Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет Ксенобиохимия Учебно-методическое пособие к самостоятельной работе Специальность 020208.65 - Биохимия Красноярск СФУ 2012 УДК 577.1 ББК 28.072.534 Составитель: Н.М.Титова Ксенобиохимия: Учебно-методическое пособие к самостоятельной работе /[Текст] / сост. Н.М. Титова. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – 16 с. Учебно-методическое пособие по курсу «Ксенобиохимия» составлено в соответствии с программой курса и является руководством для самостоятельной работы. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов биологических и медико-биологических специальностей университетов. УДК 577.1 ББК 28.072.534 © Сибирский федеральный университет, 2012 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Самостоятельная работа студентов по курсу «Ксенобиохимия» (ОПД.B1) включает изучение теоретического материала, написание реферата, работу с научной, учебной, методической литературой. В учебном пособии приведены темы для самостоятельной проработки теоретического материала. Приводится список литературы, необходимой для самостоятельной подготовки. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Биохимия». Оно также может быть использовано студентами биологических и медико-биологических специальностей университетов. Цель дисциплины – формирование у студентов представлений об основных механизмах и последствиях биотрансформации ксенобиотиков энзиматическими системами живых организмов. В задачи дисциплины «Ксенобиохимия» входит: • изучение путей поступления ксенобиотиков; • рассмотрение механизмов биотрансформации ксенобиотиков в различных органах и тканях; • рассмотрение способов выведения продуктов метаболизма ксенобиотиков из организма человека и животных; • оценка токсических, мутагенных и канцерогенных эффектов ксенобиотиков и метаболитов их биотрансформации. В результате освоения дисциплины обучающиеся должны знать: классификацию ксенобиотиков и пути их поступления в организм человека и животных; основные понятия и термины, используемые в ксенобиохимии; механизмы преконъюгации ксенобиотиков микросомальной монооксигеназной системой; основные механизмы конъюгации метаболитов ксенобиотиков с веществами, придающими им полярный характер; роль гликопротеина Р в выведении продуктов биотрансформации ксенобиотиков из организма человека и животных; уметь: ориентироваться в механизмах биотрансформации ксенобиотиков; использовать полученные знания при изучении специальных дисциплин; систематизировать и классифицировать знания о структуре и свойствах ксенобиотиков, чужеродных для организма человека и животных веществ, полученные при изучении учебников, лекций, монографий, других источников; владеть навыками: делового общения; 3 работы в команде; работы с компьютером на уровне пользователя, использования информационных технологий для решения фундаментальных и прикладных задач в области профессиональной деятельности. Для освоения дисциплины необходимо прохождение общебиологических и химических дисциплин: ботаники, зоологии, анатомии, неорганической аналитической, органической, физической и коллоидной химии. Освоение данной программы необходимо для последующего изучения биохимии, энзимологии, физиологии животных и растений, генетики, биотехнологии, молекулярной биологии, экологии, патофизиологии, биохимических механизмов адаптации, общей и частной патология. Знание основных аспектов биотрансформации ксенобиотиков – необходимая база при подготовке дипломных работ, тематика которых связана с изучением физиолого-биохимических эффектов ксенобиотиков. Освоение разделов курса «Ксенобиохимии» также будет способствовать формированию у студентов целостного естественнонаучного мировоззрения. 1. ТРУДОЕМКОСТЬ ДИСЦИПЛИНЫ Общая трудоемкость дисциплины приведена в табл.1. Таблица 1 – Виды учебной работы и трудоемкость дисциплины «Ксенобиохимия» Семестр Всего часов 6 Общая трудоемкость дисциплины 50 50 Аудиторные занятия: 30 30 лекции 15 15 практические занятия 13 13 промежуточный контроль 2 2 20 20 изучение теоретического курса (ТО) 10 10 реферат 10 10 зачет зачет Вид учебной работы Самостоятельная работа: Вид итогового контроля (зачет, экзамен) 4 Организация самостоятельной работы производится в соответствии с графиком учебного процесса и самостоятельной работы (приложение). 2. СТРУКТУРА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ Трудозатраты на самостоятельную «Ксенобиохимия» приведены в табл. 2. работу по разделам курса Таблица 2 – Объем самостоятельной работы в общей трудоемкости разделов дисциплины № п/п 1 2 Лекции (часы) Раздел дисциплины Раздел 1. Ксенобиотики и механизмы их биотрансформации Раздел 2. Физиолого-биохимические эффекты ксенобиотиков 10 Практич. занятия (часы) 8 Самост. работа (часы) 10 5 5 10 Самостоятельная работа студентов по курсу «Ксенобиохимия» включает изучение теоретического материала, написание и защиту реферата, решение задач и выполнение заданий, составление схем регуляции и интеграции метаболических путей, работу с учебной научной и справочной литературой. 3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО КУРСА Для самостоятельной работы студенты используют литературу и электронные ресурсы читальных залов библиотеки СФУ. Итогом самостоятельного изучение теоретического материала являются конспект, таблицы, схемы метаболических путей. Конспект – это краткое, либо подробное и последовательное изложение информации, полученной из различных источников (лекция, проработанная литература, просмотренные презентации, видеодокументы и т. д.). Таблица – это перечень сведений, цифровых данных, расположенных по графам в определенном порядке. Таблицы используются, когда необходимо показать информацию, логически упорядоченную в столбцы и ряды. Схема метаболического пути – чертеж, отображающий основные стадии метаболизма ксенобиотиков. Схема может быть альтернативным вариантом конспекта, в которой без детализации прочитанного материала приводятся ключевые слова, основные понятия, структуры, описывающие 5 процессы биотрансформации ксенобиотиков. Особенно важно составление схем для структурирования информации в данном курсе при рассмотрении метаболизма лекарственных средств, канцероненов. Создавать схему можно на листе бумаге, экране компьютера и т.п. Темы для самостоятельного теоретического изучения курса « Ксенобиохимия» сгруппированы по разделам дисциплины (табл. 3) вместе с перечнем примерных вопросов для самоконтроля и рекомендованными источниками информации. Самостоятельное изучение теоретического курса проводится параллельно с курсом лекций. В соответствии с темой и планом каждой лекции, студент обязан во время самостоятельной работы повторить основные пути биотрансформации ксенобиотиков, выучить необходимые структурные формулы, освоить принципы составления схем метаболических процессов. Таблица 3 – Темы для самостоятельной работы № Разделы дисциплины п/п 1 Раздел 1. Ксенобиотики и механизмы их биотрансформации 2 Раздел 2 Физиологобиохимические эффекты ксенобиотиков Темы для самостоятельной работы, трудоемкость (часы) 1.1. Цитохромы Р450 (3 ч.). 1.2. Роль ферментов класса трансфераз в биотрансформации ксенобиотиков (3 ч.). 1.3. Реферат (4 ч.) 2.1. Тяжелые металлы, эффекты, роль металлотионеинов в их детоксикации (2 ч.). 2.2. Метаболизм этанола (2 ч.). 2.3. Реферат (6 ч.) Раздел 1. Ксенобиотики и механизмы их биотрансформации. Тема 1.1. Цитохромы Р450. Вопросы для самоконтроля 1. Классификация цитохромов Р450 2. Какие процессы осуществляются при участии цитохромов Р450? 3. Внутриклеточная локализация цитохромов Р450. 4. Компоненты цитохром Р450 монооксигеназной системы. 