Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение данной дисциплины
1. Грандберг И. И. Органическая химия: учебник для студентов, обучающихся по агрохимическим специальностям. – М.: Дрофа, 2002. - 672 с. 2. Зурабян С. Е. Основы органической химии. М.: Дрофа, 2006. - 576 с. 3. Оганесян Э. Т. Важнейшие понятия и термины химии: справочное пособие. – М.: Высшая школа, 1993. - 352 с. 4. Проскурина И. К. Биохимия: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Издательство Владос-Пресс, 2004. - 70 с. 5. Солдатенков А. Т. Основы органической химии лекарственных веществ. М.: Мир; БИНОМ. Лаборатория занятий, 2007. - 191 с. 6. Сорочинская Е. И. Биоорганическая химия. Поли- и гетерофункциональные соединения. Биополимеры и их структурные компоненты. Учебное пособие. – СПб.: Издательство С.Петербургского университета, 1998. - 148 с. 7. Сорочинская Е. И. Биоорганическая химия. Биологически важные классы соединений. Учебное пособие. – СПб: Издательство С.Петербургского университета. - 1998. 8. Тюкавкина Н. А. Биоорганическая химия: учебник для вузов. – М.: Дрофа, 2005. – 542 с. 9. Тюкавкина Н. А. Органическая химия. – м.: Дрофа, 2003. – Кн.1: Основной курс. – 640 с. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук
УТВЕРЖДАЮ
Директор ИХБФМ СО РАН академик РАН _____________В.В. Власов «_____» __________2013 г.
БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Рабочая программа
Специальность
02.00.10 – биоорганическая химия Статус дисциплины: Специальная дисциплина
Новосибирск 2013
Цели освоения дисциплины Основной целью освоения дисциплины является формирование у студентов и аспирантов химического мировоззрения, которое необходимо для рассмотрения и понимания на молекулярном уровне проблем современной биологии и фундаментальной медицины. Основной задачей курса является показать, что все, что изучают биоорганики – это химическая реакционноспособность разных уровней надмолекулярных структур, и изучают ее химически одинаково, с точки зрения принципов, будь то белок, нуклеиновая кислота, липид или другие биологически активные молекулы. Эти принципы следующие: а) структура; б) изменение структуры и связанные с нею эффекты; в) сравнение структур (сюда входит и синтез); основанные на а-в выводы о функциях (по Гегелю а-в – анализ, г – синтез).
Место дисциплины в структуре основной профессиональной образовательной программы вузовского профессионального образования (студент)
Курс «Биоорганическая химия» является обязательной дисциплиной изучается на четвертом курсе студентами, распределившимися на кафедру «Молекулярная биология».. В системе социально-гуманитарного образования: курс выступает как важный фактор формирования у студентов научного мировоззрения и развития абстрактного и структурного стиля мышления. В общепрофессиональной подготовке: курс относится к циклу обязательных общепрофессиональных дисциплин подготовки студента и позволяет обеспечить повышение биологической и химической грамотности и формирование базовых знаний по биоорганической химии. Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение данной дисциплины
В результате освоения дисциплины аспирант должен: · иметь представление о физико-химической сущности и механизмах процессов, происходящих в живых организмах; об актуальных направлениях современной биоорганической химии, касающихся разработки подходов к созданию химических инструментов для изучения молекулярных механизмов функционирования клетки, геномных и постгеномных технологий создания новых лекарственных средств, систем их адресной доставки, разработки диагностикумов на социально значимые заболевания, развития технологий получения биосовместимых материалов для нужд трансляционной медицины. · знать – строение, структуру и свойства биополимеров, их компонентов, а также биологически важных классов органических соединений; методические аспекты синтеза и структурного анализа белков, нуклеиновых кислот и их надмолекулярных комплексов; закономерности химического поведения на молекулярном и клеточном уровнях биологически важных молекул во взаимосвязи с их строением. · уметь – выстраивать логическую взаимосвязь между строением вещества, его свойствами и реакционной способностью;рассматривать процессы, протекающие в живом организме на молекулярном и клеточном уровне с позиции взаимосвязи структуры соединения с механизмом его биологического функционирования, т.е. устанавливать взаимосвязь структура-функция. Впроцессе изучения аспиранты должны выработать умение и навыки самостоятельного отбора среди изобилия методов и подходов биоорганической химии для работы только те из них, которые наиболее всего подходят для решения конкретной задачи.
1. ПРЕДМЕТ БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ.
