[ Учебная программа составлена на основе учебной программы курса
«Молекулярные основы биосигнализации», 05.04.2012 г., регистрационный № УДч.
Название учебной программы, дата утверждения, регистрационный номер
Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры
молекулярной биологии
название кафедры
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Спецкурс «Молекулярные основы биосигнализации» рассчитан на студентов пятого курса биологического факультета специальности 1-31 01 01 “Биология” с целью сформировать у студентов понимание принципов и способов взаимодействия и взаимной регуляции молекулярных процессов, обеспечивающих функционирование живой клетки в составе многоклеточного организма В предлагаемом цикле лекций рассматриваются сигнальные процессы в клетке с позиции их роли в осуществлении основных физиологических функции клетки. Особое внимание уделяется биосигнализации воспаления и атерогенеза, подробно излагаются молекулярные механизмы апоптоза.
В задачи дисциплины входит формирование у студентов представлений об общих принципах функционирования системы межклеточной коммуникации;
о сигнальных молекулах;
о типах рецепции биосигналов;
о белках-мишенях и факторах транскрипции;
о сигнальной трансдукции посредством инозитолфосфолипидов;
о роли ионов кальция в процессах внутриклеточной передачи сигнала;
о биосигнализации воспаления;
о сигнальных эффектах модифицированных липопротеидов низкой плотности;
о молекулярных механизмах апоптоаз и некроза В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
знать:
общие принципы функционирования системы межклеточной коммуникации, различия в сигнальной трансдукции посредством гидрофобных и гидрофильных молекул, каскадный механизм;
современные представления о сигнальных молекулах (простые неорганические молекулы, гормоны, нейропептиды, цитокины);
типы рецепции биосигналов: через рецепторы, связанные с ионными каналами, рецепторы, связанные с G-белками, рецепторы, обладающие собственной ферментативной (протеинкиназной) активностью или связанные с протеинкиназами;
что такое факторы транскрипции, их структура, классификация и функции, основные способы регуляции активности факторов транскрипции;
роль инозитолфосфолипидов в передаче внутриклеточных сигналов;
роль ионов кальция в процессах внутриклеточной передачи сигнала;
что такое воспаление, сигнальную роль активных форм кислорода и пероксидов в развитии воспаления.
классификацию и механизмы модификации липопротеидов низкой плотности, особенности путей меж и внутриклеточной передачи сигнала при атерогенезе.
морфо-физиологические признаки апоптоза и некроза, сигнальная трансдукция при внутриклеточном и внеклеточном инициировании апоптоза.
уметь:
свободно ориентироваться в полученной информации, структурировать и пополнять полученные знания новыми данными в области иммунологии;
использовать полученные знания в научной и педагогической деятельности.
При чтении лекционного курса необходимо использовать технические средства обучения для демонстрации слайдов и мультимедийных презентаций, наглядные материалы в виде таблиц и схем, раздаточный материал.
Теоретические положения лекционного курса развиваются и закрепляются на лабораторных занятиях, при выполнении которых студенты знакомятся с иммунологическими методами и методами, позволяющими оценить функцию различных звеньев иммунной системы.
При организации самостоятельной работы студентов по курсу следует использовать комплекс учебных и учебно-методических материалов в сетевом доступе (программу, методические пособия, список рекомендуемых источников литературы и информационных ресурсов, задания в тестовой форме и вопросы для самоконтроля, темы рефератов).
Эффективность самостоятельной работы студентов проверяется в ходе текущего и итогового контроля знаний в форме устного опроса и тестового контроля по отдельным разделам курса. Для общей оценки усвоения студентами учебного материала рекомендуется введение рейтинговой системы.
Программа учебного курса рассчитана на 94 часа, в том числе 44 часа аудиторных:
26 – лекционных, 14 – лабораторных занятий, 4 – контролируемой самостоятельной работы. Форма контроля знаний – экзамен.
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
№ Количество часов п/п Аудиторные Самост.Наименование разделов, тем ЛекцииПрактич., Лаб. КСР работа семинар. занятия Общие принципы I 2 - - - функционирования системы межклеточной коммуникации II Сигнальные молекулы 2 2 III Рецепция биосигналов 4 IV Факторы транскрипции 2 V Сигнальная трансдукция 2 4 посредством инозитолфосфолипидов VI Простагландины и лейкотриены. 4 6 Циклооксигеназы и липоксигеназы.
