эффекты 181
3.7.2. Моделирование и кинетика процессов инактивации . . 185
3.7.3. Денатурация ферментов под действием механических факторов ............... 191
3.7.4. Методы стабилизации ферментов....... 194
3.8. Ферментативные реакции в гетерогенных системах .... 196 Упражнения................ 202
Литература............... 205
Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ РЕАКЦИИ, КАТАЛИЗИРУЕМЫХ ФЕРМЕНТАМИ .............. 207
4.1. Применение гидролитических ферментов....... 213
4.1.1. Гидролиз крахмала и целлюлозы....... 215
4.1.2. Протеолитические ферменты......... 227
4.1.3. Применение эстераз........... 230
4.1.4. Ферментные смеси, пектиновые ферменты и другие пути использования ферментов.......... 231
4.2. Другие области применения ферментативных реакций в растворах 233
4.2.1. Применение ферментов в медицине....... 234
4.2.2. Применение негидролитических ферментов в промышленности и перспективы расширения сферы их использования 236
4.3. Технологические процессы с участием иммобилизованных ферментов ................. 237
4.3.1. Иммобилизация ферментов......... 238
4.3.2. Промышленные процессы.......... 249
4.3.3. Применение иммобилизованных ферментов в медицине и химическом анализе............ 257
4.3.4. Утилизация и регенерация кофакторов...... 262
4.4. Кинетика реакций, катализируемых иммобилизованными ферментами ................. 265
4.4.1. Влияние внешнего сопротивления массопередаче . . . 267
4.4.2. Моделирование диффузии и реакций внутри частицы катализатора .............. 273
4.4.3. Одновременное сопротивление массопередаче в граничном
слое и внутри частицы катализатора...... 285
4.4.4. Влияние ингибиторов, температуры и рН на каталитическую активность и инактивацию иммобилизованных ферментов 287
4.5. Заключение............... 290
Упражнения................ 291
Литература............... 295
Глава 5. СТЕХИОМЕТРИЯ И ЭНЕРГЕТИКА МЕТАБОЛИЧЕСКИХ
ПРЕВРАЩЕНИИ............ 298
5.1. Принципы термодинамики........... 304
5.2. Взаимосвязанность метаболических реакций; АТР и NAD . . 307
5.2.1. АТР и другие фосфаты.......... 307
5.2.2. Окисление и восстановление; сочетание с превращением NAD............... 309
5.3. Катаболизм углерода............ 312
5.3.1. Метаболический путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса 312
5.3.2. Другие пути катаболизма углеводов...... 316
5.4. Дыхание............... 319
л 5.4.1. Цикл трикарбоновых кислот........ 321
5.4.2. Дыхательная цепь........... 323
5.5. Фотосинтез и его связь с первичным источником энергии . . 327 5.5.1. Аккумулирование световой энергии....... 327
5.5.2. Транспорт электронов и фотофосфорилирование . . . 328
5.6. Биосинтез............... 330
5.6.1. Биосинтез низкомолекулярных соединений .... 331
5.6.2. Синтез макромолекулярных соединений..... 337
5.7. Транспорт через клеточные мембраны....... 340
5.7.1. Пассивная диффузия и сопряженный транспорт ... 341
5.7.2. Активный транспорт........... 344
5.8. Организация и регуляция метаболизма....... 348
5.8.1. Ключевые точки пересечения и разветвления метаболических путей............. 350
5.8.2. Регуляция метаболизма на ферментативном уровне . . 352
5.9. Конечные продукты метаболизма......... 355
5.9.1. Продукты анаэробного метаболизма (брожения) . . . 355
5.9.2. Частичное окисление и его конечные продукты . . . 358
5.9.3. Синтез вторичных метаболитов........ 359
5.10. Стехиометрия клеточного роста и образования продуктов метаболизма ................ 360
5.10.1. Общая стехиометрия клеточного роста; состав среды и коэффициенты выхода.......... 362
5.10.2. Материальный баланс по элементам и клеточный рост 369 П1ПЯ Р.ТРУИПМРТПИЯ ппппесеов обоазования продуктов метабо-
5.10.4. Стехиометрия энергетического обмена; оценка количества выделяющейся теплоты и соответствующих экономических коэффициентов............ 378
5.10.5. Стехиометрия фотосинтеза........ 384
5.11. Заключение.............• . 387
Упражнения................ 388
Литература............... 395
Глава 6. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА И СИСТЕМЫ РЕГУЛЯЦИИ 397
6.1. Молекулярная генетика........... 397
6.1.1. Процессы экспрессии генов......... 398
6.1.2. Расщепленные гены и модификация мРНК в эукариотах 406
6.1.3. Посттрансляционная модификация белков..... 408
6.1.4. Индукция и репрессия; регуляция белкового синтеза . • . 409>
6.1.5. Репликация ДНК и мутации......... 415
6.1.6. Общая схема потока информации в клетке..... 419
6.2. Модификация структуры клеточной ДНК....... 421
6.2.1. Вирусы и фаги; лизогения и трансдукция..... 423
6.2.2. Трансформация и конъюгация в бактериях..... 428
6.2.3. Слияние клеток............ 429
6.3. Применение результатов исследования генетики микроорганизмов
и популяций мутантов в промышленности...... 433
6.3.1. Системы клеточной регуляции; влияние состава среды 433
