Учебная программа по дисциплине «Биохимия

Пояснительная записка
Учебная п рограмма
по
дисциплине
«Биохимия »
разработана
в
соответств ии с требо ваниями образо вательного стандарта по специально сти
1-31 05 01 Химия (по направлениям). Дисциплина «Биохимия» является дисциплиной
вузовского компонента. Курс «Биохимия » для студентов специализирующи хся в
области химии лекарственны х соедин ений и химической экологии связан с
другими дисциплинами учебного плана, а именно: «Органическая химия »,
«Ан алитическая химия », «Физическая химия», «Бионеорганическая химия».
Основной целью освоения дисциплины «Биохимия» является получения знаний о
свойствах основных классов биологически активных соединений и применении
химических методов для исследования структуры и функций данных веществ.
Задачи курса «Био химия » для ст удентов специализирующи хся в области
химии лекарственных соединений и химической экологии:
•
сформиро вать у студентов по нимание единства структ урно-
функциональных процессов на о снов е системных знаний о физико химически х свойства х, структ уре и фун кции физиологически активны х
вещ еств
•
разв ить у ст удентов угл убленные пред ставления о структуре
природных соединений и механизма х рег уляции про цессов
жизнедеятельности на мо лекулярном уро вне, в том числе обосновать на
молекулярном уровне механизмы развития вредных привычек (алкого ль,
табакокурение)
·
дать о сновы создания новых техноло гий и производств лекарств енных
соединений с использованием последни х достижений биохимии
Задачи лекционных занятий:
•
представить базовые принципы строения макромо лекул и о писать
взаимозависимость между их структуро й и биологическими фун кциями;
•
изло жить о снов ные п ути о бмена в еществ с о собым в ниманием к
во просам рег уляции биохимически х процессов на молекулярном и
клеточно м уровнях о рганизации;
Задачи лабораторных занятий
•
привить базовые навыки манипуляций при выполнении
биохимически х анализов ;
3
•
привить ум ение прово дить элементарные химико-аналитически е
процедуры с биолог ическими про бами.
По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:
- иметь представление о структуре и химических свойствах белков, нуклеиновых кислот,
углеводов и низкомолекулярных биорегуляторов
- освоить основные биосинтетические и метаболические пути
- знать основные методические подходы, используемые в биохимии
- уметь применять методы исследования структуры и функции
белков-ферментов и низкомолекулярных биорегуляторов
Учебный план предусматривает для изучения дисциплины следующее количество
часов:
Всего – 176, из них лекции –40, лабораторные занятия – 30 (5 групп), семинарские
занятия – 22 (3 группы), КСР – 84.
Примерный тематический план дисциплины
№п/п
Название темы
1
Предмет и задачи биохимии
2
3
4
5
6
Белки и пептиды
Основ ы энзимологии
Нуклеиновые кислоты
Метаболизм нуклеиновых кислот
Регуляция биосинтеза белков на
уровне трансляции
Углев оды
Липиды
Энергетиче ский о бмен
Витамины и антибиотики
Профориентация
Итого:
7
8
9
10
11
Количество аудиторных часов
ЛК
2
ЛЗ
-
СЗ
-
КСР
-
8
4
6
6
2
8
8
4
2
4
2
2
12
10
12
8
6
2
2
4
2
2
40
6
4
2
2
2
2
22
10
8
8
10
84
-
4
30
4
Содержание учебного материала
1. Предмет и задачи биохимии.
Место биохимии среди других химическ их дисциплин. Объекты
биохимического исследов ания. Важнейшие характерные черты живо й
материи: обмен вещество м, энергией и информацией с окружающей средой ;
способность к самовоспроизведению; специализация и интеграция функций
отдельных частей живого организма; само регуляция процессов;
приспособляемо сть к изменению условий с уществования. Разделы
биолог ической химии: статическая биохимия, динамическая биохимия,
функциональная биохимия. Обще е понятие о видах биологических функций
природных соединений.
Исторический о черк возникновения и развития биохимии. Химия природных
соединений и физиолог ическая химия. Выделение из биохимии но вых
дисциплин: мо лекул ярной биологии, биоорганической и бионеорганической
химии, биотехноло гии и генетической инженерии и др. Возникновение
комплекса дисциплин физико- химическо й биологии.
2. Белки и пептиды
Основные вопросы: Классификация аминокислот. Химическая структура и
физико-химические свойства аминокислот. Стереохимия, амфотерность,
реакционная способность аминокислот. Принципы организации и функциональная
роль пептидов. Физико-химические свойства белков. Методы очистки и
идентификации белков. Принципы структурно-функциональной организации.
Денатурация и ренатурация, фолдинг белков. Химическая модификация,
установление первичной структуры.
Роль белков в процессах жизнедеятельности. Биологические функции
белков: каталитическая (ферменты), структ урная, тран спо ртная,
рег ул ято рная (рецепторы, сигнальные молек улы, белки-рег улято ры),
защитная, двигательная (механохимиче ская), запасная (резервная).
Амино кислоты - структурный элемент пептидов и белков. Общая
характеристика аминокислот, пространственная конфигурация,
стереоизо мерия, оптическая активность. Кислотно -основные свойства
аминокислот, амфотерность, понятие о цвиттер-ио нах, показатели
кислотно сти pKa, изоэлектрическая точка. Биологические функции
аминокислот (структурные ком поненты пептидов и белков, структурные
компоненты други х природных соедине ний, сигнальные молекулы или их
предшеств енники, жизненно необходимые метаболиты).
Протеиногенные аминокислоты, их номенклатура и сокращенные
обозначения. Виды класси фикаций: по физико-химическим сво йствам
(степень гидрофобности, полярность, заряд) и по химической природе
боковых радикалов . Модифицированные аминокислотные остатки в составе
бел ков. Общие химические свойства α-аминокислот: реакции αаминогруппы, реакции α-кар боксильной гр уппы, реакции с совместным
участием α- карбо ксильной и α-аминог рупп. Химические свойства
индивидуальных аминокислот, обусловленные природой боковых радикалов.
Качественные реакции на амино кислоты. Методы количественного
определения аминокислот. Основ ные методы разделения аминокислот:
хроматография (бумажная, тонкослойная, ионообменная), высоковольтный
электро форез. Испо льзо вание аминокисло т в качестве лекарственны х
препарато в.
5
Пептидная связь. Мезом ерия (резонансная стабилизация) пептидной связи.
Конформация пептидной цепи. Валентные связи и углы между
аминокислотны ми остатками. Вращение во круг валентных связей.
Разрешенные и запрещенные конформации аминокислотных о статков в
пептидной цепи. Транс-конформация пептидной связи. Цис- и трансконформация остатка пролина в пептидной цепи. Конформационные карты
(карты Рамачан дран а).
Пептиды. Био лог ические функции пепт идов. Примеры природных пептидов :
пептидные го рмоны (вазопрессин, окситоцин, ангиотензины),
нейропептиды, другие регулято рные пептиды (энкефалины, эндорфины),
защитные пептиды (дефен сины, карнозин). Методы разделения пептидов.
Определение аминокислотно го состава пептидов (аминокислотный анализ).
Методы о пределения последовательност и аминокислот в пептидах, роль
масс-спектрометрии в анализе аминокислотной последовательности.
Химический синтез пепти дов. Ферментативный синтез пептидов в
бесклеточной системе. Био медицинское значение определения содержания
пептидов и пептидного спектра в биологически х пробах. Использование
пептидов в качестве лекарственны х препаратов .
Про странственное стро ение белко в. Четыре уро вня стр уктурно й
организации белко в. Первичная стр укт ура белка, её характ ерны е признаки:
линейность и степень генетической предопределенности. Модификации N- и
C-концевых аминокислотных о статков белка (амиди рование, ацилирование,
и др.), их функционально е значение. Повторяющиеся фрагменты
амино кисло тной последовательности в первичной стр укт уре б елка.
Особенности установления первичной структ уры белка. Эволюция
первичной структуры бел ков. Изучение го мологии первичной структ уры
белков, алгоритмы и компьютерные программы для о ценки сходства белко в
по аминокислотной последовательности. Значение первичной структ уры для
правильного функциониров ания белков в организме, аномальные белки,
протеинопатии как возможная причина наследственных заболеваний.
Высшие уровни структурной о рганизации белка как способы формирования
трехмерной структ уры белков. Роль первичной структуры в формиро вании
высших уровней структ урной о рганизации белков. Методы изучения
пространственного строения белков : рентгеноструктурный анализ,
нейтронная дифракция, многомерная ЯМР-спектро скопия, малоуглово е
рентгеновско е рассеивание (S AXS), метод кр уго во го дихро изма (КД),
инфрак расн ая спектро метрия.
Вто ричная структура б елка, рег ул ярно сть как её характ ерно е свойство.
Стаби лизация вторичной структуры во дородными связями между
пептидными гр уппами. Основные виды вторичной структуры. Спиральные
стр укт уры. Правозакр ученная α- спираль , её характеристики: период
идентичности, величина витка, расположение вн утримолекулярных
во дородных св язей . Левозакр ученная сп ираль коллагена, её характерные
особенности. β-Складчатые структуры: локализация стабилизирующи х
связей, параллельные, антипараллельны е и смешанные β-стр уктуры .
Скрученность β-листа. β-Изгиб. Нерег улярные и слабо упорядоченные
элементы вто ричной структуры. Факторы устойчивости вторичной
структуры. Методы из учения вто ричной структуры. Взаимо связь между
первичной и вторичной структурой белка. Амино кислотные о статки и их
последов ательности, способств ующие и препятствующие формированию
определенны х видов вторично й структ уры. Возможности и алгоритмы
предсказания вто ричной структуры белка по его первичной структуре.
6
Содержание различны х типов в торичной структуры в белках. Устойчивые
сочетания элементо в вторично й стр укт уры . Суперв то ричная стр укт ура
бел ков. Широко распространенные формы с упервторичной структуры: βбочо нок (β-барабан), «α-спираль - β-пово рот - α-спираль», цинковые
пальцы, лейциновая мо лния.
Третичная структура белка. Уникально сть третичной структуры.
Стабильно сть третичной стр уктуры и определяющие её силы: силы Ван-дерВааль са, во дородные св язи , электро стат ически е в заимо действия,
ковалентные связи. Особое значение гидрофобных взаимодействий для
формирования третичной структуры белка. Особенности дисуль фидны х
связей как наи более распространенного вида ковалентных связей,
стабилизирующи х пространственную о рганизацию белка. Взаимо связь
между п ервичной и третичной стр укт урами , возможно сть и спосо бы расчета
третично й структ уры.
Четвертичная стр укт ура белка к ак надмо лекулярный уро вень
пространственной организации. Взаимодействия между с убъединицами,
стабилизирующие четвертичную ст руктуру. Организация
межсубъединичных контактов. Функциональное значение четвертичной
стр укт уры белка. Кооперативно сть. Надмо лекулярны е бел ковые ансамбли .
Доменная организация белков . Понятие о доменах. Особенности
пространственной организации и фун кцио нирования доменных белков.
Относительная структ урная о бособленность и фун кциональная
автономность доменов. Эволюционное значение доменной организации
белков. Черты структурно-ф ун кциональной близости и сходства доменного
стро ения определенных г рупп б елко в. Современные представления
семействах и суперсемействах белков. Роль доменной организации в
функциониро вании иммуногло булинов. Суперсемейства цитохромо в Р450,
имм уног лобулинов. Суп ерсемейство ДНК-связывающи х белко в.
Особенности пространственного строения мембранных белков .
Суперсемейство серпинов. Бактериородопсин. Мультидом енная организация
мембранных рецепторных белков. β-Цилиндры в структуре мем бранных
бел ков. Фо тосинтетический реакционный центр.
Общие принципы строения глоб улярных белков. Упрощенное представление
пространственных стр уктур в белках. Ф орма, компактность и динамика
белково й глобулы. Гидрофобное ядро глобулы. Ограниченность числа типов
то пологических стр укт ур. Структ урные классы гло булярны х белков . βБелки: β-слои, их продольная и перпендикулярная уп аковка, скрученно сть
β-листов, структуры типа «меандр », «рулет», «греческий ключ» и
«пропеллер», β-шпильки. α-Белки: п учки и слои α-спиралей,
квазисферическая глоб ул а, способы плотной упаковки контактирующих αспиралей. То пология α/β- и (α+β)-белко в. Отсутствие прямой связи
архитект уры бел ка с его ф ун кцией.
Про стые и сложные белки. Про стетическая гр уппа. Общая характ еристи ка
основных классов сложных белков . Гликопро теины и протеог ликаны:
стр укт ура, био ло гическое значение, стро ение углево дных цепей.
Липопротеины. Нуклеопро теины. Металлопро теины. Металлы, способные
выступать в роли про стетической гр уппы. Значение коо рдинационных
связей в формировании нативной структуры металлопротеинов .
Цинксодержащий гексамерный комплекс инсулина: строение, биолог ическое
значение. Негемов ое железо в белках. FeS-белки ды хательной цепи.
Магний-со держащ ие белки, хло ро филл как про стетическая гр упп а.
Био логическое значение и структ урные о собенности селенопротеинов.
7
Хромопротеины. Гемопротеины. Особенности различных форм гема в
белках. Связь гема с белковой частью гемопротеинов. Цитохромы.
Ф ункциониров ание гема без изменения степени окисления атома металла.
Семейство гло бинов. Миог лобин и гемоглобин, сравнение их структ урнофункциональных о собенностей. Кооперативность связывания кислорода
гемог лобином. Биологический смысл и физиологические механизмы
рег уляции сродства гемоглобина к кисло роду. Нар уш ения структ уры гема в
гло бинах как причина ряда патолог ически х состояний. Метгемоглобинемия.
Строение гло биновых по липептидных цепей, роль первичной структуры в
проявлении свойств гемог лобина. Физиологические формы г емоглобина
человека ( A1, A2, F, эмбриональный). Аномальные и патологические
гемог лобины.
Физико-химические свойства белков. Зависимо сть физико-химических
свойств от первичной и пространственной структуры белка. Молекулярная
масса и размеры м олекул. Мето ды определения мо лекуля рно й массы белко в:
гель-хроматография, элект рофорез, аминокислотный анализ,
гидродинамичес кие и седимент ационные мето ды. Нео бходимо сть
применения комплекса методов для точной оценки молекулярно й массы
белка. Микро гетеро генно сть белко в.
Понятие о нативной структуре белка. Фо рмирование нативной
пространственной организации белка in vivo и in vit ro . Фолдинг белков.
Парадокс Левинталя. Концепция стадий ного сворачивания белков
(карк асная мо дель). Денат урация белков: определение, механизм, обратимая
и необратимая денат урация, признаки денатурации. Денатурация как
переход типа «в сё или ничего». Физические и химические денатурирующие
факторы, особенности их действия на белки. Возможно сть нарушения
первичной структуры бел ка при длительно м воздействии денат урирующих
факторо в. Ренатурация и ренативация.
Механизм фун кциониров ания белка. Элементарные фун кции. Сочетание
функций. Три по следовательных этап а: связывание, трансформация,
освобождение. Связывающие белки (на примере ДНК-связывающи х белков и
имм уногло булинов ). Молекулярное распознавание и последующая
конформационная перестройка как неотъемлемые этапы взаимо действия
белка с лигандом. Взаимодействие белк ов с лигандами как о снова их
функциониров ания. Понятие об активном центре белка. Специфичность
взаимодействия лиганда с активным центром. Принцип комплементарности.
