Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
БИОЭНЕРГЕТИКА
Методические указания к самостоятельной работе студентов
Красноярск
СФУ
2012
УДК 577.1(07)
ББК 28.98 я 73
СД.Р.2
Замай, Т.Н.
Ф 20 Биоэнергетика: Методические указания к самостоятельной работе студентов [Текст] / сост. Т.Н. Замай). – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – 13 с.
ISBN 978-5-7638
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальности 012300 – Общая биохимия. В учебном пособии представлена структура дисциплины, темы лекций и вопросы для самостоятельного изучения. Кроме того, представлены примерные темы рефератов.
УДК 577.1(07)
ББК 28.98 я 73
© Сибирский
федеральный
университет, 2012
ISBN 978-5-7638 (повтор)
1. Цели и задачи изучения дисциплины
1.1. Цель преподавания дисциплины
Дисциплина СД.Ф.2 «Биоэнергетика» входит в перечень дисциплин программы «Общая биохимия» подготовки специалистов данного профиля в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования.
Биоэнергетика – один из специальных разделов биологии. Это отрасль знания, тесно связанная со многими науками, особенно с биофизикой, молекулярной биологией, энзимологией, физиологией, патофизиологией и экологией.
Цель преподавания дисциплины – изложить основные закономерности трансформации энергии в живых системах.
1.2 Задачи изучения дисциплины
В задачи курса входит:
теоретическое освоение знаний о молекулярных механизмах превращениях энергии в живых системах и механизмах регуляции энергообмена;
приобретение навыков решения задач по биоэнергетике.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
овладеть необходимыми теоретическими знаниями об основных закономерностях трансформации энергии в клетке;
иметь опыт решения задач по биоэнергетике;
иметь представление о механизмах регуляции энергетического обмена в норме и при патологии.
1.3. Межпредметная связь
Биоэнергетика – наука, занимающаяся изучением закономерностей преобразования энергии в живых организмах. Эта наука стоит на стыке теоретической физики, биологии и математики. Биоэнергетика способствует систематизации знаний студента, полученных при изучении выше перечисленных дисциплин. Знания биохимических особенностей трансформации энергии являются необходимой базой для проведения научно-исследовательской работы при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при последующей производственной деятельности, научной или педагогической работе.
В соответствии с компетенциями выпускников по направлению 012300 «Общая биохимия» уровень специалиста подразумевает способность использовать углубленные теоретические и практические знания в области биоэнергетики, демонстрировать знания фундаментальных и прикладных разделов специальных дисциплин, а также способность глубоко осмысливать и формировать диагностические решения проблем биоэнергетики путем интеграции фундаментальных биологических представлений и специализированных знаний в сфере профессиональной деятельности.
Изучение курса «Биоэнергетика» способствует формированию названных способностей и получению соответствующих знаний.
2. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
|
Всего
зачетных единиц
(часов)
5 семестр
|
Общая трудоемкость дисциплины
|
2,23 (80)
|
Аудиторные занятия:
|
1,34 (48)
|
Лекции
|
0,89 (32)
|
семинарские занятия
|
0,45 (16)
|
Самостоятельная работа:
|
0,89 (32)
|
изучение теоретического курса (ТО)
|
0,36 (13)
|
Реферат
|
0,28 (10)
|
Задания
|
0,19 (7)
|
промежуточный контроль
|
0,06 (2)
|
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
|
Экз.
|
3. Содержание дисциплины
3.1. Разделы дисциплины и виды занятий в часах (тематический план занятий)
№
п/п
|
Раздел дисциплины
|
Лекции
зачетных единиц
(часов)
|
ПЗ или СЗ
зачетных единиц
(часов)
|
ПК
зачетных
единиц
(часов)
|
Самостоятельная работа зачетных единиц (часов)
|
Реализуемые компетенции
|
1
|
Основные понятия биоэнергетики
|
0,06 (2)
|
0,06 (2)
|
|
0,06 (2)
|
ПСК-1, 3, 4, 5, 6, 11
|
2
|
Механизмы трансформации энергии в биологических системах
|
0,77 (28)
|
0,034 (13)
|
0,06 (2)
|
0,094 (33)
|
ПСК-1, 3, 4, 5, 6, 11
|
3.2. Содержание тем лекционного курса
Список лекций:
1. Основные понятия биоэнергетики. Законы термодинамики. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
2. Законы биоэнергетики. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
3. Эволюция энергопреобразующих систем. Энергосопрягающие мембраны. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
4. Разность электрохимических потенциалов ионов Н+ и Na+ (ΔμН и ΔμNa). Методы мембранной биоэнергетики. Первичные ΔμН-генераторы и вторичные ΔμН-генераторы. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
5. Циклическая редокс-цепь фотосинтезирующих бактерий и нециклическая редокс-цепь зеленых бактерий. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
6. Бактериородопсин. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
7. Нециклическая редокс-цепь хлоропластов и цианобактерий. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
8. Фотосистема I зеленых растений. Система расщепления воды в фотосинтезирующих растениях. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.) / самостоятельная работа- 0,055 з.е. (2 ч.)
