Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор Института фундаментальной биологии и биотехнологии
____________/ Сапожников В.А. /
«_____»_____________2008 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Дисциплина _____ СД.Ф.2 Биоэнергетика ____
(наименование дисциплины в соответствии с ФГОС ВПО и учебным планом)
Укрупненная группа ____020000 - Естественные науки .
(номер и наименование укрупненной группы)
Специальность ___________ 020208.65 Биохимия .
(номер и наименование специальности)
Институт Фундаментальной биологии и биотехнологии .
Кафедра Физико-химической биологии__ _
Красноярск
2008
РАБОЧАЯ программа дисциплины
составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по укрупненной группе 020000 - Естественные науки
__________________________________________________________________
(указывается номер и наименование укрупненной группы)
специальности 020208.65 Биохимия
(указывается номер и наименование направления (специальности)
Программу составила: доцент Замай Т.Н.
Заведующий кафедрой Кратасюк В.А.
(фамилия, и. о., подпись)
«_____»____________2008г.
Учебная программа обсуждена на заседании кафедры физико-химической биологии
«_____»____________2008г. протокол
Заведующий кафедрой Кратасюк В.А.
(фамилия, и. о., подпись)
Учебная программа обсуждена на заседании НМСФ _____________
__________________________________________________________________
«_____» __________________ 2008 г. протокол № _____________
Председатель НМСФ __________________________________________
(фамилия и. о., подпись)
Дополнения и изменения в учебной программе на 200 __/200__ учебный год.
В учебную программу вносятся следующие изменения: _____________
____________________________________________________________________________________________________________________________________
Учебная программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры _______
«____» _____________ 2008г. протокол № ________
Заведующий кафедрой Кратасюк В.А.
(фамилия, и.о., подпись)
Внесенные изменения утверждаю:
Заведующий кафедрой Кратасюк В.А.
(фамилия, и. о., подпись)
1. Цели и задачи изучения дисциплины
1.1. Цель преподавания дисциплины
Дисциплина СД.Ф.2 «Биоэнергетика» входит в перечень дисциплин программы 020208.65 «Биохимия» подготовки специалистов данного профиля в соответствии с 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;
знать механизмы окислительного и фотосинтетического фосфорилирования, молекулярные механизмы процессов энергетического сопряжения;
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 специальности 020208.65 «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
часов
5 семестр
|
Общая трудоемкость дисциплины
|
80
|
Аудиторные занятия:
|
48
|
Лекции
|
32
|
семинарские занятия
|
16
|
Самостоятельная работа:
|
32
|
изучение теоретического курса (ТО)
|
13
|
Реферат
|
10
|
Задания
|
7
|
промежуточный контроль
|
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
часов
|
ПЗ или СЗ
часов
|
ПК
часов
|
Самостоятельная работа часов
|
1
|
Основные понятия биоэнергетики
|
2
|
2
|
|
2
|
2
|
Механизмы трансформации энергии в биологических системах
|
28
|
13
|
2
|
33
|
3.2. Содержание тем лекционного курса
Список лекций:
1. Основные понятия биоэнергетики. Законы термодинамики. Аудиторных (2 ч.)
2. Законы биоэнергетики. Аудиторных (2 ч.)
3. Эволюция энергопреобразующих систем. Энергосопрягающие мембраны. Аудиторных (2 ч.)
4. Разность электрохимических потенциалов ионов Н+ и Na+ (ΔμН и ΔμNa). Методы мембранной биоэнергетики. Первичные ΔμН-генераторы и вторичные ΔμН-генераторы. Аудиторных (2 ч.)
5. Циклическая редокс-цепь фотосинтезирующих бактерий и нециклическая редокс-цепь зеленых бактерий. Аудиторных (2 ч.)
6. Бактериородопсин. Аудиторных (2 ч.)
7. Нециклическая редокс-цепь хлоропластов и цианобактерий. Аудиторных (2 ч.)
8. Фотосистема I зеленых растений. Система расщепления воды в фотосинтезирующих растениях. Аудиторных (2 ч.) / самостоятельная работа- (2 ч.)
