Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» УТВЕРЖДАЮ Директор ИФБиБТ Сапожников В.А./____________/ «_____» _____________2008___ г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Дисциплина ОПД.В1 Ксенобиохимия Укрупненная группа 020000 - Естественные науки Специальность 020208.65 Биохимия Институт фундаментальной биологии и биотехнологии Кафедра физико-химической биологии Красноярск 2008 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по укрупненной группе 020000 – естественные науки Специальность 020208.65 Биохимия Программу составил к.б.н., проф. Титова Надежда Митрофановна Заведующий кафедрой Кратасюк В.А. __________________ _________«___»________2007__ г. Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры физико-химической биологии «___» марта _______________2008 ___г. протокол № ______ Заведующий кафедрой Кратасюк В.А. _______________________ Рабочая программа обсуждена на заседании НМСИ _____________ ___________________________________________________________ «______» __________________ 20____ г. протокол № _____________ Председатель НМСИ _________________________________________ (фамилия и. о., подпись) Дополнения и изменения в учебной программе на 20_ __/20___ учебный год. В рабочую программу вносятся следующие изменения: _____________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры _______ «____» _____________ 20___г. протокол № ________ Заведующий кафедрой _ ________________________________ Внесенные изменения утверждаю: Директор ___________________________________________ института (фамилия, и. о., подпись) 1. Цели и задачи изучения дисциплины 1.1 Цель преподавания дисциплины Ксенобиохимия – раздел современной биохимии, в котором изучаются закономерности воздействия чужеродных соединений (ксенобиотиков) на живые организмы Цель дисциплины – знакомство студентов с основными механизмами и последствиями биотрансформации ксенобиотиков энзиматическими системами живых организмов. 1.2 Задачи изучения дисциплины В задачи дисциплины «Ксенобиохимия» входит: • изучение путей поступления ксенобиотиков; • рассмотрение механизмов биотрансформации ксенобиотиков в различных органах и тканях; • рассмотрение способов выведения продуктов метаболизма ксенобиотиков из организма человека и животных; • оценка токсических, мутагенных и канцерогенных эффектов ксенобиотиков и метаболитов их биотрансформации. В результате освоения дисциплины обучающиеся должны знать: классификацию ксенобиотиков и пути их поступления в организм человека и животных; основные понятия и термины, используемые в ксенобиохимии; механизмы преконъюгации ксенобиотиков микросомальной монооксигеназной системой; основные механизмы конъюгации метаболитов ксенобиотиков с веществами, придающими им полярный характер; роль гликопротеина Р в выведении продуктов биотрансформации ксенобиотиков из организма человека и животных; уметь: ориентироваться в механизмах биотрансформации ксенобиотиков; использовать полученные знания при изучении специальных дисциплин; систематизировать и классифицировать знания о структуре и свойствах ксенобиотиков, чужеродных для организма человека и животных веществ, полученные при изучении учебников, лекций, монографий, других источников; владеть навыками: делового общения; работы в команде; работы с компьютером на уровне пользователя, использования информационных технологий для решения фундаментальных и прикладных задач в области профессиональной деятельности. 1.3 Межпредметная связь Для освоения дисциплины необходимо прохождение общебиологических и химических дисциплин: ботаники, зоологии, анатомии, неорганической аналитической, органической, физической и коллоидной химии. Освоение данной программы необходимо для последующего изучения биохимии, энзимологии, физиологии животных и растений, генетики, биотехнологии, молекулярной биологии, экологии, патофизиологии, биохимические механизмы адаптации, общая и частная патология. 2 Объем дисциплины и виды учебной работы Семестр Всего часов 6 Общая трудоемкость дисциплины 50 50 Аудиторные занятия: 30 30 лекции 15 15 практические занятия 13 13 промежуточный контроль 2 2 20 20 изучение теоретического курса (ТО) 10 10 реферат 10 10 зачет зачет Вид учебной работы Самостоятельная работа: Вид итогового контроля (зачет, экзамен) 3 Содержание дисциплины 3.1 Разделы дисциплины и виды занятий в часах № Раздел дисциплины п/п 1 2 Раздел 1. Ксенобиотики и механизмы их биотрансформации Раздел 2. Физиолого-биохимические эффекты ксенобиотиков Лекции (часы) 10 Практич. занятия (часы) 6 Самост. работа (часы) 10 5 4 10 3.2 Содержание разделов и тем лекционного курса Раздел 1. Ксенобиотики и механизмы их биотрансформации. Тема 1.1. Классификация ксенобиотиков, пути поступления и накопления в органах и тканях (2 часа). Ксенобиотики – чужеродные для живых организмов соединения разнообразной химической природы. Классификация ксенобиотиокв по химическому строению: белки, алкалоиды, гликозиды, хиноны и т.