9. Фотосистема II зеленых растений. Q-цикл редокс-цепи фотосинтезирующих растений. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
10. Биологическое окисление. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
11. Функциональные состояния митохондрий по Чансу. Электрон-транспортная цепь митохондрий. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
12. NADH-СоQ-редуктаза. Строение и механизм генерации ΔμН. Специфические ингибиторы. СоQ-цитохром с-редуктаза. Строение и механизм генерации ΔμН. Специфические ингибиторы. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
13. Цитохромоксидаза. Строение и механизм генерации ΔμН. Специфические ингибиторы. Механизмы транслокации протонов и генерации ΔμН+ в дыхательной цепи. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
14. Механизм энергетического сопряжения в сопрягающей мембране. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
15. ΔμН как источник энергии для образования теплоты. ΔμН-зависимые транспортные каскады. ΔμН-зависимые белки-переносчики. Аудиторных 0,055 з.е. (2 ч.)
Содержание лекционного курса:
Лекция 1. Основные понятия биоэнергетики. Законы термодинамики.
Рассматриваются основные понятия термодинамики и биоэнергетики, такие как системы и объекты, сила, работа, энергия, энтальпия, энтропия, свободная энергия Гиббса, электрохимический потенциал. 1 и 2 законы термодинамики. Расчет стандартных свободных энергий. Расчет по величинам констант равновесия. Расчет по величинам окислительно-восстановительных потенциалов. Расчет по изменениям энтальпии и энтропии. Расчет по величинам свободных энергий образований.
Лекция 2. Законы биоэнергетики.
Законы биоэнергетики Скулачева. Живые клетки – открытые термодинамические системы. Упорядоченность биологических систем.
Лекция 3. Эволюция энергопреобразующих систем. Энергосопрягающие мембраны.
Подробно рассматривается гипотеза Скулачева об эволюции энергопреобразующих мембран. Дается современная биоэнергетическая классификация мембран.
Лекция 4. Разность электрохимических потенциалов ионов Н+ и Na+ (ΔμН и ΔμNa). Методы мембранной биоэнергетики. Первичные ΔμН-генераторы и вторичные ΔμН-генераторы.
Рассматриваются методы расчета электрохимического градиента. Дается характеристика методов биоэнергетики – микроэлектродный метод, метод каротиноидного сдвига, применение ионофоров, флуоресцентные методы и др. Дается классификация первичных ΔμН-генераторов.
Лекция 5. Циклическая редокс-цепь фотосинтезирующих бактерий и нециклическая редокс-цепь зеленых бактерий.
Рассматриваются основные компоненты и принцип действия циклической редокс-цепи и пути использования ΔμΗ, образованной циклической редокс-цепью. Разбираются компоненты и механизм действия нециклической светозависимой редокс-цепи зеленых бактерий.
Лекция 6. Бактериородопсин.
Подробно рассматриваются структура и механизм действия бактериородопсина. Разбираются структура и функции других ретинальсодержащих белков – галородопсина, сенсорного родопсина, зрительного родопсина.
Лекция 7. Нециклическая редокс-цепь хлоропластов и цианобактерий.
Подробно рассматриваются строение и функции хлоропластов. Дается характеристика антенных комплексов и фотохимических реакционных центров. Дается общая схема первичных процессов фотосинтеза. Разбирается структурная организация пигмент белковых комплексов антенны.
Лекция 8. Фотосистема I зеленых растений. Система расщепления воды в фотосинтезирующих растениях.
Подробно рассматриваются пигмент-белковый комплекс, субъединичный состав и фотохимический реакционный центр фотосистемы I. Рассматривается функционирование четырехъядерного марганцевого кластера системы расщепления воды, механизм фотолиза воды с образованием молекулярного кислорода.
Лекция 9. Фотосистема II зеленых растений. Q-цикл редокс-цепи фотосинтезирующих растений. Цикл Кальвина-Бенсона.
Подробно рассматриваются пигмент-белковый комплекс, субъединичный состав и фотохимический реакционный центр фотосистемы II зеленых растений, Q-цикл редокс-цепи фотосинтезирующих растений. Дается характеристика темновым реакциям фиксации углекислого газа – циклу Кальвина-Бенсона.
Лекция 10. Биологическое окисление.
Роль высокоэнергетических фосфатов в биоэнергетике. Нуклеозидфосфаты, креатинфосфат, фосфоенолпируват, карбомаилфосфат. Биологическая роль АТР. Свободная энергия гидролиза АТР и других органических фосфатов. Биологическое окисление. Классификация процессов биологического окисления, локализация их в клетке. Ферменты, участвующие в биологическом окислении: оксидазы, аэробные и анаэробные дегидрогеназы, гидроксипероксидазы (пероксидазы, каталаза), диоксигеназы, монооксигеназы (оксидазы со смешанной функцией, гидроксилазы). Свободное окисление и его биологическая роль. Участие цитохрома Р-450 в микросомальном окислении эндогенных органических соединений и ксенобиотиков.
Лекция 11. Функциональные состояния митохондрий по Чансу. Электрон-транспортная цепь митохондрий.
Подробно рассматриваются строение и функции митохондрий и их функциональные состояния. Дается общая характеристика дыхательной цепи митохондрий. Разбираются механизмы транслокации протонов и генерации ΔμН+ в дыхательной цепи.
Лекция 12. NADH-СоQ-редуктаза. Строение и механизм генерации ΔμН. Специфические ингибиторы. СоQ-цитохром с-редуктаза. Строение и механизм генерации ΔμН. Специфические ингибиторы.
Дается подробная характеристика первому и третьему комплексам дыхательной цепи. Рассматриваются строение, функции, компоненты редокс-центров и их специфические ингибиторы.
Лекция 13. Цитохромоксидаза. Строение и механизм генерации ΔμН. Специфические ингибиторы. Механизмы транслокации протонов и генерации ΔμН+ в дыхательной цепи.
Дается подробная характеристика цитохромоксидазы. Рассматриваются строение, функции, компоненты редокс-центра и ее специфические ингибиторы.
Лекция 14. Механизм энергетического сопряжения в сопрягающей мембране.
Структура и функционирование АТР-синтазного комплекса. Подробно рассматривается субъединичная структура Fo-F1-комплекса. Дается схема синтеза АТР в активном центре. Пути и эффективность использования ΔμН, образуемого дыхательной цепью. Отношение Р/О.
Лекция 15. ΔμН как источник энергии для образования теплоты. ΔμН-зависимые транспортные каскады. ΔμН-зависимые белки-переносчики.
Подробно разбирается механизм разобщения окисления и фосфорилирования и функция белка термогенина, участвующего в процессах образования тепла. Карнитин как пример трансмембранного переносчика химической группировки. Роль ΔμН в транспорте макромолекул. Митохондриальный АТР/АDP-антипортер. Транспорт митохондриальных белков.
3.3 Самостоятельная работа
Самостоятельная работа студентов реализуется через самостоятельное изучение теоретического материала, выполнение реферативных работ, выполнение заданий. Все задания на индивидуальную самостоятельную работу выдаются и принимаются преподавателем по графику для выполнения самостоятельной работы.
Виды самостоятельной работы
№
п/п
|
Виды самостоятельной работы
|
Трудоемкость
з.е.
(часы)
|
Кол-во заданий
|
Объем реферата
|
1
|
Теоретическое освоение курса
|
0,42 з.е. (30 ч.)
|
|
|
2
|
Реферат
|
0,26 (10)
|
|
10 стр.
|
3
|
Задания
|
0,26 (20)
|
10
|
|
4
|
Промежуточный контроль
|
0,06 (2)
|
|
|
Темы и содержание теоретической самостоятельной работы студентов
Тема 1. Митохондриальный геном
Вопросы для самостоятельного изучения:
Гены, кодированные мтДНК (плазмагены, расположенных вне ядра (вне хромосомы)).
