Химические основы жизни - Нижегородский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Химический факультет
Кафедра органической химии
УТВЕРЖДАЮ
Декан химического факультета
профессор Гущин А.В.
«12 » сентября 2011 г.
Учебная программа
дисциплины ОПД В.02 «Химические основы жизни»
по специальности 020101_65 – «Химия»
Нижний Новгород
2011 г.
2
1. Область применения
Данная дисциплина относится к блоку общепрофессиональных дисциплин,
дисциплин по выбору, преподается на IV курсе в 8 семестре.
2. Цели и задачи курса
Дисциплина «Химические основы жизни» изучается студентами четвертого курса
химического
факультета
университета,
которые
знакомы
с
общими
курсами
«Органическая химия» и «Физическая химия». Курс «Химические основы жизни»
показывает, что сложные биохимические превращения, имеющие место в живой
природе, подчиняются тем же законам и протекают в соответствии с теми же реакциями,
что и обычные химические процессы.
Задача курса – показать связь химических превращений в живой и неживой
материи. С другой стороны, на протяжении всего курса подчеркиваются особенности
биохимических реакций в живых организмах. При изучении курса студенты знакомятся с
основными химическими компонентами клетки, основами биокатализа, процессами
метаболизма. В курсе рассматриваются структура и свойства важнейших типов
биомолекул в связи с их биологической функцией.
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В процессе изучения курса студент должен приобрести способность, используя
знания
курсов
«Органическая
химия»
и
«Физическая
химия»,
анализировать
протекающие на более высоком уровне процессы метаболизма в живых организмах
4.1 Объем дисциплины и виды учебной работы очной формы обучения
Виды учебной работы
Всего часов
Семестры
Общая трудоемкость дисциплины
150
8
Аудиторные занятия
26
26
Лекции
26
26
124
124
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды лабораторных занятий
Самостоятельная работа
Вид итогового контроля (зачет,
экзамен)
экзамен
3
5. Содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№п/п
Раздел дисциплины
Лекции
ПЗ (или С)
1
Введение.
*)
*)
2
Липиды и фосфолипиды. Липиды.
*)
*)
*)
*)
ЛР
Жиры. Фосфолипиды.
3
Углеводы. Моносахариды.
Олигосахариды. Полисахариды.
4
Аминокислоты. Пептиды. Белки.
*)
*)
5
Биокатализ. Ферменты. Коферменты.
*)
*)
Не
6
Нуклеозиды, нуклеотиды,
*)
*)
предусмот-
нуклеиновые кислоты. Структура
рены
нуклеозидов. Мононуклеотиды.
Поленуклеотиды и нуклеиновые
кислоты. Генетическая функция ДНК.
7
Метаболизм. Метаболизм и
*)
*)
энергетика жизни. Биологическое
окисление углеводов. Цепь
переносчиков электронов.
5.2. Содержание разделов дисциплины
1. Введение.
Свойства, характеризующие живую материю. Особенности живой клетки. Уровни
организации живых организмов. Элементарные представления о клетке. Размеры и
формы биомолекул. Вода как компонент живой материи. Обмен энергией в
биологических системах. Преобразование энергии в живой клетке. Саморегуляция в
биологических системах. Самовоспроизведение живых организмов.
2. Липиды и фосфолипиды.
Липиды. Функции липидов в организме. Классификация липидов. Жиры.
Структура, номенклатура, классификация. Высшие жирные кислоты: структурные
особенности, свойства. Воски, мыла. Свойства ацилглицеридов. Метаболизм высших
кислот. Биосинтез липидов.
4
Фосфолипиды.
Глицерирофосфолипиды.
Структура
молекул,
Глицеро-3-фосфорная
функция
кислота.
в
организме.
Фосфатидовая
кислота.
Стереоспецифическая нумерация. Гидроксилсодержащие молекулы, входящие в состав
фосфолипидов. Лизоформа. Диалкил- и алкилацилфосфолипиды. Плазмогены, их роль в
организме.
Сфинголипиды.
Сфингонин,
церамид,
сфингомиелин.
Гликолипиды.
Цереброзиды. Свойства фосфоглицеридов. Липиды – компоненты биомембран.
Мицеллы, монослои и биослои. Модели биомембран. Липопротеины.
3. Углеводы.
Классификация и номенклатура сахаридов.
Моносахариды. Стереохимия. Химические реакции. Биологически важные
производные сахаридов. Витамин С.
Олигосахариды. Классификация и номенклатура. Структура и свойства.
Примеры восстанавливающих и невосстанавливающих биоз.
Полисахариды. Структура, классификация и свойства. Биологическое значение.
Гомо- и гетерополисахариды. Резервные и структурные полисахариды. Антибиотики,
токсины и витамины на базе углеводов.
