биохимия - Белорусский государственный технологический

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учебно-методическое объединение высших учебных заведений
Республики Беларусь по химико-технологическому образованию
Учебно-методическое объединение высших учебных заведений
Республики Беларусь по образованию в области природопользования
и лесного хозяйства
УТВЕРЖДАЮ
Первый заместитель Министра
образования Республики Беларусь
____________________А.И. Жук
____________________
Регистрационный № ТД-_______/тип.
БИОХИМИЯ
Типовая учебная программа для высших учебных заведений
по специальностям:
1–48 02 01 Биотехнология;
1–57 01 03 Биоэкология
СОГЛАСОВАНО
СОГЛАСОВАНО
Первый заместитель председателя
Концерна «Белбиофарм»
________________В.Н. Гапанович
_________________________2010 г.
Начальник Управления высшего и
среднего специального образования
________________Ю.И. Миксюк
_______________________2010 г.
Председатель Учебно-методического
объединения вузов Республики
Беларусь по химико-технологическому
образованию; Учебно-методического
объединения вузов Республики
Беларусь по образованию в области
природопользования и лесного
хозяйства
Ректор Государственного
учреждения образования
«Республиканский институт высшей
школы»
_________________И.М. Жарский
_________________________2010 г.
Эксперт-нормоконтролер
______________________________
_______________________2010 г.
________________М.И. Демчук
_______________________2010 г.
Минск 2010 г.
СОСТАВИТЕЛЬ
Н.А. Белясова, доцент кафедры биотехнологии и биоэкологии
учреждения образования «Белорусский государственный
технологический университет», кандидат биологических наук, доцент
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Кафедра биохимии Белорусского государственного университета;
С.М. Азаров – ведущий научный сотрудник Государственного научного
учреждения «Институт общей и неорганической химии» Национальной
академии наук Беларуси, кандидат технических наук
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ ТИПОВОЙ:
Кафедрой биотехнологии и биоэкологии учреждения образования
«Белорусский государственный технологический университет»
(протокол № 7 от 25 февраля 2010 г.);
Научно-методическим советом учреждения образования «Белорусский
государственный технологический университет»
(протокол № 4 от «18» марта 2010 г.);
Научно-методическим советом по химическим технологиям Учебнометодического объединения высших учебных заведений Республики
Беларусь по химико-технологическому образованию
(протокол № 2 от «27» апреля 2010 г.);
Научно-методическим советом по охране окружающей среды Учебнометодического объединения высших учебных заведений Республики
Беларусь по образованию в области природопользования и лесного
хозяйства (протокол № 2-10 от «22» марта 2010 г.).
Ответственный за выпуск: Н.А. Белясова
2
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Дисциплина «Биохимия» относится к обязательному компоненту цикла
общепрофессиональных и специальных дисциплин специальностей 1-48 02 01
«Биотехнология» и 1–57 01 03 «Биоэкология». Она формирует основные
представления о структуре и функциях биологических молекул, о процессах
обмена белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, о механизмах
различных способов запасания энергии клетками, а также об особенностях
процессов регуляции метаболизма и его интеграции.
Дисциплина «Биохимия» опирается на знания, полученные студентами при
изучении таких дисциплин, как «Теоретические основы химии» (используются
знания основных понятий и количественных законов химии, в частности:
строение атома и молекулы, типы химической связи, закономерности
окислительно-восстановительных реакций, особенности агрегатных состояний),
«Органическая химия» (используются знания классификации, номенклатуры и
изомерии органических соединений, теории химической связи и теории химической реакции), «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа»
(знания кислотно-основного и окислительно-восстановительного равновесия,
процессов осаждения-растворения, химических методов анализа, их теоретических основ), «Физическая химия» (знания основ химической термодинамики,
кинетики и катализа), «Физика» (знание закономерностей поглощения света
веществом).
Цель дисциплины «Биохимия» - обеспечить глубокое понимание связей
между строением и функциями биологических молекул, закономерностей
процессов превращения веществ и энергии в клетке, принципов регуляции
метаболических процессов.
Задачи лекционного курса – приобретение теоретических знаний о
структуре и функциях клеточных макромолекул и ключевых промежуточных
метаболитов, а также о химических процессах, которые составляют
жизнедеятельность клетки.
