РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Прикладные аспекты молекулярной биологии НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП 240700 «Биотехнология» ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ, ПРОГРАММА) Биотехнология КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) Бакалавр БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2012 г. КУРС 4 СЕМЕСТР 6 КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 4 ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б2.Б9., Б2.Б10, Б2.Б6, Б2.Б8, Б3.Б5 КОРЕКВИЗИТЫ ____________________________________________ ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС: Лекции 16 час. Лабораторные работы 32 час. АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 48 час. 48 час. ИТОГО 96 час. ФОРМА ОБУЧЕНИЯ Очная ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ Экзамен ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра Биотехнологии и органической химии 2012г. 1. Цели освоения дисциплины Цели изучения дисциплины «Прикладные аспекты молекулярной биологии» соответствуют следующим целям ООП «Биотехнология»: Выпускник ОП на основе знаний, умений, навыков приобретает компетенции, необходимые для самореализации в производственнотехнологической и проектной деятельности в области высокотехнологичных процессов получения современных лекарственных и медицинских препаратов. Выпускник ОП на основе знаний, умений, навыков приобретает компетенции, необходимые для самореализации в научноисследовательской и инновационной деятельности, связанной с выбором необходимых методов исследования, модификации существующих и разработки новых способов создания инновационного продукта. Выпускник образовательной программы на основе знаний, умений, навыков, приобретенных компетенций интегрирует знания в области фундаментальных наук для решения исследовательских и прикладных задач применительно к профессиональной деятельности. 2. Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина «Прикладные аспекты молекулярной биологии» относится к вариативной части математического и естественнонаучного цикла ООП «Биотехнология». Она связана со следующими дисциплинами: «Органическая химия», «Основы биохимии и молекулярной биологии», «Основы биотехнологии», «Основы биологии и микробиологии», а также с дисциплинами цикла «Биотехнология». Для успешного освоения дисциплины студенты должны иметь четкие знания по дисциплинам «Основы биохимии и молекулярной биологии», «Основы биотехнологии», выявляемые с помощью «входного» контроля. Кроме того, студенты должны знать общую, неорганическую и органическую химию, химию биологически активных веществ. Студентам необходимо обладать следующими навыками и компетенциями: работа с информацией в глобальных компьютерных сетях; понимание роли охраны окружающей среды и рационального природопользования для развития и сохранения цивилизации; использование знаний о современной физической картине мира, пространственно-временных закономерностях, строении вещества для понимания окружающего мира и явлений природы. Пререквизиты дисциплины: «Органическая химия», «Химия биологически-активных веществ», «Общая биология и микробиология», «Основы биохимии и молекулярной биологии», «Основы биотехнологии». 3. Результаты освоения дисциплины В процессе освоения дисциплины у студентов должны быть развиты компетенции: 1.Универсальные (общекультурные) Способность самостоятельно совершенствовать и развивать свой интеллектуальный, общекультурный и профессиональный уровень, добиваться нравственного и физического совершенствования своей личности; Демонстрировать понимание вопросов устойчивого развития современной цивилизации, безопасности и здравоохранения, юридических аспектов, ответственности за инженерную деятельность, влияние инженерных решений на социальный контекст и социальную среду. 