Дополнительная (ЛД) - Биологический факультет

Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан биологического факультета
________________ В.В. Лысак
«____» ____________ 2010 г.
Регистрационный № УД-______/р.
Биоэнергетика
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) __5_
Семестр (семестры) __9___
Лекции __26__________
Экзамен ___9___
(количество часов)
(семестр)
Практические (семинарские)
занятия __-__________
Зачет ____-_____
(количество часов)
(семестр)
Лабораторные
занятия ___14_________
Курсовой проект (работа) _-__
(количество часов)
КСР ___4________
(количество часов)
Всего аудиторных
часов по дисциплине __44____
(количество часов)
Всего часов
по дисциплине ___44________
Форма получения
высшего образования дневная
(количество часов)
Составила О.И. Губич, к.б.н.
ФИО, уч. степень, звание
2010 г.
Учебная программа составлена на основе учебной программы курса
“Биоэнергетика” от 26 октября 2006 г., регистрационный № 53.____________
Название учебной программы, дата утверждения, регистрационный номер
Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры
биохимии__________________________________________________________
название кафедры
“ ” июня 2010 г., протокол №
(дата, номер протокола)
Заведующий кафедрой
________________ И.В. Семак
(подпись)
Одобрена и рекомендована к утверждению учебно-методической комиссией
биологического факультета
____________________
(дата, номер протокола)
Председатель
________________ _В.Д. Поликсенова
(подпись)
(И.О.Фамилия)
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Биоэнергетика является одной из важнейших дисциплин в системе
подготовки
высококвалифицированных
специалистов-биохимиков,
поскольку дает информацию об источниках энергообеспечения процессов
жизнедеятельности,
регуляции
энергетических
процессов,
взаимопревращении различных видов энергии в живом организме.
Современная биоэнергетика тесно связана с биохимией, биофизикой,
микробиологией,
ксенобиологией,
мембранологией,
физиологией,
космической биологией. Изучение данной дисциплины позволяет расширить
научный кругозор студентов-биохимиков, способствует получению знаний и
практических навыков, необходимых для самостоятельного проведения
исследований на современном научно-методическом уровне.
Курс “Биоэнергетика” состоит из 4 частей: “Энергетические источники
жизни”, “Пути образования энергии в клетке”, “Основные пути
использования энергии в организме животных и человека”, “Интеграция и
регуляция энергетического метаболизма”. В первом разделе приводятся
данные о структуре и биологической роли различных макроэргических
соединений.
Вторая часть курса посвящена рассмотрению основных
биохимических путей образования макроэргических соединений в аэробных
и анаэробных условиях. В третьем разделе рассматриваются основные
процессы, протекающие в организме с затратой энергии. Четвертый раздел
посвящен механизмам регуляции и координации процессов энергетического
обмена.
Особое внимание в программе уделяется рассмотрению альтернативных
функций клеточного дыхания, роли активных форм кислорода в явлениях
запрограммированной гибели митохондрий, клеток и органов.
Программа курса составлена с учетом межпредметных связей и
программ по смежным дисциплинам химического и биологического профиля
(“Органическая химия”, “Биохимия”, “Физиология человека и животных”,
“Биохимия биологических мембран”, “Биофизика” и др.).
Цель курса – сформировать у студентов целостную систему знаний об
основных путях, механизмах регуляции и взаимосвязи энергетических
процессов в клетке.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен
знать
- источники энергетического обеспечения метаболизма в живых
системах
- разнообразие путей превращения энергии в живых клетках
- основные понятия, термины и законы биоэнергетики.
уметь
- использовать знания о способах преобразования энергии в живых
системах для выяснения функционального назначения процессов
энергообеспечения в живом организме
- использовать методы биоэнергетики в исследовательской практике.
При чтении лекционного курса необходимо применять технические
средства обучения для демонстрации слайдов и презентаций, наглядные
материалы в виде таблиц и схем.
Теоретические положения курса развиваются и закрепляются на
лабораторных занятиях, при выполнении которых студенты приобретают
навыки количественного и качественного определения содержания
важнейших макроэргов в биологическом материале, знакомятся с
современными методами изучения важнейших ферментов катаболизма и
исследования процесса окислительного фосфорилирования в дыхательной
цепи митохондрий.
