МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
-
|
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по УР
_____________________________
«_____» ________________ 20__ г.
|
Рабочая программа дисциплины
на основе модульной технологии обучения
БИОКАТАЛИЗ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Направление подготовки: 240700.68 - Биотехнология
Профиль подготовки: биотехнология
Квалификация: бакалавр
Форма обучения: очная
Орел 2014 год
Составитель: __________ ассистент Дедков В.Н. «__» __________2014г.
Рецензент: __________ «__» __________2014г.
Программа разработана в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки биотехнология.
Программа обсуждена на заседании кафедры биотехнологии протокол № __ от « __» ______ 2014г.
Зав. кафедрой: _____________ д.б.н., проф. Павловская Н.Е. «__» __________2014г.
Программа рассмотрена и одобрена на заседании Ученого совета факультета биотехнологии и ветеринарной медицины протокол №__ от « __» ________ 201__ г.
Декан факультета __________________ д.б.н., проф. Масалов В.Н. «__» __________2014г.
Программа принята учебно-методической комиссией по направлению подготовки Биотехнология
протокол №____ от «____» __________201__г.
Председатель учебно-методической комиссии по направлению подготовки Биотехнология
_________________________ д.б.н., проф. Павловская Н.Е. «__» __________2014г.
Заведующий выпускающей кафедрой:______________д.б.н., проф. Павловская Н.Е. «__» _____2014г.
Директор научной библиотеки ___________________ Ишханова Е.В. «__» _________2014г.
Оглавление
Введение
1. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю), соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы (компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины)……………………………………………………....4
2. Место дисциплины в структуре образовательной программы……………………………….5
3. Объем дисциплины (модуля) в зачетных единицах с указанием количества академических часов, выделенных на контактную работу (во взаимодействии с преподавателем) обучающихся (по видам учебных занятий) и на самостоятельную работу обучающихся………………………………………….................................................................................5
4. Содержание дисциплины (модуля), структурированное по темам (разделам) с указанием отведенного на них количества академических часов и видов учебных занятий……………………...6
4.1. Содержание модулей и разделов дисциплины…………………………………………………6
4.2. Разделы дисциплин и виды занятий…………………………………………………………….7
4.3. Тематический план лекций……………………………………………………………………….8
4.4. Лабораторный практикум………………………………………………………………………...8
4.5.Самостоятельная работа студентов……………………………………………………………...9
5. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы обучающихся по дисциплине (модулю)…………………………………………………………………………………………9
6. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации обучающихся по дисциплине (модулю): .................................................................................................................................................9
7. Перечень основной и дополнительной учебной литературы, необходимой для освоения дисциплины (модуля)………………………………………………………………………………………………………13
8. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», необходимых для освоения дисциплины (модуля)………………………………………………………………...................13
9. Перечень методических указаний для обучающихся по освоению дисциплины (модуля)…………………………………………………………………………………………….………...13
10. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости)………………………………………………………………..14
11. Описание материально-технической базы, необходимой для осуществления образовательного процесса по дисциплине (модулю)………………………………………………………………………..14
Введение
Ферменты являются биологическим катализатором белковой природы, ускоряющим химические реакции в живых организмов и вне их. Ферменты обладают уникальными свойствами, которые отличают их от обычных органических катализаторов. Это, прежде всего, необычно высокая каталитическая активность. Другое важнейшее свойство ферментов - это избирательность их действия.
Ферменты играют немаловажную роль в проведении многих технологических процессов. Ферменты высокого качества позволяют улучшить технологию, сократить затраты и даже получить новые продукты. В настоящее время ферменты применяются более чем в 25 отраслях промышленности: это и пищевая промышленность, и фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, лёгкая, а так же в сельском хозяйстве.
Нанотехноло́гия — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм — это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.
Целями освоения дисциплины являются:
овладение теоретическими основами биокатализа, а так же теоретическими основами физико-химических методов, используемых для изучения механизмов действия ферментов;
формирование у студентов знаний и умений в решении профессиональных задач в области перспективных разработок и материалов нанотехнологий и методах их диагностики, в качестве основы для изучения других спецкурсов данной специализации.
Задачи изучения дисциплины:
изучить особенности ферментативного катализа и влияние изме нений активной реакции внутренних сред организма на актив ность ферментов;
объяснить особенности действия активаторов и ингибиторов ферментов и их роль в регуляции обмена веществ;
выявить роль витаминов и минеральных элементов в образова нии активных центров ферментов, использовать эти знания для объяснения роли витаминов и минеральных веществ при мышеч ной деятельности;
сформировать у студентов целостное представление об основных постулатах нанотехнологии, материалах наносистемной техники, методах диагностики нанообъектов и наносистем, основах наноиндустрии, размерных и функциональных свойствах нанообъектов нанотехнологии.