Задачи лабораторных занятий – освоение основных практических навыков
исследования структуры и функций биологических молекул, а также
биохимических процессов клетки.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- строение и функции биомолекул;
- свойства и функции биомембран;
- механизм ферментативного катализа;
- закономерности метаболизма;
3
- основные биохимические циклы;
- основы биосинтеза витаминов и антибиотиков;
уметь:
- выделять и анализировать строение и функции биомолекул;
- исследовать свойства и функции биомембран;
- воспроизводить механизмы ферментативного катализа для рибонуклеазы,
амилазы и химотрипсина;
- анализировать активность ферментов;
- определять содержание витаминов в различных средах;
- определять активность антибиотиков;
- анализировать активность биохимических циклов.
Изучение дисциплины должно обеспечить формирование у студентов следующих компетенций:
– владение методами и техникой исследований в области биохимии;
– владение современными технологиями информационного обеспечения
научных исследований в области биохимии;
– умение осуществлять поиск, систематизацию и анализ информации по новейшим достижениям в биохимии;
– умение применять полученные знания для решения теоретических и практических задач в производственной, исследовательской и учебной деятельности;
– владение системным и сравнительным анализом.
Основными технологиями обучения являются: проблемное обучение,
рейтинговая
система
оценки
знаний,
использование
обучающеисследовательского принципа в организации лабораторных работ, преподавание с
использованием компьютерных программ и электронных версий учебных
пособий, демонстрация презентаций и видеороликов в процессе чтения лекций.
Настоящая программа является типовой, определяющей общее содержание
дисциплины, на ее основе кафедра разрабатывает учебную программу дисциплины.
Типовые учебные планы по специальностям 1-48 02 01 «Биотехнология» и
1–57 01 03 «Биоэкология»предусматривают для изучения данной дисциплины:
всего часов – 160, в том числе аудиторных – 102 часа, из них лекций – 68 часов и
лабораторных занятий – 34 часа.
Для диагностики компетенций студентов рекомендуется использовать
тестовые задания (приложение), контрольные, коллоквиумы, зачет, экзамен.
4
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ДИСЦИПЛИНЫ
«Биохимия»
№
темы
Название тем
Введение в дисциплину
Раздел I. Структура и функции
клеточных компонентов
Организация и характерные свойства
1.1
биомембран
Транспорт веществ через мембраны,
1.2
рецепторные функции биомембран
Строение и свойства структурных и резерв1.3
ных полисахаридов микробных клеток
1.4 Организация и функции белков
1.5 Особенности строения и свойства ферментов
1.6 Механизм ферментативного катализа
1.7 Строение и функции кофакторов
Раздел II. Метаболизм. Процессы, приводящие
к запасанию энергии
2.1 Закономерности метаболизма
2.2 Катаболитные пути
2.3 Брожение, субстратное фосфорилирование
2.4 Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
2.5 Дыхание
2.6 Улавливание света биомолекулами
Раздел III. Метаболизм. Процессы, требующие
притока энергии
3.1 Биосинтез углеводов
3.2 Биосинтез липидов
3.3 Метаболизм азотсодержащих соединений
3.4 Биологическая роль и биосинтез витаминов
Биологическая роль и закономерности био3.5
синтеза антибиотиков
Раздел IV. Интеграция метаболизма
Роль ключевых промежуточных соединений
4.1
в интеграции метаболизма
4.2 Регуляция метаболизма
Количество часов
5
Число аудиторных часов
ЛекЛабор.
Всего
ции
занятия
2
2
23
16
39
4
4
4
4
3
4
7
2
3
3
4
4
4
4
6
7
7
4
21
10
31
1
4
4
4
4
4
18
3
3
6
3
6
4
4
22
4
3
3
6
7
3
4
3
4
2
2
68
1
10
8
4
4
4
8
2
4
34
6
102
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ
Предмет и задачи биохимии. Краткий исторический очерк развития науки.
Характеристика объектов исследования биохимии.
РАЗДЕЛ I. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ КЛЕТОЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ
1.1 Организация и характерные свойства биомембран. Особенности организации мембранных липидов. Свойства полярных липидов и их агрегатов. Липидные бислои. Организация и функции мембранных белков с транспортными,
рецепторными и ферментными свойствами. Белки цитоскелета. Характерные
свойства биомембран.
