КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «УТВЕРЖДАЮ» Проректор по учебной работе

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по учебной работе
______________В.С. Бухмин
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
БИОХИМИЯ МЕМБРАН
Цикл СД
Специальность: биохимия – 012300, 020208
Принята на заседании кафедры биохимии
(протокол № 1 от 09 сентября 2009 г.)
Заведующий кафедрой
_________________________ (проф. Ф.К. Алимова)
Утверждена учебно-методической комиссией
биолого-почвенного факультета КГУ
(протокол № ___ от «____» ____________ 2009 г.)
Председатель комиссии
________________________ (О.А. Тимофеева)
Рабочая программа дисциплины «Биохимия мембран»
Предназначена для студентов III курса,
по специальности: 012300, 020208 - биохимия
по специализации: 012302, 012307-молекулярная биология;
012308, 012105-молекулярная фармакология
АВТОР: к.б.н. Темников Дмитрий Алексеевич
КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ:
Основной целью курса «Биохимия мембран» является обеспечение учащихся
фундаментальными
знаниями
и
современными
представлениями
о
структурно-
функциональной организации клеточных мембран, об основных процессах и реакциях,
связанных с ними. Курс создает основу для дальнейшей специализации в различных
областях клеточной и молекулярной биологии.
Курс «Биохимия мембран» предполагает, что слушатели знакомы с курсами:
«Биохимия», «Цитология», «Физиология животных», «Микробиология», «Ботаника».
1. Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение дисциплины
«Биохимия мембран»:
•
знать структурную и функциональную организацию биологических мембран,
характеристики
мембранных
белков
и
липидов,
белок-липидные
взаимодействия в биомембранах, физико-химические механизмы стабилизации
биомембран, влияние внешних факторов на их структурно-функциональные
характеристики;
•
знать механизмы окислительного и фотосинтетического фосфорилирования,
молекулярные механизмы процессов энергетического сопряжения;
•
знать химические механизмы транспорта веществ через биомембраны,
пассивный и активный транспорт, молекулярное строение и механизмы
функционирования ионных каналов, происхождение потенциала покоя и
потенциала действия;
•
иметь представление об ионофорах и механизме транспорта ионов;
•
знать методики получения искусственных мембран, понимать их свойства и
иметь представление о сфере применения;
•
ориентироваться в методах изучения мембран.
2
2. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах).
Форма обучения
очная
Количество семестров 1
Форма контроля
№
п/п
экзамен
Виды учебных занятий
Количество часов
6 семестр
1
Всего часов по дисциплине
80
2
Самостоятельная работа
38
3
Аудиторных занятий
42
В том числе
42
лекций
семинарских (или лабораторнопрактических)
-
3. Содержание дисциплины.
3.1. ТРЕБОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
СТАНДАРТА К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ
ПРОГРАММЫ
Индекс
Всего
часов
Наименование дисциплины и ее основные разделы
ДС.Ф.04 Биохимия мембран.
Молекулярная организация биологических мембран; белки и
липиды, динамические свойства мембран, белок-липидные
взаимодействия; методы изучения состояния мембран и кинетики
мембранных ферментов; активный и пассивный транспорт через
мембраны, молекулярные механизмы функционирования ионных
каналов, транспорт неэлектролитов; модификаторы мембран;
искусственные мембраны
80
3.2. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
Количество часов
№
п/п
1
Название темы и ее содержание
лекции
История изучения строения мембран.
Типы мембран в клетке и их функции.
Современные представления о структуре и
географии мембранных доменов.
Лабораторнопрактические
занятия
4
3
2
3
4
5
6
7
8
Разнообразие мембранных белков: структура,
функции, локализация. Методы изучения и
конструирования мембран.
Мембранные системы транспорта: Na/K-АТФаза
(локализация, структура, реакционный цикл).
Мембранные системы транспорта: Ca-АТФаза
(локализация, структура, реакционный цикл).
Регуляция активности АТФаз.
Бактериальные фосфотрансферазы,
периплазматические транспортные системы,
вакуолярные Н-АТФазы.
Транспортные системы, сопряженные с переносом
электронов или с поглощением света: цитохромоксидаза, бактериородопсин.
Каналы, поры, переносчики: понятия.
Классификация транспортных белков, основанная
на механизме их действия и энергетике.
Переносчики (пермеазы, транлоказы): активные пассивные, симпорт - антипорт - унипорт.
Первичные - вторичные активные переносчики.
Каналы и поры: потенцил-зависимые Na- и Саканалы, щелевые контакты, ядерные поровые
комплексы.
Порины: структура, функции.
Траспорт белков через мембрану.
Ионофоры.
Транспортные (митохондриальные переносчики:
АТФ/АДФ-транслоказа, переносчик фосфата,
разобщающий белок) системы внутренней
мембраны митохондрий: назначение, механизм
функционирования.