9. Фотосистема II зеленых растений. Q-цикл редокс-цепи фотосинтезирующих растений. Аудиторных (2 ч.)
10. Биологическое окисление. Аудиторных (2 ч.)
11. Функциональные состояния митохондрий по Чансу. Электрон-транспортная цепь митохондрий. Аудиторных (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 (2 ч.)
13. Цитохромоксидаза. Строение и механизм генерации ΔμН. Специфические ингибиторы. Механизмы транслокации протонов и генерации ΔμН+ в дыхательной цепи. Аудиторных (2 ч.)
14. Механизм энергетического сопряжения в сопрягающей мембране. Аудиторных (2 ч.)
15. ΔμН как источник энергии для образования теплоты. ΔμН-зависимые транспортные каскады. ΔμН-зависимые белки-переносчики. Аудиторных (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. Семинарские занятия
№ п/п
|
Наименование семинарских занятий, объем в часах
|
1
|
Основные понятия биоэнергетики (2 ч.)
|
2
|
Механизмы трансформации энергии на биологических мембранах
|
3
|
Циклические и нециклические цепи переноса электронов (2 часа)
|
4
|
Фотосинтез (2 ч.)
|
5
|
Дыхательная цепь митохондрий (2 ч.)
|
6
|
Механизмы транслокации протонов и электронов по электрон-транспортной цепи (2 ч.)
|
7
|
Патология митохондрий. Митохондриальные болезни. (2 ч.)
|
Темы семинарских занятий
Основные понятия биоэнергетики (2 ч.)
Основные понятия биоэнергетики (работа, энергия, энтальпия, энтропия, свободная энергия Гиббса, электрохимический потенциал). Решение задач на расчет стандартных свободных энергий по величинам констант равновесия и окислительно-восстановительных потенциалов.
2. Механизмы трансформации энергии на биологических мембранах (2 часа)
Законы биоэнергетики Скулачева. Механизмы трансформации энергии АТР в ΔμН+ и ΔμNa+. Классификация энергопреобразующих мембран, их отличие от мембран, не способных преобразовывать энергию.
3. Циклические и нециклические цепи переноса электронов (2 ч.)
Основные компоненты и принцип действия циклической редокс-цепи и пути использования ΔμΗ, образованной циклической редокс-цепью. Компоненты и механизм действия нециклической светозависимой редокс-цепи зеленых бактерий. Структура и механизм действия бактериородопсина. Структура и функции галородопсина, сенсорного родопсина и зрительного родопсина.
4. Фотосинтез (2 ч.)
Строение и функции хлоропластов. Антенные комплексы и фотохимические реакционные центры. Общая схема первичных процессов фотосинтеза. Пигмент-белковый комплекс, субъединичный состав и фотохимический реакционный центр фотосистемы I. Четырехъядерный марганцевый кластер системы расщепления воды, механизм фотолиза воды с образованием молекулярного кислорода. Пигмент-белковый комплекс, субъединичный состав и фотохимический реакционный центр фотосистемы II и Q-цикл редокс-цепи фотосинтезирующих растений. Темновые реакции фиксации углекислого газа – цикл Кальвина-Бенсона.
5. Дыхательная цепь митохондрий. (2 ч.)
Строение и функции митохондрий и их функциональные состояния. Характеристика NADH-СоQ-редуктазы, СоQ-цитохром с-редуктазы и цитохромоксидазы. Их специфические ингибиторы. Структура и механизм действия АТР-синтазного комплекса. Схема синтеза АТР в активном центре. Пути и эффективность использования ΔμН, образуемого дыхательной цепью. Отношение Р/О.
6. Механизмы транслокации протонов и электронов по электрон-транспортной цепи. (2 ч.)
Механизмы транслокации протонов и генерации ΔμН+ в дыхательной цепи. Механизм транспорта электронов в дыхательной цепи. Туннельный эффект.
7. Патология митохондрий. Митохондриальные болезни. (2 ч.)
Основные механизмы повреждения митохондрий. Приобретенные и наследуемые митохондриальные болезни.
3.4 Лабораторные занятия
Учебным планом не предусмотрены.
