Основы биохимии - Филиппович Ю. Б. 1999

Обмен белков
Биосинтез белков и незаменимых аминокислот для практических целей

Можно без преувеличения сказать, что в настоящее время человечество вступило в эру индустриального производства белка — наиболее дефицитного пищевого продукта на Земле. 11 июля 1987 г. в г. Загребе родился пятимилли­ардный житель Земли—Матей Гашпар, и, по подсчетам специалистов из ООН, к 2000 г. население Земли возрастет до 6,1 млрд. Однако уже сегодня 10—15% жителей Земли голодает, а 40% получает неполноценную и недоста­точную по белку пищу.

Индустриальное производство белков осуществляется сейчас тремя способа­ми: производство кормовых дрожжей, приготовление белково-витаминных концентратов и выделение белков из непищевого сырья растительного проис­хождения.

Производство кормовых дрожжей, содержащих более 50% белка и богатых витаминами и микроэлементами, организуют на отходах деревообрабатыва­ющей, целлюлозно-бумажной, сахароваренной и спиртовой промышленности (опилки, барда и т. п.), а также на отходах переработки растительного сырья (солома, кукурузные початки и др.).

Белково-витаминный концентрат производят из нефтяного сырья. Впервые такое производство в небольших масштабах было развернуто во Франции, причем его продукцию использовали не только в животноводстве, но и в пищевой промышленности. В нашей стране вошли в строй Светлоярский, Кстовский, Томский, Новополоцкий, Киришинский и Кременчугский заводы по производству белково-витаминного концентрата. Однако в процессе их эксплу­атации возникли экологические проблемы, решение которых наталкивается как на технические трудности, так и на эмоциональное противостояние населения.

На промышленную основу за рубежом поставлено выделение белков из непищевого растительного сырья: листьев древесных растений, несъедобных бобов и семян и т. п. Из такого белка готовят искусственное мясо, искусствен­ные колбасы и другие пищевые суррогаты, получающие все большее распро­странение в качестве дешевых заменителей натуральных продуктов. У нас разработан метод выделения пищевого белка из хлопковых семян. Отличным источником кормового белка является одноклеточная водоросль хлорелла, производство которой развивается во всех странах мира, в том числе в нашей стране, Болгарии, Японии, ФРГ и др.

Применение кормового белка и белково-витаминных концентратов в жи­вотноводстве исключительно эффективно: улучшается использование белков основной диеты, возрастают привесы и увеличивается скорость роста молод­няка, снижается расход кормов на единицу продукции, резко повышается эффективность производства. Поэтому перед молодой отраслью — промыш­ленным производством белков — открываются большие перспективы. Созда­ются мощные, предприятия по микробиологическому синтезу белка на базе этилового спирта и природного газа с производительностью 300—500 тыс. т продукции в год. Разрабатывается также регламент промышленного выра­щивания водородных бактерий, биомасса которых исключительно богата белком — содержание его достигает 70%.

Проблема обеспечения человечества белком решается и в более глобаль­ном масштабе. У нас она впервые была рассмотрена в этом аспекте на IX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Киев, 1965). Акад. А. Н. Несмеянов в своем докладе на съезде отметил, что процесс производ­ства пищи путем выращивания растений и животных, по существу, мало изменился со времени первобытного скотоводо-земледельческого обще­ства. Однако еще столетие тому назад Д. И. Менделеев писал: «Как химик, я убежден в возможности получения питательных веществ из сочетания элементов воздуха, воды и земли, помимо обычной культуры, т. е. на особых фабриках и заводах, но надобность в этом еще очень далека от современности...»

По мнению А. Н. Несмеянова, огромные успехи синтетической химии, в принципе способной осуществить синтез любого органического вещества, создали реальную основу для постановки уже сейчас вопроса об индустри­альном производстве пищи. Из шести составных частей пищи, необходимых человеку (вода, белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины), первая и две последние есть в природе или могут быть легко произведены в необходимом количестве. Из трех других — углеводы и жиры, являющие­ся в основном поставщиками энергии, взаимозаменимы и легко переходят друг в друга. Их синтетическое получение или производство в неограничен­ных количествах из натурального непищевого сырья не представляет сейчас трудности.

Таким образом, проблема сводится к индустриальному получению восьми незаменимых аминокислот, которые вполне могут заменить белок в питании. Уже сейчас существует достаточное число методов, химических и микроби­ологических, которые могут послужить основой технического получения ука­занных аминокислот в достаточных количествах и по ценам, более низким, чем продукты, содержащие белки.

К этой же проблеме, но в иной форме обратился акад. Н. Н. Семенов в своем докладе на юбилейной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР (декабрь 1978 г.). Он поставил вопрос о необходимости моделирования процесса фотосинтеза, идущего с КПД, равным всего 1,5%, и повышения последнего до 30%, что создаст предпосылки для получения энергии на искусственных энергетических полях, а пищи (при посредстве этой энергии) — на заводах.

Еще один важнейший аспект получения белков для практических целей был обозначен акад. А. С. Спириным в докладе на юбилейной сессии Академии наук СССР (март 1987 г.). Он сводится к преодолению клеточного уровня биосинтеза белков и переходу к масштабированному их синтезу в бесклеточ­ных системах трансляции непрерывного действия, работающих в проточном режиме. Это откроет возможность получать биологически значимые белки (интерферон, инсулин, а₁-антитрипсин) и пептиды медицинского назначения, позволит конструировать и производить белки с любыми заданными свойст­вами, поднимет на новый уровень изучение закономерностей химической коэволюции белков и нуклеиновых кислот. Решающую роль здесь играет наработка необходимых количеств соответствующих мРНК в системах, содер­жащих РНК-зависимую РНК-полимеразу типа репликазы фага Q_β. Уже созда­на и опробована на РНК-4 вируса мозаики костра, РНК фага MS2 и мРНК кальцитонина установка для твердофазной трансляции типа реактора непре­рывного действия. Указанные работы по внеклеточному синтезу белка ведутся в рамках Государственной научно-технической программы «Новейшие методы биоинженерии». Уже сегодня в лабораторных условиях на небольших биореак­торах этим методом можно получать достаточное для дальнейших исследова­ний количество пептидных гормонов, антигенов для диагностических целей, белковых токсинов и антитоксинов, антивирусных защитных белков, некото­рых ферментов. Революция в молекулярной биологии и биотехнологии про­должается.