Программа курса (внутренний ресурс)

Учебно-методическое объединение вузов РБ по экологическому образованию
Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Ректор Белорусского государственного
университета
________________ С.В. Абламейко
«____» ____________ 2008 г.
Регистрационный № УД-______/уч.
Экологическая биохимия
Учебная программа для специальности:
1-33 01 01 Биоэкология
СОГЛАСОВАНО
Председатель УМО вузов по
экологическому образованию
_____________ С.П. Кундас
«____» __________ 2008 г.
2008 г.
СОСТАВИТЕЛЬ:
Наталия Михайловна Орел, доцент кафедры биохимии Белорусского
государственного университета, кандидат биологических наук, доцент.
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Кафедра биохимии и биофизики Учреждения образования «Международный
государственный экологический университет имени А.Д. Сахарова»;
Римма Анатольевна Желдакова – доцент кафедры микробиологии
Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук,
доцент.
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОЙ:
Кафедрой биохимии Белорусского государственного университета
(протокол № 14 от 17 октября 2008 г.);
Научно-методическим советом Белорусского государственного университета
(протокол № от
2008 г.);
Научно-методическим советом по специальностям 1-33 01 01 Биоэкология и
1-33 01 02 Геоэкология Учебно-методического объединения вузов РБ по
экологическому образованию
(протокол № от
2008 г.).
Ответственный за выпуск: Орел Наталия Михайловна.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
При подготовке специалистов-биоэкологов целесообразно ознакомить студентов с
интересной и быстро накапливающейся информацией на стыке биохимии, химии и
экологии. Это важное теоретически и практически направление исследований оформилось,
начиная с 70-х годов прошлого века, в системную науку - экологическую биохимию
(биохимическую экологию). Несмотря на выделение некоторыми учеными двух наук, до
сих пор окончательно не сделаны акценты в сторону разделения сфер интересов между
ними. Это объясняется тем, что большинство проблем в одинаковой степени относятся как
к компетенции экологической биохимии, так и биохимической экологии. Круг вопросов,
решаемых в рамках этих наук велик. Это эколого-биохимические механизмы
взаимодействий в природных экосистемах (все виды коммуникаций, защиты, регуляции
пищевого, полового, материнского, агрессивного поведения, размножения и др. с помощью
химических веществ как внутри популяции, так и между представителями разных
таксонов). Знания в этой области позволяют разрабатывать пути направленной
хеморегуляции численности и поведения организмов в природных и искусственных
экосистемах не выходя за рамки природоохранной деятельности. Интенсивно
изучаются особенности метаболизма организмов самых разных систематических групп,
различающихся типом питания, способами получения и запасания энергии, обитающих в
разных географических зонах и занимающих определенные экологические ниши. Научный
поиск в этом направлении дает материал для анализа адаптивных биохимических
механизмов выживания в разных условиях среды. Теоретическую и практическую
значимость имеют исследования влияния на организм, популяцию, экосистему веществ,
загрязняющих биосферу, Раскрываются механизмы биотрансформации чужеродных
соединений в биологических системах разного уровня организации. Накопившаяся
информация ставит перед экологической биохимией еще одну задачу – разработку
эффективных способов повышения устойчивости (резистентности) организмов к
неблагоприятным воздействиям среды путем поддержания в норме или направленного
восстановления физиологических и биохимических процессов.
