КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «УТВЕРЖДАЮ» Проректор по учебной работе

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по учебной работе
______________В.С. Бухмин
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
КИНЕТИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ
Цикл СД
Специальность: биохимия – 012300, 020208
Принята на заседании кафедры биохимии
(протокол № 1 от 09 сентября 2009 г.)
Заведующий кафедрой
_________________________ (проф. Ф.К. Алимова)
Утверждена учебно-методической комиссией
биолого-почвенного факультета КГУ
(протокол № ___ от «____» ____________ 2009 г.)
Председатель комиссии
________________________ (О.А. Тимофеева)
Рабочая программа дисциплины «Кинетика и термодинамика ферментативных реакций»
Предназначена для студентов IV курса,
по специальности: 012300, 020208 - биохимия
по специализации: 012302, 012307-молекулярная биология;
012308, 012105-молекулярная фармакология
АВТОР: к.б.н. Темников Дмитрий Алексеевич
КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ:
Основной целью курса «Кинетика и термодинамика ферментативных реакций»
является
обеспечение
учащихся
фундаментальными
знаниями
и
современными
представлениями о законах термодинамики в биологических системах, молекулярных
основах
ферментативного
катализа
в
клетке,
видах
и
функциях
основных
высокоэнергетических молекул, подготоавливает к самостоятельной работе в области
энзимологии, биологической термодинамики, биофизики. Курс создает основу для
дальнейшей специализации в различных областях клеточной и молекулярной биологии.
Курс «Кинетика и термодинамика ферментативных реакций» предполагает, что
слушатели знакомы с курсами: «Биохимия», «Органическая химия», «Биоинформатика и
биометрия».
1. Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение дисциплины
«Биоэнергетика»:
•
знать классификацию термодинамических систем, законы термодинамики в
биологических системах, понятие термодинамического равновесия;
•
термодинамическое сопряжение реакций и тепловые эффекты в биологических
системах, термодинамику транспортных процессов;
•
знать теорию энергетического сопряжения;
•
знать свойства и структуру соединений-макроэргов;
•
ориентироваться
в
методах
расчета
термодинамических
характеристик
биохимических реакций;
•
знать теоретические основы кинетики ферментативных реакций и методы ее
расчета.
2
2. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах).
Форма обучения
очная
Количество семестров 1
Форма контроля
№
п/п
экзамен
Виды учебных занятий
Количество часов
8 семестр
1
Всего часов по дисциплине
80
2
Самостоятельная работа
32
3
Аудиторных занятий
48
В том числе
48
лекций
семинарских (или лабораторнопрактических)
-
3. Содержание дисциплины.
3.1. ТРЕБОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
СТАНДАРТА К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ
ПРОГРАММЫ
Индекс
Наименование дисциплины и ее основные разделы
Всего
часов
ДС.Ф.03 Кинетика и термодинамика ферментативных реакций.
Законы классической термодинамики в биохимии; теория
энергетического сопряжения, богатые энергии соединения;
термодинамическое равновесие; методы расчета
термодинамических характеристик биохимических реакций;
теоретические основы кинетики ферментативных реакций и
методы расчета
80
3.2. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
Количество часов
№
п/п
1
Название темы и ее содержание
лекции
Поток биологической энергии. Законы
термодинамики в биологических системах.
Метаболизм: понятие и функции
семинарские
(лабораторнопрактические)
занятия
2
3
2
3
4
5
6
4
5
6
7
Энтропия биологических систем. Проблема
энтропии, информации и биологической
упорядоченности
Понятие электрохимического потенциала. Методы
регистрации трансмембранной разности
протонного потенциала. Механизмы образования,
стабильности и изменения мембранного
потенциала
Процессы самоорганизации в распределенных
биологических системах.
Критерий самопроизвольности процесса.
Энергии связей и приближенные методы оценки
термодинамических величин.
Константы образования и константы диссоциации
молекул.
Механизм химической реакции. Изменение
свободной энергии при ферментативном катализе.
Соотношение кинетики и термодинамики в
процессах живой клетке. Кинетика как способ
изучения механизмов реакций
Химические реакции. Основные кинетические
законы. Скорость химической реакции, способы ее
выражения. Молекулярность реакции. Порядок
реакции. Реакции первого, второго, третьего и
нулевого порядков. Константа скорости реакции.
Размерности констант скорости. Закон
действующих масс. Анализ кинетических
результатов. Интегральный и дифференциальный
(Вант-Гоффа) методы обработки
экспериментальных данных. Обратимые и
последовательные реакции
Сопряженные последовательные реакции.
