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簡介:細(xì)胞分化與干細(xì)胞,HUMANCELLSNUMBER1014CELLS,200CELLTYPES,細(xì)胞分化,QUESTION1受精卵是如何發(fā)育成一個(gè)人的,受精卵是如何發(fā)育成具有不同功能的組織器官的,,在個(gè)體發(fā)育過程中,后代細(xì)胞間在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上發(fā)生穩(wěn)定性差異的過程。細(xì)胞分化是多細(xì)胞有機(jī)體發(fā)育的基礎(chǔ)與核心。,細(xì)胞分化CELLDIFFERENTIATION,(一)細(xì)胞分化表現(xiàn)為細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定性差異。,穩(wěn)定,與功能相適應(yīng),一、細(xì)胞分化的基本特征,,(二)細(xì)胞分化的時(shí)空性。,遺傳穩(wěn)定性果蠅成蟲盤細(xì)胞的移植實(shí)驗(yàn)決定制約著細(xì)胞分化的方向,果蠅成蟲盤細(xì)胞的移植實(shí)驗(yàn),細(xì)胞決定實(shí)驗(yàn)示意圖,細(xì)胞分化的有序性,單細(xì)胞生物時(shí)間性多細(xì)胞生物時(shí)間性+空間性,(三)細(xì)胞分化的可逆性去分化與轉(zhuǎn)分化,去分化DEDIFFERENTIATION,在特定條件的誘導(dǎo)下,高度分化的細(xì)胞可以失去特有的結(jié)構(gòu)和功能,變?yōu)榫哂形捶只?xì)胞的特性。這種現(xiàn)象叫做去分化。,轉(zhuǎn)分化TRANSDIFFERENTIATION,從一種特化細(xì)胞類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型的分化細(xì)胞的現(xiàn)象。,(四)個(gè)體發(fā)育中細(xì)胞分化的潛能性,1、細(xì)胞發(fā)育潛能在發(fā)育過程中逐漸變窄,,,,單個(gè)細(xì)胞在一定條件下具有分化發(fā)育成完整個(gè)體的能力。,全能細(xì)胞(TOTIPOTENTCELL,多能細(xì)胞(PLURIPOTENTCELL,分化潛能受限,失去發(fā)育成完整個(gè)體的能力,但仍具有發(fā)育成多種表型的能力。,隨著細(xì)胞分化,細(xì)胞的分化潛能進(jìn)一步受到限制,只有分化形成某一類型細(xì)胞的能力。,穩(wěn)定型單能UNIPOTENCY,因此,就其分化潛能來講,動(dòng)物細(xì)胞的全能性隨著細(xì)胞分化程度提高,而逐漸“變窄”,此為細(xì)胞分化的普遍規(guī)律。,,,,全能細(xì)胞,多能細(xì)胞,單能細(xì)胞,在胚胎發(fā)育過程中,由全能?多能?單能的發(fā)育趨向,是細(xì)胞分化的一個(gè)普遍規(guī)律,2、細(xì)胞生理狀態(tài)隨分化水平而變化,細(xì)胞的分裂能力細(xì)胞對(duì)環(huán)境因子的反應(yīng)性,高度分化的植物細(xì)胞仍具有全能性,在適宜的條件下可培育成正常的植株。,證據(jù)一,3、分化細(xì)胞細(xì)胞核的全能性,1958年有人用野生胡蘿卜游離的韌皮部細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)中,觀察到已經(jīng)高度分化的細(xì)胞可以重新分裂而回得到胚性細(xì)胞狀態(tài),這種現(xiàn)象叫做去分化或稱脫分化,然后通過再分化形成根莖,最終發(fā)育成完整的新植株。,,,證據(jù)二動(dòng)物細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn),爪蟾核移植實(shí)驗(yàn),哺乳動(dòng)物核移植實(shí)驗(yàn)“多莉”(DOLLY)羊的誕生,紅細(xì)胞和肌細(xì)胞等體細(xì)胞的遺傳信息相同嗎,紅細(xì)胞,,血紅蛋白基因開啟,合成血紅蛋白,肌細(xì)胞,,肌動(dòng)蛋白基因開啟,合成肌動(dòng)蛋白,細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是細(xì)胞按照一定程序發(fā)生的差別基因表達(dá),二、細(xì)胞分化的調(diào)控,分子雜交技術(shù)檢測(cè)基因及其表達(dá),不同類型的細(xì)胞在發(fā)育過程中表達(dá)一套特異的基因,其產(chǎn)物不僅決定細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu),而且執(zhí)行各自的生理功能。,又稱組織特異性基因TISSUESPECIFICGENES指不同的細(xì)胞類型進(jìn)行特異性表達(dá)的基因,其產(chǎn)物賦予各種類型細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的功能;如紅細(xì)胞的血紅蛋白基因,皮膚的角蛋白基因。,管家基因HOUSEKEEPINGGENE,是指所有細(xì)胞中均要表達(dá)的一類基因,其產(chǎn)物是對(duì)維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)所必需的;如核糖體蛋白,線粒體蛋白,膜蛋白、組蛋白。,奢侈基因LUXURYGENE,(一)細(xì)胞分化與差異基因表達(dá),細(xì)胞分化的基因表達(dá)調(diào)控可以發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、翻譯以及蛋白質(zhì)形成后活性修飾等不同水平,其中轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控最為重要。,順式作用元件(包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子),促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄活性,調(diào)節(jié)基因的組織專一性表達(dá)。反式作用因子(又叫轉(zhuǎn)錄因子或調(diào)節(jié)蛋白),結(jié)合特異的順式作用元件而激活基因的轉(zhuǎn)錄。包括轉(zhuǎn)錄激活和轉(zhuǎn)錄抑制兩方面。DNA甲基化組蛋白的共價(jià)修飾,(二)差別基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控,DNA甲基化修飾主要與基因抑制有關(guān),人類胚胎紅細(xì)胞中珠蛋白基因的甲基化,基因活化蛋白引導(dǎo)的染色質(zhì)局部結(jié)構(gòu)改變,●轉(zhuǎn)錄后的加工調(diào)節(jié)●非編碼RNA在細(xì)胞分化中的作用●基因重排和基因調(diào)控,在卵裂期間,不同的細(xì)胞質(zhì)組分被分配到不同類型的細(xì)胞內(nèi),這些特殊的組分被稱為形態(tài)發(fā)生的決定子,它們支配細(xì)胞分化的途徑。,(一)細(xì)胞核對(duì)細(xì)胞分化的影響,(二)細(xì)胞質(zhì)對(duì)細(xì)胞分化的影響,細(xì)胞核內(nèi)基因選擇性表達(dá),三、細(xì)胞分化的影響因素,指一部分細(xì)胞對(duì)其鄰近細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生影響,并決定其分化方向。胚胎誘導(dǎo)是胚胎形成中有序分化的重要因素如眼的形成。,(三)細(xì)胞相互作用對(duì)分化的影響,,在細(xì)胞生物中,細(xì)胞間相互作用對(duì)細(xì)胞分化有較大影響。,1細(xì)胞誘導(dǎo)(INDUCTION),多級(jí)誘導(dǎo)初級(jí)誘導(dǎo)如脊索中胚層誘導(dǎo)其表面的外胚層發(fā)育神經(jīng)板;次級(jí)誘導(dǎo)如神經(jīng)板卷成神經(jīng)管后,前端膨大成原腦,其兩側(cè)突出的視杯再誘導(dǎo)其上方的外胚層形成晶狀體,為次級(jí)誘導(dǎo);三級(jí)誘導(dǎo)晶狀體再誘導(dǎo)其表面的外胚層形成角膜,為三級(jí)誘導(dǎo)。,脊索中胚層,外胚層,神經(jīng)板,前腦視杯,神經(jīng)管,外胚層,晶狀體,外胚層,角膜,,,,,,,,,在胚胎發(fā)育中,分化的細(xì)胞受到鄰近細(xì)胞產(chǎn)生的抑制物影響,其作用與誘導(dǎo)相對(duì)。如含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚,則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟。用含成體蛙腦組織碎片的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚,也不產(chǎn)生正常的腦,說明,已分化的細(xì)胞可以產(chǎn)生抑制鄰近細(xì)胞進(jìn)行同樣的分化的物質(zhì),使發(fā)育的器官之間相互區(qū)別而避免重復(fù)發(fā)生。,2細(xì)胞抑制,3細(xì)胞粘附分子對(duì)細(xì)胞分化的作用,細(xì)胞粘合是由于同類細(xì)胞可以通過表面細(xì)胞粘附因子,進(jìn)行相互識(shí)別、黏著、聚集并相互作用,這有利于形態(tài)發(fā)生以及正常結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和維持。,如將蠑螈的原腸胚三個(gè)胚層的游離細(xì)胞體外混合培養(yǎng),各胚層細(xì)胞又將自我挑選,相互黏著,依然形成外胚層在外,內(nèi)胚層在內(nèi),中胚層介于二者之間的胚胎。,2遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)激素是遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)細(xì)胞分化的信息分子。特點(diǎn)靶細(xì)胞的特異性;激素作用的高效性;如蝌蚪變態(tài)過程中,尾部退化及前肢形成是由于甲狀腺分泌的甲狀腺素和三碘甲狀腺氨基酸的分泌增加所致。如卵巢產(chǎn)生雌激素,促進(jìn)雌性第二性征的發(fā)育分化。,(四)信號(hào)分子對(duì)分化的影響,(五)環(huán)境因素對(duì)分化的影響,1相鄰細(xì)胞通過細(xì)胞旁分泌產(chǎn)生的信號(hào)分子來實(shí)現(xiàn)的。如,成纖維細(xì)胞生長因子,轉(zhuǎn)化生長因子,WNT家族等。,腫瘤細(xì)胞是生物體內(nèi)的正常細(xì)胞演變而來的。從細(xì)胞分化的觀點(diǎn)分析腫瘤,可認(rèn)為,細(xì)胞癌變是細(xì)胞分化領(lǐng)域中的一個(gè)特殊問題,腫瘤細(xì)胞是正常細(xì)胞分化機(jī)制失控造成的。細(xì)胞癌變是細(xì)胞去分化的結(jié)果。癌細(xì)胞和胚胎細(xì)胞具有很多相似的特性。例甲胎蛋白,四、細(xì)胞分化與腫瘤,傳統(tǒng)的治療方法,外科手術(shù)切除/化學(xué)療法和放射性治療都是殺傷性治療。研究表明腫瘤細(xì)胞可以在高濃度的分化信號(hào)作用下,被誘導(dǎo)分化為正常細(xì)胞。如,應(yīng)用維甲酸治療早幼粒細(xì)胞白血病的誘導(dǎo)分化治療取得了大批病例的成功提示了腫瘤治療的一個(gè)新方向。,腫瘤細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)分化后可以“改邪歸正”,思考題管家基因、奢侈基因什麼是細(xì)胞分化有那些具體特征細(xì)胞分化的影響因素有那些為什么說在發(fā)育過程中細(xì)胞的潛能逐漸變窄,在個(gè)體成熟之后,機(jī)體的組織仍然保持著一種特有的自穩(wěn)性。即在特定組織中細(xì)胞的死亡和細(xì)胞的增生的速度會(huì)維持著一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。各種組織還保持著程度不同的損傷后再生的能力,如兩棲類動(dòng)物、哺乳動(dòng)物的造血系統(tǒng),小腸,毛發(fā)及皮膚等。,干細(xì)胞,是一類具有自我更新和多向分化潛能的細(xì)胞,它存在于人體或者動(dòng)物個(gè)體發(fā)育各個(gè)階段的組織器官中,是各種分化細(xì)胞或特化細(xì)胞的初始來源。,干細(xì)胞,,按來源分類,,,按分化潛能分類,,一、干細(xì)胞的分類,,處于8細(xì)胞之前的每一個(gè)胚胎細(xì)胞都具有全能性,將任意細(xì)胞移入子宮,都可以發(fā)育為一個(gè)完整個(gè)體。稱為全能干細(xì)胞。,全能干細(xì)胞,隨著發(fā)育的進(jìn)行,形成胚泡,胚泡一側(cè)的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)具有分化為成熟個(gè)體中所有細(xì)胞類型的潛能,但沒有形成完整個(gè)體的能力,稱為多能干細(xì)胞,也稱為胚胎干細(xì)胞。,隨著胚胎繼續(xù)發(fā)育,多能干細(xì)胞進(jìn)一步分化,其后代的分化潛能將進(jìn)一步變窄。只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細(xì)胞分化。如神經(jīng)干細(xì)胞只具有分化為神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的潛能。,多能干細(xì)胞,專能干細(xì)胞,干細(xì)胞是具有強(qiáng)大增殖潛能的原始細(xì)胞。細(xì)胞通常呈圓形或橢圓形,體積較小。核質(zhì)比相對(duì)較大。細(xì)胞中各種細(xì)胞器不夠發(fā)達(dá)等。有比較高的端粒酶活性。,二、干細(xì)胞的形態(tài)和生化特點(diǎn),不同的干細(xì)胞具有各異的生化標(biāo)志,對(duì)于確定干細(xì)胞的位置,尋找和分離干細(xì)胞有重要意義。如角蛋白15是確定毛囊中表皮干細(xì)胞的標(biāo)志分子,巢素蛋白是神經(jīng)干細(xì)胞的標(biāo)志分子。本質(zhì)特點(diǎn)具有增殖和自我更新能力,在適當(dāng)條件下表現(xiàn)出分化潛能。,對(duì)稱分裂干細(xì)胞分裂產(chǎn)生的兩個(gè)子細(xì)胞都是干細(xì)胞(增殖,自我更新)或都是分化細(xì)胞(分化)。不對(duì)稱分裂干細(xì)胞分裂產(chǎn)生一個(gè)子代干細(xì)胞(自我更新)和一個(gè)子代分化細(xì)胞(分化)。,A干細(xì)胞的不對(duì)稱分裂ASYMMETRYDIVISION,B干細(xì)胞群體的不對(duì)稱分裂POPULATIONALASYMMETRYDIVISION,干細(xì)胞的增殖分化和自我更新方式,1干細(xì)胞增殖的緩慢性干細(xì)胞進(jìn)入分化程序前,要經(jīng)過一個(gè)短暫增殖期,產(chǎn)生過渡放大細(xì)胞。過渡放大細(xì)胞是界于干細(xì)胞和分化細(xì)胞之間的過渡細(xì)胞,經(jīng)若干次分裂后產(chǎn)生分化細(xì)胞,其作用是可以通過較少的干細(xì)胞產(chǎn)生較多的分化細(xì)胞。,緩慢增殖的生理意義可減少基因發(fā)生突變的危險(xiǎn);有利于干細(xì)胞對(duì)環(huán)境信號(hào)作出反應(yīng)。,三、干細(xì)胞的增殖特征,2干細(xì)胞增殖系統(tǒng)的自穩(wěn)定性自穩(wěn)定性是指干細(xì)胞可以在生物個(gè)體生命區(qū)間中自我更新并維持其自身數(shù)目的恒定。,干細(xì)胞的分化潛能(全能-多能-專能)胚胎干細(xì)胞的亞全能分化特性成體干細(xì)胞的多全能分化特性區(qū)別于前體細(xì)胞干細(xì)胞具有可塑性,在適當(dāng)條件下干細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化和去分化。干細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化一種組織類型的干細(xì)胞在適當(dāng)條件下分化為另一種組織類型細(xì)胞的現(xiàn)象。如人的骨髓干細(xì)胞可以分化為肝臟細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等。干細(xì)胞的去分化一種干細(xì)胞向其前體細(xì)胞的逆向轉(zhuǎn)化。,四、干細(xì)胞的分化特征,分泌因子許多分泌因子對(duì)干細(xì)胞的生存、增殖和分化具有重要調(diào)控作用。受體介導(dǎo)的細(xì)胞間相互作用整合素和胞間基質(zhì),干細(xì)胞的增殖分化是受到嚴(yán)密調(diào)控的。,五、干細(xì)胞增殖與分化的分子調(diào)控,2它在組織器官中所處是微環(huán)境。這種微環(huán)境稱為干細(xì)胞巢。,內(nèi)源因素。OCT4、NANOG、SOX2以及端粒酶。,胚胎干細(xì)胞,胚胎干細(xì)胞來源于胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)ICM和原始生殖細(xì)胞,具有發(fā)育全能性具有分化發(fā)育成三個(gè)胚層細(xì)胞的潛力的細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞可以在體外無限擴(kuò)增并保持未分化狀態(tài),具有分化為胎兒或成體動(dòng)物各種細(xì)胞類型的潛能。在適當(dāng)條件下胚胎干細(xì)胞可被誘導(dǎo)分化為多種細(xì)胞。,,ES細(xì)胞(EMBRYONICSTEMCELL)來源于囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán),EG細(xì)胞(EMBRYONICGERMCELL)來源于早期胎兒生殖嵴部位原始生殖干細(xì)胞,EC細(xì)胞(EMBRYONICCARCINOMA)來源于畸胎瘤,胚胎干細(xì)胞分類,,1發(fā)育良好的囊胚,從中分離內(nèi)細(xì)胞群細(xì)胞?ES細(xì)胞2從59周的胚胎生殖腺中分離出人的EG細(xì)胞3惡性胚胎腫瘤或畸胎瘤細(xì)胞4體細(xì)胞核移植去核卵細(xì)胞體細(xì)胞核?克隆?囊胚?分離內(nèi)細(xì)胞群?ES細(xì)胞5轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)重編程誘導(dǎo)型多能干細(xì)胞(IPS,1移植治療很多疾病或病癥(如帕金森病、糖尿病創(chuàng)傷性脊髓損傷等)都可以通過移植人的分化的ES細(xì)胞得到治愈。2其它應(yīng)用潛能可用于研究目前無法解釋的人類早期發(fā)育引起的先天性缺陷和胎盤異動(dòng)導(dǎo)致的自然流產(chǎn);可用于毒性篩選;能用于共同治療互補(bǔ)。