Для того чтобы эффективно использовать эколого-биохимические подходы для
решения широкого круга задач, необходимо обладать компетентностью в самых
разнообразных областях, глубокими базовыми знаниями биохимии, экологии,
микробиологии, зоологии, ботаники, физиологии растений и животных, ксенобиологии,
аспектов физико-химической биологии, биофизики, математики,
компьютерных
технологий и др. В связи с этим спецкурс предназначен для студентов-биоэкологов 5-го
курса, уже получивших подготовку по вышеуказанным учебным дисциплинам. Анализируя
новейшие сведения по теоретическим и практическим эколого-биохимическим проблемам,
обобщая опыт и знания в области самых современных подходов и технологий исследования
организменных и надорганизменных
биосистем, спецкурс касается и сложных для
биоэкологов моментов, требующих знаний дисциплин, не входящих в программы
биологического факультета. Таким образом, подобный курс может быть рассмотрен как
форма сочетания и взаимного дополнения знаний в рамках, предусмотренных
классическими фундаментальными университетскими программами для биоэкологов, с
современными, динамичными и развивающимися прикладными аспектами на стыке
широкого спектра дисциплин. Он призван ознакомить студентов с самыми различными
идеями и подходами с целью обеспечения возможностей не только их применения, но и
дальнейшего развития новых направлений экологической биохимии.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
знать:
- методологию эколого-биохимических исследований;
- эколого-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах: все
виды коммуникаций, защиты, регуляции поведения с помощью химических веществ как
внутри популяции, так и между представителями разных таксонов в экосистеме и их
значение;
- теоретическую и практическую значимость исследований влияния на организм,
популяцию, экосистему веществ, загрязняющих биосферу, механизмы биотрансформации и
биодеградации ксенобиотиков, судьбу поллютантов в биосфере.
способы
повышения
устойчивости
(резистентности)
организмов
к
неблагоприятным воздействиям среды.
уметь:
- использовать методы теоретического и экспериментального исследования для
изучения различных аспектов экологической биохимии;
- использовать новейшие достижения в области экологической биохимии в реальных
экологических ситуациях для формулирования и решения практических задач.
Изучение курса проводится по блочно-модульному принципу с выделением пяти
основных блоков (модулей). 1. Введение. 2. Молекулярные механизмы взаимодействий в
природных экосистемах. 3. Общее представление об эколого-биохимических проблемах
качества питания. 4. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и
биодеградации ксенобиотиков. 5. Судьба загрязняющих веществ в биосфере.
При чтении лекционного курса необходимо применять наглядные материалы в виде
таблиц и рисунков для графопроектора, мелового рисунка, а также использовать
технические средства обучения для демонстрации слайдов, презентаций.
Для организации самостоятельной работы студентов по курсу следует использовать
современные информационные технологии: разместить в сетевом доступе комплекс
учебных и учебно-методических материалов (программа, методические указания к
лабораторным занятиям, список рекомендуемой литературы и информационных ресурсов,
задания в тестовой форме для самоконтроля и др.).
Лабораторные занятия предусматривают освоение методов, позволяющих оценить
состояние и эффективность системы биотрансформации ксенобиотиков при поступлении
чужеродных веществ в биосистему, применение статистической обработки данных. В
случае демонстрационных занятий – обеспечение концептуальными моделями, слайдами,
программами.
Эффективность самостоятельной работы студентов целесообразно проверять в ходе
текущего и итогового контроля знаний в форме устного опроса, написания рефератов,
решения задач, тестового компьютерного контроля по темам и разделам курса (модулям).
Для общей оценки качества усвоения студентами учебного материала рекомендуется
использование рейтинговой системы.
Учебный курс рассчитан на 44 часа: 26 часов лекций, 14 часов лабораторных занятий
и 4 часа контроля самостоятельной работы студентов (КСР).
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
№
разделов
и тем
1.
2.
3.
Наименование разделов и тем
Всего
Введение
Молекулярно-биохимические
механизмы
взаимодействий
в
природных экосистемах
Общее представление об экологобиохимических
проблемах
качества
питания
2
8
4
Аудиторные часы
ЛабораЛекции торные
занятия
2
8
4
КСР
2
4.
5.
Эколого-биохимические
аспекты
биотрансформации и биодеградации
ксенобиотиков
Судьба загрязняющих веществ в
биосфере
ИТОГО:
24
10
2
2
44
26
14
2
14
4
1. Введение
Экологическая биохимия: круг проблем, подходы и методы решения. Связь с
другими науками.
2. Молекулярно-биохимические механизмы взаимодействий в природных
экосистемах
Эколого-биохимическая характеристика возможностей хеморецепции и
хеморегуляции. Классификация хеморегуляторов. Использование химических веществ
для регуляции численности и поведения организмов в экосистемах . Регуляция
поведения (пищевого, полового, материнского, агрессивного) с помощью химических
веществ. Коммуникация с помощью хеморегуляторов: половые феромоны, следовые
феромоны, феромоны тревоги, агрегационные феромоны, феромоны для мечения
территории и др. - примеры химической структуры и использования. Абсолютная и
относительная специфичность действия. Эколого-биохимические отношения между
живыми существами. Внутривидовые и межвидовые взаимодействия с помощью
хеморегуляторов.
