УТВЕРЖДАЮ Директор института физики высоких технологий ___________Лопатин В.В. «___»_____________2011 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ ОСНОВЫ БИОХИМИИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП 240700 «Биотехнология» ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ «Биотехнология» КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) бакалавр БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г. КУРС СЕМЕСТР третий пятый КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 4 ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б2.Б5, Б2.Б7, Б2.Б3 ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС: ЛЕКЦИИ ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА ИТОГО 36 час. 18 час. 54 час. 108 час. ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ зачет (5 семестр) ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра Биотехнологии и органической химии ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ ______________________ В.Д. Филимонов РУКОВОДИТЕЛЬ ООП ______________________ Е.А. Краснокутская ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ______________________ В.Ю. Серебров 2011 г. 1. Цели освоения модуля (дисциплины) 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 научно-исследовательской и инновационной деятельности, связанной с выбором необходимых методов исследования, модификации существующих и разработки новых способов создания инновационного продукта. Выпускник ОП на основе знаний, умений, навыков приобретает компетенции, необходимые для самореализации в организационноуправленческой деятельности, связанной с выполнением междисциплинарных проектов в профессиональной области, в том числе в интернациональном коллективе. 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. Выпускник формирует личностные качества, обеспечивающие саморазвитие и профессиональное самосовершенствование; активную жизненную позицию, умение нести ответственность за принятие своих решений. 2. Место модуля (дисциплины) в структуре ООП Модуль «биологическая химия» относится к математическому и естественнонаучному циклу. Для полноценного усвоения данного курса большое значение имеют знания, приобретенные студентами, на таких дисциплинах, как общая и неорганическая химия (Б2.Б4), органическая химия (Б2.Б5), общая биология и микробиология (Б2.Б7) Для успешного обучения данной дисциплине студент должен знать структуру органических соединений и основ химической кинетики, характеристики коллоидных растворов; строение и функции внутриклеточных структур, клеток и тканей; основные физиологические процессы; физико-химические принципы разделения веществ (хроматография, электрофорез, масс-спектрометрия, спектрофотометрия, флюорометрия); современные колориметрические и оптические методы исследования; 3. Результаты освоения модуля (дисциплины) После изучения курса «Основы биохимии и молекулярной биологии» студент должен знать: уровни организации биохимических процессов живых систем; информацию о функционировании и регуляции основных биохимических процессов у эукариотов и прокариотов; основы молекулярно-биологических процессов деления и воспроизводства клеток. уметь использовать: теоретические и методические основы биохимии; физико-химические основы функционирования живых организмов; физико-химические и биохимические процессы, протекающие в живом организме на субмолекулярном и, молекулярном, клеточном, органном и организменном уровнях; принципы регуляции метаболизма живых клеток и тканей. Студент должен иметь опыт: современных биохимических методов исследования и разрабатывать новые методические подходы; грамотно формулировать и планировать задачи исследований в теоретической и практической биохимии; использовать методы и теоретические основы биохимии в целях изучения природы и биохимических механизмов биотехнологических процессов, а также разрабатывать теоретические позиции для создания новых биотехнологий; для решения проблем биотехнологии применять достижения биохимии и на этой основе способствовать совершенствованию существующих и разрабатывать новые методы биотехнологии; интерпретировать экспериментальные результаты с целью выяснения молекулярных механизмов биохимических процессов и участвовать в совершенствовании систематического биохимического контроля за течением производственного процесса; пользоваться компьютерной техникой применительно к биохимическим экспериментам. В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции: 1.