МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Биологический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе
_________________ Е.Г. Елина
"____" ______________ 2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Курс по выбору 2. Молекулярно-генетические основы коммуникации организмов
Направление подготовки
020400 Биология
Магистерская программа
Общая биология
Квалификация выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов,
2011
1. Цели освоения дисциплины.
Целями освоения дисциплины являются: ознакомление студентов с основными закономерностями взаимоотношений между живыми организмами и молекулярно-генетической основой этих взаимоотношений. Курс предусматривает получение знаний о структурной особенности и функциональной роли молекул, которые служат посредниками при передаче экологически значимой информации между живыми организмами и биохимических реакциях, в которых участвуют вещества – регуляторы коммуникативных процессов.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры:
Цикл М.3, вариативная часть, курс по выбору. Дисциплина изучается в 4 семестре.
Для успешного освоения курса необходимы знания по неорганической, органической, аналитической, биологической химии, физиологии растений, физиологии человека и животных, микробиологии, зоологии, генетике, молекулярной биологии.
В процессе изучения дисциплины затрагиваются вопросы, смежные с курсами биохимии, экологии, молекулярной биологии, физиологии человека и животных, токсикологии.
Знания молекулярно-генетических основ коммуникации организмов необходимы как предшествующие для освоения теоретических и практических знаний и навыков по экологии человека, биотехнологии.
3. Требования к уровню освоения содержания курса:
В процессе освоения дисциплины формируются общекультурные и профессиональные компетенции ОК-1, ПК-1, ПК-10, ПК-11, ПК-12; ПК-13, СК-2, СК-3.
ОК-1: способен к творчеству (креативность) и системному мышлению;
ПК-1: понимает современные проблемы биологии и использует фундаментальные биологические представления в сфере профессиональной деятельности для постановки и решения новых задач.
ПК-10: глубоко понимает и творчески использует в научной и производственно-технологической деятельности знания фундаментальных и прикладных разделов специальных дисциплин магистерской программы.
ПК-11: умеет планировать и реализовывать профессиональные мероприятия (в соответствии с целями магистерской программы).
ПК-12: применяет методические основы проектирования и выполнения полевых и лабораторных биологических и экологических исследований с использованием современной аппаратуры и вычислительных комплексов (в соответствии с целями магистерской программы), генерирует новые идеи и методические решения.
ПК-13: самостоятельно использует современные компьютерные технологии для решения научно-исследовательских и производственно-технологических задач профессиональной деятельности, для сбора и анализа биологической информации.
СК-2: оперирует знаниями молекулярно-генетических основ коммуникации организмов, геномики, протеомики и гликомики;
СК-3: владеет современными методами общей биологии и эффективно использует их для решения практических задач биомедицины, сельского хозяйства, биотехнологии, охраны природы и образования;
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
- основные закономерности эколого-биохимических взаимодействий с участием организмов, относящихся к различным систематическим группам;
- различные типы природных и синтетических веществ, которые являются информационными регуляторами экологических процессов;
- принципы структурно-функциональной организации важнейших сигнальных молекул и связанные с ними основные коммуникационные процессы у живых организмов, механизмы их регуляции;
- иметь представления о процессах химической коммуникации организмов на молекулярном уровне.
Уметь:
- определять основные природные вещества, участвующих в химической коммуникации между организмами, их структуру и биохимические реакции, в которых они участвуют;
- применять полученные знания для управления экосистемами и экологическими процессами путем использования природных и синтетических регуляторных веществ;
- использовать показатели симбиотических взаимодействий микроорганизмов в экологической, санитарной и лабораторной практике.
Владеть:
- экспериментальными приемами выделения, анализа структуры и выявления экологических функций природных соединений;
- подходами к диагностике состояния окружающей среды, основанной на анализе типов и проявлений биотических отношений, опосредуемых природными химическими посредниками;
- широким спектром аналитических методов и подходов биохимии, молекулярной биологии, экологии, токсикологии.
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц 216 часов.