Две гипотезы молекулярного соответствия структур лиганда и активного
центра белка: «ключ - замок» и индуциро ванное соответствие. Обратимо сть
связывания. Количественные законо мерно сти специфическо го
взаимодействия белка с лигандом. Константа связывания (константа
ассоциации). Уравнение Скэтчарда. Кооперативное связывание лиганда.
Уравнение Хилла. Модель согласованных переходов. Сопряжение
элементарны х функций белка и гибкость его структуры. Подвижность
доменов белка и о беспечение его ф ун кции. Аллостерия - дистантное
неконтактное взаимо действие между а ктивными центрами различной
специфичности. Аллостери ческая рег уляция фун кции белка.
Методы исследования взаимосвязи структуры белка с фун кцией:
использование химической модификаци и аминокислотных о статков,
меченны х и фото активируемых лигандов и направленного (сайтспецифического ) мутаген еза для из учен ия связывания белка с лигандом .
Принципы классификации белков. Понятие об изофункциональных белках,
изобелках и го мологичных белках. Подходы к класси фикации структ ур
8
бел ков, компьютерные классификаторы (Dali/ FSSP, C ATH, SCOP).
Электронные базы данны х по первичной и пространственной структ урам
бел ков. Структурная гено мики и протеомика. Биоинформатика. Белковая
инженерия, успе хи в ко нструировании белков.
Методы выделения, очистки и анализа белков. Особенности выделения
белков. Хроматография: принцип метода, основные виды, практически е
подходы. Электрофорез. Электрофоретическое фракционирование белков
плазмы кров и на основные фракции. Диализ. Седиментационные методы.
Ультрафильтрация. Аффинные методы. Имм унохимические по дходы к
выделению и анализу белков .
Практическое применение методов белковой инженерии в медицине и
биотехнологии. Иммобилизация белков. Использование химической
мо дификации и направленного мут агенеза для изменения специфичности,
функциональных и физико-химичес ких свойств и структурнофункциональной стабильности белков.
3. Основы энзимологии.
Основные вопросы: Кинетика ферментативных реакций. Единицы
ферментативной активности. Субстратная специфичность, механизм активации и
ингибирования. Гомогенный и гетерогенный катализ. Номенклатура ферментов.
Ферменты как кат ализаторы белков ой природы. Значение ферментов .
Внутрикл еточное и тканеспецифическое распределение ферментов.
Особенности действия ферментов: высокая эффективность, специфичность,
мягкие условия протекания реакции, способность к регуляции.
Количественное определение ферментативно й активно сти (по убыли
субстрата и по нарастанию про дукта), спо собы её в ыражения. Систематика
ферменто в. Междунаро дная классифи кация ферменто в (КФ). Общая
харак теристи ка о сно вных классо в ферм ентов: оксидо редуктазы ,
трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы (синтетазы).
Системати ческое и тривиальное название фермента. Изоферменты.
Общие по нятия ферментативного катализа. Общий механизм
ферментативного катализа. Многостадийность ферментативной реакции.
Проблема пониж ения свобо дной энергии переходного состояния.
По следовательные этапы кат ализа: сбли жение и нео бходимая ориентация
реагентов, удал ение мо лекул во ды, стабилизация переходного состояния,
перенос г руппы, высво бождение про дукта. Фермент-субстр атный ко мплекс.
Активный центр фермента, его субстрат-связывающий и каталитический
участ ки, образо вание на уро вне третичн ой или четвертично й стр укт уры .
Специфичность ферментов . Реакционная и субстратн ая специфичность.
Абсолютная и о тносительная (гр упповая) специфичность.
Стереоспеци фичность. Механизмы о беспечения высоко й специфичности
ферментов: комплементарность, баланс между прочностью и лабильностью
структуры активно го центра, индуцированно е связывание, многоточечность
связывания с убстрата в активно м центре, повышение специфичности по
принципу «двойно го сита» в дв ух-с убстратных р еакциях. Ключевой момент
катализа - стабилизация продуктивного переходного состояния.
Подтверждение значения стабилизации переходного состояния методами
бел ково й инженерии. Кислотно-основ ной катализ и ков алентный катализ.
Ферменты как катализаторы общего кислотного и общего основного типа.
Основ ные положения кинетики фермент ативного катализа. Влияние
концентрации фермента, концентрации с убст рата, pH и температ уры среды
на скорость ферментативной реакции. Константа kcat как показатель
каталитическо й эффективности фермента. Модель ферментативного
9
катализа Михаэлиса - Ментен. Максимальная скорость ферментативной
реакции и константа Ми хаэлиса. Способы их о пределения: графический
(гиперболический графи к, метод Лайниувера - Берка, метод Иди - Хофсти) и
расчетный с использованием компьютерных программ. Мультисубстратные
реакции. Отклонения о т кинетики Ми хаэлиса - Мент ен. Сигмоидная
кинетическая кривая, мо дель Хилла.
Кофакторы и ко ферменты: определения, био логическо е значение.
Химическая природа коферментов. Витамины как коферменты и их
метаболические предшественники. Классификация коферментов.
Специфичность коферментов для о пределенного типа реакций.