3.5 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
(часы)
|
Кол-во заданий
|
Объем реферата
|
1
|
Теоретическое освоение курса
|
30
|
|
|
2
|
Реферат
|
10
|
|
10 стр.
|
3
|
Задания
|
20
|
10
|
|
4
|
Промежуточный контроль
|
2
|
|
|
Темы и содержание теоретической самостоятельной работы студентов
Тема 1. Митохондриальный геном. 0, 11 з.е.
Тема 2. Механизмы переноса электронов в электрон-транспортной цепи
Тема 3. Антиоксидантная система митохондрий
Тема 4. Альтернативные функции дыхания
Тема 5. Происхождение хлоропластов и митохондрий
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
Основная литература
Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами / Под ред. Е.С. Северина, А.Я. Николаева. - М.:ГЭОТАР-МЕД, 2001. -448 с. (9)
Биохимия: Учебник /Под. ред. Е.С. Северина. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. - 784 с. (16)
Фаллер Д.М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки.-М.: Изд-во БИНОМ, 2006.-256 с. (4)
Дополнительная литература
Рубин А.Б. Биофизика. В 2-х т. М.: Книжный дом «Университет», 2000. (2)
Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989.(16)
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.
Таблица 3.6.1.
№
п/п
|
Наименование модуля,
срок его реализации
|
Перечень тем лекционного курса, входящих
в модуль
(Перечень тем в соответствии с п. 3.2)
|
Перечень практических и семинарских занятий, входящих
в модуль
(Перечень
тем в соответствии с п. 3.3)
|
Перечень самостоятельных видов работ, входящих в модуль, их конкретное наполнение
(Перечень видов работ и их содержания в соответствии с п.3.5)
|
Умения
Навыки
|
1
|
Модуль
«Механизмы трансформации энергии в биологических системах»
1-ая неделя –
15-ая неделя
|
Темы: 1-15.
|
Темы: 1-15
|
Самостоятельное изучение теоретического курса по темам: 1-5
Написание реферата
|
Знание о механизмах трансформации энергии в живых системах, терминологии биоэнергетики, истории и методов исследований. Навыки поиска литературы по темам данного раздела и решения задач.
|
5.1. Трудоемкость модулей и видов учебной работы в относительных единицах по дисциплине
Биоэнергетика
Программы для специалистов «Биохимия» 3 курса на 5 семестр 2008/2009 уч. года
№
п/п
|
Название модулей дисциплины
|
Срок реализации модуля
|
Текущая работа (50 %),
Конкретные виды текущей работы определяются преподавателем,
ведущим занятия по данной дисциплине и утверждаются на заседании кафедры.
|
Аттестация
(50 %)
|
Итого
|
Виды текущей работы
|
Сдача зачета
|
Посе-щаемость лекций
|
Выполнение семинарских работ
|
Подготовка
и сдача
рефератов
|
Промежу-
точный
контроль
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
8
|
9
|
10
|
1.
|
Всего в отн.ед.
|
|
6
|
10
|
14
|
20
|
50
|
100
|
2.
|
Модуль
«Механизмы трансформации энергии в биологических системах»
|
1-15 недели
|
6
|
10
|
14
|
20
|
50
|
100
|
ГРАФИК
учебного процесса и самостоятельной работы студентов по дисциплине Биоэнергетика 3 курса специальности «Биохимия» на 5 семестр
№ п/п
|
Наименование
Дисциплины
|
Семестр
|
Число аудиторных занятий
|
Форма
контроля
|
Часов на самостоятельную работу
|
Недели учебного процесса семестра
|
|
Всего
|
По видам
|
Всего
|
По видам
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
13
|
14
|
15
|
16
|
1
|
Биоэнергетика
|
5
|
48
|
Лекции – 32
|
экзамен
|
32
|
ТО – 13
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
Семинарские -16
|
РФ – 10
|
ВРФ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СРФ
|
|
|
|
|
СЗ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
З – 7
|
ВЗ
|
|
РЗ1
|
|
РЗ2
|
|
РЗ3
|
|
РЗ4
|
|
РЗ5
|
|
СЗ
|
|
|
|
ПК – 2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПК
|
|
|
|
|
Директор института:_______________________ В.А. Сапожников
«_______» _______________________ 2008 г. |