простагландинов Сигнальная роль активных форм кислорода и пероксидов модифицированных липопротеидов низкой плотности. Биосигнализация и атерогенез
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА ПРОГРАММЫ
I ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ
МЕЖКЛЕТОЧНОЙ КОММУНИКАЦИИ
Основные типы гуморальной коммуникации: аутокринная, паракринная, эндокринная клетка выделяет вещества, которые оказывают специфическое действие на эту же клетку. Химическая структура гуморальных сигналов многоклеточных (аминокислоты, пептиды, белки, амины, производные жирных кислот, стероиды и ретиноиды, простые неорганические молекулы). Различия в сигнальной трансдукции посредством гидрофобных и гидрофильных молекул, каскадный механизм. Классификация рецепторов по расположению в клетке (поверхностные, внутриклеточные или ядерные). Представления о внеклеточном или первым посреднике и внутриклеточном или втором посреднике. Понятие щелевого контакта, его строение. Ферментативные и неферментативные механизмы десигнализации.
II СИГНАЛЬНЫЕ МОЛЕКУЛЫ
Простые неорганические молекулы в системе межклеточной коммуникации.Роль монооксида азота в биосигнализации: история открытия роли моноокисла азота в межклеточной коммуникации, участие гуанилатциклазы и циклического ГМФ в реализации эффекта монооксида азота. Образование NO в организме с участием синтазы монооксида азота. Строение и классификация синтазы монооксида азота. Основные гормоны, регулирующие метаболизм и развитие:
гормоны гипофиза, надпочечников, щитовидной железы, поджелудочной железы, половых желез. Нейропептиды, роль в организме эндорфинов и энкефалинов.
Цитокины: определение, классификация, функции.
III РЕЦЕПЦИЯ БИОСИГНАЛОВ
Основные типы поверхностных клеточных рецепторов: рецепторы, связанные с ионными каналами; рецепторы, связанные с G-белками; рецепторы, обладающие собственной ферментативной (протеинкиназной) активностью или связанные с протеинкиназами. Модульный принцип в формировании трехмерной структуры внутриклеточных компонентов сигнальной трансдукции. Классификация белков, участвующих во внутриклеточной трансдукции сигналов в зависимости от функции (белки-трансляторы, белки-мессенджеры, белки-адаптеры, белкиусилители, белки-конверторы, белки-разветвления, белки-интеграторы, якорные белки). Формирование внутриклеточных сигнальных комплексов с помощью скэффолд-белков. Характеристика градуальных ответов клеток на внешние стимулы и ответов по типу «все или ничего». Понятие о протеинкиназных каскадах и принципах их функционирования, примеры таких каскадов.
IV ФАКТОРЫ ТРАНСКРИПЦИИ
онятие о транскрипционных факторах. Их функции: регуляция базальной экспрессии генов; обеспечение включения/выключения определенных генов в нужный момент, регуляция онтогенеза, ответ на внеклеточные сигналы, ответ на изменение окружающей среды, контроль клеточного цикла. Основные способы регуляции активности транскрипционных факторов (контроль транскрипции, деградации мРНК, трансляции, постпроцессинга белка, его внутриклеточной локализации и деградации, саморегуляция по принципу отрицательной обратной связи). Активация/деактивация транскрипционных факторов: связывание лиганда, фосфорилирование, взаимодействие с другими транскрипционными факторами и/или корегуляторными белками. Структура транскрипционных факторов: ДНКсвязывающий домен (DBD), трансактивирующий домен (TAD), сигналраспознающий домен (SSD). Сайты связывания транскрипционных факторов. Силы, обеспечивающие взаимодействие между транскрипционными факторами и их сайтами связывания (электростатическая сила, водородные связи и сила Ван-дер-Ваальса). Классификация транскрипционных факторов по механизму действия, регуляторной функции, структуре ДНК-связывающего домена.Сигнализация через транскрипционный фактор NF-kB (ядерный фактор кВ). Роль ингибиторного протеина семейства I-KappaBs в регуляции активности NF-kB.