Измерение активности ферментов в сопряженной
последовательной реакции. Сопряженные системы
(СС) в биохимии. Переходные состояния в СС
Реакции в водных растворах при физиологических
условиях. Подвижности ионов водорода и
гидроксила. Влияние растворенных веществ на
структуру воды. Влияние воды на различные типы
взаимодействия между молекулами. Переходы
спираль-клубок
Стационарные состояния биологических систем.
Множественность стационарных состояний.
Устойчивость стационарных состояний
Кинетика ферментативных реакций. Условия
стационарности. Уравнение Михаэлиса-Ментен.
Применение метода графов для исследования
стационарной кинетики ферментативных реакций.
2
2
4
2
6
4
2
2
2
4
8
9
10
11
12
13
Влияние температуры на скорость реакций в
биологических системах. Взаимосвязь
кинетических и термодинамических параметров.
Влияние рН на ферменты. Кислотно-основной
катализ и рН-зависимости скорости реакции
Общие принципы анализа более сложных
ферментативных реакций. Специфичность
максимальных скоростей реакций, катализируемых
ферментами. Конформационная подвижность
молекул ферментов. Гипотеза индуцированного
соответствия Кошланда. Гипотеза
непродуктивного связывания.
Пространственная организация биополимеров.
Особенности пространственной организации
белков и нуклетиновых кислот. Молели
фибриллярных и глобулярных белков.
Количественная структурная теория белка.
Визуализация молекул. Интернет базы
биополимеров.
Соединения-макроэрги животных и растений. Роль
и функциональные формы.
Ингибиторы и активаторы ферментативных
реакций. Классификация ингибиторов. Обратимые
ингибиторы. Конкурентный тип торможения
ферментативных реакций. Неконкурентное
ингибирование. Смешанное ингибирование.
Бесконкурентное ингибирование. Графическое
представление результатов ингибирования. Метод
Диксона. Определение констант ингибирования.
Субстратное ингибирование ферментов.
Необратимые ингибиторы. Способы анализа
необратимого торможения. Необратимые
ингибиторы-аналоги субстрата. Защита фермента
субстратом и конкурентным ингибитором.
Ингибиторы с высоким сродством. Системы с
взаимным истощением. Кинетика ферментов,
прочно связывающих лиганды
Иммобилизированные ферменты (ИФ).
Синтетические и природные носители. Методы
иммобилизации (физические и химические).
Применение ИФ в промышленности, медицине,
мониторинге окружающей среды.
Итого:
2
4
6
2
4
2
48
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов МоскваИжевск, Институт компьютерных исследований, 2004. – 212 с.
2. Антонов В.Ф. Биофизика М.:ВЛАДОС, 2006.- 287 с.
3. Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика. Воронеж, 1994. - 135 с.
5
4. Болдырев А.А. Биомембраны и биоэнергетика. Глава IХ в учебнике: Т.Т. Березов,
Б.Ф. Коровкин. Биологическая химия. М.: Медицина, 1998. С.298-318.
5. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика. Издательско-торговый дом «Гранд»,
Изд-во «Фаир», Москва, 1999.
6. Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. М.: Мир, 1997. – 357
с.
7. Зинченко В.П., Долгачева Л.П. Внутриклеточная сигнализация. М.: Аналитическая
микроскопия, 2003. – 85 с.
8. Корниш-Боуден Э. Основы математики для биохимиков. М.:Мир, 1983. - 237 с.
9. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3 томах. М.: Мир, 1985. – 654 с.
10. Николайчик Е.А. Регуляция метаболизма. Минск, 2002. – 92 с.
11. Ревин В.В., Максимов Г.В., Колье О.Р. Биофизика: Учебник. Саранск: Изд-во
Мордов. ун-та, 2002. – 353 с.
12. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для вузов; изд.4. М.:
Дрофа, 2003. – 560 с.
13. Рубин А.Б. Лекции по биофизике. Учеб. пособие. М., 1994. - 160 с.
14. Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. 2-е изд., перераб. и доп. М.,
1984. - 285 с.
15. Эдсолл Дж., Гатфренд Х. Биотермодинамика. - М.: Мир, 1986. – 253 с.
16. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: Изд-во НИИ
Биомедицинской химии РАМН, 1999. – 256 с.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Alberts B., Bray D., Lewis J. et al. Molecular biology of the cell: third edition / Garland
Publ. Inc., London., 1994.
