Прикладные аспекты молекулярной биологии

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Прикладные аспекты молекулярной биологии
НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП
240700 «Биотехнология»
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ, ПРОГРАММА) Биотехнология
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) Бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2012 г.
КУРС 4 СЕМЕСТР 6
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 4
ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б2.Б9., Б2.Б10, Б2.Б6, Б2.Б8, Б3.Б5
КОРЕКВИЗИТЫ ____________________________________________
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции
16 час.
Лабораторные работы
32 час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
48 час.
48 час.
ИТОГО 96 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ Очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ Экзамен
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра Биотехнологии и органической химии
2012г.
1. Цели освоения дисциплины
Цели изучения дисциплины «Прикладные аспекты молекулярной биологии» соответствуют следующим целям ООП «Биотехнология»:

Выпускник ОП на основе знаний, умений, навыков приобретает
компетенции, необходимые для самореализации в производственнотехнологической и проектной деятельности в области высокотехнологичных процессов получения современных лекарственных и медицинских
препаратов.

Выпускник ОП на основе знаний, умений, навыков приобретает
компетенции,
необходимые
для
самореализации
в
научноисследовательской и инновационной деятельности, связанной с выбором
необходимых методов исследования, модификации существующих и разработки новых способов создания инновационного продукта.

Выпускник образовательной программы на основе знаний, умений, навыков, приобретенных компетенций интегрирует знания в области
фундаментальных наук для решения исследовательских и прикладных задач применительно к профессиональной деятельности.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Прикладные аспекты молекулярной биологии» относится
к вариативной части математического и естественнонаучного цикла ООП
«Биотехнология».
Она связана со следующими дисциплинами: «Органическая химия»,
«Основы биохимии и молекулярной биологии», «Основы биотехнологии»,
«Основы биологии и микробиологии», а также с дисциплинами цикла «Биотехнология».
Для успешного освоения дисциплины студенты должны иметь четкие
знания по дисциплинам «Основы биохимии и молекулярной биологии», «Основы биотехнологии», выявляемые с помощью «входного» контроля. Кроме
того, студенты должны знать общую, неорганическую и органическую химию, химию биологически активных веществ.
Студентам необходимо обладать следующими навыками и компетенциями: работа с информацией в глобальных компьютерных сетях; понимание
роли охраны окружающей среды и рационального природопользования для
развития и сохранения цивилизации; использование знаний о современной
физической картине мира, пространственно-временных закономерностях,
строении вещества для понимания окружающего мира и явлений природы.
Пререквизиты дисциплины: «Органическая химия», «Химия биологически-активных веществ», «Общая биология и микробиология», «Основы биохимии и молекулярной биологии», «Основы биотехнологии».
3. Результаты освоения дисциплины
В процессе освоения дисциплины у студентов должны быть развиты компетенции:
1.Универсальные (общекультурные)
Способность самостоятельно совершенствовать и развивать свой интеллектуальный, общекультурный и профессиональный уровень, добиваться
нравственного и физического совершенствования своей личности;
Демонстрировать понимание вопросов устойчивого развития современной цивилизации, безопасности и здравоохранения, юридических аспектов, ответственности за инженерную деятельность, влияние инженерных решений на социальный контекст и социальную среду.
2. Профессиональные
Способность к овладению базовыми знаниями в области базовых естественных и технических наук, применение их в различных видах профессиональной деятельности;
Быть способным к планированию, проведению теоретических и экспериментальных исследований, обработке полученных результатов и представлению их в форме, адекватной задаче;
Быть способным к организационно-управленческой и инновационной
деятельности в биофармацевтической области, демонстрировать знания для
решения проблем устойчивого развития.
В результате освоения дисциплины студент должен
Знать:
 Структуру и функции информационных молекул в про- и эукариотических клетках;
 Механизмы передачи генетической информации, их нарушения и последствия;
 Механизм функционирования внутриклеточных органелл в процессе
синтеза белков;
 Аспекты использования организмов, полученных методами генной инженерии для синтеза биологически-активных веществ.
Уметь:
 Пользоваться научной и справочной литературой по курсу молекулярной биологии;
 Анализировать роль и последствия экзогенного воздействия на биосинтетические процессы в клетке;
Владеть:
 Методами количественного учета макромолекул в природных образцах;
 Методами выделения и идентификации молекул ДНК из живых клеток.