Модульно-рейтинговая система оценки качества учебной работы студентов введена для изучения курса «Биокатализ и нанотехнологии» с целью активизации самостоятельной работы студентов и стимулирования ее ритмичности. Основа модульного обучения - учебный модуль, включающий: законченный блок информации; целевую программу действий студента; рекомендации преподавателя по ее успешной реализации.
Модульная технология обеспечивает индивидуализацию обучения: по содержанию обучения, по темпу усвоения, по уровню самостоятельности, по методам и способам учения, по способам контроля и самоконтроля.
Данная учебная дисциплина по итоговой оценке знаний заканчивается экзаменом.
1. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю), соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы (компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины).
Изучение дисциплины «Биокатализ и нанотехнологии» направлено на формирование у студентов следующих компетенций:
Общекультурные (ОК)
- обладать способностью совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, получать знания в области современных проблем науки, техники и технологии, гуманитарных, социальных и экономических наук (ОК-2)
Профессиональные (ПК)
- способностью к профессиональной эксплуатации современного биотехнологического оборудования и научных приборов в соответствии с направлением подготовки (ПК- 1);
При изучении дисциплины «Биокатализ и нанотехнологии» происходит изучение преимуществ микробных синтезов, подходов к их реализации; освоение теоретических основ ферментативной кинетики; изучение возможных путей применения иммобилизованных ферментов и клеток в биотехнологическом производстве.
2. Место дисциплины в структуре образовательной программы.
Место дисциплины «Биокатализ и нанотехнологии» в структуре ООП магистратуры: СД(М).Р.4.
Дисциплина адресована студентам первого курса магистратуры по направлению биотехнология.
Программа дисциплины построена блочно-модульно. В ней выделены следующие разделы: общие представления и биологическая роль ферментов; номенклатура ферментов, класификация ферментов, коферменты, кофакторы и простетические группы, их классификация и физико-химические основы функционирования; механизм действия ферментов; кинетика и термодинамика ферментативных реакций; нанобиотехнология, общая структура нанобиотехнологии в соответствии со сферами применения; наноматериалы и нанопродукты, развитие терминологических стандартов; нанотехнологии в медицине, в сельском хозяйстве; перспективы, потенциальные опасности, эстетические аспекты нанотехнологии.
3. Объем дисциплины (модуля) в зачетных единицах с указанием количества академических или астрономических часов, выделенных на контактную работу (во взаимодействии с преподавателем) обучающихся (по видам учебных занятий) и на самостоятельную работу обучающихся.
Таблица 1 - Общая трудоемкость дисциплины 4 зачетных единицы или 144 часа.
Виды учебной нагрузки
|
Всего
часов
|
Семестр 2
|
Аудиторные занятия (всего)
в том числе:
|
72
|
72
|
Лекции
|
24
|
24
|
из них:
активные формы обучения
|
8
|
8
|
Лабораторные работы (ЛР)
|
48
|
48
|
из них:
активные формы обучения
|
16
|
16
|
Самостоятельная работа
|
72
|
72
|
Вид промежуточной аттестации
|
экзамен
|
Общая трудоемкость, час/зач. ед
|
144/4
|
144/4
|
4. Содержание дисциплины (модуля), структурированное по темам (разделам) с указанием отведенного на них количества академических и видов учебных занятий.
4.1 Содержание модулей и разделов дисциплины
Таблица 2 - Содержание модулей и разделов дисциплины
Семестр 2
(количество модулей 2)
|
Модуль I «Ферменты – биологические катализаторы»
Цель: получение студентами основных научно-практических знаний в области биокатализа, а также о механизме действия и химической кинетике ферментативных реакций
В результате усвоения данного модуля формируют компетенции ОК-2, ПК-1
|
№
п/п
|
Наименование раздела дисциплины, входящего в данный модуль.
|
Содержание раздела
|
Аудиторная (контактная) работа
|
СРС
|
1
|
Общие представления и биологическая роль ферментов
|
История изучения фермента тивных реакций. Понятие о науке "Биокатализ". Что такое ферменты; область применения ферментов; проблемы и перспективы. Ферменты-биологические катализаторы. Основные физико-химические факторы, обеспечивающие ускорение ферментативных реакций (в сравнении с реакциями, протекающими без участия ферментов). Основные отличия ферментативного и химического катализа (специфичность действия
и эффективность реакций).
|
Уровни организации белковых молекул ферментов: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура белка. Общие закономерности
формирования активного центра: аминокислотные остатки, входящие в активные центры ферментов, принципы их взаимодействия между собой и со структурными элементами субстратов. Роль гидрофобных и электростатических контактов, водородных связей и ван дер Ваальсовых сил в обеспечении специфичности действия ферментов.
|
2
|
Номенклатура ферментов. Класификация ферментов. Коферменты, кофакторы и простетические группы, их классификация и физико-химические основы функционирования
|
Закономерности функционирования основных кофакторов и коферментов: пиридоксальзависимый катализ, тиаминпирофосфат, NAD и его производные, пиримидиновые и пуриновые нуклеотиды и т. д. Механизмы
ферментативных реакций с участием указанных выше коферментов.
|
Номенклатура ферментов. Класификация ферментов. Роль металлов в катализе. Макроэргические соединения и их роль в биологических процессах.
|
3
|
Механизм действия ферментов
|
Общие закономерности в механизмах действия ферментов. Узнавание ферментами протяженных молекул ДНК, полисахаридов и т. д. Специфичность действия ферментов.
|
Роль большого числа слабых аддитивных неспецифических взаимодействий протяженных лигандов с ферментами в обеспечении высокого сродства таких лигандов. Роль специфических взаимодействий между ферментами и протяженными лигандами в обеспечении сродства и специфичности действия ферментов. Роль стадий адаптации (конформационной подгонки) структур фермента и протяженного лиганда.
|
4
|
Кинетика и термодинамика ферментативных реакций.
|
Кинетика ферментативных реакций. Понятие о величинах констант Михаэлиса (КМ) и максимальных скоростей. Уравнение Михаэлиса-Ментена и границы его применимости. Понятие о величинах констант диссоциации (Кd) фермент-субстратных комплексов. Соотношение величин КМ и Кd, характеризующих взаимодействие ферментов с субстратами. Скорость. Объем. Количество энергии. Изменение энергии в ходе химической активации.
|
Понятие об основных кинетических факторах каталитических процессов. Подходы к анализу одно, двух и многосубстратных ферментов. Экспериментальные
методы определения термодинамических и кинетических параметров, характеризующих ферментативные процессы. Границы применимости методов стационарной кинетики и понятие о нестационарной кинетике. Экспериментальные методы анализа скоростей быстрых реакций. Условия анализа реакций с помощью подходов
нестационарной кинетики; уравнения для описания нестационарного режима реакций. Примеры применения методов нестационарной кинетики.
|
Модуль II «Нанобиотехнология. Общая структура»
Цель: приобретение теоретических знаний, необходимых для освоения междисциплинарных научно-технических знаний, основанных на средствах и методах биотехнологии и нанотехнологии, занимающийся изучением и воздействием объектов нанодиапозона на биологические объекты с целью создания и производства полезных для человека продуктов, технологий и процессов.
В результате усвоения данного модуля формируют компетенции ОК-2, ПК-1
|
1
|
Нанобиотехнология. Общая структура нанобиотехнологии в соответствии со сферами применения.
|
В начале 21 века нанобиотехнология имеет междисциплмнарный характер, который основан, на комплексе знаний биотехнологий (из которых наиболее выделяется молекулярная биология) и нанотехнологий. Нанобиотехнология имеет три сформировавшихся направления: наномедицина, биомиметика и разработка методов и способов привнесения исскуственных наноразмерных частиц, различных материалов и интерфейсов в живые системы. Технология типа от нано к био, биокомпозиты.
|
Перспективы будущего развития нанобиотехнологии. Принципиальная возможность объединения биологических и электронных компонентов.
|
2
|
Наноматериалы и нанопродукты. Развитие терминологических стандартов.
|
Нанотехнологии позволяют изготовлять полупроводниковые элементы с точностью размеров до 35-100 нм. Этот диапазон размеров представляет существенный интерес для применения новых принципов и методов производства, поскольку включает в себя различные технологии, связанные с углеродными нанотрубками и возможной «самоорганизацией атомов». Природные наносистемы. Биомолекулярные наночастицы. ДНК, белки, полисахариды, молекулярные ансамбли. Активный центр фермента - самоорганизующаяся и высокоорганизованная функциональная наночастица. Наноструктуры, образуемые липидами (монослои, мицеллы, липосомы). Возможность использования полисахаридов в качестве нанобиоматериалов.
|
Проблемы внедрения нанотехнологии в промышленное производство.
|
3
|
Нанотехнологии в медицине, в сельском хозяйстве.
|
Рациональное внедрение нанотехнологических методов и материалов при манипуляции с биологическими системами, а также в разработке биосовместимых поверхностей раздела, направленной доставки лекарственных препаратов внутри организма. Фармакалогия. Обеспечение стабильного и достаточного уровня производства продуктов питания, увеличения площади посевов и повышение урожайности с\х культур. Потенциал генной технологии. Медицина и фармакология, точная механика и оптика.
|
Наноразмерные биодатчики, наноструктурные биокатализаторы, применение ДНК-чипов.
|
4
|
Перспективы. Потенциальные опасности. Эстетические аспекты нанотехнологии.
|
Перспективы связанные с историческим развитием и современным применением нанотехнологии в различных областях - электронике, медицине, биотехнологии, точной механике и оптике, автомобильной индустрии, энергетике. Социоэкономические последствия и этические аспекты внедрения нанотехнологии в жизнь современного общества.
|
Применение нанотехнологии в медицине, оптике, электронике, биотехнологии.
| |
