Нанобиотехнологии в кормлении животных, производстве и переработке сельхозпродукции. Учебное пособие

Обмен аминокислот. Главная функция аминокислот – участие в строении белков (в том числе ферментов и некоторых гормонов), нуклеиновых кислот и нуклеотидов, биологически активных небелковых соединений, окис- лительно-восстановительных систем, веществ высокой фармакологической активности, передатчиков нервного возбуждения, красящего вещества крови, витаминов. Аминокислоты, не участвующие в синтезе указанных веществ, дезаминируются с выделением аммиака и углеродного безазотистого остатка, который либо сгорает до углекислоты с выделением энергии, либо превращается в гликоген или кетоновые тела.

1.4. Энергия

Всосавшиеся из пищеварительного тракта питательные вещества включаются в промежуточный обмен. Здесь они служат либо источником энергии, либо используются в качестве структурного материала в рамках поддерживающего обмена или же участвуют в процессах дополнительного неосинтеза (рост и образование продукции). Содержание

икормление животных только тогда отвечают поставленным целям, когда большая часть питательных веществ используется для дополнительного неосинтеза, а как можно меньшая – для удовлетворения потребностей в энергии

иструктурном материале, необходимых для поддержания

41

жизни. В этом смысле в питании животных по сравнению с питанием человека наблюдаются заметные количественные различия.

Промежуточный обмен углеводов и жиров во многом аналогичен. Обе группы питательных веществ в кормлении служат в первую очередь для удовлетворения потребности организма в энергии. Если эта потребность покрывается за счет углеводов и жиров, то белок может полностью использоваться для структурных превращений.

Углеводы всасываются в форме наночастиц – глюкозы и могут использоваться непосредственно для образования энергии. Этот процесс превращения углеводов протекает по определенному пути, который приводит к образованию очень важного промежуточного продукта – активированной уксусной кислоты. Последняя тоже имеет важное значение

вслучае структурного использования углеводов. Она является связующим звеном между процессами распада углеводов и синтеза жиров.

Углеводы могут накапливаться в организме животных

вочень незначительном объёме. Они откладываются в печени в форме гликогена. Гликоген – это полисахарид, который состоит из молекул глюкозы и может синтезироваться извсехвсосавшихсямоносахаридов,атакжеизихфрагментов. Основная функция углеводов состоит в образовании энергии.

Энергия корма подвергается в организме превращениям

всоответствии с законами термодинамики. Как известно, первый закон термодинамики гласит, что в пределах определённой системы различные формы энергии могут превращаться одна в другую, но общее количество энергии остаётся при этом постоянным:

,

где W – количество энергии; А – работа; Q – теплота.

42

В закрытой системе сумму энергии можно определить как внутреннюю энергию (U). Изменение её есть U. Таким образом, U представляет собой количество энергии, участвующей в обмене между закрытой системой и внешней средой:

.

При уменьшении общего количества энергии в системе становится возможной отдача энергии в форме работы или тепла.

Ворганизмптицыпоступаетхимическисвязаннаяэнергия, содержащаяся в питательных веществах. Эта энергия может быть превращена в работу и тепло. У сельскохозяйственныхживотныхповозможностибольшаячастьэнергии должна откладываться в организме в виде химически связанной энергии (мясо, молоко, яйцо) или как продукт синтеза белка и жира выделяться вовне (яйца). Часть химически связанной энергии, которая не может быть использована организмом,выделяетсяизнегосмочой,другаячасть,которая совсем не включается в промежуточный обмен, выводится из организма с калом.

Организм животных не в состоянии непосредственно использовать для образования энергии теплоту из окружающей среды, однако более высокая температура окружающей среды ограничивает высвобождение энергии в организме и, следовательно, в отличие от низких температур способствует экономии энергии.

Второй закон термодинамики (закон энтропии) гласит, что вероятность перехода работы в теплоту значительно больше, чем обратный переход теплоты в работу. Чтобы показать, при каких условиях в системе теплота может перейти в работу, необходимо знать температуру, при которой освобождается определенное количество теплоты. По

43

этой причине в уравнение первого закона включена температура.