4. Структура и содержание модуля (дисциплины)
4.1 Содержание теоретического раздела дисциплины (лекции) - 16 час:
1. Введение. Определение термина молекулярная биология. История развития. Взаимосвязь с другими естественнонаучными дисциплинами. Объекты молекулярной биологии (1 час).
Входной контроль знаний студентов. Просмотр обучающих фильмов «Cell
inside» и «Невидимый мир» (1 час).
2. Молекула ДНК. Процессы репликации, рекомбинации, репарации, и
транскрипции. Регуляция экспрессии генов. История доказательства
генетической функции ДНК. Опыты Эвери, Херши и Чейз. Физические
свойства молекулы ДНК. Конформационные формы ДНК A, В, и Z, их
физические параметры. Неканоническая H-форма ДНК. Денатурация и
ренатурация ДНК. Hуклеотидные последовательности ДНК, определяющие конформацию ДНК, гибкость или жесткость молекулы. Кольцевые
молекулы ДНК и понятие о сверхспирализации ДНК. Топоизомеры ДНК,
их типы, механизмы действия топоизомераз. ДНК-гираза бактерий (1 часа).
3. Репликация ДНК у прокариот и эукариот.
Полимеразы, участвующие в репликации, характеристика их ферментативных активностей. Точность воспроизведения ДНК. Роль стерических
взаимодействий между парами оснований ДНК при репликации. Полимеразы I, II и III E.coli. Полимеразы ("мутазы"), обеспечивающие неточное
воспроизведение ДНК. Фрагменты Оказаки. Координации синтеза ДНК на
комплементарных нитях. Регуляция инициации репликации у E.соli. Понятие о репликоне. Pепликоны эукариот, изменчивость их размеров. Понятие о стационарныхх "репликативных фабриках". Роль метилирования
ДНК в регуляции репликации. Терминация репликации у бактерий. Особенности регуляции репликации плазмид. Двунаправленния репликация и
репликация по типу катящегося кольца. Ошибки репликации, обусловленные скольжением нитей при репликации (2 часа).
4. Транскрипция у прокариот и эукариот.
РНК-полимераза прокариот, ее субъединичная и трехмерная структуры.
Промотор генов прокариот, его структурные элементы. Стадии транскрипционного цикла. Инициация, образование “открытого комплекса”,
элонгация и терминация транскрипции. Сверхспирализация и транскрипция. Аттенуация транскрипции. “Рибопереключатели”. Механизмы терминации транскрипции. Полярные мутации. Негативная и позитивная регуляция транскрипции. Лактозный оперон. CAP-белок. РНК-полимеразы
эукариот I, II и III. Участие разных полимераз в транскрипции разных клеточных РНК. Понятие о цис- и транс-регуляции транскрипции. Белки - активаторы транскрипции. Комбинаторный принцип в регуляции транскрипции. Коактиваторы и корепрессоры. Методы "обратной генетики" в
развитии представлений о регуляции транскрипции у эукариот (2 часа).
5. Структура хроматина и регуляция активности генов.
Нуклеосома как единица структурной организации хроматина. Хроматосома. Нуклеосомы и транскрипция. Сборка нуклеосом при репликации
ДНК, ее этапы, нуклеоплазмин. Варианты белков-гистонов. Замещение
вариантов гистонов без репликации ДНК. Структура хроматина в районах
инициации репликации. Модификация структуры хроматина и процессы
репарации. Некодирующая РНК как структурный компонент хроматина.
Короткие РНК (21-23 нуклеотида) в организации структуры неактивного
хроматина (2 часа).
6. Природа генов и генетический код.
Что такое гены. Принцип комплементарности в структуре ДНК, ее редупликации и транскрипции. Поток генетической информации ДНК  РНК
 белок. Информационная (кодирующая) РНК, или мРНК. История расшифровки генетического кода. Основные свойства кода: триплетность,
код без запятых, вырожденность. Особенности кодового словаря, семьи
кодонов, смысловые и «бессмысленные» кодоны. Некодирующие РНК:
открытие, основные виды (рибосомные РНК, тРНК). Малые некодирующие РНК. Современный мир РНК (2часа).
7. Основные принципы структуры РНК. Генетические и негенетические
функции РНК.
Первичная структура. Модифицированные основания. Одноцепочечность.
Вторичная структура. Принцип комплементарности и отклонения от него.
