Биологический факультет - Белорусский государственный

Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан биологического факультета
________________ В.В. Лысак
«____» ____________ 2010 г.
Регистрационный № УД-______/р.
Энзимология
Учебная программа (рабочий вариант) для специальности:
1-31 01 01 Биология
специализации 1-31 01 01 05 Биохимия
Факультет
биологический
(название факультета)
Кафедра
биохимии
(название кафедры)
Курс (курсы)
_____3
Семестр (семестры)
Лекции
5
Экзамен
24
(количество часов)
(семестр)
Практические (семинарские)
занятия
Зачет ________5______
(семестр)
(количество часов)
Лабораторные
занятия
8
Курсовой проект
(работа) ____________
(количество часов)
КСР
(семестр)
2
(количество часов)
Всего аудиторных
часов по дисциплине
34
(количество часов)
Всего часов
по дисциплине
78
Форма получения
высшего образования дневная
(количество часов)
Составил(а)
Т.А. Кукулянская, к.б.н., доцент
2010 г.
Учебная программа составлена на основе учебной программы «Энзимология»,
(название типовой учебной программы
04.11.2009 г, регистрационный № УД-G 2153/уч.
(учебной программы (см. разделы 5-7 Порядка)), дата утверждения, регистрационный номер)
Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры
биохимии
(название кафедры)
18.06.2010 г., протокол №11
(дата, номер протокола)
Заведующий кафедрой
________________
(подпись)
И.В. Семак
(И.О.Фамилия)
Одобрена и рекомендована к утверждению учебно-методической комиссией
биологического факультета
2010 г., протокол №
(дата, номер протокола)
Председатель
________________ В.Д. Поликсенова
(подпись)
(И.О.Фамилия)
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
В настоящее время энзимология – это обширная область знания, тесно
связанная практически со всеми направлениями современной биологии, а
также фармакологией и медициной. Целью энзимологии на современном этапе
является обобщение полученных ранее данных о структуре и механизме
действия ферментах, путях регуляции их активности, механизмах влияния на
каталитическую активность различных факторов. В данном курсе обобщены
имеющиеся в литературе данные о ферментах, рассматриваются методические
подходы к изучению структурно-функциональных особенностей ферментов, а
также вопросы, связанные с использованием биокатализаторов для решения
прикладных задач биологии, медицины и фармакологии, промышленности и
сельского хозяйства.
Программа курса составлена с учетом межпредметных связей и
программ по смежным дисциплинам подготовки специалистов-биологов,
предшествующих специализации по «Биохимии» («Органическая химия»,
«Физическая и коллоидная химия», «Цитология», «Гистология» и др.).
Цель курса - сформировать у студентов представление о
фундаментальной роли ферментов в обмене веществ и энергии, механизмах
реаклизации наследственной информации и регуляции и интеграции
процессов метаболизма в живых организмах.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
знать:
- принципы и особенности ферментатичного катализа;
- классификацию, номенклатуру и структуру ферментов;
- механизмы действия и пути регуляции ферментативной активности;
- методы выделения, очистки и количественной оценки ферментов;
- теоретическую и практическую значимость энзимологии.
уметь:
- использовать знания энзимологии для объяснения особенностей
протекания химических реакций в живых организмах как в норме, так и при
возникновении патологии, связанной с изменением ферментативной
активности;
- использовать современные методы получения ферментов из
биологического материала, провести количественную оценку ферментного
препарата;
- использовать
энзиматические
методы
исследований
в
экспериментальной биохимии.
При чтении лекционного курса необходимо применять технические
средства обучения для демонстрации слайдов и презентаций, наглядные
материалы в виде таблиц и схем.
Для организации самостоятельной работы студентов по курсу
необходимо 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.).
Теоретические положения лекционного курса развиваются и
закрепляются на лабораторных занятиях, при выполнении которых студенты
приобретают навыки работы с ферментными препаратами.
Программа курса рассчитана максимально на 78 часов, в том числе 34
часа аудиторных: 24 – лекционных, 8 – лабораторных занятий и 2 –
контролируемой самостоятельной работы.
I. ВВЕДЕНИЕ
Энзимология, ее содержание и задачи. Взаимосвязь энзимологии с
другими дисциплинами. История развития энзимологии. Ферменты как
биологические катализаторы. Особенности ферментативного катализа.
Ферменты как биологические катализаторы. Псевдоферменты.
Миниферменты. Рибозимы – небелковые катализаторы. Теломераза – РНКсодержащий фермент. Использование данных энзимологии в медицине,
сельском хозяйстве, промышленности.