Эколого-биохимическая характеристика механизмов защиты. Природные токсины
таксономически различных групп организмов и их действие (на примерах использования
белков, пептидов, гликозидов, терпеноидов. фенолов, хинонов, алкалоидов и др.).
Накопление и использование вторичных метаболитов.
Биохимия пищевого поведения. Углеводы, органические кислоты, таннины, масла,
изофлавоны, алкалоиды и др., как детерренты и аттрактанты. Структура некоторых
веществ, определяющих запах и вкус. Природные и синтетические вещества,
обладающие сладким вкусом. Интенсификаторы и модификаторы вкуса. Экологическая
роль детеррентов и аттрактантов. Использование химических веществ для регуляции или
направленного управления экосистемой в рамках природоохранной деятельности
3. Общее представление об эколого-биохимических проблемах качества
питания
Нежелательные (токсичные) составляющие природных продуктов питания.
Ксенобиотики, поступающие в продукты питания из окружающей среды и при
промышленном изготовлении. Предельно допустимые концентрации. Биохимическая
характеристика наиболее опасных токсинов организмов, развивающихся на продуктах
питания. Токсины организмов, загрязняющие питьевую воду.
4. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и биодеградации
ксенобиотиков
Структурно-функциональная организация системы биотрансформации чужеродных
соединении. Общие механизмы обезвреживания полярных и липофильных ксенобиотиков.
Главные звенья системы обезвреживания. Уровни изменений в организме при внедрении
ксенобиотика. Критерии оценки состояния системы обезвреживания чужеродных
соединении. Биохимические механизмы детоксикации растворимых и липофильных
ксенобиотиков. Микросомальное обезвреживание. Микросомальные цепи переноса
электронов. Открытие цитохрома Р-450, его характеристика, локализация,
классификация, особенности субстратной специфичности, изоферменты. Биосинтез и
деградация цитохрома Р-450. НАДФН цитохром Р-450 редуктаза. Цитохром в5, его
характеристика и локализация. НАДН цитохром в5 редуктаза. Роль фосфолипидов мембран
в функционировании микросомальных оксигеназ. Модели общих механизмов
окисления на примере гидроксилирования ксенобиотиков в микросомах. Пути
метаболизма ксенобиотиков. 1-я фаза биотринсформации. Реакции окисления. N-, О-,
S-деалкилирование. Гидроксилирование циклических и алифатических соединений. Nокисление,
окислительное
дезаминирование,
S-окисление,
десульфатирование,
эпоксидирование. Системы окисления спиртов, альдегидов и алифатических циклических
веществ. Модификация химических веществ путем восстановления. Восстановление
нитросоединений, азосоединений и восстановительное галогенирование. Восстановление
альдегидов и кетонов, двойных связей, атомов с переменной валентностью, эпоксидов,
дегидроксилирование. Реакции гидролиза и разрыва циклических структур. Гидролиз
фосфорорганических веществ и эпоксидов.
Механизмы конъюгации - 2-я фаза биотрансформации. Внутриклеточная локализация
основных систем конъюгации. Доноры энергии. Характеристика реакций конъюгации:
глюкуронидной,
глюкозной,
глутатионовой,
с
аминокислотами, сульфатной,
метилирования, ацетилирования, фосфорилирования и др. Механизмы детоксикации
цианидов.
Детоксикация и токсификация веществ в процессе биотрансформации.
Пути образования и механизмы обезвреживания свободных радикалов и перекисей.
Псевдопероксидазные реакции и их роль в биотрансформации ксенобиотиков и эндогенных
соединений. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией.
Особенности метаболизма ксенобиотиков у филогенетически различных
организмов.
Способы повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным
воздействиям среды путем поддержания в норме или направленного восстановления
физиологических и биохимических процессов.