V СИГНАЛЬНАЯ ТРАНСДУКЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ
ИНОЗИТОЛФОСФОЛИПИДОВ
Передача сигналов при участии рецепторов, связанных с ферментом фосфолипазой С- через Gq -белки. Субстраты фосфолипазы Сфосфатидилинозитол, фосфатидилинозитол 4-фосфат, фосфатидилинозитол 4,5бифосфат). Образование вторичных посредников инозитол-1,4,5-трифосфата и диацилглицерола из фосфатидилинозитол 4,5-бифосфат. Сигнальная трансдукция через инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол. Сигнализация с участием инозитолфосфолипидов и фосфтидилинозитол-3-киназы, посредством создания стыковочных сайтов на плазматической мембране. Активация фосфтидилинозитолкиназы через рецепторы с протеинкиназной (тирозинкиназной) активностью и через рецепторы связанные с G-белками. Роль ионов кальция в процессах внутриклеточной передачи сигнала, управляемое кальцием мышечное сокращение.Специализированные вспомогательные белки (тропонин, тропомиозин), связанные с актиновыми филаментами, опосредующие действие кальция. Понятие о Са2+/кальмодулин – зависимых протеинкиназах.
VI ПРОСТАГЛАНДИНЫ И ЛЕЙКОТРИЕНЫ
Простагландины и лейкотриены. История открытия простагландинов и лейкотриенов. Химическая структура, номенклатура и классификация. Биосинтез и биодеградация простагландинов в клетке. Молекулярные механизмы действия простагландинов групп Е1, Е2, D. Липооксигеназный путь метаболизма арахидоновой кислоты. Лейкотриены - важнейшие регуляторы воспаления.Циклооксигеназы и липоксигеназы – ключевые фермент синтеза простагландинов и лейкотриенов. Строение и функции циклооксигеназ и липоксигеназ. Основные коммуникативные функции липидных медиаторов.
VII ПУТИ СИГНАЛЬНОЙ ТРАНСДУКЦИИ ПРОСТАГЛАНДИНОВ
Пути сигнальной трансдукции простагландинов: рецепторы, G-белки, каталитическая субъединица. Роль цАМФ и ионов Са2+. Циклопентеноновые простагландины. Специфика клеточных путей их функционирования. Роль простагландинов, белков теплового шока и ядерного фактора kB в процессах биосигнализации, связанных с ответной реакцией на стресс и воспалением.Липооксигеназный путь метаболизма арахидоновой кислоты. Лейкотриены важнейшие регуляторы воспаления.
VII БИОСИГНАЛИЗАЦИЯ ВОСПАЛЕНИЯ. СИГНАЛЬНАЯ РОЛЬ
АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА И ПЕРОКСИДОВ
Основные признаки воспаления. Внешние (биологические, физические, химические) и внутренние (модифицированные липопротеиды низкой плотности, эндогенные антигены образующиеся в результате оксидантного стресса, провоспалительные цитокины) факторы, вызывающие воспаление. Клетки, участвующие в формировании воспалительной реакции. Роль провоспалительных цитокинов, активных форм кислорода и пероксидов в развитии воспаления.Сигнальные эффекты анион-радикала кислорода и пероксида водорода.
Сигнальные эффекты продуктов перекисного окисления липидов.
IX СИГНАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ МОДИФИЦИРОВАННЫХ
ЛИПОПРОТЕИДОВ НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ. БИОСИГНАЛИЗАЦИЯ
И АТЕРОГЕНЕЗ
Классификация липопротеидов по локализации (свободные и структурные) и погидратированной плотности (хиломикроны (ХМ); липопротеиды очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеиды низкой плотности (ЛПНП) и липопротеиды высокой плотности (ЛПВП)). Этапы модификации ЛНПП: окисление липидного и белкового компонентов, липолиз, протеолиз и агрегацию. Роль миелопероксидазы (МПО) в окислительной модификации ЛПНП. Атеросклероз как результат хронического воспаления сосудистой стенки магистральных сосудов. Особенности путей меж и внутриклеточной передачи сигнала при атерогенезе. Зависимость характера атерогенного эффекта модифицированных ЛПНП от степени их окислительной модификации.