5. Типы реакций, осуществляемые цитохром Р450 монооксигеназной системой. 6. Индуцибельность цитохром Р450 монооксигеназной системы. 7. Источники NADPH для осуществления монооксигеназных реакций. 8. Окислительно-восстановительный цикл цитохрома Р450. 9. Образование активных форм кислорода, образующихся при биотрансформации некоторых ксенобиотиков. 10. Системы антиоксидантной защиты в детоксикации активных форм кислорода. 11. Цитохром Р450 в метаболизме стероидов. 6 12. Роль цитохромов Р450 в метаболизме арахидоновой кислоты 13. Тканеспецифичность экспрессии генов цитохромов Р450. 14. Гормон-зависимая регуляция экспрессии генов цитохромов Р450. 15. Строение эндоплазматической сети гепатоцитов. 16. Векторная локализация микросомальной цитохром Р450 монооксигеназной системы в эндоплазматическом ретикулуме. 17. Этапы гидроксилирования субстратов цитохромом Р450. Тема 1.2. Роль ферментов класса трансфераз в биотрансформации ксенобиотиков. Вопросы для самоконтроля 1. Классификация и номенклатура ферментов класса трнасфераз. 3. Кофакторы, необходимые трансферазам для конюъюгации ксенобиотиков. 4. Строение, биосинтез и роль S-аденозилметионина. 5. Строение, биосинтез и роль «активного сульфата» фосфоаденозилфосфосульфата (ФАФС). 6. Строение, биосинтез и роль уридиндифосфатглюкуроновой кислоты (UDP-глюкуроната). 7. Характеристика, механизм действия и роль глутатион-S-трансфераз. 8. Строение, биосинтез и роль глутатиона. 9. Биотрансформация билирубина. 10. Внутриклеточная локализация трансфераз, участвующих в процессах конъюгации продуктов I фазы биотрансформации ксенобиотиокв. 11. Характеристика, механизм действия и роль сульфотрансфераз. 12. Характеристика, механизм действия и роль N-ацетилтрансфераз. Раздел 2. Физиолого-биохимические эффекты ксенобиотиков. Тема 2.1. Тяжелые металлы, эффекты, роль металлотионеинов в их детоксикации. Вопросы для самоконтроля 1. Пути поступления тяжелых металлов в организм. 2. Какие металлы относят к тяжелым металлам? 3. Токсичность тяжелых металлов. 4. Токсичность свинца. 5. Токсичность меди. 6. Токсичность цинка. 7. Молекулярные механизмы устойчивости организмов к действию тяжелых металлов. 8. Мембранотропное действие тяжелых металлов. 9. Металлотионеины – структура, биосинтез, роль в детоксикации тяжелых металлов. 10. Характеристика трех классов металлотионеинов. 7 Тема 2.2. Метаболизм этанола. Вопросы для самоконтроля 1. Эндогенный и экзогенный этанол 2. Монооксигеназная система детоксикации этанола. 3. Алкогольдегидрогеназа – строение, механизм действия, биологическая роль. 4. Роль альдегиддегидрогеназы в метаболизме этанола. 5. Каталаза – строение, механизм действия, роль в метаболизме этанола. 6. Токсические эффекты ацетальдегида. 7. Изоформы алкоголь- и альдегиддегидрогназ, их внутриклеточная локализация.. 4. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ДРУГИХ ВИДОВ Реализация других видов самостоятельной работы по курсу «Ксенобиохимия» включает написание и защиту рефератов, составление схем биотрансформации ксенобиотиокв различной химической природы, решение ситуационных заданий. ● Написание и защита реферата. При изучении курса «Ксенобиохимия» студент должен подготовить реферат по одной из предложенных преподавателем тем или предложить свою тему. Темы рефератов и задания по их написанию выдаются лектором на первой лекции вместе со списком учебной литературы. Структура реферата: Реферат включает следующие структурные элементы: 1. Титульный лист. С него начинается нумерация страниц, но номер не ставится. Номера страниц начинают печатать с первой страницы раздела «Введение». Титульный лист оформляется аналогично титульному листу курсовой работы: указывают наименование высшего учебного заведения; факультет, кафедру, где выполнялась работа; название работы; фамилию и инициалы студента; ученую степень и ученое звание, фамилию и инициалы преподавателя; город и год выполнения работы. 