Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

УТВЕРЖДАЮ

Декан ФМФ

В.К. Иванов

«_» _ _ г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Молекулярная биология клетки Кафедра-разработчик Биофизика Направление (специальность) подготовки 011200 Физика Наименование ООП Квалификация (степень) выпускника Бакалавр Образовательный стандарт Федеральный ГОС Форма обучения очная Соответствует ФГОС ВПО.

Утверждена протоколом заседания кафедры Биофизика № 2 от 17.05. Программу в соответствии с ФГОС ВПО разработали:

профессор, дбн Л.В. Пучкова 1. Цели и результаты изучения дисциплины 1.1. Цели изучения дисциплины Метаболическая биохимия - базовая дисциплина, необходимая для понимания всех биомедицинских куpсов, включая дисциплины физико-технического и технологического пpофилей.

Цель курса - получение студентами базовых знаний по биохимии, представления о взаимосвязи различных катаболических и анаболических процессов, происходящих в живых организмах, о способах получения и преобразования энергии, об организации и функционировании основных классов биологических макромолекул и о функционировании живых систем в целом. Отдельные разделы курса, имеющие перекрытие с курсами «Биорганической химии», «Общей биологии» и «Физической химии», которые предшествуют «Метаболической биохимии», выделены для обязательной самостоятельной проработки.

1.2. Результаты обучения (компетенции) выпускника, в формирование которых вносит вклад освоение дисциплины Код Результат обучения (компетенция) выпускника ООП ОК- способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук ОК- способностью овладеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией ОК- способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности 17 базовые знания в области информатики и современных информационных технологий, навыки использования программных средств и навыков работы в компьютерных сетях; умением создавать базы данных и использовать ресурсы Интернет ПК- способностью использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач ПК- способностью применять на практике базовые профессиональные навыки ПК- способностью формировать суждения о значении и последствиях своей профессиональной деятельности с учетом социальных, правовых, этических и природоохранных аспектов 1.3. Планируемые результаты освоения дисциплины – знание основ строения живой природы на молекулярном, клеточном и организменном уровне;

– умение применять общепрофессиональные знания для обоснованного выбора объектов исследования;

– умение ориентироваться, самостоятельно осваивать и использовать информацию из разных областей молекулярной биологии;

– умение представить информацию специалистам и неспециалистам;

– учебные умения, позволяющие с высокой степенью самостоятельности осваивать новые методы и подходы, используемые в профессиональной области.

2. Место дисциплины в ООП Согласно ФГОС ВПО направления 011200 «Физика» (квалификация «бакалавр») дисциплина «Молекулярная биология клетки» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла Б.3.

Дисциплину «Молекулярная биология клетки» студенты изучают в 5-м и 6-м семестрах (третий год обучения).

Изучение дисциплины «Молекулярная биология клетки» опирается на знания в области биоорганической химии и общей биологии, освоенные студентами на предшествующих этапах обучения.

Результаты изучения дисциплины «Молекулярная биология клетки» используются при изучении дисциплин профессионального цикла Б.3 (метаболическая биохимия, биологические мембраны, экспериментальные методы биофизики и др.).

Кроме того, результаты изучения дисциплины используются при выполнении НИРС (Б.3), в ходе практики (раздел Б.4 ФГОС) и при подготовке выпускной квалификационной работы (раздел Б.4 ФГОС).

3. Распределение трудоёмкости освоения дисциплины по видам учебной работы 3.1. Виды учебной работы форме ориентированная самостоятельная работа Общая трудоемкость освоения дисциплины в академических часах: 3.2. Формы контроля 4. Содержание и результаты обучения 4.1. Разделы дисциплины и виды учебной работы Введение. Методы изучения клетки Введение. Методы изучения клетки Плазматическая мембрана (ПМ) Плазматическая мембрана Эндоплазматический ретикулум (ЭР), аппарат Гольджи (АГ), лизосомы, визикулярный транспорт Эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, визикулярный транспорт Клеточное ядро (Я) Межклеточная коммуникация 4.2. Содержание разделов и результаты изучения дисциплины 1. Введение. Методы изучения клетки 1.1. Введение. Методы изучения клетки Место дисциплины «Молекулярная биология Знание основных этапов развития клетки» в системе биологических наук.

