Дополнительная (ЛД) - Биологический факультет

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) __5-6_
Семестр (семестры) __10-11_
Лекции __36_________
Экзамен ___11___
(количество часов)
Практические (семинарские)
занятия __-__________
(семестр)
Зачет ____-_____
(количество часов)
Лабораторные
занятия ___-_________
(семестр)
Курсовой проект (работа) _-__
(количество часов)
(семестр)
Всего аудиторных
часов по дисциплине __36____
(количество часов)
Всего часов
по дисциплине ___36________
Форма получения
высшего образования заочная
(количество часов)
Составила О.И. Губич, к.б.н.
ФИО, уч. степень, звание
2010 г.
Учебная программа составлена на основе учебной программы курса
“Энзимология” от 1 марта 2007 г., регистрационный № __________________
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
Энзимология является одной из важнейших дисциплин в системе
подготовки
высококвалифицированных
специалистов-биохимиков,
поскольку дает информацию о структуре и механизмах действия ферментов,
путях регуляции их активности, механизмах влияния на каталитическую
активность различных факторов. Эти знания позволяют с использованием
современных биохимических, генетических и микробиологических методов,
а также методов математического моделирования конструировать
биологические катализаторы с заданными свойствами для промышленных и
научных нужд.
Современная энзимология – это обширная область знания, тесно
связанная практически со всеми направлениями современной биологии, а
также фармакологией и медициной. Изучение данной дисциплины позволяет
расширить научный кругозор студентов-биохимиков, способствует
получению знаний и практических навыков, необходимых для
самостоятельного проведения исследований на современном научнометодическом уровне.
Курс “Энзимология” состоит из вводной части и 10 разделов, дающих
полную информацию о структуре ферментов, механизмах ферментативного
катализа, путях регуляции скорости ферментативных реакций в клетке,
методах выделения ферментов, определения их активности, принципах
классификации и номенклатуры ферментов, перспективных направлениях
развития современной энзимологии.
Особое внимание в программе уделяется рассмотрению методических
подходов к выделению и очистке ферментов, изучению их структурнофункциональных особенностей, а также вопросов, связанных с
использованием биокатализаторов для решения прикладных задач медицины,
промышленности и сельского хозяйства.
Программа курса составлена с учетом межпредметных связей и
программ по смежным дисциплинам химического и биологического профиля
(“Органическая химия”, “Биохимия”, “Биотехнология ”, “Биофизика” и др.).
Цель курса – сформировать у студентов целостную систему знаний о
структуре, особенностях функционирования, механизмах регуляции и
классификации ферментов.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен
знать
- общие принципы выделения и очистки ферментов, основные методы
определения ферментативной активности
- особенности структурной организации простых и сложных ферментов
- основные положения ферментативной кинетики;
- принципы классификации и номенклатуры ферментов;
- основные пути регуляции скорости ферментативных реакций в клетке;
- основные направления развития современной энзимологии.
уметь
- использовать методы энзимологии для исследования ферментативных
процессов в биологических системах.
При чтении лекционного курса необходимо применять технические
средства обучения для демонстрации слайдов и презентаций, наглядные
материалы в виде таблиц и схем.
Программа рассчитана на 36 аудиторных лекционных часа.
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА ПРОГРАММЫ
ВВЕДЕНИЕ
Энзимология, ее содержание и задачи. Ферменты как биологические
катализаторы. Псевдоферменты. Миниферменты. Рибозимы – небелковые
катализаторы. Теломераза – РНК-содержащий фермент. Использование
данных энзимологии в медицине, сельском хозяйстве, промышленности.
ИММОБИЛИЗОВАННЫЕ ФЕРМЕНТЫ
Методы получения и свойства иммобилизованных ферментов, пути и
перспективы их практического применения (промышленные процессы с
использованием иммобилизованных ферментов и клеток, иммобилизованные
ферменты как лекарственны средства, иммобилизованные ферменты в
микроанализе, биосенсоры).
ОРГАНИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ В КЛЕТКАХ И ТКАНЯХ
Внутриклеточное распределение ферментов. Ферменты – маркеры
субклеточных фракций. Органная специфичность в распределении
ферментов. Ферментные системы и принципы их организации.
ВЫДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ФЕРМЕНТОВ
Методы выделения и очистки ферментов (хроматографические,
электрофоретические). Критерии чистоты ферментного препарата.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ
АКТИВНОСТИ
Химические, поляриметрические, хроматографические, манометрические, спектрофотометрические, флуоресцентные, полярографические и
радиометрические методы определения ферментативной активности.
Количественная характеристика ферментов.
СТРУКТУРА ФЕРМЕНТОВ
Уровни структурной организации ферментов и значение их в
осуществлении ферментами биологических функций. Изоферменты и
множественные формы ферментов. Одно- и двухкомпонентные ферменты.
Коферменты 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.
АКТИВНЫЙ ЦЕНТР ФЕРМЕНТА
Силы, участвующие в формировании трехмерной структуры активного
центра. Функциональные группы ферментов и их роль в катализе
(имидазольная группа гистидина, гидроксильная группа серина и тирозина, εаминогруппа лизина, сульфгидрильные и карбоксильные группы). Методы
идентификации функциональных групп ферментов. Использование
генноинженерных методов для определения аминокислот в активном центре
фермента. Направленный мутагенез.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФЕРМЕНТА С СУБСТРАТОМ
Фермент-субстратные комплексы. Специфичность действия ферментов.
Абсолютная и относительная специфичность. Стереоспецифичность.
Природные и синтетические субстраты. Суицидные субстраты.
