Основы биохимии - Саратовский государственный университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по учебнометодической работе
____________________Е.Г.Елина
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
ОСНОВЫ БИОХИМИИ
Направление подготовки
Физика живых систем
Профиль подготовки
Биофизика
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Основы биохимии» является получение
студентами основ фундаментальных знаний о химических процессах,
протекающих в живых клетках, а также о строении биологических молекул субстратов этих физико-химических процессов; формирование совокупности
знаний об основных закономерностях, связывающих протекание химических
процессов с наблюдаемыми биологическими явлениями.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина относится к базовым дисциплинам Математического и
естественнонаучного цикла, модулю «Основы функционирования живых
систем», курс (Б2.Б3.3) читается в пятом семестре с промежуточным
контролем в форме экзамена.
Курс «Основы биохимии» предназначен для студентов физического
факультета, обучающихся по направлению «Физика живых систем». Он
является логическим продолжением как дисциплины «Основы физической
химии», так и курса «Основы физиологии клетки и организма» и занимает
важное место в базовой подготовке специалистов по направлению обучения.
Для успешного изучения материала курса «Основы биохимии» студенты
должны иметь теоретическую подготовку по указанным дисциплинам. В
рамках именно этой дисциплины у студентов должны сформироваться
представления о молекулярной основе функционирования живых систем, о
каскаде физико-химических процессов, протекание которых обеспечивает
реализацию специфических свойств, отличающих живую материю от
неживой. При изучении дисциплины следует постоянно обращать внимание
студентов на соответствие «структура – функция» компонентов всех
биохимических систем, на то, что именно химическое строение биомолекул
является основой их физиологической активности, обеспечивающей
функцию «живого». По сложившейся традиции преподавания биохимии как
учебной дисциплины, материал делится на две части:
 «статическую биохимию» (разделы 1, 2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4),
рассматривающую строение и свойства биомолекул и
 «динамическую биохимию» (разделы 3-6), изучающую метаболические
процессы с участием этих молекул.
В поддержку теоретического лекционного курса с целью выработки у
обучающихся практических навыков анализа структуры (химического
строения) биомолекул, проведения физико-химических расчетов и оценок
для различных метаболических процессов предусмотрено проведение
лабораторных
занятий,
посвященных
выполнению
качественных
упражнений и решению расчетных задач по основным разделам
содержательной части программы.
Полученные при изучении дисциплины «Основы биохимии» знания
будут востребованы студентами, обучающимися по направлению «Физика
2
живых систем», при усвоении материала курсов «Молекулярная биофизика»,
«Методы фотомедицины», «Спектральные методы диагностики в медицине»,
«Основы фотобиологии и фотомедицины», «Спектроскопия и колориметрия
биологических тканей in vivo».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Основы биохимии».
В результате освоения дисциплины «Основы биохимии» должны
формироваться в определенной части следующие компетенции:
способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области математики и естественных наук
(ОК-1);
способность приобретать новые знания, используя современные
образовательные и информационные технологии (ОК-3);
способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности навыки работы с информацией из различных источников (ОК16);
способность использовать базовые теоретические знания для решения
профессиональных задач (ПК-1);
способность применять на практике базовые профессиональные
навыки (ПК-2);
способность использовать специализированные знания в области
физики для освоения профильных физических дисциплин (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-4).
способность применять на практике базовые общепрофессиональные
знания теории и методов биофизических исследований (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-5);
способность пользоваться современными методами обработки, анализа
и синтеза биофизической информации (в соответствии с профилем
подготовки) (ПК-6);
способность формировать суждения о знании и последствиях своей
профессиональной деятельности с учётом специальных, правовых, этических
и природоохранных аспектов (ПК-7).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать химическое строение, основные химические свойства и функции
в организме (клетке) четырех классов биомакромолекул; общий характер и
стадии протекания биоэнергетических процессов, экспрессии генетической
информации; характерные черты активного и пассивного транспорта
метаболитов; особенности ферментативного катализа.
Уметь проследить связь строения биомолекул с их физиологическими
функциями на молекулярном уровне; выделить в совокупности
3
биохимических реакций (механизме) рассматриваемого метаболичекого
процесса сопряженные самопроизвольные и несамопроизвольные реакции .