5. Судьба загрязняющих веществ в биосфере
Общая характеристика веществ антропогенного происхождения, загрязняющих
биосферу. Связь между структурой вещества и его особенностями как поллютанта. Ограниченность природной способности экосистем к детоксикации поллютантов. Воздействие
остатков поллютантов на экосистемы. Экологическая опасность биоразрушаемых
поллютантов и остатков неразложившихся поллютантов.
Информационная (информационно-методическая) часть
Темы лабораторных занятий (14 часов):
1. Влияние нитратов и нитритов на биохимические показатели крови (содержание
гемоглобина, метгемоглобина, нитрит йонов, активность щелочной фосфатазы,
аминотрансфераз).
2. Влияние нитратов и нитритов на активность ферментов антиоксидантной защиты
(СОД, каталазы, глутатионпероксидазы).
3. Влияние нитратов и нитритов на процессы перекисного окисления липидов.
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1.. Остроумов С.А. Введение в биохимическую экологию./ С.А. Остроумов Изд-во
Московского ун-та, 1986.
2. Харборн Дж. Введение в экологическую биохимию./ Дж. Харборн М.: Мир, 1985.
3. Саприн А.Н. Детоксикация ксенобиотиков в организме / А.Н. Саприн. Итоги
науки и техники. Общие проблемы физико-химической биологии. - М.: ВИНИТИ, 1990.
4. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию./
Г. Фелленберг Пер. с нем. - М.: Мир, 1997.
5. Голиков С.Н. Общие механизмы токсического действия / С.Н. Голиков, И.В.
Саноцкий, Л.А. Тиунов – Л.: Медицина, 1986.
6. Корте Ф. Экологическая химия. Основы и концепции./ Ф. Корте, М. Бахадир, В.
Клайн и др. Пер. с нем. М.: Мир, 1997.
7. Хочачка П., Сомеро Дж. Биохимическая адаптация /Пер. с англ./ – М.: Мир, 1988.
8. Федке К. Биохимия и физиология действия гербицидов. М: Агропромиздат, 1985.
Дополнительная:
1. Головенко Н.Я. Сравнительная биохимия чужеродных соединений./ Н.Я. Головенко,
Т.Л. Карасева. Киев: Наукова Думка, 1983.
2. Арчаков А.И. Микросомальное окисление./ А.И. Арчаков. М: Наука, 1975.
3. Голиков С.Н. Общие механизмы токсического действия./ С.Н. Голиков, И.В.
Саноцкий, Л.А. Тиунов. М: Медицина, 1986.
4. Ляхович В.В. Индукция ферментов метаболизма ксенобиотиков./ В.В Ляхович, И.Б
Цырлов. Новосибирск: Наука, 1981.
5. Юрин В.М., Кудряшов А.П. Ксенофитофизиология. Минск: БГУ, 1999.
6. Кобляков В.А. Цитохромы семейства Р-450 и их роль в активации проканцерогенов
/ В.А. Кобляков // Итоги науки и техники. Серия Биологическая химия. М.: ВИНИТИ, Т.35,
1990.
7. Гуляева Л.Ф. Микросомная монооксигеназная система живых организмов в
биомониторинге окружающей среды // Л.Ф. Гуляева, А.Ю. Гришанова, О.А. Громова, Н.М.
Слынько, В.А. Вавилин, В.В. Ляхович // Аналитический обзор, серия "Экология". Изд-во
ГПНТБ СО РАН, 1994, 101 с.
8. Guengerich F.P. Enzymology of Rat Liver Cytochrome P-450 // Mammalian Cytochrome
P-450 / Ed. Guengerich F.P. - Boca Raton: CRC Press, 1987. - P.2-54.
Разнообразную полезную информацию по экологической биохимии можно найти по
адресам:
9. www.msu.su. Московского государственного университета (включая доступ в
библиотеку)
10. http://isir.ras.ru/ - Интегрированная Cистема Информационных Ресурсов
Российской Академии Наук.
11. http://www.viniti.msk.su/ - Всероссийский Институт Научной и Технической
Информации (ВИНИТИ РАН).
12. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Pubmed - База научных данных в области
биомедицинских наук.