4.1. Структура дисциплины
№
п/п
|
Раздел дисциплины
|
Семестр
|
Неделя семестра
|
Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)
|
Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)
Формы промежуточной аттестации (по семестрам)
|
Лекции
|
Семинары
|
Практи-ческие
|
Самостоя-тельная
работа
|
1
|
2
|
3
|
4
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
1
|
Системы коммуникаций в организме
|
4
|
1
|
2
|
|
4
|
10
|
Опрос
|
2
|
Ассоциативная микрофлора человека
|
4
|
2
|
2
|
4
|
4
|
10
|
Опрос
|
3
|
Колонизационная резистентность организма человека
|
4
|
3
|
2
|
4
|
|
10
|
Опрос, реферат
|
4
|
Ассоциативные отношения микроорганизмов с растениями
|
4
|
4
|
2
|
|
4
|
10
|
Опрос
|
5
|
Молекулярно-генетические основы ассоциативного взаимодействия бактерий и растений
|
4
|
5
|
2
|
|
4
|
10
|
Контрольное тестирование
|
6
|
Ассоциативные взаимоотношения симбионтов в гидробиоценозах, их практическое использование в экологической, санитарной и лабораторной практике
|
4
|
6
|
2
|
|
4
|
10
|
Опрос
|
7
|
Эколого-биохимические взаимодействия с участием грибов и водорослей
|
4
|
7
|
2
|
|
|
10
|
Опрос
|
8
|
Биохимические механизмы взаимодействия высших растений с грибами
|
4
|
8
|
2
|
4
|
|
10
|
Коллоквиум
|
9
|
Эколого-биохимические аспекты взаимодействия высших растений
|
4
|
9
|
2
|
|
|
10
|
Опрос
|
10
|
Молекулярно-генетические основы взаимодействия высших растений и животных
|
4
|
10,11
|
4
|
2
|
|
16
|
Опрос
|
11
|
Коммуникация между животными: биохимические механизмы
|
4
|
12,13
|
4
|
|
4
|
10
|
Опрос, реферат
|
|
Промежуточная аттестация
|
4
|
|
|
|
|
36
|
Экзамен
|
|
Итого (216 ч.)
|
|
|
26
|
14
|
24
|
152
|
Экзамен
|
4.1. Содержание дисциплины.
Тема 1. Системы коммуникаций в организме
Понятие коммуникации в мире живого. Разнообразные системы коммуникаций, обеспечивающие взаимное координирование деятельности клеток и тканей при адаптации к тем или иным изменениям среды. Коммуникация посредством секретируемых молекул. Гормоны: щитовидной железы, мозгового и коркового слоя надпочечников, половых желез, поджелудочной железы и механизмы их действия на клеточный метаболизм. Ростовые факторы, нейротрансмиттеры и рецепторы к ним. Коммуникация посредством межклеточных контактов (адгезионных молекул и рецепторов к ним). Функциональная роль мембранных микровезикул.
Тема 2. Ассоциативная микрофлора человека
Симбиотические ассоциации человека и микроорганизмов: комменсализм, мутуализм, паразитизм. Пептидогликан и его роль в персистенции бактерий. Механизмы бактериальной персистенции. Механическая и секреторная защита пептидогликана, утрата пептидогликана, антигенная мимикрия. Генетический контроль персистенции. Антилизоцимная, антигистоновая, антикомплементарная, антикарнозиновая, антииммуноглобулиновая, «антиинтерфероновая», антибетализиновая, антилактоферриновая активность. Сигнальные молекулы бактерий – непептидные аутоиндукторы: лактоны N-ацилированного гомосерина, производные 2-метил-2,3,4,5-тетрагидрокситетрагидрофурана, производные индола и хинолина, родственные адреналину соединения. Внутриклеточные и мембранные рецепторы, с которыми специфически связываются аутоиндукторы и активируемые ими эффекторные системы.
