ЗАНЯТИЕ 1. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ В ЛАБОРАТОРИИ

Биохимия и молекулярная биология

Учебно-методическое пособие

для студентов биологического факультета

КЕМЕРОВО 2007

ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Кафедра физиологии человека и животных и валеологии

Биохимия и молекулярная биология

Учебно-методическое пособие

для студентов биологического факультета

КЕМЕРОВО 2007

Биохимия и молекулярная биология: Учебно-методическое пособие.

Сост.: И. Л. Голенда, А. М. Голенда, А. С. Сарсацкая – Кемерово: КемГУ, 2007. – 190 с.

Cоставлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности 011600 – Биология (2000 г.), квалификационной характеристикой выпускника специальности 011600 – Биология (2001) и рабочей программой для университетов УМО университетов РФ (2005). Материал сгруппирован согласно тематическому плану лекций и лабораторных занятий и предназначен как руководство, для непосредственной подготовки студентов 3 курса ДО и 4 курса ОЗО биологического факультета к выполнению работ и экзамену.

Рекомендовано методической Рассмотрено и утверждено

комиссией биологического на заседании кафедры

факультета физиологи человека и

животных и валеологии

« »________________2006 г. « »_______________2006 г.

Председатель методкомиссии Заведующий кафедрой

__________Л.Н. Ковригина ______________ Э.М. Казин

© ГОУ ВПО «Кемеровский госу-

дарственный университет», 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Биохимия – одна из фундаментальных дисциплин профессионального образования биологов любой специальности. Порядка 150 лет она изучает состав и свойства и свыше века – биокатализ, взаимопревращения и функции молекул в организмах. С 1985 г., когда предмет уже обогатили новые подходы, объекты и методы исследований, а в молекулах биополимеров увидели «молекулярные машины», эту разветвленную область знаний официально назвали молекулярной биологией. Современная «Биохимия и молекулярная биология» – основа универсального языка, представляющего однотипные принципы структурообразования, морфофункциональных свойств и метаболизма живых систем любого уровня сложности, от клеток до биосферы, в их единстве с окружающей средой.

С другой стороны, ассортимент задач, приборов, материалов и приемов работы биохимика невероятно разросся. При этом устройства, по мере их автоматизации и компьютеризации, все больше превращаются в «черный ящик» для пользователей. Поэтому растет потребность в пособии, совмещающем освоение традиционных приемов биохимического анализа с упрощенно-описательным изложением их теоретических основ. По замыслу, оно должно позволить студентам, освоить выбор оптимальных сочетаний решения возникающих перед ними задач, с экономичностью подходов.

Традиционно, студенты ДО биофака КемГУ изучают наш курс в 5-м семестре (18 недель), после освоения дисциплин естественнонаучного цикла, биофизики и морфологии. Для этого, учебный план еженедельно отводит по 3 ч на лекции и лабораторные занятия и, не менее 62 ч на самостоятельную работу. Соответственно, студенты ОЗО встречаются с курсом в 6-м (20 ч. лекций и получение контрольного задания) и 7-м семестрах (проверка выполнения контрольной работы и 16 ч. лабораторных занятий). Оба варианта обучения завершаются групповой консультацией и экзаменом. Рабочая программа курса предусматривает, что независимо от специализации и профиля будущей работы, любой биолог должен:

1. Знать особенности элементного и молекулярного состава клеток и организмов, в сравнении с окружающей средой.

2. Понимать роль полифункциональности ионов, биомолекул и слабых взаимодействий в создании метастабильных конформаций и комплементарных поверхностей биополимеров и их агрегатов.

3. Исходить из вынужденных сдвигов конформаций биополимеров при их комплементарных взаимодействиях с лигандами, в процессах выполнения генетической, биоэнергетической, метаболической и сенсорной = рецепторной функций.

4. Представлять условия и основные этапы биопоэза, механизмы эволюции и адаптации живых систем к окружающей среде.

5. Владеть знанием техники консервации биообразцов и навыками основных приемов их лабораторного анализа, дающих современным диагностам до 90 % полезной информации.

Противоречие семестрового объема курса широте и глубине сведений стремительно развивающейся дисциплины, вынуждают рассчитывать, как на базовые знания студентов, так и на их сознательную и еженедельную подготовку к лекциям и лабораторным занятиям. Это подразумевает самостоятельную работу студентов = = СРС, включая:

1. Обязательное наличие спецодежды = лабораторного халата и перчаток для работ с биоматериалом.

