Министерство образования и науки РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский государственный университет»

Химический факультет

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Химические основы биологических процессов

ОД.А.04; цикл ОД.А.00 «Дисциплины по выбору аспиранта»

основной образовательной программы подготовки аспиранта по отрасли 02.00.00 – Химические науки, специальность 02.00.03 – Органическая химия Самара 2011 Рабочая программа составлена на основании паспорта научной специальности 02.00.03 – Органическая химия, в соответствии с Программой-минимумом кандидатского экзамена по специальности 02.00.03 «Органическая химия» по химическим наукам, утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ № 274 от 08.10.2007 г., и учебным планом СамГУ по основной образовательной программе аспирантской подготовки.

Составитель рабочей программы: Белоусова Зоя Петровна, доцент, кандидат химических наук Рабочая программа утверждена на заседании ученого совета химического факультета протокол № 1 от 08. 09. 2011 г.

Декан химического факультета 08. 09. 2011 г. С.В. Курбатова 1. Цели и задачи дисциплины, ее место в системе подготовки аспиранта, требования к уровню освоения содержания дисциплины 1.1. Цели и задачи изучения дисциплины Цель дисциплины:

изучение строения и свойств важнейших биополимеров, составляющих основу жизненных процессов;

формирование современных представлений о фундаментальных достижениях в химии мира живого.

раскрыть смысл основных химических закономерностей биологических процессов, Задачи дисциплины:

рассмотреть основные классы биологически важных соединений;

раскрыть природу и форму взаимодействий биомолекул на клеточном уровне;

рассмотреть основные закономерности биокатализа.

1.2. Требования к уровню подготовки аспиранта, завершившего изучение данной дисциплины Аспиранты, завершившие изучение данной дисциплины, должны:

иметь представление: о структуре и функциях клеток различных видов живых организмов;

знать: строение, свойства и функции важнейших биологически важных соединений, составляющих основу живой материи; основы нуклеиновых кислот и белков;

уметь: описать метаболические превращения отдельных представителей важнейших классов природных соединений; самостоятельно ставить задачу по химической биологии и выбирать оптимальные пути и методы ее решения; вести научную дискуссию;

1.3. Связь с предшествующими дисциплинами Курс предполагает наличие у аспирантов знаний по основам метаболических превращений в биоценозах, основанных на знаниях по органической химии и биологии; теории строения органических соединений, основам электронного и пространственного строения органических молекул, типам изомерии органических соединений в объеме программы высшего профессионального образования.

1.4. Связь с последующими дисциплинами Знания и навыки, полученные аспирантами при изучении данного курса, необходимы при подготовке и написании диссертации по специальности 02.00.03 – Органическая химия.

2. Содержание дисциплины 2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах и зачетных единицах) Форма обучения (вид отчетности) 2, 3 год аспирантуры; вид отчетности – зачет (3 год аспирантуры).

Объем часов / зачетВид учебной работы ных единиц 72 / Трудоемкость изучения дисциплины Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего) в том числе:

лекции практические занятия лабораторные занятия Самостоятельная работа аспиранта (всего) в том числе:

Изучение тем, вынесенных на самостоятельную 2.2. Разделы дисциплины и виды занятий свойства живого. Многообразие и систематика живых Структура и функции нуклеиновых кислот Регуляция экспрессии генов. Система передачи сигнала 2.3. Лекционный курс

ВВЕДЕНИЕ

Что такое жизнь с точки зрения химика. Цель изучения дисциплины ХОБП. Определение и основные свойства живого. Многообразие и систематика живых систем. Строение клеток.

Три основных типа биологических полимеров. Типы химической связи, стабилизирующие биополимеры. Свойства воды как растворителя для биологических макромолекул.

РАЗДЕЛ I. БИОМОЛЕКУЛЫ

Тема 1.1. Структура и функции белков Уровни организации структуры белков. Первичная структура: белок как линейный информационный полимер, обладающий полярностью. Аминокислоты: классификация по структуре бокового радикала. Определение первичной структуры белка. Применение метода массспектрометрии.

Типы вторичной структуры белка. Водородная связь в полипептидной цепи.

Третичная структура белка, конформация полипептидной цепи. Сложная поверхность белка, специфичность взаимодействия с другими молекулами.

Четвертичная структура белка. Cупрамолекулярные комплексы. Функции белков. Мутации в молекуле белка. Протеом – белковый портрет клетки.

Тема 1.2. Биологические мембраны и обмен веществ Биологические мембраны: определение, строение и свойства. Липиды. Классификация, химическая структура. Гидрофобные взаимодействия. Липидные мицеллы, бислои, липосомы.

Мембранные белки. Особенности строения. Типы трансмембранного транспорта. Ионные каналы и насосы.

Тема 1.3. Обмен энергии Обмен энергии как предмет изучения биоэнергетики. Аденозинтрифосфат (АТР) – универсальный реакционный модуль биохимических реакций. Термодинамика биохимических реакций.

Фотосинтез.

Электрохимический потенциал. Транспорт протонов: бактериородопсин как протонный насос.

Тема 1.4. Структура и функции нуклеиновых кислот Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные, линейные, полярные биополимеры. ДНК и РНК. Первичная структура полимерной цепи ДНК. Вторичная структура двутяжевой ДНК.

Изогеометричность комплементарных пар, стэкинг. Топология ДНК, суперспирализация.

Тема 1.5. Биосинтез нуклеиновых кислот I. Понятие о репликации. Полуконсервативный механизм, механизм полимеризации. ДНК – полимераза.

Три этапа репликации – инициация, элонгация и терминация. Проблема полярности.

Фрагменты Оказаки. Топологическая проблема репликации. Ингибиторы топоизомеразы;

антибиотики, противовирусные и противораковые препараты.

II. Понятие о транскрипции. Механизм полимеризации. РНК-полимераза. Три этапа транскрипции – инициация, элонгация и терминация. Сигналы транскрипции, промотор. Ингибиторы транскрипции; яды, антибиотики, противовирусные и противораковые препараты.

Обратная транскриптаза.

Тема 1.6. Биосинтез белка Первичная структура однотяжевой РНК. Отличия от ДНК. Вторичная структура однотяжевой РНК. Третичная структура РНК. Мимикрия пространственной структуры РНК и белка.

РНК-ферменты – рибозимы. Функции нуклеиновых кислот.

Понятие о трансляции. Основная "догма" молекулярной биологии. Генетический код, его свойства. Декодирование. Активация аминокислот. Аминоациладенилат. Рибосома – наноробот для биосинтеза белка. Схема реакции и процесса образования пептидной связи Тема 1.7. Регуляция экспрессии генов. Система передачи сигнала Фенотип клетки. Протеом.

Прокариоты: Операторно-промоторный участок ДНК, регуляторный белок, оперон. 2 типа контроля у прокариот: негативный и позитивный. 4 варианта регуляции экспрессии генов прокариот при участии лиганда. Триптофановый оперон.

Эукариоты: избыточность и неоднозначность регуляции.

Сигналы для клетки. Ответы клетки. Блоки, каскады, дифференцировка. Пример – эмбриогенез. Три типа систем передачи сигнала. 4 свойства системы передачи сигнала. Усиление и объединение сигнала. Каскад фосфокиназ. Модель нейронной сети. Нелинейность функции выхода, обучаемость, устойчивость.

Рак как множественное нарушение системы передачи сигнала для деления клеток.

Тема 1.8. Геном, плазмиды, вирусы Геном: определение, размеры. Ген: определение, структура.

Динамика генома. Рекомбинация ДНК.

Строение генов прокариот. Плазмиды - "генетические аксессуары". Структура плазмид.

