Учебно-методическое объединение вузов РБ по экологическому образованию Белорусский государственный университет УТВЕРЖДАЮ Ректор Белорусского государственного университета ________________ С.В. Абламейко «____» ____________ 2008 г. Регистрационный № УД-______/уч. Экологическая биохимия Учебная программа для специальности: 1-33 01 01 Биоэкология СОГЛАСОВАНО Председатель УМО вузов по экологическому образованию _____________ С.П. Кундас «____» __________ 2008 г. 2008 г. СОСТАВИТЕЛЬ: Наталия Михайловна Орел, доцент кафедры биохимии Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук, доцент. РЕЦЕНЗЕНТЫ: Кафедра биохимии и биофизики Учреждения образования «Международный государственный экологический университет имени А.Д. Сахарова»; Римма Анатольевна Желдакова – доцент кафедры микробиологии Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук, доцент. РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОЙ: Кафедрой биохимии Белорусского государственного университета (протокол № 14 от 17 октября 2008 г.); Научно-методическим советом Белорусского государственного университета (протокол № от 2008 г.); Научно-методическим советом по специальностям 1-33 01 01 Биоэкология и 1-33 01 02 Геоэкология Учебно-методического объединения вузов РБ по экологическому образованию (протокол № от 2008 г.). Ответственный за выпуск: Орел Наталия Михайловна. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА При подготовке специалистов-биоэкологов целесообразно ознакомить студентов с интересной и быстро накапливающейся информацией на стыке биохимии, химии и экологии. Это важное теоретически и практически направление исследований оформилось, начиная с 70-х годов прошлого века, в системную науку - экологическую биохимию (биохимическую экологию). Несмотря на выделение некоторыми учеными двух наук, до сих пор окончательно не сделаны акценты в сторону разделения сфер интересов между ними. Это объясняется тем, что большинство проблем в одинаковой степени относятся как к компетенции экологической биохимии, так и биохимической экологии. Круг вопросов, решаемых в рамках этих наук велик. Это эколого-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах (все виды коммуникаций, защиты, регуляции пищевого, полового, материнского, агрессивного поведения, размножения и др. с помощью химических веществ как внутри популяции, так и между представителями разных таксонов). Знания в этой области позволяют разрабатывать пути направленной хеморегуляции численности и поведения организмов в природных и искусственных экосистемах не выходя за рамки природоохранной деятельности. Интенсивно изучаются особенности метаболизма организмов самых разных систематических групп, различающихся типом питания, способами получения и запасания энергии, обитающих в разных географических зонах и занимающих определенные экологические ниши. Научный поиск в этом направлении дает материал для анализа адаптивных биохимических механизмов выживания в разных условиях среды. Теоретическую и практическую значимость имеют исследования влияния на организм, популяцию, экосистему веществ, загрязняющих биосферу, Раскрываются механизмы биотрансформации чужеродных соединений в биологических системах разного уровня организации. Накопившаяся информация ставит перед экологической биохимией еще одну задачу – разработку эффективных способов повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды путем поддержания в норме или направленного восстановления физиологических и биохимических процессов. Для того чтобы эффективно использовать эколого-биохимические подходы для решения широкого круга задач, необходимо обладать компетентностью в самых разнообразных областях, глубокими базовыми знаниями биохимии, экологии, микробиологии, зоологии, ботаники, физиологии растений и животных, ксенобиологии, аспектов физико-химической биологии, биофизики, математики, компьютерных технологий и др. В связи с этим спецкурс предназначен для студентов-биоэкологов 5-го курса, уже получивших подготовку по