Тепловую энергию можно выразить в виде произведения фактора интенсивности, т. е. температуры, на фактор мощности, т. е. энтропии (S). Следовательно,

Если же работа переходит в теплоту, то при точном анализе этот процесс можно рассматривать как изотермический, т. е. образующаяся теплота должна непрерывно отводиться из системы, в результате чего температура остаётся всё время постоянной. Тогда

В этом предельном случае переходящая теплота была бы равна S·T.

Для выражения освобождающейся теплоты в химических реакциях (протекающих изотермически) получим:

Если за счёт общего количества энергии (U) химического процесса наряду с освобождением энергии производится ещё и работа (А), то максимальное количество работы (Am), идентичное свободной энергии (F), можно выразить следующим уравнением:

Это уравнение справедливо для обратимого изотермического процесса.

Для энергетического описания химических реакций введено понятие термодинамического потенциала (G – свободная энтальпия). F и G связаны друг с другом следующим отношением:

44

,

где p – давление; V – объемная работа.

Это отношение показывает, что общая работа (ΔF) состоит из полезной работыΔG и объемной работы p V. Если же химические или биохимические реакции совершаются при постоянном объёме, то

Тем самым G как свободную энтальпию можно сравнить со свободной энергией F. Отсюда следует, что (H – энтальпия). Тогда получим:

а для изменений всех участвующих величин

Работоспособность реакции уменьшается с понижением температуры. При высоких температурах начинается даже обратная реакция, в которой диссоциируется H2O.

В отличие от экзотермических, эндотермические реакции характеризуются положительным изменением Н. Только благодаря повышению температуры можно, как это показано на примере образования СО из СО2 и С, достичь отрицательнойвеличины G итемсамымсовершениереакции G позволяет сделать заключение о потенциальной готовностисистемыкфизическимилихимическимреакциям. Каждое увеличение энтропии сопровождается на молекулярном уровне уменьшением порядка. И, наоборот, каждое уменьшение энтропии связано с повышением порядка. Поскольку, с одной стороны, неорганизованное состояние обладает повышенной вероятностью, то из этого следует, что энтропия в закрытой системе возрастает при каждом пре-

45

вращении. Этот важный критерий справедлив для всех проявлений жизни.

Можно заметить, что природа обладает способностью задерживать процесс увеличения энтропии. Фотоны солнечной энергии, если бы не было способных к их ассимиляции растений, полностью превращались бы в тепловую энергию.Впроцессахфотосинтезачастьэтойэнергиипереводитсявхимическисвязаннуюэнергиюкрахмала,поэтому увеличение энтропии задерживается до тех пор, пока крахмал не подвергнется расщеплению в организме животных и хотя бы частично освободится опять в виде теплоты.

В биологических системах величину G можно определить или рассчитать. Она отчасти зависит от осмотической работы,котораяопределяетсясоотношениемконцентраций:

где R – газовая константа;

Т – абсолютная температура; К – константа равновесия;

Чем выше начальная концентрация различных веществabичемнижеконцентрацияобразующихсявеществ cd, тем меньше х и тем больше работа, совершаемая реакцией. Чтобы такая реакция оставалась работоспособной, нельзя допускать приближения к состоянию равновесия между концентрацией исходных и конечных продуктов. Исходные вещества должны непрерывно поступать, а конечные продукты постоянно удаляться. Это состояние обозначается как динамическое, или подвижное, равновесие.

Если исходное и конечное вещество к началу реакции присутствуют в равной молярной концентрации, тогда

46

х равен 1, и для превращения 1 моля будет справедливо уравнение

Таким образом, константа равновесия К является непосредственной мерой изменения энергии в ходе реакции. Величина термодинамическойконстантыравновесия вэтом случае представляет собой свободную энтальпию (максимальная работа) на каждый моль.

Накопление и перенос энергии. Энергия, освобожда-

ющаяся в процессе расщепления питательных веществ, не может использоваться организмом животных в промежуточном обмене непосредственно для синтеза или для определённой работы (ΔG). К тому же в связи с необходимостью поддержания постоянной температуры в организме требуется, чтобы освобождение энергии происходило ступенчато, порциями, и поступала она от промежуточного переносчика. Такими переносчиками, которые могут запасать определённое количество энергии, являются различные соединения фосфорной кислоты. К первому остатку фосфорной кислоты, которым обладает также и мононуклеотид, присоединены с помощью так называемых богатых энергией (макроэргических) связей два других остатка фосфорной кислоты.

