Белорусский государственный университет УТВЕРЖДАЮ Декан биологического факультета ________________ В.В. Лысак «____» ____________ 2012 г. Регистрационный № УД-______/р. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ Учебная программа (рабочий вариант) для специальности: Учебная программа для студентов специальностей: 1-31 01 01 – Биология, 1-31 01 01-01-05 – направление научно-производственная деятельность специализация Биохимия,1-31 01 01-02-05 – направление научно-педагогическая деятельность специализация Биохимия; 1-33 01 01 – Биоэкология Факультет биологический (название факультета) Кафедра биохимии (название кафедры) Курс (курсы) 5 Семестр (семестры) Лекции 10 Экзамен 26 (количество часов) 10 (семестр) Практические (семинарские) занятия Зачет ___________________ (семестр) (количество часов) Лабораторные занятия 14 Курсовой проект (работа) ________ (семестр) (количество часов) КСР 4 (количество часов) Всего аудиторных часов по дисциплине 44 (количество часов) Всего часов по дисциплине Форма получения высшего образования дневная 94 (количество часов) Составил(а) Н.М. Орел, к.б.н., доцент (И.О., Фамилия, степень, звание) 2012 г. Учебная программа составлена на основе учебной программы (название типовой учебной «Экологическая биохимия», 2012 г, регистрационный № 5063/уч. программы (учебной программы (см. разделы 5-7 Порядка)), дата утверждения, регистрационный номер) Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры биохимии (название кафедры) 19.06.2012 г., протокол № 6 (дата, номер протокола) Заведующий кафедрой ________________ (подпись) И.В. Семак (И.О.Фамилия) Одобрена и рекомендована к утверждению учебно-методической комиссией биологического факультета . . 2012 г., протокол № (дата, номер протокола) Председатель ________________ В.Д. Поликсенова (подпись) (И.О.Фамилия) ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА При подготовке специалистов биологов и биоэкологов целесообразно ознакомить студентов с интересной и быстро накапливающейся информацией на стыке биохимии, химии и экологии. Это важное теоретически и практически направление исследований оформилось, начиная с 70-х годов прошлого века, в системные науки экологическую биохимию и биохимическую экологию. До сих пор окончательно не сделаны окончательные акценты в разделении сфер интересов между ними. Это объясняется тем, что большинство проблем в одинаковой степени относятся как к компетенции экологической биохимии, так и биохимической экологии. Круг вопросов, решаемых в рамках этих наук велик. Это эколого-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах (все виды коммуникаций, защиты, регуляции пищевого, полового, материнского, агрессивного поведения, размножения и др. с помощью химических веществ как внутри популяции, так и между представителями разных таксонов). Знания в этой области позволяют разрабатывать пути направленной хеморегуляции численности и поведения организмов в природных и искусственных экосистемах не выходя за рамки природоохранной деятельности. Интенсивно изучаются особенности метаболизма организмов самых разных систематических групп, различающихся типом питания, способами получения и запасания энергии, обитающих в разных географических зонах и занимающих определенные экологические ниши. Научный поиск в этом направлении дает материал для анализа адаптивных биохимических механизмов выживания в разных условиях среды. Теоретическую и практическую значимость имеют исследования влияния на организм, популяцию, экосистему веществ, загрязняющих биосферу, Раскрываются механизмы биотрансформации чужеродных соединений в биологических системах разного уровня организации. Накопившаяся информация ставит перед экологической биохимией еще одну задачу – разработку способов повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды путем поддержания метаболизма в норме или направленного восстановления физиологических и биохимических процессов. Для того чтобы эффективно использовать эколого-биохимические подходы для решения широкого круга задач, необходимо обладать компетентностью в самых разнообразных областях, глубокими базовыми знаниями биохимии, экологии, микробиологии, зоологии, ботаники, физиологии растений и животных, ксенобиологии, аспектов физико-химической биологии, биофизики, математики, компьютерных технологий и др. В связи с этим спецкурс предназначен для студентов-биоэкологов 5-го курса, уже получивших подготовку по вышеуказанным учебным дисциплинам. Анализируя новейшие сведения по теоретическим и практическим экологобиохимическим проблемам, обобщая опыт и знания в области самых современных подходов и технологий исследования организменных и надорганизменных биосистем, спецкурс