вышеуказанным учебным дисциплинам. Анализируя новейшие сведения по теоретическим и практическим эколого-биохимическим проблемам, обобщая опыт и знания в области самых современных подходов и технологий исследования организменных и надорганизменных биосистем, спецкурс касается и сложных для биоэкологов моментов, требующих знаний дисциплин, не входящих в программы биологического факультета. Таким образом, подобный курс может быть рассмотрен как форма сочетания и взаимного дополнения знаний в рамках, предусмотренных классическими фундаментальными университетскими программами для биоэкологов, с современными, динамичными и развивающимися прикладными аспектами на стыке широкого спектра дисциплин. Он призван ознакомить студентов с самыми различными идеями и подходами с целью обеспечения возможностей не только их применения, но и дальнейшего развития новых направлений экологической биохимии. В результате изучения дисциплины обучаемый должен: знать: - методологию эколого-биохимических исследований; - эколого-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах: все виды коммуникаций, защиты, регуляции поведения с помощью химических веществ как внутри популяции, так и между представителями разных таксонов в экосистеме и их значение; - теоретическую и практическую значимость исследований влияния на организм, популяцию, экосистему веществ, загрязняющих биосферу, механизмы биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков, судьбу поллютантов в биосфере. способы повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды. уметь: - использовать методы теоретического и экспериментального исследования для изучения различных аспектов экологической биохимии; - использовать новейшие достижения в области экологической биохимии в реальных экологических ситуациях для формулирования и решения практических задач. Изучение курса проводится по блочно-модульному принципу с выделением пяти основных блоков (модулей). 1. Введение. 2. Молекулярные механизмы взаимодействий в природных экосистемах. 3. Общее представление об эколого-биохимических проблемах качества питания. 4. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков. 5. Судьба загрязняющих веществ в биосфере. При чтении лекционного курса необходимо применять наглядные материалы в виде таблиц и рисунков для графопроектора, мелового рисунка, а также использовать технические средства обучения для демонстрации слайдов, презентаций. Для организации самостоятельной работы студентов по курсу следует использовать современные информационные технологии: разместить в сетевом доступе комплекс учебных и учебно-методических материалов (программа, методические указания к лабораторным занятиям, список рекомендуемой литературы и информационных ресурсов, задания в тестовой форме для самоконтроля и др.). Лабораторные занятия предусматривают освоение методов, позволяющих оценить состояние и эффективность системы биотрансформации ксенобиотиков при поступлении чужеродных веществ в биосистему, применение статистической обработки данных. В случае демонстрационных занятий – обеспечение концептуальными моделями, слайдами, программами. Эффективность самостоятельной работы студентов целесообразно проверять в ходе текущего и итогового контроля знаний в форме устного опроса, написания рефератов, решения задач, тестового компьютерного контроля по темам и разделам курса (модулям). Для общей оценки качества усвоения студентами учебного материала рекомендуется использование рейтинговой системы. Учебный курс рассчитан на 44 часа: 26 часов лекций, 14 часов лабораторных занятий и 4 часа контроля самостоятельной работы студентов (КСР). ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН № разделов и тем 1. 2. 3. Наименование разделов и тем Всего Введение Молекулярно-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах Общее представление об экологобиохимических проблемах качества питания 2 8 4 Аудиторные часы ЛабораЛекции торные занятия 2 8 4 КСР 2 4. 5. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков Судьба загрязняющих веществ в биосфере ИТОГО: 24 10 2 2 44 26 14 2 14 4 1. Введение Экологическая биохимия: круг проблем, подходы и методы решения. Связь с другими науками. 2. Молекулярно-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах Эколого-биохимическая характеристика возможностей хеморецепции и хеморегуляции. Классификация хеморегуляторов. Использование химических веществ для регуляции численности и поведения организмов в экосистемах . Регуляция поведения (пищевого, полового, материнского, агрессивного) с помощью химических веществ. Коммуникация с помощью хеморегуляторов: половые феромоны, следовые феромоны, феромоны тревоги, агрегационные феромоны, феромоны для мечения территории и др. - примеры химической структуры и использования. Абсолютная и относительная специфичность действия. Эколого-биохимические отношения между живыми существами. Внутривидовые и межвидовые взаимодействия с помощью хеморегуляторов. Эколого-биохимическая характеристика механизмов защиты. Природные токсины таксономически различных групп организмов и их действие (на примерах использования белков, пептидов, гликозидов, терпеноидов. фенолов, хинонов, алкалоидов и др.). Накопление и использование вторичных метаболитов. Биохимия пищевого поведения. Углеводы, органические кислоты, таннины, масла, изофлавоны, алкалоиды и др., как детерренты и аттрактанты. Структура некоторых веществ, определяющих запах и вкус. Природные и синтетические вещества, обладающие сладким вкусом. Интенсификаторы и модификаторы вкуса. Экологическая роль детеррентов и аттрактантов. Использование химических веществ для регуляции или направленного управления экосистемой в рамках природоохранной деятельности 3. Общее представление об эколого-биохимических проблемах качества питания Нежелательные (токсичные) составляющие природных продуктов питания. Ксенобиотики, поступающие в продукты питания из окружающей среды и при промышленном изготовлении. Предельно допустимые концентрации. Биохимическая характеристика наиболее опасных токсинов организмов, развивающихся на продуктах питания. Токсины организмов, загрязняющие питьевую воду. 4. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков Структурно-функциональная организация системы биотрансформации чужеродных соединении. Общие механизмы обезвреживания полярных и липофильных ксенобиотиков. Главные звенья системы обезвреживания. Уровни изменений в организме при внедрении ксенобиотика. Критерии оценки состояния системы обезвреживания чужеродных соединении. Биохимические механизмы детоксикации растворимых и липофильных ксенобиотиков. Микросомальное обезвреживание. Микросомальные цепи переноса электронов. Открытие цитохрома Р-450, его характеристика, локализация, классификация, особенности субстратной специфичности, изоферменты. Биосинтез и деградация цитохрома Р-450. НАДФН цитохром Р-450 редуктаза. Цитохром в5, его характеристика и локализация. НАДН цитохром в5 редуктаза. Роль фосфолипидов мембран в функционировании микросомальных оксигеназ. Модели общих механизмов окисления на примере гидроксилирования ксенобиотиков в микросомах. Пути метаболизма ксенобиотиков. 1-я фаза биотринсформации. Реакции окисления. N-, О-, S-деалкилирование. Гидроксилирование циклических и алифатических соединений. Nокисление, окислительное дезаминирование, S-окисление, десульфатирование, эпоксидирование. Системы окисления спиртов, альдегидов и алифатических циклических веществ. Модификация химических веществ путем восстановления. Восстановление нитросоединений, азосоединений и восстановительное галогенирование. Восстановление альдегидов и кетонов, двойных связей, атомов с переменной валентностью, эпоксидов, дегидроксилирование. Реакции гидролиза и разрыва циклических структур. Гидролиз фосфорорганических веществ и эпоксидов. Механизмы конъюгации - 2-я фаза биотрансформации. Внутриклеточная локализация основных систем конъюгации. Доноры энергии. Характеристика реакций конъюгации: глюкуронидной, глюкозной, глутатионовой, с аминокислотами, сульфатной, метилирования, ацетилирования, фосфорилирования и др. Механизмы детоксикации цианидов. Детоксикация и токсификация веществ в процессе биотрансформации. Пути образования и механизмы обезвреживания свободных радикалов и перекисей. Псевдопероксидазные реакции и их роль в биотрансформации ксенобиотиков и эндогенных соединений. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией. Особенности метаболизма ксенобиотиков у филогенетически различных организмов. Способы повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды путем поддержания в норме или направленного восстановления физиологических и биохимических процессов. 5. Судьба загрязняющих веществ в биосфере Общая характеристика веществ антропогенного происхождения, загрязняющих биосферу. Связь между структурой вещества и его особенностями как поллютанта. Ограниченность природной способности экосистем к детоксикации поллютантов. Воздействие остатков поллютантов на экосистемы. Экологическая опасность биоразрушаемых поллютантов и остатков неразложившихся поллютантов. Информационная (информационно-методическая) часть Темы лабораторных занятий (14 часов): 1. Влияние нитратов и нитритов на биохимические показатели крови (содержание гемоглобина, метгемоглобина, нитрит йонов, активность щелочной фосфатазы, аминотрансфераз). 2. Влияние нитратов и нитритов на активность ферментов антиоксидантной защиты (СОД, каталазы, глутатионпероксидазы). 3. Влияние нитратов и нитритов на процессы перекисного окисления липидов. ЛИТЕРАТУРА Основная: 1.. Остроумов С.А. Введение в биохимическую экологию./ С.А. Остроумов Изд-во Московского ун-та, 1986. 2. Харборн Дж. Введение в экологическую биохимию./ Дж. Харборн М.: Мир, 1985. 3. Саприн А.Н. Детоксикация ксенобиотиков в организме / А.Н. Саприн. Итоги науки и техники. Общие проблемы физико-химической биологии. - М.: ВИНИТИ, 1990. 4. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию./ Г. Фелленберг Пер. с нем. - М.: Мир, 1997. 5. Голиков С.Н. Общие механизмы токсического действия / С.Н. Голиков, И.В. Саноцкий, Л.А. Тиунов – Л.: Медицина, 1986. 6. Корте Ф. Экологическая химия. Основы и концепции./ Ф. Корте, М. Бахадир, В. Клайн и др. Пер. с нем. М.: Мир, 1997. 7. Хочачка П., Сомеро Дж. Биохимическая адаптация /Пер. с англ./ – М.: Мир, 1988. 8. Федке К. Биохимия и физиология действия гербицидов. М: Агропромиздат, 1985. Дополнительная: 1. Головенко Н.Я. Сравнительная биохимия чужеродных соединений./ Н.Я. Головенко, Т.Л. Карасева. Киев: Наукова Думка, 1983. 2. Арчаков А.И. Микросомальное окисление./ А.И. Арчаков. М: Наука, 1975. 3. Голиков С.Н. Общие механизмы токсического действия./ С.Н. Голиков, И.В. Саноцкий, Л.А. Тиунов. М: Медицина, 1986. 4. Ляхович В.В. Индукция ферментов метаболизма ксенобиотиков./ В.В Ляхович, И.Б Цырлов. Новосибирск: Наука, 1981. 5. Юрин В.М., Кудряшов А.П. Ксенофитофизиология. Минск: БГУ, 1999. 6. Кобляков В.А. Цитохромы семейства Р-450 и их роль в активации проканцерогенов / В.А. Кобляков // Итоги науки и техники. Серия Биологическая химия. М.: ВИНИТИ, Т.35, 1990. 7. Гуляева Л.Ф. Микросомная монооксигеназная система живых организмов в биомониторинге окружающей среды // Л.Ф. Гуляева, А.Ю. Гришанова, О.А. Громова, Н.М. Слынько, В.А. Вавилин, В.В. Ляхович // Аналитический обзор, серия "Экология". Изд-во ГПНТБ СО РАН, 1994, 101 с. 8. Guengerich F.P. Enzymology of Rat Liver Cytochrome P-450 // Mammalian Cytochrome P-450 / Ed. Guengerich F.P. - Boca Raton: CRC Press, 1987. - P.2-54. Разнообразную полезную информацию по экологической биохимии можно найти по адресам: 9. www.msu.su. Московского государственного университета (включая доступ в библиотеку) 10. http://isir.ras.ru/ - Интегрированная Cистема Информационных Ресурсов Российской Академии Наук. 11. http://www.viniti.msk.su/ - Всероссийский Институт Научной и Технической Информации (ВИНИТИ РАН). 12. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Pubmed - База научных данных в области биомедицинских наук.