2. Содержание. В содержании представлены названия всех разделов и подразделов работы, каждое из которых печатается с новой строки. В конце строки ставится номер страницы, на которой напечатана данная рубрика в тексте. Номера страниц печатаются вблизи правого поля, все на одинаковом расстоянии от края страницы. Следует обратить внимание, что названия разделов и подразделов в оглавлении должно точно соответствовать заголовкам текста. 8 3. Введение. Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой темы, пути развития на современном этапе, имеющиеся проблемы и способы их разрешения. Объём данного раздела не должен превышать одной страницы. 4. Обзор литературы. В данном разделе излагаются теоретические основы по выбранной тематике. Изложение должно вестись в форме теоретического анализа проработанных источников применительно к выполняемой теме, логично, последовательно и грамотно. При необходимости данный раздел может состоять из отдельных подразделов. Из содержания теоретического обзора должно быть видно состояние изученности темы в целом и отдельных ее вопросов. 5. Заключение. Представляет собой краткое обобщение (2-3 абзаца) приведенных данных. 6. Библиографический список. Оформляется в соответствии с существующими требованиями. 7. Приложения. Оформление реферата должно соответствовать межгосударственному стандарту ГОСТ 7.32-2001, устанавливающему общие требования к структуре и правилам оформления научных и технических отчетов. Реферат должен сопровождаться библиографическим списком, который составляют в соответствии с ГОСТ 7.12003 «Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления». Объем реферата должен составлять 20 страниц. Реферат сдается на проверку преподавателю согласно графику самостоятельной работы студентов по дисциплине «Ксенобиохимия» (приложение). С целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся, а также развития коммуникативных компетенций защита реферата проводится в виде презентации, подготовленной в Power Point, на практических занятиях в интерактивной форме, т.е. с участием в обсуждении темы реферата других обучающихся. Презентационные материалы оформляются в виде последовательности слайдов, демонстрируемых на экранах для аудитории слушателей. При подготовке рефератов и презентаций рекомендуется использовать лицензионное программное обеспечение ФГАОУ ВПО СФУ. Во время защиты рефератов, используется современное интерактивное оборудование, в частности, интерактивная доска SMART Board 3000i использует все возможности персонального компьютера в режиме реального времени, позволяет работать с текстами и графическими объектами, аудио- и видеоматериалами, Интернет-ресурсами, базами данных и т. д. Примерные темы рефератов: 1. Система цитохрома Р450. 9 2. UDP-глюкуронилтрансферазы – структура, механизм действия, биологическая роль. 3. Активный сульфат – биосинтез, роль в процессах конъюгации ксенобиотиков. 4. S-аденозилметионин – биосинтез, роль в процессах конъюгации ксенобиотиков. 5. Металлотионеины. 6. Печень – орган, играющий основную роль в детоксикации ксенобиотиков. 7. Индукция и ингибирование метаболизма лекарств. 8. Альдегиддегидрогеназы – структура, изоформы, механизм действия, биологическая роль. 9. Алкогольдегидрогеназа – структура, механизм действия, биологическая роль. 10. Диоксины. Структура, физиолого-биохимические эффекты, биотрансформация. 11. Бензпирен. Структура, биотрансформация, токсические эффекты. 12. Выведение ксенобиотиков из организма. Строение и функционирование Р-гликопротеина. 13. Микромомальные электронтрнаспортные цепи. 14. Активные формы кислорода – пути образование, характеристика. 15. Перекисное окисление липидов. 16. Ферментативная антиоксидантная система. 17. Неферментативная антиоксидантная система. 