Вирусы – неживые супрамолекулярные комплексы. Примеры вирусов прокариот и эукариот.

Ретровирусы.

Строение генов эукариот. Сплайсинг, химия сплайсинга, "конструктор РНК". Домены в структуре белка. Иммунный ответ, иммуноглобулины. Комбинаторика экзонов антител.

Тема 1.9. Генетическая инженерия Анализ геномов. Определение первичной структуры ДНК; автоматический синтез ДНК.

Полимеразная цепная реакция.

Эндонуклеазы рестрикции. Полиморфизм длины рестрикционных фрагментов.

Дактилоскопия ДНК.

Клонирование. Примеры терапевтического клонирования.

Конструирование рекомбинантных ДНК.

Генная инженерия – 4 основных этапа. Векторная ДНК, введение ДНК в клетку, клонирование, идентификация клонов. Трансгенные организмы. Генотерапия.

РАЗДЕЛ II. ЭНЗИМОЛОГИЯ

ТЕМА 2.1. Общие свойства ферментов Ферменты как природные катализаторы. Основные отличия ферментативного катализа от традиционного химического. Ферменты в химии.

Источники ферментов. Нахождение ферментов в природных объектах, локализация ферментов в клетке.

Биосинтез ферментов. Посттрансляционная модификация. Сборка ферментов. Кофакторы и простетические группы.

Методы выделения биополимеров: особенности и трудности. Методы фракционирования белков. Хроматография, электрофорез и изоэлектрическая фокусировка. Критерии чистоты ферментных препаратов Стабильность белков (ферментов). Денатурация и инактивация. Принципы стабилизации ферментов Химическая модификация белков (ферментов). Виды ферментных препаратов.

Классификация ферментов.

Тема 2.2. Кинетика и механизмы ферментативного катализа Стационарная кинетика ферментативных реакций. Методы обработки экспериментальных данных.

Кинетические схемы Михаэлиса и Анри, их дискриминация.

Ингибирование ферментов. Обратимые и необратимые ингибиторы. Основы ингибиторного анализа.

Активные центры ферментов. Каталитические и сорбционные подцентры ферментов. Основные структурные элементы. Специфичность и эффективность ферментативного катализа.

Механизмы катализируемых реакций. Понятия о химических механизмах действия химотрипсина, трипсина, эластазы, папаина, пепсина, лизоцима, карбоксипептидазы, рибонуклеазы, карбоангидразы.

Тема 2.3. Прикладная энзимология Ферменты в медицине. Лекарственные препараты на основе ферментов и их регуляторов.

Основные мишени действия лекарственных препаратов.

Ферменты антибактериального действия. Особенности строения клеточной стенки бактерий.

Механизмы обеспечения целостности организма и иммунитет.

Инженерия биокатализаторов и биокаталитических систем.

Современное состояние и тенденции развития химической энзимологии 2.4. Практические занятия – «Определение и основные свойства живого. Многообразие и систематика живых систем» (4 часа).

3. Организация текущего и промежуточного контроля знаний 3.1. Контрольные работы – не предусмотрены.

3.2. Список вопросов для промежуточного тестирования – не предусмотрено.

3.3. Самостоятельная работа Изучение учебного материала, перенесенного с аудиторных занятий на самостоятельную проработку.

Выявление информационных ресурсов в научных библиотеках и сети Internet по следующим направлениям:

Определение и основные свойства живого. Многообразие и систематика живых систем Структура и функции белков Биологические мембраны и обмен веществ Обмен энергии Структура и функции нуклеиновых кислот Биосинтез нуклеиновых кислот Биосинтез белка Регуляция экспрессии генов. Система передачи сигнала Геном, плазмиды, вирусы Генетическая инженерия Общие свойства ферментов Кинетика и механизмы ферментативного катализа Прикладная энзимология Конспектирование и реферирование первоисточников и научно-исследовательской литературы по тематическим блокам.