,人胚胎干細(xì)胞的應(yīng)用潛能,精原干細(xì)胞,精原干細(xì)胞SPERMATOGONIALSTEMCELLS,SSCS是雄性生殖系干細(xì)胞,位于睪丸曲細(xì)精管基膜上,既具有自我更新潛能,又具有定向分化潛能,是自然狀態(tài)下出生后動(dòng)物體內(nèi)在整個(gè)生命期間進(jìn)行自我更新并能將基因傳遞至子代的唯一成體干細(xì)胞。,成體干細(xì)胞,在成體組織器官中,許多細(xì)胞仍具有自我更新及分化產(chǎn)生不同組織細(xì)胞的能力。成體干細(xì)胞是在成體組織內(nèi)具有自我更新能力及能分化產(chǎn)生一種或一種以上子代組織細(xì)胞的未成熟細(xì)胞。,幾種成體干細(xì)胞,是骨髓中一種能起著造血功能的細(xì)胞。人血中的紅細(xì)胞、血小板、淋巴細(xì)胞、粒細(xì)胞等,都是由它經(jīng)過多次分化發(fā)育而成的。利用造血干細(xì)胞移植治療的疾病很多。如腫瘤性疾病白血??;以及非腫瘤性疾病再生障礙性貧血,重癥免疫缺陷病,急性放射病,地中海貧血等。,造血干細(xì)胞,神經(jīng)干細(xì)胞NEURALSTEMCELLS,NSCS其存在推翻了神經(jīng)元無法再生的傳統(tǒng)觀點(diǎn),神經(jīng)干細(xì)胞移植手術(shù)有望讓桑蘭重新站起來圖,,神經(jīng)干細(xì)胞是神經(jīng)系統(tǒng)中能夠增殖分化成神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的特定原始神經(jīng)細(xì)胞。目前已在哺乳動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)多個(gè)部位發(fā)現(xiàn)并分離出神經(jīng)干細(xì)胞。對(duì)治療帕金森氏病、HUNTINGTON病、腦、脊髓損傷等,神經(jīng)系統(tǒng)疾病到來了希望。,具有分化為間質(zhì)細(xì)胞的潛能,可以分化為多種間充質(zhì)組織,如骨、關(guān)節(jié)、脂肪、肌肉、骨髓基質(zhì)。在體外容易被誘導(dǎo)為成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞,因此在骨損傷,骨組織畸形治療方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。,間充質(zhì)干細(xì)胞,其他成體干細(xì)胞,皮膚干細(xì)胞維持機(jī)體體表屏障的動(dòng)態(tài)平衡小腸干細(xì)胞位于小腸內(nèi)腔面隱窩深處角膜干細(xì)胞維持了角膜上皮的更新和再生。肝干細(xì)胞具有分化為肝細(xì)胞和膽管上皮細(xì)胞的潛能。,干細(xì)胞的應(yīng)用研究,1胚胎干細(xì)胞育出心臟組織,2骨髓干細(xì)胞育出腎臟組織,3成人干細(xì)胞治心梗,4臍血干細(xì)胞治療白血病,5皮膚干細(xì)胞治療燒傷,6神經(jīng)組織細(xì)胞治療帕金森癥,7胰島干細(xì)胞治療糖尿病,展望干細(xì)胞的長生不死夢(mèng),
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簡介:誘導(dǎo)產(chǎn)生多能性干細(xì)胞的研究,里程碑式的科學(xué)突破,細(xì)胞重編程的研究概況,核移植,核移植試驗(yàn)最初是在兩棲動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)的,通過將體細(xì)胞核注入到去核卵母細(xì)胞中。迄今,人們已經(jīng)獲得了多種核移植動(dòng)物,也建立了來源于核移植胚胎的胚胎干細(xì)胞系。,體細(xì)胞核移植試驗(yàn)也具有很大的局限性,克隆的效率極低產(chǎn)生的許多后代在各個(gè)階段都體現(xiàn)出嚴(yán)重的發(fā)育異常由于需要卵母細(xì)胞,核移植實(shí)驗(yàn)在人類中的應(yīng)用受到強(qiáng)烈的倫理學(xué)質(zhì)疑這些不足,都制約了核移植技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。,將成熟的體細(xì)胞與多潛能的細(xì)胞(ES細(xì)胞、胚胎癌細(xì)胞等)融合,或者用胚胎干細(xì)胞提取物來處理體細(xì)胞,也可以在一定程度上使體細(xì)胞發(fā)生重編程。,利用這兩種方法,可以實(shí)現(xiàn)某些多功能性標(biāo)志分子的重新表達(dá)和多種分化潛能的獲得。但是,體細(xì)胞與多能性細(xì)胞的融合率較低,融合之后的細(xì)胞具有兩套染色體,并且在移植后會(huì)發(fā)生排斥現(xiàn)象,這就制約了細(xì)胞融合的臨床應(yīng)用。,有沒有相對(duì)簡單,又可擺脫材料來源和倫理學(xué)諸多限制,重編程的效率和程度都十分可觀的新方法呢,里程碑式的科學(xué)突破,2006年11月20日,日本京都大學(xué)的山中伸彌(SHINYAYAMANAKA和美國威斯康星大學(xué)的詹姆斯湯姆森(JAMESTHOMSON)分別在細(xì)胞和科學(xué)雜志上發(fā)表重量級(jí)論文,宣布他們用基因改造的手段,將人類體細(xì)胞改造成了類胚胎干細(xì)胞,在功能上幾乎可以和胚胎干細(xì)胞相媲美。,詹姆斯湯姆森小組的論文發(fā)表在11月20日的科學(xué)雜志上,俞君英是11月20日科學(xué)雜志論文的第一作者,2006年8月,日本科學(xué)家山中伸彌小組首先在小鼠身上取得成功,誘導(dǎo)產(chǎn)生的多功能性干細(xì)胞,2006年,TAKAHASHI和YAMNAKA將幾個(gè)轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)入已分化的小鼠皮膚成纖維細(xì)胞,進(jìn)而獲得了類似于胚胎干細(xì)胞的多能性干細(xì)胞,稱之為“誘導(dǎo)產(chǎn)生的多功能性干細(xì)胞”(INDUCEDPLURIPOTENTSTEMCELLS,IPS細(xì)胞)。這一研究明確地證實(shí)了分化的細(xì)胞可以通過少數(shù)幾個(gè)因子的外源導(dǎo)入而被重編程到具有多能性的狀態(tài),因而受到了整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。,在研究誘導(dǎo)多功能性干細(xì)胞產(chǎn)生的原理機(jī)制之前,先了解一下體細(xì)胞重編程逆轉(zhuǎn)為干細(xì)胞的研究進(jìn)展,體細(xì)胞重編程的過程體細(xì)胞重編程的原理體細(xì)胞不經(jīng)過胚胎逆轉(zhuǎn)為多能干細(xì)胞的方法,成體細(xì)胞核的重編程,1核重編程核移植后供體核停止本身的基因表達(dá)程序,恢復(fù)為胚胎發(fā)育所必需的胚胎化基因表達(dá)程序狀態(tài)。此過程包括染色體結(jié)構(gòu)重建、DNA甲基化、組蛋白乙?;?、印記基因表達(dá)、端粒長度恢復(fù)、X染色體失活等。,,11DNA甲基化12合子型基因的重新激活,如OCT42重塑核結(jié)構(gòu)主要有包括核纖層A、B、C三種核纖層蛋白的重塑,,,3細(xì)胞質(zhì)重編程MIRNA,MIRNA是決定細(xì)胞分化方向的因子。細(xì)胞中MIRNA成分的改變能提高細(xì)胞對(duì)調(diào)節(jié)基因表達(dá)重編程。,,接下來,介紹一下體細(xì)胞重編程不經(jīng)過胚胎逆轉(zhuǎn)為多能干細(xì)胞的方法之一通過特定基因的表達(dá)將體細(xì)胞重編程過程逆轉(zhuǎn)為干細(xì)胞?!盎蛑匦戮幣偶夹g(shù)”,借助“逆轉(zhuǎn)錄酶病毒”為載體,即向皮膚細(xì)胞中植入一組4個(gè)基因OCT4,SOX2,CMYC和KLF4,通過基因重新編排,使皮膚細(xì)胞具備胚胎干細(xì)胞的功能。這種被改造過的細(xì)胞稱作“IPS細(xì)胞”。,,下面簡單介紹一下這些研究中所用到的多能性相關(guān)因子OCT4,SOX2,CMYC和KLF4在多能性調(diào)控中的作用。,1OCT3/4,OCT4(也稱OCT3)屬于POU轉(zhuǎn)錄因子家族的一員13。是哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育的一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)控因子。是全能性的標(biāo)志,它能夠促使ICM形成、維持胚胎干細(xì)胞未分化前狀態(tài)并促進(jìn)其增殖。,2SOX2基因,SOX2基因是編碼轉(zhuǎn)錄因子的主控基因(MASTERGENES)家族的一個(gè)成員。轉(zhuǎn)錄因子是些與DNA結(jié)合并調(diào)節(jié)其他基因表達(dá)的蛋白質(zhì),3癌癥基因CMYC,癌癥基因CMYC,是一種最容易過渡表現(xiàn)于人類的致癌基因,它對(duì)某些成體干細(xì)胞的自我更新起一定的作用,并可以抑制ES細(xì)胞的分化。,4KLF4,KRUEPPELLIKEFACTOR4,KLF4上皮鋅指轉(zhuǎn)錄因子KLF4舊稱GKLF調(diào)節(jié)體外細(xì)胞的增生與分化,IPS細(xì)胞誘導(dǎo)機(jī)制,,已分化的細(xì)胞,,導(dǎo)入病毒基因OCT3/4、SOX2、CMYC和KLF4,病毒逆轉(zhuǎn)錄,,胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)條件和篩選,IPS細(xì)胞,誘導(dǎo)多功能細(xì)胞,,,,,我們已經(jīng)了解了體細(xì)胞重編程的原理和誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞的產(chǎn)生機(jī)制,下面讓我們?cè)偕钊肓私庖幌翴PS細(xì)胞的研究概況和IPS細(xì)胞系建立的一些重要環(huán)節(jié)。,IPS細(xì)胞的研究概況(研究方法),這是一種具有很強(qiáng)創(chuàng)新性的研究方法通過外源導(dǎo)入與多功能相關(guān)并且能使重組細(xì)胞恢復(fù)全能性的轉(zhuǎn)錄基因來誘導(dǎo)體細(xì)胞核發(fā)生重新編程,從而使體細(xì)胞轉(zhuǎn)變成多能性干細(xì)胞。,這種方法所受的啟示來源于“ES細(xì)胞體細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)”。細(xì)胞的多能性收到許多因子精密而又復(fù)雜的調(diào)控。ES細(xì)胞和體細(xì)胞融合后能誘導(dǎo)體細(xì)胞核的重新編程,ES細(xì)胞中存在著一些因子,這些因子對(duì)于多能性的建立可能至關(guān)重要。,,,IPS細(xì)胞的研究概況(兩個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)),IPS細(xì)胞首先由科學(xué)家TAKAHASHI和YAMANAKA在2006年建立的。實(shí)驗(yàn)原理如下利用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體在小鼠成纖維細(xì)胞中導(dǎo)入了4個(gè)與多功能性有關(guān)的基因OCT4,SOX2,CMYC和KLF4。利用多能性標(biāo)志分子FBX15的表達(dá)對(duì)轉(zhuǎn)染后的細(xì)胞進(jìn)行了篩選,最終的到了IPS細(xì)胞,這種細(xì)胞的功能和性能幾乎和胚胎干細(xì)胞一樣。,另一個(gè)實(shí)驗(yàn)的對(duì)象是人類皮膚成纖維細(xì)胞的重編程,而實(shí)驗(yàn)的過程和上一個(gè)實(shí)驗(yàn)基本相同;。只是對(duì)所篩選的轉(zhuǎn)錄基因做了一下修飾去掉了腫瘤相關(guān)因子CMYC,使IPS細(xì)胞的生產(chǎn)更加安全,IPS細(xì)胞系建立的一些重要環(huán)節(jié)(幾種因子的發(fā)現(xiàn)過程),日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)ES細(xì)胞中那個(gè)存在著一些因子,這些因子對(duì)于多能性的建立可能至關(guān)重要??茖W(xué)家對(duì)24個(gè)與多能性維持相關(guān)的候選基因?qū)胄∈蟪衫w維細(xì)胞中,依次去掉其中一個(gè)基因,最后在得到的10個(gè)基因中發(fā)現(xiàn)了4個(gè)至關(guān)重要的基因,其中任何一個(gè)缺失都將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗,這4個(gè)基因中的任意2個(gè)或3個(gè)組合都無法形成具有ES細(xì)胞特性的IPS細(xì)胞。從而確定了OCT4,SOX2,CMYC和KLF4這4種基因,人類ES細(xì)胞能夠通過細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)室體細(xì)胞發(fā)生重編程。美國科學(xué)家比較了人類ES細(xì)胞和髓前體細(xì)胞的基因表達(dá)譜,挑選出許多在ES細(xì)胞和髓前體細(xì)胞的基因表達(dá)譜,挑選出許多在ES細(xì)胞中相對(duì)高表達(dá)的基因。再根據(jù)這些基因在多能性調(diào)控中的已知功能對(duì)其進(jìn)行了排序,從中選出14個(gè)候選基因。將這些基因以不同的組合方式導(dǎo)入一種由人類ES細(xì)胞分化得到的間充質(zhì)樣細(xì)胞后,檢驗(yàn)了不同基因的導(dǎo)入對(duì)這種細(xì)胞重編程的作用。最后鎖定了4種因子OCT4,SOX2,NANOG,LIN28,IPS細(xì)胞系建立的一些重要環(huán)節(jié)(IPS細(xì)胞的篩選),IPS細(xì)胞的篩選主要有三種方法形態(tài)學(xué)篩選、藥物篩選和選用對(duì)多能性更為關(guān)鍵的基因作為報(bào)告基因。其中利用FBX15對(duì)IPS細(xì)胞進(jìn)行篩選,原理是FBX25對(duì)于多能性的維持和胚胎的發(fā)育來說是不可缺少的基因,所以FBX25作為篩選IPS細(xì)胞的報(bào)告基因。僅利用形態(tài)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)來代替報(bào)告基因的篩選。MAHERALI等人發(fā)現(xiàn),僅僅依靠形態(tài)學(xué)篩選可能就足以建立IPS細(xì)胞系。后來的研究證實(shí)了在不對(duì)供體細(xì)胞做任何額外遺傳修飾的情況下,僅依靠形態(tài)學(xué)篩選的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行篩選也能夠分離出小鼠的IPS細(xì)胞。利用基因重組技術(shù)建立了具有藥物抗性基因的體細(xì)胞,這些細(xì)胞的抗性受內(nèi)源性NANOG或OCT4表達(dá)的調(diào)控。這兩個(gè)基因的作用是維持細(xì)胞多能性,從而利用這種篩選的方法建立了穩(wěn)定的IPS細(xì)胞系,這些細(xì)胞系在各個(gè)方面都表現(xiàn)出了極為相似的特性。,IPS細(xì)胞的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展方向,1、利用IPS細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,只操縱幾個(gè)因子的表達(dá),加速對(duì)多能性調(diào)控機(jī)理的深入研究。2、獲得的方法相對(duì)簡單穩(wěn)定,不涉及胚胎的破壞,無倫理道德限制。3、對(duì)于疾病機(jī)理研究和新藥開發(fā)等方面將有很大貢獻(xiàn)。4、可望制造特定病人來源的IPS細(xì)胞,用“個(gè)性化”移植來治療諸多疾病。,誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞用于治療小鼠帕金森病,美國麻省WHITEHEAD生物醫(yī)學(xué)研究的WERNIG等近日?qǐng)?bào)告,通過OCT4、SOX2、KLF4和CMYC四種轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)出的IPS細(xì)胞可分化成神經(jīng)細(xì)胞,可改善帕金森病小鼠的運(yùn)動(dòng)功能。,研究者首先檢驗(yàn)了IPS細(xì)胞在體外的分化能力,發(fā)現(xiàn)IPS細(xì)胞可以分化成神經(jīng)元細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,并且能夠進(jìn)一步生成神經(jīng)元亞型細(xì)胞,,,未分化的IPS細(xì)胞,IPS細(xì)胞在體外分化成神經(jīng)細(xì)胞,隨后,研究者用熒光物質(zhì)標(biāo)記IPS細(xì)胞,將其入注射入胚胎小鼠的腦室內(nèi)。9周后小鼠出生后,研究者發(fā)現(xiàn),IPS細(xì)胞可遷移到小鼠腦的各個(gè)區(qū)域。,包括腦膜、紋狀體、下丘腦、中腦等部分,并且可分化成神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元,包括谷氨酸性突觸、Γ氨基丁酸能神經(jīng)元和兒茶氨酚能神經(jīng)元等亞型,因?yàn)檫@些分化出的細(xì)胞具有神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài),并且表達(dá)其特異的標(biāo)志物,IPS細(xì)胞植入小鼠大腦后的分布情況,IPS細(xì)胞分化的細(xì)胞具有神經(jīng)細(xì)胞形態(tài),IPS細(xì)胞分化的細(xì)胞表達(dá)神經(jīng)細(xì)胞特異標(biāo)志物,電生理記錄和形態(tài)學(xué)分析表明,IPS細(xì)胞分化出的神經(jīng)元細(xì)胞植入小鼠體內(nèi)后,具有神經(jīng)元和突觸的形態(tài),參與小鼠的電生理活動(dòng),因而可增強(qiáng)受植小鼠大腦的神經(jīng)元活性并參與腦功能。,IPS細(xì)胞分化出的神經(jīng)元細(xì)胞可發(fā)生膜電位改變,研究者對(duì)小鼠大腦一側(cè)注射神經(jīng)毒性物質(zhì)6羥基多巴胺,使該側(cè)內(nèi)產(chǎn)生神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的神經(jīng)元死亡。這可破壞該側(cè)大腦紋狀體,即大腦中負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制的區(qū)域,模擬了帕金森病發(fā)生時(shí)的情況。經(jīng)過這樣處理的小鼠運(yùn)動(dòng)控制功能受損,因此無法保持平衡而持續(xù)旋轉(zhuǎn)。,接著,研究者對(duì)IPS細(xì)胞進(jìn)行特殊處理,確保這些IPS分化成為多巴胺能神經(jīng)元,將其植入小鼠大腦運(yùn)動(dòng)功能受損的一側(cè)接受6羥基多巴胺注射的一側(cè)。幾周后研究者發(fā)現(xiàn),10只受移植的小鼠中有9只的運(yùn)動(dòng)功能得到顯著改善,其中甚至有1只小鼠受損側(cè)的運(yùn)動(dòng)功能好于未受損側(cè)。,IPS細(xì)胞研究中存在的問題,1、腫瘤相關(guān)基因,如CMYC的使用,有誘發(fā)癌癥的可能2、逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)染可能會(huì)導(dǎo)致一些癌基因的激活,也可能導(dǎo)致某些重要基因功能受阻。3、基因表達(dá)模式與ESC還存在一些不同。4、效率較低,重組率只有01。,總結(jié),,組內(nèi)同學(xué)的分工,細(xì)胞重編程概況部分演講(陳宇翰),資料(林曉鋒),圖片(梁樂)體細(xì)胞重編程逆轉(zhuǎn)為干細(xì)胞以及誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞誘導(dǎo)機(jī)制部分演講(劉曉暉),資料(余炳強(qiáng)),圖片(林偉鈿)IPS細(xì)胞的研究概況和IPS細(xì)胞系建立的一些重要環(huán)節(jié)部分演講(王珩),資料(林澤江),圖片(羅熙文)IPS細(xì)胞的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展方向部分演講(吳逸希),問答時(shí)間,