Предмет дисциплины «Молекулярная биология клетки». Основные методы исследования: цитохимия и иммуноцитохимия, световая и электронная микроскопия, седиментационный анализ внутриклеточных структур, электрофорез биополимеров, иммуноблотинг, молекулярное клонирование генов и анализ их структуры и экспрессии. Роль белок-белковых взаимодействий в функционировании клеточных систем. Методы изучения белокбелковых взаимодействий. Общее представление о клетке как элементарной единице живой материи, краткие сведения о содержании курса и исторический обзор основных этапов молекулярной биологии клетки. Общий обзор строения эукариотической клетки, компартментализация и взаимодействие компонентов клетки.

2. Плазматическая мембрана (ПМ) 2.1. Плазматическая мембрана Открытие, функции, биологическая роль.

Химический состав. Липиды ПМ.

Фосфолипиды, фосфолипидный бислой, основные фосфолипиды, свойства биологических мембран, обусловленные физико-химическими свойствами фосфолипидов. Холестерол, биологическая роль холестерола. Липополисахариды. Белки ПМ, классификация (интегральные, трансмембранные, заякоренные), асимметрия, функция. Мозаично-текучая модель организации ПМ. Асимметрия биомембран.

Транспорт веществ через ПМ. Транспорт малых молекул. Диффузия, облегченная диффузия, активный перенос веществ.

Характеристика белков-переносчиков и белков-каналов. Эндоцитоз. Рецепторопосредованный эндоцитоз на примере транспорта протеолипидов низкой плотности и трансферрина. Трансцитоз. Фагоцитоз.

Мегалин- и кубилин-опосредованный эндоцитоз. Кавеолиновая система транспорта веществ в клетку.

3. Эндоплазматический ретикулум (ЭР), аппарат Гольджи (АГ), лизосомы, визикулярный транспорт 3.1. Эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, визикулярный транспорт Локализация в клетке. Компоненты ЭР:

шероховатый и гладкий ретикулумы (ШР и ГР). Получение фракций ШР и ЭР.

Положение в клетке, тканеспецифическое распределение, соотношение объема ШР и ГР конститутивная и регулируемая. Типы в разных типах клетки. Общая характеристика, специфические свойства.

Мембраносвязанные полирибосомы.

Механизм секвестрации секреторных и мембранных белков в цистернальное пространство ШР. Идентификация сигнального пептида. Эксперименты Г.

Блобела, создание сигнальной гипотезы.

Строение и функция СУЧ, рецептора СУЧ и белкового транслокатора. Ко-трансляционное созревание пептидов, специфический ограниченный протеолиз, Nгликозилирование. Встраивание в мембрану трансмембранных белков, сигналы начала и конца переноса. Внутрицистернальная укладка белка. Ретикулоплазмины (ретикулины). Формирование гликозил фосфатидил инозитолового якоря, с помощью которого белки связываются с мембраной на ее экстрацеллюлярной стороне. ГР, роль в синтезе липидов, детоксикации ксенобиотиков, система цитохромов 450, синтез липидов, транспорт новосинтезированных липидов в Мт и в другие компоненты клетки. Биогенез ЭР. АГ, число и положение в клетке, выделение, субкомпартменты. Пост-трансляционный процессинг N-углеводных цепей гликопротеинов, синтез О-углеводных цепей, сборка протеогликанов, сульфатирование, фосфорилирование, пост-трансляционное созревание про-белков. Модели биогенеза АГ.