МЕХАНИЗМ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА
Кислотно-основной катализ органических реакций (специфический
кислотно-основной катализ, обобщенный кислотно-основной катализ,
катализ льюисовскими кислотами или основаниями). Причины высокой
каталитической активности: ускорение реакции за счет эффектов сближения
и ориентации, ковалентного катализа, внутримолекулярного кислотноосновного катализа, эффекта конформационного соответствия. Теории
ферментативного катализа: теория напряжения, конформационного
соответствия.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ КИНЕТИКИ
Факторы, влияющие на активность ферментативных реакций
(температура, рН, концентрация фремента, концентрация субстрата).
Ингибирование и активация активности ферментов.
БИОХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ФЕРМЕНТОВ
Методические подходы к пониманию механизма действия ферментов.
Механизмы действия холинэстеразы, лизоцима, карбоксипептидазы А,
сериновых протеиназ, папаина и др. Особенности биокатализа
полифункциональными ферментами (NO-синтаза, цитохром Р450 и др.).
Принципы и особенности функционирования, организации и регуляции
мультиферментных комплексов.
ПУТИ РЕГУЛЯЦИИ СКОРОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ
РЕАКЦИЙ В КЛЕТКЕ
Регуляция биосинтеза ферментов. Индукция и репрессия ферментов.
Активные и неактивные формы ферментов. Ограниченный протеолиз.
Активация проферментов: пищеварительные ферменты и факторы
свертывания крови. Активация химотрипсиногена, механизм активации
профермента.
Активация
других
протеолитических
ферментов.
Координированная активация панкреатических проферментов. Свертывание
крови как каскад активации проферментов. Аллостерическая регуляция
активности ферментов и реализация принципа обратной связи. Регуляция
посредством посттрансляционной ковалентной модификации.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ И НОМЕНКЛАТУРА, ЕЕ
ПРИНЦИПЫ
Оксидоредуктазы.
Общая
характеристика
класса.
Ферменты,
действующие на спиртовую, альдегидную, кетонную и другие группы.
Трансферазы. Общая характеристика класса. Ферменты, переносящие
метильные, ацетильные, гликозильные, аминные, фосфатные и другие
группировки.
Гидролазы. Общая характеристика класса. Ферменты, гидролитически
расщепляющие сложно-эфирные, гликозильные, пептидные и другие связи.
Лиазы. Общая характеристика класса. Ферменты, расщепляющие связь
углерод-углерод, углерод-азот, углерод-кислород и др.
Изомеразы.
Рацемазы
и
эпимеразы.
Цис-транс-изомеразы.
Внутримолекулярные трансферазы.
Лигазы (синтетазы). Ферменты, осуществляющие синтетические
реакции, образующие связь С-О, С-N, C-S.
Перспективные направления развития современной энзимологии.
Химерные ферменты. Моделирование и конструирование 3D-структур
ферментов и активных центров. Разработка структурной классификации
ферментов.
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА ПРОГРАММЫ
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Наименование
разделов, тем
Количество часов
Лекции Практич.
Лаб.
КСР
семинар занятия
2
и
4
Введение
Выделение
очистка
ферментов.
Определение
ферментативной
активности
Иммобилизованные ферменты
Структура
ферментов
Коферменты
и
протетические
групппы
Активный
центр
фермента
Взаимодействие
фермента с субстратом.
Механизм
ферментативного катализа.
Биохимические и
физико-химические
механизмы
функционирования ферментов
Пути
регуляции
скорости
ферментативных
реакций в клетке.
Классификация и
номенклатура
ферментов
Перспективные
направления
развития
современнтой
энзимологии.
2
2
4
2
6
4
4
2
4
36
Самост.
работа
1
1.
2.
3.
2
Введение
1. Энзимология, ее содержание и задачи.
Ферменты как биологические катализаторы.
2. Рибозимы – небелковые катализаторы.
3. Теломераза – РНК-содержащий фермент.
4. Использование данных энзимологии в
медицине, сельском хозяйстве, промышленности.
Выделение и очистка ферментов. Определение
ферментативной активности
1. Выделение и очистка ферментов. Критерии
чистоты ферментного препарата.
2. Методы определения ферментативной
активности.
3. Количественная характеристика ферментов.
Иммобилизованные ферменты. Организация
ферментов в клетках и тканях
1.
Методы
получения
и
свойства
иммобилизованных
ферментов,
пути
и
перспективы их практического применения.
2. Организация ферментов в клетках и тканях
3
2
4
5
6
7
Раздаточный
иллюстративный
материал, слайды
для кадоскопа
8
ЛО 1-4
ЛД 2, 5
4
Раздаточный
иллюстративный
материал, слайды
для кадоскопа
ЛО 1-5
2
Раздаточный
иллюстративный
материал, слайды
для кадоскопа
ЛО 2,
4, 6
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
9
4.
5.
Внутриклеточное
распределение
ферментов.
Ферменты – маркеры субклеточных фракций.
Органная специфичность в распределении
ферментов. Ферментные системы и принципы их
организации.
Структура ферментов
1. Уровни структурной организации ферментов и
значение их в осуществлении ферментами
биологических функций.
2. Изоферменты и множественные формы
ферментов.
Однои
двухкомпонентные
ферменты.
Коферменты
и
протетические
группы.
Металлоферменты.
1.Коферменты – переносчики атомов водорода и
электронов:
никотинамидные
коферменты,
флавиновые коферменты, липоевая кислота,
глутатион, убихинон.
2. Коферменты – переносчики химических групп:
нуклеозидфосфаты, кофермент ацетилирования,
тетрагидрофолиевая кислота, пиридоксалевые
коферменты.
3. Коферменты синтеза, изомеризации и
расщепления
углерод-углеродных
связей:
производные тиамина, биотин, кобамидные
коферменты.
4. Роль металлов в каталитическом действии
ферментов. