МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет биологических наук
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ»
Направление подготовки
Профиль подготовки
Квалификация (степень) выпускника
Форма обучения
021900 «Почвоведение»
Управление земельными ресурсами
Бакалавр
Очная
Разработчик:
Вечканов Евгений Михайлович, доцент кафедры биохимии и микробиологии
факультета биологических наук, кандидат биологических наук
г. Ростов-на-Дону – 2013 г.
1
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет биологических наук
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«Физиология и биохимия растений»
Часть 1. Биохимия растений
Направление подготовки
021900 Почвоведение
Профиль подготовки
Управление земельными ресурсами
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Кафедра биохимии и микробиологии
Курс 2
Семестр 4
Форма обучения очная
Программа разработана
Вечканов Евгений Михайлович
доцент кафедры биохимии и микробиологии
факультета биологических наук
кандидат биологических наук
Рецензент
Бондаренко Тамара Ивановна, доктор биологических наук, профессор кафедры
биохимии и микробиологии Южного федерального университета.
г. Ростов-на-Дону – 2013 г.
2
Рекомендована к утверждению
решением учебно-методической
комиссии факультета
биологических наук
протокол заседания №____ от
«____» сентября 2012 г.
Рассмотрена и рекомендована к
утверждению на заседании кафедры
биохимии и микробиологии
протокол заседания № 1 от
«08» января 2013 г.
3
I.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целями освоения дисциплины «Физиология и биохимия растений», части 1
«Биохимия растений» являются:
А) Формирование фундаментальных знаний о строении и свойствах макромолекул,
входящих в состав растений, их химических превращениях и значении этих превращений
для понимания физико-химических основ жизнедеятельности растений, молекулярных
механизмов наследственности и адаптации биохимических процессов в растительных
организмах к изменяющимся условиям окружающей среды
Б) Формирование понимания единства метаболических процессов в растительном
организме и их регуляции на молекулярном, клеточном и организменном уровнях.
Стратегической целью дисциплины «Физиология и биохимия растений», части
1 «Биохимия растений» является освоение студентами совокупности теоретических
представлений о методах и технике биохимического анализа, химическом строении
растений и совокупности биохимических процессов, протекающих в них, а также
овладение практическими навыками проведения биохимических исследований.
Результатом освоения курса «Физиология и биохимия растений», части 1
«Биохимия растений» является овладение студентами навыками эффективной реализации
знаний в области химического строения организмов и совокупности протекающих
биохимических процессов, владение технологиями биохимического анализа и
моделирования.
II.
МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП БАКАЛАВРИАТА
2.1. Дисциплина «Физиология и биохимия растений», часть 1 «Биохимия
растений» представляет собой фундаментальную дисциплину, входящую в учебном плане
в блок Б2 - естественно-научных и математических дисциплин. Студенты обучаются по
данной дисциплине в 4-м семестре. Для освоения дисциплины необходим теоретический
базис по неорганической и органической химии, аналитической химии, физической и
коллоидной химии, физики, общей биологии. Необходимы знания об электронном
строении химических связей, типах химических взаимодействий соединений, о структуре
важнейших биополимеров (белков, полисахаридов), понимание сущности биологических
процессов в живых организмах.
2.2. Для изучения данной учебной дисциплины необходимы следующие знания,
умения и навыки, формируемые предшествующими дисциплинами:
- неорганической химии;
- органической химии;
- аналитической химии;
- физической и коллоидной химии;
- физики;
- общей биологии.
4
Знания:
1. Важнейшие классы органических соединений и функциональные группы,
определяющие классы спиртов, аминов, альдегидов, карбоновых кислот.
2. Строение химических соединений и типы связей, участвующих в их
образовании
3. Структурная изомерия, структурные формулы.
4. Типы ковалентных связей в органических соединениях.
5. Основы аналитической химии (количественный и качественный анализ
химических соединений).
6. Строение и принципы жизнедеятельности клеток, единство и разнообразие
клеточных типов, воспроизведение и специализация.
Умения:
1. Применять химические анализы и исследования биологического материала и
готовой продукции.
Навыки:
1. Осуществлять необходимые исследования, анализировать и обрабатывать
полученные данные, формулировать выводы.
2. Творчески применять полученные знания, умения и навыки для решения
конкретных технологических задач.
2.3. Перечень последующих учебных дисциплин, для которых необходимы знания,
умения и навыки, формируемые данной учебной дисциплиной:
- «Физиология и биохимия растений», часть 2 «Физиология растений»
III. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
Процесс изучения дисциплины «Физиология и биохимия растений», часть 1
«Биохимия растений» направлен на формирование элементов ряда компетенций в
соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего
профессионального образования и основной образовательной программой высшего
профессионального образования по данному направлению подготовки:
Общекультурные компетенции (общенаучные, инструментальные, социальноличностные):
готовностью к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-3);
способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности
базовые знания в области математики и естественных наук, гуманитарных и
экономических наук (ОК-6);
владением основными методами, способами и средствами получения, хранения,
переработки информации, наличием навыков работы с компьютером как средством
управления информацией (ОК-12);
способностью работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-13);
владением одним из иностранных языков на уровне не ниже разговорного (ОК-14);
владением основными методами защиты производственного персонала и
5
населения от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК-15);
способностью
использовать
организационно-управленческие
навыки
в
профессиональной и социальной деятельности, имеет навыки культуры социальных
отношений, умением критически переосмысливать свой социальный опыт (ОК-16).