Классификация ферментов и номенклатура, ее принципы. Современная
международная номенклатура ЕС. Общая характеристика классов ферментов.
Принципы деления на подклассы и подподклассы. Номенклатура ферментов.
II. СТРУКТУРА ФЕРМЕНТОВ
Структурная организация ферментов. Одно- и двухкомпонентные
ферменты.
Принципы пространственной организации апофермента. Участие белков
теплового шока в процессе формирования нативной конформации
полипептида. Мультидоменная организация ферментов. Формирование
активного центра ферментов. Конформационная подвижность белков. Силы,
участвующие в формировании трехмерной структуры активного центра.
Кофакторы: коферментв и простетические группы, их важнейшие типы и
представители. Коферменты – переносчики атомов водорода и электронов:
никотинамидные коферменты, флавиновые коферменты, липоевая кислота,
глутатион, убихинон. Коферменты – переносчики химических групп:
нуклеозидфосфаты, кофермент ацетилирования, тетрагидрофолиевая кислота,
пиридоксалевые коферменты. Коферменты синтеза, изомеризации и
расщепления углерод-углеродных связей: производные тиамина, биотин,
кобамидные коферменты.
Роль металлов в каталитическом действии ферментов. Ферменты для
действия которых требуется железо, медь, цинк, марганец, кобальт, селен и
другие.
III. ПРИНЦИПЫ И МЕХАНИЗМЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА
Отличия
ферментативного
катализа
от
неферментативного
Взаимодействие фермента с субстратом. Основное и переходное состояние.
Энергия активации. Соотношение между величиной энергии активации и
константой скорости реакции. Образование фермент-субстратного комплекса и
его роль в катализе. Взаимодействия между функциональными группами
фермента и субстрата и конформационные изменения, способствующие
стабилизации переходного состояния.
Типы ферментативного катализа и причины высокой каталитической
активности ферментов. Ускорение реакции за счет эффектов сближения и
ориентации, ковалентного катализа, внутримолекулярного кислотно-основного
катализа, эффекта конформационного соответствия. Теории ферментативного
катализа: теория конформационного соответствия фермента и субстрата,
теория индуцированного конформационного соответствия, теория напряжения,
теория
преимущественного
связывания
переходных
состояний.
Полифункциональный характер химических механизмов ферментативного
катализа.
Кислотно-основной катализ органических реакций (специфический и
обобщенный). Внутримолекулярный кислотно-основной катализ. Структура и
каталитический механизм карбоксипептидазы А. Каталитический механизм
пепсина: активация при отщеплении про-пептида. Структура и механизм
катализа триозофомфатизомеразы.
Ковалентный
катализ.
Нуклеофильный
катализ.
Механизм
каталитического действия сериновых протеаз. Электрофильный катализ.
Механизм электрофильного катализа аминотрансфераз с участием
приридоксаль-5-фосфата
и
пируватдегидрогеназы
в
присутствии
тиаминпирофосфата. Катализ ионами металлов. Сочетание элементов
электрофильного и нуклеофильного катализа.
Особенности биокатализа полифункциональными ферментами (NOсинтаза, цитохром Р450 и др.). Принципы и особенности функционирования,
организации и регуляции мультиферментных комплексов.
IV. ПУТИ И МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ
АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ
Уровни регуляции ферментативной активности. Регуляция путем
изменения количества ферментов и путем изменения их каталитической
активности.
Регуляция биосинтеза ферментов.
Активация проферментов. Ограниченный протеолиз. Механизм
активации панкреатических протеолитических ферментов. Каскад активации
проферментов. Каскад активации протеолитических факторов свертывания
крови.
Аллостерическая регуляция активности ферментов. Механизмы
аллостерических взаимодействий Регуляторные домены. Кооперативное
поведение ферментов.
Действие конкурентных ингибиторов.
Ковалентная модификация ферментов. Белок-белковые взаимодействия.
Гормональный контроль ферментативной активности. Роль вторичных
посредников в активации протеинкиназ.
Влияние на активность ферментов различных факторов. Зависимость
активности ферментов от рН, температуры, катионов и анионов. Активаторы и
ингибиторы ферментов.
V. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ФЕРМЕНТОВ
Организация ферментов в клетках и тканях. Внутриклеточная
локализация
ферментов.
Ферменты,
связанные
с
мембранами.
Мультиферментные системы и принципы их организации. Ферменты –
маркеры субклеточных фракций. Тканевая и органная специфичность в
распределении ферментов. Использование ферментов-маркеров в медицине и
научных исследованиях.