История открытия
Теории возникновения митохондриальной ДНК
Формы и число молекул митохондриальной ДНК
Устойчивость митохондриальной ДНК
Митохондриальная наследственность (наследственность по материнской линии, наследственность по отцовской линии)
Особенности митохондриальной ДНК
Тема 2. Механизмы переноса электронов в электрон-транспортной цепи
Вопросы для самостоятельного изучения:
Основные компоненты редокс-цепей
Редокс-центры
Редокс-цепь митохондрий
Редокс-цепь хлоропластов
Гипотезы, объясняющие перенос электронов в редокс-цепи
Туннельный эффект
Тема 3. Антиоксидантная система митохондрий
Вопросы для самостоятельного изучения:
Свободные радикалы, типы, характеристика
Образование свободных радикалов кислорода
Механизмы, препятствующие образованию свободных радикалов кислорода в митохондриях
Механизмы защиты митохондрий от свободных радикалов кислорода
Антиоксиданстная система митохондрий
Митоптоз
Тема 4. Альтернативные функции дыхания
Вопросы для самостоятельного изучения:
Клеточное дыхание
Свободное и сопряженное окисление
Запасание полезной энергии
Рассеяние энергии дыхания при терморегуляции
Дыхание как механизм образования полезных соединений
Дыхание как механизм уборки из организма вредных веществ
Тема 5. Происхождение хлоропластов и митохондрий
Вопросы для самостоятельного изучения:
Теория симбиогене́за (симбиотическая теория, эндосимбиотическая теория, теория эндосимбиоза)
Симбиотическое происхождение митохондрий и пластид Доказательства, проблемы
Гипотезы эндосимбиотического происхождения других органелл
Примеры эндосимбиозов
Преобразование энергии в митохондриях и хлоропластах
Выполнение рефератов
Реферат выполняется в объеме не менее 10 страниц машинописного текста. Реферат содержит оглавление, введение, список использованной литературы. В тексте приводятся ссылки на используемые литературные источники. Количество используемых литературных источников не может быть менее 10. Допускается использование электронных информационных ресурсов с указанием источника. Рефераты выполняются по темам, представленным ниже. Допускается выполнение реферата по теме, не указанной в списке, при условии предварительного согласования данной темы с преподавателем.
Темы рефератов
Методы регистрации трансмембранной разности протонного потенциала
Химическая природа хромофоров зрительных пигментов
Свободное окисление
Механизмы разобщения окислительного фосфорилирования
Флуоресценция и фосфоресценция
Биолюминесценция
Строение Fe-S-белков
Живые клетки – открытые термодинамические системы
Системы энергообеспечения клеток
Использование метаболизма для выработки тепла: бурая жировая ткань
АТФазы опухолевых клеток
Генерация свободных радикалов в клетке
Токсические эффекты кислорода
Митохондриальный геном
Биогенез митохондрий
Митохондриальные болезни
Происхождение митохондрий и хлоропластов
Механизмы переноса электронов в электрон-транспортной цепи
Функции дыхания
Биоэнергетические функции мембран
Альтернативные функции дыхания
Механизмы транспорта протонов водорода через внутреннюю мембрану митохондрий
Антиоксидантная система митохондрий
3.6 Содержание модулей дисциплин при использовании системы зачетных единиц
Табл. 3.6.1.
4 Учебно-методические материалы по дисциплине
4.1 Основная и дополнительная литература, информационные
Ресурсы
Список литературы
Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами / Под ред. Е.С. Северина, А.Я. Николаева. - М.:ГЭОТАР-МЕД, 2002. -448 с.(9)
Биохимия: Учебник /Под. ред. Е.С. Северина. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. - 784 с. (17)
Рубин А.Б. Биофизика. В 2-х т. М.: Книжный дом «Университет», 2000. (2)
Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989. (16)
Фаллер Д.М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки. -М.: Изд-во БИНОМ, 2006.-256 с. (4)
4.2 Перечень наглядных и других пособий, методических указаний и материалов к техническим средствам обучения
Презентации лекций по курсу «Биоэнергетика».
Иллюстрации и анимации Интернет-ресурсов.
4.3 Контрольно-измерительные материалы
1. Экзаменационные билеты.
5. Организационно-методическое обеспечение учебного процесса по дисциплине в системе зачетных единиц
Для прохождения рубежного контроля студенту необходимо выполнить и сдать преподавателю реферат на 12-ой неделе 5-го семестра. |