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上傳時(shí)間:2024-01-05
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簡介:第11章發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制,發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制屬于發(fā)酵工程的下游加工技術(shù)。下游加工亦稱發(fā)酵后處理,是指從發(fā)酵液或酶反應(yīng)中分離純化目的產(chǎn)物并加工成成品的過程。在多數(shù)情況下是從稀的發(fā)酵液中回收目的產(chǎn)物,整個(gè)過程有多項(xiàng)單元操作組成,其中有許多是經(jīng)典的化工單元操作。,91下游加工過程概述,一、下游加工過程的重要性,1獲得商業(yè)產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。,2促進(jìn)發(fā)酵工程上游加工技術(shù)或工藝的改進(jìn)。,3擁有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要保證。,二、下游加工工程的一般流程,1粗分離階段(1)發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離。(2)產(chǎn)物的初分離。2純化精制階段(3)產(chǎn)物的高度純化。(4)成品加工。,,,,預(yù)處理,破碎細(xì)胞,碎片分離,細(xì)胞分離,,精制,成品加工,F發(fā)酵液,,提取,加熱沉降均化離心分離沉淀層析無菌過濾調(diào)PH離心分離研磨萃取吸附離子交換濃縮絮凝過濾溶胞超濾萃取親和超濾膜分離雙水相萃取超濾憎水冷凍干燥吸附噴霧干燥電泳結(jié)晶,,發(fā)酵液,,,,,,,,,,,胞外產(chǎn)物,操作步驟減至最少,并盡可能提高各步驟的收率,一、發(fā)酵液的一般特征1含水量高,一般可達(dá)90%~99,處理體積大。2產(chǎn)品濃度低。3懸浮物顆粒小,密度與液體相差不大。4固體粒子可壓縮性大,一壓縮就變形。5液體黏度大,大多為非牛頓型流體。易吸附在濾布上。6產(chǎn)物性質(zhì)不穩(wěn)定,不耐熱、等會(huì)酸堿敏感、易被氧化、易被微生物污染及酶分解。,92發(fā)酵液的預(yù)處理與固液分離,二、發(fā)酵液預(yù)處理的目的和要求1預(yù)處理的目的(1)改變發(fā)酵液的物理性質(zhì),促進(jìn)懸浮液中分離固形物的速度,提高固液分離器的效率(2)盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的某一相中(多數(shù)是液體)(3)去除發(fā)酵液中部分雜質(zhì),以利于后續(xù)各步操作。,2發(fā)酵液預(yù)處理的要求(1)菌體的分離(2)固體懸浮物的去除(3)蛋白質(zhì)的去除(4)重金屬離子的去除(5)色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機(jī)雜質(zhì)的去除(6)改變發(fā)酵液的性質(zhì)(7)調(diào)節(jié)適宜PH值和溫度,三、發(fā)酵液預(yù)處理的方法,1降低液體的黏度2絮凝法3重力法4等電點(diǎn)法5加入助濾劑6繳入反應(yīng)劑,1降低液體黏度,(1)加水稀釋法采用加水稀釋法雖然能降低液體黏度,但是會(huì)增加發(fā)酵液的體積,因此加大后續(xù)過程的處理量。而且稀釋后過濾速率提高的百分比必須大于加水比才算真正有效,即若加水一倍,則稀釋后液體的黏度必須下降50以上,才能有效提高過濾效率。,(2)加熱法,升高溫度可以降低懸浮液的黏度,除去某些雜蛋白,降低懸浮物的最終體積,破壞凝膠狀結(jié)構(gòu)、增加濾餅的空隙度,提高過濾效率。不適用熱敏性的物質(zhì),而且要防止加熱導(dǎo)致細(xì)胞溶解,胞內(nèi)物質(zhì)外溢。,(3)添加酶制劑,比如加酶將多糖轉(zhuǎn)化為單糖,凝聚是在高價(jià)無機(jī)鹽作用下,由于雙電層排斥電位的降低,而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。絮凝是指在某些高分子絮凝劑存在下,基于架橋作用,使膠粒形成粗大的絮凝團(tuán)的過程,是一種以物理的集合為主的過程。,凝聚和絮凝的概念,擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型圖膠粒能保持分散狀態(tài)的原因,2凝聚和絮凝法,,凝聚技術(shù),擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型圖,凝聚原理電解質(zhì)將膠體粒子表面上的電荷中和,減少存在于膠體粒子間的靜電斥力,使范德華力占優(yōu)勢(shì),這樣膠體就會(huì)凝聚成較大、較密實(shí)的粒子。,膠粒能保持分散狀態(tài)的原因主要是帶有相同電荷和擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu),一旦由于布朗運(yùn)動(dòng)使粒子間距離縮小到它們的擴(kuò)散層部分重疊時(shí),即產(chǎn)生使兩個(gè)粒子分開從而阻止了粒子的聚集。Ζ電位越大,電排斥作用就越強(qiáng),膠粒的分散程度也越大,此外,由于膠粒表面的水化作用,形成了包圍于粒子周圍的水化層,也能阻礙膠粒間的直接聚集。但是,水化膜主要是伴隨膠粒帶電而引起的,一旦Ζ電位降低或消除,水化層也會(huì)隨之減弱或消失。,常用的凝聚劑AL2SO4318H2O,ALCL36H2O,F(xiàn)ECL3,ZNSO4,MGCL2陽離子對(duì)負(fù)電荷的膠粒凝聚能力次序?yàn)锳L3FE3HCA2MG2KNALI,,常用的凝聚方法在稀溶液中加入電解質(zhì)以促進(jìn)凝聚。試劑包括酸、堿、簡單電解質(zhì)和合成的高分子電解質(zhì)。,絮凝原理在某些高分子絮凝劑存在下,基于架橋作用,使膠粒形成粗大的絮凝團(tuán)使之更容易過濾。,絮凝劑通過靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用,強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面。當(dāng)一個(gè)高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上,產(chǎn)生橋架連接時(shí),就形成了較大的絮團(tuán),這就是絮凝作用。,絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物,其相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬至一千萬以上,長鏈狀結(jié)構(gòu),其鏈節(jié)上含有許多活性官能團(tuán),包括帶電荷的陰離子(如COOH)或陽離子(如NH2)基團(tuán)以及不帶電荷的非離子型基團(tuán)。,常用的絮凝劑明膠、甲基纖維素、多聚丙烯酸、聚胺衍生物、氯化鈣、磷酸氫二鈉,,,3重力法,在工業(yè)上用的較多的主要是離心和過濾過濾常用板框真空吸濾或電動(dòng)篩等,離心和過濾能否順利進(jìn)行取決于很多因素。,一般溫度高,壓力大,發(fā)酵液粘度小,濾布選用適當(dāng),助溶劑適宜,攪拌都可以提高過濾速度。,4、等電點(diǎn)法,蛋白質(zhì)一般以膠體狀態(tài)存在于發(fā)酵液中。膠體粒子的穩(wěn)定性和其所帶電荷有關(guān)。蛋白質(zhì)在某一PH下,凈電荷為零,溶解度最小,稱為等電點(diǎn)。因此可利用此特性分離或去除良性物質(zhì)。因?yàn)轸然碾婋x度比氨基大,故蛋白質(zhì)的酸性性質(zhì)通常強(qiáng)于堿性,因而很多蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)都在酸性范圍內(nèi)(PH40-55)。,5、添加助濾劑一般為惰性助濾劑是一種顆粒均勻、質(zhì)地堅(jiān)硬、不可壓縮的粒狀物質(zhì)作用助濾劑表面具有吸附膠體的能力,并且由此助濾劑顆粒形成的濾餅具有格子型結(jié)構(gòu),不可壓縮,濾孔不會(huì)被全部堵塞,可以保持良好的滲透性使用方法(1)在濾布上預(yù)涂,作為過濾介質(zhì)使用(2)按一定比例混入待濾的懸浮液中常用的助濾劑硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素、未活化的碳、爐渣、重質(zhì)碳酸鈣,6、添加反應(yīng)劑添加可溶解的鹽類,生成不溶解的沉淀;生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié),使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu);沉淀本身可作為助濾劑,還能使膠狀物和懸浮物凝固。,,四、發(fā)酵液的相對(duì)純化,1高價(jià)無機(jī)離子的去除(CA2、MG2、FE2等)2可溶性雜蛋白的去除,高價(jià)無機(jī)離子的存在,會(huì)影響樹脂對(duì)生化物質(zhì)的交換容量。雜蛋白質(zhì)的存在,不僅在采用離子交換法和大網(wǎng)格樹脂吸附法提煉時(shí)會(huì)降低其吸附能力,而且在采用有機(jī)溶劑或兩水相萃取時(shí),容易產(chǎn)生乳化,使兩相分離不清,在預(yù)處理時(shí),應(yīng)盡量除去這些物質(zhì)。,1高價(jià)無機(jī)離子的去除,發(fā)酵液中雜質(zhì)很多,其中對(duì)提煉影響最大的是高價(jià)無機(jī)離子(CA2+、MG2+、FE2+)等。,去除鈣離子通常使用草酸。但由于草酸溶解度較小,不適合用量較大的場(chǎng)合,可用其可溶性鹽,草酸價(jià)格昂貴,注意回收。去除鎂離子加入三聚磷酸鈉,與鎂離子形成絡(luò)合物。用磷酸鹽處理,也能大大降低鈣離子和鎂離子的濃度。例如環(huán)絲氨酸的提取。去除鐵離子可加入黃血鹽,使其形成普魯士藍(lán)沉淀而除去。,2雜蛋白質(zhì)的除去(1)沉淀法①加熱變性蛋白質(zhì)從有規(guī)則排列變?yōu)椴灰?guī)則結(jié)構(gòu)的過程稱為變性。使蛋白質(zhì)變性的方法有加熱,調(diào)節(jié)PH,加酒精等有機(jī)溶劑或表面活性劑等。在鏈霉素生產(chǎn)中,在PH30時(shí),加熱至70~75℃,維持30MIN,黏度降為1/6,過濾速度提高3倍。,變性法的局限性加熱法只適合于對(duì)熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物;極端PH也會(huì)導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活,并且要消耗大量酸堿;而有機(jī)溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場(chǎng)合。,②加有機(jī)溶劑、表面活性劑、酸堿等在酸性溶液中,蛋白質(zhì)能與一些陰離子,如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、鎢酸鹽、苦味酸鹽、鞣酸鹽、過氯酸鹽等形成沉淀;在堿性溶液中,蛋白質(zhì)能與一些陽離子如AG、CU2、ZN2、FE3和PB2等形成沉淀。,(2)吸附法加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去。例如在枯草芽孢桿菌發(fā)酵液中,加入氯化鈣和磷酸氫二鈉,兩者生成龐大的凝膠,把蛋白質(zhì)、菌體及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去,從而可加快過濾速率。,93固液分離過程及設(shè)備簡介,意義固液分離過程下游加工的重要環(huán)節(jié),用于發(fā)酵液的預(yù)處理和生物產(chǎn)品的純化、精制等環(huán)節(jié)。,方法常用的方法有過濾、離心。此外還有膜分離、雙水相萃取和擴(kuò)張床吸附等方法。,影響發(fā)酵液固液分離的主要因素菌體的大小、形狀及發(fā)酵液的黏度,還有發(fā)酵液的溫度、PH值、加熱時(shí)間等。,目的收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體,分離除去液相,或者是收集含生化物質(zhì)的液相,分離除去固體懸浮物,如細(xì)胞、菌體、細(xì)胞碎片、蛋白質(zhì)的沉淀物和它們的絮凝體等。,1過濾,定義用過濾介質(zhì)將懸液中的固形顆粒與液體分離的過程。,常用的過濾方式加壓過濾和真空過濾,典型設(shè)備主要有板框壓濾機(jī)和鼓式真空過濾機(jī),(1)板框過濾機(jī),板框壓濾機(jī)由壓濾機(jī)濾板、液壓系統(tǒng)、壓濾機(jī)框、濾板傳輸系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等五大部分組成。,真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī),優(yōu)點(diǎn)真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)具有自動(dòng)化程度高、操作連續(xù)、處理量大。特別適合固體含量大(10%)的懸浮液的分離,在發(fā)酵工業(yè)中廣泛用于霉菌、放線菌和酵母發(fā)酵液或細(xì)胞懸浮液的過濾分離。缺點(diǎn)由于受真空度的限制,不適于菌體較小和粘度較大的細(xì)菌發(fā)酵液的過濾,且過濾所得固相的干度不如加壓過濾。,2、離心,定義基于固體顆粒和周圍液體密度存在差異,在離心場(chǎng)中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過程。,離心分離方法,1差速離心工業(yè)上最常用的離心分離方法,定義在密度均一的介質(zhì)中由低速到高速逐級(jí)離心,用于分離不同大小的細(xì)胞和細(xì)胞器。對(duì)象混合樣品中各沉降系數(shù)差別較大的組分。,速度逐漸提高,樣品按大小先后沉淀,原理用一定的介質(zhì)在離心管內(nèi)形成一連續(xù)或不連續(xù)的密度梯度,將細(xì)胞混懸液或勻漿置于介質(zhì)的頂部,通過重力或離心力場(chǎng)的作用使細(xì)胞分層、分離。分類1)移動(dòng)區(qū)帶離心2)等密度離心常用密度梯度物質(zhì)蔗糖、甘油、CSCL、NABR,2密度梯度離心多用于生化研究,1)移動(dòng)區(qū)帶離心,含幾個(gè)組分的樣品在足夠高的離心場(chǎng)中離心時(shí),每種顆粒都達(dá)到其最大沉降速度,這時(shí)樣品開始分離。離心管的上層逐漸形成透明的上清液,并形成對(duì)應(yīng)于樣品各組分的一系列濃度界面,界面的移動(dòng)相對(duì)于每種組分來說是特征的。用于分離密度相近而大小不等的細(xì)胞或細(xì)胞器。此法所采用的介質(zhì)密度較低,介質(zhì)的最大密度應(yīng)小于被分離生物顆粒的最小密度。,2)等密度離心,細(xì)胞或細(xì)胞器在連續(xù)梯度的介質(zhì)中經(jīng)足夠大離心力和夠長時(shí)間則沉降或漂浮到與自身密度相等的介質(zhì)處,并停留在該層達(dá)到平衡,從而將不同密度的細(xì)胞或細(xì)胞器分離。,離心機(jī)分類,,制備性離心機(jī),分析性離心機(jī)超速離心機(jī),,普通離心機(jī),,高速冷凍離心機(jī),超速離心機(jī),實(shí)驗(yàn)型離心機(jī),工業(yè)型離心機(jī),,碟片式離心機(jī)是傳統(tǒng)離心機(jī),為目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的離心機(jī)。分離因數(shù)可達(dá)100020000,最大處理量達(dá)到300M3/H,常用于大規(guī)模的分離過程。適用范圍細(xì)菌、酵母菌、放線菌、細(xì)胞碎片。,管式離心機(jī)管式離心機(jī)是一種分離效率很高的離心分離設(shè)備,其轉(zhuǎn)鼓細(xì)長,可在1500050000的高轉(zhuǎn)速下工作,分離因數(shù)可達(dá)1046105。它設(shè)備簡單、操作穩(wěn)定。適用范圍細(xì)胞、細(xì)胞碎片、細(xì)胞器、病毒、蛋白質(zhì)、核酸等。,3其他固液分離方法,(1)膜分離利用不同組分通過膜的傳遞速度不同而得以分離的方法,(2)雙水相萃取利用不同組分在雙水相分配系數(shù)不同進(jìn)行分離方法。,(3)擴(kuò)張床吸附將固液分離合目的產(chǎn)物吸附合并成一步進(jìn)行的一種分離方法。,114微生物細(xì)胞的破碎,微生物的代謝產(chǎn)物如果是胞內(nèi)物質(zhì)(如有些酶制劑、干擾素、胰島素等),那么首先要收集菌體,進(jìn)行細(xì)胞破碎。,1微生物細(xì)胞壁的組成與結(jié)構(gòu)(1)細(xì)菌細(xì)胞壁(2)酵母菌細(xì)胞壁比G菌稍厚,主要成分是葡聚糖、甘露聚糖和蛋白質(zhì)等。(3)其他真菌細(xì)胞壁主要由多糖組成,如幾丁質(zhì)或纖維素強(qiáng)度比細(xì)菌和酵母菌高。,2常用的細(xì)胞破碎方法,細(xì)胞破碎的方法很多,根據(jù)外加作用力的方式可分為機(jī)械法和非機(jī)械法兩大類。亦可按所用方法的屬性分為物理法、化學(xué)法和生物法三類。物理破碎法高壓勻漿法、擠壓法、高速珠磨法、超聲波法;化學(xué)破碎法滲透沖擊法、增溶法。生物破碎法酶溶法,細(xì)胞破碎機(jī)理圖,,115濃縮技術(shù),濃縮過程是發(fā)酵工業(yè)提取與精制過程常用的單元操作。