Выделение и очистка ферментов. Методы выделения, очистки и
разделения ферментов (хроматографические, электрофоретические). Критерии
чистоты ферментного препарата.
Методы определения ферментативной активности (химические,
поляриметрические,
хроматографические,
манометри-ческие,
спектрофотометрические,
флуоресцентные,
полярографические,
радиометрические). Количественная характеристика ферментов.
VI. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРМЕНТОВ И
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭНЗИМОЛОГИИ
Медицинская энзимология: энзимопатология, энзимодиагностика и
энзимотерапия. Применение ферментов в промышленности и сельском
хозяйстве. Иммобилизованные ферменты. Использование иммобилизованных
ферментов в промышленности, медицине и фармакологии. Ферментные
электролы и биосенсоры.
Перспективные направления развития современной энзимологии.
Химерные ферменты. Моделирование и конструирование 3D-структур
ферментов и активных центров. Разработка структурной классификации
ферментов. Каталитические антитела – абзимы. Получение и практическое
использование абзимов в биотехнологии и медицине.
№
п/п
Наименование
разделов, тем
Лекции
Введение
Структура
ферментов
III. Принципы и механизмы ферментативного катализа
IV. Пути и механизмы
регуляции активности ферментов
V. Методы
изучения
ферментов
VI. Практическое
использование ферментов и перспективы
развития
энзимологии
ИТОГО:
I.
II.
Количество часов
Аудиторные
Практич., Лаб.
КСР
семинар. занятия
Самост.
работа
2
4
8
8
2
10
6
2
10
2
6
8
8
2
24
8
2
44
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА
I.
ВВЕДЕНИЕ
Энзимология, ее содержание и задачи.
Взаимосвязь
энзимологии
с
другими
дисциплинами. История развития энзимологии.
Ферменты как биологические катализаторы.
Особенности ферментативного катализа.
Ферменты
как
биологические
катализаторы. Псевдоферменты. Миниферменты.
Рибозимы
–
небелковые
катализаторы.
Теломераза – РНК-содержащий фермент.
Использование данных энзимологии в медицине,
сельском хозяйстве, промышленности.
Классификация ферментов и номенклатура, ее
принципы.
Современная
международная
номенклатура ЕС. Общая характеристика классов
ферментов. Принципы деления на подклассы и
подподклассы. Номенклатура ферментов.
2
2
5
контролируемая
самостоятельная работа
студента
Материальное
обеспечение занятия
(наглядные,
методические пособия
и др.)
4
6
7
Слайды для
кадоскопа
Формы контроля
знаний
3
Литература
2
лабораторные
занятия
1
практические
(семинарские)
занятия
Название раздела, темы, занятия;
перечень изучаемых вопросов
лекции
Номер раздела,
темы, занятия
Количество аудиторных
часов
8
9
ЛО 1-5
ЛД 2-7,10
ИИ 1
1
II.
2
3
СТРУКТУРА ФЕРМЕНТОВ
Структурная организация ферментов.
Одно- и двухкомпонентные ферменты.
Принципы пространственной организации
апофермента. Участие белков теплового шока в
процессе формирования нативной конформации
полипептида. Мультидоменная организация
ферментов. Формирование активного центра
ферментов. Конформационная подвижность
белков. Силы, участвующие в формировании
трехмерной структуры активного центра.
Кофакторы: коферменты и простетические
группы, их важнейшие типы и представители.
4
Коферменты – переносчики атомов
водорода и электронов: никотинамидные
коферменты, флавиновые коферменты, липоевая
кислота, глутатион, убихинон. Коферменты –
переносчики
химических
групп:
нуклеозидфосфаты, кофермент ацетилирования,
тетрагидрофолиевая кислота, пиридоксалевые
коферменты. Коферменты синтеза, изомеризации
и расщепления углерод-углеродных связей:
производные тиамина, биотин, кобамидные
коферменты.
Роль металлов в каталитическом действии
ферментов. Ферменты для действия которых
требуется железо, медь, цинк, марганец, кобальт,
селен и другие.
2
2
4
5
6
7
8
Слайды для
кадоскопа
ЛО 1-5
ЛД 3,11,14
ИИ 2,3
Слайды для
кадоскопа
ЛО 1-5
ЛД 1-3, 68,14
ИИ 2,3
9
1
III.
2
3
ПРИНЦИПЫ
И
МЕХАНИЗМЫ
ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА
8
Отличия ферментативного катализа от
неферментативного Взаимодействие фермента с
субстратом. Основное и переходное состояние.