АГ – место формирование лизосом (биогенез лизосом). Лизосомы, история открытия, свойства, строение, число, локализация в клетке, выделение. Поступление веществ в лизосомы (аутофагия, гетерофагия, фагоцитоз). Роль лизосом в ремоделировании клеток, синтезе гормонов, ремоделировании межклеточного матрикса. Лизосомные болезни человека. Мембранный секреторный путь клетки. Белки, участвующие в формировании (почковании) везикул. Белки, участвующие в слиянии везикул.

Везикулярный транспорт к АГ. Ретроградный везикулярный транспорт. Экзоцитоз.

Секреция, конститутивная и регулируемая.

Типы секреции. Основные типы секретируемых молекул.

4. Митохондрии (Мт) 4.1. Митохондрии Открытие, получение высокоочищенной фракции Мт, субкомпартментное строение, функции Мт компартментов. Окислительные фотосинтезе. Представления о геноме процессы в Мт. Электронпереносящая цепь Мт. Сопряжение окисления и фосфорилирования. Сопоставление с компартментализацией и организацией фотосистем хлоропластов.

Эндосимбиотическая теория происхождения Мт и хлоропластов. Геном Мт, структура, репликация, транскрипция. Взаимодействие ядерного и митохондриального геномов.

Petit-мутанты, цитоплазматическая наследственность. Белоксинтезирующая система Мт. Митохондриальные болезни, OXPНOS болезни и болезни, обусловленные мутациями в ядерных генах. Транспорт белков в митохондрии. Сигнал импорта белка в митохондрии. Разнообразие механизмов, обеспечивающих транспорт белков в митохондрии. Структура транслокатора. Мт как место процессинга цитозольных белков.

Вирусные белки Мт локализации и их участие в инициации апоптоза. Геном хлоропластов.

Реконструкции возможных эволюционных путей взаимодействия геномов на примере криптомонад Guillardia theta, остаточного митохондриального генома паразитических анаэробов микроспоридий Trachipleistophora hominis, возникновение новых ядерных генов, кодирующих белки митохондриальной локализации, на примере процессированного гена Н-ферритина. Роль Мт в образовании [Fe-S]-кластеров, синтезе гемоглобина, гомеостазе кальция, расщеплении липидов, синтезе мочевины. Апоптоз, опосредованный Мт. Интеграция Мт с ядром, пероксисомами, ЭР.

5. Микротельца (МС) 5.1. Микротельца Идентификация, морфологическая гетерогенность, биохимическое сходство.

Пероксисомы (ПС), наиболее изученные МС.

История открытия, свойства, строение, число, локализация в клетке, выделение. Участие ПС в расщеплении липидов, терминальном окислении продуктов метаболизма с использованием молекулярного кислорода и перекиси водорода. Биогенез ПС. Сигнал доставки белка в ПС. Цитозольные рецепторы ПС белков. Транслокация белков в ПС.

Болезни биогенеза ПС. Связь между физиологическим состоянием клетки и числом и типом ПС. Функциональная интеграция ПС и Мт. Глиоксисомы, МС растений, строение, локализация в клетке, глиоксилатный цикл. Гликосомы, органеллы, содержащие участки гликолитической цепи.

Биологическая роль гликосом у трипаносом.

Гидрогеносомы анаэробных паразитов.

6. Цитозоль 6.1. Цитозоль Общая характеристика, проблемы изучения цитозоля. Представление о структурированности цитозоля. Процессы, протекающие в растворимой части цитозоля. шаперонов. Знание основных путей Система, поддерживающая SH-гомеостаз (SH- деградации белков цитоплазмы.

буферная система цитозоля). Глутатион, глутатион редуктаза, глутатион оксидаза.

Регуляция антиоксидантной системы клетки.

Роль пентозомонофосфатного шунта в поддержании SH-буферной системы цитозоля. Модификация белков в цитоплазме.