Профессиональные компетенции (общепрофессиональные, профессиональноспециализированные):
в производственно-технологической деятельности:
способностью применять на практике базовые общепрофессиональные знания
теории и методов полевых исследований в области почвоведения, мелиорации, физики,
химии, географии, биологии, экологии, эрозии почв, агрохимии и агрофизики, почвенноландшафтного проектирования, радиологии почв, охраны и рационального использования
почв (ПК-3);
владением методами обработки, анализа и синтеза полевой и лабораторной
информации в области почвоведения, мелиорации, физики, химии, географии, биологии,
экологии, эрозии почв, агрохимии и агрофизики, почвенно-ландшафтного
проектирования, радиологии почв, охраны и рационального использования почв (ПК-4);
способностью понимать, излагать и критически анализировать получаемую
информацию и представлять результаты исследований почвенного покрова (ПК-5);
в проектной деятельности:
умением пользоваться нормативными документами, определяющими стоимость
проведения полевых, лабораторных, вычислительных и интерпретационных работ в
области почвоведения, мелиорации, физики, химии, географии, биологии, экологии,
эрозии почв, агрохимии и агрофизики, почвенно-ландшафтного проектирования,
радиологии почв, охраны и рационального использования почв (ПК-15);
в педагогической деятельности:
владением теоретическими основами организации и планирования работ по
изучению почв (ПК-16);
применением на практике знаний теоретических основ управления в сфере
использования и охраны почвенного покрова (ПК-17);
наличием навыков культуры социальных отношений, умением излагать
теоретические основы почвоведения, вести и ассистировать лабораторные, полевые
занятия по различным разделам почвоведения для обучающихся (ПК-19);
умением работать самостоятельно и в коллективе, руководить людьми,
разъяснять и самостоятельно выполнять порученные задания (ПК-20).
В результате освоения дисциплины «Физиология и биохимия растений», часть 1
«Биохимия растений» студент должен:
Знать:
1. Свойства химических веществ, входящих в состав растительных организмов, обмене
веществ, накоплении и использовании энергии, метаболических процессах,
интеграции между ними и их регуляции.
2. Знать о биохимических процессах как in vivo, так и in vitro, применять полученные
знания для постановки и проведения экспериментальной работы.
6
1.
2.
3.
Уметь:
Классифицировать биорганические соединения и называть по структурным формулам
типичные представители биологически важных веществ.
Уметь решать ситуационные задачи по биохимии растений.
Применять полученные знания для постановки и проведения экспериментальной
работы.
Владеть:
1. Проведением качественных и количественных реакций (экспериментально) на
функциональные группы и характерные структурные фрагменты молекулы с
объяснением визуально наблюдаемого результата.
2. Правилами оформления результатов экспериментальных опытов в виде протокола.
3. Навыками работы с химической посудой, реактивами и соблюдения правил
безопасной работы в биохимической лаборатории.
IV. СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ
4.1. Содержание модулей дисциплины
№
модуля
1
1
Наименование
модуля
2
Статическая
биохимия
Содержание модуля
3
Тема 1. Аминокислоты,
пептиды, белки.
Тема 2. Витамины и
коферменты.
Тема 3. Основы биокатализа.
Тема 4. Нуклеиновые
кислоты.
Молекулярные механизмы
передачи генетической
информации.
Форма текущего
контроля
4
УО-1 – собеседование
ПР-1-письменный тест
ПР-2- домашняя контрольная
работа
ПР-6 - письменный научноучебный отчёт по практической
или лабораторной работе
УО-1 – собеседование
ПР-1-письменный тест
ПР-2- домашняя контрольная
работа
ПР-6 - письменный научноучебный отчёт по практической
или лабораторной работе
УО-1 – собеседование
УО-2 – коллоквиум
ПР-1-письменный тест
ПР-2- домашняя контрольная
работа
УО-1 – собеседование
УО-2 – коллоквиум
ПР-1-письменный тест
ПР-2- домашняя контрольная
работа
ПР-6 - письменный научноучебный отчёт по практической
или лабораторной работе
7
Тема 5. Липиды растений и
их обмен.
2
Динамическая
биохимия
Тема 6. Углеводы и
биоэнергетика растений.
Основы фотосинтеза.
Тема 7. Обмен аминокислот и
белков в растении. Азотистый
обмен.
Тема 8. Вещества вторичного
происхождения в растении и
их метаболизм.
УО-1 – собеседование
ПР-1-письменный тест
ПР-2- домашняя контрольная
работа
ПР-6 - письменный научноучебный отчёт по практической
или лабораторной работе
УО-1 – собеседование
ПР-1-письменный тест
ПР-2- домашняя контрольная
работа
ПР-6 - письменный научноучебный отчёт по практической
или лабораторной работе
УО-1 – собеседование
УО-2 – коллоквиум
ПР-1-письменный тест
ПР-2- домашняя контрольная
работа
УО-1 – собеседование
УО-2 – коллоквиум
ПР-1-письменный тест
ПР-2- домашняя контрольная
работа
4.2. Структура дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы,
72 часа:
аудиторных - 32 часа, лекционных - 16 часов, лабораторных и практических - 16 часов,
самостоятельной работы студентов (СРС) 40 часов, форма отчётности – зачёт.
Вид работы
№ семестра
Трудоемкость, часов
Общая трудоемкость
Аудиторная работа:
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Лабораторные занятия (ЛЗ)
Самостоятельная работа:
Самостоятельное изучение модулей
Самоподготовка (проработка и
повторение лекционного материала и
материала учебников и учебных
пособий, подготовка к лабораторным
и практическим занятиям,
коллоквиумам, рубежному контролю и
т.д.)
Зачет
Экзамен
4
4
4
4
4
4
4
72
32
16
6
10
40
18
4
22
4
-
8
Модули дисциплины
Количество часов
№
модуля
1
2
Аудиторная
работа
Наименование модуля
Всего
Л
ПЗ
ЛЗ
Внеауд.
