Молекулярная биология и генная инженерия

Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
Молекулярная биология и генная инженерия
Методические указания по самостоятельной работе
Красноярск
СФУ
2011
Составитель: Межевикин В.В.
Методические указания составлены в соответствии с учебным планом
и программой по дисциплине «Молекулярная биология и генная инженерия».
В пособии даны рекомендации для самостоятельного изучения
теоретического курса дисциплины, представлены источники основной и
дополнительной литературы в соответствии с темами занятий.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся
по направлению
011200.68 «Физика», магистерская
программа
«Биофизика».
В настоящее время, когда утверждается, что понято какое-либо
биологическое явление, - это означает, что мы разобрались с молекулярными
механизмами этого явления. Однако биологические молекулы имеют
огромные размеры, и их структуру и взаимодействие друг с другом
невозможно исследовать без использования физических законов и
принципов. Поэтому молекулярная биология, изучающая главным образом
большие биомолекулы и их роль в функционировании живой клетке, прежде
всего в ее размножении, является одной из основных наук, знание которой
необходимо в биологических и биофизических исследованиях. Многие
биологические исследования, а также молекулярная биотехнология в
настоящее время немыслимы без методов генной инженерии, теснейшим
образом связанной с молекулярной биологией. Главная цель данного курса
заключается в ознакомлении студентов с основными фактами, законами и
принципами строения и функционирования живых клеток, накопленными и
обнаруженными молекулярной биологией, а также в ознакомлении с
методами и принципами генной инженерии, тесно связанной с молекулярной
биологией.
Задачи дисциплины вытекают из необходимости получения студентами
знаний об основных законах и принципах молекулярной биологии.
Основное внимание в курсе уделяется рассмотрению структуры и
функции белков и нуклеиновых кислот. В курсе рассмотрены также
принципы и методы генной инженерии и ее использование в молекулярной
биотехнологии и медицине. Обсуждаются нерешенные биологические
проблемы с точки зрения молекулярной биологии.
Изучение дисциплины направлено на подготовку выпускника в области
биологии,
получение
высшего
профессионального
образования,
позволяющего выпускнику успешно работать в избранной сфере
деятельности.
Задачей изучения дисциплины является формирование следующих
компетенций:
–
способностью демонстрировать углубленные знания в
области математики и естественных наук (ОК-1);
–
способностью
к
коммуникации
в
научной,
производственной и социально-общественной сферах деятельности,
свободное владение русским и иностранным языками как средством
делового общения (ОК-8);
–
способностью использовать знания современных проблем
физики, новейших достижений физики в своей научноисследовательской деятельности (ПК-2);
–
способностью свободно владеть профессиональными
знаниями для анализа и синтеза физической информации (в
соответствии с профилем подготовки) (ПК-7).
1 Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия:
лекции
практические занятия (ПЗ)
Самостоятельная работа:
изучение теоретического курса (ТО)
Вид промежуточного контроля (зачет,
экзамен)
Всего
зачетных
единиц
(часов)
2 (72)
0,78 (28)
0,39 (14)
0,39 (14)
1,2 (44)
1,2 (44)
зачет
Семестр
10
2 (72)
0,78 (28)
0,39 (14)
0,39 (14)
1,2 (44)
1,2 (44)
зачет
2 Содержание дисциплины
2.1 Разделы дисциплины
№
п/п
Модули и разделы дисциплины
1 Модуль 1. Введение
2 Модуль 2. Структура белков, нуклеиновых кислот и общая схема о
генетической системы
3 Модуль 3. Реализация генетической информации
4 Модуль 4. Хромосомы
5 Модуль 5. Передача, изменение и защита генетической информации в
ряду поколений
6 Модуль 6. Системы развития и поддержания целостности
многоклеточных организмов
7 Модуль 7. Методы генной инженерии
8 Модуль 8. Задачи молекулярной биологии в XXI веке
2.2 Самостоятельная работа
Самостоятельная работа по курсу включает изучение теоретического
материала для подготовки к семинарам, написание реферата.
Основные цели самостоятельной работы – формирование у студентов
навыков к самостоятельному творчеству, труду, умений решать
профессиональные задачи с использованием всего арсенала современных
средств,
потребностей
к
непрерывному
самообразованию
и
совершенствованию своих знаний, приобретение опыта планирования и
организации рабочего времени и расширение кругозора.