Владеть навыками интерпретации результатов биохимических
экспериментов с точки зрения сделанных предположений о строении
молекулы или характере протекания процесса; методами термодинамической
оценки самопроизвольности протекания и направленности определенной
биохимической
реакции;
умением
интерпретировать
результаты
кинетических измерений процесса ферментативного катализа на основе
модели Михаэлиса-Ментен.
4. Структура и содержание дисциплины «Основы биохимии»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы, 144 часов,
в том числе 36 часов лекций, 36 часов лабораторных практических занятий и
36 часов самостоятельной работы студентов.
4.1. Структура дисциплины
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в часах)
№
п/
п
Раздел дисциплины
Се
мес
тр
Неделя
семестр
а
Лаб
Пра
орат
Лекц кт.
орн
ии
заня
ые
тия
раб.
Сам
ост.
раб.
Формы
текущего
контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
Формы
промежуточно
й аттестации
(по семестрам)
1
2
Введение.
Молекулярные
компоненты клетки.
5
1
2
5
1,2
2
4
4
3
Углеводы.
5
2,3,4
4
4
4
4
Белки.
5
4,5,6
4
4
4
Отчет по лаб.
работе
Отчет по лаб.
работе
Отчет по лаб.
работе
5
Нуклеотиды
и 5
нуклеиновые кислоты.
7,8
4
4
4
Отчет по лаб.
работе
6
Липиды и мембраны.
5
8, 9,10
4
4
4
7
Биоэнергетика.
5
10,
11,12
4
4
4
Отчет по лаб.
работе
Отчет по лаб.
работе
8
Хранение и экспрессия
5
генетической
информации.
13,14,
15
4
4
4
Отчет по лаб.
работе
-
4
9
10
Основы
ферментативного
катализа.
5
Транспорт
5
метаболитов и ионов.
Итого
15,16,
17
4
4
4
Отчет по лаб.
работе
17, 18
4
4
4
Отчет по лаб.
работе
36
36
36
Экзамен
4.2. Содержание дисциплины
1. Введение. Место биохимии в науках о живом. Основная задача биохимии.
Разделы биохимии и молекулярной биологии. Основные направления
биохимических исследований. Химические элементы, входящие в состав
живых организмов. Отличие в распространенности элементов в живой и
неживой природе. Химические особенности углерода, определяющие его
роль в образовании биомолекул. Роль воды.
2. Молекулярные компоненты клетки. Иерархия молекулярной организации
клеток. Распределение основных типов биомакромолекул в клетках.
Функции главных классов биомакромолекул. Основные функциональные
группы биомолекул. Строительные блоки биомакромолекул.
2.1
Углеводы. Углеводы. Биологические функции. Классификация.
Моносахариды.
Классификация.
Строение
молекулы.
Химические свойства. Оптическая активность. Стереоизомерия
(асимметрический
атом
углерода,
L-D
номенклатура).Проекционные формулы (Фишера). Циклические
формы моносахаридов (пиранозная, фуранозная). Аномеры.
Проекции
Хеуорса.
Конформационные
формулы.
Олигосахариды.
Гликозидная
связь.
Дисахариды.
Восстанавливающие
и
невосстанавливающие
сахара.
Полисахариды. Классификация по составу. Биологические
функции. Гликоген. Крахмал (α- амилоза, амилопектин).
Структурные полисахариды. Целлюлоза. Гликопротеины.
Гликозаминогликаны. Протеогликаны.
2.2
Белки. Полипептидная цепь. Классификация белков. Простые и
сложные белки. Олигомерные белки. Простетические группы.
Биологические функции белков, связь функции с конформацией.
Понятие нативной конформации. Денатурация, ренатурация.
Аминокислоты. Оптическая активность. Качественные реакции
на
аминокислоты.
Аминокислоты
как
электролиты.
Изоэлектрическая точка. Группы кодируемых аминокислот,
различающихся строением и свойствами боковой цепи.
Пептидная связь. Структурные уровни белковых молекул.
Система ковалентных связей в белковой молекуле. Анализ
аминокислотного состава белков. Определение первичной
5
структуры белка. Пространственная структура белковой цепи
(вторичная структура): α-спираль, β-складчатый слой, β-изгиб.
Третичная структура белков; виды взаимодействий ее
фиксирующих. Четвертичная структура.
2.3
Нуклеотиды
и
нуклеиновые
кислоты.
Нуклеотиды.