Гликозилирование белков, фосфорилирование, ацетилирование, метилирование, миристилирование, пальмитирование, фарнезилирование, геранил-геранилирование. Интеграция цитозоля, ПС и ПМ в модификации цитозольных белков. Шапероновая машина клетки. Классификация шаперонов, энзиматическая принадлежность, функционально-доменная организация молекулы шаперонов. Шапероны органелл.

Убикитин-зависимая деградация белков цитоплазмы. Правило N-концевой аминокислоты. Определение времени полужизни белков. Экспериментальное подтверждение правила N-концевой аминокислоты. Протеасомы. Строение, локализация в клетке, биогенез, функционирование. Роль протеасом в формировании иммунного ответа.

7. Цитоскелет 7.1. Цитоскелет Общая характеристика, основные компоненты ассоциированных с актиновыми цитоскелета, экспериментальные подходы, позволившие идентифицировать компоненты работы сократительного волокна.

цитоскелета. Микрофиламенты (МФ).

Локализация в клетке. Актин, общая характеристика молекулы, функциональные организации трехмерной сети белковых сайты, консервативность, условия, требуемые молекул, участвующих в для ассоциации актиновых филаментов (АФ). структурировании цитозоля, в движении Параметрическое описание АФ. Кинетика полимеризации и диссоциации АФ.

Тредмиллинг. Белки, ассоциированные с АФ.

Тропомиозин. Миозин, описание молекулы, механизм формирование толстых филаментов. Типы миозина. Образование сократительного комплекса. Модель работы сократительного волокна. Элементы скелетной мышцы. Тропониновый комплекс.

Цитомышцы. Роль ассоциированных с АФ белков в переходах гель-золь. Рыхлые и плотные филаменты. Белки, вызывающие фрагментацию АФ. Интеграция цитоскелета с ПМ. Кортекс. Микроворсинки. Фокальные контакты. Стресс-фибриллы. Микрошипы.

Ламеллоподии. Роль АФ в цитокинезе.

Мультигенные семейства мышечных белков.

Микротрубочки (МТ). Локализация в клетке.

Тубулин, общая характеристика молекулы, функциональные сайты, консервативность, формирование протофиламентов и МТ.

Сборка и разборка МТ. Созревание МТ.

Белки, ассоциированные с МТ. Кинезин и динеин. Центры роста МТ в клетке.

Интеграция МТ с ЭР и АГ в организации направленного везикулярного транспорта.

Структура и функция ресничек и жгутиков.

Роль МТ в организации клеточного центра.

Биогенез центриолей. Формирование митотического веретена. Семейство тубулинов. Промежуточные филаменты (ПФ).

Тканеспецифические типы ПФ.

Классификация ПФ. Доменная организация мономеров ПФ. Сборка ПФ. Особенности организации ПФ ядерной ламины. ПФ как маркеры метастазов. Роль цитоскелета в организации трехмерной сети белковых молекул, участвующих в структурировании цитозоля, в движении клеток, их миграции, в эмбриогенезе и морфогенезе.

8. Клеточное ядро (Я) 8.1. Клеточное ядро Открытие, описание, положение в клетке, форма, число, размер. Получение очищенных и репликации хромосом. Знание основных ядер. Строение ядра. Структурные элементы этапов клеточного цикла.

ядра. Организация ядрышка. Процессы, протекающие в ядрышке. Нуклеоплазма.

Ядерный скелет. Ядерная оболочка, связь с ШР. Ядерные поры. Химический состав.

ДНК. Число молекул ДНК, геном, размер генома. Гистоны. Хроматин. Уровни конденсации хроматина. Хромосомы – комплекс ДНК-белок. Хромосомный цикл, типы хромосом, анатомия хромосом, их классификация. Кариотип. Негистоновые белки. Ядерная РНК. Ядерный матрикс, MAR.

Общий обзор основных процессов, протекающих в ядре. Репликация хромосом, транскрипция и основные этапы процессинга РНК, формирование рибосомных субъединиц.