Итого:
6
4
8
6
4
6
4
42
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов МоскваИжевск, Институт компьютерных исследований, 2004. – 212 с.
2. Антонов В.Ф. Биофизика М.:ВЛАДОС, 2006.- 287 с.
3. Владимирская Е.Б. Биологические основы противоопухолевой терапии. М.: АгатМед, 2001. – 110 с.
4. Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. М.: Мир, 1997. – 357
с.
5. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. В 3 томах. М.: Мир, 1993. – 676 с.
6. Дубынин В.А. Регуляторные системы организма человека. Издательский дом
«Дрофа», 2003. – 368 с.
7. Зинченко В.П., Долгачева Л.П. Внутриклеточная сигнализация. М.: Аналитическая
микроскопия, 2003. – 85 с.
8. Илющенко В.Г. Биоэнергетические, генетические и возрастные аспекты
адаптационных возможностей организма. Ужгород, 2002. – 290 с.
9. Корнеев Д.Ю. Информационные возможности метода индукции флуоресценции
хлорофилла. Киев: Альтерпресс, 2002. – 188 с.
4
10. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3 томах. М.: Мир, 1985. – 654 с.
11. Николайчик Е.А. Регуляция метаболизма. Минск, 2002. – 92 с.
12. Ревин В.В., Максимов Г.В., Колье О.Р. Биофизика: Учебник. Саранск: Изд-во
Мордов. ун-та, 2002. – 353 с.
13. Рейвн П., Эверт Р., Айкухорн С. Современная ботаника, в 2-х томах, М.: Мир, 1990.
– 874 с.
14. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для вузов; изд.4. М.:
Дрофа, 2003. – 560 с.
15. Свитцов А.А. Введение в мембранные технологии. М.: ДеЛи принт, 2007. – 280 с.
16. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989. – 324 с.
17. Темников Д.А. Мультимедийные технологии в изучении биологии. Часть I:
Мультимедийная обучающая программа «Основы биохимии: некоторые вопросы
биоэнергетики и метаболизма». Казань, 2002. – 24 с.
18. Темников Д.А., Мезина З.Р., Винтер В.Г. Мультимедийная обучающая программа
«Основы биохимии: некоторые вопросы биоэнергетики и метаболизма». - Казань:
Казанский университет. - CD-ROM - 1999-2002.
19. Хмельницкий А.И., Василевская Н.В., Черенкевич С.Н. Структура и свойства
ионных каналов биологических мембран. Изд-во БГУ, 2004. – 167 с.
20. Эдсолл Дж., Гатфренд Х. Биотермодинамика. - М.: Мир, 1986. – 253 с.
21. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: Изд-во НИИ
Биомедицинской химии РАМН, 1999. – 256 с.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Alberts B., Bray D., Lewis J. et al. Molecular biology of the cell: third edition / Garland
Publ. Inc., London., 1994.
2. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика. Издательско-торговый дом «Гранд»,
Изд-во «Фаир», Москва, 1999.
5
Приложение к программе дисциплины
«Биохимия мембран»
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ
1. Общие представления о биологических мембранах. Молекулярная и мембранная
биология. Функция мембран. Современные проблемы мембранологии.
2. Теория строения мембран. Матриксная функция мембран. Гетерогенность
мембран. Компоненты биологических мембран: липиды, белки, углеводороды,
вода.
3. Липиды.
Биологические
функции
липидов.
Классификация
липидов.Триацилглицериды. Фосфолипиды. Биосинтез липидов. Холестерин.
Липидный бислой.
4. Интегральные и периферические белки. Структурные престройки мембран.
Фазовый переход в мембране. Динамика мембранных структур.
5. Искусственные мембраны. Мицеллы. Взаимодействия,
стабилизирующие
мембраны. Гидратация липидного бислоя. Пространственная асимметрия
биологических мембран. Домены.
6. Структура эритроцитарной мембраны. Твердо-каркасная жидко-мозаичная модель
мембраны.
7. Динамика биологических мембран. Флип-флоп переходы. Микровязкость и
текучесть мембран. Типы подвижности мембранных компонентов и их временной
диапазон. Методы исследования мембран.
8. Мембранный транспорт. Перенос вещества через мембрану. Избирательная
проницаемость мембран. Равновесие по разные стороны мембраны.
9. Трансмембранное осмотическое давление. Эффект Доннана. Мембранный
потенциал.
10. Проницаемость мембран и транспорт веществ. Диффузия, облегченный транспорт.
Кинетические и термодинамические закономерности. Активный транспорт.
Ионные каналы.
11. Структура и функция транспортеров (белков-переносчиков) и ионных каналов.
Транспортные АТФ-азы. Белки мультилекарственной резистентности - АВС
транспортеры.