Для обозначения макроэргических связей в биохимии используют волнообразный штрих (~), показывающий валентную связь.

При гидролизе АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) + Н3РO4 возникает довольно большое количество свободной энергии (ΔG). В среднем на 1 моль АТФ образуется 8 ккал энергии. Для накопления такого количества энергии (при синтезе АТФ) требуются в соответствии со вторым законом термодинамики более высокие затраты энергии в процессе

47

химических реакций промежуточного обмена. Для превращения АДФ в АТФ необходимо в среднем 18–23 ккал свободной энергии, образующейся в процессе гидролиза питательных веществ (при полном использовании дыхательной цепи). В свою очередь АТФ делает возможными отдельные реакции промежуточного обмена, которые нуждаются в энергии. Поэтому аденозинтрифосфат не только резервируетэнергию,ноиявляетсяпереносчикомеевпромежуточном обмене.

Таким образом, питательные вещества – белки и углеводы в процессе преобразования в организме животных превращаются в наночастицы – аминокислоты и сахара, которые всасываются в пищеварительном тракте, а затем используются в обмене веществ: аминокислоты для синтеза белков тела животного и производства продукции, углеводы – в основном для поддержания температуры тела, работы органов и т. д.

В организме животных нанобиотехнологические процессы идут в двух направлениях:

–расщепление сложных соединений белков до аминокислот, углеводов – до сахаров, т. е. до наночастиц;

–синтез из наночастиц аминокислот белков тела и продукции.

Специалист-технолог должен грамотно управлять этими процессами. Для этого необходимо знать, как лучше

идешевле получать наночастицы и рационально их использовать.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое нанобиотехнология?

2. В чем сходство и различие биотехнологии и нанотехнологии?

3. Какие объекты называются наночастицами?

48

4. Что дает нанобиотехнология?

5. Какое место отводится нанобиотехнологии в современном мире?

6. Потенциальные возможности применения нанобиотехнологий в аграрном комплексе.

7. Перспективы использования нанобиотехнологий в кормопроизводстве.

8. Нанобиотехнологии в производстве продуктов животноводства.

9. Способы повышения продуктивности животных с использованием элементов нанобиотехнологий.

10. Перспективы использования нанобиотехнологий для получения экологичной продукции.

11. Методы получения наночастиц.

12. Из каких наночастиц состоит организм животных и его продукция?

13. Характеристикауглеводов:роль,значение,функция. 14. Белки, их значение в животноводстве. 15. Физические свойства белков.

16. Химические свойства белков. 17. Синтез белков в организме животных. 18. Аминокислоты, их классификация. 19. Химические свойства аминокислот. 20. Физические свойства аминокислот.

21. Энергия корма, ее роль в получении продукции животноводства.

49

2. НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

ИНАНОМАТЕРИАЛЫ

ВСЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

По мнению отечественных и зарубежных ученых, развитие научно-технического прогресса первой половины XXI в. будут обеспечивать электроника, компьютерные, био- и нанотехнологии.

Ожидается, что развитие электроники и компьютерных технологий достигло максимума в 2010–2015 гг., вклад биотехнологий, зародившихся в 1960–1970 гг., станет наибольшим в период 2020–2030 гг., а нанотехнологии станут основной движущей силой научно-технического развития в 2040–2050 гг.

Нанотехнология подразумевает не только умение работать с нанообъектами, но и создание из них более крупных супрамолекулярных структур. Изготовление наноустройств и наноматериалов методом сборки потребовало создания совершенно новой аппаратуры, которая появилась только в 80-х годах XX в. (сканирующие туннельные и атомно-си- ловые микроскопы, доступная и удобная вычислительная техника на базе персональных компьютеров). Нанотехнологияобъединяетнаноразмерныеструктурыисоздаетматериалы и системы,которые можно использовать в большинстве отраслей промышленности, здравоохранении, сельском хозяйствеиохранеокружающейсреды.Внастоящеевремянанотехнологии, производство и применение наноматериалов ещенедостиглипромышленныхмасштабов,норазвитиеих идет очень быстрыми темпами.

До 1990 г. в мире не было ни одного специализированного научного журнала по наноматериалам и нанотехнологиям. В настоящее время около 20 международных научных журналов посвящены исключительно этой проблеме.

50