1.2 Транспорт веществ через мембраны, рецепторные функции биомембран. Характеристика и закономерности диффузии, активного транспорта, цитозов. Осмос, понятия осмотического давления и водного потенциала. Модели работы транспортных белков разных типов. Симпорт и антипорт, первичный и вторичный активный транспорт. Особенности рецепторных молекул. Разнообразие
способов рецепции сигналов из окружающей среды, каскадные процессы передачи сигнала. Генерация и проведение нервных импульсов.
1.3 Строение и свойства структурных и резервных полисахаридов микробных клеток. Строение и свойства крахмала, гликогена, декстранов и других
капсульных полисахаридов. Строение и свойства целлюлозы, пектиновых веществ, агар-агара. Организация сложных полисахаридов клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий, грибов.
1.4 Организация и функции белков. Иерархическая структура белковых
молекул. Особенности образования, и свойства пептидной связи. Нековалентные
взаимодействия при формировании молекул белков. Функции белков.
1.5 Особенности строения и свойства ферментов. Общая характеристика
и классификация ферментов. Структурные части ферментной молекулы. Изоферменты, их роль в метаболизме. Специфичность ферментов. Активность ферментов, зависимость от ингибиторов и активаторов, химических и физических факторов. Принципы ферментативной кинетики.
1.6 Механизм ферментативного катализа. Характеристика причин высокой каталитической активности ферментов. Понятие о переходном состоянии.
Кислотно-основной катализ на примере действия лизоцима. Нуклеофильный катализ.
1.7 Строение и функции кофакторов. Разнообразие и классификация кофакторов. Особенности коферментов и простетических групп. Характеристика
работы переносчиков восстановительных эквивалентов, фосфатных, карбоксильных и ацильных групп.
6
РАЗДЕЛ II. МЕТАБОЛИЗМ. ПРОЦЕССЫ, ПРИВОДЯЩИЕ
К ЗАПАСАНИЮ ЭНЕРГИИ
2.1 Закономерности метаболизма. Взаимосвязь реакций катаболизма и
анаболизма, конструктивного и энергетического метаболизма. Стратегия метаболизма.
2.2 Катаболитные пути. Стратегия и разнообразие катаболитных процессов клетки. Расщепление липидов. Химизм, предназначение, регуляция процессов
β-, α- и ω-окисления жирных кислот. Особенности катаболизма углеводов. Химизм, предназначение, регуляция гликолиза, пентозофосфатных путей, пути Энтнера-Дудорова. Механизм субстратного фосфорилирования.
2.3 Брожение, субстратное фосфорилирование. Отличительные особенности брожения. Химизм разных способов спиртового брожения. Гетероферментативное и гомоферментативное молочнокислое брожение. Закономерности превращения восстановительных эквивалентов при брожении. Характеристика реакций субстратного фосфорилирования.
2.4 Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). Ферментативное оснащение, химизм, предназначение и регуляция процесса окислительного декарбоксилирования пирувата. Химизм ЦТК. Баланс ЦТК. Регуляция ЦТК. Характеристика других
способов окисления одно- и двухуглеродных субстратов. Глиоксилатный цикл,
цикл дикарбоновых кислот.
2.5 Дыхание. Отличительные особенности дыхания, как способа запасания
энергии. Характеристика компонентов дыхательной цепи. Окислительновосстановительный потенциал компонентов дыхательной цепи. Механизм окислительного фосфорилирования. Энергетический баланс процесса дыхания на
примере окисления глюкозы. Особенности анаэробного дыхания. Использование
неорганических доноров электронов в дыхании.
2.6 Улавливание света биомолекулами. Закономерности процессов поглощения света веществом. Общая характеристика фотосинтеза. Разнообразие,
свойства и функции компонентов фотосистем. Характеристика световых реакций
фотосинтеза: циклический поток электронов, Z-схема, механизм процесса фотофосфорилирования. Темновые реакции фотосинтеза: субстраты и продукты, химизм и регуляция цикла Кальвина, С3- и С4-пути фиксации углекислоты. Фотодыхание. Особенности фотохимических реакций при фотосинтезе и фоторецепции.
Зрительное восприятие. Функции бактериородопсина. Биолюминесценция.
РАЗДЕЛ III. МЕТАБОЛИЗМ. ПРОЦЕССЫ, ТРЕБУЮЩИЕ
ПРИТОКА ЭНЕРГИИ
3.1 Биосинтез углеводов. Закономерности процессов биосинтеза. Обмен и
биосинтез моносахаридов. Глюконеогенез. Биосинтез полисахаридов на примере
гликогена и муреина.