Окислительно-восстановительные коферменты. Коферменты переноса
гр упп. Активированные метаболиты (на примере УДФ-глюкозы, ЦДФхолина, фосфоаденозилфосфосульфат а и S-аденозилметионина). Тонкий
механизм каталитическог о действия ферментов , не содержащих
кофактор/кофермент (сериновы е протеиназы, лизоцим,
триозофосфатизомераза, рибон уклеаза) ; ферментов, взаимодействующих с
растворимым ко ферменто м (алько гольдегидро геназа, лактат дегидрогеназа) ;
ферментов, с ковалентно связанным коферментом . Значение доменной
структ уры и по движно сти доменов для функциониров ания ферментов (на
примере киназ и дегидрогеназ).
Ро ль ионо в металлов в ферментативном катализе. Металло ферменты и
ферменты, актив ивруемые м еталл ами . Тройные комплексы «фермент металл - субстрат ». Металлы ка к ко факторы каталитическо й реакции.
Пример: карбо ангидраза (кофактор - цинк), глут атионпероксидаза (селен),
пролилг идроксилаза (железо).
Ингибиторы ферментов. Обратимые и необратимые ингибиторы. Типы
обратимого ингибирования. Кинетика ингибирования, понятие о кажущей ся
константе ингибиров ания. Конкурентно е ингибирование: аналоги с убстрата,
аналог и переходно го состояния. Неконкурентное ингибирование: истинное
и смешанное. Бесконкурентное ингибиров ание. Кинетики ингибирования.
Понятие о каж ущейся константе Ми хаэлиса. Типы необратимого
ингибирования. Модифицирующие реагенты и с уицидные с убстраты.
Использование ингибиторов в биохимии (при выделении и очистке
биомо лекул, при анализе структуры и сво йств ферментов ). Обратимые и
необратимые ингибиторы ферментов как лекарственные препараты
(салицилаты, пенициллин, аллопуринол).
Механизмы рег уляции м ета болически х про цессо в. Частичный
(о граниченный) протеолиз как механизм активации и инактивации
фермент а. Каскады про тео литически х ф ерменто в и их био логическое
значение (сист ема свертывания крови, система комплемента, каспазный
каскад). Регуляция скоро сти ферментативно й реакции доступностью
субстрато в и кофакто ров/ко ферменто в. Ассо циация/дис социация ферменто в
в регуляции их активности. Регуляция ко валентной модификацией.
Алло сте ричес кая рег уляция. Ал ло стери ческий (рег уляторны й) актив ный
центр. Понятие о R- и T-состояниях. Регуляция по принципу о братной
связи. Вовлеченность различных механ измах в регуляцию ф ункции
определенного метаболическог о пути. Изо ферментный спектр и регуляция
метаболических путей. Каскады ферм ентативных реакций, их биологическое
и медицинское значение и о собенности структурно-ф ункциональной
организации: протео литические каскады (система свертывания крови,
система комплемента, апо птотический каск ад к аспаз), ферм ентативные
10
каскады передачи сигнала (аденилатцик лазный, инозитолфосфатный,
система МАР-киназы).
Энзимодиагностика. Молекулярные о сновы возможности диагностики
приобретенных и наследственных заболеваний с по мощью анализа
активно сти и спектра ферментов в биологических пробах. Использование
ферменто в в качестве лекарственны х препарато в: заместительная те рапия.
4. Нуклеиновые кислоты.
Основные вопросы : Азотистые основания: пуриновые и пиримидиновые,
главные и минорные. Химическое строение и функции нуклеотидов и
нуклеозидов. Первичная структура ДНК. Формы двойной спирали, методы
секвенирования. Структура и функция матричных, рибосомальных и
транспортных РНК.
Компоненты нуклеинов ых кислот. Азотистые основания, нуклеозиды и
н уклеотиды: строение, принципы классификации, номенклатура,
биолог ическая роль.
Схема биосинтеза п уриновы х н уклеотидов - происхождение атомо в в ядре
п урина, основ ной и запасные пути синт еза п уринов, регуляция. Схема
биосинтеза пиримидинов ых н уклеотидов , основной и запасные пути
синтеза, регуляция.
ДНК и РНК -- черты с ходства и различи я состава, первичной структуры,
локализации в клетке, функции. Вторичная структура ДНК. Связи,
стабилизир ующие вторичную стр уктур у ДНК. Антипараллельно сть.
Суперспирализация. Денат урация и ренативация ДНК. Гибридизация ДНКДНК, ДНК-РНК. Особенности структурной организации ДНК-связывающих
белков: участки «спираль - виток - спираль», лейциновые молнии, цинковые
пальцы. Особенности первичной и пространственной структуры гистонов .
Роль гистонов в формировании н уклеосо м. Нуклеосо мная сердцевина.
Линкерная ДНК. Дальнейшая уп аковка ДНК: солено иды, петли и складки.
Ковалентная мо дификация гистоно в, ее роль в регуляции структ уры и
активно сти хроматина. Строение хроматина. Эухроматин и гетерохроматин.
Хромо сомы.
Репликация ДНК. Общие принципы. Инициация репликации. То поизомеразы
I, II, хеликаз а их роль в релакс ации све рхвитков ДНК. Дв унаправленная
репликация, устройство репликативной вилки. Типы ДНК-полимераз и их
функции. Ленточная мо дель скользящих зажимов. Праймер. Фрагменты
Оказаки. Механизмы исправления ош ибок репликации. Терминация
репликации. Теломеры и теломераза, их биологическое значение.
