Цель и задачи изучения дисциплиныЦель изучения дисциплины: формирование целостной системы знаний о химическом составе организма, превращениях химических веществ в тесной связи с функциями организма. Задачи дисциплины В результате усвоения этой дисциплины обучаемый должен знать - химический состав и молекулярные основы функционирования биологических объектов; - регуляцию путей метаболизма органических веществ в связи с жизнедеятельностью организмов; - основные пути катаболизма и анаболизма низкомолекулярных биорегуляторов и биополимеров; - источники энергетического и пластического обеспечения метаболизма в живых системах и особенности регуляции; - основные биохимические понятия и термины; - химизм взаимоотношений биологических систем с окружающей средой. В результате усвоения этой дисциплины обучаемый должен уметь: - подготовить образцы для биохимического анализа; - оценивать состав основных органических веществ и ферментов биологических объектов; - пользоваться приемами анализа полученных результатов на основе карты метаболизма; - пользоваться справочниками для анализа процессов жизнедеятельности; - составить план биохимического анализа для исследования взаимосвязей структуры и функций биологических объектов; - использовать пути метаболизма органических молекул в клетке для раскрытия механизмов отношений биологических систем друг с другом и с окружающей средой; - выполнять биохимические анализы с использованием общедоступного лабораторного оборудования и знания правил техники безопасной работы; - обрабатывать данные биохимических экспериментов и лабораторных исследований биологического материала. Весь материал разбит на 6 следующих разделов. В соответствии с утвержденным учебным планом для биологического факультета на преподавание биологической химии с основами молекулярной биологии выделяется следующее количество часов:
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
ВВЕДЕНИЕ В БИОЛОГИЧЕСКУЮ ХИМИЮ Предмет и задачи биологической химии с основами молекулярной биологии. Важнейшие этапы развития биохимии и молекулярной биологии. Место биохимии и молекулярной биологии в биологическом и экологическом образовании. Важнейшие разделы (статическая – биоорганическая химия, динамическая – метаболизм и функциональная биохимия) и направления (в зависимости от вида изучаемого объекта живой природы) биохимии. Питание, окружающая среда и генотип – основные факторы влияния на жизнедеятельность организмов. Экологическая и популяционная биохимия. Биохимия индивидуума и протеомика.
1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 1.1. Основные химические компоненты живых организмов. 1.2. Белки, структура и функции Белки как важнейший компонент живой ткани. Функции белков. Элементарный состав белков. Гидролиз белков. Аминокислоты – структурные мономеры белков. Строение и уровни организации белков. Простые и сложные белки, представители, краткая характеристика. Способность к специфическим взаимодействиям – основа биологических функций всех белков. Физико-химические свойства белков. Схема и методы выделения и очистки белков. Количественное определение суммарных и индивидуальных белков. Искусственный синтез пептидов и белков; возможность загрязнения окружающей среды. 1.3. Ферменты. Сходство и различия химических и биологических катализаторов. Специфичность действия ферментов, ее виды. Номенклатура и классификация ферментов. Характеристика классов ферментов. Единицы измерения количества и активности ферментов. Структурно-функциональная организация ферментов. Простые (однокомпонентные) и сложные (двухкомпонентные) белки-ферменты. Кофакторы – ионы металлов, органические соединения витаминной и невитаминной природы. Функциональная организация ферментов. Активный центр, его строение. Аллостерический центр, его значение. Механизм действия ферментов. Стадии ферментативного процесса, их характеристика. Кинетика ферментативного катализа, ее задачи. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Способы графического изображения. Константы диссоциации (Ks) и Михаэлиса (Km), их определение и значение. Уравнение Лайнуивера-Берка. Зависимость скорости ферментативной реакции от количества фермента, рН среды, температуры. Влияние активаторов и ингибиторов на ферментативную реакцию. Полиферментные комплексы, значение организации ферментов в них. Множественные молекулярные формы ферментов. Изоферменты, их роль. Применение ферментов. Источники получения ферментов. Использование ферментов в разных областях народного хозяйства. Экология человека и ферменты. Ферменты как аналитические реагенты. 1.4. Введение в обмен веществ. Биохимия питания. Питание, метаболизм и выделение продуктов метаболизма как этапы обмена веществ в рамках концепции взаимосвязей организмов в экосистемах. Состав пищи человека. Энергетическая и биологическая ценность пищи. Молекулярные механизмы переваривания веществ в желудочно-кишечном тракте Гниение белков в толстом кишечнике, механизмы обезвреживания продуктов гниения. Микрофлора кишечника – источник витаминов. Катаболизм и анаболизм как две стороны метаболизма, их стадии и взаимосвязь. Понятие о карте метаболизма. Основные конечные продукты метаболизма. Методы изучения обмена веществ. 1.5. Строение и функции клеточных мембран. Структурно-биохимическая организация клетки. Модели молекулярной организации мембран. Способы транспорта веществ через мембраны Биохимия межклеточных взаимодействий. Вызванные экологическими факторами заболевания, связанные с первичным нарушением мембран. Липосомы и протеолипосомы как способ введения веществ в клетки. Энергетический обмен. Экзергонические и эндергонические реакции. Термодинамическая шкала химических веществ, макроэргические соединения. Сопряжение эндергонических и экзергонических реакций. АТФ как важнейший аккумулятор и источник энергии. Молекулярно-структурная организация митохондрии. Дыхательная цепь. Термодинамические закономерности последовательности переносчиков и каскадные изменения свободной энергии при переносе электронов. Структура основных переносчиков и химизм переноса электронов. Окислительное фосфорилирование, его количественное выражение – коэффициент Р/О. Сопряжение дыхания и фосфорилирования. Характеристика хемиосмотической гипотезы Митчела. Трансмембранный электрохимический потенциал как промежуточная форма запасания энергии при окислительном фосфорилировании; механизм его образования. Строение и функции протонной АТФ-синтетазы. Дыхательный контроль. Разобщение и ингибирование окислительного фосфорилирования как важная проблема экологии. Терморегуляторная функция тканевого дыхания. Молекулярные моторы. Микросомальное окисление. Биологическая роль монооксигеназных систем митохондрий. Роль диоксигеназной системы в обезвреживании ароматических соединений. Свободнорадикальное окисление в клетках. Радикальные формы кислорода. Цепные реакции пероксидного окисления, возможность прекращения процесса путем обезвреживания радикалов. Прооксиданты и антиоксиданты. Роль радикальных форм кислорода в физиологии и патологии клетки, в окислении ненасыщенных жирных кислот в биомембранах (пероксидное окисление липидов). Обезвреживание пероксида водорода, образующегося в реакциях окисления.Нарушения энергетического обмена: гипоксические и гипоэнергетические состояния. 1.6. Общие пути катаболизма. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты: последовательность реакций, строение пируватдегидрогеназного комплекса. Цикл трикарбоновых кислот: последовательность реакций и характеристика ферментов. Связь между метаболитами общего пути катаболизма и цепями переноса электронов в митохондриях. Аллостерические механизмы регуляции. Витамины и витаминоподобные вещества, производные которых выполняют коферментную роль в общих путях катаболизма; биохимические основы повышения биологической ценности пищи путем введения сбалансированного поливитаминного комплекса.
2. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ 2.1. Основные углеводы пищи и организмов животных. Переваривание углеводов и всасывание продуктов переваривания. Глюкоза как важнейший метаболит углеводного обмена. Общая схема источников и путей расходования глюкозы в организме. Ключевая роль глюкозо-6-фосфата в метаболизме углеводов. Гликоген как резервный полисахарид животных, его свойства. Синтез гликогена, химизм процесса. Мобилизация гликогена: гидролитический и фосфоролитический пути. Регуляция мобилизации гликогена. Взаимоотношения между ферментами синтеза и распада гликогена. Роль протеинкиназ и цАМФ в синхронизации этих процессов. Катаболизм глюкозы. Анаэробный и аэробный пути распада глюкозы, их общая характеристика. Анаэробный гликолиз, гликолитическая оксидоредукция. Субстратное фосфорилирование АДФ. Спиртовое брожение. Метаболизм этанола в организме, понятие об эндогенном этаноле. Пути обезвреживания этанола. Энергетический баланс аэробного и анаэробного окисления глюкозы. Аллостерические механизмы регуляции аэробного гликолиза – эффект Пастера. Глюконеогенез. Обходные реакции необратимых стадий гликолиза. Регуляторные ферменты глюконеогенеза, биологическая роль процесса. Взаимосвязь гликолиза в мышечной ткани с глюконеогенезом в печени – цикл Кори (глюкозо-лактатный цикл). Органы, поставляющие глюкозу в кровь (кишечник, печень, почки) и органы, потребляющие глюкозу. Пентозофосфатный путь превращения углеводов, химизм процесса; окислительные и неокислительные реакции. Функции. Роль НАДФН и фосфорибизилпирофосфата. Взаимосвязь пентозофосфатного пути с гликолизом и фотосинтезом. Представление о строении и функциях углеводной части гликолипидов и гликопротеинов. Нейраминовая кислота. Фотосинтез. Бесхлорофильный фотосинтез. Фотосинтез и действие экологических факторов. 2.2. Функции липидов в живых системах. Важнейшие липиды тканей. Резервные липиды. Структурные липиды. Церамиды. Гликолипиды, цереброзиды, ганглиозиды; биологическая роль. Ферментативный гидролиз липидов. Условия, необходимые для переваривания липидов. Экзогенный и эндогенный транспорт липидов в организме. Состав и строение транспортных липопротеиновых комплексов, место образования. Липопротеинлипаза, активаторы, функция. Резервирование и мобилизация жиров в жировой ткани, регуляция этих процессов. Окисление глицерола. Активация жирных кислот, транспорт ацил-КоА в митохондрии, роль карнитина. Окисление жирных кислот, энергетика и биологическое значение процессов. Синтез высших жирных кислот. Синтез ненасыщенных жирных кислот; незаменимые жирные кислоты пищи. Синтез триацилглицеролов и фосфолипидов, их общие этапы, локализация. Представление о синтезе сфингофосфолипидов. Роль ацетил-КоА в биосинтезе кетоновых тел, холестерола и жирных кислот. Прямой и обратный транспорт холестерола. Белки, переносящие эфиры холестерола. Накопление холестерола в организме как одна из ведущих причин старения и смерти (атеросклероз). Радиационно-экологические дислипопротеинемии и радиационно-индуцированный атеросклероз у населения Беларуси. 2.3. Азотистый баланс, его состояния. Факторы, влияющие на удовлетворение потребности организма в белках. Переваривание белков. Основные транспортные системы для всасывания аминокислот. Катаболизм белков в тканях. Катепсины. Белки теплового шока. Ингибиторы протеолиза. Судьба аминокислот в печени и тканях. Перенос аминокислот через мембраны клеток. Общая схема источников и путей расходования аминокислот в тканях. Превращения аминокислот по аминогруппе. Трансаминирование. Виды дезаминирования аминокислот. Декарбоксилирование аминокислот. Образование и обезвреживание биогенных аминов. Метилирование и трансметилирование как пути превращения аминокислот по радикалу. Реакции гидроксилирования на примере превращений фенилаланина. Наследуемые дефекты обмена фенилаланина и тирозина (дефекты гидроксилаз и диоксигеназ). Отличия аминокислотного состава животных и растительных тканей. Растительные и животные белки в питании. Биосинтез заменимых аминокислот. Эволюция типов азотистого обмена по конечному продукту (аммониотелический, урикотелический, уреотелический типы). Аммиак как конечный продукт превращения азотсодержащих соединений у млекопитающих, источники его образования. Обезвреживание аммиака. Глюкозо-аланиновый цикл. Общее (конечное) обезвреживание аммиака путем синтеза мочевины и аммонийных солей, химизм процессов. Обмен аминокислот и экология человека и животных. 2.4. Представление о синтезе пуриновых нуклеотидов. Происхождение атомов пуринового скелета. Синтез пиримидиновых нуклеотидов, роль оротовой кислоты. Ключевая роль фосфорибозилпирофосфата в синтезе нуклеотидов. Аллостерические механизмы регуляции синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Распад пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. 2.5. Взаимосвязь обмена белков, углеводов, липидов. Понятие о коррекции обмена веществ метаболитами, низкомолекулярными биорегуляторами и биополимерами.
3. ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И БИОСИНТЕЗ БЕЛКА 3.1. Нуклеиновые кислоты, структура и функции 3.2. Синтез нуклеиновых кислот и белков (матричные синтезы). Репликация, ее механизм и биологическое значение. Стадии процесса. ДНК-полимеразы, их функции. Деление клеток, циклины и репликация. Биосинтез РНК (транскрипция), ее механизм и значение. ДНК-зависимая РНК-полимераза. Структурно-функциональная ориентация транскриптона (оперона). Посттранскрипционная модификация РНК (сплайсинг, процессинг, фолдинг). Обратимость транскрипции (ретровирусы). Синтез белков (трансляция), необходимые компоненты процесса. Регуляция биосинтеза белков. Индукция и репрессия синтеза полипептидных цепей. Активаторы и ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот и белков, их использование (антибиотики) и связь с экологическими факторами внешней среды. Мутации и мутагены. Онкогенные вирусы. Онкогены. Протоонкогены и механизм их превращения в онкогены. Механизм действия онкогенов. Полипептидные факторы роста и биохимические механизмы их действия. Факторы роста и онкогены. Полиморфизм белков. Варианты гемоглобина, некоторых ферментов (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа) и белков (изоформы гаптоглобина) в зависимости от территории проживания. Введение в генную инженерию: технология рекомбинантных ДНК.
4. РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА 4.1. Витамины, их биохимические функции. Классификация и номенклатура. Функции витаминов. Витамины как внутриклеточные регуляторы метаболизма. Водорастворимые витамины. Жирорастворимые витамины. Витаминоподобные соединения, их роль в организме. Антивитамины, характеристика, важнейшие представители, их строение, влияние на обмен веществ, роль в молекулярных механизмов взаимодействий в экосистемах. Витамины и питание. 4.2. Общие механизмы регуляции метаболизма. Гормоны и гормоноподобные вещества, их характеристика. Гормоны как дистантные регуляторы клеточного метаболизма. Трансгипофизарный и парагипофизарный пути регуляции выработки гормонов. Классификации гормонов. Гидрофильные и липофильные гормоны, механизмы их действия. Гипоталамус – место трансформации электрического сигнала ЦНС в химические биорегуляторы – рилизинг-факторы. Тропные гормоны гипофиза и их значение в регуляции функции периферических желез. Проопиокортин и образование гормонов, эндорфинов и энкефалинов. Нейрогормоны – окситоцин и вазопрессин. Гормоны периферических эндокринных желез: йодтиронины, паратгормон, кальцитонин, адреналин, инсулин, глюкагон, глюкокортикоиды, минералокортикоиды, половые гормоны: строение, биосинтез, регуляция, недостаточность и избыток гормонов. Гормоноподобные биорегуляторы. Эйкозаноиды. Феромоны и другие дистантные регуляторы в экосистемах. 4.3. Минеральные вещества тканей человека и животных. Регуляция электролитного состава и объема внеклеточной жидкости вазопрессином, альдостероном, атриальным натрий-уретическим фактором. Макро- и микроэлементы. Региональные патологии (кариес, эндемический зоб, недостаточность селена). Эволюционно отобранные и сохраняемые параметры водносолевого обмена у высших организмов являются мишенью для действия неблагоприятных экологических факторов.