Выполнение всех видов самостоятельной работы по изучению курса
поможет студентам сориентироваться в понимании основных понятий и
проблем курса, освоить приемы и способы решения конкретных задач из
различных областей науки, овладеть научным проектированием,
необходимым для написания любого уровня научных текстов – от проектов
до научных статей, выработать умение выделить общие закономерности
развития науки на фоне конкретного содержания состояния науки в
определенную эпоху, конкретных фактов и научных биографий известных
ученых. В конечном счете студенты должны понять свое место в науке,
определить цели в жизни и в профессиональной деятельности, развить
творческие способности, подготовить к будущей деятельности молодых
специалистов.
Самостоятельная работа студентов подкреплена учебно-методическим
и информационным обеспечением, включающим учебники, учебнометодические пособия, конспекты лекций, руководства и инструкции по
работе с программным обеспечением, приведенными в п.3 настоящего
издания.
К учебно-методическим материалам Института фундаментальной
биологии и биотехнологии (ИФБиБТ) студенты имеют доступ через
официальный сайт института - http://bio.sfu-kras.ru/, раздел «Образование»,
учебно-методические материалы в электронном виде – http://bio.sfukras.ru/?page=482.
Студентам обеспечен свободный доступ к личному кабинету
преподавателя на сайте Института фундаментальной биологии и
биотехнологии (http://bio.sfu-kras.ru/?page=498). В личном кабинете
размещаются презентации, учебно-методические материалы, промежуточные
задания и вопросы к экзамену. Так же в личном кабинете организуется обмен
материалами и консультации при самостоятельной работе студентов и
выполнении практических заданий и подготовке презентаций.
Самостоятельная работа по дисциплине включает:
–
самостоятельное
изучение
теоретического
материала
с
использованием рекомендуемой литературы;
– подготовку к выполнению и защите реферата.
Самостоятельное изучение теоретического курса (ТО)
При самостоятельном изучении теоретического курса студентам
необходимо:
- самостоятельно изучить темы теоретического курса в соответствии с
учебной программой дисциплины.
При самостоятельном изучении теоретического материала помимо
основной литературы желательно пользоваться дополнительной литературой
и новыми литературными источниками, периодическими изданиями. Следует
использовать возможности научной библиотеки СФУ: http://lib.sfu-kras.ru/.
Самостоятельное изучение теоретического материала проводится в
рамках модулей по следующим темам:
№
п/п
1
2
3
4
№ раздела
дисциплины
Модуль
1.
1
Введение
Самостоятельное изучение
теоретического материала по темам
Раздел1. 1. Молекулярная биология как раздел
биохимии, описывающий хранение, переработку и
реализацию генетической информации.
Раздел 1.2. Живые организмы и их клетки.
(самостоятельные часы - (0,15) (5,5 ч)
Модуль
2.
1
Структура белков,
нуклеиновых
3
кислот и общая
схема о
генетической
системы
Раздел 2. 1. Белки как основной инструмент
клеточного строительства и ее функционирования.
Раздел 2.3. Нуклеиновые кислоты: структура и
функции.
Раздел 2.4. Общая схема реализации генетической
информации
(самостоятельные часы - (0,15) (5,5 ч))
Модуль
3.
1
Реализация
генетической
информации
Раздел 3.1. Механизмы реализации генетической
информации
Раздел 3.2. Особенности механизмов трансляции у
прокапиот и эукариот
(самостоятельные часы - (0,15) (5,5 ч))
Модуль 4.
Хромосомы
Раздел 4.1. Хромосомы: строение и
функционирование.
(самостоятельные часы - (0,15) (5,5 ч))
5
6
7
8
Модуль 5.
Передача,
изменение и
защита
генетической
информации в
ряду поколений
Модуль 6.
Системы развития
и поддержания
целостности
многоклеточных
организмов
Модуль 7. Методы
генной инженерии
Раздел 5.1. Переработка, передача и изменение
генетической информации в ряду поколений
Раздел 5.2. Сохранение и защита генетической
информации.
Раздел 5.3. Основные генетические и родственные
им системы
(самостоятельные часы - (0,15) (5,5 ч))
Раздел 6.2. . Апоптозэ
Раздел 6.3. Иммунитет. Некоторые отклонения в
работе иммунной системы.
Раздел 6.4. Основы онкогенетики
(самостоятельные часы - (0,15) (5,5 ч))
Модуль 8. Задачи
молекулярной
биологии в XXI-ом
веке
Раздел 8.2. Молекулярная биология и
происхождение человека.
