Химия жизненных процессов
1. ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Цель преподавания дисциплины: формирование научного мировоззрения в области химии жизненных процессов; изучение фундаментальных процессов жизнедеятельности, обусловливающих закономерности взаимосвязи «структура ↔ свойства ↔ биологические функции»; освоение и углубление знаний по вопросам единства, взаимозависимости и структурно-функциональной специфики живой и неживой материи; усвоение основ практических навыков биохимических исследований.
1.2. Требования по дисциплине:
а) Студент должен иметь представления: об особенностях строения биологических клеток и органелл, явлениях самоорганизации биоструктур; о важнейших классах макромолекул: белках и нуклеиновых кислотах в свете причинной обусловленности их строения и свойств; о возможных механизмах действия различных ферментов; о молекулярных механизмах апоптоза, канцерогенеза и рецепции; о физико-химических методах исследования биомолекул и их динамического состояния в организмах.
б) Студент должен уметь: систематизировать и обобщать знания, полученные при изучении лекций и других учебных, научных и научно-популярных источников информации; свободно, грамотно излагать теоретический материал по основным вопросам настоящего курса, проводить дискуссии; иметь представления о возможностях использования современных физико-химических подходов, приемов и методов для изучения особенностей протекания биохимических процессов как in vitro, так и in vivo; использовать полученные знания для постановки, проведения и интерпретации результатов экспериментальной работы.
1.3. Место курса в системе химического образования. Химия жизненных процессов – дисциплина, занимающая промежуточное положение между биолого-медицинскими и химическими дисциплинами и изучающая на молекулярном уровне процессы, лежащие в основе жизни. Раскрывая физико-химическую сущность жизненных явлений, курс «Химия жизненных процессов» оказывает огромное влияние на развитие всех отраслей естественнонаучного знания.
1.4. Методология освоения содержания курса. Для успешного усвоения материала дисциплины необходимыми являются следующие требования:
а) Общая химическая и биологическая подготовка (предшествующее изучение курсов «Теоретические основы неорганической химии», «Неорганическая химия», «Органическая химия», «Аналитическая химия», «Физическая химия», «Биология с основами экологии», «Химические основы жизни» и др.).
б) Прослушивание и осмысление лекционного материала.
в) Приобретение навыков решения экспериментальных задач в ходе выполнения учебно-исследовательских работ по различным разделам биохимии.
г) Совершенствование знаний и умений при анализе прочитанной основной и дополнительной литературы, при написании рефератов; в процессе участия в дискуссиях, конференциях.
д) Успешное прохождение рубежных контролей, сдача коллоквиумов и зачета.
Модули (разделы) дисциплины и виды занятий:
№
|
Наименование разделов дисциплины
|
Объем учебного времени по видам занятий, ч
|
Лекции
|
Практические занятия (семинары)
|
Самостоятельная работа
|
1
|
Молекулярная логика живого, биомолекулы и биоструктуры
|
10
|
5
|
10
|
2
|
Структура активных центров и механизмы действия ферментов. Иммобилизация и физико-химические методы исследования белков (ферментов)
|
12
|
6
|
27
|
3
|
Клеточный рост и апоптоз, канцерогенез, молекулярная рецепция
|
10
|
5
|
15
|
ВСЕГО ПО РАЗДЕЛАМ:
|
32
|
16
|
52
|
ИТОГО:
|
100
|
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (УЧЕБНЫЕ МОДУЛИ)
2.1. Молекулярная логика живого, биомолекулы и биоструктуры
2.1.1. Лекционный материал
Отличительные особенности биосистем. Уровни их структурно-химической организации на примере построения живой клетки, тканей, органов, организмов, биогеоценозов и биосферы в целом. Биогеохимия.
Обмен веществ и энергии в биосистемах как высокоинтегрированная система взаимосогласованных химических и физических процессов.
Представления о развитии жизни на земле в свете концепции биохимической эволюции. Искусственный синтез биологически активных веществ.
Методология дисциплин о химии жизни.