7
3.2 Биосинтез липидов. Обмен липидов. Биосинтез насыщенных жирных
кислот. Образование ненасыщенных жирных кислот. Биосинтез полярных и неполярных липидов. Биосинтез стеролов.
3.3 Метаболизм азотсодержащих соединений. Белковый обмен. Круговорот азота в природе. Фиксация азота и включение его в состав органических молекул. Биосинтез аминокислот различных семейств. Различные способы расщепления аминокислот. Выведение аммиака из организма. Цикл мочевины. Судьба
углеродных скелетов аминокислот. Метаболизм нуклеотидов.
3.4 Биологическая роль и биосинтез витаминов. Общая характеристика
витаминов. Строение, классификация, биологическая роль и биосинтез жирорастворимых витаминов. Строение, классификация, биологическая роль и биосинтез
водорастворимых витаминов.
3.5 Биологическая роль и закономерности биосинтеза антибиотиков.
Разнообразие и общие свойства антибиотиков. Механизмы действия антибиотиков на клеточные мишени: ингибиторы синтеза клеточных стенок, мембраноактивные антибиотики, ингибиторы трансляции, антибиотики-интеркаляторы,
ДНК-тропные антибиотики, ингибиторы транскрипции и ферментативных процессов. Закономерности биосинтеза антибиотиков. Механизмы устойчивости
микроорганизмов к антибиотикам.
РАЗДЕЛ IV. ИНТЕГРАЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА
4.1 Роль ключевых промежуточных соединений в интеграции метаболизма. Понятие о ключевых метаболитах. Роль в интеграции метаболизма пирувата и ацетил-СоА.
4.2. Регуляция метаболизма. Регуляция метаболизма на уровне транскрипции и трансляции. Аллостерическая регуляция активности ферментов. Ковалентная модификация ферментов. Гормональная регуляция. Изменение концентрации
метаболитов. Посттранскрипционная и посттрансляционная модификация макромолекул.
ПРИМЕРНАЯ ТЕМАТИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
1. Физико-химические свойства белков.
2. Методы выделения, очистки и количественного определения белков.
3. Иммобилизация микробных клеток с исследованием уровня метаболических процессов.
4. Качественное и количественное определение аминокислот.
5. Определение активности алкогольдегидрогеназы в дрожжевых экстрактах.
6. Определение активности пероксидазы в растительных экстрактах.
7. Выделение липидов и изучение их свойств.
8
8. Выделение углеводов и изучение их свойств.
9. Качественное и количественное определение витаминов.
10. Определение интенсивности сбраживания глюкозы в этанол разными
микроорганизмами.
11. Определение зависимости активности ферментов от физических и химических факторов.
12. Сравнительный анализ интенсивности гликолиза в клетках разных микроорганизмов.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Белясова, Н.А. Биохимия и молекулярная биология: учеб. пособие для
студентов специальности «Биотехнология» / Н.А. Белясова. – Мн.: БГТУ, 2002. 360 с.
2. Леонтьев, В.Н. Биохимия. Лабораторный практикум : учеб. пособие для
студентов специальностей «Биотехнология», «Биоэкология» / В.Н. Леонтьев, Т.И.
Ахрамович. – Минск : БГТУ, 2008. – 216 с.
3. Страйер Л. Биохимия: В 3-х т. – М.: Мир, 1984, 1985 – Т. 1. – 232 с. Т. 2. –
312 с. Т. 3. – 400 с.
4. Мецлер Д. Биохимия: В 3-х т. – М.: Мир, 1980. – Т. 1. – 407 с. Т. 2. –606 с.
Т. 3. – 488 с.
5. Ленинджер А. Биохимия: В 3-х т. – М.: Мир, 1985. – Т. 1. – 365 с. Т. 2. –
355 с. Т. 3. – 313 с.
Дополнительная
1. Кольман Я., Рём К-Г. Наглядная биохимия. – М.: Мир, 2000. – 469 с.
2. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. – М.: Просвещение, 1987. –
815 с.
3. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. – М.: Агар, 1999. – 512 с.
4. Биополимеры/Под ред. Ю. Иманиси. – М.: Мир, 1988. – 544 с.
5. Бохински Р. Современные воззрения в биохимии. – М.: Мир, 1987. –
543 с.
6. Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции. - М.: Мир,
1997. - 624 с.