работа
СР
Статическая биохимия
Динамическая биохимия
45
10
2
8
25
27
6
4
2
15
Итого:
72
16
6
10
40
4.3. Практические занятия (семинары)
№
№
занятия модуля
Тема
Кол-во часов
3
1
Основы биокатализа.
2
7
2
Обмен аминокислот и белков в растении.
Азотистый обмен.
2
8
2
Вещества вторичного происхождения в
растении и их метаболизм.
2
4.4. Лабораторные занятия
№
№
занятия модуля
1
1
2
1
4
1
Тема
Цветные реакции на аминокислоты и белки:
нингидриновая реакция, биуретовая реакция,
ксантопротеиновая реакция, реакция
Адамкевича, реакция Сакагучи, реакция Фоля.
Водорастворимые
и
жирорастворимые
витамины: качественные реакции на витамины
В6 (пиридоксин),
В2 (рибофлавин),
РР
(никотиновая
кислота),
E
(токоферол);
количественное
определение
содержания
витамина С в овощах и фруктах.
Гидролиз нуклеиновых кислот. Качественные
реакции на компоненты нуклеотидов:
серебряная проба на пуриновые основания,
реакция Молиша на пентозную группировку,
молибденовая проба на фосфорную кислоту.
Кол-во часов
2
2
2
9
№
№
занятия модуля
5
1
6
2
Тема
Кол-во часов
Определение кислотного числа, числа
омыления и эфирного числа жира. Выделение
лецитинов куриного желтка и реакции с ними.
Реакция Либермана-Бурхарда на холестерин.
Доказательство наличия или отсутствия
холестерина в растительном материале.
Реакция Троммера на глюкозу. Реакция
крахмала с йодом.
2
2
4.5. Самостоятельное изучение модулей дисциплины
№
модуля
1
Темы/вопросы, выносимые на самостоятельное изучение
Тема 1. Аминокислоты, пептиды, белки.
Общие структурные свойства аминокислот. Асимметрический атом
углерода
в
аминокислотах.
Стереоизомерия
аминокислот.
Классификация аминокислот на основе полярности их R-групп. Физикохимические свойства аминокислот. Кривые титрования аминокислот.
Кислотно-основные свойства аминокислот. Методы разделения
аминокислот: электрофорез, хроматография. Эффективный способ
разделения аминокислот – ионообменная хроматография. Химические
реакции, характерные для аминокислот. Нингидриновая реакция.
Аминокислотный состав растительных белков.
Пептиды. Особенности аминокислотного состава пептидов, их
классификация – химическая и функциональная. Биологически
активные пептиды.
Биологические функции белков: каталитическая (ферментативная),
транспортная. Пищевые и запасные белки. Сократительные и
двигательные белки. Структурные белки. Защитные и регуляторные
белки. Классификация белков по форме их молекул: глобулярные и
фибриллярные белки. Белки простые и сложные. Неаминокислотная
часть сложного белка – простетическая группа. Классификация
сложных белков по химической природе простетических групп –
липопротеины, гликопротеины, фосфопротеины, гемопротеины,
флавопротеины, металлопротеины. Размеры белковых молекул,
молекулярные характеристики некоторых белков. Методы выделения и
очистки белков. Диализ, гель-фильтрация (гель-хроматография),
электрофорез, ионообменная хроматография.
Глобулярные белки: структура и функции. Рентгеноструктурный
анализ – эффективный метод установления структуры белков.
Миоглобин - первый белок с установленной трехмерной структурой.
Колво
часов
5
10
1
1
Миоглобины, выделенные из разных видов, имеют сходную
конформацию. Аминокислотная последовательность белка определяет
его структуру. Пептидная связь и ее свойства. Первичная структура
белков. Ь-спираль глобулярных белков. Водородная связь – основной
тип связи в поддержании Ь-спирали. Третичная структура глобулярных
белков. Силы, стабилизирующие третичную структуру глобулярных
белков: водородные связи между R-группами остатков, расположенных
в соседних петлях полипептидной цепи; электростатическое притяжение
между противоположно заряженными R-группами; гидрофобные
взаимодействия; дисульфидные поперечные связи. Олигомерные белки.
Четвертичная структура олигомерных белков. Гемоглобин – первый
белок с установленной М. Перутцем четвертичной структурой.
Фибриллярные белки. Ь-кератины (белки волос, шерсти, перьев,
рогов, ногтей) - основной тип фибриллярных белков. Ь-спираль –
форма полипептидных цепей Ь-кератина. Аминокислотные остатки,
препятствующие образованию Ь-спирали: глутаминовая кислота, лизин,
аргинин, аспарагин, серин, треонин, лейцин, пролин.
в – кератины (фиброин шелка) имеют другую конформацию
полипептидной цепи - в –структуру или складчатый слой. Коллаген и
эластин – главные фибриллярные белки соединительной ткани.
Тема 2. Витамины и коферменты. Витамины и микроэлементы:
их роль в функционировании ферментов. Витамины – незаменимые
органические микрокомпоненты пищи. Витамины – важные
компоненты коферментов и простетических групп ферментов.
Классификация витаминов. Водорастворимые и жирорастворимые
витамины. Тиамин (витамин В1) функционирует в форме
тиаминпирофосфата. Рибофлавин (витамин В2) – компонент
флавиновых нуклеотидов. Никотиновая кислота (витамин РР).
Никотинамид – активная группа коферментов НАД и НАДФ.