12. Структура и функции клеточной стенки.
13. Способы регуляции активности мембран. Изменение жирнокислотного состава
мембранных липидов. Лиганд-рецепторные взаимодействия. Фосфорилирование
мембранных белков.
14. Потенциал
действия.
Распространение
нервного
импульса.
Синапс.
Моносинаптическая рефлекторная дуга.
15. Роль мембран в клеточной сигнализации. Рецепторы. Типы мембранных
рецепторов. Механизм действия гормонов. Пути трансдукции клеточного сигнала.
16. Энергетика биологических мембран. Митохондриальные мембраны. Дыхательная
цепь митохондрий. Источники свободной энергии и ее запасание в
макроэргических соединениях. АТФ и другие макроэрги.
17. Электрон-транспортные цепи. Олигомерные комплексы дыхательной цепи.
Наружная и внутренняя мембраны митохондрий. Локализация ферментов и
переносчиков электронов. Роль мембраны в сопряжении между окислением и
фосфорилированием согласно хемоосмотической гипотезе Митчелла.
18. Понятие электрического, химического и электро-химического потенциала.
Протонный и натриевый потенциал
6
19. Типы мембран в клетке и их функции. Современные представления о структуре и
географии мембранных доменов.
20. Разнообразие мембранных белков: структура, функции, локализация
21. Мембранные системы транспорта: Na/K-АТФаза (локализация, структура,
реакционный цикл).
22. Мембранные системы транспорта: Ca-АТФаза (локализация, структура,
реакционный цикл).
23. Регуляция активности АТФаз.
24. Бактериальные фосфотрансферазы, периплазматические транспортные системы,
вакуолярные Н-АТФазы.
25. Транспортные системы, сопряженные с переносом электронов или с поглощением
света: цитохром-оксидаза, бактериородопсин.
26. Каналы, поры, переносчики: понятия.
27. Классификация транспортных белков, основанная на механизме их действия и
энергетике.
28. Переносчики (пермеазы, транлоказы): активные - пассивные, симпорт - антипорт унипорт.
29. Первичные - вторичные активные переносчики.
30. Каналы и поры: потенцил-зависимые Na- и Са-каналы, щелевые контакты, ядерные
поровые комплексы.
31. Порины: структура, функции.
32. Траспорт белков через мембрану.
33. Ионофоры.
34. Транспортные
(митохондриальные
переносчики:
АТФ/АДФ-транслоказа,
переносчик фосфата, разобщающий белок) системы внутренней мембраны
митохондрий: назначение, механизм функционирования.
35. Динамическое поведение мембранных систем и липидно-белковые взаимодействия
36. Функции биологических мембран и их компонентов. Спектроскопические методы
измерения скорости вращения липидов и белков внутри мембраны и скорости
латеральной диффузии этих компонентов в плоскости мембраны. Использование
спиновых или флуоресцентных зондов.
37. Мембраны эритроцитов.
38. Миелиновые мембраны.
39. Мембраны хлоропластов.
40. Внутренняя (цитоплазматическая) мембрана бактерий.
41. Мембрана вирусов.
42. Разнообразие и роль мембран в функционировании прокариотических и
эукариотических клеток. Морфология мембран, их выделение. Дифракция
рентгеновских лучей, электронная микроскопия.
43. Разрушение клеток, разделение мембран. Критерии чистоты мембранных фракций.
44. Белки и липиды как основные компоненты мембран. Фосфолипидный состав
субклеточных мембран печени крысы. Длинные углеводородные цепи. Мембраны
грамположительных бактерий.
45. Пути биосинтеза мембранных липидов и механизмы их доставки к местам
назначения.
46. Процесс образования мембран. Особенности экзоцитозного пути. Характерные
особенности биосинтеза мембранных белков. Сигналы для сортировки белков в
эукариотических клетках. Изменения липидного состава мембран в ответ на
изменения условий окружающей среды.
47. Особенности пассивного и активного транспорта веществ через мембрану, явления
эндо- и экзоцитоза.
48. Характеристика ионных каналов: ацетилхолиновый, натриевый, кальциевый.
7
49. Функции поровых комплексов и поринов, молекулы используемые в качестве их
моделей.
50. Асимметрия мембран.
51. Топография мембранных белков и использование протеаз для ее определения.
52. Трансмембранное и латеральное распределение мембранных компонентов.
53. Свойства, степень ассоциации и функции эритроцитарных мембранных белков.
54. Химическая модификация фосфолипидов.
55. Биологическое значение, классификация, изучение и регуляция каталитической
активности ферментов биологической мембраны, их отличия от растворимых
ферментов.
56. Методы реконструкции белка.
57. Функции липидов и методы изучения их влияния на мембранные ферменты.
8