4. Аминокислоты. Пептиды. Белки.
Аминокислоты. Классификация аминокислот. Физико-химические свойства.
Стереохимия. Белковые и непротеиновые кислоты. Заменимые и незаменимые
аминокислоты. Аминокислоты как структурные элементы белков.
Пептиды. Номенклатура. С- и N-концевые аминокислоты, их определение.
Химический и автоматический твердо-фазный синтез пептидов. Структура пептидов.
Кислотно-основные и оптические свойства пептидов. Анализ аминокислотного состава и
аминокислотной последовательности пептидов. Фрагментация пептидных цепей.
Белки. Классификация белков. Молекулярная масса, размер и форма белковых
макромолекул. Четыре уровня организации структуры белка. Первичная структура
белков и методы ее определения. Вторичная структура белков, основные типы вторичной
структуры. Роль водородных связей. Третичная структура белков. Глобулярные и
фибриллярные белки. Гидрофобные взаимодействия. Четвертичная структура белков,
природа взаимодействий в ней.
5. Биокатализ.
Ферменты. Белковая природа ферментов. Каталитические свойства ферментов.
Фермент-субстратный комплекс. Активный центр. Участок связывания с субстратом.
Кофакторы ферментов. Коферменты и простетические группы. Холофермент и
апофермент. Проферменты. Факторы, влияющие на ферментативную активность: pH
5
среды, температура, эффекты сближения и ориентации. Особенности равновесия в
белковой глобуле.
Коферменты. Механизм действия химотрипсина. Аденилатные коферменты:
никотинамидадениндинуклеотид,
флавинадениндинуклеотид.
Кофермент
А,
ацетилкофермент А. Реакции ацетилкофермента А. Тиаминпирофосфат, липоевая
кислота: механизм декарбоксилорования пировиноградной кислоты. Витамины В2, В3,
В5.
6. Нуклеозиды, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты.
Структура нуклеозидов. Пиримидиновые и пуриновые основания. Углеводные
компоненты. Конфигурация гликозидного центра.
Мононуклеотиды.
Структура, номенклатура, классификация. Химические
свойства. Мононуклеотиды как структурные элементы нуклеиновых кислот.
Поленуклеотиды
и
нуклеиновые
кислоты.
Классификация
кислот.
Фосфодиэфирная связь. ДНК и РНК. Первичная структура нуклеиновых кислот.
Вторичная структура нуклеиновых кислот, двойная спираль ДНК. Комплементарные
взаимодействия нуклеиновых оснований. Правило Чаргаффа. Плавление двойной
спирали. Удвоение ДНК (редупликация). РНК: специфика их структуры и свойства.
Типы РНК. Роль РНК в белковом синтезе.
Генетическая функция ДНК.
Ферменты биосинтеза ДНК. Трансктипция:
биосинтез РНК на ДНК. Генетический код. Свойства генетического кода. Состав
кодирующих триплетов. Иерархия нуклеотидов в триплетном кодоне. Структура кода с
позиций защиты от опасных мутаций. Кодон – антикодоновые взаимодействия. Функции
транспортной РНК. Рибосомы и биосинтез белка. Структура рибосом. Этапы биосинтеза
белков.
7. Метаболизм.
Метаболизм и энергетика жизни. Метаболизм кА совокупность процессов
анаболизма и катаболизма.
Биологическое окисление углеводов. Гликолиз и его стадии. Цикл Кребса (цикл
трикарбоновых кислот).
Цепь переносчиков электронов. Биосинтез углеводов. Метаболизм белков и
аминокислот. Проблема выведения азота из организма.
6. Лабораторный практикум по данной дисциплине не предусмотрен.
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Рекомендуемая литература
а) Основная литература
6
1. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3 т. М.: Мир, 1985. Т 1-3.
2. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М.: Просвещение, 1987.
3. Мицлер Д. Биохимия. В 3 т. М.: Мир, 1980. Т 1-3.
б) Дополнительная литература
1. Страйер Л. Биохимия. В 3 т. М.: Мир, 1984-1985. Т 1-3.
2. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. М.: Высшая школа.,1992.
3. Терней А. Современная органическая химия.. В 2 т. М.: Мир, 1981. Т. 1,2
8. Вопросы для контроля
Тема 1
1. Особенности функционирования живых систем
2. Иерархия молекулярной организации клетки. Органеллы.
3. Роль АТФ, АДФ и АМФ в обмене энергией в биосистемах.
Тема 2
1. Функции липидов в организме. Примеры липидов и сфинголипидов с
различными боковыми цепями.
2. Классификация жиров и их функции в организме. Структура жиров.
3. Особенности строения высших кислот и связанные с ними свойства жиров.