Пантотеновая кислота – компонент кофермента А. Пиридоксин
(витамин В6) играет важную роль в метаболизме аминокислот. Биотин
является активным компонентом биоцитина – простетической группы
некоторых ферментов, катализирующих реакции карбоксилирования.
Фолиевая
кислота
служит
предшественником
кофермента
тетрагидрофолиевой кислоты. Витамин В12 – предшественник
кофермента В12. Биохимическая функция витамина С – аскорбиновой
кислоты.
Жирорастворимые
витамины
представляют
собой
производные изопрена. Биологическая роль витамина А, витамина Д.
Витамин Е защищает клеточные мембраны от кислорода. Роль витамина
К в механизме свертывания крови. Для действия многих ферментов
требуется железо, медь, цинк, марганец, кобальт, селен и др.
Тема 3. Основы биокатализа.
Ферменты – функциональные единицы клеточного метаболизма.
Ферменты по химической природе – белки. Строение ферментов. Однои двухкомпонентные ферменты. Понятие об активном и
5
5
11
1
аллостерическом центрах. Простетические группы, кофакторы,
коферменты. НАД, ФАД, КоА и другие переносчики протонов,
электронов и функциональных химических групп. Классификация
ферментов по типу катализируемой реакции: оксидоредуктазы,
трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы. Ферменты снижают
энергию активации. Факторы, влияющие на скорость ферментативных
реакций: концентрация субстрата, рН, температура, конкурентные и
неконкурентные ингибиторы, активаторы. Константа МихаэлисаМентен. Специфичность ферментов. Кинетика ферментативного
катализа. Механизм действия ферментов. Регуляторные или
аллостерические ферменты. Регуляция аллостерических ферментов
путем нековалентного присоединения к ним молекул модуляторов.
Ковалентная модификация молекул регуляторных ферментов.
Изоферменты.
Тема 4. Нуклеиновые кислоты. Молекулярные механизмы
передачи генетической информации. Природа, функции и
локализация нуклеиновых кислот внутри клеток. ДНК. Хроматин.
Матричная РНК, транспортная РНК, рибосомная РНК. Структурные
единицы нуклеиновых кислот – нуклеотиды. Нуклеотидные единицы
ДНК и РНК содержат специфические основания, пентозы и фосфорную
кислоту. Главные пиримидиновые основания в ДНК и РНК – цитозин,
тимин и урацил, пуриновые – аденин и гуанин, пентоза – дезокси-Дрибоза и Д-рибоза. Нуклеотиды в ДНК и РНК соединены друг с другом
фосфодиэфирными связями.
ДНК – хранитель генетической
информации. Эксперименты Эвери с сотрудниками по трансформации
бактерий. Правила Э. Чаргаффа – основа для установления трехмерной
структуры ДНК. Рентгеноструктурный анализ ДНК Р. Франклин.
Двойная спираль ДНК Д. Уотсона и Ф. Крика. Понятие о
комплементарности. Водородные связи между комплементарными
азотистыми основаниями в цепях ДНК и гидрофобные взаимодействия
удерживают нуклеотидные цепи, образующие двойную спираль ДНК.
Двойные спирали ДНК могут подвергаться денатурации, т.е.
расплетаться. Некоторые физические свойства двухцепочечных ДНК
отражают соотношение в их составе пар гуанин = цитозин и аденин =
тимин. Точка плавления, плавучая плотность, гиперхромный эффект.
Гистоны, ДНК-гистоновые комплексы – нуклеосомы. Природа генов.
Структурные и регуляторные гены. Интроны и экзоны.
Репликация и транскрипция ДНК. ДНК реплицируется
полуконсервативным способом. Открытие А. Корнбергом ДНКполимераз. ДНК-репликазная система. Фрагменты Оказаки. ДНКзатравка для синтеза фрагментов Оказаки. ДНК-лигаза.
Гены транскрибируются с образованием РНК. Моногенная или
моноцистронная мРНК. Полигенная или полицистронная мРНК.
Нетранслируемые межгенные области полигенных мРНК – спейсеры.
мРНК синтезируется ДНК-зависимой РНК-полимеразой. РНК-
5
12
1
2
полимераза требует для своего функционирования ДНК. Три этапа
транскрипции ДНК. Инициация, элонгация, терминация.
Синтез белка и его регуляция. Открытия П. Замечника с
сотрудниками, заложившие основу исследований биосинтеза белка.
Пять основных этапов биосинтеза белка: активация аминокислот,
инициация полипептидной цепи, элонгация, терминация, сворачивание
и процессинг. Т-РНК, их структура, биологическая роль. Аминоацил-тРНК-синтетазы. Синтез полипептидной цепи начинается с N-конца.
Инициирующей
аминокислотой
у
прокариот
служит
Nформилметионин, а у эукариот – метионин. Химический состав и
структура рибосом. Синтез белка ингибируется различными
антибиотиками: пуромицином, тетрациклином и др. Генетический код,
его свойства.
Тема 5. Липиды растений и их обмен. Основные группы
растительных липидов. Состав растительных масел. Жирные кислоты и
триглецириды масел. Основные константы масел. Прогоркание масел.
Жирные
кислоты
–
структурные
компоненты
липидов.
Триацилглицеролы (нейтральные жиры) – простые липиды, их строение,
биологическая роль. Фосфолипиды – основные липидные компоненты
мембран, их строение. Сфинголипиды – важные компоненты мембран.
Три подкласса сфинголипидов: сфингомиелины, цереброзиды и
ганглиозиды. Цереброзиды относятся к гликолипидам. Их строение,
биологическая роль. Липоиды. Гликолипиды. Неомыляемые липиды:
стероиды и терпены. Воска – эфиры жирных кислот и
длинноцепочечных спиртов.