«Дефекты» коротких двойных спиралей и отклонения от двуспиральной
структуры. Третичная структура. Структура тРНК. Структура рибосомных
РНК. Комплементарное воспроизведение первичной структуры в реакциях
репликации и обратной транскрипции. Кодирование первичной структуры
полипептидов (белков). Пространственное структурообразование. Функции специфического узнавания и связывания лигандов. Каталитические
функции (2 часа).
8. Структура рибосом. Рибосома как молекулярная машина.
Локализация рибосом в клетке. Рибосомные белки. Самосборка, ее последовательные этапы, независимое формирование РНК-доменов. Идентификация рибосомных белков на поверхности рибосомы методом иммунной
электронной микроскопии. РНК-РНК-контакты при ассоциации рибосомных субчастиц. Рентгеноструктурный анализ рибосомных субчастиц и
полных 70S рибосом. Транслокация как проявление транспортной функции рибосомы. Крупноблочная подвижность рибосомы. Принцип смыкания – размыкания. Особенности молекулярных машин; тепловые движения как движущая сила. Отбор движений («демон Максвелла») в молекулярных машинах. Полный рабочий цикл рибосомы как молекулярной машины (1 часа).
9. Методы исследования структуры белков.
Методы определения аминокислотного состава и первичной структуры
белков. Масс-спектрометрия белков. Принципы метода, подготовка образцов к анализу. Реакции химической модификации функциональных
групп аминокислот. Методы специфической и неспецифической фрагментации полипептидной цепи - химические и ферментативные. Области
применения метода. Разделение пептидов, получаемых при расщеплении
белков. Определение N-концевых аминокислот. Метод Сэнгера. Определение С-концевых аминокислот и последовательностей. Автоматическое
секвенирование белков по Эдману. Локализация дисульфидных связей в
белках. Пептидное картирование. Методы изучения молекулярных комплексов. Методы и задачи протеомики (2 часа).
Содержание практического раздела дисциплины (лабораторные работы)
– 32 часа
1. Знакомство с устройством и принципом работы лаборатории молекулярной биологии (2 часа).
2. Выделение геномной ДНК из крови с использованием протеинкиназы К(10
часов).
3. Обнаружение ДНК вируса гепатита В методом ПЦР (10 часов).
4. разделение продуктов рестрикции и амплификации ДНК методом горизонтального электрофореза (10 часов).
4.2
Таблица 1.
Структура модуля (дисциплины)
по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы
1. Введение
2. Молекула ДНК. Про-
Аудиторная работа (час)
Лекции
Лаб. зан.
2
2
СРС
(час)
Контр.Р.
Итого
4
8
13
24
2
47
6
16
24
2
48
16
32
48
4
96
цессы репликации, рекомбинации, репарации, и
транскрипции. Регуляция
экспрессии генов
3. РНК и синтез белка.
Функции РНК и белков.
Итого
5. Образовательные технологии
Таблица 2.
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО
Лекц.
Методы
Лаб.
раб.
IT-методы
+
Работа в команде
Case-study
Игра
Методы проблемного обучения.
Обучение
на основе опыта
Опережающая самостоятельная ра+
бота
Проектный метод
Поисковый метод
Исследовательский
метод
Другие методы
* - Тренинг, ** - Мастер-класс
Пр. зан./
Сем.,
Тр*.,
Мк**
СРС
К. пр.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
6.1 Текущая СРС, направленная на углубление и закрепление знаний
студента, развитие практических умений, включает:
- работа с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и электронных
источников информации по индивидуально заданной проблеме курса;
- опережающая самостоятельная работа;
- изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
- подготовка к лабораторным работам;
- подготовка к контрольным работам, зачету.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
(ТСР), ориентированная на развитие интеллектуальных умений,
комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных
компетенций, повышение творческого потенциала студентов
- поиск, анализ, структурирование и презентация информации;
- исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях,
семинарах и олимпиадах;
6.2
- анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем теме.
6.2.
Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
Темы дисциплины, вынесенные на самостоятельную проработку
1. История доказательства генетической функции ДНК. Опыты Эвери,
Херши и Чейз.
2. Топоизомеры ДНК, их типы, механизмы действия топоизомераз.
3. Полимеразы I, II и III E.coli.
4. Участие разных полимераз в транскрипции разных клеточных РНК.