2. Оформление протоколов предстоящих занятий по пяти позициям: 1. Дата, порядковый номер, тема занятия и название каждой лабораторной работы. 2. Принцип метода исследований и сфера его применения 3. Краткое и четкое описание основных этапов хода работы. 4. Результаты исследований. 5. Выводы. Понятно, что два последних пункта выполняют по завершении опыта. Особо подчеркнем, что о продуманном и глубоком усвоении материала свидетельствуют лишь четкие формулировки выводов,содержащих элементы обобщений.

3. Систематизацию знаний с помощью конспектов, доступных руководств и справочников, при творческом подходе к пересказу усвоенного, разработке схем, таблиц, компьютерных программ и другим приемам обучения. Лишь при этих условиях, время занятий удастся расходовать рационально: для проверки заготовок протоколов, разбора неясностей, затрудняющих освоение темы и инструктажа по предстоящим работам. Как обычно, завершаются лабораторные работы их индивидуальной защитой. Также, на втором занятии, студенты, желающие сделать 10-минутное реферативное сообщение, информируют преподавателя, об избранной теме и сроках его подготовки, для коллективного обсуждения и оценки.

В соответствии с расписанием, индивидуальные консультации проводятся раз в неделю, а групповая – перед экзаменом. Оба семинарских занятия отведены для письменного контроля знаний, реферативных сообщений и разбора трудностей. Итоговые занятия совмещены с контрольными точками и посвящены проверке усвоения основных материалов курса.

Студент, пропустивший лабораторное занятие, должен отработать его в течение ближайших одной-двух недель. Иначе, из-за ограниченных сроков годности дорогостоящих тест-наборов реактивов, ему придется приобретать их за свой счет.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Комов В. П., Шведова В. Н. Биохимия. – М.: Дрофа, 2004. – 640 с.

2. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. – М.: Мир, 2004. – 469 с. (http://biochemistry.vov.ru/nagl_bio/index.htm)

3. Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. – М.: Высшая школа, 1999. – 512 с.

4. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. – М.: Изд-во НИИ Биомедицинской химии РАМН, 2000. – 372 с.

5. Практикум по биохимии. Под ред. С. Е. Северина и Г. А. Соловьевой. – М.: Изд-во Московского университета, 1989. – 509 с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Химия и общество. – М.: Мир, 1995. – 560 с.

2. Фримантл М. Химия в действии в 2-х тт. – М.: Мир, 1991 и 1998 гг.

3. Ленинджер А. Основы биохимии в 3-х тт. – М.: Мир, 1985.

4. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высшая Школа, 1992 и 1998 гг.

5. Плакунов В. К. Основы энзимологии. – М.: Логос, 2001. – 126 с.

6. Биохимия. Под ред. чл.-корр. РАН, проф. Е. С. Северина. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. – 674 с.

7. Мусил Я. и др. Современная биохимия в схемах. – М.: Мир, 1981. – 216 с.

8. Скоупс Р. Методы очистки белков. – М.: Мир, 1985. – 358 с.

9. Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. В 4-х томах. – М.: Мир, 1994.

10. Рис Э., Стернберг М. Введение в молекулярную биологию. – М.: Мир, 2003. – 118 с.

11. Коничев А. С., Севастьянова Г. А. Молекулярная биология. – М.: ACADEMIA, 2003. – 400 с.

12. Тарантул В. З. Геном человека. – М.: Языки славянской культуры, 2003. – 392 с.

13. Патрушев Л. И. Искусственные генетические системы. – М.: Наука, 2004. – Т.1. – 526 с.

14. Досон Р. и др. Справочник биохимика. – М.: Мир, 1991. – 544 с.

15. Фрайштат Д. М. Реактивы и препараты для микроскопии. Справочник. – М.: Химия, 1980. – 480 с.

16. Уайт А. и др. Основы биохимии. В трех томах. – М.: Мир, 1981.

17. Жеребцов Н. А.и др. Биохимия. – Воронеж.: Изд-во Воронежского госуниверситета, 2002. – 696 с.

18. Кларк. Д., Рассел Л. Молекулярная биология. – М.: 2004.

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ ДО

1. Введение в биохимию и молекулярную биологию.

2. Структура, свойства и функции аминокислот и их полимеров.