2. Профессиональные Способность к овладению базовыми знаниями в области базовых естественных и технических наук, применение их в различных видах профессиональной деятельности; Быть способным к планированию, проведению теоретических и экспериментальных исследований, обработке полученных результатов и представлению их в форме, адекватной задаче; Быть способным к организационно-управленческой и инновационной деятельности в биофармацевтической области, демонстрировать знания для решения проблем устойчивого развития. В результате освоения дисциплины студент должен Знать: Структуру и функции информационных молекул в про- и эукариотических клетках; Механизмы передачи генетической информации, их нарушения и последствия; Механизм функционирования внутриклеточных органелл в процессе синтеза белков; Аспекты использования организмов, полученных методами генной инженерии для синтеза биологически-активных веществ. Уметь: Пользоваться научной и справочной литературой по курсу молекулярной биологии; Анализировать роль и последствия экзогенного воздействия на биосинтетические процессы в клетке; Владеть: Методами количественного учета макромолекул в природных образцах; Методами выделения и идентификации молекул ДНК из живых клеток. 4. Структура и содержание модуля (дисциплины) 4.1 Содержание теоретического раздела дисциплины (лекции) - 16 час: 1. Введение. Определение термина молекулярная биология. История развития. Взаимосвязь с другими естественнонаучными дисциплинами. Объекты молекулярной биологии (1 час). Входной контроль знаний студентов. Просмотр обучающих фильмов «Cell inside» и «Невидимый мир» (1 час). 2. Молекула ДНК. Процессы репликации, рекомбинации, репарации, и транскрипции. Регуляция экспрессии генов. История доказательства генетической функции ДНК. Опыты Эвери, Херши и Чейз. Физические свойства молекулы ДНК. Конформационные формы ДНК A, В, и Z, их физические параметры. Неканоническая H-форма ДНК. Денатурация и ренатурация ДНК. Hуклеотидные последовательности ДНК, определяющие конформацию ДНК, гибкость или жесткость молекулы. Кольцевые молекулы ДНК и понятие о сверхспирализации ДНК. Топоизомеры ДНК, их типы, механизмы действия топоизомераз. ДНК-гираза бактерий (1 часа). 3. Репликация ДНК у прокариот и эукариот. Полимеразы, участвующие в репликации, характеристика их ферментативных активностей. Точность воспроизведения ДНК. Роль стерических взаимодействий между парами оснований ДНК при репликации. Полимеразы I, II и III E.coli. Полимеразы ("мутазы"), обеспечивающие неточное воспроизведение ДНК. Фрагменты Оказаки. Координации синтеза ДНК на комплементарных нитях. Регуляция инициации репликации у E.соli. Понятие о репликоне. Pепликоны эукариот, изменчивость их размеров. Понятие о стационарныхх "репликативных фабриках". Роль метилирования ДНК в регуляции репликации. Терминация репликации у бактерий. Особенности регуляции репликации плазмид. Двунаправленния репликация и репликация по типу катящегося кольца. Ошибки репликации, обусловленные скольжением нитей при репликации (2 часа). 4. Транскрипция у прокариот и эукариот. РНК-полимераза прокариот, ее субъединичная и трехмерная структуры. Промотор генов прокариот, его структурные элементы. Стадии транскрипционного цикла. Инициация, образование “открытого комплекса”, элонгация и терминация транскрипции. Сверхспирализация и транскрипция. Аттенуация транскрипции. “Рибопереключатели”. Механизмы терминации транскрипции. Полярные мутации. Негативная и позитивная регуляция транскрипции. Лактозный оперон. CAP-белок. РНК-полимеразы эукариот I, II и III. Участие разных полимераз в транскрипции разных клеточных РНК. Понятие о цис- и транс-регуляции транскрипции. Белки - активаторы транскрипции. Комбинаторный принцип в регуляции транскрипции. Коактиваторы и корепрессоры. Методы "обратной генетики" в развитии представлений о регуляции транскрипции у эукариот (2 часа). 5. Структура хроматина и регуляция активности генов. Нуклеосома как единица структурной организации хроматина. Хроматосома. Нуклеосомы и транскрипция. Сборка нуклеосом при репликации ДНК, ее этапы, нуклеоплазмин. Варианты белков-гистонов. Замещение вариантов гистонов без репликации ДНК. Структура хроматина в районах инициации репликации. Модификация структуры хроматина и процессы репарации. Некодирующая РНК как структурный компонент хроматина. Короткие РНК (21-23 нуклеотида) в организации структуры неактивного хроматина (2 часа). 6. Природа генов и генетический код. Что такое гены. Принцип комплементарности в структуре ДНК, ее редупликации и транскрипции. Поток генетической информации ДНК РНК белок. Информационная (кодирующая) РНК, или мРНК. История расшифровки генетического кода. Основные свойства кода: триплетность, код без запятых, вырожденность. Особенности кодового словаря, семьи кодонов, смысловые и «бессмысленные» кодоны. Некодирующие РНК: открытие, основные виды (рибосомные РНК, тРНК). Малые некодирующие РНК. Современный мир РНК (2часа). 