5. Короткие РНК (21-23 нуклеотида) в организации структуры неактивного хроматина.
6. Каталитические функции РНК.
7. Лактозный оперон. CAP-белок.
8. РНК-полимеразы эукариот I, II и III.
Темы индивидуальных заданий (рефератов)
1. Генная инженерия бактерий.
2. Получение инсулина человека с использованием генетически
модифицированных бактерий.
3. Получение гормона роста человека с использованием генетически
модифицированных бактерий.
4. Получение бычьего соматотропина.
5.
Получение
сахаров
с
использованием
генетически
модифицированных бактерий из органических отходов.
6.
Получение
спиртов
с
использованием
генетически
модифицированных бактерий из органических отходов.
7.
Получение
метана
с
использованием
генетически
модифицированных бактерий из органических отходов.
8. Генная инженерия эукариотических объектов.
9. Трансгенные растения.
10. Трансгенные животные.
11. Получение и применение стволовых клеток.
12. Белковые препараты медицинского назначения, получаемые из
молока.
13. Этические и социальные проблемы генной инженерии.
14. Генная терапия.
15. Безопасность окружающей среды и трансгенные организмы.
6.3
Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется в виде
самоконтроля студентов путем участия их в семинарах, анализа результатов
контрольных работ. Контроль со стороны преподавателя происходит при
проведении контрольных работ, защиты лабораторных работ, написании
реферата и его презентации.
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Самостоятельная
работа
студентов
обеспечивается
учебнометодическими материалами, рекомендованными как список основной, дополнительной литературы и электронных ресурсов.
6.4
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
При изучении дисциплины преподавателем оцениваются исходные знания студентов в следующих формах:
- входной контроль – проводится с целью выявления реальной готовности студентов к освоению данной дисциплины за счет знаний, умений и
навыков, сформированных ранее, а также для формирования корректирующих мероприятий процесса обучения для более ранних дисциплин;
- текущий (внутрисеместровый) контроль осуществляется при выполнении контрольных работ, вынесенных преподавателем в рейтинг-план, а также
путем проведения тестирования и защиты лабораторных работ.
- с целью определения соответствия приобретенных знаний, умений и
навыков, установленных целями дисциплины, проводится аттестация студентов в виде зачета.
В соответствие с рейтинг-планом дисциплины в 7 семестре осуществляется 2 рубежных контроля. Рубежные контроли проводятся в часы лабораторных работ в письменной форме.
В контрольную работу № 1 входят вопросы по разделу «Молекула
ДНК. Процессы репликации, рекомбинации, репарации, и транскрипции. Регуляция экспрессии генов».
В контрольную работу № 2 входят вопросы по разделу «РНК и синтез
белка. Функции РНК и белков»
По каждому рубежному контролю имеются 20 вариантов заданий. Вариант содержит теоретические вопросы, охватывающие блок тем, изученных
на лекциях и вынесенных на самостоятельное изучение.
Итог изучения курса – зачет – проводится в период экзаменационной
сессии, в устной форме. Фонд содержит билеты, куда включены теоретические вопросы, охватывающие материал двух блоков.
Примеры контролирующих материалов
Контрольная работа № 1
1. Hуклеотидные последовательности ДНК, определяющие конформацию
ДНК, гибкость или жесткость молекулы. Комплементарные пары оснований.
2. Молекулярные механизмы, координирующие клеточный цикл и репликацию ДНК.
3. Полимеразы, участвующие в репликации, характеристика их ферментативных активностей. Точность воспроизведения ДНК.
Контрольная работа № 2
1. РНК-полимераза прокариот, ее субъединичная и трехмерная структуры.
2. Химические реакции, приводящие к образованию пептидной связи в процессе биосинтеза белка.
3. Локализация рибосом в клетке. Прокариотический и эукариотический типы рибосом.
Пример зачетного билета
1. Полимеразы, участвующие в репликации у бактерий, характеристика их
ферментативных активностей. Точность воспроизведения ДНК.
2. Внешние сигналы (митогенные факторы, гормоны), регулирующие транскрипцию генов.
3. Каталитические функции РНК.
8. Рейтинг качества освоения модуля (дисциплины)
Таблица 3
Рейтинг-план освоения модуля (дисциплины) в течение семестра
Недели
Текущий контроль
Теоретический материал
Темы лекций
1
2
3
Введение
Входной контроль
знаний
студентов.