Объекты изучения. Методы исследования. Основные задачи. Актуальные направления современной биоорганической химии. 2. СТРОЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ БЕЛКОВ И НУКЛЕИНОВЫХ Генетически кодируемые аминокислоты. Номенклатура. Сокращенные обозначения. Стереохимия a-аминокислот. Кислотно-основные свойства аминокислот. Методы синтеза аминокислот. Серин как предшественник селеноцистеина. Пептиды и белки. Первичная структура белков как последовательность расположения мономерных звеньев в линейной полимерной цепи. Неисчерпаемость числа мыслимых первичных структур белков. Геометрия пептидной связи. Спектральные и электрохимические характеристики пептидной связи и боковых групп аминокислот. Основные типы нековалентные взаимодействий в белках: электростатические взаимодействия; водородные связи; ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Гидрофобные и гидрофильные группы в белках. Взаимодействия гидрофобных групп в водных растворах (гидрофобные взаимодействия). Межплоскостные взаимодействия между ароматическими структурами (стекинг-взаимодействия). Дисульфидные мостики. Понятие о вторичной, третичной и четвертичной структурах белков. Сверхвторичная структура белков. Понятие о доменах. Гомодетные и гетеродетные пептиды, депсипептиы. Пространственная структура пептидов. Лиинейные и циклические пептиды. Ионофоры. Круговой дихроизм и дисперсия оптического вращения как методы определения вторичной структуры белков. Рентгеноструктурный анализ как метод изучения пространственного строения белков. Ядерный магнитный резонанс как метод исследования конформации пептидов и белков в растворах. Структура нуклеозидов и нуклеотидов. Гетероциклические основания. Пиримидины и пурины. Номенклатура. Сокращенные обозначения. Таутомерия. Углеводные компоненты нуклеозидов. Характер связи углеводного остатка с гетероциклическим основанием. Конфигурация гликозидного (аномерного) центра. Номенклатура, сокращенные формулы нуклеозидов. Рибо- и дезоксирибонуклеотиды. Номенклатура. Нуклеозид-5’-фосфаты. Нуклеозид-3’- и 2‘-фосфаты. Нуклеозидциклофосфаты. Нуклеозид-3’-(2‘),5’-полифосфаты. Конформация нуклеозидов и нуклеотидов. Минорные компоненты нуклеиновых кислот как продукт модификации. Основные типы нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Природа межнуклеотидных связей. Необычная (2’-5’) межнуклеотидная связь. Полярность межнуклеотидной связи и полинуклеотидной цепи. Номенклатура, сокращенные формулы и сокращенные обозначения. Первичная структура нуклеиновых кислот, как последовательность расположения мономерных звеньев в линейной полимерной цепи. Неисчерпаемость числа мыслимых первичных структур нуклеиновых кислот. Основные типы нековалентных взаимодействий в нуклеиновых кислотах: водородные связи; ван-дер-ваальсовы взаимодействия; электростатические взаимодействия. Гидрофобные и гидрофильные группы в нуклеиновых кислотах. Взаимодействия гидрофобных групп в водных растворах (гидрофобные взаимодействия). Межплоскостные взаимодействия между ароматическими структурами (стекинг-взаимодействия). Пространственная структура ДНК и РНК. Комплементарные основания в нуклеиновых кислотах. Комплементарные взаимодействия между участками одной полинуклеотидной цепи и их роль в формировании пространственной структуры однонитевых полинуклеотидов. Основные типы двойных спиралей (правозакрученные А, В и др., левозакрученная Z). Стереохимические характеристики мономеров в составе различных типов двуцепочечных ДНК (торсионные и двугранные углы, конформации углеводного кольца, конформации относительно гликозидных и 5’-4’-связей). Основные характеристики двойных спиралей – шаг спирали, углы спирального вращения, наклона, крена, пропеллер, смещение пар оснований относительно оси спирали, большая и малая бороздки, изгиб. Квадруплексы.Вторичная структура РНК, структурная консервативность РНК-РНК-спирали. Шпилечные структуры. Псевдоузлы. Третичная структура РНК. Гибридные дуплексы ДНК-РНК, их биологическая роль. Малые интерферирующие РНК. Электрохимические и спектральные характеристики нуклеиновых кислот и их компонентов. Конформационная лабильность биополимеров и молекулярное узнавание - два главных общих свойства функционально значимых биополимеров, необходимых для их функционирования в живых организмах. Взаимодействие комплементарных последовательностей олиго- или полинуклеотидов, как пример взаимного узнавания структур. Нативное и денатурированное состояния. Потеря способности к специфическим взаимодействиям при денатурации. Обратимость перехода между нативным и денатурированным состояниями. Множественность функционально значимых состояний биополимеров. Денатурация и ренатурация белков. Направленные конформационные переходы в биополимерах при взаимодействии с