Полярные липиды образуют мицеллы, монослои и бислои.
Полярные липиды и белки – основные компоненты мембран.
Мембранные белки: внешние или периферические, внутренние или
интегральные, их роль. Жидкостно-мозаичная структура мембраны.
Функции мембран.
Биосинтез липидов в растениях. Биосинтез жирных кислот.
Биосинтез триглицеридов. Биосинтез воска и кутина. Биосинтез
фосфолипидов. Биосинтез гликолипидов.
Особенности биодеградации липидов у растений. в-окисление, бокисление, щ-окисление. Оксигеназный путь деградации линолевой и
линоленовой жирных кислот. Глиоксилатный цикл.
Тема 6.
Углеводы и биоэнергетика растений. Основы
фотосинтеза. Углеводы: строение и биологические функции. Три класса
углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Два
семейства моносахаридов: альдозы и кетозы. Стереоизомеры
моносахаридов. Их циклическая структура. Восстанавливающая
способность моносахаридов. Дисахариды содержат две моносахаридные
единицы: сахароза, лактоза, мальтоза. Полисахариды содержат большое
число моносахаридных остатков. Гомо- и гетерополисахариды.
Полисахариды как форма запасания клеточного топлива. Крахмал,
5
5
13
гликоген. Структурные и защитные полисахариды. Гликопротеины.
Гликозаминогликаны и протеогликаны – важные компоненты
соединительной ткани.
Обмен углеводов. Синтез, распад и превращение углеводов в
растении. Биосинтез сахарозы. Биосинтез три-, тетра- и пентасахаридов.
Биосинтез и распад крахмала. Биосинтез и распад целлюлозы.
Образование гемицеллюлоз и пектинов. Образование пентоз.
Биоэнергетика и метаболизм. Метаболизм, его функции.
Метаболические пути – последовательности реакций, катализируемых
мультиферментными системами. Метаболизм включает катаболические
и анаболические пути (процессы распада и процессы синтеза). От
катаболических реакций к анаболическим энергия передается при
помощи АТФ. НАДФН переносит энергию в форме восстановительной
способности. Центральные метаболические пути. АТФ – главный
химический посредник клетки, связывающий между собой процессы,
идущие с выделением и с потреблением энергии. Химические свойства
АТФ.
Стандартная
свободная
энергия
гидролиза
АТФ.
Высокоэнергетические
фосфорилированные соединения.
– 3фосфоглицероилфосфат, фосфоенолпируват.
Гликолиз – центральный путь катаболизма глюкозы. Гликолиз
включает две стадии – подготовительную и окислительновосстановительную. Химизм гликолиза. Фосфорилирование глюкозы,
превращение
глюкозо-6-фосфата
во
фруктозо-6-фосфат,
фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образование фруктозо-1,6дифосфата, расщепление фруктозо-1,6-дифосфата, взаимопрев-ращения
триозофосфатов. Первая стадия гликолиза завершается расщеп-лением
углеродного скелета глюкозы, на второй стадии гликолиза запасается
энергия.
Окисление
глицеральдегид-3-фосфата
до
3-фосфоглицероилфосфата,
перенос
фосфатной
группы
от
3фосфоглицероилфосфата на АДФ, превраще-ние 3-фосфоглицерата в 2фосфоглицерат, дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием
фосфоенолпирувата, перенос фосфатной группы от фосфоенолпирувата
на АДФ. Фосфорилирование на уровне субстрата. Восстановление
пирувата до лактата. Полный баланс гликолиза. В гликолиз могут
вовлекаться и другие сахара. Регуляция гликолиза. Спиртовое брожение.
Тканевое дыхание, его функции: окисление пирувата до ацетилКоА, цикл трикарбоновых кислот, цепь переноса электронов,
окислительное фосфорилирование.
Окислительное
декарбоксилирование
пирувата.
Пируватдегидрогеназный
комплекс.
Пируватдегидрогеназа,
дигидролипоил-ацетилтрансфераза,
дигидролипоилдегидрогеназа.
Химизм цикла лимонной кислоты, его биологическая роль. Регуляция
цикла трикарбоновых кислот. Вторичный путь катаболизма глюкозы:
пентозофосфатный путь, его биологическая роль.
Перенос электронов, окислительное фосфорилирование и
14
2
2
регуляция синтеза АТФ. Перенос электронов от субстратов на кислород
– источник энергии АТФ. Перенос электронов и окислительное
фосфорилирование происходят во внутренней митохондриальной
мембране. Перенос электронов сопровождается изменениями свободной
энергии. Цепь переноса электронов включает большое число
переносчиков. Пиридиновые нуклеотиды выполняют коллекторную
функцию. Убихинон, цитохромы. Неполное восстановление кислорода
ведет
к
повреждению
клеток.
Супероксидный
радикал.
Супероксиддисмутаза. Каталаза. Энергия, выделяемая при переносе
электронов, запасается в результате окислительного фосфорилирования.
Фермент, катализирующий синтез АТФ, АТФ-синтетаза или FoF1-АТФаза. Хемиосмотическая гипотеза П. Митчелла. Взаимосвязь
регуляторных механизмов гликолиза, цикла Кребса и окислительного
фосфорилирования.
Тема 7. Обмен аминокислот и белков в растении. Азотистый
обмен. Цикл азота в природе. Пути вовлечения азота в биосистему.
Особенности азотного обмена растений. Нитрогеназный комплекс. Его
строение, функционирование.
Реакции трансаминирования или переаминирования. Перенос аминогрупп катализируется трансаминазами или аминотрансферазами.