Повреждения ДНК и их р епарация в ж ивых о рганизмах. Биологическое
значение процессов репарации генетической информации. Причины
повреждения ДНК: ош ибки репликации, депуринизация, дезаминирование и
алкилирование осно ваний, образование пиримидиновых димеров. Природа
м утаций и генетическая изменчивость. Молекулярные м утации: замены,
делеции, вставки н уклеотидов . Частота м утации, зависимость от условий
среды (радиация, химические м утагены). Способы репарации ДНК:
зависимая от метилирования, прямая, с вырезанием н уклеотида,
эксцизионная, в про цессе репликации.
Особенности механизмов репликации и репарации у вир усов. Ретровирусы.
Обратн ая транскриптаза. Ретротранспозо ны. Мобильные генетические
элементы.
Ген как ф ункциональная единица ДНК. Понятие о геноме. Особенности
организации генома эукариот, мозаичность структурны х генов, промоторы,
11
операторы, энхансеры и сайленсеры. Три типа эукариотических генов. Циси транс-элементы.
Особенности первичной, вторично й и третичной структур рибосомных,
транспо ртных и матричных РНК. Био логическая ро ль кэпирования мРНК.
Характеристи ка компо нентов системы синтеза РНК: субстраты, матрица
кодир ующая и неко дир ующ ая цепи ДНК , энергетические затраты,
ферменты, бел ковые факторы. Этапы транскрипции, характеристика
процесса. Инициация у E.co li, РНК-полимераза - роль субъ единиц (α2ВВ'δ),
про мото рны е участ ки: Бо кс Прибно ва, старт-сайт. Расплет ание ДНК и
синтез РНК. Терминация транскрипции, стоп-сигналы. Особенности
транскрипции у эукариот: РНК- полимераза I, II, III; промоторы: СААТбокс, GC-бокс, ТАТ А- бокс, ТАТ ААА. Энхансерный элемент. Комплекс
TFIID. Дополнительные факторы транскрипции.
Посттранскрипционная мо дификация различных классов РНК, созревание
РНК. Сплайсинг. Кэпирование, образование полиаденилового хво ста,
алкилирование н уклеотидов . Сайт ветвления. Сплайсома. Рибозимы.
Вырезание интроно в и соединение экзоно в.
5. Метаболизм нуклеиновых кислот.
Основные вопросы. Расщепление нуклеиновых кислот нуклеазами и
рестриктазами. Принципы распада и биосинтеза оснований. Биосинтез ДНК и
РНК. Репликация ДНК. Полимеразная цепная реакция. Транкрипция, обратная
транскрипция, теломеразная реакция. Рекомбинантные ДНК, векторные
системы на основе плазмид.
Трансляция - перев од языка генетического кода на язык последовательности
аминокислот, колинеарность. Концепция гена в молекулярной биологии.
Био логический код. Основ ные свойства и характеристики. Активация
аминокислот, образование аминоацил-т-РНК. Амино ацил-т-РНК синтетазы,
субстратная сп ецифично сть. т-РНК-ада пторная мо лекула. Стро ение и
функции рибосом. Сборка полипептидной цепи на рибосоме, инициация
трансляции у E. co li. Последовательность Шайна-Дальгарно.
Амино ацильный и пептидильный участк и. Эллонгация: образование
пептидной связи. Транслокация. Транслоказа. Терминация: факторы
освобождения белка. Осо бенно сти синт еза белка у э укарио т.
Регуляция экспрессии гено в. Механизм действия го рмонов, действующих
через вторичный посредник цАМФ, и стероидных го рмонов на генетический
аппарат. ц АМФ и стеро ид-чувствительн ые элементы , комплекс ц АМФ-СRE.
Регуляция биосинтеза белков на уровне транскрипции. Теория о перона,
регул яция по типу инд укции и репрессии. Катаболическая репрессия, цАМФ
регули руемый белок. Структ ура lac-оперона E. coli, идукция а ллолактозо й,
lac-репр ессор, комплекс САР-ц АМФ. Стр уктура his-оперо на.
6. Регуляция биосинте за белков на уровне трансляции. Основные
вопросы: Биосинтез белков, активация аминокислот, образование аминоацилтРНК. Характеристика генетического кода. Этапы процесса трансляции.
Посттрансляционные модификации белков и пептидов. Ферментативный гидролиз
белков. Протеолитические ферменты: специфичность и активация. Ограниченный
протеолиз. Убиквитин-зависимая деградация белков.
Посттрансляционная модификация белко в. Процессинг первичных
полипептидных цепей после трансляции: частичный про теолиз, образование
ковалентных связей, присоединение простетических групп, ковалентная
мо дификация аминокислотных о статков (гликозилирование, метилирование,
фосфорилирование, ацетилирование). Формирование пространственной
стр укт уры белков. Участи е бел ков тепло вого шока (шаперо нов ). Семейство
12
шаперонов (белков теплового шока - HSP) и их роль: молекулярные
шапероны семейств HSP70 и HSP60. Структура шапиронинового комплекса.
Особенности синтеза и про цессинга секретируемых белков (на примере
коллагена и инсулина). Синтез неактив ных предшественников. Наличие
лидерной по следовательности. Роль эндоплазматическо го ретикул ума.