Просмотр обучающих фильмов «Cell
inside» и «Невидимый мир»
Молекула
ДНК.
Процессы репликации, рекомбинации,
репарации, и транскрипции. Регуляция
экспрессии генов
Баллы
Практическая деятельность
Темы лабораторных
работ
Баллы
Рубежные
контрольные работы
Итого
Баллы
Баллы
Знакомство с устройством и принципом
работы лаборатории
молекулярной биологии
Выделение геномной ДНК из крови с
использованием
протеинкиназы К
Выделение геномной ДНК из крови с
использованием
протеинкиназы К
5
5
4
Репликация ДНК у
прокариот и эукариот
5
Транскрипция
у
прокариот и эукариот
6
Структура хроматина и регуляция активности генов
7
Природа генов и генетический код
8
Основные принципы
структуры РНК. Генетические и негенетические функции
РНК
9
Структура рибосом.
Рибосома как молекулярная машина
10
Методы исследования структуры белков
11
Методы исследования структуры белков
12
Выделение геномной ДНК из крови с
использованием
протеинкиназы К
Выделение геномной ДНК из крови с
использованием
протеинкиназы К
5
5
5
5
Контрольная работа
Обнаружение ДНК
вируса гепатита В
методом ПЦР
Обнаружение ДНК
вируса гепатита В
методом ПЦР
разделение продуктов рестрикции и
амплификации ДНК
методом горизонтального электрофореза
разделение продуктов рестрикции и
амплификации ДНК
методом горизонтального электрофореза
разделение продуктов рестрикции и
амплификации ДНК
методом горизонтального электрофореза
разделение продуктов рестрикции и
амплификации ДНК
методом горизонтального электрофореза
5
5
5
5
5
Контрольная работа
Защита рефератов
15
10
40
15
10
Зачет
Сумма баллов в семестре
15
5
13
14
15
30
30
60
100
. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)
 основная литература:
1. Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. / Б. Глик,
Д. Пастернак. - М.: Мир, 2002. - 589 с.
2. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. / С.Н. Щелкунов. //М.: Мир,
2005.-200 с.
3. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология.- Москва: Издательство НИИ биомедицинской химии РАМН.- 2000.- 366 с.
4. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология.- Москва Медицинское информационное агенство. - 2003.- 544 с.
5. Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология. 2-ое издание
учебник для студентов вузов. Москва, Издательcкий центр “академия” 388
C.
6. Н.Грин, У. Стаут, Д. Тейлор. Биология (в 3-х томах) – М.: Мир, 1996.
7. Лабораторный практикум по общей биотехнологии. Часть 1. Сост. Л.В.
Тимощенко, М.В. Чубик. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 40 с.
 дополнительная литература:
1. Сассон А. Биотехнология – Свершения и надежды. М., Мир. –1987, 411 с.
2. Молекулярная клиническая диагностика. Методы. / Под редакцией
С.Херрингтона, Дж.Макги. – М.: Мир.-1999. - 558 с.
3. Покровский В.В. Методические рекомендации по проведению работ в диагностических лабораториях, использующих метод полимеразной цепной реакции. / В.В. Покровский, Н.А. Федоров, Г.А. Шипулин Бектимиров, В.В.
Блоха, А.Н. Куличенко.// Государственный комитет санитарноэпидемиологического надзора Российской Федерации. Москва, 1995 г.
 программное обеспечение и Internet-ресурсы:
1. Лекции в Power Point по дисциплине «Прикладные аспекты молекулярной биологии».
2. www.medbook.net.ru
3. www.molbiol.ru
4. www.djvu-inf.narod.ru
5. www.medicalherbs.sci-lib.com
10. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)
Материально-техническое обеспечение дисциплины включает ПЦР анализатор в реальном времени BioMS-01, автоклав, спектрофотометр, фотоэлектроколориметр, сушильный шкаф, световые микроскопы с иммерсионным объективом (10 штук), ламинарный бокс, рН-метр S-40K, компактный
автоклавируемый фермтер/биореактор, электроплитки, соответствующие реактивы и набор расходных материалов. Для выполнения самостоятельной работы студенты пользуются компьютерным классом, где имеется доступ к
информационным ресурсам, ограниченный квотами, введенными в ТПУ.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями
ФГОС
по
направлению
и
профилю
подготовки
_____________________________________________________________.