Раздел 8. 3. Молекулярно-биотехнологическая
революция
(самостоятельные часы - (0,15) (5,5 ч))
Раздел 7.2. Системы экспрессии для получения
белков
Раздел 7.4. Основные направления развития
молекулярной биотехнологию
Раздел 7.5. Геномика и генная терапия.
(самостоятельные часы - (0,15) (5,5 ч))
Написание и защита рефератов
Написание рефератов является необходимым элементом учебного
процесса. Основной целью выполнения данной работы является развитие
мышления и творческих способностей студента. В процессе выполнения
реферата у студента должны сформироваться следующие компетенции:
– применение методов научного познания;
– владение методологией обучения, постановки и разрешения проблем;
– способности к самоорганизации, организации и планированию;
– навыки работы с компьютером, умение использовать современные
информационные технологии (справочные системы, Интернет и др.) для
получения доступа к источникам информации, хранения и обработки
данных;
– навыки управления информацией и приемы информационно-описательной деятельности;
– навыки грамотной письменной и устной речи.
Написание реферата требует самостоятельности и творческого
подхода. Основной целью работы является раскрытие одной из тем,
предложенных преподавателем или выбранных самим студентом по
согласованию с преподавателем. Тему реферата студент выбирает
самостоятельно из представленных в списке (или предлагает свою) и
утверждает у преподавателя в течение первых двух недель обучения. Основа
реферата выполняется с использованием учебной и научной литературы и
обязательно подкрепляется материалами из научных статей журналов,
которые доступны на сайтах научных баз данных, поисковых систем,
издательств, в том числе и на сайте научной библиотеки СФУ (www.lib.sfukras.ru).
Студенты должны выполнить реферат по одной из следующих тем:
1. Генно-инженерные методы обнаружения возбудителей заболеваний человека
и животных
2. Клонирование животных: достижения и проблемы
3. Создание рекомбинантных растений: успехи и проблемы
4. Возможные опасности использования рекомбинантных продуктов
5. Необходимость создания и совершенствования правовых и моральноэтических норм проведения генно-инженерных исследований
6. Молекулярная биология и современная теория биологической эволюции
7. Молекулярная биология, проблема возникновения жизни
Реферат должен быть оформлен в соответствии с требованиями
оформления студенческих текстовых документов. Объем реферата должен
составлять 20-30 страниц.
Структура реферата
Реферат включает следующие структурные элементы:
1. Титульный лист. С него начинается нумерация страниц, но номер не
ставится. Номера страниц начинают печатать с первой страницы раздела
«Введение». Титульный лист оформляется аналогично титульному листу
курсовой работы: указывают наименование высшего учебного заведения;
факультет, кафедру, где выполнялась работа; название работы; фамилию и
инициалы студента; ученую степень и ученое звание, фамилию и инициалы
преподавателя; город и год выполнения работы.
2. Содержание. В содержании представлены названия всех разделов и
подразделов работы, каждое из которых печатается с новой строки. В конце
строки ставится номер страницы, на которой напечатана данная рубрика в
тексте. Номера страниц печатаются вблизи правого поля, все на одинаковом
расстоянии от края страницы. Следует обратить внимание, что названия
разделов и подразделов в оглавлении должно точно соответствовать
заголовкам текста.
3. Введение. Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой
темы, пути развития на современном этапе, имеющиеся проблемы и
способы их разрешения. Объём данного раздела не должен превышать
одной страницы.
4. Обзор литературы. В данном разделе излагаются теоретические
основы по выбранной тематике. Изложение должно вестись в форме
теоретического анализа проработанных источников применительно к
выполняемой теме, логично, последовательно и грамотно. При
необходимости данный раздел может состоять из отдельных подразделов.
Из содержания теоретического обзора должно быть видно состояние
изученности темы в целом и отдельных ее вопросов.
5. Заключение. Представляет собой краткое обобщение (2–3 абзаца)
приведенных данных.
6. Библиографический список. Оформляется в соответствии с
существующими требованиями.
7. Приложения.
Оформление реферата должно соответствовать межгосударственному
стандарту ГОСТ 7.32-2001, устанавливающему общие требования к
структуре и правилам оформления научных и технических отчетов.
Реферат должен сопровождаться библиографическим списком, который
составляют в соответствии с ГОСТ 7.12003 «Библиографическая запись.