Универсальные (общекультурные) Способность самостоятельно совершенствовать и развивать свой интеллектуальный, общекультурный и профессиональный уровень, добиваться нравственного и физического совершенствования своей личности; Готовность к кооперации с коллегами для выполнения научноисследовательских и научно-производственных работ, в том числе интернациональных; способность проявлять инициативу, личную ответственность; быть коммуникабельным. 2. Профессиональные Способность к овладению базовыми знаниями в области базовых естественных и технических наук, применение их в различных видах профессиональной деятельности; Понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, быть готовым к использованию в профессиональной деятельности информационных и коммуникативных технологий; 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. 4. Структура и содержание модуля (дисциплины) 4.1 Содержание: Химическая организация, строение и функции клетки эукариотов и прокариотов; строение, состав и физиологическая роль клеточной стенки и цитоплазматической мембраны; внутриклеточные органеллы; принципы биоэнергетики; пути и механизмы преобразования энергии в живых системах; аэробные и анаэробные окислительновосстановительные процессы; фотосинтез и хемосинтез; азотфиксация; биосинтез веществ в клетках; организация биосинтетических процессов в клетках эукариот и прокариот; вторичные метаболиты; транспорт субстратов и продуктов, основные механизмы, организация и регуляция транспортных процессов; молекулярные механизмы передачи генетической информации. Курс-4 (8 сем. – зачет). Всего 108 ч., в т.ч. Лк. 36 ч., Лб. 18 ч. 4.2 Содержание теоретического раздела дисциплины (лекции) 1 Предмет биохимии – (2 часа) Задачи и возможности биохимии. Разделы науки. Основные этапы становления биохимии. Связь с другими науками. Уровни изучения обмена веществ в организме. 2. Аминокислоты, пептиды, белки. Структура, свойства, функции. Выделение и очистка …….… (4часа) Строение, физико-химические свойства и классификация аминокислот. Биологическое значение. Способы разделения и идентификации. Пептидная связь. Первичная структура белков. Связь первичной структуры и пространственной конформации. Способы расшифровки первичной структуры. Вторичные структуры белков. Фибриллярные белки. Коллаген. Третичная конформация белков. Виды связей, их стабилизирующие. Четвертичная конформация. Связь нативной структуры и биологической активности белков. Шапероны и прионы. Растворы белков – как коллоидные системы. Высаливание. Денатурация. Изоэлектрическое фокусирование. Препаративное и дифференциальное центрифугирование. Хроматография. Электрофорез. Биологически активные пептиды. Простые белки. Альбумин. Гистоны. Примеры белков различного состава и конформации. Коллаген. Гемоглобин, миоглобин. 3. Ферменты (2 часа) Химическая природа. Сходство и отличия от неорганических катализаторов. Локализация и структурная организация ферментов и ферментные комплексы. Конститутивные и адаптивные ферменты. Структура ферментов. Механизмы катализа. Кинетика ферментативного катализа. Классификация ферментов. Способы определения активности ферментов. Регуляция скорости ферментативных процессов. Зависимость от условий среды. Ингибиторы и активаторы. Изоферменты. Компартментализация клетки. Аллостерические ферменты. 4. Витамины ..…(4 часа) Понятие о витаминах. История открытия. Источники витаминов. Понятие нормы потребления. Причины гипер-, гипо- и авитаминозов. Жирорастворимые витамины – участники важнейших процессов жизнедеятельности. Водорастворимые витамины – как кофакторы ферментов. 5 Структура и обмен нуклеиновых кислот ……..(2 часа) Строение, свойства, локализация в клетке ДНК и РНК. Функции нуклеиновых кислот и нуклеотидов. Внешний обмен нуклеиновых кислот. Промежуточный обмен: синтез и распад пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Нарушения обмена. Механизмы репликации. Характеристика ДНК-полимераз. Механизмы транскрипции. Характеристика РНК-полимераз. Сплайсинг РНК. Трансляция. Этапы. Ферменты. Процессинг белковых молекул. Регуляция и нарушения процессов синтеза ДНК, РНК и белка. 