濃縮的目的是將低溶質(zhì)濃度的溶液通過除去溶質(zhì)變?yōu)楦呷苜|(zhì)濃度的溶液。它廣泛用于有機(jī)酸、氨基酸、核苷酸、酶制劑及抗生素等發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品的提取分離過程。常用的濃縮技術(shù)有蒸發(fā)濃縮法、冷凍干燥法、吸收濃縮法。,(1)蒸發(fā)濃縮法,蒸發(fā)濃縮法概念及原理,,蒸發(fā)是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)過程中常用的發(fā)酵產(chǎn)品濃縮方法之一。蒸發(fā)的目的是使溶液中的溶劑在一定的溫度和壓力下加熱后汽化除去,從而提高溶液中溶質(zhì)的濃度。這里所指的溶液是由不揮發(fā)的溶質(zhì)與液體溶劑所組成,蒸發(fā)過程只有溶劑汽化而溶質(zhì)不汽化。,蒸發(fā)濃縮裝置的設(shè)計(jì),,蒸發(fā)是溶液表面的溶劑分子獲得的動(dòng)能超過了溶液內(nèi)溶劑分子間的吸引力脫離液面進(jìn)入空間的過程。蒸發(fā)快慢與溫度、蒸發(fā)面積及液面蒸汽分子密度等因素有關(guān)。因此,蒸發(fā)濃縮裝置常按照加熱、擴(kuò)大液體表面積、減壓、和加速空氣流動(dòng)等因素而設(shè)計(jì),蒸發(fā)濃縮裝置的分類,,常用的蒸發(fā)濃縮過程可分為常壓蒸發(fā)濃縮和真空減壓蒸發(fā)濃縮過程。按照結(jié)構(gòu)型式不同,常壓蒸發(fā)設(shè)備有中央循環(huán)管式蒸發(fā)器、橫管式蒸發(fā)器、夾套式蒸發(fā)器、夾套帶攪拌外循環(huán)蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器等真空減壓蒸發(fā)設(shè)備根據(jù)二次蒸氣的利用的情況,可分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。,,分子蒸餾,,分子蒸餾克服了傳統(tǒng)蒸餾操作溫度高,受熱時(shí)間長等缺點(diǎn),可解決大量傳統(tǒng)蒸餾無法解決的工業(yè)化難題,尤其適用于目標(biāo)產(chǎn)物與雜質(zhì)之間沸點(diǎn)相差較大的物質(zhì)的分離。分子蒸餾的原理是根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論,液體混合物的分子受熱后運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇,當(dāng)接受到足夠能量后,就會(huì)從液體溢出而成為氣相分子。,2、冷凍濃縮法,,冷凍濃縮法是工業(yè)發(fā)酵中生物大分子和具有生理活性的發(fā)酵產(chǎn)品濃縮常用的一種有效方法。,,冷凍濃縮法原理在冷凍時(shí)水分結(jié)成冰,鹽類及發(fā)酵產(chǎn)品不進(jìn)入冰內(nèi)而留在冰外,濃縮時(shí)先將待濃縮的溶液冷凍使之變成固態(tài),然后緩慢的融解,利用溶劑與溶質(zhì)熔點(diǎn)的差別而達(dá)到除去大部分溶劑的目的。如酶制劑和蛋白質(zhì)。,3吸收濃縮法,,吸收濃縮法是一種通過吸收劑直接吸收出去溶液中溶劑分子使溶液濃縮的方法。,,應(yīng)用吸收濃縮法時(shí)要求吸收劑不與溶液起化學(xué)反應(yīng),而且對(duì)大分子類的發(fā)酵產(chǎn)品不起吸收作用,易于溶液分開,吸收劑除去溶劑后能重復(fù)使用。,116沉淀技術(shù),定義通過改變條件或加入某種試劑,使發(fā)酵產(chǎn)物離開溶液,生成不溶性顆粒而沉降析出的過程。,作用濃縮作用大于純化作用,是初步分離的一種手段。,優(yōu)點(diǎn)沉淀法具有設(shè)備簡單、成本低、原料易得、收率高、濃縮倍數(shù)高和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。,缺點(diǎn)于過濾困難、產(chǎn)品質(zhì)量較低、需要重新精制。,1鹽析,原理高濃度中性鹽存在下,使生物分子在水溶液中溶解的溶解度降低而產(chǎn)生沉淀的方法,多用于蛋白質(zhì)(酶)的分離。,常用的鹽類是硫酸銨。,優(yōu)點(diǎn)①成本低,不需要特別昂貴的設(shè)備。②操作簡單、安全。③對(duì)許多生物活性物質(zhì)具有穩(wěn)定作用。,(1)鹽析機(jī)制,①鹽溶鹽低時(shí),S(蛋白質(zhì)的溶解度)隨鹽增加而增加;②鹽析鹽高時(shí),S(蛋白質(zhì)的溶解度)隨鹽增加而降低;,(2)溶解度與鹽濃度的關(guān)系可用下式表示LOGSΒ-KSIS蛋白質(zhì)的溶解度;I離子強(qiáng)度;Β常數(shù),與蛋白質(zhì)種類有關(guān),與鹽的種類無關(guān);KS鹽析常數(shù),與鹽種類有關(guān),與溫度和PH無關(guān);,①鹽的種類影響KS,KS越大,效果越好②溶質(zhì)的起始濃度③鹽析劑用量④溫度和PH影響Β值而影響S。尤其是影響相對(duì)溶解度⑤雜質(zhì),(3)影響鹽析的因素,2等電點(diǎn)沉淀,原理利用兩性電解質(zhì)在在低離子強(qiáng)度下,調(diào)節(jié)至等電點(diǎn),可使各種兩性電解質(zhì)所帶凈電荷為零,能大大降低其溶解度,形成沉淀。,不同的兩性電解質(zhì)具有不同的等電點(diǎn),從而將其分離開。,優(yōu)點(diǎn)操作簡單,試劑消耗少,引入雜質(zhì)少。,缺點(diǎn)不能完全沉淀析出,常與鹽析法、有機(jī)溶劑沉淀法或其他沉淀劑一起配合使用,以提高沉淀能力和分離效果。,應(yīng)用主要用于在分離純化流程中去除雜蛋白,而不用于沉淀目的物。,等電點(diǎn)操作時(shí)要注意①溶液中離子的種類和濃度對(duì)生物分子等電點(diǎn)的影響。②等電點(diǎn)附近的鹽溶作用③目的產(chǎn)物的不穩(wěn)定性。,等電點(diǎn)鋅鹽法,3有機(jī)溶劑沉淀,定義于水互溶的有機(jī)溶劑(乙醇、丙酮等)能使蛋白質(zhì)在水中的溶解度顯著降低。多用于生物小分子、多糖、核酸和蛋白質(zhì)等產(chǎn)品的提取。,機(jī)理降低溶液的介電常數(shù),因?yàn)榉肿娱g的靜電引力和溶劑的介電常數(shù)成反比,加入有機(jī)溶劑,蛋白質(zhì)分子間的引力增加,溶解度降低。,常用有機(jī)溶劑乙醇、甲醇、丙酮等。,缺點(diǎn)容易引起蛋白質(zhì)變性失活,并且有機(jī)溶劑易燃、易爆,對(duì)安全要求較高。,優(yōu)點(diǎn)①分辨能力比鹽析法高,一種溶質(zhì)只在一個(gè)比較窄的有機(jī)溶劑范圍內(nèi)沉淀;②沉淀不需脫鹽;③有機(jī)溶劑密度低,與沉淀物密度差大,容易進(jìn)行固液分離;④有機(jī)溶劑容易蒸發(fā),不會(huì)在成品中殘留,適用于食品、藥品的制備。,4非離子型多聚物沉淀,定義水溶性的非離子多聚物如聚乙二醇(PEG)、葡聚糖右旋糖酐硫酸鈉等,可用于沉淀分離蛋白質(zhì)(尤其是不穩(wěn)定的蛋白質(zhì))、DNA和RNA等。。,機(jī)制多聚物與有機(jī)溶劑相似,能降低水化度使蛋白質(zhì)沉淀;與大分子形成復(fù)合物,發(fā)生共沉淀作用等,應(yīng)用最多的是PEG。,優(yōu)點(diǎn)其操作條件溫和,不易引起生物大分子的變性,沉淀效能高,很少量的沉淀劑就可以使相當(dāng)多的生物大分子沉淀,且沉淀后的多聚物也容易除去,無毒、不可燃,對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)有保護(hù)作用。,應(yīng)用廣泛用于蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)菌和病毒等的分離純化。,117萃取分離技術(shù),定義利用不同物質(zhì)在選定溶劑中具有不同的溶解度的原理來進(jìn)行不同物質(zhì)的分離純化。,優(yōu)點(diǎn)①選擇性好,分離效果好;②對(duì)熱敏性物質(zhì)破壞小,且耗能低;③生產(chǎn)能力大,周期短;④便于連續(xù)操作,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等。,應(yīng)用適用于抗生素等小分子物質(zhì)的分離純化,定義是利用萃取目標(biāo)物質(zhì)在兩種互不相溶的溶劑中溶解度的不同,使其從一種溶劑轉(zhuǎn)入另一種溶劑從而實(shí)現(xiàn)分離。,1溶劑萃取,在溶劑萃取中,被提取的溶液稱為料液,從料液中提取出來的物質(zhì)稱為溶質(zhì),用來進(jìn)行萃取的溶劑稱為萃取劑,溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到萃取劑中與萃取劑形成的溶液為萃取液,被萃取出溶質(zhì)的料液稱為萃余液。,(1)生產(chǎn)中萃取操作一般應(yīng)包括下面三個(gè)過程①混合料液和萃取劑密切接觸;②分離萃取相與萃余相分離;③溶劑回收萃取劑從萃取相有時(shí)也需從萃余相中除去,并加以回收。,萃取操作流程分為單級(jí)萃取和多級(jí)萃取,多級(jí)萃取又分為多級(jí)錯(cuò)流萃取和多級(jí)逆流萃取。,(2)溶劑的選擇,萃取用的有機(jī)溶劑應(yīng)對(duì)產(chǎn)物有較大的溶解度和良好的選擇性。遵循一個(gè)簡單的規(guī)律“相似物容易溶解在相似物中”,即分子的極性。極性液體互相混和并溶解鹽類和極性固體,而非極性化合物溶劑是低極性或沒有極性的液體。,選擇溶劑時(shí)還應(yīng)注意①與料液的互溶度應(yīng)盡可能??;②毒性低;③化學(xué)穩(wěn)定性高,腐蝕性低,揮發(fā)性??;④價(jià)格便宜,來源方便,便于回收。,工業(yè)上常用的溶劑乙酸乙酯、乙酸戊酯和丁酯等。,(3)水相條件的影響,①PH值直接影響表觀分配系數(shù)。另外對(duì)選擇性有影響。②溫度溫度會(huì)影響生化物質(zhì)的穩(wěn)定性,所以一般在室溫或低溫下進(jìn)行。同時(shí)影響分配系數(shù)K和萃取的速度。③鹽析硫酸銨、氯化鈉等可降低產(chǎn)物在水中的溶解度,還能減小有機(jī)溶劑在水相中的溶解度。④帶溶劑能和產(chǎn)物形成復(fù)合物,使產(chǎn)物更易溶于有機(jī)溶劑相中,提高分配系數(shù)。,(4)乳化和去乳化,定義乳化是一種液體分散相分散在另一種不相混溶的液體連續(xù)相中的現(xiàn)象。,害處乳化產(chǎn)生后會(huì)使有機(jī)溶劑相和水相分層困難,產(chǎn)生乳化后使有機(jī)相和水相分層困難,,原因是發(fā)酵液中存在的蛋白質(zhì)和固體顆粒等物質(zhì),這些物質(zhì)具有表面活劑性的作用,使有機(jī)溶劑和水的表面張力降低,水易于以微小液滴的形式分散于油相稱為油包水型W/O乳濁液;相反,為O/W型乳濁液。,①乳化,方法A過濾或離心分離破乳法;B化學(xué)法加電解質(zhì)中和離子型乳油液的電荷;C物理法加熱、稀釋、吸附等;D頂替法加入表面活性更大,但因其碳鏈較短難以形成堅(jiān)固的保護(hù)膜的物質(zhì),取代界面上的乳化劑;E轉(zhuǎn)型法如在O/W中加入親油性乳化刑,使乳化液有生成W/O的傾向,但又不穩(wěn)定,從而達(dá)到破乳目的。最好的方法是防止乳化,如蛋白質(zhì)是乳化起因,就應(yīng)設(shè)法去除蛋白質(zhì)。,,②去乳化破壞乳濁液,(5)萃取的方式,根據(jù)混合分離的操作方式,可以分為單級(jí)萃取和多級(jí)萃取。,①單級(jí)萃取只使用一個(gè)混合器和一個(gè)分離器的萃取。特點(diǎn)流程最簡單,單收率不高。,②多級(jí)錯(cuò)流萃取每級(jí)都加入新鮮萃取溶劑,溶劑消耗多,萃取液產(chǎn)物平均濃度較稀,但萃取較完全。,多級(jí)錯(cuò)流萃?。‵料液;S溶劑;L萃取液;R萃余液),③多級(jí)逆流萃取料液走向與萃取走向相反,萃取劑只在最后一級(jí)加入,萃取劑消耗少,萃取液產(chǎn)物平均濃度高,產(chǎn)物收率最高。,多級(jí)逆流萃?。‵料液;S溶劑;L萃取液;R萃余液),2雙水相萃取法,定義利用物質(zhì)在互不相溶的兩水相間分配系數(shù)的差異來進(jìn)行萃取的方法。,(1)雙水相形成,大多數(shù)親水性聚合物水溶液與第二種親水性聚合物混合,達(dá)到一定濃度時(shí),會(huì)產(chǎn)生兩相,兩種高聚物分別溶于互不相溶的兩相中。,高聚物之間的不相溶性,使得它們無法相互滲透,不能形成均一相,從而具有相分離的傾向,在一定條件下,即能分為兩相。,聚合物與鹽類溶液也能形成兩相。,(2)影響雙水相分配的因素,①成相聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量②成相聚合物的濃度③鹽的種類和濃度④PH⑤溫度,(3)雙水相萃取的應(yīng)用,可用于分離和純化酶、核酸、生長素、病毒、干擾素等。,常用的雙水相系統(tǒng)為聚乙二醇/葡聚糖和聚乙二醇/無機(jī)鹽,后者中聚乙二醇/硫酸鹽或磷酸鹽系統(tǒng)最為常用。,①目的分子與雜質(zhì)(如細(xì)胞等)應(yīng)分配在不同的相。②分配系數(shù)應(yīng)足夠大。③容易離心分離。,(4)兩水相分離條件,3反膠團(tuán)萃取,定義利用表面活性劑在有機(jī)溶劑中自發(fā)形成的內(nèi)含親水微環(huán)境的反膠團(tuán),使生物分子溶于此親水微環(huán)境,進(jìn)而進(jìn)行萃取的分離方法。,若將表面活性劑溶于非極性的有機(jī)溶劑中,并使其濃度超過某一臨界濃度,便會(huì)在有機(jī)溶劑內(nèi)形成聚集體,稱為反膠束,,在反膠束中,表面活性劑的非極性基團(tuán)在外與非極性的有機(jī)溶劑接觸,而極性基團(tuán)則排列在內(nèi)形成一個(gè)極性核。此極性核具有溶解極性物質(zhì)的能力,極性核溶解于水后,就形成了“水池”。,反相膠團(tuán)萃取的優(yōu)點(diǎn),①成本低②選擇性高③操作方便④放大容易⑤萃取劑反膠團(tuán)相可循環(huán)利用⑥蛋白質(zhì)不易變性等優(yōu)點(diǎn)。,4超臨界流體萃取,定義是將超臨界流體作為萃取劑,從固體或液體中萃取出某些高沸點(diǎn)或熱敏性成分,達(dá)到分離和提純目的。,超臨界流體是物質(zhì)處于臨界溫度、臨界壓力之上的一種流體狀態(tài),具有氣體和液體雙重,即密度接近液體,而黏度與氣體相似,擴(kuò)散系數(shù)約比液體大100倍。不僅具有與液體溶劑相當(dāng)?shù)妮腿∧芰?,而且具有傳質(zhì)擴(kuò)散速度快的優(yōu)點(diǎn)。,①具有較高的擴(kuò)散性,從而減小了傳質(zhì)阻力,這對(duì)多孔疏松的固態(tài)物質(zhì)和細(xì)胞材料中的化合物的萃取特別有利。②對(duì)改變操作條件如壓力、溫度特別敏感,這就提供了操作上的靈活性和可調(diào)性。③具有低的化學(xué)活性和毒性。,(1)超臨界流體具有以下特點(diǎn),超臨界CO2成為目前最常用的萃取劑,它具有以下特點(diǎn)1CO2臨界溫度為311℃,臨界壓力為72MPA,臨界條件容易達(dá)到。2CO2化學(xué)性質(zhì)不活波,無色無味無毒,安全性好。3價(jià)格便宜,純度高,容易獲得。因此,CO2特別適合天然產(chǎn)物有效成分的提取。,(2)超臨界CO2的特點(diǎn),(3)應(yīng)用,超臨界萃取技術(shù)具有低能耗。無污染和適用于分離易受熱分解的高沸點(diǎn)物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。最適用于分離價(jià)值高、難于用常規(guī)方法分離的生物化合物。除了用在化工、醫(yī)藥等行業(yè)外,還可用在煙草、香料、食品等方面。,超臨界流體萃取過程由萃取階段與分離階段組成分離,(4)超臨界萃取典型流程,①等溫法等溫條件下,萃取相減壓、膨脹,溶質(zhì)從分離槽下部取出。氣體經(jīng)壓縮機(jī)加壓后返回萃取槽。②等壓法等壓條件下,萃取相加熱、升溫,氣體和溶質(zhì)分離。溶質(zhì)從分離槽下部取出,氣體冷卻、壓縮后回到萃取槽。③吸附法溶質(zhì)被分離槽中的吸附劑吸附,氣體壓縮后回到分離槽。,等溫法(T1T2,P1>P2),等壓法(T1<T2,P1P2),吸附法(T1T2,P1P2),118膜分離法,定義是物質(zhì)通過膜的傳遞速度不同而得到分離。,優(yōu)點(diǎn)過程一般較簡單,操作方便,費(fèi)用較低,效率較高,無相變,可在常溫下操作,既節(jié)能又特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離純化,便于維修,有利于生產(chǎn)自動(dòng)化的推廣與普及。,1、膜分離特點(diǎn)※膜的種類、孔徑可以根據(jù)需要選擇※膜對(duì)于阻止大的粒子或分子透過的能力很強(qiáng)※把產(chǎn)物分在兩側(cè),很容易收集樣品※節(jié)能、環(huán)保,膜的特性及分離原理,所謂的膜,是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相,它把流體相分隔為互不相通的兩部分,并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。膜的特性◆不管膜多薄,它必須有兩個(gè)界面。這兩個(gè)界面分別與