Тема 3. Колонизационная резистентность организма человека
Доминантная микрофлора кожи человека, верхних дыхательных путей, пищеварительного тракта и репродуктивного тракта женщин и мужчин. Характеристики бактерий, определяющие колонизацию: лизоцимсвязывающая и адгезивная способность. Колонизационная резистентность как функция доминантной микрофлоры, ее основные механизмы. Влияние различных факторов на изменения ассоциативных симбиозов и подходы к их восстановлению. Бактериальные биопленки и инфекции. Регуляция нормальной микрофлоры как основа микробиологической терапии. Антибактериальные препараты, иммуномодуляторы, пробиотики, пребиотики, аутоиндукторы анабиоза.
Тема 4. Ассоциативные отношения микроорганизмов с растениями
Механизмы воздействия ассоциативных бактерий на растения. Ассоциативная азотфиксация. Флавоноиды, определяющие формирование растительно-бактериального симбиоза. Экспрессия бактериальных nod-генов, регуляция экспрессии, Nod-факторы, внеклеточные полисахариды, инфекционные нити. Ростовые вещества растений, продуцируемые ризобактериями. Индолилуксусная кислота, цитокинины, гиберриллины, АСС-деаминаза. Биологический контроль ассоциативных ризобактерий за развитием фитопатогенных микроорганизмов на корнях растений. Антибиотики и фунгициды ризобактерий. Сидерофоры, регуляция их синтеза.
Тема 5. Молекулярно-генетические основы ассоциативного взаимодействия бактерий и растений
Азоспирилла – модель при изучении явления ассоциативности. Структура и функции гликополимеров поверхности азоспирилл. Лектины клеточной поверхности азоспирилл, растительные лектины, их роль в ассоциативных взаимоотношениях бактерий с растениями. Роль агглютинирующих белков ризобий и азотфиксирующих бацилл при взаимодействии с растениями. Методы и результаты генетического анализа растительно-микробных ассоциаций. Плазмиды азоспирилл, их свойства, функциональное значение.
Тема 6. Ассоциативные взаимоотношения симбионтов в гидробиоценозах
Типы микробиоценозов водоемов. Простейшие – бактерии, простейшие – водоросли, водоросли – водоросли, водоросли – бактерии, бактерии – бактерии. Механизмы выживания и регуляции природных ассоциаций. Лизоцим гидробионтов, антилизоцимная активность. Белки гистоны, их бактерицидная активность. Система «гистон – антигистон», ее роль в природных водоемах. Система «каталаза – перекись водорода». Регуляция межмикробных отношений симбионтов. Аутоиндукторы анабиоза (алкилоксибензолы) и аутоиндукторы аутолиза (свободные ненасыщенные жирные кислоты). Экзометаболиты. Использование лизоцимной и антилизоцимной активности гидробионтов для прогнозирования состояния водных биоценозов, выявления свежего фекального загрязнения, анализа сапропробности водоема, контроля качества воды. Применение функциональных систем микроорганизмов для разработки методов тестирования биологических свойств микроорганизмов, выделения чистых культур, подбора условий культивирования, отбора штаммов-продуцентов биологически активных веществ.
Тема 7. Эколого-биохимические взаимодействия с участием грибов и водорослей
Внутривидовые взаимодействия. Половые феромоны водорослей и грибов, их значение для репродуктивного цикла. Хемоаттрактанты клеточных слизевиков. Роль цАМФ в жизненном цикле Dictyostelium. Модель эволюционного перехода от одноклеточности к многоклеточности с участием цАМФ. Аутоингибирование фитопланктона. Межвидовые взаимодействия. Взаимодействие разных видов планктонных водорослей. Воздействие харовых водорослей на фитопланктон. Взаимодействие водорослей и грибов. Эколого-биохимические взаимодействия между разными видами грибов - паразитизм, аллелопатия, симбиоз.