Типы и механизмы возникновения межмолекулярных взаимодействий как инструмент построения биоструктур. Принцип структурной комплементарности. Явления самоорганизации супрамолекулярных структур (мультиферментные ансамбли, органеллы клеток и др.).
Жидкокристаллическое состояние веществ в физиологических условиях: белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и пигменты. Биороль жидких кристаллов, специфика их структуры и физико-химических свойств.
Уровни структурно-функциональной организации белков как главных компонентов живых организмов. Особенности пространственной конформации белковых молекул: первичная, вторичная, супервторичная, доменная и третичная структуры, четвертичная структуры. Олигомерные белки. Аллостерические эффекты. Самопроизвольное формирование пространственных структур белковых молекул: кинетическое описание, быстрые и медленные стадии, цис-транс-изомеризация остатков пролина, пептидил-пролил-цис-транс-изомераза, образование системы правильных S–S связей, протеин-дисульфид-изомераза, образование олигомерных белков, влияние лигандов, белки-шапероны.
Структурно-функциональная организация ДНК и РНК. Комплементарные взаимодействия нуклеотидов. Природа палиндромов в РНК. Нуклеопротеины.
Молекулярное комплексообразование с участием белков, ионов металлов, гидрофобных токсичных соединений. Эффекты белковой защиты.
Денатурация, инактивация и ренатурация биополимеров. Методы изучения денатурации. Молекулярная гибридизация нуклеиновых кислот.
Современные методы изучения самоорганизации молекул на живых и модельных системах.
2.1.2. Практические занятия
Обмен веществ и энергии в биосистемах как высокоинтегрированная система взаимосогласованных химических и физических процессов.
Типы и механизмы возникновения межмолекулярных взаимодействий как инструмент построения биоструктур.
2.1.3. Индивидуальная и самостоятельная работа.
Реферативная работа. Работа с оригинальной научной литературой.
2.2. Структура активных центров и механизмы действия ферментов. Иммобилизация и физико-химические методы исследования белков (ферментов)
2.2.1. Лекционный материал
Классификация ферментов по типу катализируемых реакций. Примеры катализируемых ферментами реакций.
Механизмы связывания субстратов в активных центрах ферментов. Функциональные группы активного центра, участвующие в связывании субстратов. Типы и роль межмолекулярных взаимодействий.
Кофакторы, коферменты и простетические группы ферментов. Природа связи фермент - кофактор. Металлозависимые ферменты.
Особенности структуры активного центра и механизм действия гидролаз на примере α-химотрипсина, трипсина и эластазы.
Гликозидазы. Лизоцим: особенности механизма действия.
Кислые протеиназы на примере пепсина: особенности строения активного центра и механизма действия.
Папаин – как представитель тиоловых протеаз: особенности строения активного центра и механизма действия.
Альтернативные механизмы действия карбоксипептидазы А.
Гемсодержащие ферменты: цитохромы и пероксидазы: особенности структуры, механизмы действия.
Механизмы действия металлозависимых ферментов на примере карбоангидразы (рН-зависимость и рК групп, участвующих в катализе), механизм действия.
НАД и НАДФ-зависимые дегидрогеназы: особенности действия.
Особенности действия флавинзависимых ферментов на примере глутатионредуктазы.
ТДФ-зависимые ферменты на примере пируватдекарбоксилазы.
Пиридоксальфосфат-зависимые ферменты на примере рацемазы аминокислот.
Иммобилизованные препараты биокатализаторов (преимущества). Виды иммобилизации. Носители для иммобилизации белков (ферментов): классификация, приемы активации носителей. Физическая иммобилизация: сравнительный анализ видов физической иммобилизации. Химическая иммобилизация: выбор векторных групп (белка) для иммобилизации, химические реакции, приводящие к созданию связей белок-носитель, области применения химически иммобилизованных белков (ферментов). Стабильность иммобилизованных ферментов. Денатурация, ренативация и инактивация ферментов. Механизмы стабилизации ферментов с помощью иммобилизации.