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簡介:食品中糖類的功能特性,親水功能甜味、滲透壓及抗氧化性、發(fā)酵性小分子糖(單糖、低聚糖)的功能特性風(fēng)味功能風(fēng)味前體物及風(fēng)味結(jié)合功能增稠、凝膠及穩(wěn)定作用多糖的功能特性,食品中單糖和低聚糖的功能,親水功能(P39溶解度/吸濕性、保濕性與結(jié)晶性P49吸濕性保濕性與結(jié)晶性P78親水功能)碳水化合物含有許多親水性羥基,它們靠氫鍵鍵合與水分子相互作用;小分子糖類結(jié)合水的能力和控制食品中水分活度的性質(zhì)是其重要的功能性質(zhì)之一,結(jié)合水的能力通常稱為保濕性。,食品中單糖和低聚糖的功能,糖吸收潮濕空氣中水分的含量(),食品中單糖和低聚糖的功能,親水功能之保濕性不純的糖或糖漿一般比純糖吸收水分更多,速度更快?!半s質(zhì)”是糖的異頭物時(shí)也明顯產(chǎn)生吸濕現(xiàn)象;有少量的低聚糖存在時(shí)吸濕更為明顯。,食品中單糖和低聚糖的功能,親水功能之保濕性單糖與雙糖均易溶于水,但溶解度不同果糖>蔗糖>葡萄糖>乳糖20℃78966646716150℃869720709612因?yàn)槠咸烟侨芙舛鹊?,濃度高時(shí),則易析出晶體。所以在淀粉糖漿中,為了防止結(jié)晶析出,一般控制葡萄糖含量<42。果汁、蜜餞、果脯類食品利用糖作保存劑,需要糖具有高溶解度。果糖含量426090溶解度717780果糖含量高的(溶解度大)果葡糖漿,其食品保存性好。,食品中單糖和低聚糖的功能,親水功能之結(jié)晶性蔗糖易結(jié)晶,晶體較大;葡萄糖也易結(jié)晶,但晶體較小;果糖和轉(zhuǎn)化糖難于結(jié)晶;淀粉糖漿不但不會(huì)結(jié)晶,而且還能防止蔗糖結(jié)晶。玉米糖漿(果葡糖漿)的生產(chǎn),食品中單糖和低聚糖的功能,親水功能糖果制造需考慮結(jié)晶性差異硬糖不能單獨(dú)用蔗糖舊式制造硬糖方法加入有機(jī)酸,蔗糖→轉(zhuǎn)化糖10~15以防止蔗糖結(jié)晶新式制造硬糖方法添加30~40淀粉糖漿DE=42;工藝簡單,效果好。新式制造硬糖方法的優(yōu)點(diǎn)保存性好;含糊精,增強(qiáng)糖果韌性,強(qiáng)度,粘性,不易破裂,晶體聚合成球形(淀粉糖漿代替部分蔗糖)。,食品中單糖和低聚糖的功能,親水功能之吸濕性與保濕性吸濕性是指糖在較高的空氣濕度下吸收水分的性質(zhì)。表示糖以氫鍵結(jié)合水的數(shù)量大小。保濕性指糖在較低空氣濕度下散失水分的性質(zhì),即保持水分的性質(zhì)。后者與氫鍵結(jié)合力的大小有關(guān)。吸濕性與結(jié)晶性的關(guān)系結(jié)晶性越好,則吸濕性越小結(jié)晶性好的易形成糖糖氫鍵雜質(zhì)影響吸濕性雜質(zhì)干擾糖糖氫鍵形成,使糖易結(jié)合水。果糖、轉(zhuǎn)化糖的吸濕性最強(qiáng);麥芽糖、葡萄糖的吸濕性次之,蔗糖的吸濕性最小。,親水功能之吸濕性與保濕性應(yīng)用不同食品對(duì)于糖的吸濕性和保濕性要求不同糖果硬糖要求吸濕性低(避免遇潮濕天氣吸收水分而導(dǎo)致溶化),蔗糖為主(添加淀粉糖漿防止結(jié)晶)。軟糖則需保持一定水分,即保濕性(避免干燥天氣干縮),應(yīng)用果葡糖漿、淀粉糖漿為宜。糕餅為了限制水進(jìn)入食品,其表層涂抹糖霜粉,吸濕性要小。如添加乳糖、蔗糖等。蜜餞、面包、糕點(diǎn)為控制水分損失、保持松軟,必須添加吸濕性較強(qiáng)的糖。如淀粉糖漿(轉(zhuǎn)化糖漿)、果葡糖漿、糖醇。,食品中單糖和低聚糖的功能,食品中單糖和低聚糖的功能,甜味小分子糖是使食品產(chǎn)生甜味的主要物質(zhì)P38,,食品中單糖和低聚糖的功能,食品中單糖和低聚糖的功能,糖醇可用作食品甜味劑,糖醇具有低熱量或無致齲齒等優(yōu)點(diǎn)。,食品中單糖和低聚糖的功能,滲透壓P48溶質(zhì)的分子量越小、分子數(shù)目越多,滲透壓就越大;因此,在濃度較稀時(shí),單糖的滲透壓約為雙糖的兩倍;滲透壓越高的糖對(duì)食品的保存效果越好。35~45%葡萄糖溶液對(duì)引起食品敗壞的鏈球菌有較強(qiáng)的抑制作用,而蔗糖溶液達(dá)到同樣效果時(shí),濃度需達(dá)到50~60%。,食品中單糖和低聚糖的功能,抗氧化性P48有利于保持水果的風(fēng)味、顏色和VITC。28℃時(shí),60%蔗糖溶液中溶解的氧氣的量為水溶液中的1/6左右。應(yīng)用這種糖溶液,可使VITC的氧化反應(yīng)速率降低10~90%(因糖濃度、PH和其它條件的不同而變化)。,食品中單糖和低聚糖的功能,發(fā)酵性P48酵母菌能將葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖、甘露糖等發(fā)酵生成酒精,并產(chǎn)生CO2。大多數(shù)酵母發(fā)酵糖的順序葡萄糖>果糖>蔗糖>麥芽糖乳酸菌發(fā)酵乳糖產(chǎn)生乳酸。,食品中單糖和低聚糖的功能,糖類褐變產(chǎn)物和食品風(fēng)味(P78風(fēng)味前體功能)非酶褐變生成多種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),使加工食品產(chǎn)生特殊的風(fēng)味這些化合物主要是吡啶、吡嗪、咪唑和吡咯。葡萄糖和氨基酸的混合物(11質(zhì)量比)加熱至100℃時(shí),所產(chǎn)生的風(fēng)味特征包括焦糖香味(甘氨酸)、巧克力香味(谷氨酰胺)羰胺褐變反應(yīng)產(chǎn)生的特征香味隨著溫度的改變而變化,食品中單糖和低聚糖的功能,糖類褐變產(chǎn)物和食品風(fēng)味褐變產(chǎn)物除了能使食品產(chǎn)生風(fēng)味外,它本身可能具有特殊的風(fēng)味或者能增強(qiáng)其他的風(fēng)味糖類的褐變產(chǎn)物均具有特征的強(qiáng)烈焦糖氣味,可以作為甜味增強(qiáng)劑;麥芽酚可以使蔗糖甜度的檢出閾值濃度降低至正常值的一半;它還能改善食品質(zhì)地并產(chǎn)生可口的感覺。,食品中單糖和低聚糖的功能,風(fēng)味結(jié)合功能P79在脫水過程中糖-水+風(fēng)味劑?糖-風(fēng)味劑+水雙糖和相對(duì)分子質(zhì)量較大的低聚糖是有效的風(fēng)味結(jié)合劑,環(huán)狀糊精因能形成包合結(jié)構(gòu),所以能更有效地截留風(fēng)味及和其它小分子化合物;大分子糖是一類很好的風(fēng)味固定劑,應(yīng)用最普通和最廣泛的是阿拉伯樹膠;阿拉伯樹膠和明膠的混合物用于微膠囊和微乳化技術(shù)。,食品中多糖的功能,多糖的結(jié)構(gòu)與功能(P56多糖的性質(zhì)P79增稠、凝膠和穩(wěn)定作用)食品多糖對(duì)食品質(zhì)地的作用主要有乳化穩(wěn)定、懸浮穩(wěn)定和凝膠。增稠作用提高食品的粘稠度,使食品具有柔滑的口感;膠凝作用形成凝膠穩(wěn)定作用使加工食品的組織趨于更穩(wěn)定的狀態(tài),使食品內(nèi)部組織不易變動(dòng),不易改變品質(zhì)。,食品中多糖的功能,多糖的溶解性多糖與水的相互作用P56多糖中的親水基團(tuán)與水發(fā)生作用,水化以后使多糖分子形成大分子分散體系,這是多糖化合物發(fā)揮其作用的重要基礎(chǔ)。結(jié)合水使多糖分子溶劑化(這部分水不結(jié)冰)。多糖是冷凍穩(wěn)定劑,不是冷凍保護(hù)劑。在冷藏溫度下,能夠保護(hù)食品的結(jié)構(gòu)與質(zhì)構(gòu),提高貯藏穩(wěn)定性。多糖的溶解性與多糖結(jié)構(gòu)密切相關(guān),食品中多糖的功能,多糖的溶解性與多糖結(jié)構(gòu)的關(guān)系纖維素的結(jié)晶與非結(jié)晶區(qū)纖維素結(jié)構(gòu)中的ΒD吡喃葡萄糖基單位是有序排列和線性伸展的,使纖維素分子的長鏈和另一個(gè)纖維素分子間相似的部分結(jié)合,導(dǎo)致纖維素分子在結(jié)晶區(qū)平行排列。,食品中多糖的功能,高度定向的多糖(直鏈均勻多糖)具有定向和結(jié)晶性。直鏈結(jié)晶區(qū)具有不溶及抗破裂的特性。,纖維素的無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū),食品中多糖的功能,結(jié)晶排列只涉及到每個(gè)纖維分子的某些部分。纖維素的其他部分與別的纖維素分子纏繞在一起,使鏈間不能很好的結(jié)合或者不存在結(jié)合,使該區(qū)域被高度水化。,食品中多糖的功能,黃原膠P69D葡萄糖、D甘露糖和D葡萄糖醛酸按221比例組成的多糖。,食品中多糖的功能,海藻膠P66Β1,4D甘露糖醛酸片段和Α1,4L古洛糖醛酸片段,以及混合片斷組成。,食品中多糖的功能,多糖的溶解性與多糖結(jié)構(gòu)的關(guān)系多糖的溶解性與分子鏈的不規(guī)則程度成正比多糖分子相互結(jié)合減弱,則分子溶解性增大。大多數(shù)多糖不具有結(jié)晶區(qū),因而非常容易水合和溶解。水溶性多糖和改性多糖被稱為膠或親水膠體。,食品中多糖的功能,多糖溶液的黏度和穩(wěn)定性黏度是表征流體流動(dòng)時(shí)所受內(nèi)摩擦阻力大小的物理量,是流體在受剪切應(yīng)力作用時(shí)表現(xiàn)出的特性。黏度的測(cè)定儀器毛細(xì)管黏度計(jì)、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、落球式黏度計(jì)、振動(dòng)性黏度計(jì)。,食品中多糖的功能,多糖溶液的粘度和穩(wěn)定性多糖(膠、親水膠體)的黏度與相應(yīng)食品的粘稠度和膠凝性都有重要關(guān)系。多糖溶液能夠控制液體食品與飲料的流動(dòng)性與質(zhì)地,改變半固體食品的形態(tài)及乳濁液的穩(wěn)定性。一般使用025~05濃度的膠即能產(chǎn)生粘性或形成凝膠。凝膠或溶液的粘度同分子的大小、形狀及其在溶劑中的構(gòu)象有關(guān)。,食品中多糖的功能,粘度與多糖結(jié)構(gòu)間的關(guān)系多糖分子在溶液中的形狀與糖苷鍵周圍的振動(dòng)有關(guān),大多數(shù)多糖在溶液中呈現(xiàn)出無規(guī)線團(tuán)形狀。相對(duì)分子質(zhì)量相同(DP值相同)時(shí),直鏈多糖比支鏈多糖的粘性要大得多;支鏈多糖的溶劑化程度較高。只帶一種類型電荷的直鏈多糖由于電荷的斥力,溶液的粘度大大提高,溶液穩(wěn)定性也較高。不帶電的直鏈均一多糖傾向于締合和形成結(jié)晶;側(cè)鏈可阻止分子鏈締合,生成穩(wěn)定的溶液。,食品中多糖的功能,多糖溶液的流變性質(zhì)影響多糖溶液(膠溶液)流動(dòng)性的因素水合分子或聚集體的大小和形狀;是否容易變形(柔順性);帶電多少。多糖溶液一般呈現(xiàn)兩種流動(dòng)性質(zhì)假塑性觸變性,食品中多糖的功能,假塑性剪切變稀,隨著剪切率增大,流動(dòng)加快;液體流動(dòng)越快,粘度越低。粘度變化與時(shí)間無關(guān);膠的相對(duì)分子質(zhì)量越高,假塑性越大。發(fā)粘的口感與假塑性相反。觸變性第二類剪切變稀流動(dòng)。在觸變流動(dòng)中,隨流速的增加,粘度的下降并不瞬時(shí)發(fā)生;粘度下降與時(shí)間有關(guān);剪切停止后,恢復(fù)到原有粘度需要一定時(shí)間。觸變?nèi)芤涸陟o止時(shí)是一種弱凝膠。大多數(shù)多糖溶液,粘度隨溫度升高而下降。,食品中多糖的功能,凝膠凝膠是一種粘彈性的半固體,即凝膠對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)具有部分彈性固體性質(zhì)和部分粘性液體性質(zhì)凝膠是連續(xù)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);網(wǎng)中充滿了大量的連續(xù)液相。三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是由高聚物分子通過氫鍵、疏水締合(范德華力)、離子橋聯(lián)、纏結(jié)或共價(jià)鍵形成鏈接區(qū)。凝膠形成后,如果結(jié)合區(qū)變大,網(wǎng)就變得較緊密,結(jié)構(gòu)收縮,產(chǎn)生脫水收縮。,,用球型容器盛裝,迅速放入溶解了氯化鈣的水中,不到一分鐘,“雞蛋黃”外面迅速形成一層透明的凝固物,海藻酸鈉水溶液加入少量的檸檬黃食品色素,將“蛋黃”放入“蛋清”中,,,果凍,涼粉,凝膠,食品中多糖的功能,凝膠,瓊脂的凝膠形成模式,所有可溶性的多糖都能在一定條件下產(chǎn)生粘性的溶液。形成的多糖粘性溶液的粘度大小取決于多糖分子的大小、形狀和所帶的電荷量。支鏈分子或雜聚糖分子之間無法形成具有一定強(qiáng)度的凝膠,只能形成粘稠、穩(wěn)定的溶膠。凝膠的強(qiáng)度依賴于結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。通過交聯(lián)也能形成多糖凝膠多糖的協(xié)同作用、多價(jià)陽離子與酸性多糖間的離子鍵和。,碳水化合物,食品中幾種常見的多糖淀粉果膠其他多糖,淀粉,淀粉的特性淀粉以分離的小包形式(顆粒狀)普遍存在于植物中。,淀粉,淀粉粒的大小和形狀受所在植物合成體系和組織環(huán)境的影響,表現(xiàn)出不同的形狀和大小。,,淀粉,淀粉粒形狀主要有圓形、橢圓形和多角形等。馬鈴薯淀粉粒最大,谷物淀粉粒最小。,甘薯中的淀粉,淀粉,淀粉的臍點(diǎn)是淀粉的成核中心,,淀粉的臍點(diǎn)是淀粉的成核中心,,C鏈,B鏈,A鏈,支鏈淀粉的分支平行排列成簇狀或以雙螺旋形式存在。,,很可能淀粉的主要結(jié)晶部分是由支鏈淀粉形成的。,一些糧食中直鏈和支鏈淀粉的含量單位質(zhì)量分?jǐn)?shù)%,普通淀粉約含2039%的直鏈淀粉,玉米變異品種的直鏈淀粉含量可高達(dá)85%,被稱為高直鏈淀粉玉米。,淀粉,直鏈淀粉在溶液中以雙螺旋的形式存在,甚至在淀粉顆粒中也能以這種狀態(tài)存在。分離出的直鏈淀粉能形成堅(jiān)韌的透明膜和纖維,它們除了具有較大的溶脹能力以及在堿性條件下具有較大的溶解度外,其外形和性質(zhì)類似于纖維素。,淀粉和脂肪酸的包合物,直鏈淀粉分子易形成能截留脂肪酸、烴類物質(zhì)的螺旋結(jié)構(gòu),這類復(fù)合物稱為包合物。,淀粉,淀粉,淀粉水解物的鏈長度與碘呈色之間的關(guān)系,淀粉的糊化,淀粉粒在受熱條件下吸水膨脹成為膠體狀態(tài)的變化過程稱為淀粉的糊化。完整的淀粉粒不溶于冷水,但能可逆地吸水并略微溶脹。隨著溫度上升,淀粉分子有更多的位點(diǎn)可以和水發(fā)生氫鍵締合,淀粉的結(jié)晶區(qū)的數(shù)目和大小均減少。淀粉在有大量水存在并持續(xù)加熱時(shí)會(huì)完全失去結(jié)晶性。,淀粉的糊化,雙折射開始消失的溫度為糊化點(diǎn)或糊化溫度淀粉的糊化一般在較窄的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行先是較大淀粉顆粒的糊化,其后是小顆粒淀粉的糊化。淀粉糊化時(shí)是充分溶脹的。輕微攪拌會(huì)使高度溶脹的淀粉顆粒破裂和分散,最終導(dǎo)致淀粉糊粘度的大大降低。,淀粉的糊化,淀粉溶液在加熱時(shí)其粘度隨溫度變化的曲線圖稱為淀粉粘度曲線圖。淀粉粘度曲線圖用于表示和區(qū)別不同淀粉的糊化特征。淀粉粘度曲線圖中,升溫時(shí)糊化粘度急劇上升的溫度就是淀粉的糊化溫度。,,淀粉粘度曲線圖,淀粉的糊化,淀粉的糊化,淀粉糊化時(shí)產(chǎn)生的粘度大小關(guān)鍵是由糊化時(shí)產(chǎn)生的膠粒微團(tuán)的多少、大小和體積決定的。已過度糊化和因攪拌而變稀的淀粉糊,在降溫過程中會(huì)因淀粉分子重新結(jié)合成微膠團(tuán)而使粘度升高,在濃度和溫度適宜的條件下,有時(shí)可形成凝膠。,,影響淀粉糊化的因素,淀粉粒中直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量和結(jié)構(gòu)直鏈淀粉比例較高時(shí)不易糊化;在糊化開始階段,直鏈淀粉能擴(kuò)散到表面膜,并通過膜出現(xiàn)在顆粒外的溶液中,從而產(chǎn)生直鏈淀粉和支鏈淀粉的部分分離。水分天然淀粉中本身含有約10%水分,若要保證淀粉充分的糊化加水需至總量的30%。糖的濃度糖的濃度很高時(shí),可降低淀粉的糊化速度、最大粘度和凝膠強(qiáng)度。,影響淀粉糊化的因素,脂類脂類以及與脂類有關(guān)的物質(zhì),均影響淀粉的糊化;當(dāng)向糊化淀粉中加入脂肪而不加乳化劑時(shí),不僅不會(huì)降低最大粘度,而且還可降低產(chǎn)生最大粘度的溫度。PHPH范圍在4~7,對(duì)淀粉溶脹或糊化的影響很小,在低PH時(shí),淀粉糊的最大粘度明顯降低,并且烹調(diào)加工過程中粘度會(huì)迅速降低。酶內(nèi)源性淀粉酶有較強(qiáng)的耐熱性,在淀粉糊化的初期會(huì)發(fā)生酶水解,使淀粉糊化加速,并稀化淀粉糊。,,淀粉的老化,含大量結(jié)晶區(qū)的淀粉稱為Β淀粉。糊化作用的實(shí)質(zhì)是將Β淀粉分子間的氫鍵斷開,使水分子與淀粉形成氫鍵,這種破壞了結(jié)晶結(jié)構(gòu)而糊化的淀粉稱為Α淀粉。熟食品中的淀粉是Α淀粉,但在常溫,特別是接近0℃的低溫范圍,糊化的Α淀粉又會(huì)自動(dòng)排列成序,形成致密的高度結(jié)晶化的不溶性淀粉分子,迅速重現(xiàn)了淀粉的Β化,這就是淀粉的老化。,淀粉的老化,老化的淀粉不易被淀粉酶作用,因而不易被人體消化吸收。同時(shí)食品的質(zhì)地也會(huì)因淀粉的老化而發(fā)生劣變。,影響淀粉老化的因素,淀粉的種類和濃度直鏈淀粉及淀粉溶液濃度較大時(shí)易于老化。水分含量水分含量在30~60%時(shí),淀粉最容易老化;含水量在10%以下或在大量水中,淀粉都不易老化。溫度淀粉老化的最適溫度為2~4℃;當(dāng)貯存低于溫度20℃或高于60℃,均不會(huì)發(fā)生淀粉的老化現(xiàn)象。,影響淀粉老化的因素,無機(jī)鹽阻礙淀粉分子定向,可防老化。PH值PH值在5~7時(shí),老化速度最快。冷凍速度緩慢冷凍加重老化;速凍可降低老化程度。共存物存在與食品中的脂肪或某些表面活性劑及其糖類具有抗老化的作用。,淀粉的老化,易發(fā)生老化的食品,可用加熱的方法使之部分逆轉(zhuǎn);如果加熱時(shí)水分活度適宜,逆轉(zhuǎn)速度較快、較徹底。很多改性淀粉可減小淀粉的老化。,保持淀粉糊化狀態(tài)的方式,淀粉,根據(jù)在人體內(nèi)的消化情況,淀粉可分為三類易消化淀粉(READYDIGESTIBLESTARCHRDS)能在小腸中迅速消化吸收的淀粉分子。不易消化淀粉(SLOWLYDIGESTIBLESTARCHSDS)能在小腸內(nèi)被完全消化吸收,但速度較慢??剐缘矸郏≧ESISTANTSTARCHRS)不在小腸中被消化吸收、但在大腸中被發(fā)酵的淀粉??剐缘矸鄄荒茉诮】等梭w小腸中消化吸收的淀粉及其降解物的總稱。,抗性淀粉,食品中存在的抗性淀粉可分為三類物理包埋淀粉(RS1)主要存在于完整的或部分研磨的谷粒之中??剐缘矸哿#≧S2)未經(jīng)糊化的生淀粉粒和未成熟的淀粉粒,常存在于生馬鈴薯、生豌豆、綠香蕉中。老化淀粉(RS3)糊化后的淀粉在冷卻或貯藏過程中部分發(fā)生重結(jié)晶的形態(tài)。,化學(xué)改性淀粉,果膠,果膠存在于植物細(xì)胞的胞間層中,主要是由Α1→4D吡喃半乳糖醛酸單位組成的聚合物。,果膠主鏈上還存在鼠李糖殘基;其伸長側(cè)鏈還包括少量的半乳聚糖和阿拉伯聚糖。,果膠,根據(jù)果蔬的成熟過程,果膠物質(zhì)一般有三種形態(tài)原果膠與纖維素、半纖維素結(jié)合在一起的甲酯化聚半乳糖醛酸,存在于細(xì)胞壁中,不溶于水,水解后生成果膠。果膠是羧基不同程度甲酯化和陽離子中和的聚半乳糖醛酸,存在于細(xì)胞汁液中。果膠酸是完全為甲酯化的聚半乳糖醛酸,在細(xì)胞汁中與礦物質(zhì)形成不溶于水或稍溶于水的果膠酸鹽。,果膠,果膠酯酸因聚合度和甲酯化程度的不同可以表現(xiàn)為膠體形式或者表現(xiàn)為水溶性。通常將酯化度大于50%的果膠稱為高甲氧基果膠;酯化度低于50%的果膠稱為低甲氧基果膠。果膠酯酸在果膠甲酯酶的持續(xù)作用下,甲酯基可全部脫去形成果膠酸。,果膠物質(zhì)的凝膠形成,果膠物質(zhì)凝膠的形成條件果膠水溶液含糖量為60~65;PH值為20~35;果膠含量03~07時(shí),在室溫,甚至在接近沸騰的溫度下,果膠能夠形成凝膠。,果膠物質(zhì)的凝膠形成,影響果膠凝膠強(qiáng)度的因素果膠相對(duì)分子質(zhì)量酯化程度PH糖濃度溫度CA2等的影響,果膠相對(duì)分子質(zhì)量與凝膠強(qiáng)度的關(guān)系,,果膠的高凝膠強(qiáng)度與相對(duì)分子質(zhì)量和分子間締合呈正相關(guān);果膠酯化度從30%增加到50%將會(huì)延長膠凝時(shí)間而酯化度為5070%時(shí),膠凝時(shí)間會(huì)逐漸縮短,果膠,果膠能形成有彈性的凝膠。但不同酯化度類型的果膠形成凝膠的機(jī)理不同高甲氧基果膠必須低PH和高糖濃度中方可形成凝膠。一般要求果膠含量<1%;PH28~35;蔗糖濃度58~75%果膠凝膠加熱至溫度接近100℃時(shí)仍能保持其特性正常的果膠在濃度為1%時(shí)會(huì)產(chǎn)生最佳凝膠,,低甲氧基果膠在沒有糖存在時(shí)也會(huì)形成穩(wěn)定的凝膠,但必須有二價(jià)金屬離子的存在,如鈣離子在果膠分子間形成交聯(lián)鍵,隨著CA2+濃度的增加,膠凝溫度和凝膠強(qiáng)度也增加,果膠,低甲氧基果膠對(duì)PH的變化沒有普通果膠敏感,在PH2265范圍內(nèi)都可以形成凝膠。加入1020的蔗糖可明顯改善凝膠的質(zhì)地。低甲氧基果膠凝膠中若不添加糖或增塑劑,則會(huì)比普通果膠的凝膠更容易脆裂,且彈性小。,用于食品中的其他多糖,植物多糖纖維素甲基纖維素、羧甲基纖維素;半纖維素;魔芋葡甘露聚糖;瓜爾(豆)膠與刺槐豆膠等。海洋多糖瓊脂、卡拉膠、海藻酸鹽等。微生物多糖黃原膠;葡聚糖等。甲殼素殼聚糖,