6. Внешний обмен белков ……………….…… .(2 часа) Понятие азотистого баланса. Потребность в аминокислотах и белках. Протеиназы желудочно-кишечного тракта. Специфичность, оптимум рН. Состав желудочного и кишечного соков. Регуляция секреции. Роль соляной кислоты. Механизмы всасывания аминокислот в кишечной стенке. Превращение аминокислот в толстом кишечнике. Образование токсинов и их обезвреживание. Реакции конъюгации с ФАФС и УДФ-глюкуроновой кислотами. 7. Промежуточный обмен белка (4 часа) Пополнение внутриклеточного пула аминокислот. Общие и специфические пути обмена аминокислот. Синтез заменимых аминокислот. Механизмы дезаминирования аминокислот. Механизмы трансаминирования. Роль пиридоксальфосфата. Декарбоксилирование аминокислот. Биогенные амины. Судьба углеродного скелета аминокислот. Глико- и кетогенные аминокислоты. Примеры нарушения обмена аминокислот. Конечные продукты обмена белков. Механизмы токсичности аммиака. Утилизация и обезвреживание аммиака. Пути утилизации аминокислот без освобождения аммиака. 8. Углеводы и обмен углеводов (4 часа) Роль углеводов в процессах жизнедеятельности. Внешний обмен углеводов. Амилазы и дисахаридазы. Всасывание сахаров в кишечной стенке. Взаимопревращения гексоз. Фосфорилирование. Промежуточный обмен глюкозы. Проникновение в клетки. Анаэробные и аэробные пути обмена. Взаимоотношения брожения и дыхания. Гликолиз. Ферменты. Этапы. Продукты. Регуляция. Шунты гликолиза. Биологическое значение. Аэробный путь обмена глюкозы. Декарбоксилирование пирувата. Роль витаминов. Окисление универсального метаболического топлива –ацетил-КоА. Цикл Кребса. Глюконеогенез. ферменты. Биологическое значение. Обмен гликогена. Регуляция. 9. Липиды и обмен липидов (4 часа) Классификация, свойства и роль липидов в организме. Внешний обмен липидов. Желчные кислоты. Липазы. Всасывание продуктов гидролиза липидов. Энтерогепатическая рециркуляция желчных кислот. Ресинтез жиров в кишечнике. Транспортные формы липидов в крови. Состав, формирование и роль липопротеиновых комплексов в обмене липидов. ЛПлипазы тканевых капилляров. Промежуточный обмен липидов. Липолиз. Окисление жирных кислот. Энергетическая ценность. Метаболизм кетокислот. Биологическое значение. Метаболизм глицерина. Взаимосвязь углеводного и липидного обменов. Липогенез. Синтез жирных кислот, нейтральных липидов, фосфолипидов. Обмен холестерина. Регуляция и нарушения липидного обмена. 10. Взаимосвязь обменов веществ. Характеристика метаболизма клеток млекопитающих. Этапы энергетического обмена (2 часа) Взаимосвязь обмена углеводов и липидов, углеводов и белков, липидов и белков. Роль нуклеотидов в обмене веществ. Метаболические «перекрестки». Запасы метаболического топлива в организме и его расходование. 11.Биологическоеокисление(4часа) Формы аккумулирования энергии в живой клетке. Адениновые нуклеотиды –универсальные аккумуляторы энергии. Субстратное и окислительное фосфорилирование. Гипотезы сопряжения окисления и фосфорилирования. Хемиоосмотическая гипотеза Митчелла. Структура ферментных комплексов внутренней мембраны митохондрий. АТФ-аза – фактор сопряжения дыхания и фосфорилирования. Ингибиторы дыхания, фосфорилирования и разобщители дыхания и фосфорилирования. Эффективность фосфорилирования, коэффициент дыхания. 12. Гормональная регуляция обмена веществ (4 часа) Понятие о гормональной регуляции. Связь с нервной и внутриклеточной системами регуляции. Классификация гормонов по химической структуре. Механизмы действия гормонов. Рецепторы, вторичные посредники. Рилизинг–факторы гипоталамуса. Тропные гормоны гипофиза. Соматотропный гормон. Гормоны щитовидной и паращитовидных желез. Гормоны поджелудочной железы. Катехоламины. Стероидные гормоны. 4.3 Перечень лабораторных работ Лабораторные работы (18 час) Тема 1. Аминокислоты. Пептиды. Белки. Структура, свойства, функции. Выделение и очистка (6 часов) 1.Цветные реакции на аминокислоты и белки. 2. Качественные реакции на сложные белки. 3.Количественное определение белка. Метод Лоури, Брэдфорд. Биуретовый и микробиуретовый методы. Спектрофотометрическое определение количества белка. 