X АПОПТОЗ И НЕКРОЗ
Биологическое значение апоптоза. Морфо-физиологические признаки апоптоза и некроза. Гены, которые действуют на разных стадиях апоптоза:самоубийство (гены ced-3 и ced-4), фагоцитоз (гены ced-2, ced-5, ced-6, ced-7, ced-8, ced-10), разрушение ДНК (ген nuc, кодирующий Са2+-зависимую эндонуклеазу), ингибирование апоптоза (ген ced-9). Каспазы, участвующие в реализации апотоза (инициирующие и эффекторные каспазы). Сигнальная трансдукция в случаях внешнего инициирования апоптоза (индукция апоптоза гормонами, Fas-лигандом, фактором некроза опухолей, перфорином, гранзимом В, активными формами кислорода). Структурная особенность рецепторов, взаимодействующих с лигандами, инициирующими апоптоз. Сигнальная трансдукция при внутриклеточном инициировании апоптоза: роль митохондрий в инициировании апоптоза (цитохром с и апоптозвызывающий фактор (AIF)), инициирование апоптоза при повреждении ДНК, инициирование апоптоза вследствие денатурации клеточных белков.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА
Номер раздела, темы, занятия межклеточной коммуникации.2.2. Роль монооксида азота в биосигнализации:
история открытия роли моноокисла азота в гуанилатциклазы и циклического ГМФ в реализации эффекта монооксида азота.
2.3. Образование NO в организме с участием синтазы монооксида азота. Строение и классификация синтазы монооксида азота.
2.4. Основные гормоны, регулирующие метаболизм и развитие: гормоны гипофиза, надпочечников, щитовидной железы, поджелудочной железы, половых желез.
2.5. Нейропептиды, роль в организме эндорфинов и энкефалинов.
2.6. Цитокины: определение, классификация, функции.
3.1. Основные типы поверхностных клеточных рецепторов: рецепторы, связанные с ионными каналами; рецепторы, связанные с G-белками;
рецепторы, обладающие собственной ферментативной (протеинкиназной) активностью или связанные с протеинкиназами.
3.2. Модульный принцип в формировании трехмерной структуры внутриклеточных компонентов сигнальной трансдукции.
3.3. Классификация белков, участвующих во внутриклеточной трансдукции сигналов в зависимости от функции.
3.4. Формирование внутриклеточных сигнальных комплексов с помощью скэффолд-белков.
3.5. Характеристика градуальных ответов клеток на внешние стимулы и ответов по типу «все или ничего».
3.6. Понятие о протеинкиназных каскадах и принципах их функционирования, примеры таких каскадов.
4.1. Понятие о транскрипционных факторах, их функции.
4.2. Основные способы регуляции активности транскрипционных факторов.
4.3. Активация/деактивация транскрипционных факторов.
4.4. Структура транскрипционных факторов. Сайты связывания транскрипционных факторов. Силы, транскрипционными факторами и их сайтами связывания 4.5. Классификация транскрипционных факторов по механизму действия, регуляторной функции, структуре ДНК-связывающего домена.
4.6. Сигнализация через транскрипционный фактор NF-kB (ядерный фактор кВ). Роль ингибиторного протеина семейства I-KappaBs в регуляции активности NF-kB.
инозитолфосфолипидов 5.1. Передача сигналов при участии рецепторов, связанных с ферментом фосфолипазой С- через Gq белки.
5.2. Субстраты фосфолипазы С-. Образование вторичных посредников инозитол-1,4,5-трифосфата и диацилглицерола из фосфатидилинозитол 4,5бифосфат.
5.3. Сигнальная трансдукция через инозитол-1,4,5трифосфат и диацилглицерол. Сигнализация с фосфтидилинозитол-3-киназы, посредством создания стыковочных сайтов на плазматической мембране.
5.4. Активация фосфтидилинозитол-3-киназы через рецепторы с протеинкиназной (тирозинкиназной) активностью и через рецепторы связанные с Gбелками.
5.5. Роль ионов кальция в процессах внутриклеточной передачи сигнала, управляемое кальцием мышечное сокращение.
5.6. Специализированные вспомогательные белки (тропонин, тропомиозин), связанные с актиновыми филаментами, опосредующие действие кальция.
5.7. Понятие о Са2+/кальмодулин – зависимых протеинкиназах.