Транслокация белков . Пептидаза. Апп арат Гольджи. Полиморфизм белков и
происхож дение разноо бразия антител. Транспозиция V-, D-, J- участков
генов иммуног лоб улинов как источник многообразия специфичности
антител.
7. Углеводы.
Основные вопро сы: особ енности хими ческого состава и строения,
виды классификации, биологические функции, структурнофункциональные взаимосвязи. Особенности строения, изомерии,
конформации и биохимических свойств моносахаридов. Производные
моносахаридов. Олигосахариды. Полигликаны. Гетерогликаны. Протеогликаны.
Гликозаминогликаны.
Основ ные пути о бмена и утилизации глюкозы в клетке. Фо сфорилирование
глюкозы как начальная стадия основ ных п утей её о бмена. Гексокиназа и
глюкокиназа: локализация в о рганизме, различия в функциональны и
физико-химических свойства х, осо бая роль глюкокиназы, механизмы
регул яции активно сти глюкокиназы и г ексокиназы в клетке. Гликоген,
метаболические п ути его биосинтеза и мо билизации.
Гликолиз : био логическая ро ль, общая схема про цесса, по следовательность
реакций, обратимые и нео братимые реакции, характеристика ферментов,
лимитирующие стадии. Сопряжение гликолиза с общим путем катаболизма
и о кислительным фосфорилированием. Энергетический эффект гликолиза
при наличии и в отсутствие сопряжения гликолиза с функциониров анием
общего пути катаболизма и системы о кислительного фосфорилирования.
Ан аэробный гликолиз и брожение у микроорганизмов. Эффект Паст ера в
клетк ах м икро организмов и чело века. Отс утств ие эффект а Паст ера в
раковых клет ках. Особенности кат аболизма галактозы и фруктозы у
человека. Гормональный контроль обмена углеводов в организме, роль
инсулин а, глюкагона, катехоламинов, глюкокортикоидов и тироксина,
специфические мишени действия гормонов . Нарушения рег уляции
углеводног о обмена. Гипер- и гипогликемия. Неферментативное
гликозилирование белков при гипергликемии и связанные с ним
патологические со сто яния. Осо бенно сти о бмена углево дов при сахарно м
диабете.
8. Липиды.
Основные вопросы: Строение, физико-химические свойства липидов.
Классификация и номенклатура жирных кислот. Принципы химического
строения, биосинтеза и функции эйкозаноидов – простагландинов, лейкотриенов,
тромбоксанов, простациклинов. Ацилглицериды. Фосфолипиды. Гликолипиды.
Стерины, желчные кислоты, стероидные гормоны, витамины группы D.
Особенности строения и биолог ические функции высших жирных кислот.
Незаменимые высшие жирные кислоты. Триацилглицеролы: строение,
биоло гические функции, локализация в о рганизме. Фосфолипиды: фун кция,
основные принципы строения, физико- химические свойства, основные
классы (глицерофосфолипиды и сфинголипиды). Стерины: химическое
строение, фун кции, принципы классификации. Желчные кислоты:
13
химиче ское стро ение, классифи кация, общая с хема био синтеза, конъюгация
с глицином и цистеином , роль желчных кислот в переваривании и
всасывании жиро в. Ресинтез триацилглицеринов и образование
эстерифицированного холестерина. Липопротеины плазмы крови человека:
определение, принципы структурной о рганизации, классифи кация. Синтез
триглицеридов и г лицерофосфолипидов: последовательность реакций,
характеристика ферментов , источники глицерина и жирных кислот,
механизмы рег уляции. Метаболизм высших жирных кислот (ВЖК). Этапы
катаболизма ВЖК. Активация ВЖК, стро ение, свойства и механизм
действия ацил-Ко А-синтет азы, регуляция её активности. Дальнейшая судь ба
ацил-КоА. Типы о кисления ВЖК: α-, β- и ω-о кисление. Механизм
транспорта ацил-КоА через мембран у м итохондрий, строение, механизм
действия и рег уляция активности ацилкарнитинтрансфераз.
Митохондриальное β-о кисления ВЖК: последовательность реакций,
характеристика ферментов , структурно -функциональная организация
процесса, сопряжение с циклом трикарбоновых кислот и окислительным
фосфорилированием. Особенно сти митохондриального β-окисления
ненасыщ енных ВЖК и ВЖК с нечетным число м атомо в . Перо ксисо мальное
β-окисление. Механизмы о бразования непредельных ВЖК в о рганизме
человека. Ацил- КоА-о ксигеназа. Стр уктура, регуляция активности и
экспрессии и фун кциониров ание десат ураз жирных кислот.
Пути по ступления, использования и выведения холестерина. Биосинтез
холест ерина, его этапы, последовательность реакций, характе ристик а
ферментов, лимитирующие стадии. Значение промежуточны х метаболито в
биосинтеза холест ерина для о бразования убихинона и долихола. Регуляция
биосинтеза холестерина. Естественные и синтетические ингибиторы
био синтеза холест ерина к ак лекарств енные препараты .
Эйко заноиды: определение, класси фикация, характери стика, п ути
биосинтеза и биологические фун кции отдельных представителей
(простагландины, тромбоксаны, простациклин, лейкотриены). Ингибиторы
синтеза эйкозаноидо в как лекарственны е препараты .