7. Основные принципы структуры РНК. Генетические и негенетические функции РНК. Первичная структура. Модифицированные основания. Одноцепочечность. Вторичная структура. Принцип комплементарности и отклонения от него. «Дефекты» коротких двойных спиралей и отклонения от двуспиральной структуры. Третичная структура. Структура тРНК. Структура рибосомных РНК. Комплементарное воспроизведение первичной структуры в реакциях репликации и обратной транскрипции. Кодирование первичной структуры полипептидов (белков). Пространственное структурообразование. Функции специфического узнавания и связывания лигандов. Каталитические функции (2 часа). 8. Структура рибосом. Рибосома как молекулярная машина. Локализация рибосом в клетке. Рибосомные белки. Самосборка, ее последовательные этапы, независимое формирование РНК-доменов. Идентификация рибосомных белков на поверхности рибосомы методом иммунной электронной микроскопии. РНК-РНК-контакты при ассоциации рибосомных субчастиц. Рентгеноструктурный анализ рибосомных субчастиц и полных 70S рибосом. Транслокация как проявление транспортной функции рибосомы. Крупноблочная подвижность рибосомы. Принцип смыкания – размыкания. Особенности молекулярных машин; тепловые движения как движущая сила. Отбор движений («демон Максвелла») в молекулярных машинах. Полный рабочий цикл рибосомы как молекулярной машины (1 часа). 9. Методы исследования структуры белков. Методы определения аминокислотного состава и первичной структуры белков. Масс-спектрометрия белков. Принципы метода, подготовка образцов к анализу. Реакции химической модификации функциональных групп аминокислот. Методы специфической и неспецифической фрагментации полипептидной цепи - химические и ферментативные. Области применения метода. Разделение пептидов, получаемых при расщеплении белков. Определение N-концевых аминокислот. Метод Сэнгера. Определение С-концевых аминокислот и последовательностей. Автоматическое секвенирование белков по Эдману. Локализация дисульфидных связей в белках. Пептидное картирование. Методы изучения молекулярных комплексов. Методы и задачи протеомики (2 часа). Содержание практического раздела дисциплины (лабораторные работы) – 32 часа 1. Знакомство с устройством и принципом работы лаборатории молекулярной биологии (2 часа). 2. Выделение геномной ДНК из крови с использованием протеинкиназы К(10 часов). 3. Обнаружение ДНК вируса гепатита В методом ПЦР (10 часов). 4. разделение продуктов рестрикции и амплификации ДНК методом горизонтального электрофореза (10 часов). 4.2 Таблица 1. Структура модуля (дисциплины) по разделам и формам организации обучения Название раздела/темы 1. Введение 2. Молекула ДНК. Про- Аудиторная работа (час) Лекции Лаб. зан. 2 2 СРС (час) Контр.Р. Итого 4 8 13 24 2 47 6 16 24 2 48 16 32 48 4 96 цессы репликации, рекомбинации, репарации, и транскрипции. Регуляция экспрессии генов 3. РНК и синтез белка. Функции РНК и белков. Итого 5. Образовательные технологии Таблица 2. Методы и формы организации обучения (ФОО) ФОО Лекц. Методы Лаб. раб. IT-методы + Работа в команде Case-study Игра Методы проблемного обучения. Обучение на основе опыта Опережающая самостоятельная ра+ бота Проектный метод Поисковый метод Исследовательский метод Другие методы * - Тренинг, ** - Мастер-класс Пр. зан./ Сем., Тр*., Мк** СРС К. пр. + + + + + + + + + + 6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов 6.1 Текущая СРС, направленная на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений, включает: - работа с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме курса; - опережающая самостоятельная работа; - изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку; - подготовка к лабораторным работам; - подготовка к контрольным работам, зачету. Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР), ориентированная на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала студентов - поиск, анализ, структурирование и презентация информации; - исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах; 6.2 - анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем теме. 6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине Темы дисциплины, вынесенные на самостоятельную проработку 1. История доказательства генетической функции ДНК. Опыты Эвери, Херши и Чейз. 2. Топоизомеры ДНК, их типы, механизмы действия топоизомераз. 