1. Цель освоения дисциплины Целью освоения дисциплины «Обмен веществ и энергии в живых системах» является формирование у аспирантов навыков применения химических методов исследования обмена веществ и энергии в живых системах в профессиональной деятельности. 2. Место дисциплины в структуре ОПОП ВО Дисциплина «Обмен веществ и энергии в живых системах» относится к дисциплинам по выбору вариативной части ОПОП ВО. Дисциплина базируется на знаниях, имеющихся у аспирантов при получении высшего профессионального образования (специалитет, магистратура). Для качественного усвоения дисциплины аспирант должен: - знать: химические законы взаимодействия неорганических и органических соединений; строение веществ; - уметь: объяснять процессы, происходящие в организме с химической точки зрения; оценивать химические реакции; пользоваться лабораторным оборудованием. Дисциплина «Обмен веществ и энергии в живых системах» является базовой для сдачи кандидатского экзамена и подготовки выпускной квалификационной работы. 3. Компетенции обучающегося, формируемые в процессе изучения дисциплины «Обмен веществ и энергии в живых системах» Процесс изучения дисциплины направлен на формирование у аспирантов универсальной компетенции «способностью к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях» (УК-1), общепрофессиональной компетенции: «способностью самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий» (ОПК-1) и профессиональных компетенций: «способностью прогнозировать направление и результат биохимических и физико-химических процессов и явлений, химических превращений биологически активных молекул, происходящих в живых системах» (ПК-3); «способностью к профессиональной эксплуатации современного оборудования и научных приборов для исследования структуры, функций, биохимических, физико-химических, молекулярно-биологических механизмов жизнедеятельности биологических объектов» (ПК-4); «готовностью применять современные физико-химические методы исследований живых систем и биологических объектов для решения задач профессиональной направленности» (ПК-5); «способностью к рациональному выбору приемов и средств исследования биохимического процесса с учетом профиля своей профессиональной деятельности» (ПК-6). 2 В результате освоения дисциплины аспирант должен: - знать основные процессы обмена веществ и энергии, лежащие в основе жизнедеятельности организмов; иметь представление о единстве основных метаболических путей во всех живых системах; - уметь применять химические методы исследования обмена веществ и энергии в живых системах; - владеть химическими методами исследования обмена веществ и энергии в живых системах. 4. Структура и содержание дисциплины «Обмен веществ и энергии в живых системах» Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов, из них аудиторная работа – 54 часа, самостоятельная работа – 54 часа. Таблица 1 4 3 6 Л В 2 ПЗ В 2 Л В 2 ПЗ Т 2 max балл 3 5 Форма 2 4 Вид 1 3 3 семестр Метаболические цепи, сети и циклы. Обратимость биохимических процессов. Катаболические и анаболические процессы. Единство ос- 1 новных метаболических путей во всех живых системах. История развития энзимологии. Понятие о ферментах как о белковых веществах, обладающих каталитическими функциями. Методы выделе- 1 ния и очистки ферментов. Ферментативный катализ, белки-ферменты. Основные положения теории ферментативного катализа. Энергия активации ферментативных реакций. Образование промежуточного ком2 плекса «фермент-субстрат», доказательства его образования. Понятие об активном центре фермента и методы его изучения. Теория индуцированного активного центра. Кинетика ферментативного катализа. Обратимость действия ферментов. Начальная скорость