Биологические функции. Состав молекул (нуклеиновые
основания, нуклеозиды, нуклеозидфосфаты). Химические
свойства нуклеотидов. ДНК. Ковалентная структура молекулы.
Химические свойства молекул ДНК. Правило Чаргаффа.
Пространственная структура. Специфичность спаривания
оснований. Полуконсервативная модель репликации ДНК. РНК.
Классы клеточных РНК. Строение молекулы т-РНК дрожжей.
2.4
Липиды и мембраны. Биологические функции липидов.
Классификация липидов. Жирные кислоты; строение молекул
жирных кислот, входящих в состав липидов. Классификация
жирных кислот. Физические и химические свойства.
Нейтральные жиры, физические и химические свойства.
Строение молекулы. Воски. Мембранные липиды. Фосфолипиды.
Глицериносодержащие липиды. Фосфоглицериды: строение
молекул,
амфифильность,
фосфатидная
кислота,
фосфатидилсерин, фосфатидилхолин. Сфинголипиды: строение
молекулы, сфингомиелин. Стерины. Терпены. Липопротеины.
Физико-химические свойства полярных липидов, мицеллы,
бислои, липосомы. Клеточные мембраны: строение, состав,
функции. Жидкостно-мозаичная модель. Интегральные и
периферические белки биологических мембран.
3. Биоэнергетика.
Два
основных
направления
метаболизма.
Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы, равновесие.
Свободная энергия Гиббса. Стандартное изменение свободной энергии.
Сопряженные реакции. Основные процессы метаболизма, требующие
притока свободной энергии. АТФ как основной источник свободной
энергии во внутриклеточных процессах. Запасание свободной энергии в
клетке (фосфорилирование АДФ). Молекулы-переносчики электронов при
биологическом окислении (НАДН, ФАДН2). Уровни и стадии извлечения
энергии из пищевых веществ. Гликолиз. Схема реакций. Стехиометрия.
Цикл трикарбоновых кислот. Окислительное декарбоксилирование
пирувата. Схема реакций. Стехиометрия и энергетика. Роль в биосинтезе.
Регуляция цикла Кребса. Окисление жирных кислот. Окислительное
фосфорилирование. Локализация процесса в клетке. Цепь переноса
электронов. участки выброса ионов водорода. Синтез АТФ. Сопряжение
переноса электронов (окисления) и форфорилирования АДФ,
хемиосмотическая
гипотеза
Митчела,
ее
экспериментальное
6
подтверждение. Выход АТФ при полном окислении
эффективность генерирования АТФ. Дыхательный контроль.
глюкозы,
4. Хранение и экспрессия генетической информации. Синтез ДНК при
репликации. ДНК-полимераза I (полимеразная, экзонуклеазная, нуклеазная
активности). ДНК-полимераза III. ДНК-лигаза. Механизм синтеза в
репликационной вилке. Фрагменты Оказаки. Виды повреждений ДНК.
Репарация УФ повреждений ДНК. Синтез матричной РНК (транскрипция).
РНК-полимераза, механизм действия. Этапы синтеза РНК. Процессинг
первичных транскриптов. Генетический код, его свойства. Кодон.
Антикодон. Направление считывания матричной РНК. Коллинеарность
гена и аминокислотной последовательности белка. Синтез белка. Стадии
синтеза. Активация аминокислот и субстратная специфичность этой
реакции. Механизм синтеза белка в рибосомах бактерий (Инициация. Цикл
элонгации. Терминация). Регуляция экспрессии генов прокариот.
Лактозный оперон E.coli. Эукариотические хромосомы и считывание
генетической информации. Гистоны. Нуклеосомы.
5. Основы ферментативного катализа. Структура ферментов. Апофермент,
кофермент, субстрат. Пространственная организация молекулы фермента.
Активный центр. Классификация ферментов по типам катализируемых
реакций. Основные черты ферментативного катализа (специфичность,
эффективность, фермент-субстратный комплекс, влияние на энергию
активации и положение равновесия, зависимость скорости реакции от
температуры и pH). Величины, служащие для характеристики
каталитического действия фермента. Модель (уравнение) МихаэлисаМентен. Константа Михаэлиса и максимальная скорость (физический
смысл KM Vmax.), способы экспериментального определения этих величин.
Обратимое
и
необратимое
ингибирование.
Конкурентное
и
неконкурентное ингибирование. Аллостерические ферменты. Эффекторы.