6.3.2. Применение ауксотрофных мутантов...... 435
6.3.3. Мутанты с модифицированными системами регуляции . . 437
6.4. Технология рекомбинантных ДНК......... 440
6.4.1. Ферменты для расщепления и сшивки ДНК .... 442
6.4.2. Векторы для Escherichia coli......... 446
6.4.3. Идентификация клонированных ДНК...... 448
6.4.4. Экспрессия эукариотических белков в Е. coli .... 452
6.4.5. Генетическая инженерия с участием других клеток-хозяев 458
6.4.6. Заключение............. 461
6.5. Рост и самовоспроизведение изолированной клетки .... 462
6.5.1. Методы эксперимента; цитометрия в потоке и синхронные культуры.............. 464
6.5.2. Клеточный цикл Е. coli.......... 467
6.5.3. Клеточный цикл эукариот......... 471
Упражнения................ 474
Литература............... 482
Глава 7. КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ УТИЛИЗАЦИИ СУБСТРАТА, ОБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ МЕТАБОЛИЗМА И БИОМАССЫ В КУЛЬТУРАХ КЛЕТОК......... 484
7.1. Идеальные реакторы для изучения кинетики клеточного роста 49J
7.1.1. Идеальный реактор периодического действия .... 491
7.1.2. Идеальный проточный реактор с полным перемешиванием (ПРПП).............. 492
7.2. Кинетика сбалансированного роста........ 49S
7.2.1. Уравнение Моно для кинетики клеточного роста . . . 497
7.2.2. Влияние эндогенного метаболизма и метаболизма поддержания на кинетику клеточного роста ...... 504
7.2.3. Другие уравнения кинетики клеточного роста .... 507
7.2.4. Влияние других параметров среды на кинетику клеточного роста............... 508
7.3. Кинетика клеточного роста в переходном состоянии . . . . он
7.3.1. Основные фазы роста клеток в реакторах периодического действия.............. 511
7.3.2. Неструктурированные модели клеточного роста в периодических процессах............ 523
7.3.3. Рост филаментозных организмов....... 527
7.4. Структурированные модели кинетики клеточного роста . . . 529
7.4.1. Компартментальные модели......... 530
7.4.2. Метаболические модели.......... 535
7.4.3. Моделирование клеточного роста как оптимального процесса 541
7.5. Кинетика образования продуктов метаболизма..... 544
7.5.1. Неструктурированные модели........ 545
7.5.2. Химически структурированные модели кинетики образования продуктов жизнедеятельности клеток..... 552
7.5.3. Моделирование кинетики образования продуктов метаболизма на основе механизмов молекулярных превращений; генетически структурированные модели ...... 555
7.5.4. Кинетика образования продуктов жизнедеятельности фила-ментозными организмами......... 558
7.6. Сегрегированные модели кинетики клеточного роста и образования продуктов метаболизма .......... 566
7.7. Кинетика тепловой гибели клеток и спор....... 570
7.8. Заключение............... 576
Упражнения................ 578
Литература............... 587
Глава 8. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ............... 590
8.1. Массообмен между газовой и жидкой фазами в клеточных системах ................ 593
8.1.1. Основные положения теории массообмена..... 595
8.1.2. Скорость утилизации кислорода в процессах клеточного метаболизма............. 603
8.2. Определение скорости переноса кислорода...... 606
8.2.1. Определение 6/а' с помощью химических реакций газообразных веществ с жидкостями........ 607
8.3. Массообмен с участием свободно поднимающихся и свободно падающих тел.............. 611
8.3.1. Коэффициенты массопередачи для газовых пузырьков и потоков пузырьков............ 611
8.3.2. Определение площади поверхности раздела фаз и газосодержания дисперсной системы........ 615
8.4. Массообмен путем принудительной конвекции..... 625
8.4.1. Общие принципы и основные критерии подобия . . . 625
8.4.2. Уравнения- для определения коэффициентов массопередачи
и площади поверхности раздела фаз...... 628
8.5. Определение /г/а' и мощность, потребляемая реакторами с перемешиванием и с барботажными устройствами..... 630
8.6. Массообмен через свободные поверхности...... 638
8.7. Другие факторы, влияющие на /г/а'........ 642
8.7.1. Определение коэффициентов диффузии..... 642
8.7.2. Ионная сила............. 643
8.7.3. Поверхностно-активные вещества....... 644
8.8. Неньютоновские жидкости.......... 646
8.8.1. Математические модели неньютоновских жидкостей и соответствующие параметры......... 647
8.8.2. Суспензии ... .......... 648
8.8.3. Растворы высокомолекулярных веществ..... 65 f
8.8.4. Потребляемая мощность и массообмен в биотехнологических процессах с неньютоновскими жидкостями ... 652
8.9. Масштабный переход и массообмен........ 656
8.10. Теплообмен............... 662
8.10.1. Уравнения теплообмена......... 668
8.11. Стерилизация газов и жидкостей фильтрованием .... 674 Упражнения................ 675
Литература............... 682
Цена: 250руб.