Энергия активации. Соотношение между
величиной энергии активации и константой
скорости реакции. Образование ферментсубстратного комплекса и его роль в катализе.
Взаимодействия
между
функциональными
группами
фермента
и
субстрата
и
конформационные изменения, способствующие
стабилизации переходного состояния.
2
Типы ферментативного катализа и
причины высокой каталитической активности
ферментов. Ускорение реакции за счет эффектов
сближения и ориентации, ковалентного катализа,
внутримолекулярного
кислотно-основного
катализа,
эффекта
конформационного
соответствия. Теории ферментативного катализа:
теория
конформационного
соответствия
фермента и субстрата, теория индуцированного
конформационного
соответствия,
теория
напряжения,
теория
преимущественного
связывания
переходных
состояний.
Полифункциональный характер химических
механизмов ферментативного катализа.
2
4
5
6
2
7
Слайды для
кадоскопа
8
9
ЛО 1-5
ЛД 1-4,6-8
ИИ 2
Зачет
ЛО 1-5
ЛД 1-4,6-8
ИИ 2
1
2
Кислотно-основной катализ органических
реакций (специфический и обобщенный).
Внутримолекулярный
кислотно-основной
катализ. Структура и каталитический механизм
карбоксипептидазы А. Каталитический механизм
пепсина: активация при отщеплении пропептида. Структура и механизм катализа
триозофомфатизомеразы. Ковалентный катализ.
Нуклеофильный
катализ.
Механизм
каталитического действия сериновых протеаз.
Электрофильный катализ. Механизм
электрофильного катализа аминотрансфераз с
участием
приридоксаль-5-фосфата
и
пируватдегидрогеназы
в
присутствии
тиаминпирофосфата. Катализ ионами металлов.
Сочетание
элементов
электрофильного и
нуклеофильного катализа.
Особенности
биокатализа
полифункциональными
ферментами
(NOсинтаза, цитохром Р450 и др.). Принципы и
особенности функционирования, организации и
регуляции мультиферментных комплексов.
3
4
5
6
7
8
2
ЛО 1-5
ЛД 1-4,6-8
ИИ 2
2
ЛО 1-5
ЛД 1-4,6-8
ИИ 2
9
1
IV.
2
3
ПУТИ И МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ
АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ
6
Уровни
регуляции
ферментативной
активности.
Регуляция
путем
изменения
количества ферментов и путем изменения их
каталитической активности.
Регуляция биосинтеза ферментов.
Активация проферментов. Ограниченный
протеолиз.
Механизм
активации
панкреатических протеолитических ферментов.
Каскад
активации
проферментов.
Каскад
активации
протеолитических
факторов
свертывания крови.
2
Аллостерическая регуляция активности
ферментов.
Механизмы
аллостерических
взаимодействий
Регуляторные
домены.
Кооперативное поведение ферментов.
Действие конкурентных ингибиторов.
Ковалентная модификация ферментов.
Белок-белковые взаимодействия.
Гормональный контроль ферментативной
активности. Роль вторичных посредников в
активации протеинкиназ.
Влияние на активность ферментов
различных факторов. Зависимость активности
ферментов от рН, температуры, катионов и
анионов. Активаторы и ингибиторы ферментов.
2
2
4
5
6
7
8
2
ЛО 1-5
ЛД 1-4,6-9
2
ЛО 1-5
ЛД 1-4,6-9
ЛО 1-5
ЛД 1-4,6-9
9
1
V.
VI.
2
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ФЕРМЕНТОВ
Организация ферментов в клетках и
тканях.
Внутриклеточная
локализация
ферментов. Ферменты, связанные с мембранами.
Мультиферментные системы и принципы их
организации. Ферменты – маркеры субклеточных
фракций. Тканевая и органная специфичность в
распределении
ферментов.
Использование
ферментов-маркеров в медицине и научных
исследованиях.
Выделение и очистка ферментов. Методы
выделения, очистки и разделения ферментов
(хроматографические,
электрофоретические).
Критерии чистоты ферментного препарата.
Методы определения ферментативной
активности (химические, поляриметрические,
хроматографические,
манометри-ческие,
спектрофотометрические,
флуоресцентные,
полярографические,
радиометрические).
Количественная характеристика ферментов.
ПРАКТИЧЕСКОЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ФЕРМЕНТОВ
И
ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ ЭНЗИМОЛОГИИ
Медицинская
энзимология:
энзимопатология,
энзимодиагностика
и
энзимотерапия. Применение ферментов в
промышленности
и
сельском
хозяйстве.