Эффективность самостоятельной работы студентов целесообразно
проверять в ходе текущего и итогового контроля знаний в форме
коллоквиумов, тестового контроля по темам и разделам курса, написания
рефератов на заданные темы. Для общей оценки качества усвоения
студентами
учебного
материала
рекомендуется
использование
накопительной рейтинговой системы.
Программа рассчитана на 44 аудиторных часа: 26 лекционных часов, 14
часов лабораторных занятий и 4 часа контролируемой самостоятельной
работы студентов.
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА ПРОГРАММЫ
ВВЕДЕНИЕ
Общее представление об обмене энергии в живой клетке. История
развития учения о биологическом окислении.
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЖИЗНИ
Источники углерода и энергии в биологических системах. Многообразие
форм накопления и использования энергии в процессах жизнедеятельности.
Конвертируемые энергетические «валюты» живой клетки. Природа
макроэргических связей. АТФ - универсальная энергетическая ''валюта" в
биологических системах, главный химический посредник клетки,
связывающий между собой процессы, идущие с выделением и потреблением
энергии. Другие высокоэнергетические нуклеозид-5-трифосфаты и их роль.
Высокоэнергетические и низкоэнергетические фосфаты, высокополимерные
фосфаты.
2. ПУТИ ОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ
Энергетика клетки, использующей Δμн+ в качестве мембранной
конвертируемой
формы
энергии.
Внутриклеточная
локализация
энергетического обмена. Универсальная роль биологических мембран в
энергообеспечении животных, растительных и бактериальных клеток.
Химизм и баланс энергии при субстратном фосфорилировании.
Гликолиз - один из центральных метаболических путей у большинства
организмов. Молекулярные механизмы аккумуляции энергии в реакциях
субстратного фосфорилирования: окисление глицеральдегид-3-фосфата,
енолазная реакция гликолиза.
Фосфорокластические реакции.
Энергетическая значимость пентозофосфатного пути окисления
углеводов. Накопление энергии при окислительном декарбоксилировании
кетокислот (пировиноградной, а -оксоглутаровой).
Аэробное окисление органических веществ. Разнообразие субстратов,
окисляемых различными типами клеток. Взаимосвязь различных путей
превращения дыхательного субстрата. Цикл Кребса - амфиболический путь.
Генерирование высокоэнергетической фосфатной связи из сукцинил-КоА.
Анаплеротические реакции цикла трикарбоновых кислот: ферментативное
карбоксилирование пирувата, глиоксалатный путь. Энергообразующие
функции цикла трикарбоновых кислот, баланс энергии цикла Кребса.
Митохондрии, как преобразователи энергии. Химический состав и
структура митохондрий. Улътраструктура митохондриальной мембраны.
Реакции
переноса
электронов
окислительно-восстановительные
потенциалы. Окислительное фосфорилирование. Дыхательная цепь
транспорта электронов. Кислород как терминальный акцептор электронов.
Компоненты
дыхательной
цепи
(никотинамидадениндинуклеотид,
флавиннуклеотиды (ФАД и ФМН), кофермент Q, семейство цитохромов в, с,
с1, а, а3 и белки, содержащие негеминовое железо). Последовательность
расположения переносчиков электронов в редокс-цепи. 0кислительновосстановительные потенциалы и изменение свободной энергии.
Фракционирование и реконструкция комплексов дыхательной цепи:
комплекс I - НАДН-дегидрогеназа. Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа,
электронпереносящий флавопротеин). Убихинон и комплекс III (в,с1комплекс). Цитохром с и комплекс IV (цитохромоксидаза).
Другие ферменты клетки использующие в качестве акцепторов
электронов кислород. Локализация пунктов сопряжения в дыхательной цепи.
Характеристика состояний митохондрий. Пути использования Δμн+
образуемой
дыхательной
цепью.
Эффективность
окислительного
фосфорилирования (коэффициент Р/0, АДФ/0, дыхательный контроль).
Потребители Δμн+ (химическая, осмотическая, механическая работа).Δμн+ как источник энергии для образования тепла.
Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТФ.
Механизм сопряжения: химическая гипотеза, конформационная гипотеза.
Хемиосмотическая теория сопряжения. Генераторы мембранного потенциала
внутренней
мембраны
митохондрий,
их
механизм
действия,
цитохромоксидазный,
АТФазный,
трансгидрогеназный
генераторы).