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簡介:細(xì)胞生物學(xué)課程建設(shè)點(diǎn)滴體會(huì),王衛(wèi)東寧夏銀川2011年8月,學(xué)校地理位置,湖北省,,,,國家‘兩型社會(huì)’建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)“18“武漢城市圈,,黃石,生命科學(xué)學(xué)院大樓,生命科學(xué)學(xué)院簡介,,,,,,,,3個(gè)本科專業(yè)生物科學(xué)、生物技術(shù)、食品科學(xué)與工程。生物科學(xué)專業(yè)(師范類)為湖北省品牌專業(yè),國家特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn),2系1中心3基地生物科學(xué)系、生物技術(shù)系、國家級(jí)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)點(diǎn)和湖北省大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)實(shí)踐基地、青少年科技活動(dòng)示范基地、中學(xué)生物學(xué)奧林匹克競(jìng)賽培訓(xùn)基地,師資隊(duì)伍現(xiàn)有專任教師31人,副高職稱以上專任教師18人;博士16人,研究生導(dǎo)師8人,近年主要成果生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)國家精品課程(2010);湖北省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)(2010);湖北省自然科學(xué)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)(2009),匯報(bào)內(nèi)容,,我院細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)基本情況,1,,理論課教學(xué)改革探索,2,,實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革情況,3,,小結(jié),4,1我院細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)基本情況,細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程獨(dú)立開設(shè),匯報(bào)內(nèi)容,,我院細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)基本情況,1,,理論課教學(xué)改革探索,2,,實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革情況,3,,小結(jié),4,2理論課教學(xué)改革的一些探索,抓好教學(xué)三環(huán)節(jié)課外自主學(xué)習(xí)支持立體化變革課程評(píng)價(jià)體系,(1)抓好教學(xué)三環(huán)節(jié),課前預(yù)習(xí)(預(yù)習(xí)思考題),檢查效果課中設(shè)疑,啟發(fā)互動(dòng)(情景創(chuàng)設(shè))課后復(fù)習(xí)(課堂、課后練習(xí);形式可以靈活,如作業(yè),查閱文獻(xiàn),看圖說話等),HOPEYOUENJOYIT,CELLKINGDOMTRAVELS,舉例細(xì)胞生物學(xué)中的辯證思維,PROTEINSYNTHESISPROTEINDEGRADATIONMOLECULARSWITCHOPENCLOSECELLPROLIFERATIONCELLDEATHCELLGROWTHCELLAGINGCELLCYCLECONTROL“ENGINE”“BRAKE”,在介紹細(xì)胞的重大生命活動(dòng)時(shí),教科書上講的是CELLPROLIFERATION(DIVISION)、DIFFERENTIATION、DEATH,都沒有詳解CELLGROWTH(ACCUMULATIONOFMASS)及其調(diào)控機(jī)理。,RETROGRADETRANSPORTOFTOXINPROTEINSINTHESECRETORYPATHWAY,NATUREREVIEWSMOLECULARCELLBIOLOGY2,530537JULY2001,課堂練習(xí)如何證明導(dǎo)肽的功能,課后復(fù)習(xí)舉例看圖說話,“ROADMAP”O(jiān)FPROTEINTRAFFIC,(2)課外自主學(xué)習(xí)支持立體化,不斷完善教學(xué)課件和豐富多媒體教學(xué)素材建設(shè)學(xué)習(xí)支持網(wǎng)站搭建互動(dòng)交流平臺(tái)(留言板,EMAIL),不斷完善教學(xué)課件,不斷完善教學(xué)課件,不斷完善教學(xué)課件,豐富多媒體教學(xué)素材,豐富多媒體教學(xué)素材,HTTP//WWWBIOHBNUEDUCN/CELL/,建設(shè)學(xué)習(xí)支持網(wǎng)站,建設(shè)學(xué)習(xí)支持網(wǎng)站,建設(shè)學(xué)習(xí)支持網(wǎng)站,搭建互動(dòng)交流平臺(tái),(3)變革課程評(píng)價(jià)體系,EXERCISES10PROBLEMSOLUTION10PAPERREPORTORTRANSLATION20FINALEXAM60,加大平時(shí)成績比重,課程學(xué)習(xí)的三個(gè)“境界”,基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論和方法(WHATWEKNOW)拓展HOWWEKNOW;聯(lián)系自己感興趣的問題(生活、醫(yī)學(xué)等);與其它課程的聯(lián)系研究文獻(xiàn)閱讀、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),課堂時(shí)間有期限;自主學(xué)習(xí)無限期,EXERCISES(10),EXERCISES,作業(yè)要求⑴簡單、條理⑵準(zhǔn)確、完整⑶個(gè)性化的方式(獨(dú)立思考、總結(jié)歸納、圖表形式或序號(hào)形式)專業(yè)詞匯試題中以英文形式出現(xiàn)),名詞解釋答題示例,CELLCYCLE細(xì)胞周期⑴指細(xì)胞從一次分裂結(jié)束到下一次分裂結(jié)束的過程⑵真核細(xì)胞周期一般可分為4個(gè)時(shí)期G1,S,G2,M期,其中前三個(gè)時(shí)期合稱分裂間期;M期即分裂期⑶細(xì)胞周期的運(yùn)轉(zhuǎn)主要受CDK和CYCLIN復(fù)合物的調(diào)控,結(jié)構(gòu)類名詞形態(tài)特征、空間定位、功能、分類等;生命活動(dòng)類名詞定義、生物學(xué)機(jī)制等方面(由現(xiàn)象到本質(zhì)),PROBLEMSOLUTION10,,發(fā)現(xiàn)問題解決問題分享共同提高注意引用要注明來源,PROBLEMSOLUTION,PAPERREPORTORTRANSLATION20,SELECTONEPAPER20062010WITHINTHEFIELDSOFCELLBIOLOGY,WRITEAANALYSISPPTORTRANSLATIONREVIEWADDRESSTHEFOLLOWINGINYOURANALYSISSCIENTIFICQUESTIONTHEPAPERWASTRYINGTOANSWEREXPERIMENTALAPPROACHESTAKENANDMAINTECHNIQUESUSEDBEBRIEFMAJORFINDINGSANDCONCLUSIONSBECONCISEYOURIDEASTOFURTHERTHERESEARCHBESPECIFICUSEYOURIMAGINATION,PAPERTRANSLATION,PAPERTRANSLATION,FINALEXAM60,FINALEXAM60,匯報(bào)內(nèi)容,,我院細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)基本情況,1,,理論課教學(xué)改革探索,2,,實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革情況,3,,小結(jié),4,基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn),開放、綜合性實(shí)驗(yàn),匯報(bào)內(nèi)容,,我院細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)基本情況,1,,理論課教學(xué)改革探索,2,,實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革情況,3,,小結(jié),4,4小結(jié),課程教學(xué)活動(dòng)立體化課堂教學(xué)與課外個(gè)性化自主學(xué)習(xí)相結(jié)合(除教學(xué)課件外,豐富的學(xué)習(xí)資源,包括視頻、動(dòng)畫、圖片、文獻(xiàn),以及網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)平臺(tái)等作為支撐,滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需求);聯(lián)系實(shí)際,拓展思維,激發(fā)興趣課程評(píng)價(jià)考核多維化作業(yè)、論文報(bào)告、網(wǎng)上答疑、翻譯綜述、期末考試等不同形式的考查和考核實(shí)驗(yàn)教學(xué)分層次推進(jìn)獨(dú)立設(shè)課,基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成后,開設(shè)開放性、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)(本科生科研立項(xiàng)),附學(xué)生感言,王老師的細(xì)胞課,給了我無窮的啟迪,很慶幸我被他教過,是他把我?guī)肓思?xì)胞的王國和知識(shí)的海洋,沒有哪一個(gè)老師如此讓我佩服,沒有哪一本教科書像細(xì)胞生物學(xué)這樣被我認(rèn)真地預(yù)習(xí)與研究過,我被折服了課件是那么漂亮,知識(shí)點(diǎn)是那么豐富,網(wǎng)上答疑、文獻(xiàn)閱讀,還有平時(shí)課間播放的視頻、動(dòng)畫,做人的道理,點(diǎn)點(diǎn)滴滴,讓我感動(dòng),在細(xì)胞生物學(xué)課程結(jié)束的時(shí)候我是如此地不舍,2011屆畢業(yè)生考研風(fēng)采錄,敬請(qǐng)批評(píng)指正,
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簡介:第三節(jié)真核基因表達(dá)調(diào)控,真核細(xì)胞基因組全能性的實(shí)驗(yàn)證據(jù),不同組織器官中表達(dá)不同的蛋白質(zhì)組(2DGEL),從DNA到蛋白質(zhì)的可能的調(diào)控步驟,真核基因表達(dá)的多級(jí)控制,主要調(diào)控水平-轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控(TRANSCRIPTIONALCONTROL)-轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控(POSTTRANSCRIPTIONALCONTROL)RNA加工水平調(diào)控(RNAPROCESSINGCONTROL)翻譯水平調(diào)控(TRANSLATIONALCONTROL)-蛋白質(zhì)的翻譯后修飾(POSTTRANSLATIONALMODIFICATION),一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控基本概念事件DNA/PROTEIN,PROTEIN/PROTEIN相互作用;順式作用元件(CISACTINGELEMENT)與轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白特異結(jié)合的DNA序列;反式作用因子(TRANSACTINGFACTOR)與特定DNA序列結(jié)合的調(diào)控蛋白因子;“模體”結(jié)構(gòu)(MOTIF)蛋白質(zhì)中的小結(jié)構(gòu)域,由一小段保守的氨基酸構(gòu)成,用以識(shí)別特定的DNA序列或其他蛋白質(zhì);EG,HELIXTURNHELIX,ZINCFINGER,?SHEET,LEUCINZIP,ETC,共有序列(CONSENSUSSEQUENCE)DNA中一小段保守序列(有時(shí)也指蛋白質(zhì)中的氨基酸序列),能夠被特定的蛋白結(jié)構(gòu)域所識(shí)別,在轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控中起重要作用;EG,TATABOX,CAATBOX,GCBOX,ETC通用轉(zhuǎn)錄因子(GENERALTRANSCRIPTIONFACTOR)與核心啟動(dòng)子元件相結(jié)合(如TATABOX),啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄;特異轉(zhuǎn)錄因子(SPECIFICTRANSCRIPTIONFACTOR)與基因的特異調(diào)控元件相結(jié)合,起調(diào)節(jié)作用(促進(jìn)或阻抑);,(一)、轉(zhuǎn)錄的激活(TRANSCRIPTIONALACTIVATION)1,轉(zhuǎn)錄的起始涉及一系列的DNA/PROTEIN,PROTEIN/PROTEIN相互作用;轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體(PREINITIATIONCOMPLEX)的形成,ETC,RNAPOLYMERASEIISIDECUTWAYAARONKLUG,2001,SCIENCE,292184446,真核基因的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)錄的起始,2,激活因子(ACTIVATOR)和輔激活因子(COACTIVATOR)特異性的轉(zhuǎn)錄因子,能在DNA序列上形成復(fù)合體,激活轉(zhuǎn)錄;EG,腎上腺(糖)皮質(zhì)激素的作用GLUCOCORTICOID/GRE,輔激活因子在特定的DNA元件上形成復(fù)合體,激活轉(zhuǎn)錄,轉(zhuǎn)錄因子(通用轉(zhuǎn)錄因子和特異轉(zhuǎn)錄因子)的功能結(jié)構(gòu)域DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(DNABINDINGDOMAIN)與基因的調(diào)控區(qū)域的特定DNA序列識(shí)別并結(jié)合激活結(jié)構(gòu)域(ACTIVATIONDOMAIN)招募其他激活因子和蛋白質(zhì),共同啟動(dòng)或激活轉(zhuǎn)錄,真核基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控(GENECONTROLREGIONS),3,基因遠(yuǎn)端的調(diào)控元件增強(qiáng)子(ENHANCER)特點(diǎn)距離基因的起始點(diǎn)較遠(yuǎn)位置不定上游、下游、內(nèi)含子內(nèi)部方向性正反方向均有作用作用機(jī)制間隔DNA可以形成環(huán)狀通過與ENHANCER結(jié)合的特異因子起作用染色質(zhì)構(gòu)型的改變(重塑),基因遠(yuǎn)端的增強(qiáng)子促進(jìn)轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的裝配,(二)、轉(zhuǎn)錄的阻抑(TRANSCRIPTIONALREPRESSION)1,順式作用元件/反式作用因子阻抑物(REPRESSOR)負(fù)調(diào)控的特異性轉(zhuǎn)錄因子沉默子(SILENCER)負(fù)調(diào)控的DNA元件作用機(jī)制阻抑轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的組裝(與通用轉(zhuǎn)錄因子作用)與轉(zhuǎn)錄激活因子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合DNA與轉(zhuǎn)錄激活因子相互作用,影響其活性改變?nèi)旧|(zhì)構(gòu)型(招募重塑復(fù)合體、組蛋白修飾酶),阻抑因子(REPRESSOR)抑制基因轉(zhuǎn)錄的可能機(jī)制,2,DNA甲基化(DNAMETHYLATION)CG島(CGISLAND)基因組DNA中富含GC堿基的區(qū)域,其中一些對(duì)稱序列中的5’CG3’二核苷酸的胞嘧啶(C)常被甲基化修飾;與基因的失活有關(guān)。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNAMETHYLTRANSFERASE,DNMT)–維持性DNMT(MAINTENANCEDNMT)使DNA甲基化的模式(PATTERN)在細(xì)胞分裂中得以保持(可遺傳性)–構(gòu)建性DNMT(ESTABLISHMENTDNMTDENOVODNMT)使非甲基化的DNA模板甲基化DNA甲基化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,又是相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài);受精卵和早期胚胎細(xì)胞中甲基化程度低,隨分化進(jìn)程逐漸建立。