3.3.1. Поддержка самостоятельной работы:

Список литературы и источников для обязательного прочтения.

Полнотекстовые базы данных и ресурсы, доступ к которым обеспечен из кампусной сети СамГУ (сайт научной библиотеки СамГУ, URL: http://weblib.samsu.ru/level23.html):

1. Издания Самарского государственного университета 2. Полнотекстовая БД диссертаций РГБ 3. БД реферативного журнала «Химия»

4. Научная электронная библиотека РФФИ (e-Library) 5. БД издательства ELSEVIER 6. Oxford University Press 7. Университетская библиотека ONLINE 8. Университетская информационная система России 3.3.2. Тематика рефератов – не предусмотрены.

Итоговый контроль проводится в виде зачета.

4. Технические средства обучения и контроля, использование ЭВМ (Перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ, диафильмов, слайдфильмов, кино- и телефильмов).

Программные пакеты: Microsoft Offiсe; OpenOffice; Accelrys Discovery Studio Client, PASS Inet, ACD/Labs; ISIS/Draw; Avogadro; Arguslab; PC GAMESS, OpenBabel; Jmol; MacMolPlt онлайновые службы сайта http://www.rcsb.org/ Сайт «Дистанционные образовательные технологии» Самарского государственного университета (Химический факультет) – URL: http://dls.ssu.samara.ru/moodle/course/index.php Сайт научной библиотеки СамГУ, с доступом к электронному каталогу и полнотекстовым базам данных – URL: http://weblib.samsu.ru/level23.html 5. Активные методы обучения (деловые игры, научные проекты) не предусмотрены.

6. Материальное обеспечение дисциплины (Современные приборы, установки (стенды), необходимость специализированных лабораторий и классов) Компьютерные классы, оснащенные компьютерами класса Pentium 4 с выходом в Интернет и в локальную сеть Самарского государственного университета, а также принтеры, сканеры и ксероксы.

7. Литература 7.1. Основная 1. Румянцев Е.В., Антина Е.В., Чистяков Ю.В. «Химические основы жизни», М.: Химия, 2007.

2. Фролов Ю.П., Серых М.М., Макурина О.Н., Кленова Н.А., Подковкин В.Г. «Биохимия и молекулярная биология» Учебное пособие для вузов. Изд-во “Самарский университет”. Самара.

7.2. Дополнительная 1. Ленинджер А. Биохимия. М.: Мир. 1974.

2. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. М.: Медицина. 1983.

3. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. «Биологическая химия» М.: Высшая школа. 1998.

4. Филиппович Ю.Б. «Основы биохимии» М.: Высшая школа. 1999.

7.3 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины для организации самостоятельной работы аспирантов 1. Белоусова З.П. Пищевые токсиканты. Учебное пособие. Изд-во “Самарский университет”.

2. Белоусова З.П., Пурыгин П.П. Учебное пособие. Химические основы жизнедеятельности.

Изд-во ”Самарский университет”. Самара. 2005.

3. http://chemfac.ssu.samara.ru/metod_lit.htm методическая литература на сайте химического факультета СамГУ.

4. Работа с ресурсами Internet: поиск информации для подготовки к семинарам и коллоквиумам.

5. http://chemistry.ssu.samara.ru/ Web-учебник «Органическая химия».

Учебно-методические материалы на сайте кафедры органической, биоорганической и медицинской химии (http://chemfac.samsu.ru/KOChem/ucheb_pos.htm ):

­ Задачи и упражнения (Дерябина Г.И., 2008–2010) http://chemfac.samsu.ru/KOChem/Zadachi.htm ­ Справочник химика, III том http://chemfac.samsu.ru/KOChem/OX_doc/nikolskij_02_03.djvu ­ Справочник биохимика. М.: Мир, 1991.

Прикладные программы:

Accelrys Discovery Studio Client, ACD/Labs; ISIS/Draw; Avogadro; Arguslab; OpenBabel; Jmol.