Структура Н-АТФ-синтетазы. Функционирование F 0 и F1.
Разобщающие агенты, ингибиторы процессов окислительного
фссфорилирования. Жирные кислоты как разобщители окислительного
фосфорилирования.
Альтернативные пути транспорта электронов (лизосомы, пероксисомы,
микросомы).
3. ОСНОВНЫЕ ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В
ОРГАНИЗМЕ ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА
Альтернативные функции клеточного дыхания. Рассеивание энергии
дыхания при терморегуляции, дыхание как механизм образования полезных
соединений, дыхание как механизм обезвреживания вредных веществ,
дыхание как механизм ускоряющий эволюцию.
Явление запрограмированной смерти, роль активных форм кислорода.
Митоптоз – запрограмированная смерть митохондрий, апоптоз –
запрограмированная смерть клетки, органоптоз- запрограмированная
самоликвидация органов, феноптоз – запрограмированная смерть организма.
Мембранный транспорт. Типы переноса веществ через биологические
мембраны. Энергетическое обеспечение процессов мембранного транспорта.
Перенос через мембраны неорганических соединений.
Мышечное сокращение. Механизм мышечного сокращения. Энергетика
мышечного сокращения.
Промежуточные компоненты энергетического метаболизма - исходные
продукты для биосинтетических процессов. Этапы синтеза белков,
нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, протекающих с затратой энергии.
4. ИНТЕГРАЦИЯ И РЕГУЛЯЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
МЕТАБОЛИЗМА
Взаимосвязь различных типов энергетического обмена. Молекулярные
механизмы, лежащие в основе эффекта Пастера. Регуляция потоков
восстановительных эквивалентов между цитозолем и митохондриями.
Участие челночных систем в окислении немитохондриального НАД.
Транспортные системы митохондрий. Регуляция ЦТК (оксалоацетатом,
ацетил-К 0А, цитратом, системой нуклеотидов).
Неполное восстановление кислорода ведет к повреждению клеток.
Активные формы кислорода и оксидативная модификация макромолекул:
польза, вред и защита. Нефосфорилирующее дыхание как механизм,
предотвращающий образование активных форм кислорода.
№
п/п
1.
2.
3.
4.
Наименование
разделов, тем
Введение
Энергетические источники
жизни
Пути
образования энергии в
клетке
Основные пути
использования
энергии в организме
животных и человека
Интеграция
и
регуляция энергетического
метаболизма
Количество часов
Лекции Практич.
Лаб.
КСР
семинар занятия
2
2
4
14
10
4
2
2
4
26
14
4
Самост.
работа
1
1.
2.
3.
2
Введение
1.1. История развития учения о биологическом
окислении.
1.2. Общее представления об обмене энергии в
живой клетке.
1.3. Энергетический минимум жизни.
Энергетические источники жизни.
2.1. Природа макроэргических связей.
2.2.
Многообразие
форм
накопления
и
использования энергии в клетках.
2.3.
Внутриклеточная
локализация
энергетического обмена.
Пути образования энергии в клетке
3.1.
Гликолиз:
молекулярные
механизмы
аккумуляции энергии.
3.2. Фосфорокластические реакции.
3.3.
Энергетическая
значимость
пентозофосфатного пути окисления углеводов.
3.4. Накопление энергии при окислительном
декарбоксилировании -кетокислот.
3.5. Митохондрии как преобразователи энергии.
3
2
4
5
2
4
14
10
6
2
Формы контроля
знаний
Литература
Материальное
обеспечение занятия
(наглядные,
методические
пособия и др.)
управляемая
самостоятельная
работа студента
Название раздела, темы, занятия; перечень
изучаемых вопросов
практические
(семинарские)
занятия
лабораторные
занятия
Количество аудиторных часов
лекции
Номер раздела, темы,
занятия
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА
7
Слайды для
кадоскопа
8
[ЛО 1,4, 8
ЛД 2]
9
Слайды для
кадоскопа
[ЛО 1, 3,4]
Отчет по
лабораторной
работе
Раздаточный
иллюстративн
ый материал,
слайды для
кадоскопа
[ЛО 1, 3-5
ЛД 1]
Отчет по
лабораторной
работе,
выполнение
тестовых
заданий,
коллоквиум
4.