ферментативной реакции и метод ее определе- 2 ния. Уравнение Михаэлиса-Бриггса-Холдейна. Константа Михаэлиса и методы ее нахождения. Контроль знаний Количество часов 2 Количество часов 1 Самостоятельная работа Форма проведения Тема занятия. Содержание Аудиторная работа Вид занятия № п/п Неделя семестра Структура и содержание дисциплины «Обмен веществ и энергии в живых системах» 7 8 9 10 ТК КЛ ТК УО ТК КЛ ТК УО 6 6 1 5 6 7 8 9 2 Единицы активности ферментов. Стандартная единица, удельная и молекулярная активность. Активность и числа оборотов фермента. Кофакторы и коферменты в ферментативном катализе. Простетические группы и коферменты. Химическая природа коферментов. Коферменты алифатического, ароматического и гетероциклического ряда. Витамины как предшественники коферментов. Значение металлов для действия ферментов. Негеминовые железопротеиды. Влияние физических и химических факторов на активность ферментов. Классификация ферментов и ее принципы. Классы ферментов: важнейшие представители, распространение в природе, значение их в пищевой технологии. Синтез ферментов. Теория индуцированного синтеза ферментов Жакоба и Моно. 10 Основные понятия биоэнергетики. АТФ – универсальный источник энергии в биологических системах. Соединения с высоким потенциалом переноса групп - макроэргические соединения (нуклеозид ди- и трифосфаты, пирофосфат, гуанидинфосфаты, ацилтиоэфиры). 11 Энергетическое сопряжение. Фосфорильный потенциал клетки. Нуклеозид ди- и трифосфаткиназы. Аденилаткиназная и креатинкиназная реакции. 12 Терминальное окисление. Механизмы активации кислорода. Оксидазы. Коферменты окислительно-восстановительных реакций. 13 Фотосинтез. Структура фотосинтетического аппарата. Строение и состав хлоропластов. Молекулярные механизмы функционирования хлоропластов. Хлорофилл и фотосинтетические антенны. 14 Структура фотосинтетических реакционных центров. Генерация и роль АТФ в процессах фотосинтеза. Фотолиз воды и световые реакции при фотосинтезе. Темновые реакции при фотосинтезе. 15 Биохимия пищеварения. Органная специфичность пищеварительных протеаз, липаз, гликозидаз. Распад белков, липидов и углеводов в процессе пищеварения. Роль желчных кислот в метаболизме липофильных соединений. Пристеночное пищеварение в кишечнике. Транспорт метаболитов через биологические мембраны. Понятие об активном транспорте, секреции, пиноцитозе. 16 Углеводы и их ферментативные превращения. Фосфорные эфиры сахаров и роль фосфорной кислоты в процессах превращения углеводов в организме. Ферменты, катализирующие взаимопревращения сахаров и образование фосфорных эфиров. Продукты окисления и восстановления моносахаридов. Ферменты, гидролизующие олигосахариды. 17 Биосинтез крахмала и гликогена. 4 3 4 5 6 7 8 9 3 ПЗ Т 2 6 ТК УО 3 Л Т 2 ТК КЛ 4 ПЗ Т 2 ТК УО 4 Л Т 2 ТК КЛ 5 ПЗ Т 2 ТК УО 5 Л Т 2 ТК КЛ 6 ПЗ В 2 4 ТК УО 6 ПЗ В 2 4 ТК УО 7 Л Т 2 ТК КЛ 7 ПЗ Т 2 ТК УО 8 Л В 2 ТК КЛ 8 Л В 2 ТК КЛ 9 ПЗ Т 2 ТК УО 6 6 4 4 10 1 2 18 Общая характеристика процессов распада углеводов. Гликолиз и гликогенолиз как метаболическая система. Взаимосвязь процессов гликолиза, брожения и дыхания. Спиртовое, молочнокислое, маслянокислое брожение. Основные и побочные продукты брожения. Химизм анаэробного и аэробного распада углеводов. Структура и механизм действия отдельных ферментов гликолиза и гликогенолиза. Энергетическая эффективность гликолиза, гликогенолиза и брожения. 