,胞嘧啶C的甲基化修飾,DNA甲基化PATTERN維持的方式(維持性DNMT的作用),DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制–干擾轉(zhuǎn)錄因子對(duì)DNA元件的識(shí)別和結(jié)合–將轉(zhuǎn)錄因子的DNA識(shí)別序列轉(zhuǎn)變?yōu)樽枰治锏淖R(shí)別序列–DNA甲基化有利于招募染色質(zhì)重塑或修飾因子DNA甲基化的普遍性脊椎動(dòng)物(包括哺乳類和人)、植物中普遍存在;低等生物(果蠅、酵母等)中未發(fā)現(xiàn)。,DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制,基因組印記(GENOMICIMPRINTING)和甲基化現(xiàn)象在二倍體動(dòng)物中,有些基因(~100個(gè))的表達(dá),依賴于其是來自于父本還是母本染色體,如同印上了“印記”;印記是由DNA甲基化標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)區(qū)分的;印記的基因在受精后不受“去甲基化波”的影響,從而“記憶”住了親本所標(biāo)記的表達(dá)方式(阻抑或促進(jìn))。EG,鼠的IGF2基因。這是DNA的“狀態(tài)”,而不是其序列決定可遺傳性狀的證據(jù)(表觀遺傳)。,鼠中基因“印記”的傳遞方式,轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的步驟和方式,基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控(POSTTRANSCRIPTIONALCONTROL),選擇性剪接的不同形式*深藍(lán)均保留的EXON淺藍(lán)僅在一個(gè)MRNA中保留的EXON黃色I(xiàn)NTRON紅線被剪切去的區(qū)域。,選擇性剪接的實(shí)際例子Α原肌球蛋白MRNAΑTROPOMYOSIN,剪接位點(diǎn)的選擇和識(shí)別剪接增強(qiáng)子(SPLICINGENHANCER)剪接因子(SPLICINGFACTORS)形成“剪接子”(SPLICEOSOME),RNA剪接的機(jī)制,2,RNA編輯(RNAEDITING)改變成熟的MRNA的序列,從而改變其“含義”(MEANING)的機(jī)制;如插入一個(gè)或多個(gè)“U”。由“GUIDERNA”引導(dǎo)編輯過程。,三、翻譯水平的調(diào)控(TRANSLATIONALCONTROL)成熟MRNA的結(jié)構(gòu)5’帽子(5’CAP,METG),5’-UTR,編碼區(qū),3’-UTR,多聚(A)尾部。,(一)、MRNA的細(xì)胞定位MRNA在細(xì)胞質(zhì)中的不均一性(見前)如何定位決定3’UTR中的信息,可能涉及蛋白質(zhì)的參與;轉(zhuǎn)運(yùn)微管(MICROTUBULE)的作用;錨定微絲(MICROFILAMENTS)的作用。,MRNA定位的幾種方式LEFTTRAVELBYASSOCIATEIONWITHCYTOSKELETONMOTORCENTERRANDOMDIFFUSIONRIGHTDEGRADATIONOFUNANCHOREDMRNASBLACKOPENCIRCUSANCHORCOMPLEX,(二)、MRNA的翻譯調(diào)控翻譯的負(fù)調(diào)控(NEGATIVETRANSLATIONALCONTROL)翻譯阻抑蛋白(TRANSLATIONALREPRESSOR)與MRNA的5’UTR和3’UTR中的特定序列相識(shí)別、相互作用,并抑制翻譯水平。,翻譯的負(fù)調(diào)控機(jī)制EG,FERRITIN,翻譯起始點(diǎn)的調(diào)控翻譯通常從第一個(gè)AUG起始,但有時(shí)會(huì)因第一個(gè)AUG周圍的、能被核糖體亞基識(shí)別的信號(hào)序列太弱而被錯(cuò)過,從而由以下的AUG開始翻譯(“LEAKYSCANNING”),(三)、MRNA的穩(wěn)定性(MRNASTABILITY)MRNA的半衰期(HALFLIFE)從幾分鐘到十幾個(gè)小時(shí)不等,多數(shù)MRNA的半衰期不超過30分鐘;影響MRNA穩(wěn)定性的因素–多聚(A)尾部的長短POLYA/PABP,30NT時(shí)降解–5’帽子的解除(DECAPPING)引起MRNA降解(通常與3’POLYA的降解過程相伴)–3’UTR序列的不同可影響MRNA降解,可能與POLYA尾部的降解速度有關(guān),EG,ΑGLOBINMRNA3’UTR含有許多CCUCCREPEATS,可穩(wěn)定MRNA,而AUUUA序列則使MRNA不穩(wěn)定。,MRNA降解的機(jī)制,MRNA翻譯和降解的競(jìng)爭(zhēng)5’帽子和3’POLYA在MRNA降解中的作用,
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簡介:食品色素和著色劑,香腸的染色,,飲料中的色彩,五顏六色的食品,,人肉眼觀察到的顏色是由于物質(zhì)吸收了可見光區(qū)(400800NM)的某些波長的光后,透過光所呈現(xiàn)出的顏色。即人們看到的顏色是被吸收光的互補(bǔ)色。,色素及著色劑發(fā)色機(jī)理,顏色及其互補(bǔ)色,電磁波譜分類,,可見光波長范圍,,發(fā)色團(tuán)CHROMOPHORE在紫外或可見光區(qū)200800NM)具有吸收峰的基團(tuán)被稱為發(fā)色團(tuán),發(fā)色團(tuán)均具有雙鍵。如NN、NO、CS、CC、CO等助色團(tuán)AUXOCHROME有些基團(tuán)的吸收波段在紫外區(qū),不可能發(fā)色,但當(dāng)它們與發(fā)色團(tuán)相連時(shí),可使整個(gè)分子對(duì)光的吸收向長波方向移動(dòng),這類基團(tuán)被稱為助色團(tuán)。如OH、OR、NH2、NHR、NR2、SR、CL、BR等。,,色素及著色劑發(fā)色機(jī)理,助色團(tuán)波長紅移NM)XCL,BR,I230OR1750SR2385NR24095,食品中固有色素的分類,食品色澤是決定食品品質(zhì)和可接受性的重要因素。,食品中固有的色素,蔬菜中的主要天然色素物質(zhì)特征,四吡咯色素的共同特點(diǎn)在其基本化學(xué)單元中由四個(gè)吡咯構(gòu)成的卟啉環(huán),環(huán)上有不同的取代基。水溶性不好,易溶于有機(jī)溶劑。,1四吡咯衍生物(卟啉類色素),11血紅素1結(jié)構(gòu),血紅素是亞鐵卟啉化合物,血紅素基團(tuán)的結(jié)構(gòu),,肌紅蛋白結(jié)構(gòu)簡圖,血紅蛋白和肌紅蛋白是動(dòng)物肌肉的主要色素蛋白質(zhì)。血紅蛋白和肌紅蛋白是球蛋白,其結(jié)構(gòu)為血紅素中的鐵在卟啉環(huán)平面的上下方再與配位體進(jìn)行配位,達(dá)到配位數(shù)為六的化合物。,FIGURE2THEPICTUREARETHERIGHTISOFTHEHEMEGROUPINHEMOGLOBINANDSHOWSTHEFEIIIRONATOM,FIGURE1THEPICTUREISTHESECONDARYSTRUCTUREOFHEMOGLOBIN,WITHONLYTHEPROTEINBACKBONEANDWITHOUTTHESIDECHAINS,2性質(zhì)(1)氧合作用血紅素中的亞鐵與一分子氧以配位鍵結(jié)合,而亞鐵原子不被氧化,這種作用被稱為氧合作用。(2)氧化作用血紅素中的亞鐵與氧發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成高鐵血紅素的作用被稱為氧化作用。,,,肉中血紅素的三種狀態(tài),氧分壓對(duì)三種肌紅蛋白的影響引自WHFREEMAN,SANFRANCISCO,低氧壓時(shí)(120MM汞柱,主要為氧化作用;高氧壓時(shí)主要為氧合作用。,3腌肉色素硝酸鹽或亞硝酸鹽發(fā)色原理如下,3腌肉色素,NOMB、NOMMB、亞硝基血色原統(tǒng)稱為腌肉色素;其顏色更加鮮艷,性質(zhì)更加穩(wěn)定(對(duì)熱、氧。,,,12葉綠素1結(jié)構(gòu),葉綠素A、B,,植醇(葉綠醇),,加工中,葉綠素變化后會(huì)產(chǎn)生幾種重要的衍生物。,,,2葉綠素的穩(wěn)定性,3影響葉綠素穩(wěn)定性的因素(1)酶葉綠素酶在蔬菜采收后加熱處理時(shí)被激活,被激活的適宜溫度60~82℃,100℃葉綠素酶滅活;脂酶、蛋白酶、果膠酶等通過作用于相應(yīng)的底物(非葉綠素),間接使葉綠素發(fā)生與蛋白或自身分解,降低穩(wěn)定性。,3影響葉綠素穩(wěn)定性的因素(2)酸、熱熱處理對(duì)葉綠素脫鎂反應(yīng)影響最大,綠色蔬菜經(jīng)過熱處理后,葉綠素含量降低80~100,色澤轉(zhuǎn)變?yōu)辄S綠色甚至暗褐色;這種變化在水介質(zhì)中是不可逆的。PH影響加熱時(shí)葉綠素的分解速度,PH90時(shí)葉綠素對(duì)熱的穩(wěn)定性最高,30時(shí)葉綠素最不穩(wěn)定。在發(fā)酵過程中,PH逐步降低,葉綠素的降解主要是葉綠酸和脫鎂葉綠酸的生成。,3影響葉綠素穩(wěn)定性的因素(3)其他金屬離子的影響葉綠素脫鎂衍生物中,中心的H很容易被CU2、ZN2等取代,形成綠色、穩(wěn)定性很好的葉綠素衍生物。葉綠酸與CU2形成的葉綠素銅鹽的色澤最為明亮;葉綠素銅或鋅的衍生物在酸性條件下比較穩(wěn)定,堿性條件下穩(wěn)定性反而變差,尤其是銅的衍生物,若想從衍生物中除去CU2,其所需PH條件已經(jīng)可以使卟啉環(huán)分解。,3異戊二烯衍生物類胡蘿卜素,類胡蘿卜素又稱多烯色素,廣泛分布于紅色、黃色和橙色的水果及綠色的蔬菜中。類胡蘿卜素為具有多個(gè)共軛雙鍵的分子,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)650多種以上化合物,它是自然界中資源最豐富的天然色素。類胡蘿卜素為脂溶性色素。類胡蘿卜素與蛋白質(zhì)結(jié)合以后更加穩(wěn)定,同時(shí)也改變了原有的色澤,如龍蝦殼中,蝦黃素與蛋白質(zhì)結(jié)合呈現(xiàn)藍(lán)色,加熱后,蛋白質(zhì)變性顯出橙紅色。,3異戊二烯衍生物類胡蘿卜素,種類較多,色澤多呈淺黃、橙、黃等。,番茄紅素Α胡蘿卜素Β胡蘿卜素Γ胡蘿卜素,胡蘿卜素類為典型的脂溶性色素,易溶于石油醚、乙醚難溶于甲醇和乙醇。,31胡蘿卜素,,一般紅色、橙色、黃色的植物中類胡蘿卜素的含量較高。水果成熟時(shí),葉綠素含量降低而類胡蘿卜素含量升高。番茄在成熟過程中色素含量變化情況單位MGKG1鮮重,31胡蘿卜素,胡蘿卜素類,其顏色在多數(shù)加工和貯藏條件下表現(xiàn)相當(dāng)穩(wěn)定,其變化只是輕微的;但在有些加工條件下,容易發(fā)生異構(gòu)化和氧化降解反應(yīng),嚴(yán)重影響胡蘿卜素在食品中的色感。胡蘿卜加工時(shí)類胡蘿卜素、Β胡蘿卜素的損失情況,31胡蘿卜素,在類胡蘿卜素的降解反應(yīng)中,氧化反應(yīng)最為重要,32葉黃素,葉黃素類是胡蘿卜素類的含氧衍生物,隨著含氧量的增加,它們的脂溶性下降,因此葉黃素在甲醇和乙醇中很好溶解,而難溶于乙醚、石油醚。葉黃素類的顏色為黃色或橙黃色,少數(shù)為紅色,如與蛋白質(zhì)相結(jié)合,顏色可能發(fā)生改變。,由于類胡蘿卜素特殊的結(jié)構(gòu)(多烯,全反),使得其容易發(fā)生異構(gòu)化和氧化降解反應(yīng)。在加熱、酸或光的作用下,類胡蘿卜素可發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng),部分雙鍵的構(gòu)型由反式變?yōu)轫樖?,?dǎo)致其吸收波長發(fā)生移動(dòng)。(生物活性當(dāng)然發(fā)生大的變化)在食品加工的一般條件下,類胡蘿卜素并不發(fā)生嚴(yán)重的降解反應(yīng),特別是含水量較大的情況下,有足夠的穩(wěn)定性。,32葉黃素,4多酚類色素,這類色素的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是含有苯并氧雜環(huán),氧雜環(huán)通常是吡喃環(huán),所以也將它們統(tǒng)稱為苯并吡喃衍生物色素。它們是植物組織中水溶性色素的主要成分,并大量存在于自然界,具有各種不同的色澤。它們的色澤變化非常大,從無色到具有黃色、橙色、紅色、紫色以及藍(lán)色。,4多酚類色素,41花青素(花青苷)花青苷類一般是水溶性的紅色色素,有時(shí)也以藍(lán)色或紫色、紫紅色出現(xiàn),許多植物的花、果實(shí)、種子中因含有它們而具有鮮艷的顏色。花青苷一般是由花青素和糖基結(jié)合,因糖苷的形式存在。糖基可以是葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、木糖或阿拉伯糖,花青素分子上可以連接一個(gè)或幾個(gè)糖基,連接方式可以是單糖、低聚糖。,1花青素的基本結(jié)構(gòu),隨著不同花青素結(jié)構(gòu)中所帶基團(tuán)種類和數(shù)量的不同,其顏色有所不同。其原因是不同基團(tuán)及數(shù)量不同的基團(tuán)其助色效果不同,基本結(jié)構(gòu)上所帶給電子基團(tuán)越多,顏色越深。,自然界存在的花青素有20多種,最重要的有6種R1R2H,天竺葵色素;R1OH、R2=H,矢車菊色素;R1OCH3、R2H,芍藥色素;R1R2OH,飛燕草色素;R1OCH3、R2OH,牽?;ㄉ兀ū潭阉兀籖1R2OCH3,錦葵色素(銀葵素),,,,花青素形成花青苷時(shí),糖基一般連接在3位OH基,也有一些花青苷存在5位–OH糖苷此外,花青苷中還可能含有一些羧酸或金屬離子,羧酸一般是與糖基部分結(jié)合,常見的有機(jī)酸包括阿魏酸、蘋果酸、咖啡酸、琥珀酸、乙酸等。自然界中至少已經(jīng)分離出250種以上的花青苷化合物,天然食品中存在的花青苷一般是多種共同存在,也有少數(shù)食品中主要存在一種花青苷。,2花色苷的變化花青素、花色苷穩(wěn)定性差,其主要原因是其結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧正離子結(jié)構(gòu)及多個(gè)羥基的存在。自身結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)中自由酚羥基越多越不穩(wěn)定,花青素不如花色苷穩(wěn)定,花色苷中糖基不同穩(wěn)定性亦不同。PH影響溶液PH不同時(shí)花青素的結(jié)構(gòu)不同,顏色亦有所不同。一般情況下,花色苷類色素在酸性溶液中呈色效果最好。溫度的影響加熱影響花色苷溶液平衡,使其向形成查爾酮方向移動(dòng)。加熱也可使花色苷分解,(1)PH對(duì)花青素的影響,,,,,(2)光照的影響光照可以加速花色苷的分解,多羥基黃酮、異黃酮等對(duì)光分解有保護(hù)作用。,(3)抗壞血酸的影響花色苷受抗壞血酸的影響是抗壞血酸可以將氧分子轉(zhuǎn)化為過氧化氫,而過氧化氫可以進(jìn)攻花色苷的2C,導(dǎo)致紅色苷的分解。,(4)SO2的影響,(5)金屬離子的影響花色苷與AL3、FE2、FE3、SN2等金屬離子可以形成配位化合物,而使顏色變深而發(fā)生變化。,(6)酶的影響能夠?qū)е禄ㄉ辗纸獾拿赣刑擒账饷讣岸喾友趸浮?(7)與其它植物性成分發(fā)生縮合花色苷可以與自身、蛋白質(zhì)、單寧、其它黃酮或多糖類物質(zhì)發(fā)生縮合反應(yīng),形成的產(chǎn)物一般顏色會(huì)加深(紅移),少數(shù)顏色消失。,3原花色素(無色花青素)原花色素的基本結(jié)構(gòu)單元為黃烷3,4二醇,原花色素是黃烷3,4二醇的二聚物、三聚物甚至多聚物。,原花色苷本身沒有顏色,但在酸熱條件下可以分解為花青素和其它多酚類化合物而顯示一定的顏色。如,42類黃酮色素類黃酮是一大類結(jié)構(gòu)相似的天然化合物,廣泛存在于各類植物體內(nèi)。大部分此類化合物不僅具有特殊的顏色,而且具有特殊的生物學(xué)功能。類黃酮類化合物在水中的溶解度較大。,1結(jié)構(gòu)及類型,42類黃酮色素,一些常見類黃酮化合物的結(jié)構(gòu),其中一部分類黃酮類化合物呈黃色,另外一些無色。有顏色的黃酮類化合物??膳c金屬離子發(fā)生配位而顏色加深,黃酮類化合物的化學(xué)性質(zhì)比較活勃,可受食品中的成分或加工條件的影響而結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看,類黃酮都含有酚羥基,是弱酸性化合物,可以與強(qiáng)堿作用。類黃酮在堿性條件下轉(zhuǎn)化為查爾酮形式,呈現(xiàn)明亮的黃色。,2加工與貯藏時(shí)的變化類黃酮與AL3、FE2、FE3、SN2等金屬離子可以形成配合物,而使顏色變深而發(fā)生變化。加工條件中使PH上升,無色的黃烷酮或黃烷酮醇可變?yōu)橛猩牟槎?。發(fā)生酶促褐變的中間生成物可氧化類黃酮而產(chǎn)生褐色物質(zhì)。類黃酮的熱穩(wěn)定性好于花青苷,熱加工對(duì)它們的破壞不大。,42類黃酮色素,作為一類重要的植物化學(xué)成分,類黃酮被研究的功能性質(zhì)包括抗氧化、植物雌激素作用、清除游離基、降血脂、降低膽固醇、防治冠心病等。類黃酮存在的一些食品紅茶、綠茶、黑巧克力、洋蔥、紅葡萄酒、蘋果等,顯示出較強(qiáng)的心臟保護(hù)作用。,42類黃酮色素,3兩種重要的類黃酮化合物(1)異黃酮異黃酮在植物中的存在范圍、存在量均不大,一般存在于豆科植物,主要是大豆中。大豆中的異黃酮主要分布于種皮、胚軸、子葉內(nèi),尤以胚軸含量最高。大豆品種不同,異黃酮含量不同;大部分大豆食品中異黃酮含量不同,主要是不同的加工造成的。,大豆制品中異黃酮的含量單位MGKG1,濃縮大豆蛋白從高質(zhì)量、完整、干凈和脫殼大豆中,除去大豆油和水溶性物質(zhì)及非蛋白質(zhì)部分后,含有不少于70%(干基)的蛋白質(zhì),這樣得到的大豆蛋白質(zhì)叫做濃縮大豆蛋白。生產(chǎn)濃縮蛋白時(shí),主要是用不同方法去除蛋白粉中的水溶性糖類,目前所使用的方法主要有稀酸沉淀濃縮分離法(稀酸浸出法),酒精水溶液洗滌濃縮法(含水乙醇浸出法)和濕熱水洗法等。,(2)兒茶素,兒茶素也為多酚類化合物,常見的四種為,以上兒茶素名稱中的“表”表示吡喃環(huán)上以單鍵相連的兩個(gè)基團(tuán)處于該環(huán)的同側(cè)。兒茶素本身沒有顏色,當(dāng)其與金屬離子結(jié)合后產(chǎn)生白色或有色沉淀;兒茶素具有輕微的澀味;兒茶素具有還原性,很容易被空氣中的氧氣氧化為有顏色的物質(zhì)(高溫下尤其如此)。植物中存在的多酚氧化酶能催化兒茶素氧化為各種產(chǎn)物這在茶葉加工中非常重要。,綠茶、紅茶中多酚物質(zhì)的含量水平(干重/),一些兒茶素的還原電勢(shì)和相對(duì)抗氧化活性,43單寧單寧也為多酚類化合物,包括可水解型和縮合型兩類。常呈白中帶黃或淡褐色,有強(qiáng)烈的澀味。單寧可與蛋白質(zhì)、生物堿、果膠或多價(jià)金屬離子結(jié)合形成有色不溶性沉淀;相對(duì)分子質(zhì)量為500~3000的水溶性多酚化合物。可在加熱、氧化或遇到醛類條件下縮合而消除澀味;單寧水解后通常可生成三類物質(zhì)葡萄糖、沒食子酸、其它的多酚酸(鞣酸)。,5天然著色劑,吡咯類葉綠素、葉綠素銅鈉鹽異戊二烯衍生物類Β胡蘿卜素、辣椒紅、梔子黃、玉米黃多酚類衍生物花青素黑米紅、黑豆紅、蘿卜紅、玫瑰茄紅、葡萄皮紅;兒茶素茶黃色素;類黃酮高粱紅、可可殼色醌類衍生物紫膠紅、胭脂蟲紅、紫草焦糖色素、紅曲色素、姜黃素、甜菜紅素,食品天然著色劑的特點(diǎn),食品天然著色劑的優(yōu)點(diǎn)多來自動(dòng)物、植物組織,因此絕大多數(shù)無毒和無副作用,對(duì)人體安全性高;大多為花青素類、黃酮類、類胡蘿卜素類化合物,不但有著色作用,且具有保健功能;色調(diào)較為自然;大多對(duì)PH值比較敏感,色調(diào)會(huì)隨之發(fā)生較大變化。,食品天然著色劑的特點(diǎn),食品天然著色劑的缺點(diǎn)一般溶解性差,溶解度低,不易染著均勻,且不同著色劑相容性差,甚至有些著色劑會(huì)與食品原料反應(yīng)而變色;堅(jiān)牢度交差,受PH值、氧化、光照、溫度及金屬離子等因素影響較大;由于是從天然物中提取,有時(shí)受共存成分異味影響,或本身有異味;基本是多成分混合物,易出現(xiàn)配色時(shí)色調(diào)差異。,