Тема 8. Биохимические механизмы взаимодействия высших растений с грибами
Биохимические аспекты симбиоза грибов и растений. Биохимические особенности грибов – микоризообразователей. Ассоциативные микроорганизмы экто- и эндотрофных микориз растений. Значение грибных метаболитов для повышения устойчивости растений фитофагам. Биохимические аспекты паразитизма и нападения грибов на растении. Патотоксины. Гормоны роста. Ферменты: пектиназы, полисахаридгидролазы и т.д. Вещества, закупоривающие сосуды. Воздействие грибов на накопление в растениях токсичных метаболитов. Химические средства защиты растений от грибов. Преинфекционные соединения. Проингибитины и ингибитины. Постинфекционные соединения. Постингибитины. Фенолы и цианогенные гликозиды. Фитоалексины. Элиситоры. Ингибиторы грибных ферментов. Органические кислоты. Химическая модификация молекулы токсина. Коэволюция грибов и растений. Практическая значимость антифунгальных метаболитов растений.
Тема 9. Эколого-биохимические аспекты взаимодействия высших растений
Cистемы регуляции на разных уровнях организации растительного организма. Основные типы рецепторов, интегрированных во внешнюю клеточную мембрану, роль рецепторов, сопряженных с G-белками, ассоциированных с ферментами. Участие ионных каналов в передаче сигнала. Роль фосфоинозитольного пути и аденилатциклазной системы в клеточной регуляции у растений. Сигнальные молекулы, мессенджеры. Роль ионов кальция в клеточной регуляции и значение кальмодулиновой системы. Роль лектинов в передаче сигнала. Три механизма регуляции транскрипции. Гормоны, участвующие в клеточной регуляции. Участие этилена в регуляции роста растений. Аллелопатические взаимодействия между растениями. Примеры. Роль животных. Значение растительной аллелопатии для развития сукцессии. Значение аллелопатии в прикладной экологии. Аллелопатические взаимодействия культурных растений и сорняков. Аллелопатия и растения-интродуценты.
Тема 10. Молекулярно-генетические основы взаимодействия высших растений и животных
Концепция биохимической коэволюции растений и животных. Регуляция химическими веществами растений пищевого поведения животных-фитофагов. Азотсодержащие токсины растений. Небелковые аминокислоты. Цианогенные гликозиды. Глюкозинолаты. Алкалоиды. Пептиды и белки. Токсины растений, не содержание азот. Негликозидные токсины. Сердечные гликозиды. Пищевые детерренты и репелленты. Танниины. Алкалоиды. Белковые ингибиторы протеаз. Пищевые аттрактанты, их особенности. Взаимосвязь аттрактантов и репеллентов. Ольфакторные, байтинг- и глотательные факторы. Практическая значимость хеморегуляторов пищевого поведения фитофагов.
Растительные хеморегуляторы онтогенеза и плодовитости фитофагов. Воздействие веществ растений на беспозвоночных. Гормоны линьки членистоногих. Фитоэкдизон. Ювенильные гормоны. Работы К. Слама. Хемостериллянты. Хеморегуляторы, воздействующие на позвоночных животных. Ингибиторы плодовитости гормональной и негормональной природы. Каннабиоиды. Госсипол. Мутагены и канцерогены. Кверцетин. Пирролизидиновые алкалоиды. Антиканцерогенное действие растительных метаболитов. Стимуляторы плодовитости. Антиовипозитанты. Вторичные метаболиты растений, используемые животными. Вещества, привлекающие опылителей. Синомоны.
Тема 11. Коммуникация между животными: биохимические механизмы
Внутривидовые взаимодействия. Феромоны: релизеры и праймеры. Феромоны беспозвоночных. Половые феромоны – аттрактанты и афродизиаки. Экологические функции половых феромонов. Феромоны тревоги. Агрегационные феромоны. Феромоны следа. Феромоны метки. Феромоны со множеством функций. Феромоны позвоночных, их экологические функции. Особенности химического состава и биосинтеза феромонов. Практическое использование феромонов. Межвидовые взаимодействия. Алломоны: токсины, репелленты, приманки, вещества с несколькими функциями. Особенности химического состава и метаболизма алломонов. Практическая значимость алломонов. Кайромоны: вещества, привлекающие к пище, индукторы адаптации, факторы роста, сигналы опасности. |