3. Доменная организация, эволюция и классификации белков

4. Особенности биокатализа. Роль кофакторов и ингибиторов ферментов.

5. Управление метаболизмом. Регуляция внутри- и межклеточных процессов.

6. Строение, свойства, номенклатура и функции моно- и полинуклеотидов.

7. Основы геномики вирусов, эубактерий, архей и эукариот.

8. Экспрессия генов у про- и эукариот. Транскрипция и процессинг = созревание РНК.

9. Эволюция рибосом, трансляция и фолдинг полипептидов.

10. Молекулярно-генетические системы управления репликацией, транскрипцией и репарациями ДНК.

11. Структура, общие свойства и функции высших карбоновых кислот. Классификация и функции липидов.

12. Проблемы и методы мембранологии. Состав и общие свойства биомембран. Топография и функции мембранных белков.

13. Механизмы транспорта веществ и трансмембранной передачи = трансдукции сигналов в клетках.

14. Классификация организмов по типам обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой.

15. Трехэтапная схема метаболизма. Функции биологического окисления. Организация и роль митохондрий.

16. Токсические формы кислорода, механизмы их повреждающего действия, системы антиоксидантной защиты и неспецифической резистентности.

17. Основы химии углеводов. Эволюция их переваривания у животных. Транспорт глюкозы в клетки и обзорная схема путей ее внутриклеточного метаболизма.

18. Анаэробное и аэробное окисление глюкозы. Роль пентозофосфатного цикла в реакциях фотосинтеза и анаболизма клеток животных.

19. Механизмы управления процессами аэробного гликолиза и гликонеогенеза.

20. Особенности переваривания, всасывания и транспорта пищевых липидов в клетки. Липолиз и липогенез. Обзорная схема метаболизма липидов.

21. Азотистый баланс организмов и популяций. Структура, свойства и функции пептидгидролаз. Обзорная схема внутриклеточного метаболизма аминокислот.

22. Биосинтез заменимых аминокислот. Роль глутамата, как центра азотистого обмена в клетках. Превращения безазотистых остатков аминокислот.

23. Биосинтез гема и его функции. Обмен железа. Образование, транспорт и конъюгация билирубина.

24. Источники аммиака и способы его обезвреживания. Схема метаболизма эндогенных и чужеродных (ксенобиотиков) токсикантов.

25. Классификация систем гуморальной регуляции и принципы их действия. Эндокринная система и структура гормонов.

26. Механизмы биосинтеза, депонирования, секреции и транспорта гормонов. Клетки-мишени, наборы их рецепторов и механизмы трансдукции внешних сигналов. Клеточный ответ, как механизм замыкания обратной связи с системой управления.

27. Сравнение гуморальной, иммунной и нервной систем межклеточных коммуникаций.

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ ОЗО

1. Биохимия, как наука о биомолекулах и их превращениях, лежащих в основе жизнедеятельности.

2. Типы химических связей и преимущества биополимеров в явлениях жизни.

3. Особенности биокатализа. Понятия витаминов, ингибиторов.

4. Химия моно- и полинуклеотидов. Основы геномики вирусов, эубактерий, архей и эукариот. Репликация и репарация ДНК у про- и эукариот.

5. Транскрипция, трансляция и фолдинг полипептидов. Рекомбинации геномов.

6. Основы химии липидов. Биомембраны.

7. Трехэтапная схема метаболизма. Организация и функции митохондрий. Управление метаболизмом и его регуляция.

8. Основы химии и метаболизма углеводов.

9. Схемы метаболизма липидов, аминокислот и небелковых азотистых соединений.

10. Дистантные системы управления метаболизмом клеток.

ПЛАН ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ ДЛЯ ОЗО

1.Вводное. Организация лаборатории и проведения занятий.

2. Способы дозировки растворов. Типы анализа и тест-системы в биологии и медицине.

3. Количественный анализ глюкозы, белка и гемоглобина.

4. Семинар. Морфофункциональная интеграция биосистем.

ВОЗМОЖНЫЕ ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ

1. Основные признаки живой материи с определением понятий «жизни» и «здоровья».

2. Применимость и ограничения методов физики и химии к изучению биообъектов.

3. Развитие представлений о механизмах зарождения жизни, основных этапах ее эволюции и происхождении надцарств организмов.

4. Развитие методов биохимии и молекулярной биологии.