4. Конечные продукты распада нуклеотидов. Определение мочевой кислоты. 5. Понятия правильности, воспроизводимости, специфичности и чувствительности методов. Тема 3. Углеводы и обмен углеводов (6 часов) 1.Выделение гликогена из биологического материала. 2.Количественное определение гликогена в печени и мышцах. 3. Определение содержания глюкозы в биологических жидкостях и тканях. Редуктометричекий, колориметрический и глюкозооксидазный методы. 4. Определение конечных продуктов гликолиза – пирувата и лактата в тканях и крови. Тема 4. Липиды и обмен липидов (6 часов) 1.Внешний обмен липидов. Исследование влияния желчи на гидролиз липидов молока, масла и желтка панкреатином. 2.Выделение нейтральных и полярных липидов из желтка яиц. 3. Тонкослойная хроматография фракций нейтральных и полярных липидов. 4.4 Курсовые проекты или работы (тематика курсовых проектов или работ) НЕ ПРЕДУСМОТРЕНО Таблица 1. Структура модуля (дисциплины) по разделам и формам организации обучения Название раздела/темы Аудиторная СРС Колл, работа (час) (час) Контр.Р. Лекции Лаб. зан. 2 2 1 Предмет биохимии . 2. Обмен веществ в клетке 22 18 26 2 3. Сопряжение отдельных 12 26 видов обмена 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 работа 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 контрольной работе, экзамену. 6.2 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; - анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем теме. 6.2. Содержание самостоятельной работы студентов (дисциплине) Темы дисциплины, вынесенные на самостоятельное изучение по модулю 1. Иммуноглобулины, особенности строения, избирательность взаимодействия с антигеном. Многообразие антигенсвязывающих участков Н- и L-цепей. Классы иммуноглобулинов, особенности строения и функционирования. 2. Молекулярные механизмы генетической изменчивости. Молекулярные мутации: замены, делеции, вставки нуклеотидов. Частота мутаций, зависимость от условий среды (радиация, химические мутагены). Рекомбинации как источник генетической изменчивости. Механизмы увеличения числа и разнообразия генов в генотипе в ходе биологической эволюции. 3. Происхождение разнообразия антител. Особенности структуры ДНК при дифференцировке и созревании В–лимфоцитов. Транспозиция V, D, Jучастков генов в ходе формирования полных генов L- и Н–цепей. Образование гипервариабельных участков V-сегментов Н- и L-генов за счет соматических мутаций. С-области Н-цепей определяют классы Ig. Перестройка ДНК в ходе переключения класса Ig. Иммунодефициты. 4. Наследственные болезни – результат дефектов в генотипе; многообразие и распространенность. Международная исследовательская программа «Геном человека». Технология рекомбинантных ДНК, конструирование химерных молекул ДНК и их клонирование. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и полиморфизм длины рестрикционных фрагментов (ПДРФ) как методы изучения генома диагностики болезней. Генная терапия. 5. Белки мембран – интегральные, поверхностные, «заякоренные». Значение посттрансляционных модификаций в образовании функциональноактивных мембранных белков. Механизмы переноса веществ через мембраны: простая диффузия, первично-активный транспорт (Nа+-К+-АТФаза, Са2+-АТФаза), пассивный симпорт и антипорт, вторично-активный транспорт, регулируемые каналы (Са2+-канал эндоплазматического ретикулума). 6. Адгезивные белки межклеточного матрикса; фибронектин и ламинин, их строение и функции. Роль этих белков в межклеточных взаимодействиях и развитии опухолей. Структурная организация межклеточного матрикса. Изменения соединительной ткани при старении, коллагенозах. Роль коллагеназы при заживлении ран. Оксипролинурия при коллагенозах. 7. Важнейшие белки миофибрилл: миозин, актин, актомиозин, тропомиозин, тропонин. Молекулярная структура миофибрилл. Биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабления. Роль градиента одновалентных ионов и ионов кальция в регуляции мышечного сокращения. Саркоплазматические белки: миоглобин, его строение и функции. Экстрактивные вещества мышц. Особенности энергетического обмена в мышцах; креатинфосфат. 