Спектроскопические методы исследования белков. Общие положения. Абсорбционная спектроскопия (интегральная и дифференциальная). Эмпирические правила. ИК- и КР-спектроскопия. Флуоресцентная спектроскопия. Поляризация флуоресценции. Дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм. Рентгеноструктурный анализ трехмерной структуры белков. Определение молекулярных масс белков физико-химическими методами. Методы исследования кислотно-основных равновесий белков в растворах. Электрохимические методы.
2.2.2. Практические занятия.
Механизмы действия ферментов
Физико-химические методы исследования ферментов и белков.
2.2.3. Индивидуальная и самостоятельная работа.
Реферативная работа. Работа с оригинальной научной литературой.
2.3. Клеточный рост и апоптоз, канцерогенез, молекулярная рецепция
2.3.1. Лекционный материал
Кинетика роста клеточных культур: типичная кривая роста клеточной культуры. Определение параметров роста клеточной культуры: многосубстратные процессы, ингибирование и активация клеточного роста, влияние рН.
Остановка клеточного роста, апоптоз и гибель клеток. Теломеры и теломераза. Старение клеток. Кинетические модели апоптоза.
Биохимические особенности опухолевых клеток. Канцерогенез. Протоонкогены и онкобелки. Антионкогены.
Химиотерапия рака. Стратегия создания противораковых препаратов. Механизмы действия цисплатина, таксола, винбластина, винкристина, монастрола.
Механизмы лиганд-рецепторные взаимодействия. Химическое строение рецепторов и лигандов. Агонисты и антагонисты. Структурная комплементарность, одно- и многоцентровые взаимодействия. Природа сил взаимодействий. Кинетические параметры связывания лигандов с рецепторами, диссоциации лиганд-рецепторных комплексов. Определение концентрации рецепторов.
Основные теории рецепции. Строение и функции вторичных мессенджеров. Классификация рецепторов по их сопряжению со вторичными мессенджерами. Механизмы проведения, усиления и инактивации рецепторного сигнала.
Параметры рецепторного связывания: методы определения. Дискриминация моделей по кинетическим данным: методы Хилла, Бьеррума и др.
Конкурентные модели связывания нескольких видов лигандов с одним центром связывания на рецепторе. Влияние различных факторов на связывание лигандов с рецепторами: ионы переходных металлов, рН, температура.
Радиорецепторный метод и его применение в исследованиях in vivo.
2.3.2. Практические занятия.
Кинетические особенности роста клеточных культур.
Конкурентные модели связывания нескольких видов лигандов с одним центром связывания на рецепторе.
2.3.3. Индивидуальная и самостоятельная работа.
Реферативная работа. Работа с оригинальной научной литературой.
3. ФОРМЫ ОТЧЕТНОСТИ
3.1. Доклады по реферативной работе.
4. ПРИМЕРНАЯ ТЕМАТИКА РЕФЕРАТОВ
1.Биоинформатика, геномика и протеомика – науки о жизни XXI века.
2.Биохимические механизмы адаптации организмов к неблагоприятным факторам окружающей среды.
3.Биосинтез витаминов как незаменимых пищевых факторов.
4.Биосинтез гормонов как биорегуляторов.
5. Ацетилхолиновые рецепторы: классификация, структура и механизм передачи сигнала.
6. Серотонин: биосинтез, рецепторы, механизм передачи сигнала.
7. Рецепторы глутаминовой кислоты.
8. Рецепторы гистамина.
9. Принципы конструирования отдельных классов лекарственных препаратов.
10.Иммунный анализ.
11.Экобиокатализ.
5. ЛИТЕРАТУРА
5.1. Основная литература (используется студентом в качестве основного источника при изучении материала дисциплины):
1. Ленинджер А. Основы биохимии: в 3 т.М.: Мир, 1985. Т.1-3. 1056 с.
2. Страйер Л. Биохимия: в 3 т.М.: Мир, 1984-1985. Т.1-3. 936 с.
3. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. 3-е изд-е, перераб. И доп. – М.: Медицина, 2002. 704 с.