2. Свитцов А.А. Введение в мембранные технологии. М.: ДеЛи принт, 2007. – 280 с.
3. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989. – 324 с.
4. Темников Д.А. Мультимедийные технологии в изучении биологии. Часть I:
Мультимедийная обучающая программа «Основы биохимии: некоторые вопросы
биоэнергетики и метаболизма». Казань, 2002. – 24 с.
5. Темников Д.А., Мезина З.Р. Мультимедийная обучающая программа «Энергетика
живой клетки». - Казань: Казанский университет. - CD-ROM - 2003.
6
Приложение к программе дисциплины
«Кинетика и термодинамика
ферментативных реакций»
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ
1.
2.
3.
4.
Поток биологической энергии.
Законы термодинамики в биологических системах.
Метаболизм: понятие и функции.
Энтропия биологических систем. Проблема энтропии, информации и
биологической упорядоченности.
5. Понятие
электрохимического
потенциала.
Методы
регистрации
трансмембранной разности протонного потенциала.
6. Механизмы образования, стабильности и изменения мембранного потенциала.
7. Процессы самоорганизации в распределенных биологических системах.
Критерий самопроизвольности процесса.
8. Энергии связей и приближенные методы оценки термодинамических величин.
9. Константы образования и константы диссоциации молекул.
10. Механизм химической реакции. Изменение свободной энергии при
ферментативном катализе.
11. Соотношение кинетики и термодинамики в процессах живой клетке.
12. Кинетика как способ изучения механизмов реакций.
13. Химические реакции. Основные кинетические законы. Скорость химической
реакции, способы ее выражения. Молекулярность реакции. Порядок реакции.
14. Реакции первого, второго, третьего и нулевого порядков.
15. Константа скорости реакции. Размерности констант скорости. Закон
действующих масс. Анализ кинетических результатов.
16. Интегральный и дифференциальный (Вант-Гоффа) методы обработки
экспериментальных данных.
17. Обратимые и последовательные реакции
18. Сопряженные последовательные реакции. Измерение активности ферментов в
сопряженной последовательной реакции.
19. Сопряженные системы в биохимии. Переходные состояния в сопряженных
системах.
20. Реакции в водных растворах при физиологических условиях. Подвижности
ионов водорода и гидроксила.
21. Влияние растворенных веществ на структуру воды. Влияние воды на различные
типы взаимодействия между молекулами. Гидрофобные взаимодействия.
Переходы спираль-клубок.
22. Стационарные
состояния
биологических
систем.
Множественность
стационарных состояний. Устойчивость стационарных состояний
23. Кинетика ферментативных реакций. Условия стационарности.
24. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Применение метода графов для исследования
стационарной кинетики ферментативных реакций.
25. Влияние температуры на скорость реакций в биологических системах.
Взаимосвязь кинетических и термодинамических параметров.
26. Влияние рН на ферменты. Кислотно-основной катализ и рН-зависимости
скорости реакции.
27. Общие принципы анализа более сложных ферментативных реакций.
7
28. Специфичность
максимальных
скоростей
реакций,
катализируемых
ферментами.
29. Конформационная подвижность молекул ферментов.
30. Гипотеза индуцированного соответствия Кошланда.
31. Гипотеза непродуктивного связывания.
32. Пространственная организация биополимеров. Особенности пространственной
организации белков и нуклетиновых кислот.
33. Модели фибриллярных и глобулярных белков.
34. Количественная структурная теория белка.
35. Визуализация молекул. Интернет базы биополимеров.
36. Соединения-макроэрги животных и растений. Роль и функциональные формы.
37. Ингибиторы и активаторы ферментативных реакций. Классификация
ингибиторов.
38. Обратимые ингибиторы.
39. Конкурентный тип торможения ферментативных реакций.
40. Неконкурентное ингибирование.
41. Смешанное ингибирование.
42. Графическое представление результатов ингибирования. Метод Диксона.
43. Определение констант ингибирования.
44. Субстратное ингибирование ферментов.
45. Необратимые ингибиторы. Способы анализа необратимого торможения.
Необратимые ингибиторы-аналоги субстрата.
46. Защита фермента субстратом и конкурентным ингибитором.
47. Ингибиторы с высоким сродством. Системы с взаимным истощением.
48. Кинетика ферментов, прочно связывающих лиганды.
49. Иммобилизованные ферменты (ИФ). Синтетические и природные носители.
50. Методы иммобилизации (физические и химические).
8