Библиографическое описание. Общие требования и правила составления».
Защита реферата проводится, начиная с 12-й недели семестра во время
семинарских занятий. Для защиты реферата студент готовит
презентационные материалы, оформленные в виде последовательности
слайдов, демонстрируемых на экранах для аудитории слушателей. При
подготовке рефератов и презентаций рекомендуется использовать
лицензионное программное обеспечение СФУ, которое представлено в
каталоге.
3 Учебно-методические материалы по дисциплине
3.1 Основная и дополнительная литература, информационные
ресурсы
Основная литература:
1. И.Ф.Жимулёв. Общая и молекулярная генетика. Сибирское
университетское издательство, Новосибирск, 2007 (30 экз.)
2. Джаксон, М. Молекулярная и клеточная биофизика = Molecular and
Cellular Biophysics : пер. с англ. / М. Б. Джаксон. - М. : Мир : БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2009. - 551 с. (5 экз.)
3. Льюин, Б. Гены = Genes IX / Б. Льюин ; пер. с англ. И. А. Кофиади [и
др.] ; ред. Д. В. Ребриков. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 896 с. (21 экз.)
4. Леск, Артур.
Введение в биоинформатику = Introduction to
bioinformatics : учеб. пособие: пер. с англ. / А. Леск ; ред.: А. А.
Миронов, В. К. Швядас. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. 318 с. (23 экз.)
5. Клетки = Cells : [учебник] / ред. Б. Льюин [и др.] ; пер. с англ. И. В.
Филиппович ; ред. пер. с англ. Ю. С. Ченцов. - М. : БИНОМ. Лаб.
знаний, 2011. - 951 с. (31 экз.)
Дополнительная литература:
1. Д.Е.Коряков, И.Ф.Жимулёв. Хромосомы. Структура и функция.
Издательство СО РАН, Новосибирск, 2009, 258с.
2. С.Н.Щелкунов. Генетическая инженерия. Сибирское университетское
издательство, Новосибирск, 2008, 514с.
3. Richard J. Reece. Analysis of Genes and Genomes. John Wiley and Sons,
Ltd, 2004, 469p.
4. Р.Бохински. Современные воззрения в биохимии. «Мир», Москва,
1987, 544с. (Robert C.Bohinski. Modern concepts in biochemistry. Fourth
edition. Allan and Bacon, Inc, Boston, 1983.)
5. Геномика – медицине. Под ред. В.И.Иванова и Л.Л.Киселева. ИКЦ
«Академкнига», 2005, 392с.
6. Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина. Биологическая химия. «Высшая школа»,
Москва, 2000, 479с.
7. Б.Льюин. Гены. «Мир», Москва, 1987, 544с. (Benjamin Lewin. Genes.
John Willey and sons, New York, 1983.)
8. Л.И.Патрушев. Искусственные генетические системы. Том 1. Генная и
белковая инженерия. Наука, Москва, 2004, 526с.
9. А.С.Спирин. Молекулярная биология. Структура рибосомы и
биосинтез белка. «Высшая школа», Москва, 1986, 303с.
10.А.В.Финкельштейн, О.Б.Птицын. Физика белка. Курс лекций с
цветными и стереоскопическими иллюстрациями. 2-е издание.
Книжный дом «Университет», Москва, 2002, 376с.
11.Ю.С.Ченцов. Введение в клеточную биологию. ИКЦ «Академкнига»,
Москва, 2004, 495с.
12. Г.Е.Шульц, Р.Х.Ширмер. Принципы структурной организации белков.
«Мир», Москва, 1982,
(G.E.Schulz, R.H.Schirmer. Principles of protein
structure. Springer-Verlag, New York-Heidelberg-Berlin, 1979)
Электронные, информационные ресурсы
1. Тимофеев-Ресовский Н. В. Генетика, эволюция, значение методологии
в естествознании. [Электронный ресурс]. Токмас-Пресс, 2009. 240 c.
Режим доступа: http://lib2.sfu-kras.ru/elib/b28/0234127.pdf
2. Bionanotechnology: Global Prospects. Editor: D. E. Reisner, CRC Press,
2009, 345 pp. Режим доступа: http://lib2.sfu-kras.ru/elib/b28/0234104.pdf
3. Современные проблемы и методы биотехнологии [Электронный
ресурс] : электрон. учеб. пособие / Н. А. Войнов [и др.] ; Сиб. федерал.