8. Химический состав нервной ткани. Миелиновые мембраны: особенности состава и структуры. Энергетический обмен в нервной ткани; значение аэробного распада глюкозы. Биохимия возникновения и проведения нервного импульса. Молекулярные механизмы синаптической передачи. Медиаторы: ацетилхолин, катехоламины, серотонин, -аминомасляная кислота, глутаминовая кислота, глицин, гистамин. 9. Нарушения обмена биогенных аминов при психических заболеваниях. Предшественники катехоламинов и ингибиторы моноаминооксидазы в лечении депрессивных состояний. Физиологически активные пептиды мозга. 6.3 Контроль самостоятельной работы Оценка результатов самостоятельной работы организуется в виде самоконтроля студентов путем участия их в научно-практических конференциях, семинарах, анализа результатов контрольных работ, тестов. Контроль со стороны преподавателя происходит при проведении контрольных работ, написания реферата и его презентация. 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 модуля (дисциплины) При изучении дисциплины «Основы биохимии и молекулярной биологии» преподавателем оцениваются исходные знания студентов в следующих формах: - текущий (внутрисеместровый) контроль осуществляется при выполнении контрольных работ, вынесенных преподавателем в рейтингплан, и защиты лабораторных работ. с целью определения соответствия приобретенных знаний, умений и навыков, установленных целями дисциплины, проводится итоговое компьютерное тестирование. Примеры билетов 8. Рейтинг качества освоения дисциплины Рейтинг план освоения дисциплины в течение семестра представлен в Приложении 1. . Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины) Основная литература: 1. Биохимия: Учебник / Под ред. Е.С.Северина. – М.: ГЭОТАРМЕД, 2003. – 784 с. 2. Биохимия: Краткий курс с упражнениями и задачами / Под ред. Е.С.Северина, А.Я.Николаева. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2005. – 448 с. 3. Николаев А.Н. Биологическая химия. – М.: Высшая школа, 2001. – 496 с. 4. Строев Е.А. Биологическая химия. / М., «Высшая школа», 1986 г. 5. Серебров В.Ю., Федорова Т.С., Канская Н.В. и др Лабораторный практикум по биологической химии для студентов II курса врачебных факультетов / под ред профессора Т.С.Федоровой. – Томск, STT, 2002. Дополнительная литература: 1. Биохимические основы патологических процессов: Учебное пособие /Под ред. Е.С.Северина.-М.: Медицина, 2000.- 394 С. 2. Камышников В.С. Справочник по клинико-биохимической лабораторной диагностике: в 2 т. - Мн.: Беларусь.-2000.- 958 С. 3. Ленинджер А. Основы биохимии (в 3-х томах). – М.: Мир, 1985. 4. Мак-Мюррей У. Обмен веществ у человека. – М.: Мир, 1980. 5. Марри Р., Греннер Д., Мейс П. Биохимия человека. – М.: Мир, 1993. 6. Молекулярная биология клетки в 3-х т / Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. // М.: Мир, 1994. 7. Мусил Я. Основы биохимии патологических процессов. – М.: Медицина, 1985.– 432 с. 8. Мусил Я., Новакова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах. – М.: Мир, 1981. 9. Ньюсхолм Э., Старт К."Регуляция метаболизма".-М.: Мир.1977.- 87 c. 10. Страйер Л. Биохимия (в 3-х томах). – М.: Мир, 1985. 11. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э, Хилл Р., Леман И. Основы биохимии. – М.: Мир, 1981. Рекомендуемые интернет-ресурсы: базы данных, информационно-справочные и поисковые системы http://www.pubmedcentral.nih.gov - U.S. National Institutes of Health (NIH). Свободный цифровой архив журнальных публикаций по результатам биомедицинских научных исследований. http://www.biochemistry.org - Сайт Международного биохимического общества (The International Biochemical Society). http://medbiol.ru - БИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНА. Cайт для образовательных и научных целей. http://molbiol.edu.ru - Практическая молекулярная биология. Используемое программное обеспечение КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТЕСТ-КОНТРОЛЬ 10. Материально-техническое обеспечение дисциплины Материально-техническое обеспечение дисциплины включает термостат, сушильный шкаф, фотоэлектроколориметр, спектроэлектрофотометр, камеры для проведения электрофареза, диализа и хроматографии, 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 одобрена на заседании ________________________________ __________________________________________________________ (протокол № 1 от «30» 08. 2010 г.). Автор(ы) Серебров В.Ю. Рецензент(ы) Чубик М.В.