5. Особенности строения, свойств и функций биогенных элементов.

6. Основные классы биомолекул, их содержание и функции в клетках и организмах.

7. Вода, ее свойства и роль в процессах жизнедеятельности.

8. Минеральные вещества, как незаменимые факторы пищи. Их свойства, классификация и биологическая роль.

9. Буферные системы биожидкостей и клеток.

10. Жидкостные компартменты и факторы перемещения воды и растворенных веществ.

11. Зависимость содержания воды и солей в организмах от возраста, пола, интенсивности поступления и потерь.

12. Лабораторные тесты на водно-электролитный и кислотно-основной баланс.

13. Высшие карбоновые кислоты, их свойства и биологическая роль.

14. Номенклатура аминокислот, возможные классификации, свойства и функции.

15. Номенклатура пептидов, их возможные классификации и биологические функции.

16. Методы выделения и изучения структуры биополимеров.

17. История исследований первичной и пространственной структуры белков.

18. Попытки классификаций белков и механизмы действия их кофакторов.

19. Химический синтез и ферментативные модификации структуры белков.

20. Механизмы денатурации биополимеров и прикладные аспекты их применения.

21. Эволюция кальцийсвязывающих белков = кальбиндинов

22. Белки плазмы крови.

23. Эволюция кислородтранспортных белков.

24. Белки семейства коллагена.

25. Эволюция кератинов и их роль в процессах жизнедеятельности.

26. Биологическая роль каскадов ферментных реакций.

27. Ингибиторы ферментов и их применение.

28. Проблемы и перспективы протеомики и биоинформатики.

29. Свойства и эволюция генетического кода.

30. Структура и эволюция рибосом.

31. Сигналы информационных РНК.

32. Биология прионов.

33. Методы изучения нуклеотидных последовательностей.

34. История международного проекта «Геном человека».

35. Проблемы современной геномики.

36. История витаминологии и, ее прикладные аспекты.

37. Метаболизм и функции ретинола в жизнедеятельности.

38. Обмен и метаболическая роль кальциферола.

39. История изучения углеводов.

40. Обмен гликогена, как пример синтеза и распада олиго- и полисахаридов

41. Роль аскорбиновой кислоты в жизнедеятельности и ее применение.

42. Гликопептиды и гликозиды. Их роль и практическое применение.

43. Эйкозаноиды и их биологическая роль.

44. Терпены, их биологическая роль и прикладное значение

45. Стерины, их биологическая роль и прикладное значение.

46. Сравнение механизмов β-окисления и биосинтеза жирных кислот.

47. Обмен и биологическая роль фосфолипидов (ФЛ) и триацилглицеролов (ТАГ).

48. Сравнение свойств и функций белой и бурой жировой ткани.

49. Сравнение биосинтеза и распада пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.

50. Образование конечных метаболитов азотистого обмена у разных таксонов.

51. Биологическая роль и применение алкалоидов.

52. Биологическая роль и применение антибиотиков.

53. Экспресс-анализ в диагностике состояний биосферы.

54. Основные направления прикладной биохимии.

55. Биохимические аспекты питания и проблемы голода.

56. Особенности метаболизма железа и проблемы железодефицитов.

57. Пищевые дефициты йода, меди и селена.

58. Химические основы моющих средств и косметики.

59. Искусственные мембраны и протеолипосомы.

60. Токсикология ингибиторов белков.

61. История фито- и зоотоксикологии.

62. Проблемы экотоксикологии и курение.

63. Химические основы переработки бытовых и промышленных отходов.

64. Роль целлюлаз в переработке бытовых отходов и преимущества хитозана перед синтетическими полимерами.

65. Нейроиммуноэндокринология жировой ткани.

66. Биохимические основы алкоголизма и наркоманий.

67. Технологии применения генномодифицированных организмов.

68. Биохимия старения.

69. Химические основы дистантных коммуникаций.

70. Проблемы выключения активного метаболизма, от образования спор до зимней спячки.

ЗАНЯТИЕ 1. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ В ЛАБОРАТОРИИ

1.1. Вводные замечания. Около 30 лет назад, академик (тогда чл.-корр. АН СССР) М.Г. Воронков в журнале «Химия и жизнь» суммировал мировой опыт поведения в лабораториях (лат. Laborare – работать). В этой, ныне популярной шутке столько глубокого этического смысла, что с нее стоит начать занятия.