18. Механизмы репарации ДНК, поврежденной ксенобиотиками. Таблица 4 – Содержание тем лекционного курса № п/ п Разделы дисциплины 1 Раздел 1. Ксенобиотики и механизмы их биотрансформа ции Раздел 2. 1 Физиологобиохимические эффекты 2 ксенобиотиков 2 Лекционные занятия № Тема п/п 1 Классификация ксенобиотиков, пути поступления и накопления в органах и тканях 2 Биотрансформация ксенобиотиков: фаза I 3 Биотрансформация ксенобиотиков: фаза II Факторы, определяющие влияние ксенобиотиков на биологические объекты Современные представления о химическом канцерогенезе Аудито рные занятия (часы) 2 4 4 2 3 В таблице 5 приводятся перечень и трудоемкость тем, рассматриваемых на практических занятиях. 10 Таблица 5 – Содержание тем практических занятий № п/ п Разделы дисциплины 1 Раздел 1. Ксенобиотики и механизмы их биотрансформа ции 2 Практические занятия Тема Раздел 2. Физиологобиохимические эффекты ксенобиотиков 1.1. Поступление, распределение и накопление ксенобиотиков в органах и тканях. 1.2. Монооксигеназная микросомальная система биотрансформации ксенобиолоков. 1.3 Биотрансформация лекарственных средств. 2.1. Мембранотропное действие ксенобиотиков. 2.2. Канцерогенные и мутагенные эффекты ксенобиотиков Аудитор -ные занятия (часы) 2 4 2 2 3 5. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ Для контроля самостоятельной работы студентов по дисциплине используются тесты, обсуждение проработанного теоретического материала на практических занятиях, составления схем биотрансформации экзогенных и эндогенных ксенобиотиоков. Для промежуточного контроля проводится письменная контрольная работа. Контрольно-измерительные материалы предлагаются в нескольких вариантах и состоят из заданий и тестовых вопросов. После проведения промежуточного контроля на ближайшем практическом занятии подробно разбираются задания и вопросы, вызвавшие наибольшие затруднения. Промежуточный контроль проводится согласно графику (приложение). Кроме того, в течение семестра студент готовит доклад и презентационный материал по теме выбранного реферата. Итоговая аттестация – зачет. Примерные вопросы к зачету 1. Классификация ксенобиотиков. 2. Пути поступления ксенобиотиков в организм. 3. Тканеспецифическое распределение ксенобиотиков. 4. Цитохром Р450 монооксигеназная система. 5.Реакции окисления ксенобиотиков, катализируемые Р450 монооксигеназной системой. 6. NADH-цитохром b5- редуктаза, строение, локализация, роль в биотрансформации ксенобиотиков. 11 7. Гидролазы, участвующие в биотрансформации ксенобиотиков. 8. Флавиновые монооксигеназы. 9. Фаза I биотрансформации ксенобиотиков. 10. Фаза II биотрансформации ксенобиотиков. 11. Фаза III биотрансформации ксенобиотиков. 12. Характеристика и механизм действия UDP-глюкуронилтрансфераз. 13. Характеристика и механизм действия глутатион-S-трансфераз. 14. Характеристика и механизм действия сульфотрансфераз. 15. Характеристика и механизм действия ацетил и метилтрансфераз. 16. Факторы, влияющие на активность ферментов биотрансформации ксенобиотиков. 17. Метаболизм этанола в печени. 18. Реакции восстановления ксенобиотиков и ферменты, их катализирующие. 19. Тяжелые металлы. Токсические эффекты. Роль металлотионеинов в детоксикации тяжелых металлов. 20. Активные формы кислорода и их негативные эффекты. 21. Роль антиоксидантной системы в защите организма от токсического действия ксенобиотиков. 21. Мембранотропные эффекты ксенобиотиокв. 23. Химический канцерогенез. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основная литература 1. Биохимия /Под ред. Е.С. Северина: Учебное пособие для вузов. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. – 9 экз. 2. Биохимия [Текст]: учебник для студентов медицинских вузов : рекомендовано УМО по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов / Т. Л. Алейникова, Л. В. Авдеева, Л. Е. Андрианова ; под ред. Е. С. Северин ; Др. - 3-е изд., испр. - Москва : Гэотар-Медиа, 2005. - 779 с. : табл. (XXI век). – 10 экз. 3. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. – М.: Мир, 2004. – 469 с. – 50 экз. 4. Николаев А.Я. Биологическая химия: учебник для медицинских вузов: рекомендовано УМО по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России. - 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицинское информационное агентство, 2004. - 565 с. (3 экз.). Дополнительная литература 5. Будников Г. К. Диоксины и родственные соединения как экотоксиканты // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – № 26. – С. 38–44. 12 6. Гуляева Л.Ф., Райс Р.Х. Биологические эффекты токсических соединений: Курс лекций. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского гос. ун-та, 2005. – 204 с. 7. Левановский Д. А. Соединения металлов в живой природе // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – № 9. – С. 48–50. 8. Мельников Н. Н., Мельникова Г.М Пестициды в современном мире // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – № 4. – С. 33–37. 9. Окружающая среда: энциклопедический словарь-справочник: пер. с нем. – М.: Прогресс, 1993. – 640 с. 10. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. – М.: Просвещение, 1987. 11. Остроумов С.А. Введение в биохимическую экологию. – М.: Издво МГУ, 1986. – 176 с. 12. Саловарова В.П., Приставка А.А., Берсенева О.А. Введение в биохимическую экологию. – Иркутск, Изд-во Иркутского гос. ун-та, 2007. – 160 с. 13. Телитченко М.М., Остроумов С.А. Введение в проблемы биохимической экологии. – М. : Мир, 1982. – 420 с. 14. Успехи биологической химии. Периодическое издание. 19982007. 15. Эйхмер В. Яды в нашей пище. – М. : Мир, 1993. – 188 с. 16. Журналы: Биомедицинская химия, Биохимия, Молекулярная биология, Успехи современной биологии, Эндокринология. Электронные ресурсы 1. Nelson D.L., Cox M.M. Leninger Principles of Biochemistry (Fourth Edition). Электронный ресурс (www.Molbiol.ru). 2. www.virginia.edu. 3. www.molbiol.ru. 4. www. high.stanford.edu. 5. www.wikipedia.org. 6. www. ximuk.ru/encyklopedia 13 Приложение ГРАФИК учебного процесса и самостоятельной работы студентов по дисциплине Ксенобиохимия, специальность 020208.65 Биохимия, института ИФБиБТ, 3 курса на 6 семестр № п/п Наименование дисциплины Семестр 1 Ксенобиохимия 6 Число аудиторных занятий Всего По видам Лекции – 15 Практич 30 еские занятия – 15 Форма контрол я экзамен Часов на самостоятельную работу Всего По видам ТО - 10 РФ - 10 20 Недели учебного процесса семестра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ТО ТО ВР Ф ТО ТО ТО ТО ТО ТО ТО ТО ТО СР Ф ТО СР Ф ТО СР Ф ТО СР Ф ТО СР Ф ТО ПК ПК ПК Условные обозначения: ТО – изучение теоретического курса; РФ – реферат; ВРФ – выдача темы реферата; СРФ – сдача реферата; ПК – промежуточный контроль (тестирование). 14 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. 2. 3. 4. 6. Общие сведения Трудоемкость дисциплины Структура самостоятельной работы Методика реализации самостоятельной работы по изучению теоретического цикла Методика других видов самостоятельной работы Методика проведения промежуточной аттестации самостоятельной работе Библиографический список Приложение 15 3 4 5 5 8 по 11 12 14 Учебное издание Титова Н.М. Ксенобиохимия: Учебно-методическое пособие к самостоятельной работе Редактор И.О. Фамилия Корректор И.О.Фамилия Компьютерная верстка: И.О.Фамилия Подписано в печать (дата) 2011 г. Формат 60х84/16. (А5) Бумага офсетная. Печать плоская. Усл. печ. л. (количество страниц/16). Уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ ( ) Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79 Тел/факс (391) 244-82-31. E-mail rio@sfu-kras.ru http://rio.sfu-kras.ru Отпечатано Полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а 16