Простетическая группа трансаминаз пиридоксальфосфат – производное
пиридоксина, или витамина В6. Коллекторная функция реакций
трансаминирования. Окислительное дезаминирование глутамата. глутаматдегидрогеназа. Судьба аммиака, образующегося в результате
окислительного дезаминирования глутамата. Биосинтез глутамата,
глутамина с участием глутаминсинтетазы, глутаминаза. Мочевина
образуется в цикле мочевины. Его химизм. Три главные формы
аминного азота – свободный аммиак, мочевина и мочевая кислота.
Аммониотелические, уротелические и урикотелические животные.
Образование и роль амидов в растении.
Общие пути распада аминокислот. Образование моноаминов.
Образование диаминов. Метилирование аминокислот. Пул свободных
аминокислот и их роль в растении.
Тема 8. Вещества вторичного происхождения в растении и их
метаболизм. Содержание в растениях органических кислот
алифатического ряда. Летучие кислоты. Нелетучие органические
кислоты.
Монокарбоновые
кислоты.
Дикарбоновые
кислоты.
Трикарбоновые кислоты. Изменение содержания органических кислот
при созревании и хранении плодов и овощей. Обмен органических
кислот и высших растений. Характерные особенности основных
органических кислот растений.
Фенольные соединения. С6 - фенолы. С6-С1 - фенольные кислоты.
С6-С3-гидроксикоричные кислоты и кумарины. С6-С3- С6-флавоноиды.
Некоторые антоцианы растений. Олигомерные фенольные соединения.
Полимерные фенольные соединения. Дубильные вещества или танины.
5
5
15
Лигнины. Меланины. Образование фенольных соединений. Функции
фенолов в растении.
Гликозиды. О-гликозиды. S-гликозиды. N-гликозиды. Сгликозиды. Роль гликозидов в растении.
Терпены и терпеноиды. С5- изопрен. С10, С15-терпены и
терпеноиды – компоненты эфирных масел. Эфирные масла. Роль
эфирных масел в растении. Получение эфирных масел. Использование
эфирных масел. С20, С25, С30-терпены и терпеноиды – компоненты смол.
Политерпены. Полипренолы. Каучук. Гутта. Биосинтез терпенов и
терпеноидов. Функции терпенов и терпеноидов в растении.
Алкалоиды.
Истинные
алкалоиды.
Протоалкалоиды.
Псевдоалкалоиды. Биосинтез алкалоидов. Функции алкалоидов в
растении.
V. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В ходе освоения учащимся дисциплины «Физиология и биохимия растений», части
1 «Биохимия растений» используются следующие виды образовательных технологий:
1. Лекция-визуализация. В ходе лекции студент преобразовывает устную и
письменную информацию в визуальную форму, выделяя при этом наиболее значимые и
существенные элементы. На лекции используются схемы, рисунки, чертежи, слайдыпрезентации, к подготовке которых привлекаются обучающиеся. Проведение лекции
проводится в виде связного развернутого комментирования подготовленных наглядных
пособий.
2. Проблемная лекция. В ходе проблемной лекции знания вводятся как
«неизвестное», которое необходимо «открыть». Проблемная лекция начинается с
вопросов, с постановки проблемы, которую в ходе изложения материала необходимо
решить. При этом выдвигаемая проблема не имеет однотипного решения, готовой схемы
нет. Данный тип лекции строится таким образом, что деятельность студента по ее усвоению приближается к поисковой, исследовательской. В ходе лекции происходит диалог
преподавателя и студентов.
3. Лекция с разбором конкретной ситуации. В ходе лекции конкретная ситуация
излагается устно или в виде краткого диафильма, видеозаписи и т. п. Студенты совместно
анализируют и обсуждают представленный материал.
4. Коллоквиум-консультация, при котором до 50% времени отводится для
ответов на вопросы студентов.
5. Интерактивная форма проведения лабораторного занятия, на котором
студенту предлагается решить конкретную задачу, с привлечением лабораторнотехнических средств, справочно-методических пособий и ресурсов Интернет.
6. Индивидуальные проблемные задания, связанные с поиском и анализом
полученной информации и формулированием выводов и готового решения, которое
формулируется в виде готового эссе.
7. Игровой имитационный метод: мозговой штурм. Применяется свободная
форма дискуссии, позволяющая быстро включить в работу всех членов учебной группы.
Используется там, где требуется генерация разнообразных идей, их отбор и критическая
16
оценка. Этапы продуцирования идей и их анализа намеренно разделены: во время
выдвижения идей запрещается их критика. Внешне одобряются и принимаются все
высказанные идеи. Больше ценится количество выдвинутых идей, чем их качество. Идеи
могут высказываться без обоснования.
8. Метод развивающей кооперации. При этом методе ставится задача, которую
трудно выполнить в индивидуальном порядке и для которой нужна кооперация,
объединение учащихся с распределением внутренних ролей в группе. Для решения
проблемы, создаются группы учащихся из 3-4 человек. «Группа формируется так, чтобы в
ней был «лидер - генератор идей», «оппонент» и «исследователь». После того, как каждая
группа предложит свой вариант решения, начинается дискуссия, в ходе которой группы
через своих представителей должны доказать истинность своего варианта решения.
Удельный вес занятий, проводимых в активных и интерактивных формах,
составляет 40% от общего числа аудиторных занятий.
VI. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ
И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ
В ходе освоения учащимся дисциплины «Физиология и биохимия растений», части 1
«Биохимия растений» используются следующие оценочные средства (таблица
применяемых оценочных средств):
Таблица применяемых оценочных средств
№
Оценочные средства
1
УО-1
2
УО-2
3
ПР-1
4
ПР-2
7
ПР-6
В ходе освоения учащимся дисциплины «Физиология и биохимия растений», части 1
«Биохимия растений» используются следующие оценочные средства:
1. Проверка выполнения домашнего задания в виде устного собеседования (УО-1).