д. Классификация по происхождению: ксенобиотики естественного происхождения и синтетические ксенобиотики. Классификация по способу использования человеком: компоненты химического синтеза и специальных видов производств; пестициды; лекарства и косметика; пищевые добавки; топлива и масла; растворители, красители, клеи; побочные продукты химического синтеза, примеси и отходы. Классификация по условиям воздействия: загрязнители окружающей среды; производственные; бытовые; вредные привычки и пристрастия (табак, алкоголь, наркотические средства и т.д); поражающие факторы при специальных условиях воздействия (аварии, катастрофы, диверсии). Пути поступления ксенобиотиков в организм человека и животных. Распределение ксенобиотиков по органам и тканям. Тяжелые металлы (ртуть, свинец, цинк, кадмий, золото, цис-платина, барий). Тема 1.2. Биотрансформация ксенобиотиков: фаза I (4 часа). Первая фаза метаболизма ксенобиотиков – модификация (преконъюгация). Два класса ферментов 1-й фазы биотрнасформации – оксидоредуктазы и гибролазы. Окисление ксенобиотиков цитохром Р450 зависимой монооксигеназной системой. Характеристика семейства цитохром Р450 монооксигеназной системы: изоформы, локализация в клетке, механизмы превращения ксенобиотиков при участии цитохрома Р450. Рнеакции, катализируемые цитохромом Р459: эпоксидирование нафталена и афлатоксина В; окислительное деалкилирование; восстановительное дегалогенизирование дихлордифенилтрихлорэтана. Индуцибельность цитохром Р450 зависимой монооксигеназной системы. Принцип действия пероксидаз. Окислительно-восстановительный цикл трансформации ксенобиотиков, сопровождающийся активацией свободноразикальных процессов в клетке. Механизмы антирадикальной защиты. Реакции гидролиза ксенобиотиков. Гидролиз эфиров на примере гидролитической деградации гербицида 2,4-дихлорфенилуксусной кислоты. Цитозольные и микросомальные эпоксигидролазы. Расщепление зарина флюорогидролазой. Тема 1.3. Биотрансформация ксенобиотиков: фаза II (4 часа). Вторая фаза биотрансформации ксенобиотиков – конъюгация. Конъюгация продуктов метаболизма первой фазы биотрансформации с гидрофильными эндогенными веществами – ацетатом, сульфатом, глюкуроновой кислотой, глутатионом, аминокислотами (глицин, таурин, глутамин), катализируемая ферментами класса трансфераз. Конъюгация с глюкуроновой кислотой. Синтез активной формы глюкуроновой кислоты – UDP-глюкуроната. Образование глюкуронидов. Кишечно-печеночная циркуляция ксенобиотиков. Активная форма сульфата – 3-фосфоаденозин-Sфосфосульфат, участие в реакциях сульфатации ксенобиотиков. Конъюгация с глутатионом и цистеином. Семейство глутатион-Sтрансфераз: изоформы, локализация в клетке, механизм катализа, регуляция активности. Метилирование ксенобиотиков, роль S-аденозилметионина. О-, S-, Nметилирование. Факторы, влияющие на метаболизм чужеродных соединений: генетические и физиологические. Раздел 2. Физиолого-биохимические эффекты ксенобиотиков. Тема 2.1. Факторы, определяющие влияние ксенобиотиков на биологические объекты (2 часа). Основные факторы, определяющие экологическую опасность ксенобиотиков: токсичность и способность вещества к биодеградации. Токсичность вещества определяется его размерами и конформацией, физикохимическими свойствами, стабильностью в среде, наличием эпоксигрупп. Способность ксенобиотиков к биодеградации: биодеградируемые, относительно легкоразрушающиеся в окружающей среде под влиянием как абиотических, так и биотических факторов; персистентные ксенобиотики – очень устойчивые соединения, разлагающиеся крайне медленно (хлорорганические пестициды); рекальцитранные ксенобиотики – соединения, которые практически не разлагаются (тяжелые металлы и радионуклиды с большим периодом полураспада). Последствия биотрансформации молекулы ксенобиотика: ослабление токсичности, усиление токсичности, изменение характера токсического действия, инициация токсического процесса. Выведение ксенобиотиков из организма. Р-гликопротеин. Тема 2.2. Современные представления о химическом канцерогенезе (3 часа). Два класса химических канцерогенов: не подвергающиеся дальнейшей активации ферментными системами; требующие метаболической активации ферментами I и II фазы биотрансформации ксенобиотиков. Этапы химического канцерогенеза. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) – бензпирен, образование ДНК-реактивных метаболитов в процессе биотрансформации. Взаимодействие бензпирена с цитозольным рецептором (белок Аh), транслокация в ядро, активация транскрипции генов (CYP1A, CYP1B, UDP-GT, GST и др.). Цитохром CYP11А1 – ключевой фермент биотрансформации ПАУ. Гетероциклические амины, образование аддуктов с ДНК, биотрансформация CYP1A2.Молекулярные мишени для канцерогенов – белки, липиды, нуклеиновые кислоты. Активация протоонкогенов, инактивация раковых супрессорных генов. Репарация ДНК. 3.3 Практические занятия Тематический план занятий № Разделы п/п дисциплины 1 Раздел 1. Ксенобиотики и механизмы их биотрансформации 2 Раздел 2. Физиологобиохимические эффекты ксенобиотиков Темы практических занятий, трудоемкость (часы) 1.1. Поступление, распределение и накопление ксенобиотиков в органах и тканях (2 ч.) 1.2. Монооксигеназная микросомальная система биотрансформации ксенобиолоков (2 ч.). 1.3. Биотрансформация лекарственных средств (2 ч.) 1.4. Контрольная работа (2 ч.). 2.1. Мембранотропное действие ксенобиотиков (2 ч.). 2.2. Канцерогенные и мутагенные эффекты ксенобиотиков (3 ч.). 3.4 Лабораторные занятия Учебным планом не предусмотрены 3.5 Самостоятельная работа Самостоятельная работа по курсу «Ксенобиохимия» включает изучение теоретического материала и написание реферата, трудоемкость – 20 часов. Самостоятельное изучение теоретического материала планируется по каждому разделу дисциплины. № Разделы п/п дисциплины 1 Раздел 1. Ксенобиотики и механизмы их биотрансформации 2 Раздел 2 Физиологобиохимические эффекты ксенобиотиков Темы для самостоятельной работы, трудоемкость (часы) 1.1. Цитохромы Р450 (2 ч.). 1.2. Роль эндоплазматической сети в биотрансформации ксенобиотиков (2 ч.). 1.3. Характеристика эпоксидгидролаз (2 ч.). 1.4. Реферат (4 ч.) 2.1. Тяжелые металлы, эффекты, роль металлотионеинов в их детоксикации (2 ч.). 2.2. Метаболизм этанола (2 ч.). 2.3. Реферат (6 ч.) Написание и защита реферата. При изучении курса «Интеграция клеточного обмена» студент должен подготовить реферат по одной из предложенных преподавателем тем или предложить свою тему. Темы рефератов и задания по их написанию выдаются лектором на первой лекции вместе со списком учебной литературы. Примерные темы рефератов: 1. Система цитохрома Р450. 2. UDP-глюкуронилтрансферазы – структура, механизм действия, биологическая роль. 3. Активный сульфат – биосинтез, роль в процессах конъюгации ксенобиотиков. 4. S-аденозилметионин – биосинтез, роль в процессах конъюгации ксенобиотиков. 5. Металлотионеины. 6. Печень – орган, играющий основную роль в детоксикации ксенобиотиков. 7. Индукция и ингибирование метаболизма лекарств. 8. Альдегиддегидрогеназы – структура, изоформы, механизм действия, биологическая роль. 9. Алкогольдегидрогеназа – структура, механизм действия, биологическая роль. 10. Диоксины. Структура, физиолого-биохимические эффекты, биотрансформация. 11. Бензпирен. Структура, биотрансформация, токсические эффекты. 12. Выведение ксенобиотиков из организма. Строение и функционирование Р-гликопротеина. 13. Микромомальные электронтрнаспортные цепи. 14. Активные формы кислорода – пути образование, характеристика. 15. Перекисное окисление липидов. 16. Ферментативная антиоксидантная система. 17. Неферментативная антиоксидантная система. 18. Механизмы репарации ДНК, поврежденной ксенобиотиками. 4 Учебно-методические материалы по дисциплине 4.1 Основная и дополнительная литература, информационные ресурсы Основная литература 1. Биохимия /Под ред. Е.С. Северина: Учебное пособие для вузов. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. (9 экз.) 2. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. – М.: Мир, 2004. – 469 с. (50 экз.) 3. Николаев А.Я. Биологическая химия: учебник для медицинских вузов: рекомендовано УМО по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России. - 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицинское информационное агентство, 2004. - 565 с. (3 экз.). Дополнительная литература 4. Будников Г. К. Диоксины и родственные соединения как экотоксиканты // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – № 26. – С. 38–44. 5. Гуляева Л.Ф., Райс Р.Х. Биологические эффекты токсических соединений: Курс лекций. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского гос. ун-та, 2005. – 204 с. 6. Левановский Д. А. Соединения металлов в живой природе // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – № 9. – С. 48–50. 7. Мельников Н. Н., Мельникова Г.