Двунаправленный транспорт молекул через ядерные поры. Транспорт из цитозоля. Сигнал ядерной локализации. Обратный транспорт.

Челночный механизм переноса белков ядро/цитоплазма. Клеточный цикл. Деление ядра. Митоз. Мейоз. Дезинтеграция и реассоциация мембранных компонентов клетки в ходе клеточного деления.

Организация и эволюция генома.

9. Межклеточная коммуникация 9.1. Межклеточная коммуникация Интеграция ПМ, Я, цитозоля и цитоскелета в химической природе сигнальных молекул.

принятии, обработке и ответа на внешние сигналы. Базовые представления о межклеточной сигнализации. Химическая природа сигнальных молекулы. Образование вторичных мессенджеров.

сигнальных молекул. Механизм действия стероидных гормонов через растворимые рецепторы. Механизм передачи сигналов через рецепторные белки плазматической мембраны. Типы сигнальных рецепторов.

Аденилатциклаза, G-белки (стимулирующие и ингибирующие). Вторичные мессенджеры.

цАМФ. Регуляция концентрации цАМФ.

Протеинкиназа А. Метаболические и митогенные пути действия цАМФ. Кальций как вторичный мессенджер. Гомеостаз кальция в клетке. Механизм действия цАМФ и Са(II). Другие вторичные мессенджеры.

5. Образовательные технологии В преподавании курса «Молекулярная биология клетки» используются преимущественно традиционные образовательные технологии:

- лекции, - практические занятия.

Семинары по дисциплине «Молекулярная биология клетки» осуществляются в рамках общей программы дисциплины «Семинар по специальности на английском языке»

(5-й семестр).

Лабораторный практикум по дисциплине «Молекулярная биология клетки»

осуществляется в рамках общей программы дисциплины НИРС на 3-м и 4-м курсах.

Объм лекционных занятий составляет 72% общего объма аудиторных занятий.

Превышение предельного норматива, установленного ФГОС ВПО для ООП, компенсируется уменьшенной долей лекционных занятий по другим дисциплинам в рамках ООП и в целом по ООП норматив выполнен.

Занятия в активной и интерактивной формах Интерактивные практические занятия-сесинары 6. Лабораторный практикум Не предусмотрен 7. Практические занятия Семинары по дисциплине «Молекулярная биология клетки» осуществляются в рамках общей программы дисциплины «Семинар на иностранном языке» (6-й семестр).

8. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Самостоятельная работа студентов направлена на закрепление и углубление освоения учебного материала, развитие практических умений. Самостоятельная работа студентов в рамках дисциплины «Молекулярная биология клетки» включает следующие виды самостоятельной работы:

- работу с лекционным материалом и с рекомендованной учебной литературой;

- подготовку к контрольным и проверочным работам, коллоквиуму и экзамену;

- опережающую самостоятельную работу с использованием электронных ресурсов, в частности сайта http://univertv.ru/, раздел Биология.

Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа в рамках дисциплины «Молекулярная биология клетки» включает в себя:

- поиск, обработку и презентацию информации по печатным изданиям и электронным источникам информации по заданной проблеме в рамках общей программы дисциплины «Семинар по специальности на английском языке» (6-й семестр);

- выступление на указанном выше семинаре;

- выполнение курсовой работы по одной из приведенных ниже тем.

Методы контроля самостоятельной работы студентов включают написание проверочных работ, выступление на семинаре, написание курсовой работы. Учебные и методические пособия, рекомендуемые для использования при самостоятельной работе, указаны ниже в разделе 9.2.

Примерное распределение времени самостоятельной работы студентов работа с лекционным материалом, с учебной литературой выполнение домашних заданий, домашних контрольных работ подготовка к контрольным работам, коллоквиумам, зачтам Творческая проблемно-ориентированная СРС 9. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 9.1. Адрес сайта курса РПД размещается по адресу http://biophysics.spbstu.ru/399_01w.html.