4. Стадии биосинтеза жиров.
5. Классификация и стереохимия фосфолипидов.
6. Элементарные представления о клеточных мембранах.
Тема 3.
1. Классификация, стереохимия и таутомерия моносахаридов.
2. Особенности реакций окисления и восстановления моноз.
3. Доказательство строения мальтозы.
4. Классификация дисахаридов, особенности химических свойств отдельных
видов биоз.
5. Крахмал и гликоген: их строение и роль в природе.
6. Примеры структурных гомо- и гетерополиоз. Их значение.
7. Витамины, токсины и антибиотики как производные сахаров.
Тема 4.
1. Структурные элементы белков. Классификация и стереохимия аминокислот.
2. Строение и физико-химические свойства аминокислот.
7
3. Номенклатура и структура пептидов. Химический метод синтеза.
4. Твердофазный метод получения пептидов.
5. Анализ аминокислотного состава и аминокислотной последовательности
пептидов.
6. Аминокислоты глобулярных белков. Классификация белков. Их первичная
структура.
7. Вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Факторы,
обуславливающие их возникновение.
Тема 5.
1. Особенности ферментативного катализа.
2. Факторы, влияющие на ферментативную активность.
3. Фермент – субстратный комплекс: активный центр, участок связывания с
субстратом.
4. Механизм действия пируваткарбоксилазы. Триаминпирофосфат. Липоевая
кислота.
5. Структурные элементы Кофермента А. Реакции ацетилкофермента А.
6. Аденилатные коферменты, их активные группировки.
7. Механизм действия химотрипсина.
Тема 6.
1. Структура и характеристика компонентов нуклеиновых кислот
2. Пространственная структура ДНК. Репликация ДНК.
3. Специфика структуры и свойств РНК. Типы РНК.
4. Генетический код. Структура кода с позиции защиты от опасных мутаций.
5. Стадии рибосомного синтезе белка.
Тема 7.
1. Стадии превращения ацетилкофермента А в СО2 и Н2О в цикле Кребса.
2. Метаболизм аминокислот.
3. Стадии анаболизма углеводов.
4. Гликолиз углеводов, его стадии.
5. Цепь переносчиков электронов.
8
9. Критерии оценок
Зачет
Зачтено
Знание основного содержания разделов дисциплины,
допускаются неточности, неправильные формулировки,
нарушения в последовательности изложения материала.
Правильное применение теоретических знаний для решения
практических заданий.
Незачтено
Незнание значительной части основного содержания разделов
дисциплины. Имеющихся знаний недостаточно для освоения
дисциплин последующих курсов.
Экзамен
Превосходно
Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Удовлетворительно
Неудовлетворительно
Плохо
Превосходная подготовка с очень незначительными
погрешностями. Исчерпывающее и логически строгое
изложение всех разделов дисциплины. Владение материалом
позволяет быстро справится с видоизмененным заданием.
Успешное решение любых типов практических заданий.
Подготовка, уровень которой существенно выше среднего с
некоторыми ошибками. Твердое знание всех разделов
дисциплины. Допускаются неточности, нарушения в
последовательности изложения материала. Владение
необходимыми приемами и способами решения практических
заданий.
Хорошая подготовка с рядом заметных недочетов. Твердое
знание основных разделов дисциплины. Владение
необходимыми приемами и способами решения основных
типов практических заданий.
В целом, хорошая подготовка, но со значительными
ошибками. Твердое знание основных разделов дисциплины.
Владение необходимыми приемами и способами решения
практических заданий.
Подготовка, удовлетворяющая минимальным требованиям.
Знания основного одержания разделов дисциплины,
допускаются грубые неточности, неправильные
формулировки, нарушения в последовательности изложения
материала. Имеющихся знаний достаточно для освоения
дисциплин последующих курсов. Допускаются значительные
ошибки при выполнении практических заданий.
Необходима дополнительная подготовка для успешного
прохождения испытания. Незнание значительной части
основного содержания разделов дисциплины. Имеющихся
знаний недостаточно для освоения дисциплин последующих
курсов.
Подготовка совершенно недостаточная. Отсутствуют знания
большей части основного содержания разделов дисциплины.
Имеющихся знаний совершенно недостаточно для освоения
дисциплин последующих курсов.
9
Программа составлена в соответствии с Государственным
образовательным стандартом по специальности «Химия»
Автор программы _______________________Старостина Т.И.
подпись
Программа рассмотрена на заседании кафедры 30 августа 2011 г. протокол № 1
Заведующий кафедрой _____________________ Додонов В.А.
подпись
Программа одобрена методической комиссией факультета 05 сентября 2011 г.
протокол № 1
Председатель методической комиссии __________________Сулейманов Е.В.
подпись