2. Собеседование при приеме результатов экспериментальной лабораторной работы
(УО-1).
3. Проведение коллоквиума по освоенной теме (УО-2).
4. Письменный научно-учебный отчёт по практической лабораторной работе (ПР-6).
5. Письменный отчёт о домашней контрольной работе, в которой имеются
контрольные вопросы и контрольные задания (составление и заполнение таблиц и
графиков) (ПР-2).
6. Письменный тест в начале лабораторного или практического занятия по
предыдущей теме (ПР-1).
17
Контрольные задания по темам
Пример контрольного задания к теме 1 « Аминокислоты, пептиды, белки»
Заполните таблицу «Структурно-функциональная характеристика аминокислот»
№
п/п
Тривиальное
(общепринятое)
название
аминокислоты
1
Глицин
2
3
-----
Условные
обозначения
Химическое
название
аминокислоты
Аминоуксусная
кислота
-----
Структурная
формула
Предполагаемый
тип связи
в
белковой
молекуле
Функциональная
роль в
белковой
структуре
Трехбуквенные
Однобуквенные
Gly
G
---
---
---
-----
-----
-----
-----
-----
Контрольные вопросы по темам, предусматривающие письменный ответ
Пример контрольных вопросов к теме 1 «Аминокислоты, пептиды, белки».
1. Напишите моноаминодикарбоновые аминокислоты.
2. Какое биологическое значение имеют аминокислоты?
3. Назовите аминокислоты, имеющие при рН = 7,0 дополнительный отрицательный
заряд, и напишите их формулы в ионизированной форме.
4. А. Напишите гексапептид следующего строения: Ала – Фен – Асп – Тре – Цис – Арг
Б. Обозначьте С- и N-концы пептида.
В. Какие из изученных цветных реакций будут положительными с данным
пептидом?
5. Какая аминокислота в дипептиде триптофенилаланин является N-концевой?
6. Какая из аминокислот является оптически не активной?
7. Определите направления миграций (к катоду или аноду) для всех выписанных
ниже аминокислот и пептидов при заданном значении рН:
1. Глу (рН = 7)
3. Асп – Гис (рН = 1)
2. Глу (рН = 1)
4. Асп – Гис (рН = 10)
8. Укажите аминокислоты, которым принадлежат следующие радикалы:
18
9. Какая аминокислота, из приведенной ниже пары, будет сходить с ионообменной
колонки при аминокислотном анализе первой:
А. Сер, Асн
Г. Гис, Асп
Б. Ала, Гли
Д. Фен, Арг
В. Глу, Цис
Е. Глу, Лиз
Тестовое задание
Пример тестового задания к теме 1 «Аминокислоты, пептиды, белки»
Химия аминокислот и пептидов
1.
Расклассифицируйте перечисленные аминокислоты:
1
Аланин
2
3
4
5
6
7
Глицин
Лейцин
Аргинин
Фенилаланин
Цистеин
Триптофан
2.
1
2
3
4
5
6
3.
1
2
3
Незаменимые аминокислоты
Заменимые аминокислоты
Условно заменимые
А.
В.
С.
Для каждой из аминокислот укажите возможный тип дезаминирования, подобрав
соответствующие пары:
Гистидин
Тирозин
Серин
Аланин
Глутамин
Фенилаланин
А.
В.
С.
Только прямое
Только непрямое
Оба типа дезаминирования
Фенилаланин в растворе можно обнаружить с помощью:
нингидрина
HCl
CuSO4
4
5
6
NaOH
KOH
HNO3
4. Какие из перечисленных ниже цветных реакций будут положительными с данным
пептидом?
1
Биуретовая
3
Ксантопротеиновая
2
Фоля
4
Сакагучи
5. В полипептидной цепи между радикалами аминокислот могут возникать химические
связи. Выберите пары аминокислот, способных образовывать связи и укажите тип этих связей:
1
Гистидин, Аспарагин
3
Цистеин, Аланин
2
Фенилаланин, Аргинин
4
Глутамин, Лизин
19
6.
Укажите циклическую аминокислоту:
Фенилаланин
Цистеин
1
2
Валин
Метионин
3
4
VII. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Для проведения дисциплины «Физиология и биохимия растений», часть I
«Биохимия растений» студент обеспечен всей необходимой учебно-методической
литературой и доступом к программному обеспечению и Интернет-ресурсам. Вся
необходимая учебно-методическая литература имеется в библиотеке студенческого
абонемента, зональной научной библиотеке, библиотеке кафедры и преподавателя
дисциплины. Доступ
факультета,
к
зональной
Интернет-ресурсам осуществляется через интернет-класс
научной
библиотеки
и
локальной
компьютерной
сети
университета.
а) основная литература:
1.
Филипцова Г.Г., Смолич И.И. Основы биохимии растений: Курс лекций.- Мн.:БГУ,
2004. -136 с.
2.
Красильникова Л.А., Авксентьева О.А., Жмурко в.В., Садовниченко Ю.А. Биохимия
растений. - Ростов-на-Дону, «Феникс», 2004.- с. 224
3.
Д. К. Шапиро. Практикум по биологической химии. Под. Ред. А. С. Вечера., Мн.,
«Вышэйш. Школа»., 1972 - 256 с. с илл.
б) дополнительная литература:
1.
А. Ленинджер. Основы биохимии, М.: Мир, - 1985. Т.1 – С. 107-164; Т.2 – С. 571-620;
653-682.
2.