Иммобилизованные ферменты. Использование
иммобилизованных
ферментов
в
промышленности, медицине и фармакологии.
Ферментные электролы и биосенсоры.
3
4
5
2
6
2
6
6
7
8
ЛО 1-5
ЛД
1,2,12,13
ИИ 2
2
2
ЛО 1-5
ЛД
1,2,5,13
ИИ 2,3
9
1
2
Перспективные
направления
развития
современной энзимологии. Химерные ферменты.
Моделирование и конструирование 3D-структур
ферментов и активных центров. Разработка
структурной
классификации
ферментов.
Каталитические антитела – абзимы. Получение и
практическое
использование
абзимов
в
биотехнологии и медицине.
3
4
5
6
7
8
9
ИНФОРМАЦИОННАЯ ЧАСТЬ
Основная и дополнительная литература
№
№
п/п
Список литературы
Год
издания
Основная (ЛО)
1.
Диксон М. Ферменты
1982
2.
Ферш Э. Структура и механизм действия ферментов
1980
3.
Варфоломеев С.Д. Химическая энзимология
2005
4.
Кочетов Г.А. Практическое руководство по энзимологии
1980
5.
Полыганина Г.В. Определение активности ферментов
2003
Дополнительная (ЛД)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Безбородов А.М. Ферментативные процессы в биотехнологии
Березин И.В. Исследования в области ферментативного катализа и
инженерной энзимологии
Биохимия: Учебник для вузов. Е.С. Северин (ред.)
Галимова М.Х. Ферментатичная кинетина: справочник по механизмам
реакций
Иммобилизированные клетки и ферменты. Дж. Вудворда (ред.)
Клёсов А.А., Березин И.В. Ферментативный катализ. Ч. 1. – М.: Изд-во МГУ
Клёсов А.А. Ферментативный катализ. Ч .2. – М.: Изд-во МГУ
Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия
Коэн Р. Регуляция ферментативной активности
Номенклатура ферментов.
Плакунов В.Н. Основы энзимологии
Практикум по биохимии / Под ред. С.Е.Северина и Г.А.Соловьевой
Ферментные электроды. Итоги науки и техники ВИНИТИ.
Биотехнология. Т.13. М.
Фридрих П. Ферменты: четвертичная структура и надмолекулярные
комплексы
2008
1990
2006
2007
1988
1980
1984
2004
1986
1979
2001
1989
1988
1989
Рекомендуемые источники информации в Интернете (ИИ)
1.
2.
3.
www.chem.qmul.ac.uk/iubmb - биохимическая классификация и номенклатура
ферментов. Свободный доступ на сайте Международного союза биохимии и
молекулярной биологии
www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed - крупнейшую базу научных данных в области
биомедицинских наук MedLine, включая энзимологию
www.swissprot.com – свободный доступ к международной базе данных по
первичным и 3D структурам ферментов.
ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
1
Определение удельной активности пероксидазы из хрена.
Исследование влияния активаторов и ингибиторов на ее
активность.
4 часа
2
Исследование влияния концентрации субстрата и кофермента
на активность аланинаминотрансферазы, аспартатаминотрансферазы и лактатдегидрогеназы в сыворотке крови крыс.
2 часа
3
Исследование влияния температуры и рН среды на активность
аланинаминотрансферазы,
аспартатамино-трансферазы
и
лактатдегидрогеназы в сыворотке крови крыс.
2 часа
КОНТРОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
(тема)
1. Струкутура ферментов. Принципы и механизмы ферментативного катализа.
(Тестовые задания. Реферативная работа.)
ПРОТОКОЛ СОГЛАСОВАНИЯ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ
ПО ИЗУЧАЕМОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ СПЕЦИАЛЬНОСТИ
Название
дисциплины,
с которой
требуется
согласование
Название
кафедры
Предложения
об изменениях в
содержании учебной
программы
по изучаемой учебной
дисциплине
Решение, принятое
кафедрой,
разработавшей
учебную программу (с
указанием даты и
номера протокола)1
1.
ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ К УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЕ
ПО ИЗУЧАЕМОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
на _____/_____ учебный год
№№
пп
Дополнения и изменения
Основание
Учебная программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры
(протокол № ____ от ________ 200_ г.)
Заведующий кафедрой
_____________________ _______________ __________________
(степень, звание)
(подпись)
(И.О.Фамилия)
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета
_____________________ _______________ __________________
(степень, звание)
1
(подпись)
(И.О.Фамилия)
При наличии предложений об изменениях в содержании учебной программы по изучаемой учебной дисциплине