3 4 5 6 9 Л Т 2 ПЗ Т 2 Л Т 2 21 Биосинтез жирных кислот. Биосинтез триглице11 ридов. ПЗ Т 4 22 Общие пути обмена аминокислот. Переаминирование, роль аминотрансферазы. Другие пути превращения аминокислот. Пути биосин- 12 теза аминокислот. Л Т 23 Биохимия распада аминокислот. Дезаминирование аминокислот. Типы дезаминирования. Амины и алкалоиды, пути их образования и 12 превращений. Л 19 Аэробный и анаэробный распад углеводов. Механизм окисления пировиноградной кислоты. Цикл дикарбоновых и трикарбоновых ки10 слот. Энергетическая эффективность цикла. Структура и механизм действия отдельных ферментов цикла ди- и трикарбоновых кислот. 20 Липолиз. Ферментативный гидролиз жиров. Липазы, распространение в природе и характеристика. Липоксигеназы, их свойства, механизм действия и роль в пищевой промышленности. 10 Окислительный распад жирных кислот. Энергетическая эффективность распада жирных кислот. 24 Орнитиновый цикл. Структура и механизм действия трансаминаз и отдельных ферментов 13 цикла мочевинообразования. 25 Распад нуклеопротеинов. Нуклеазы. Синтез и распад пуриновых нуклеотидов. Синтез и рас13 пад пиримидиновых нуклеотидов. 26 Синтез гема. Распад гема и обезвреживание 14 билирубина. 7 8 9 ТК КЛ ТК УО ТК КЛ ТК УО 2 ТК КЛ Т 2 ТК КЛ Л Т 2 ТК КЛ Л Т 2 ТК КЛ Л В 2 ТК КЛ ВыхК З 4 4 27 Выходной контроль ИТОГО: 54 10 54 Примечание: Условные обозначения: Виды аудиторной работы: Л – лекция, ПЗ – практическое занятие. Формы проведения занятий: В – лекция-визуализация, Т – лекция/занятие, проводимое в традиционной форме. Виды контроля: ТК – текущий контроль, ВыхК – выходной контроль. Форма контроля: УО – устный опрос, КЛ – конспект лекции, З – зачет. 5. Образовательные технологии Для успешной реализации образовательного процесса по дисциплине 5 «Обмен веществ и энергии в живых системах» и повышения его эффективности используются как традиционные педагогические технологии, так и методы активного обучения: лекция-визуализация. 6. Вопросы выходного контроля (зачета) 1. Обмен веществ и энергии, как важнейший признак жизнедеятельности. Макроэргические соединения: определение, строение, типы связей, причины их нестабильности и энергия гидролиза. Молекула АТФ как форма сохранения химической энергии в клетке. 2. Ферменты как биологические катализаторы белковой природы. Особенности действия ферментов. Строение ферментов. Множественные формы ферментов, их классификация. Изоферменты, их молекулярные разновидности, значение в клетке. 3. Особенности ферментативного катализа. Специфичность действия ферментов. Зависимость скорости ферментативных реакций от концентрации субстратов, ферментов, температуры, рН. 4. Механизм действия ферментов и ферментативная кинетика. Уравнения Михаэлиса-Ментен и Лайнуивера-Бэрка. Методы определения скорости ферментативных реакций. Единицы ферментативной активности. 5. Номенклатура и классификация ферментов, примеры каждого класса ферментов. 6. Кофакторы ферментов. Коферменты. Витамины как предшественники коферментов. Активаторы ферментов. Роль ионов металлов в ферментативном катализе. 7. Ингибиторы ферментов, обратимые и необратимые, механизмы действия. Использование ингибиторов ферментов в качестве лекарств. Определение типа ингибирования по графику Лайнуивера-Бэрка. 8. Мультиферментные ансамбли. Понятие о ключевых ферментах. 9. Пространственная локализация ферментов в клетке. Аллостерические ферменты. Примеры метаболических путей, регулируемых аллостерическими ферментами. 10. Цикл АДФ-АТФ. Основные пути фосфорилирования АДФ и использования АТФ. Структурная организация цепи переноса электронов. Окислительное фосфорилирование АДФ. Коэффициент Р/О. 11. Сопряжение окисления с фосфорилированием АДФ в дыхательной цепи. Дыхательный контроль. Разобщение дыхания и фосфорилирования. 12. НАД-зависимые дегидрогеназы и их важнейшие субстраты. Строение окисленной и восстановленной форм НАД. 13. ФАД-зависимые дегидрогеназы и их субстраты. Строение окисленной и восстановленной форм. 14. Характеристика убихинона и цитохромов цепи биологического окисления. Строение окисленной и восстановленной форм. 15. Микросомальная система окисления, роль цитохрома Р450 (схема процесса, место протекания). 