М Пестициды в современном мире // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – № 4. – С. 33–37. 8. Окружающая среда: энциклопедический словарь-справочник: пер. с нем. – М.: Прогресс, 1993. – 640 с. 9. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. – М.: Просвещение, 1987. 10. Остроумов С.А. Введение в биохимическую экологию. – М.: Издво МГУ, 1986. – 176 с. 11. Саловарова В.П., Приставка А.А., Берсенева О.А. Введение в биохимическую экологию. – Иркутск, Изд-во Иркутского гос. ун-та, 2007. – 160 с. 12. Телитченко М.М., Остроумов С.А. Введение в проблемы биохимической экологии. – М. : Мир, 1982. – 420 с. 13. Успехи биологической химии. Периодическое издание. 19982007. 14. Эйхмер В. Яды в нашей пище. – М. : Мир, 1993. – 188 с. 15. Журналы: Биомедицинская химия, Биохимия, Молекулярная биология, Успехи современной биологии, Эндокринология. 4.2 Перечень наглядных и других пособий, методических указаний и материалов к техническим средствам обучения Новые образовательные технологии позволяют улучшить восприятие и усвоение информации в процессе теоретического обучения. Аудитории для чтения лекций снабжены интерактивными досками, мультимедийными проекторами. Лекции сопровождаются наглядными презентациями. Для самостоятельной работы студенты используют электронные ресурсы читальных залов библиотеки СФУ. В ходе обучения предусмотрено активное использование интерактивных форм ведения занятий: активный диалог с преподавателем, обсуждение в группах. На лабораторных занятиях студенты выполняют работы по определенным разделам курса, решают задачи, обсуждают ключевые и трудно усваиваемые моменты теоретического материала, также проводится устный опрос студентов. 4.3 Контрольно-измерительные материалы При оценке успеваемости студентов по дисциплине «Биоорганическая химия» значительное внимание уделяется текущему контролю успеваемости и итоговой аттестации. Текущая аттестация – аттестация во время семестра, включает аттестацию на практических и семинарских занятиях. Текущий контроль осуществляется путем устного опроса, в ходе решения задач или обсуждения сложных для понимания вопросов. Для промежуточного контроля проводится письменная контрольная работа (приложение). Контрольно-измерительные материалы состоят из тестовых вопросов и схем биотрансформации ксенобиотиков. После проведения промежуточного контроля на ближайшем занятии подробно разбираются вопросы, вызвавшие наибольшие затруднения. Итоговая аттестация – зачет. Примерные вопросы к зачету 1. Классификация ксенобиотиков. 2. Пути поступления ксенобиотиков в организм. 3. Тканеспецифическое распределение ксенобиотиков. 4. Цитохром Р450 монооксигеназная система. 5.Реакции окисления ксенобиотиков, катализируемые Р450 монооксигеназной системой. 6. NADH-цитохром b5- редуктаза, строение, локализация, роль в биотрансформации ксенобиотиков. 7. Гидролазы, участвующие в биотрансформации ксенобиотиков. 8. Флавиновые монооксигеназы. 9. Фаза I биотрансформации ксенобиотиков. 10. Фаза II биотрансформации ксенобиотиков. 11. Фаза III биотрансформации ксенобиотиков. 12. Характеристика и механизм действия UDP-глюкуронилтрансфераз. 13. Характеристика и механизм действия глутатион-S-трансфераз. 14. Характеристика и механизм действия сульфотрансфераз. 15. Характеристика и механизм действия ацетил и метилтрансфераз. 16. Факторы, влияющие на активность ферментов биотрансформации ксенобиотиков. 17. Метаболизм этанола в печени. 18. Реакции восстановления ксенобиотиков и ферменты, их катализирующие. 19. Тяжелые металлы. Токсические эффекты. Роль металлотионеинов в детоксикации тяжелых металлов. 20. Активные формы кислорода и их негативные эффекты. 21. Роль антиоксидантной системы в защите организма от токсического действия ксенобиотиков. 21. Мембранотропные эффекты ксенобиотиокв. 23. Химический канцерогенез. Приложение 1 ГРАФИК учебного процесса и самостоятельной работы студентов по дисциплине Ксенобиохимия специальности __Биохимия_, __ИФБиБТ , __2__ курса на ___6__семестр № п/п 1 Наименование дисциплины Ксенобиохимия Семе -стр 6 Число аудиторных занятий Всего По видам 50 Лекции – 15 Лаборатор ные занятия – 15 Форма контроля Зачет Часов на самостоятельную работу Всего По видам ТО - 10 Реферат - 10 20 ПК Недели учебного процесса семестра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ТО ТО ТО ТО ТО ТО ТО ТО ТО ТО СР Ф ТО СР Ф ТО СР Ф ТО СР Ф ТО ТО ВРФ 16 ПК Условные обозначения: ТО – изучение теоретического курса; РФ – реферат; ВРФ – выдача темы реферата; СРФ – сдача реферата; ПК – промежуточный контроль (тестирование). Заведующий кафедрой: «_______» _______________________ 2008 г. Кратасюк В.А.