9
ПРИЛОЖЕНИЕ
ОБРАЗЦЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ
Тестовые задания предполагают проверку различных аспектов знаний: как
практических навыков, полученных в ходе выполнения лабораторных работ, так и
владение теоретическим материалом. Они призваны оценить глубину понимания
материала студентами, их умение творчески применять полученные знания к анализу биохимических процессов клетки и организма для того, чтобы умело управлять ими при решения практических задач биотехнологии и биоэкологии.
Используются тестовые задания нескольких типов: А – тесты-допуски к лабораторным занятиям, оценивающие знание методов биохимии; Б - тестыдопуски к лабораторным занятиям, оценивающие знание теоретических основ
изучаемого процесса (явления); В – логические задачи, оценивающие кругозор
студента и владение общим теоретическим материалом. Ниже приведены примеры тестовых заданий обоих типов.
Фрагмент тестового задания типа А к лабораторной работе «Сравнительный анализ интенсивности гликолиза у разных микроорганизмов»:
.
1. Для получения биомассы дрожжей клетки инкубируют в:
а) питательном бульоне;
в) глюкозосолевой среде ММ9;
с) глюкозосолевой среде Ридер;
д) физиологическом растворе.
2. Разрушение клеток в выполняемой работе производят путем мацерации в
присутствии:
а) трихлоруксусной кислоты;
в) окиси алюминия;
с) физиологического раствора;
д) резорцина.
3. Трихлоруксусная кислота используется в данной работе для:
а) разрушения клеток;
в) осуществления гликолиза;
с) выделения ферментов;
д) осаждения белка.
4. При взаимодействии фруктозы с соляной кислотой образуется:
а) оксиметилфурфурол;
в) фурфурол;
с) пируват;
д) фураноза.
5. Для инкубирования дрожжевых клеток при определении интенсивности
гликолиза используют:
а) глюкозосолевую среду ММ9;
в) физиологический раствор;
с) глюкозосолевую среду Ридер;
д) питательный бульон.
6. Для осаждения белка (после ферментации) к смеси добавляют:
а) фосфатно-солевой буфер;
в) резорцин
с) трихлоруксусную кислоту;
д) соляную кислоту.
10
Фрагмент тестового задания типа Б к лабораторной работе «Сравнительный анализ интенсивности гликолиза у разных микроорганизмов»:
1. Гликолиз – это последовательность окислительно-восстановительных реакций, в результате которых:
а) углевод превращается в пируват, не требуя участия О2;
в) липиды превращаются в ацетилкоэнзим А;
с) углевод превращается в пируват при участии О2;
д) углевод превращается в СО2в присутствии О2.
2. Глюкоза может транспортироваться в бактериальную клетку путем:
а) пассивной диффузии;
в) эндоцитоза;
с) облегченной диффузии;
д) активного транспорта.
3. Гликолиз в клетках прокариот осуществляется в:
а) цитозоле;
в) перипласте;
с) вакуолях;
д) митохондриях.
4. Ключевым промежуточным продуктом гликолиза является:
а) 3-фосфоглицерат;
в) фосфоенолпируват;
с) пируват;
д) фруктозодифосфат.
5. Субстратами гликолиза могут служить:
а) липиды;
в) пируват;
с) моносахариды;
д) аминокислоты.
6. Из одной молекулы глюкозы в ходе гликолиза запасаются:
а) 1 молекула АТФ + 2 молекулы НАДН;
в) 2 молекулы АТФ + 1 молекула НАДН;
с) 2 молекулы АТФ + 2 молекулы НАДФН;
д) среди ответов нет правильного.
Фрагмент тестового задания типа В к подразделу дисциплины 2.2 «Катаболитные пути»:
1. Какие субстраты наиболее выгодны для катаболитных путей и почему?
2. Какие субстраты чаще всего используются в катаболитных путях и почему?
3. Какими свойствами отличаются ключевые метаболиты? Назовите их для
изученных катаболитных путей.
4. Какие из изученных путей наиболее выгодны с энергетической точки зрения? Почему кроме них реализуются и другие?
5. В чем состоит стратегия для клетки -окисления жирных кислот?
6. В чем состоит стратегия для клетки каждого из изученных путей катаболизма углеводов?
7. Найдите основные критерии, по которым различаются катаболитные процессы, и произведите их сопоставительный анализ.
11