4. Строев Е.А. Биологическая химия. М.: Высш. шк., 1986. 479 с.
5. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э. и др. Основы биохимии: в 3 т./Пер. с англ. М.: Мир, 1981. 1878 с.
6. Анисимов А.А., Леонтьева А.Н., И.Ф. Александрова и др. Основы биохимии. М.: Высш. шк., 1986. 551 с.
5.2. Дополнительная литература (используется студентом для получения дополнительной информации, в качестве замены основной литературы, написания рефератов, выполнения индивидуальных теоретических и экспериментальных работ):
1. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М.: Просвещение, 1987. 815 с.
2. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. Биоорганическая химия. М.: Медицина, 1985. 480 с.
3. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. М.: Высш. шк. 2000. 479 с.
4. Кольман Я., Реммм Е. Наглядная биохимия. – М. Мир, 2000. – 496 с.
5. Северин Е.С., Алейникова Т.Л., Осипов Е.В. Биохимия: Учебник. – М.: Медицина, 2000. – 168 с.
6. Филлипович Ю.Б. Основы биохимии. – 4-е изд-е, перераб. и доп. – М.: Изд-во «Агар», 1998. – 512 с.
7. Жеребцов Н.А., Попова Т.Н., Артюхов В.Г. Биохимия: Учебник. – Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2002. – 696 с.
8. В.К. Кухта, Т.С. Морозкина, А.Д. Таганович, Э.И. Олецкий. Основы биохимии: Учебник. – М.: Медицина, 1999. – 216 с.
9. Уилсон Дж., Хант Т. Молекулярная биология клетки: Сборник задач: Пер. с англ. – М. Мир, 1994. – 520 с.
10. Мецлер Д. Биохимия. Химические реакции в живой клетке. Т.1-3./Пер. с англ. М.: Мир, 1980.
11. Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия: в 3 т./Пер. с англ. М.: Мир, 1984.
12. Мусил Я., Новакова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 216 с.
13. В.К. Плакунов. Основы энзимологии. – М.: Логос, 2002. – 128 с.
14. Сингер М., Берг П. Гены и геномы: В 2-х томах; Пер. с англ. – М.: Мир, 1998. – 373 с.
15. Николаев А.Я. Биологическая химия. М.: Медицинское информационное агентство, 2001. 496 с.
16. Слесарев В.И. Химия: Основы химии живого. СПб: Химиздат, 2001. 784 с.
17. Досон Р., Эллиот Д. Эллиот И. И др. Справочник биохимика. М.: Мир, 1991. 544 с.
18. Геннис Р. Биомебраны: Молекулярная структура и функции: Пер. с англ. – М.: Мир, 1997. – 621 с.
19. Ройт А., Бростофф Дж., Мейл Д. Имммунология. Пер. с англ. – М.: Мир, 2000. – 592 с.
20. Н.Н. Мушкамбаров, С.Л. Кузнецов. Молекулярная биология. Уч. пособие для ст. мед. Вузов. М.: ООО «Мед. инф. аг-во», 2003. – 544 с.
21. Проблема белка. Т.1.: Химическое строение белка / Е.М. Попов, П.Д. Решетов, В.М. Липкин и др. – М. :наука, 1995. 496 с.
22. Проблема белка. Т.2: Пространственное строение белка / Е.М. Попов, В.В. Демин, Е.Д. Шибанова. – М.: Наука, 1996. – 480 с.
23. Современное естествознание: Энциклопедия: в 10 т. М.: Издательский дом МАГИСТР-ПРЕСС, 2000. Т. 8. Молекулярные основы биологических процессов. 408 с.
24. Elliott W., Elliott D.C. Biochemistry and Molecular Biology. Second edition – Oxford: University Press, 2001. – 586 p.
25. Периодические издания отечественной и иностранной научной и научно-популярной литературы биолого-химического цикла.
6. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
6.1. Обучающе-контролирующие системы
работа с Internet в целях поиска информации для подготовки к написанию реферативных работ; представление иллюстрационного материала к докладам по итогам реферативной работы в мультимедийном формате. |