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簡介:MITOCHONGDRIONANDCHLOROPAST,第七章線粒體與葉綠體,MITOCHONGDRIONANDCHLOROPAST,第七章線粒體與葉綠體,本章內(nèi)容提要,第一節(jié)線粒體線粒體的形態(tài)與結(jié)構(gòu),氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)、作用機(jī)理,線粒體的發(fā)生。第二節(jié)葉綠體葉綠體的形態(tài)與結(jié)構(gòu),光合磷酸化作用機(jī)理,葉綠體的發(fā)生。,,第一節(jié)線粒體,1890,ALTAMAN首次發(fā)現(xiàn),命名為BIOBLAST;1898,VONBENDA提出MITOCHONDRION;1900,MICHAELIS發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化作用;1948,GREEN,1949,KENNEDY和LEHNINGER分別發(fā)現(xiàn)三羧酸循環(huán)和脂肪酸氧化是在線粒體內(nèi)完成的。,一、結(jié)構(gòu),(一)形態(tài)粒狀或桿狀直徑051,長1530ΜM;胰外分泌細(xì)胞中可達(dá)1020ΜM,稱巨線粒體。肝細(xì)胞約1300個(gè)線粒體,占細(xì)胞體積的20,人類紅細(xì)胞無線粒體。,,ANTEMIMAGEOFMITOCHONDRION,(二)分布,多分布在細(xì)胞功能旺盛的區(qū)域,可向這些區(qū)域遷移,微管是其導(dǎo)軌、馬達(dá)蛋白提供動(dòng)力。,MITOCHONDRIADISTRIBUTEDINSKELETALMUSCLE,(三)功能區(qū)隔,分為外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四部分。,SCHEMATICVIEWOFMITOCHONDRION,1、外膜OUTMEMBRANE具有PORIN構(gòu)成的親水通道,允許小分子物質(zhì)通過,標(biāo)志酶為單胺氧化酶。2、內(nèi)膜(INNERMEMBRANE)類似細(xì)菌質(zhì)膜;心磷脂含量高達(dá)20、缺乏膽固醇,通透性很低。,內(nèi)膜的標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶。內(nèi)膜具有嵴,能擴(kuò)大表面積(510倍),分兩種①板層狀、②管狀;嵴上有基粒。3、膜間隙是內(nèi)外膜之間的腔隙,寬約68NM。標(biāo)志酶為腺苷酸激酶。,MODELSOFMITOCHONDRIALMEMBRANESTRUCTURES,LAMELLARCRISTAE,TUBULARCRISTAE,4、基質(zhì)(MATRIX)含三羧酸循環(huán)、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶類;MTDNA及核酸、蛋白合成體系;纖維絲和致密顆粒狀物質(zhì),內(nèi)含CA2、MG2、ZN2等離子。標(biāo)志酶為蘋果酸脫氫酶。,二、氧化磷酸化的分子基礎(chǔ),動(dòng)物細(xì)胞80的ATP來源于線粒體。,MITOCHONDRIALFUNCTION,(一)電子載體,1、NAD連接KREB循環(huán)和呼吸鏈,將氫交給黃素蛋白。2、黃素蛋白含F(xiàn)MN或FAD,可接受2個(gè)電子2個(gè)質(zhì)子。相關(guān)脫氫酶①NADH脫氫酶FMN;②琥珀酸脫氫酶FAD。,NAD(NICOTINAMIDEADENINEDINUCLEOTIDE),&NADP,FLAVINMONONUCLEOTIDEFMNFLAVINADENINEDINUCLEOTIDE,3、細(xì)胞色素含血紅素鐵,通過FE3/FE2變化傳遞電子,包括細(xì)胞色素A、A3、B、C、C1,其中A、A3含有銅原子。,4、鐵硫蛋白分子結(jié)構(gòu)中每個(gè)鐵原子和4個(gè)硫原子結(jié)合,通過FE3/FE2互變進(jìn)行電子傳遞,有2FE2S和4FE4S兩種類型。,5、輔酶Q脂溶性小分子醌類化合物,有3種形式,即氧化型醌Q,還原型氫醌QH2和自由基半醌QH。,(二)呼吸鏈的復(fù)合物,呼吸鏈組分按氧化還原電位由低向高排列。用脫氧膽酸處理MT內(nèi)膜、分離出4種呼吸鏈復(fù)合物。,1、復(fù)合物INADH脫氫酶。組成42條肽鏈,呈L型,含一個(gè)FMN和至少6個(gè)鐵硫蛋白,以二聚體形式存在。作用催化NADH的2個(gè)電子至輔酶Q,同時(shí)由M側(cè)轉(zhuǎn)移4個(gè)質(zhì)子至C側(cè)。NADH→FMN→FES→QNADH5HMQ→NADQH24HC,2、復(fù)合物II琥珀酸脫氫酶組成至少4條肽鏈,含1個(gè)FAD,2個(gè)鐵硫蛋白。作用催化琥珀酸的低能電子至輔酶Q,不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。琥珀酸→FAD→FES→Q。琥珀酸Q→延胡索酸QH2,3、復(fù)合物III細(xì)胞色素C還原酶。組成至少11條肽鏈,二聚體,含細(xì)胞色素B566、B562、1個(gè)鐵硫蛋白和1個(gè)細(xì)胞色素C1。作用催化電子從輔酶Q傳給細(xì)胞色素C,每轉(zhuǎn)移1對(duì)電子轉(zhuǎn)移4個(gè)H+至C側(cè)。2還原態(tài)CYTC1QH22HM→2氧化態(tài)CYTC1Q4HC,QCYCLE,4、復(fù)合物IV細(xì)胞色素C氧化酶組成二聚體,每個(gè)單體至少13條肽鏈。作用將從細(xì)胞色素C接受的電子傳給氧,每轉(zhuǎn)移一對(duì)電子,在M側(cè)消耗2個(gè)質(zhì)子,同時(shí)轉(zhuǎn)移2個(gè)質(zhì)子至C側(cè)。CYTC→CUA→HEMEA→A3CUB→O24還原態(tài)CYTC8HMO2→4氧化態(tài)CYTC4HC2H2O,(三)兩條主要的呼吸鏈,①復(fù)合物IIIIIV組成,催化NADH的脫氫氧化。②復(fù)合物IIIIIIV組成,催化琥珀酸的脫氫氧化。對(duì)應(yīng)于每個(gè)復(fù)合物Ⅰ,約需3個(gè)復(fù)合物Ⅲ,7個(gè)復(fù)合物Ⅳ,兩個(gè)復(fù)合物之間由輔酶Q或細(xì)胞色素C這樣的可擴(kuò)散性分子連接。,TRANSPORTOFELECTRONSFROMNADH,TRANSPORTOFELECTRONSFROMFADH2,三、氧化磷酸化的作用機(jī)理,(一)質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)MITCHELL1961提出“化學(xué)滲透假說”。認(rèn)為電子沿呼吸鏈傳遞時(shí),所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)M側(cè)泵至膜間隙C側(cè),形成質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)(△P)?!鱌Ψ23RT/F△PH其中△PHPH梯度,Ψ電位梯度,T絕對(duì)溫度,R氣體常數(shù),F(xiàn)為法拉第常數(shù),當(dāng)溫度為25℃時(shí)△P的值為220MV左右。,CHEMIOSMOTICTHEORY,(二)ATP合酶(ATPSYNTHASE),F型質(zhì)子泵;分為球形的F1(頭部)和嵌入膜中的F0(基部)。F1Α3Β3ΓΔΕ復(fù)合體,具有3個(gè)ATP合成的催化位點(diǎn)(每個(gè)Β亞基1個(gè))。F0AB2C12復(fù)合體,嵌入內(nèi)膜,12個(gè)C亞基組成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu),具有質(zhì)子通道。,ATPSYNTHASE,1979年BOYER提出構(gòu)象耦聯(lián)假說。其要點(diǎn)如下1.ATP酶利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì),催化ATP合成。2.F1有3個(gè)催化位點(diǎn),催化位點(diǎn)有3種構(gòu)象。3.質(zhì)子通過F0時(shí),引起C亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)Γ亞基旋轉(zhuǎn),Γ亞基端部高度不對(duì)稱,引起Β亞基3個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象的周期性變化(L、T、O),不斷將ADP和PI加合在一起,形成ATP。,支持構(gòu)象耦聯(lián)假說的實(shí)驗(yàn),吉田(MASSASUKEYOSHIDA)等,(三)P/O值,指每消耗一個(gè)氧原子所產(chǎn)生的ATP分子數(shù),它表示氧化磷酸化的效率。通常認(rèn)為NADH/3,F(xiàn)ADH2/2;也有人認(rèn)為前者為25,后者為15。,(四)氧化磷酸化抑制劑,1.電子傳遞抑制劑抑制復(fù)合物I,如阿米妥、魚藤酮。,,AMYTAL,ROTENONE,抑制復(fù)合物II,如2噻吩甲酰三氟丙酮和萎銹靈。,2THENOYLTRIFLUOROACETONE,CARBOXIN,,,抑制復(fù)合物III,如抗霉素A。,ANTINOMYCINA1,抑制復(fù)合物IV,如CO、CN、NAN3、H2S。,電子傳遞抑制劑可用來研究呼吸鏈各組分的排列順序,當(dāng)呼吸鏈某一特定部位被抑制后,底物一側(cè)均為還原狀態(tài),氧一側(cè)均為氧化態(tài),可用分光光度計(jì)檢測(cè)。,2.磷酸化抑制劑與F0結(jié)合,阻斷H通道。如寡霉素。,OLIGOMYCIN,3.解偶聯(lián)劑(UNCOUPLER)解偶聯(lián)蛋白UCPS位于動(dòng)物棕色脂肪組織和肌肉線粒體,與維持體溫有關(guān)。質(zhì)子載體DNP、FCCP。質(zhì)子通道增溫素。,四、線粒體的半自主性,①環(huán)形DNA;②70S核糖體,對(duì)氯霉素敏感,對(duì)放線菌酮不敏感;③RNA聚合酶可被利福平、鏈霉素等抑制;④TRNA和氨?;鵗RNA合成酶不同于細(xì)胞質(zhì)中的;⑤蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸為N甲酰甲硫氨酸。,五、線粒體的增殖,新線粒體來源于線粒體的分裂。,FTSZRINGSTRUCTURESAROUNDTHEDIVISIONSITEOFACHLOROPLASTANDMITOCHONDRION,第二節(jié)葉綠體,光合作用是地球上有機(jī)體生存和發(fā)展的根本源泉。綠色植物年產(chǎn)干物質(zhì)達(dá)1014公斤。,一、形態(tài)與結(jié)構(gòu),狀如透鏡,長徑510,短徑24,厚23UM。葉肉細(xì)胞含50200個(gè),占細(xì)胞質(zhì)的40。由外被、類囊體和基質(zhì)3部分組成。含3種不同的膜外膜、內(nèi)膜、類囊體膜;3種彼此分開的腔膜間隙、基質(zhì)和類囊體腔。,CHLOROPLAST,(一)葉綠體外被,雙層膜組成,膜間為1020NM的間隙。外膜的通透性大,內(nèi)膜通透性低;ADP、ATP、NADP、葡萄糖和焦磷酸等需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體才能通過內(nèi)膜。,(二)類囊體,類囊體膜流動(dòng)性高,內(nèi)在蛋白有細(xì)胞色素B6/F復(fù)合體、集光復(fù)合體LHC、質(zhì)體醌PQ、質(zhì)體藍(lán)素PC、鐵氧化還原蛋白FD、黃素蛋白、光系統(tǒng)I、II復(fù)合物?;1馄叫∧叶询B而成,含4060個(gè)。基質(zhì)類囊體連接基粒的沒有堆疊的類囊體。,(三)基質(zhì),內(nèi)膜與類囊體之間的空間,主要成分包括碳同化相關(guān)的酶類如RUBP羧化酶。葉綠體DNA、蛋白質(zhì)合成體系。一些顆粒成分如淀粉粒、質(zhì)體小球和植物鐵蛋白等。,二、光合磷酸化作用機(jī)理,光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng);光反應(yīng)需要光,涉及水的光解和光合磷酸化;暗反應(yīng)不需要光,涉及CO2的固定,分為C3和C4兩類。,,(一)光合色素和電子傳遞鏈組分,1.光合色素包括葉綠素、類胡蘿卜素,比例約31。葉綠素分為A、B,比例約31。,,CHOINCHLB,2.集光復(fù)合體約200個(gè)葉綠素分子和一些肽鏈構(gòu)成。全部葉綠素B和大部分葉綠素A都是天線色素。,3.光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)P680至少包括12條肽鏈,位于基粒于基質(zhì)非接觸區(qū)域的類囊體膜上。包括一個(gè)集光復(fù)合體Ⅱ、一個(gè)反應(yīng)中心和一個(gè)含錳原子的放氧復(fù)合體。,4.細(xì)胞色素B6/F復(fù)合體可能以二聚體形成存在,每個(gè)單體含有四個(gè)不同的亞基。5.光系統(tǒng)Ⅰ(PSI)P700位于基粒與基質(zhì)接觸區(qū)和基質(zhì)類囊體膜中,由集光復(fù)合體I和作用中心構(gòu)成。,NONCYCLICPHOTOPHOSPHORYLATION,CYCLICPHOTOPHOSPHORYLATION,PSIANDPSII,(二)光合磷酸化,一對(duì)電子從P680經(jīng)P700傳至NADP,在類囊體腔增加4個(gè)H,在基質(zhì)中1個(gè)H被用于還原NADP,使類囊體腔有較高的H(PH≈5),形成質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)。H經(jīng)ATP合酶(CF1F0偶聯(lián)因子)滲入基質(zhì)、推動(dòng)ATP合成。,,,ELECTRONTRANSPORTINTHETHYLAKOIDMEMBRANE,三、葉綠體的半自主性,線粒體與葉綠體結(jié)構(gòu)的相似性①兩層膜包被,內(nèi)外膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同。②為半自主性細(xì)胞器,綠色植物細(xì)胞具有3個(gè)遺傳系統(tǒng)。③具有蛋白質(zhì)后轉(zhuǎn)譯現(xiàn)象。,四、葉綠體的增殖,在個(gè)體發(fā)育中葉綠體由原質(zhì)體發(fā)育而來。有光條件下原質(zhì)體的小泡增加并融合成片層,發(fā)育為基粒。幼小葉綠體能靠分裂而增殖,成熟葉綠體一般不再分裂。,,葉綠體的發(fā)生,SEMIMAGEOFANISOLATEDDIVIDINGCHLOROPLAST,第三節(jié)線粒體與葉綠體的蛋白質(zhì)定向轉(zhuǎn)運(yùn),一、線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn),用標(biāo)記氨基酸培養(yǎng)細(xì)胞,用氯霉素和放線菌酮分別抑制線粒體和細(xì)胞質(zhì)的蛋白合成,發(fā)現(xiàn)人MTDNA僅編碼13條多肽細(xì)胞色素C氧化酶的3個(gè)亞基,F(xiàn)0的2個(gè)亞基,NADH脫氫酶的7個(gè)亞基和細(xì)胞色素B。,線粒體含1000多種蛋白,絕大多數(shù)由核基因編碼,在細(xì)胞質(zhì)中合成,定向轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體。前體蛋白在運(yùn)輸前,以未折疊形式存在,N端的一段信號(hào)序列稱為導(dǎo)肽或引肽,完成轉(zhuǎn)運(yùn)后被酶切除,成為成熟蛋白,這種現(xiàn)象稱后轉(zhuǎn)譯。,信號(hào)肽特點(diǎn)多位于肽鏈N端,約20個(gè)氨基酸構(gòu)成;形成兩性Α螺旋,帶正電荷的氨基酸殘基和不帶電荷的疏水氨基酸殘基分別位于螺旋兩側(cè);對(duì)所牽引的蛋白質(zhì)沒有特異性要求。,蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)涉及轉(zhuǎn)位因子。TOM復(fù)合體通過外膜,進(jìn)入膜間隙。TIM復(fù)合體進(jìn)入基質(zhì)TIM23或內(nèi)膜TIM22。OXA復(fù)合體將線粒體合成的蛋白和某些進(jìn)入基質(zhì)的蛋白插到內(nèi)膜上。線粒體內(nèi)外膜之間存在接觸點(diǎn),蛋白通過此處的TOM和TIM復(fù)合體,一步進(jìn)入基質(zhì)。,MITOCHONDRIALPROTEINIMPORTMACHINERY,CONTACTSITESOFMITOCHONDRIA,PROTEINTRANSPORTINTOINNERMEMBRANEANDINTERMEMBRANESPACEREQUIRESTWOSIGNALSEQUENCES,蛋白質(zhì)的輸入是一個(gè)耗能過程在線粒體外解除與前體蛋白質(zhì)結(jié)合的分子伴娘,需要通過水解ATP獲得能量。在通過TIM復(fù)合體時(shí)利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)作為動(dòng)力。前體蛋白進(jìn)入線粒體基質(zhì)后,線粒體HSP70依次結(jié)合在蛋白質(zhì)線性分子上,將蛋白質(zhì)“鉸進(jìn)”基質(zhì),需要消耗ATP,然后HSP70將蛋白質(zhì)交給HSP60,完成折疊。,二、葉綠體的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)與線粒體的相似。如都發(fā)生后轉(zhuǎn)譯;每一種膜上有特定的轉(zhuǎn)位因子;內(nèi)外膜具有接觸點(diǎn);需要能量,利用ATP和質(zhì)子動(dòng)力勢(shì);前體蛋白N端有信號(hào)序列,使用后被信號(hào)肽酶切除。,THEGENERALIMPORTMACHINERYOFTHECHLOROPLASTENVELOPEMEMBRANES,TRANSLOCATIONOFPROTEINSINTOCHLOROPLASTS,
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