низкомолекулярными лигандами и их функциональное значение. Роль молекулярного узнавания в функционировании белков. Биологическая роль белков. Ферменты. Классификация. Особенности ферментативного катализа. Природа сил, вовлеченных во взаимодействие между ферментом и субстратом. Движущая сила ферментативного катализа. Каталитическая роль функциональных групп ферментов. Примеры ферментативных реакций. Механизм действия сериновых протеаз: тетраэдрические интермедиаты; абсолютная конформация связанного субстрата. Другие гидролитические ферменты: РНКаза А; ацетилхолинэстераза. Гликозидазы и гликозилтрансферазы. Их использование в изучении структуры и функции углеводов и гликоконъюгатов. Экзо- и эндогликозидазы. NO-синтетазы. Трансаминазы. Механизм реакции переаминирования на примере реакции, катализируемой аспартат аминотрансферазой. Использование конгруэнтных модельных систем для определения вклада белка-фермента на каждой стадии реакции. Модификация белков путем присоединения простетических групп. Основные простетические группы, участвующие в реакциях биокатализа. Примеры введения подвижных простетических групп в апоферменты: остатка биотина в остаток лизина карбоксилазы путем образования биотиниламидной связи, остатка липоевой кислоты в остаток лизина трансацетилазы с образованием липоамидной связи, остатка фосфопантетеина CoASH в остаток серина ацил-переносящего белка (ACP) с образованием фосфодиэфирной связи. Типы реакций, в которых участвуют простетические группы. Стереохимия ферментативных реакций. Белки - регуляторы физиологических процессов. Механизм действия пептидно-белковых гормонов: взаимодействие гормонов с рецепторами; структура и свойства аденилатциклазной системы. Представители белковых гормонов. Инсулин, гормоны роста. Участие белков в экспрессии генетической информации, передаче нервных импульсов, поддерживании онкотического давления крови и клеток, обеспечение гомеостаза рН внутренней среды организма. Белки - средство защиты организма. Белки иммунной системы: структура и функция антител. Антигены тканевой совместимости. Система комплемента: медиаторы иммунного ответа; интерфероны; лимфокины и монокины; фактор некроза опухолей (TNF). Белки систем свертывания крови и фибринолиза. Каталитические антитела. Черты сходства и отличия в структуре ферментов и антител и в характере их взаимодействия со специифическими лигандами. Экспериментальные подходы к усовершенствованию каталитических свойств абзимов. Практическое значение абзимов. Сократительные белки. Современные представления о молекулярных механизмах генерации движения и способа его регуляции. Роль актина и миозина в акте мышечного сокращения и расслабления. Сократительная способность белков цитоскелета. Участие в процессе митоза. Актин-связывающие белки. Структурные белки. Основные компоненты межклеточного матрикса: коллаген, эластин, фибронектин, ламинин и др. Транспортные белки. Гемоглобин и миоглобин. Влияние четвертичной структуры на функциональные свойства белка. Альбумины сыворотки крови – транспортеры липидов, органических и неорганических веществ к органам-мишеням. Рецепторные белки. Рецепторы, сопряженные с G-белком. Зрительный родопсин. Ацетилхолиновый рецептор постсинаптических мембран. Липофильные лиганды и ядерные рецепторы. Биологическая роль пептидов. Пептидные гормоны и рилизинг-факторы. Представление о пептидах нейротрансмиттерах, нейромодуляторах, коннекторах. Энкефалины и эндорфины; окситоцин и вазопрессин; адренокортикотропный гормон; меланоцитстимулирующие гормоны; пептиды, действующие на сон; липотропины; глюкагон; гормоны желудочно-кишечного тракта. Пептидные токсины и антибиотики. Пептиды - регуляторы иммунитета. Пептиды как лекарственные средства. Матричный биосинтез биополимеров. Наследственная информация и реализация ее в клетке: репликация, транскрипция и трансляция. Основные компоненты системы матричного биосинтеза: фермент, матрица и набор мономеров. Основные стадии матричного биосинтеза: инициация, элонгация и терминация. Сигналы инициации и терминации. Основные стадии каждого цикла элонгации: отбор мономера, присоединение его к растущей цепи и перемещение программирующей матрицы на одно звено относительно активного центра фермента (транслокация). Про-мРНК и ее превращение в зрелую мРНК (сплайсинг, кепирование, полиаденилирование). Программирование первичной структуры белков в первичной структуре информационных РНК (мессенджер РНК или мРНК). Генетический код. Активация аминокислот: тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы. Посттрансляционный процессинг пептидов и белков. Складывание (фолдинг) белков с образованием функционально активной конформации. Проблемы белок-белкового и нуклеиново-белкового узнавания. Фаговый дисплей. Рибосомный дисплей.
|