касается и сложных для биохимиков и биоэкологов моментов, требующих знаний дисциплин, не входящих в программы биологического факультета. Таким образом, подобный курс может быть рассмотрен как форма сочетания и взаимного дополнения знаний в рамках, предусмотренных классическими фундаментальными университетскими программами для биологов и биоэкологов, с современными, динамичными и развивающимися прикладными аспектами на стыке широкого спектра дисциплин. Он призван ознакомить студентов с самыми различными идеями и подходами с целью обеспечения возможностей не только их применения, но и дальнейшего развития новых направлений экологической биохимии. В результате изучения дисциплины обучаемый должен: знать: - методологию эколого-биохимических исследований; - эколого-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах: все виды коммуникаций, защиты, регуляции поведения с помощью химических веществ как внутри популяции, так и между представителями разных таксонов в экосистеме и их значение; - теоретическую и практическую значимость исследований влияния на организм, популяцию, экосистему веществ, загрязняющих биосферу, механизмы биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков, судьбу поллютантов в биосфере. - способы повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды. уметь: - использовать методы теоретического и экспериментального исследования для изучения различных аспектов экологической биохимии; - использовать новейшие достижения в области экологической биохимии в реальных экологических ситуациях для формулирования и решения практических задач. Изучение курса проводится по блочно-модульному принципу с выделением пяти основных блоков (модулей). 1. Введение. 2. Молекулярные механизмы взаимодействий в природных экосистемах. 3. Общее представление об эколого-биохимических проблемах качества питания. 4. Биохимические механизмы воздействия хеморегуляторов на организм. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков. 5. Судьба загрязняющих веществ в биосфере. При чтении лекционного курса необходимо применять наглядные материалы в виде таблиц и рисунков для графопроектора, мелового рисунка, а также использовать технические средства обучения для демонстрации слайдов, презентаций. Для организации самостоятельной работы студентов по курсу следует использовать современные информационные технологии: разместить в сетевом доступе комплекс учебных и учебно-методических материалов (программа, методические указания к лабораторным занятиям, список рекомендуемой литературы и информационных ресурсов, задания в тестовой форме для самоконтроля и др.). Лабораторные занятия предусматривают освоение методов, позволяющих оценить состояние и эффективность системы биотрансформации ксенобиотиков при поступлении чужеродных веществ в биосистему, применение статистической обработки данных. В случае демонстрационных занятий – обеспечение концептуальными моделями, слайдами, программами. Эффективность самостоятельной работы студентов целесообразно проверять в ходе текущего и итогового контроля знаний в форме устного опроса, написания рефератов, решения задач, тестового компьютерного контроля по темам и разделам курса (модулям). Для общей оценки качества усвоения студентами учебного материала рекомендуется использование рейтинговой системы. Учебный курс рассчитан на 94 часа, из них аудеторных: 26 часов лекций, 14 часов лабораторных занятий и 4 часа контроля самостоятельной работы студентов (КСР). СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА 1. ВВЕДЕНИЕ Экологическая биохимия: круг проблем, подходы и методы решения. Связь с другими науками. История развития экологической биохимии. 2. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ПРИРОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ Эколого-биохимическая характеристика возможностей хеморецепции и хеморегуляции. Классификация хеморегуляторов. Использование химических веществ для регуляции численности и поведения организмов в природных и искусственных экосистемах. Регуляция поведения с помощью химических веществ. Коммуникация с помощью хеморегуляторов: половые феромоны, следовые феромоны, феромоны тревоги, агрегационные феромоны, феромоны для мечения территории, химическая структура и использование, абсолютная и относительная специфичность действия. Эколого-биохимическая характеристика механизмов защиты на примерах использования белков, пептидов, гликозидов, терпеноидов. фенолов, хинонов, алкалоидов и др. Накопление и использование вторичных метаболитов. Эколого-биохимические взаимодействия между представителями одного таксона и разных таксонов. Теоретические и практические выводы. Биохимия пищевого поведения. Углеводы, органические кислоты, таннины, масла, изофлавоны, алкалоиды и др., как детерренты и аттрактанты. Структура некоторых веществ, определяющих запах и вкус. Природные и синтетические вещества, обладающие сладким вкусом. Интенсификаторы и модификаторы вкуса. Экологическая роль детеррентов и аттрактантов. Использование химических веществ для регуляции или направленного управления экосистемой. 3. ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ ЭКОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМАХ КАЧЕСТВА ПИТАНИЯ Нежелательные (токсичные) составляющие природных продуктов питания. Ксенобиотики, поступающие в продукты питания из окружающей среды и при промышленном изготовлении. Предельно допустимые концентрации. Биохимическая характеристика наиболее опасных токсинов организмов, развивающихся на продуктах питания. Токсины организмов, загрязняющие питьевую воду. 4. ЭКОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОТРАНСФОРМАЦИИ И БИОДЕГРАДАЦИИ КСЕНОБИОТИКОВ Биохимические механизмы воздействия хеморегуляторов на организм. Структурно-функциональная организация системы биотрансформации чужеродных соединении. Общие механизмы обезвреживания полярных и липофильных ксенобиотиков. Главные звенья системы обезвреживания. Уровни изменений в организме при внедрении ксенобиотика. Критерии оценки состояния системы обезвреживания чужеродных соединении. Биохимические механизмы детоксикации растворимых и липофильных ксенобиотиков. Микросомальное обезвреживание. Микросомальные цепи переноса электронов. Открытие цитохрома Р -450, его характеристика, локализация, классификация, особенности субстратной специфичности, изоферменты. Биосинтез и деградация цитохрома Р-450. НАДФН цитохром Р-450 редуктаза. Цитохром в5, его характеристика и локализация. НАДН цитохром в5 редуктаза. Роль фосфолипидов мембран в функционировании микросомальных оксигеназ. Модели общих механизмов окисления на примере гидроксилирования ксенобиотиков в микросомах. Пути метаболизма ксенобиотиков. 1-я фаза биотринсформации. Реакции окисления. N-, О-, S-деалкилирование. Гидроксилирование циклических и алифатических соединений. N-окисление, окислительное дезаминирование, S-окисление, десульфатирование, эпоксидирование. Системы окисления спиртов, альдегидов и алифатических циклических веществ. Модификация химических веществ путем восстановления. Восстановление нитросоединений, азосоединений и восстановительное галогенирование. Восстановление альдегидов и кетонов, двойных связей, атомов с переменной валентностью, эпоксидов, дегидроксилирование. Реакции гидролиза и разрыва циклических структур. Гидролиз фосфорорганических веществ и эпоксидов. Механизмы конъюгации - 2-я фаза биотрансформации. Внутриклеточная локализация основных систем конъюгации. Доноры энергии. Характеристика реакций конъюгации: глюкуронидной, глюкозной, глутатионовой, с аминокислотами, сульфатной, метилирования, ацетилирования, фосфорилирования и др. Механизмы детоксикации цианидов. Дегалогенирование, его виды. Детоксикация и токсификация веществ в процессе биотрансформации. Пути образования и механизмы обезвреживания свободных радикалов и перекисей. Псевдопероксидазные реакции и их роль в биотрансформации ксенобиотиков и эндогенных соединений. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией. Особенности метаболизма ксенобиотиков у филогенетически различных организмов. Способы повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды путем поддержания в норме или направленного восстановления физиологических и биохимических процессов. 5. СУДЬБА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ Общая характеристика веществ антропогенного происхождения, загрязняющих биосферу. Связь между структурой вещества и его особенностями как поллютанта. Ограниченность природной способности экосистем к детоксикации поллютантов. Воздействие остатков поллютантов на экосистемы. Экологическая опасность биоразрушаемых поллютантов и остатков неразложившихся поллютантов. № п/п Количество часов Наименование разделов и тем Аудиторные Лекции 1. 2. 3. 4. 5. Введение. Молекулярные механизмы взаимодействий в природных экосистемах. Общее представление об эколого-биохимических проблемах качества питания. Биохимические механизмы воздействия хеморегуляторов на организм. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков. Судьба загрязняющих веществ в биосфере. ИТОГО: Лабораторные занятия 2 10 КСР 2 4 8 4 12 8 14 2 26 Самост. работа 14 20 2 6 4 50 3 2 2. Молекулярно-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах. Эколого-биохимическая характеристика возможностей хеморецепции и хеморегуляции. Классификация хеморегуляторов. Использование химических веществ для регуляции численности и поведения организмов в природных и искусственных экосистемах. Регуляция поведения с помощью химических веществ. Коммуникация с помощью хеморегуляторов: половые феромоны, следовые феромоны, феромоны тревоги, агрегационные феромоны, феромоны для мечения территории, химическая структура и использование, абсолютная и относительная специфичность действия. Эколого-биохимическая характеристика механизмов защиты на примерах использования белков, пептидов, гликозидов, терпеноидов. фенолов, хинонов, алкалоидов и др. Накопление 4 4 5 6 4 7 Слайды для графопроектора, доска, мел 8 ЛО 1,2,3,6 ЛД 1,2 9 2 Слайды для графопроектора, Поясняющие рисунки на доске. ЛО 1,2,3 ЛД 6 КСР Литература Материальное обеспечение занятия (наглядные, методические пособия и др.) 2 Введение. Экологическая биохимия: круг проблем, подходы и методы решения. Связь с другими науками. управляемая самостоятельн ая работа студента 1 1. практические (семинарские) занятия лабораторные занятия Название раздела, темы, занятия; перечень изучаемых вопросов лекционные Номер раздела, темы, занятия Количество аудиторных часов Формы контроля знаний УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА и использование вторичных метаболитов. Эколого-биохимические взаимодействия между представителями одного таксона и разных таксонов. Теоретические и практические выводы. Биохимия пищевого поведения. Углеводы, органические кислоты, таннины, масла, изофлавоны, алкалоиды и др., как детерренты и аттрактанты. Структура некоторых веществ, определяющих запах и вкус. Природные и синтетические вещества, обладающие сладким вкусом. Интенсификаторы и модификаторы вкуса. Экологическая роль детеррентов и аттрактантов. Использование химических веществ для регуляции или направленного управления экосистемой. 3. Общее представление об экологобиохимических проблемах качества питания. Нежелательные (токсичные) составляющие природных продуктов питания. Ксенобиотики, поступающие в продукты питания из окружающей среды и при промышленном изготовлении. Предельно допустимые концентрации. Биохимическая характеристика наиболее опасных токсинов организмов, развивающихся на продуктах питания. Токсины организмов, загрязняющие питьевую воду. 2 4 4 6 4 8 Слайды для графопроектора. Поясняющие рисунки на доске ЛО 5,6 ЛД 4 4. Биохимические механизмы 2 воздействия хеморегуляторов на организм. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков. Биохимические механизмы воздействия хеморегуляторов на организм. Структурно-функциональная организация системы биотрансформации чужеродных соединении. Общие механизмы обезвреживания полярных и липофильных ксенобиотиков. Главные звенья системы обезвреживания. Уровни изменений в организме при внедрении ксенобиотика. Критерии оценки состояния системы обезвреживания чужеродных соединении. Биохимические механизмы детоксикации растворимых и липофильных ксенобиотиков. Микросомальное обезвреживание. Микросомальные цепи переноса электронов. Открытие цитохрома Р-450, его характеристика, локализация, классификация, особенности субстратной специфичности, изоферменты. Биосинтез и деградация цитохрома Р-450. НАДФН цитохром Р-450 редуктаза. Цитохром в 5, его характеристика и локализация. НАДН цитохром в5 редуктаза. Роль фосфолипидов мембран в 2 функционировании микросомальных оксигеназ. Модели общих механизмов окисления на примере гидроксилирования ксенобиотиков в микросомах. Пути метаболизма ксенобиотиков. 1-я фаза биотринсформации. Реакции окисления. N-, О-, S-деалкилирование. 14 4 Слайды для графопроектор а.Поясняющие рисунки на доске 6 ЛО 3,5 ЛД 1,3,4,5 Отчеты по лабораторным работам Гидроксилирование циклических и алифатических соединений. N-окисление, окислительное дезаминирование, Sокисление, десульфатирование, эпоксидирование. Системы окисления спиртов, альдегидов и алифатических циклических веществ. Модификация химических веществ путем восстановления. 2 Восстановление нитросоединений, азосоединений и восстановительное галогенирование. Восстановление альдегидов и кетонов, двойных связей, атомов с переменной валентностью, эпоксидов, дегидроксилирование. Реакции гидролиза и разрыва циклических структур. Гидролиз фосфорорганических веществ и эпоксидов. Механизмы конъюгации - 2-я фаза биотрансформации. Внутриклеточная локализация основных систем конъюгации. Доноры энергии. Характеристика реакций конъюгации: глюкуронидной, глюкозной, глутатионовой, с аминокислотами, сульфатной, метилирования, ацетилирования, фосфорилирования и др. Механизмы детоксикации цианидов. Дегалогенирование, его виды. 2 Детоксикация и токсификация веществ в процессе биотрансформации. Пути образования и механизмы обезвреживания свободных радикалов и перекисей. Псевдопероксидазные реакции и их роль в биотрансформации ксенобиотиков и эндогенных соединений. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией. Особенности метаболизма 6 4 ксенобиотиков у филогенетически различных организмов. Способы повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды путем поддержания в норме или направленного восстановления физиологических и биохимических процессов. 5. Судьба загрязняющих веществ в биосфере. Общая характеристика веществ антропогенного происхождения, загрязняющих биосферу. Связь между структурой вещества и его особенностями как поллютанта. Ограниченность природной способности экосистем к детоксикации поллютантов. Воздействие остатков поллютантов на экосистемы. Экологическая опасность биоразрушаемых поллютантов и остатков неразложившихся поллютантов. 2 6 Слайды для графопроектор а ЛО 1,2,3,5,6 ЛД 4,6 КСР Реферативная работа ИНФОРМАЦИОННАЯ ЧАСТЬ Основная и дополнительная литература №№ п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Список литературы Основная (ЛО) Остроумов, С.А. Введение в биохимическую экологию / С.А. Остроумов // Изд-во Московского ун-та. Телитченко, М.М. Введение в проблемы биохимической экологии / М.М. Телитченко, С.А. Остроумов // М.:Наука. Саловарова, В.П. Введение в биохимическую экологию: учебное пособие / В.П. Саловарова, А.А. Приставка, О.А. Берсенева // Иркутск: Изд-во Иркут. Гос. Унта. Харборн, Дж. Введение в экологическую биохимию./ Дж. Харборн // М.: Мир. Фелленберг, Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию./ Г. Фелленберг // Пер. с нем. - М.: Мир. Корте, Ф. Экологическая химия. Основы и концепции./ Ф. Корте, М. Бахадир, В. Клайн // Пер. с нем. М.: Мир. Дополнительная (ЛД) Головенко, Н.Я. Сравнительная биохимия чужеродных соединений./ Н.Я. Головенко, Т.Л. Карасева // Киев: Наукова Думка. Биохимическая экология. Экспериментальная и клиническая биохимия: (Информационные материалы) /Свердловск: Изд-во УНЦ АН СССР. Арчаков, А.И. Микросомальное окисление./ А.И. Арчаков // М.: Наука. Голиков, С.Н. Общие механизмы токсического действия./ С.Н. Голиков, И.В. Саноцкий, Л.А. Тиунов // М: Медицина. Ляхович, В.В. Индукция ферментов метаболизма ксенобиотиков./ В.В Ляхович, И.Б Цырлов // Новосибирск: Наука. Разнообразную полезную информацию по экологической биохимии можно найти по адресам Московского государственного университета (включая доступ в библиотеку) http: www.msu.su. Год издания 1986 1990 2007 1985 1997 1997 1983 1995 1975 1986 1981 ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ (14 часов) 1. Исследование влияния нитратов и нитритов на биохимические показатели крови (содержание гемоглобина, метгемоглобина, нитрит йонов, активность щелочной фосфатазы, аминотрансфераз). 6 ч. 2. Оценка состояния ферментов антиоксидантной системы (СОД, каталазы, глутатионпероксидазы) в тканях животного организма при введении нитратов и нитритов. 4 ч. 3. Оценка интенсивности процессов перекисного окисления липидов в тканях животного организма при введении нитратов и нитритов. 4 ч. КОНТРОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ (темы) 1. Молекулярно-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах. 2. Судьба загрязняющих веществ в биосфере. СТРУКТУРА РЕЙТИНГОВОЙ ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ ИТОГОВАЯ ОЦЕНКА: Определяется по формуле (минимум 4, максимум 10 баллов): Итоговая оценка = А х 0,4 + Б х 0,6 где А – средний балл по лабораторным занятиям и КСР, Б – экзаменационный балл Итоговая оценка выставляется только в случае успешной сдачи экзамена (4 балла и выше) ПРОТОКОЛ СОГЛАСОВАНИЯ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ ПО ИЗУЧАЕМОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ СПЕЦИАЛЬНОСТИ Название дисциплины, с которой требуется согласование Название кафедры Предложения об изменениях в содержании учебной программы по изучаемой учебной дисциплине Решение, принятое кафедрой, разработавшей учебную программу (с указанием даты и номера протокола)1 1. ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ К УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЕ ПО ИЗУЧАЕМОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ на _____/_____ учебный год №№ пп Дополнения и изменения Основание Учебная программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры (протокол № ____ от ________ 20__ г.) Заведующий кафедрой _____________________ _______________ __________________ (степень, звание) (подпись) (И.О.Фамилия) УТВЕРЖДАЮ Декан факультета _____________________ _______________ __________________ (степень, звание) (подпись) (И.О.Фамилия) При наличии предложений об изменениях в содержании учебной программы по изучаемой учебной дисциплине 1