Механизмы аллостерического взаимодействия: согласованный и
последовательный. Ковалентная модификация активности фермента.
6. Транспорт метаболитов и ионов. Виды трансмембранного транспорта.
Активный и пассивный транспорт. Na+-K+ насос (Na+-K+-АТФаза).
Котранспорт. Переносчики. Щелевой контакт. Транспорт О2 и СО2 кровью,
роль плазмы и эритроцитов. Эффект Бора. Роль 2,3- дифосфоглицерата.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Основы биохимии» используются
следующие виды учебных занятий: лекционные занятия с использованием
мультимедийных средств, консультации, практические занятия, контрольные
работы.
В рамках лекционных занятий предусмотрены интерактивные формы
учебного процесса: разбор конкретных ситуаций на уровне физиологии
7
клетки с точки зрения соотнесенности строения биомолекулы и ее
физиологической роли, а также места рассматриваемой биохимической
реакции в общем протекании определенного метаболического процесса.
В рамках практических занятий предусмотрены: детальный разбор
основных тем лекционного курса с рассмотрением основных положений
статической и динамической биохимии на примерах конкретных
метаболитов и физиологических процессов; выполнение упражнений
качественного характера и решение количественных (оценочных) задач по
основным разделам содержания дисциплины; выполнение контрольных
работ по этим разделам.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные
средства
для
текущего
контроля
успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Виды самостоятельной работы студента:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной
литературе, справочным источникам;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, не
рассмотренных на лекциях;
- решение рекомендованных задач при подготовке к практическим занятиям
и контрольным работам.
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по
изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения
этой работы предусмотрен на практических занятиях по данной
дисциплине;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, не
рассмотренных на лекциях, предусматривается по мере изучения
соответствующих разделов; контроль выполнения этой самостоятельной
работы предусмотрен в рамках промежуточного контроля – экзамена по
данной дисциплине;
- решение рекомендованных задач и выполнение упражнений должно
происходить при подготовке к практическим занятиям, контроль
выполнения этой работы предусмотрен на практических занятиях и при
проведении контрольных работ.
Список контрольных вопросов по освоению основных понятий и
положений дисциплины:
8
1. Углеводы. Биологические функции. Классификация. Моносахариды.
Строение молекулы. Классификация. Стереоизомерия (асимметрический
атом углерода, L-D номенклатура).Проекционные формулы (Фишера).
2. Моносахариды. Химические свойства. Производные моносахаридов.
Циклические формы моносахаридов (пиранозная, фуранозная). Аномеры.
Проекции Хеуорса.
3. Олигосахариды. Гликозидная связь. Дисахариды. Восстанавливающие и
невосстанавливающие сахара.
4. Полисахариды. Классификация по составу. Биологические функции.
Гликоген. Крахмал (α- амилоза, амилопектин). Структурные
полисахариды. Целлюлоза. Гликопротеины. Гликозаминогликаны.
Протеогликаны.
5. Белки. Полипептиды. Классификация белков. Простые и сложные белки.
Простетические группы. Биологические функции белков. Аминокислоты.
Аминокислоты как электролиты. Изоэлектрическая точка. Группы
кодируемых аминокислот, различающихся строением и свойствами
боковой цепи.
6. Пептидная связь. Система ковалентных связей в белковой молекуле.
Определение первичной структуры белка. Пространственная структура
белковой цепи (вторичная структура): α-спираль, β-складчатый слой, β изгиб.
7. Третичная структура белков; виды взаимодействий, ее фиксирующих.
Четвертичная структура.
8. Нуклеотиды. Биологические функции. Состав молекул (нуклеозиды,
нуклеозидфосфаты). ДНК. Ковалентная структура молекулы.
Пространственная структура. Специфичность спаривания оснований.
РНК. Классы клеточных РНК. Строение молекулы т-РНК.
9. Липиды. Классификация липидов, их функции. Жирные кислоты;
строение молекул жирных кислот, входящих в состав липидов.
Нейтральные жиры. Строение молекулы, свойства. Воски.
10.Мембранные липиды. Фосфолипиды. Фосфоглицериды: строение
молекул, амфифильность, фосфатидная кислота, фосфатидилсерин,
фосфатидилхолин. Сфинголипиды: строение молекулы, сфингомиелин.
Стерины.