Обмен сфинго липидов, синтез церамида и его производных, наследственные
и приобретенные нарушения метаболизма сфинголипидов. Обмен
гликолипидов, кардиолипина и плазмалогена.
Стероиды: строение, ном енклатура. Ферменты биосинтеза стероидов,
мо нооксигеназные системы. Механизм действия стероидных го рмонов.
Био логические мембраны.
Основные мембраны клетки и их ф ункции. Структ ура компо нентов
плазматически х мембран. Ам фифильны е молекулы. Их поведение в во дной
фазе. Образование липидного бислоя. Ном енклатура липидов мембран.
Фо сфоглицериды, кардиолипин. Сфинголипиды, гликолипиды. Белки
мембран. Белок/липидное о тнош ение. Белки интегральные, периферические.
Связь периферических белков с мембрано й. Заякоривание. Типы
расположения интегральных белков в мембран ах. Ф ункции мембранных
белков. Рецепторы как интегральные белки. Цитоскелет на примере мембран
эритроцито в. Белки клеточно й адгезии. Две основные ветви синтеза
мембранны х белков .
Архитектоника и о бщие свойства мембран. Мозаичная модель. Способность
к самосборке. По движность. Асимметри я липидо в и белков в составе
мембраны. Избирательная проницаемость.
14
Механизмы переноса веществ через мембраны. Унипорт, симпорт, антипорт.
Пассивный транспо рт, простая диффузи я, облегченная дифф узия, мо дель
«пинг-по нг».
9. Энергетический обмен
Макро эргические соединения: определение, примеры, типы
вы со коэнергетически х связей (фосфоди эфирн ая, тиоэфирная,
фосфоамидная), причины их нестабильности и энергия гидролиза. Молекула
аденозинтрифосфорно й кислоты (АТФ) как основная форма сохранения
химиче ской энергии в клетке. Участи е АТФ в реакциях энергетического
сопряжения. Способы синтеза АТФ в живых о рганизмах (реакции
фосфорилирования): субст ратное фосфорилирование,
фотофосфорилирование, окислительное фосфорилирование.
Электро химический по тенциал и протондвиж ущая сила. Протон-зависимый
синтез на мембранах - основной источник о бразования АТФ в живых
организмах. H+-переносящая АТФ -синтетаза: био ло гическая ро ль, стро ение,
механизм синтеза АТФ, особенности ферментов прокариот, митохондрий и
хлоропластов. Транспорт АТФ и АДФ через мито хондриальные мембраны.
Роль м итохондриальной креатинкиназы.
Светозависимые способы формирования протонного градиента на
мембранах. Бактериородопсин.
Окислите льное фо сфорилиро вание: сущ но сть процесса, обобщенная схем а,
субстраты, коэффициент Р/О. Окислительно-восстановительный механизм
формирование протонного градиента. Цепь переноса электронов
(дыхательная цепь) митохондрий. Источники электро нов для
функциониров ания дыхательной цепи. Сопряжение транспорта электро нов и
протонов. Структурно -функцио нальная организация дыхательной цепи.
Особенности состава, строения и фун кций о тдельных компо нентов
дыхательной цепи. Кофакторы, принимающие участие в переносе протонов
и электро но в. Представление о механиз мах трансмемб ранного транспорта
протонов в дыхательной цепи. Взаимосвязь фун кционирования дыхательной
цепи и не входящих в неё митохондриальных флавин-зависимых
дегидрогеназ. Дегидрирование субстрат ов как по дготовительный этап для
функциониров ания системы окислительного фосфорилирования. Субстраты
общего пути катаболизма (пируват, ацетил-КоА), основные источники их
образо вания в клетке.
Цикл трикарбоно вых кислот (ЦТК): последовательность реакций,
харак теристи ка ф ерменто в. Ключевые р еакции ЦТК. Энергетич еский в ы ход
окислительно го распада ацетил- КоА.
Окислительно е декарбоксилирование пирувата.
Био трансформация ксенобиотиков.
Активные формы кислоро да (АФК): синглетный кислород, пероксид
во дорода, гидроксильный радикал). Повреждение мембран активными
формами кислоро да. Перекисное о кисление липидов (ПОЛ): механизм,
влияние на стр укт уру и св ойства мембран. Защита мембран о т ПОЛ и
репарация о кислительны х по вреждений. Окислительное по вреждение белков
и н уклеиновы х кислот при участии АФ К. Ферментная антиоксидантная
система (кат алаз а, суп еро ксиддисм ут аза , глут атионперо ксидаза).
Неферментная антиокси дантная система (глут атион, витамины А, Е, С).
10. Вит амины и антибиотики.
15
Основные вопро сы. Определение, классификация, механизмы действия.
Характеристика от дельны х витаминов: химическое строение,
структурно-функциональные взаимодействия.
11. Профориентация: Организации и учреждения НАН Беларуси, концерна
Белбиофарм, Минздрава РБ – направления научно-практической деятельности,
связанной с биохимией
Информационная часть
Основная литература
1. Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, Т.1-3, 1985
2. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. М:, 1999
3. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. М.:, 2000
4. Кольман Я., Рем К.Г. Наглядная биохимия. М.: Мир, 2003
Дополнительная литература
1. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М., Просвещение, 1987
2. Мецлер Д. Биохимия. М., Т.1-3, 1980
3. Страйер Л. Биохимия. М., Мир, 1985
16