9.2. Рекомендуемая литература Основная литература 2. Физико-химические основы цитологии. Транскрипция - 2008 50 Библиотека первый этап реализации генетической информации.

Посттранскрипционный процессинг и сплайсинг матричных РНК. учебное пособие для вузов по направлению подготовки 140400 "Техническая физика". / В. М. Седова, Д. С. Боголюбов — СПб. Изд-во Политехн. ун-та, 1. Введение в клеточную биологию. учеб. для ун-тов по направл. 2005 23 Библиотека 510600 "Биология" и биол. спец.. / Ю. С. Ченцов — М.

Академкнига, Биология. Учеб. для мед. спец. вузов. В 2 кн.. / В.Н. Ярыгин, 2004 48 Библиотека В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синельщикова — Москва Высшая школа, Дополнительная литература 1. Молекулярная биология. Учеб. для вузов по спец. 032400 "Биология". / А.С.

Коничев, Г.А. Севастьянова — Москва Академия, 2. Молекулярная биология клетки - в 3-х т. / Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Т. — М.: Мир, 3. Химия. основы химии живого. учеб. для вузов по естественнонауч. направлениям и специальностям. / В. И. Слесарев — СПб. Химиздат, 9.3. Технические средства обеспечения дисциплины http://univertv.ru/, раздел Биология;

http://www.humbio.ru/, база знаний по биологии человека;

http://www.bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/ Интернет-портал «Легендарный Физтех».htm 10. Материально-техническое обеспечение дисциплины Аудиторный класс, наличие проектора для демонстрации наглядных пособий и экрана.

Компьютерный класс, лицензионное программное обеспечение, Internet.

Наличие лабораторной базы для проведения научно-исследовательской работы, включая химические реактивы, приборы (спектрофотометр, оборудование для электрофореза, аналитические весы, центрифуги, рН-метр) и лабораторные принадлежности (химическую посуду, автоматические пипетки).

Для проведения НИР также используются ресурсы и оборудование институтов российской АН и РАМН – организована базовые кафедры и лаборатории в институте цитологии и институте гриппа, проводятся работы в рамках центра «Биофизика», организованного при участии ПИЯФ.

11. Критерии оценивания и оценочные средства 11.1. Критерии оценивания Качество освоения дисциплины "Молеклярная биология клетки" оценивается при проведении экзамена (шестой семестр обучения).

Итоговая отметка на экзамене выставляется по результатам устного ответа на вопросы экзаменационного билета, включающих в себя темы, представленные в программе курса.

Примеры экзаменационных билетов приведены в разделе 11.2. В отдельных случаях на экзамене студентам предлагается письменное тестирования по материалам всего курса дисциплины.

При выставлении итоговой отметки по дисциплине "Молеклярная биология клетки" принимается во внимание активность студента на занятиях, проводимых в интерактивной форме, учитывается качество выполненной курсовой работы и написанного реферата, итоги коллоквиума, а также качество представления данных в виде доклада на семинарских занятиях занятиях.

11.2. Оценочные средства Примеры экзаменационных билетов по дисциплине "Молекулярная биология клетки" Билет № 1. Мембранные белки. Классификация мембранных белков по способу ассоциации с фосфолипидным бислоем.

2. Транспорт белков из цитоплазмы в различные компартменты клетки с помощью сигнальных мотивов и участков. Основные типы мембранных механизмов узнавания импортных белков и их транслокации в органеллы.

Билет № 1. Митохондрии. Субкомпартменты митохондрий, их получение, строение и функции.

Цикл Кребса.

2. Ковалентные модификации белков в цитозоле.

Билет № 1. Плазматическая мембрана. Мозаично-текучая модель биологической мембраны.

Химический состав и свойства фосфолипидного бислоя. Биологические функции компонентов фосфолипидного бислоя.

2. Цитозоль – растворимый компартмент клетки. Организация цитозоля, доказательства компартментализации цитозоля.

12. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины Дополнительные рекомендации отсутствуют.