3. Полимеразы I, II и III E.coli. 4. Участие разных полимераз в транскрипции разных клеточных РНК. 5. Короткие РНК (21-23 нуклеотида) в организации структуры неактивного хроматина. 6. Каталитические функции РНК. 7. Лактозный оперон. CAP-белок. 8. РНК-полимеразы эукариот I, II и III. Темы индивидуальных заданий (рефератов) 1. Генная инженерия бактерий. 2. Получение инсулина человека с использованием генетически модифицированных бактерий. 3. Получение гормона роста человека с использованием генетически модифицированных бактерий. 4. Получение бычьего соматотропина. 5. Получение сахаров с использованием генетически модифицированных бактерий из органических отходов. 6. Получение спиртов с использованием генетически модифицированных бактерий из органических отходов. 7. Получение метана с использованием генетически модифицированных бактерий из органических отходов. 8. Генная инженерия эукариотических объектов. 9. Трансгенные растения. 10. Трансгенные животные. 11. Получение и применение стволовых клеток. 12. Белковые препараты медицинского назначения, получаемые из молока. 13. Этические и социальные проблемы генной инженерии. 14. Генная терапия. 15. Безопасность окружающей среды и трансгенные организмы. 6.3 Контроль самостоятельной работы Оценка результатов самостоятельной работы организуется в виде самоконтроля студентов путем участия их в семинарах, анализа результатов контрольных работ. Контроль со стороны преподавателя происходит при проведении контрольных работ, защиты лабораторных работ, написании реферата и его презентации. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Самостоятельная работа студентов обеспечивается учебнометодическими материалами, рекомендованными как список основной, дополнительной литературы и электронных ресурсов. 6.4 7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины При изучении дисциплины преподавателем оцениваются исходные знания студентов в следующих формах: - входной контроль – проводится с целью выявления реальной готовности студентов к освоению данной дисциплины за счет знаний, умений и навыков, сформированных ранее, а также для формирования корректирующих мероприятий процесса обучения для более ранних дисциплин; - текущий (внутрисеместровый) контроль осуществляется при выполнении контрольных работ, вынесенных преподавателем в рейтинг-план, а также путем проведения тестирования и защиты лабораторных работ. - с целью определения соответствия приобретенных знаний, умений и навыков, установленных целями дисциплины, проводится аттестация студентов в виде зачета. В соответствие с рейтинг-планом дисциплины в 7 семестре осуществляется 2 рубежных контроля. Рубежные контроли проводятся в часы лабораторных работ в письменной форме. В контрольную работу № 1 входят вопросы по разделу «Молекула ДНК. Процессы репликации, рекомбинации, репарации, и транскрипции. Регуляция экспрессии генов». В контрольную работу № 2 входят вопросы по разделу «РНК и синтез белка. Функции РНК и белков» По каждому рубежному контролю имеются 20 вариантов заданий. Вариант содержит теоретические вопросы, охватывающие блок тем, изученных на лекциях и вынесенных на самостоятельное изучение. Итог изучения курса – зачет – проводится в период экзаменационной сессии, в устной форме. Фонд содержит билеты, куда включены теоретические вопросы, охватывающие материал двух блоков. Примеры контролирующих материалов Контрольная работа № 1 1. Hуклеотидные последовательности ДНК, определяющие конформацию ДНК, гибкость или жесткость молекулы. Комплементарные пары оснований. 2. Молекулярные механизмы, координирующие клеточный цикл и репликацию ДНК. 3. Полимеразы, участвующие в репликации, характеристика их ферментативных активностей. Точность воспроизведения ДНК. Контрольная работа № 2 1. РНК-полимераза прокариот, ее субъединичная и трехмерная структуры. 2. Химические реакции, приводящие к образованию пептидной связи в процессе биосинтеза белка. 3. Локализация рибосом в клетке. Прокариотический и эукариотический типы рибосом. Пример зачетного билета 1. Полимеразы, участвующие в репликации у бактерий, характеристика их ферментативных активностей. Точность воспроизведения ДНК. 2. Внешние сигналы (митогенные факторы, гормоны), регулирующие транскрипцию генов. 