А. Уайт, Ф. Хендлер, Э. Смит. Основы биохимии, М.: Мир, - 1981 Т.1 – С. 95-120; Т.2
– С. 833-999.
3.
Зурабян С.Э. Номенклатура природных соединений. Справочное пособие. М.:
ГЭОТАР- Медиа. 2008. - 208 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1.
Иллюстративные материалы - схемы, плакаты по основным разделам программы.
2.
Презентационные материалы по курсу: Биохимия растений
3.
Интернет ресурсы:
4.
Сайт-страница автора
20
http://incampus.ru/
5.
http://indstate.edu
6.
Ресурсы по химии
http://cliffsnotes.com
7.
Информационно-справочный ресурс по биологии
http://cellbiol.ru
8.
http://virginia.edu
9.
Сайт классической молекулярной биологии
http://molbiol.ru
10. Сайт посвящённый медицинской биохимии
http://themedicalbiochemistrypage.org
11. Сайт о химии. Содержит разделы по всем видам химии
http://xumuk.ru
12. Сайт википедии
http://ru.wikipedia.org
13. Сайт посвящённый биологической химии
http://biochemistry.ru
14. Интерактивный мультимедиа учебник по органической химии
http://www.chemistry.ssu.samara.ru/
15. Учебные материалы по органической химии химфака МГУ
http://www.chem.msu.ru/rus/teaching/org.html
16. On-line учебники по органической химии
http://chemexpress.fatal.ru/Navigator/Ehandbooks.html
17. Видео по биохимии, лекции, презентации
http://med-edu.ru/biohim
18. Сайт посвящён химии
http://ximia.org/biologhim/default.htm
VIII. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
При изучении дисциплины «Физиология и биохимия растений», часть 1 «Биохимия
растений» учащиеся обеспечены всей необходимой материально-технической базой:
1. Лекционной аудиторией с мультимедийным презентационным оборудованием для
демонстрации презентаций и иллюстративного материала.
2. Аудиторией
для
лабораторного
практикума
по
биологической
химии,
21
обеспеченной химическими реактивами, лабораторной посудой и учебно-научным и
научным
оборудованием
в
соответствии
с
реализуемой
учебной
тематикой
(автоматические пипетки, нагревательные приборы, холодильное оборудование, водяная
баня, весы электронные лабораторные, весы электронные аналитические, центрифуга
низкоскоростная на 3000 об/мин, центрифуга высокоскоростная до 16000 об/мин,
фотоколориметр, спектрофотометр, спектрофлуориметр).
3. Аудиторией для семинарских занятий с мультимедийным презентационным
оборудованием для демонстрации презентаций и иллюстративного материала.
22
УЧЕБНАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ». ЧАСТЬ 1 «БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ»
Преподаватель ____________________________ Согласовано зав. каф.биохимии и микробиологии ____________________ В.В.Внуков
Курс ____ Семестр______Группа______ Направление подготовки 021900 - Почвоведение
МОДУЛЬ 1 - СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ
п/п
Виды
контрольных
мероприятий
Кол-во балов
за 1
контрольное
мероприятие
ТЕМА 1
Аминокислоты,
пептиды, белки
ТЕМА 2
Витамины и
коферменты.
ТЕМА 3
Основы
биокатализа
ТЕМА 4
Нуклеиновые
кислоты.
Молекулярные
механизмы
передачи
генетической
информации.
МОДУЛЬ 2 - ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ
ТЕМА 5
Липиды
растений
и их
обмен
ТЕМА 6
Углеводы и
биоэнергетика
растений.
Основы
фотосинтеза.
Всего
ТЕМА 7
Обмен
аминокислот
и белков в
растении.
Азотистый
обмен.
ТЕМА 8
Вещества
вторичного
происхождения
в растении и
их метаболизм.
0,5
0,5
4
7
7
21
Количество балов по модулю
Текущий контроль
Посещение
1
лекций
2
Коллоквиум
Письменный
тест
Домашнее
контрольное
задание/защита
4
домашнего
контрольного
задания
Лабораторная
работа/защита
5
лабораторной
работы
Рубежный контроль
Контрольная
1
работа
Промежуточная
аттестация
Зачет
3
1
0,5
0,5
0,5
3
0,5
0,5
0,5
7
3
2
2
2
2
2
2
2
2
16
2
3
3
3
3
3
3
3
3
24
3
3
3
3
3
3
10
15
10
20
100
23
КАЛЕНДАРНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ДИСЦИПЛИНЫ
БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Преподаватель ____________________________ Согласовано зав. каф.биохимии и микробиологии ____________________ В.В.Внуков
Курс ____ Семестр______Группа______ Направление подготовки 021900-Почвоведение
№
занятия
Кол-во
часов
№ модуля
Письменный тест
Домашнее контрольное
задание / Защита домашнего
контрольного задания
1
2
1
Аминокислоты, пептиды, белки
v
v
v
2
2
1
Витамины и коферменты.
v
v
v
3
2
1
Основы биокатализа
v
v
4
2
1
Нуклеиновые кислоты. Молекулярные механизмы
передачи генетической информации.
v
v
v
5
2
1
Липиды растений и их обмен
v
v
v
6
2
2
v
v
v
7
2
2
v
v
v
8
2
2
v
v
v
Тема
Углеводы и биоэнергетика растений. Основы
фотосинтеза.
Обмен аминокислот и белков в растении. Азотистый
обмен.
Вещества вторичного происхождения в растении и их
метаболизм.
Коллоквиум
Дата
занятия
Лабораторная работа/защита
лабораторной работы
Виды контрольных мероприятий Текущий контроль
v
Рубежный
контроль
v
v
24