5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ ТКАНЕЙ И ОРГАНОВ Молекулярные процессы базальной жизнедеятельности клеток, тканей, органов и молекулярные процессы специфических функций клеток, тканей, органов как результат дифференциальной активности хроматина. Биохимические технологии оценки базальной и специфической активности клеток (оценка фенотипа, метаболитов). Биохимия различных систем органов: нейро-эндокринной, движения, пищеварения, дыхания, кровообращения, выделения, размножения. 6. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ Место биохимии в экологических исследованиях. Молекулярные механизмы взаимосвязей в природных экологических системах. Антропогенные и техногенные воздействия. Общие представления о биохимических механизмах адаптации живых организмов к среде.Молекулярные механизмы гибели клеток методами апоптоза и некроза. Защитные системы организма. Развитие патологии в случае превышения мощности защитных механизмов действием неблагоприятных экологических факторов.
ЛИТЕРАТУРА Основная литература 1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Билогическая химия. М., Медицина, 1998. 2. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1998. 3. Николаев А.Я. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1989 4. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. М.: Агар, Флинта, Лань, 1999 5. Чиркин А.А. Практикум по биохимии. Учебное пособие. Минск: ООО «Новое знание», 2002. 6. Чиркин А.А., Данченко Е.О. Биохимия: теоретические основы, задания, ситуационные задачи. Витебск: УО «ВГУ им. П.М.Машерова», 2005. 7. Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки (в 3-х томах). М.: Мир, 1994. 8. Марри Р. и др. Биохимия человека (в 2-х томах). М.: Мир, 1993, 2004. 9. Ленинджер А. Основы биохимии (в 3-х томах). М.: Мир, 1986. 10. Страйер Л. Биохимия (в 3-х томах). М.: Мир, 1984. 11. Уайт А. и др. Основы биохимии (в 3-х томах). М.: Мир, 1981. 12. Харбери Д. Введение в экологическую биохимию. М.: Мир, 1985. Дополнительная литература 1. Болдырев А.А. Биологические мембраны и транспорт ионов, М.: МГУ, 1985 2. Доценко М.Л., Данченко Е.О., Чиркин А.А. Основы гепатологии. Учебное пособие. Витебск: ВГМУ, 2003. 3. Лакин К.М., Крылов Ю.Ф. Биотрансформация лекарственных веществ. М.: Медицина, 1981. 4. Лопухин Ю.М. и др. Холестериноз. М.:Медицина, 1983. 5. Северин Е.С., Николаев А.Я. (ред.) Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами. М.: ГЭОТАР-МЕД, 2001. 6. Спирин А.С. Молекулярная биология. Структура рибосомы и синтез белка. М.: Высшая школа, 1986. 7. Филиппович Ю.Б., Егорова Т.А., Севастьянова Г.А. Практикум по общей биохимии. М.: Просвещение, 1982. 8. Чиркин А.А., Прищепа И.М., Дударев А.Н. Основы ксенобиологии. Учебное пособие. Витебск: УО «ВГУ им. П.М.Машерова», 2004. 9. Чиркин А.А. Основы генной инженерии: методы рекомбинантных ДНК. УМК. Витебск: УО «ВГУ им. П.М.Машерова», 2005. 10. Келети Т. Основы ферментативной кинетики. М.: Мир, 1990. 11. Кольман Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М.: Мир, 2000. 12. Тепперман Дж., Тепперман Х. Физиология обмена веществ и эндокринной системы. М.: Мир, 1989. 13. Campbell P.N., Smith A.D. Bichemistry Illustrated. Second Edition. ELBS, 1992, 288 p. 14. Ganten D., Ruckpaul K. (eds) Encyclopedic Reference of Genomics and Proteomics in Molecular Medicine. Berlin Heidelberg New York: “Springer-Verlag”, 2006, vol. 1,2. 4180 p. 15. Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W. Harper’s Biochemistry, twenty-third edition. Appleton and Lange, 1993, 806 p. 16. Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. N.-Y.: “Worth Publishers”, 2000, 1152 p. 17. Stryer L. Biochemistry. Fourth edition. W.H.Freeman and Company, 1995, New York, 1064 p.
|