3. Каталитические функции РНК. 8. Рейтинг качества освоения модуля (дисциплины) Таблица 3 Рейтинг-план освоения модуля (дисциплины) в течение семестра Недели Текущий контроль Теоретический материал Темы лекций 1 2 3 Введение Входной контроль знаний студентов. Просмотр обучающих фильмов «Cell inside» и «Невидимый мир» Молекула ДНК. Процессы репликации, рекомбинации, репарации, и транскрипции. Регуляция экспрессии генов Баллы Практическая деятельность Темы лабораторных работ Баллы Рубежные контрольные работы Итого Баллы Баллы Знакомство с устройством и принципом работы лаборатории молекулярной биологии Выделение геномной ДНК из крови с использованием протеинкиназы К Выделение геномной ДНК из крови с использованием протеинкиназы К 5 5 4 Репликация ДНК у прокариот и эукариот 5 Транскрипция у прокариот и эукариот 6 Структура хроматина и регуляция активности генов 7 Природа генов и генетический код 8 Основные принципы структуры РНК. Генетические и негенетические функции РНК 9 Структура рибосом. Рибосома как молекулярная машина 10 Методы исследования структуры белков 11 Методы исследования структуры белков 12 Выделение геномной ДНК из крови с использованием протеинкиназы К Выделение геномной ДНК из крови с использованием протеинкиназы К 5 5 5 5 Контрольная работа Обнаружение ДНК вируса гепатита В методом ПЦР Обнаружение ДНК вируса гепатита В методом ПЦР разделение продуктов рестрикции и амплификации ДНК методом горизонтального электрофореза разделение продуктов рестрикции и амплификации ДНК методом горизонтального электрофореза разделение продуктов рестрикции и амплификации ДНК методом горизонтального электрофореза разделение продуктов рестрикции и амплификации ДНК методом горизонтального электрофореза 5 5 5 5 5 Контрольная работа Защита рефератов 15 10 40 15 10 Зачет Сумма баллов в семестре 15 5 13 14 15 30 30 60 100 . Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины) основная литература: 1. Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. / Б. Глик, Д. Пастернак. - М.: Мир, 2002. - 589 с. 2. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. / С.Н. Щелкунов. //М.: Мир, 2005.-200 с. 3. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология.- Москва: Издательство НИИ биомедицинской химии РАМН.- 2000.- 366 с. 4. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология.- Москва Медицинское информационное агенство. - 2003.- 544 с. 5. Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология. 2-ое издание учебник для студентов вузов. Москва, Издательcкий центр “академия” 388 C. 6. Н.Грин, У. Стаут, Д. Тейлор. Биология (в 3-х томах) – М.: Мир, 1996. 7. Лабораторный практикум по общей биотехнологии. Часть 1. Сост. Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 40 с. дополнительная литература: 1. Сассон А. Биотехнология – Свершения и надежды. М., Мир. –1987, 411 с. 2. Молекулярная клиническая диагностика. Методы. / Под редакцией С.Херрингтона, Дж.Макги. – М.: Мир.-1999. - 558 с. 3. Покровский В.В. Методические рекомендации по проведению работ в диагностических лабораториях, использующих метод полимеразной цепной реакции. / В.В. Покровский, Н.А. Федоров, Г.А. Шипулин Бектимиров, В.В. Блоха, А.Н. Куличенко.// Государственный комитет санитарноэпидемиологического надзора Российской Федерации. Москва, 1995 г. программное обеспечение и Internet-ресурсы: 1. Лекции в Power Point по дисциплине «Прикладные аспекты молекулярной биологии». 2. www.medbook.net.ru 3. www.molbiol.ru 4. www.djvu-inf.narod.ru 5. www.medicalherbs.sci-lib.com 10. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины) Материально-техническое обеспечение дисциплины включает ПЦР анализатор в реальном времени BioMS-01, автоклав, спектрофотометр, фотоэлектроколориметр, сушильный шкаф, световые микроскопы с иммерсионным объективом (10 штук), ламинарный бокс, рН-метр S-40K, компактный автоклавируемый фермтер/биореактор, электроплитки, соответствующие реактивы и набор расходных материалов. Для выполнения самостоятельной работы студенты пользуются компьютерным классом, где имеется доступ к информационным ресурсам, ограниченный квотами, введенными в ТПУ. Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки _____________________________________________________________.