ун-т. - Версия 1.0. - Электронные данные (PDF ; 10 976 Кб). Красноярск : ИПК СФУ, 2009. - 418 on-line. - (Современные проблемы
и методы биотехнологии : УМКД № 1323-2008 / рук. творч.
коллектива Т.Г. Волова) (Электронная библиотека СФУ. Учебнометодические комплексы дисциплин). Режим доступа:
http://files.lib.sfu-kras.ru/ebibl/umkd/1323/u_manual.pdf
3.2 Контрольно-измерительные материалы
Контрольно-измерительные материалы по дисциплине включают:
1) перечень тем рефератов;
2) перечень контрольных вопросов.
По дисциплине предусматривается итоговый контроль - зачет.
Форма проведения зачета: устный и письменный ответ на вопросы.
Контрольные вопросы:
1. Особенности методологии молекулярной биологии как раздела
биохимии
2. Полимеразная цепная реакция
3. Живые организмы и их клетки (классификация и структура)
4. ELISA метод
5. Общая схема структуры mРНК эукариот
6. Секвенирование ДНК методом Максама-Гилберта
7. Плазмиды и их роль в обеспечении лекарственной устойчивости
бактерий
8. Получение трансгенных растений и их использование
9. Белки как основа структуры клеток и их функционирования
10.Методы переноса генов в клетки-реципиенты
11.Современные представления об уровнях структурной организации
белков
12.Клонирование
13.Главные особенности ферментов как катализаторов биохимических
реакций
14.Получение трансгенных животных
15.Генетика. Законы Менделя и условия их выполнения
16.Рестриктазы
17.ДНК: хранение и передача наследственной информации дочерним
клеткам
18.Векторы на основе плазмид
19.Репликация ДНК
20.2.Химический синтез ДНК
21.Общая схема реализации генетической информации
22.ДНК-зонды
23.Структура генов и геномов у прокариот. Транскрипция генов
24.Создание геномных библиотек и их скрининг
25.Структура генов и геномов у эукариот. Транскрипция генов и
процессинг
26.Направленный мутагенез
27.Регуляция транскрипции у эукариот
28.Дизайн белков
29.Трансляция
30.Дидезоксинуклеотидный метод секвенирования ДНК
31.Молекулярные механизмы мутагенеза
32.Основные методы синтеза генов
33.Защита и репарация генетической информации
34.Методические подходы к лечению наследственных болезней
35.Переработка и передача генетической информации в ряду поколений у
эукариот
36.Саузерн-блоттинг
37.Генетика и молекулярная биология
38.Основы технологии рекомбинантных ДНК
39.Вирусы, плазмиды, митохондрии, пластиды и их геномы
40.Лекарственные средства на основе олигонуклеотидов
41.Хромосомы (структура и функционирование)
42.Генетическая карта плазмидного вектора pBR322
43.Основной инструментарий генной инженерии
44.Векторы на основе -фагов
45.Системы экспрессии для получения рекомбинантных белков в
бактериальных клетках
46.«Нокаут» генов для установления функции гена и моделирования
наследственных заболеваний
47.Системы экспрессии для получения рекомбинантных белков на основе
эукариотических клеток
48.Возможность исправления неполноценных генов _и лечения больных с
наследственными заболеваниями
49.Получение трансгенных клеток и организмов
50.Основные методы очистки белков
51.Современная молекулярная диагностика
52.Основные методы очистки ДНК
53.Основные направления развития молекулярной биотехнологии
54.Получение химерных белков
55.Молекулярная генетика человека
56.Обобщенная структура эукариотического экспрессирующего вектора
57.Иммуногенетика
58.Нозерн-блоттинг
59.Онкогенетика
60.Интеграция клонированного в векторе гена в хромосому
61.Достижения в расшифровке геномов различных организмов. Значение
работ по расшифровке геномов
62.Моноклональные антитела и их получение
63.Морфогенез и молекулярная биология
64.Метаболическая перегрузка
65.Молекулярная биология и проблемы эволюции
66.Необходимость использования эукариотических систем для получения
рекомбинантных белков
67.Молекулярная биология и возникновение и эволюция человека
68.Основные методы электрофореза, используемые в молекулярной
биологии
69.Основные проблемы в разработке сценария происхождения жизни на
Земле
70.Двухвекторная система экспрессии
71.Проблемы безопасности и этика генно-инженерных работ
72.Геномная дактилоскопия