5.
Энергообразующие функции цикла Кребса,
баланс энергии, регуляция, анаплеротические
реакции.
3.6. Дыхательная цепь транспорта электронов.
Сопряжение работы дыхательной цепи с
процессом синтеза АТФ. Структура Н+-АТФазы.
Разобщающие агенты и ингибиторы процессов
окислительного фосфорилирования.
3.7. Альтернативные пути транспорта электронов.
Основные пути использования энергии в
организме животных и человека
4.1. Энергетика мембранного транспорта.
4.2. Энергетика мышечного сокращения.
4.3. Альтернативные функции клеточного
дыхания:
терморегуляция,
обезвреживание
чужеродных веществ, синтез биомолекул,
ускорение эволюционных процессов.
4.4.
Энергетическое
обеспечение
биосинтетических процессов.
Интеграция и регуляция энергетического
метаболизма.
5.1.
Взаимосвязь
различных
типов
энергетического обмена.
5.2. Участие челночных систем в окислении
немитохондриального НАДН.
5.3. Активные формы кислорода и оксидативная
модификация макромолекул: польза, вред и
защита. Нефосфорилирующее дыхание как
механизм,
предотвращающий
образование
активных форм кислорода. Роль активных форм
кислорода в процессе митоптоза,
апоптоза,
органоптоза и феноптоза
4
4
2
Раздаточный
иллюстративн
ый материал,
слайды для
кадоскопа
[ЛО 5, 6,
10
ЛД 1-5]
Рефераты
Раздаточный
иллюстративн
ый материал,
слайды для
кадоскопа
[ЛО 1-3, 8
ЛД 4]
Выполнение
тестовых
заданий
ИНФОРМАЦИОННАЯ ЧАСТЬ
Основная и дополнительная литература
№№
п/п
Список литературы
Год издания
Основная (ЛО)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Ленинжер А. Основы биохимии
Страйер Л. Биохимия
Кучеренко Н.Е., Войницкий В.М. Биоэнергетика
Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран
Марри Р. Биохимия человека
Эккерт Р., Рэндэлл Д. Физиология животных
Дэвид Дж. Биоэнергетика
Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. Молекулярная биология
клетки
Скулачев
В.П.
Биоэнергетика.
Мембранные
преобразователи энергии
Болдырев А.А. Введение в мембранологию
Геннис Р. Биомембраны: молекулярные структуры и
функции
1985
1985
1989.
1972
1993
1991
1985
1987
1989
1990
1997
Дополнительная (ЛД)
1.
2.
3.
4.
5.
Яковлев Н.Н. Химия движения
Де Дюв К. Путешествие в мир живой клетки
Кагава Я. Биомембраны
Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки
Сим Э. Биохимия мембран
1983
1987
1985
1987
1985
ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
1.
Количественное
определение
суммарного
содержания
основных
макроэргов в скелетной мускулатуре крыс (4 часа).
2. Определение активности пируваткиназы в скелетной мускулатуре крыс (4
часа).
3. Определение эффективности гликолиза в мышечной ткани крыс (2 часа).
4.
Оценка
интенсивности
окислительного
фосфорилирования
в
митохондриях печени крыс (4 часа).
КОНТРОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
(темы)
1. Основные пути использования энергии в организме животных и человека.
2. Пути образования энергии в клетке.
СТРУКТУРА РЕЙТИНГОВОЙ ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ
Итоговая оценка (минимум 4, максимум 10 баллов) определяется по
формуле:
Итоговая оценка = А х 0,4 + Б х 0,6, где
А – средний балл по лабораторным занятиям и КСР,
Б – экзаменационный балл.
Итоговая оценка выставляется только в случае успешной сдачи экзамена (4 балла и выше).
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.
ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ К УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЕ
ПО ИЗУЧАЕМОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
на ______/_______ учебный год
№№
п/п
Дополнения и изменения
Основания
Учебная программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры
биохимии (протокол __ от ________ 2010 г.)
Заведующий кафедрой
канд. биол. наук, доцент
(степень, звание)
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета
канд. биол. наук, доцент
(степень, звание)
_____________________
(подпись)
_____________________
(подпись)
И.В. Семак_
(И.О.Фамилия)
В.В. Лысак
(И.О.Фамилия)