9
11.Строение липидных мембран. Мицеллы, бислои, липосомы. Клеточные
мембраны: строение, состав, функции.
12.Биоэнергетика. Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы,
равновесие. Свободная энергия Гиббса. Сопряженные реакции. Основные
процессы метаболизма, требующие притока свободной энергии. Основной
источник свободной энергии во внутриклеточных процессах.
Макроэргические соединения. Молекулы-переносчики электронов при
биологическом окислении (НАДН, ФАД).
13.Уровни и стадии извлечения энергии из пищевых веществ. Гликолиз.
Схема реакций. Стехиометрия.
14.Окислительное декарбоксилирование пирувата. Цикл трикарбоновых
кислот. Схема реакций. Стехиометрия и энергетика. Роль в биосинтезе.
Регуляция цикла Кребса. Окисление жирных кислот.
15.Окислительное фосфорилирование. Локализация процесса в клетке. Цепь
переноса электронов. участки выброса ионов водорода. Синтез АТФ.
Сопряжение переноса электронов и фосфорилирования АДФ. Суммарный
энергетический выход окисления глюкозы.
16.Синтез ДНК. ДНК-полимераза I (полимеразная, экзонуклеазная,
нуклеазная активности). ДНК-полимераза III. ДНК-лигаза. Механизм
синтеза в репликационной вилке. Фрагменты Оказаки.
17.Виды повреждений ДНК. Репарация УФ повреждений ДНК.
18.Синтез матричной РНК (транскрипция). РНК-полимераза, механизм
действия. Этапы синтеза РНК. Процессинг первичных транскриптов.
19.Генетический код. Свойства. Кодон. Антикодон. Коллинеарность гена и
аминокислотной последовательности белка.
20.Синтез белка. Активация аминокислот. Механизм синтеза белка в
рибосомах бактерий (Инициация. Цикл элонгации. Терминация).
Регуляция экспрессии генов прокариот. Оперон.
21.Виды трансмембранного транспорта. Активный и пассивный транспорт.
Na-K насос. Котранспорт. Переносчики. Щелевой контакт.
22.Транспорт О2 и СО2 кровью, роль плазмы и эритроцитов. Эффект Бора.
Роль 2,3- дифосфоглицерата.
10
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Основы биохимии»
а) основная литература:
1. Комов В.П, Шведова В.Н. Биохимия : учебник. -2-е изд., испр. -М.: Дрофа,
2006. -638, [2] с.: рис.
2. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия : учебник. -3-е изд.,
стер. -М.: Медицина, 2008.03, [1] с.: рис., табл.
б) дополнительная литература:
1. Эллиот Э., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология: учеб. пособие. М.: МАИК "Наука/Интерпериодика", 2002. -444, [4] с.: граф., ил. .
2. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами: учеб. пособие для
вузов. -3-е изд., испр. -М.: ГЭОТАР-Медиа, 2005. -441, [7] с.: рис.
3. Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология: учеб. пособие. -Минск:
Кн. Дом, 2004. -414, [2] с.: рис., табл.
4. Клочкова И.Н. Биохимия в вопросах и ответах : учеб. пособие. -Саратов:
Изд-во Сарат. Ун-та, 2002. -86, [2] с.: рис., табл. .
5. Химическая и биологическая кинетика: избр. тр. : в 2 т./ Н. М. Эмануэль ;
сост.: Е. Б. Бурлакова, Г. Е. Заиков ; отв. ред. С. Д. Варфоломеев. (Избранные труды). Т. 2 -М.: Наука, 2006. -316, [4] с.: портр., рис.
6. Биохимия человека в 2 т./ Р. Марри [и др.]. Т. 1 -М.: Мир, 1993. -382 с.: ил.
7. Биохимия человека в 2 т./ Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес. Т. 2 -М.: Мир,
1993. -414 с.: ил.
в) Интернет-ресурсы
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Основы биохимии»
Доска с фломастерами на водной основе, мультимедийный проектор,
компьютер преподавателя, доступ в Интернет.
11
Программа составлена в соответствии с требованиями ОС ВПО по
направлению Физика живых систем и ООП по профилям подготовки
Биофизика и Медицинская фотоника.
Автор:
доцент кафедры оптики и биофотоники,
к.х.н.
А.Б. Правдин
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от 20 мая 2011 года, протокол № 6/11.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин
12