6 16. Фотофосфорилирование – основной способ образования АТФ в растениях. Значение и роль фотосинтеза. Сущность фотосинтеза, световые и темновые реакции. 17. Переваривание и всасывание углеводов в желудочно-кишечном тракте человека. Ферменты гидролиза углеводов. Примеры реакций. Гликоген, метаболические пути его биосинтеза и мобилизации: биологическое значение, последовательность реакций. 18. Гликолиз: биологическая роль, последовательность реакций, обратимые и необратимые реакции, характеристика ферментов. Связь гликолиза с другими метаболическими процессами. 19. Спиртовое и молочнокислое брожение углеводов. Химизм реакций, биологическая роль. Другие типы брожения. 20. Включение фруктозы и галактозы в процесс гликолиза. 21. Пировиноградная кислота: пути использования в организме. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Строение пируватдегидрогеназного комплекса. Связь с ЦПЭ. 22. Цитратный цикл. Последовательность реакций. Связь с ЦПЭ, биологическая роль. 23. Глюконеогенез (синтез глюкозы из аминокислот и глицерина). Биологическое значение. 24. Механизмы переноса восстановительных эквивалентов из цитозоля в митохондрии: малат-аспартатный и глицерин-3-фосфатный циклы. 25. Пентозофосфатный путь превращения глюкозы. Окислительные реакции. Значение пентозофосфатного пути. 26. Переваривание липидов в желудочно-кишечном тракте человека. Переваривание фосфолипидов. Желчные кислоты: химическое строение, классификация, конъюгация с глицином и цистеином, роль желчных кислот в переваривании и всасывании жиров. Транспорт липидов в крови. 27. Ресинтез триглицеридов в эпителиальных клетках кишечникаПоследовательность реакций. 28. Особенности окисления ненасыщенных жирных кислот, с нечетным числом углеродных атомов, с разветвленным радикалом, с большим числом углеродных атомов. 29. Пути окисление высших жирных кислот: Р-окисление, последовательность реакций, биологическое значение, регуляция. 30. α- и β-окисление, последовательность реакций, биологическое значение, регуляция. 31. Биосинтез высших жирных кислот, последовательность реакций, регуляция, биологическая роль. Элонгация насыщенных ВЖК. Механизмы образования непредельных ВЖК. Структура, регуляция активности и экспрессии и функционирование десатураз жирных кислот. 32. Пути распада фосфатидов в организме. Обмен холина. Механизм биосинтеза фосфатидов (кефалина и лецитина), роль цитидиндифосфохолина в этом процессе. 33. Метаболизм кетоновых тел, последовательность реакций, биологическое значение кетоновых тел. 7 34. Холестерин, биологическая роль. Синтез, последовательность реакций. 35. Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте: ферменты, механизм активации, биологическое значение. Азотистый баланс. Биологическая ценность белков. Механизмы всасывания аминокислот в кишечнике. Транспорт аминокислот через клеточные мембраны. 36. Гниение белков в кишечнике. Механизмы обезвреживания ядовитых продуктов жизнедеятельности кишечной микрофлоры. 37. Трансаминирование аминокислот: ферменты, коферменты, биологическое значение процессов. 38. Дезаминирование аминокислот; роль глутаматдегидрогеназы в реакциях дезаминирования. Биологическое значение. 39. Переаминирование. Ферменты. Коферменты. Роль этого процесса для жизнедеятельности клетки. 40. Декарбоксилирование аминокислот. Механизмы реакций, биологическое значение. Ферменты и коферменты окислительного дезаминирования. 41. Образование и инактивация биогенных аминов. 