Циклооксигеназы и липоксигеназы 6.1. Понятие о простагландинах и лейкотриенах, история их открытия.
6.2. Химическая структура, номенклатура и классификация простагландинов и лейкотриенов.
6.3. Биосинтез и биодеградация простагландинов в клетке.
6.4. Молекулярные механизмы действия простагландинов групп Е1, Е2, D. Липооксигеназный путь метаболизма арахидоновой кислоты.
6.5. Лейкотриены - важнейшие регуляторы воспаления.
6.6. Строение и функции циклооксигеназ и липоксигеназ. Циклооксигеназы и липоксигеназы – ключевые ферменты синтеза простагландинов и лейкотриенов.
6.7.Основные медиаторов.
простагландинов.
7.1. Пути сигнальной трансдукции простагландинов:
рецепторы, G-белки, каталитическая субъединица.
Роль цАМФ и ионов Са2+.
7.2. Циклопентеноновые простагландины. Специфика клеточных путей их функционирования.
7.3. Роль простагландинов, белков теплового шока и ядерного фактора kB в процессах биосигнализации, связанных с ответной реакцией на стресс и воспалением.
7.4. Липооксигеназный путь метаболизма арахидоновой кислоты.
8. Биосигнализация воспаления. Сигнальная Мультимедийна [ЛО 1-6] роль активных форм кислорода и пероксидов 8.1. Основные признаки воспаления. Внешние и внутренние факторы, вызывающие воспаление.
8.2.
воспалительной реакции.
8.3. Роль провоспалительных цитокинов, активных форм кислорода и пероксидов в развитии воспаления.
8.4. Сигнальные эффекты анион-радикала кислорода и пероксида водорода. Сигнальные эффекты продуктов перекисного окисления липидов.
липопротеидов низкой плотности.
Биосигнализация и атерогенез 9.1 Классификация липопротеидов по локализации и по гидратированной плотности.
9. миелопероксидазы (МПО) в окислительной модификации ЛПНП.
9.3 Атеросклероз как результат хронического воспаления сосудистой стенки магистральных сосудов.
9.4 Особенности путей меж и внутриклеточной передачи сигнала при атерогенезе.
9.5 Зависимость характера атерогенного эффекта окислительной модификации.
физиологические признаки апоптоза и некроза.
10.2 Гены, регулирующие разные стадии апоптоза:
самоубийство, фагоцитоз, разрушение ДНК, ингибирование апоптоза.
10.3 Каспазы, участвующие в реализации апотоза. 8. Сигнальная трансдукция в случаях внешнего инициирования. Структурная особенность рецепторов, взаимодействующих с лигандами, инициирующими апоптоз.
10.4 Сигнальная трансдукция при внутриклеточном инициировании апоптоза.
ИНФОРМАЦИОННАЯ ЧАСТЬ
п/п сигнализация Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис и др. Молекулярная биология клетки Розен В.Б. Основы Эндокринологии Сенчук В.В. Биохимия. Курс лекций в 2-х частях Пальцев М.А., Иванов А.А. Межклеточные взаимодействия Е. Ф. Лушников, А. Ю. Абросимов, В. Л. Габай, А. С. Саенко, А. Е. Доросевич Гибель клетки (апоптоз) Барышников А.Ю., Шишкин Ю.В. Иммунологические проблемы апоптоза В. М. Степанов Молекулярная биология. Структура и функции белков Ernst J. M. Helmreich The Biochemistry of Cell Signalling биоантиоксиданты.Варфоломеев С.Д., Мевх А.Т. Простагландины молекулярные биорегуляторы.
ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
Определение уровня внутриклеточного кальция с помощью флуоресцентной метки Методика радиоумминного определения цАМФ: принцип метода, общие требования безопасности, знакомство с оборудованием.Определение уровня активных форм использованием флуоресцентных
КОНТРОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1. Сигнальные молекулы 2. Биосигнализация воспаленияСТРУКТУРА РЕЙТИНГОВОЙ ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ
ИТОГОВАЯ ОЦЕНКА:
Определяется по формуле (минимум 4, максимум 10 баллов):где А – средний балл по лабораторным занятиям и КСР, Итоговая оценка выставляется только в случае успешной сдачи экзамена (4 балла и выше)
«