42. Катаболизм аминокислот: образование и обезвреживание аммиака в тканях. Токсичность аммиака. Биосинтез мочевины: последовательность реакций, биологическое значение. 43. Пути обмена безазотистого остатка аминокислот. Гликогенные и кетогенные аминокислоты. Глюконеогенез из аминокислот. Значение процесса, регуляция. 44. Заменимые и незаменимые аминокислоты. Биосинтез заменимых аминокислот из глюкозы. 45. Путь превращения тирозина с образованием меланина и тироксина. Биологическая роль этих производных. 46. Путь превращения глутаминовой кислоты, цистеина, глицина с образованием глутатиона. Биологическая роль. 47. Путь превращения лизина с образованием карнитина. Биологическая роль. 48. Путь превращения гистидина и аланина с образованием карнозина и ансерина. Их биологическая роль. 49. Обмен серина. Реакции, биологическое значение. 50. Обмен метионина: реакции трансметилирования, примеры, биологическое значение. 51. Переваривание нуклеопротеинов в желудочно-кишечном тракте. Конечные продукты распада нуклеотидов. 52. Катаболизм пуриновых нуклеотидов: основные этапы, конечные продукты. Исходные субстраты синтеза. Роль витаминов в механизмах синтеза. 53. Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов. Основные этапы, конечные продукты. Источники пентоз. Роль витаминов в синтезе пиримидиновых нуклеотидов. 54. Основные этапы синтеза пуриновых нуклеотидов, регуляция. Образование 5-фосфорибозиламина, происхождение атомов пуринового ядра. 8 55. Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов. Основные этапы, конечные продукты. 56. Биосинтез дезоксирибонуклеотидов: субстраты, основные этапы синтеза. Биосинтез ТМФ. 57. Гем и гемопротеины: их строение и биологическая роль. Общая схема синтеза гема, место протекания процесса. Схема распада гема. 7. Темы рефератов Темы рефератов определяются в соответствии с тематикой научных исследований аспирантов и оформляются согласно требованиям к оформлению научных рефератов. Примерные темы: 1. Круговорот веществ в биосфере. 2. История развития энзимологии. 3. Методы выделения и очистки ферментов. 4. Энзимотерапия. 5. Иммобилизованные ферменты. 6. Использование ферментов в биотехнологии и медицине 7. Хемосинтез. 8. Растительное сырье и микробиологические процессы как источник пищевых органических кислот. 9. Значение активных форм кислорода для функционирования клетки. 10. Спиртовое, молочнокислое, маслянокислое брожение. Основные и побочные продукты брожения. 8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины а) основная литература (библиотека СГАУ) 1. Биологическая химия [Электронный ресурс]: учебник / А.Д. Таганович [и др.]. – Минск: Вышэйшая школа, 2013. – 672 c. – ISBN 978-985-06-2321-8 // Доступ с сайта научной библиотеки СГАУ – ЭБС IPRbooks 2. Блинов, В.А. Биологические мембраны : учебно-методическое пособие / В.А. Блинов, В.И. Латышев. – Саратов : ИП «Экспресс тиражирование», 2009. 3. Димитриев, А.Д. Биохимия: учебное пособие / А.Д. Димитриев, Е.Д. Амбросьева. – М.: Дашков и К, 2013. – 168 c. – ISBN 978-5-394-01790-2 // Доступ с сайта научной библиотеки СГАУ – ЭБС IPRbooks 4. Коничев, А.С. Молекулярная биология: учебник / А.С. Коничев, Г.А. Севастьянова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Академия, 2012. – 400 с. – ISBN 978-5-7695-9147-1 5. Пинчук, Л.Г. Биохимия: учебное пособие/ Л.Г. Пинчук, Е.П. Зинкевич, С.Б. Гридина; гриф УМО. – Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2011. – 364 c. – ISBN 978-5-89289-680-1 // Доступ с сайта научной библиотеки СГАУ – ЭБС IPRbooks 9 6. Плакунов, В.К. Основы динамической биохимии [Электронный ресурс]: учебник / В.К. Плакунов, ЮА. Николаев. – М.: Логос, 2010. – 216 c. – ISBN 978-5-98704-493-3 // Доступ с сайта научной библиотеки СГАУ – ЭБС IPRbooks 7. Филлипович, Ю.Б. Биологическая химия: учебное пособие / Ю.Б. Филиппович, Н.И. Ковалевская, Г.А. Севастьянова. – М.: Академия, 2008. – 256 с. – ISBN 978-5-7695-4774-4 8. Щербаков, В.Г. Биохимия: учебник / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудникова. – 3-е изд., испр. и доп. – СПб.: ГИОРД, 2009. – 472 с. – ISBN 5-98879-008-9 б) дополнительная литература 1. Березов, Т.Т. Биологическая химия /Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. – М.: Медицина, 2002. – 704 с. – ISBN 5-225-02709-1 2. Глазко, В.И. Толковый словарь терминов по молекулярной биологии, генетике, селекции, биоинформатике (в двух томах) / В.И. Глазко, Г.В. Глазко. – М.: Медицина, 2008. – 640 с. – ISBN 978-5-94628-255-0. – ISBN 978-5-94628269-7 (т. 1) 3. Глик, Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ. / Б. Глик, Дж. Пастернак. – М. : Мир, 2002. 4. Кнорре, Д.Г. Биологическая химия : учебник./Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина – М. : Высшая школа, 2002. – 479 с. – ISBN 5-06-003720-7 5. Комов, В.П. Биохимия: учебник / В.П. Шведова В.Н. Комов. – М. : Дрофа, 2004. – 640 с. – ISBN 5-7107-5613-X 6. Мушкамбаров, Н.Н. Молекулярная биология / Н.Н. Мушкамбаров, С.Л. Кузнецов. – М.: Мединформагенство, 2003. – 417 с. – ISBN: 5-89481-140-6 7. Николаев, А.Я. Биологическая химия: учебник / А.Я. Николаев – М. : Высшая школа, 1998. – 496 с. – ISBN 5-89481-027-2 8. Овчинников, Ю.А. Биоорганическая химия / Ю.А.Овчинников – М. : Просвещение, 1987. – 815 с. 9. Осипова,О.В. Биоорганическая химия : Конспект лекций / О.В. Осипова, А.В. Шустов. – М. : Эксмо, 2007. – 192 с. – ISBN 978-5-699-21544-7 10. Патрушев, Л.И. Искусственные генетические системы / Л.И. Патрушев. – М.: Наука, 2004. – 530 с. – ISBN 5-02-032893-6 11. Строев, Е.А. Биологическая химия : учебник / Е.А.Строев – М. : Высшая школа, 1989. – 479 с. 12. Тюкавкина, Н.А. Биоорганическая химия : учебник / Н.А. Тюкавкина, Ю.И. Бауков, С.Э. Зурабян. – М. : Дрофа, 2010. – 416 с. – ISBN 978-5-97042102-4 13. Журналы: Биотехнология, Аграрный научный журнал, Прикладная биохимия и микробиология. в) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы, Агропоиск, полнотекстовая база данных иностранных журналов Doal, поисковые системы Rambler, Yandex, Google: 10 Белок и все о нем: Электронный учебник о химическом составе, строении, свойствах и биологических функциях белковых молекул – www.Beloks.narod.ru Он-лайн учебник по биохимии – www.xumuk.ru Биотехнологический портат Bio-X – http://bio-x.ru Журнал «Биотехнология» (аннотации статей) – http://www.genetika.ru/journal Журнал «Вестник биотехнологии и физико-химической биологии» – http://www.biorosinfo.ru/archive/journal Журнал «Прикладная биохимия и микробиология» http://www.inbi.ras.ru/pbm/pbm.html Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» – http://cbio.ru Фармацевтический новостной ресурс «Новости GMP» – http://gmpnews.ru Фонд знаний «Ломоносов» – http://www.lomonosov-fund.ru Химический сервер – http://www.himhelp.ru Электронная библиотека СГАУ – http://library.sgau.ru 9. Материально-техническое обеспечение дисциплины Для проведения занятия используется следующее материальнотехническое обеспечение: комплект мультимедийного оборудования; лабораторные приборы и оборудование Межфакультетской учебно-научной испытательной лаборатории по определению качества пищевой и сельскохозяйственной продукции, Учебно-научной лаборатории для магистрантов, Учебно-научной лаборатории «Геном», Центра коллективного пользования «Молекулярная биология», Лаборатории экологического мониторинга. Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направлению подготовки 06.06.01 Биологические науки. 11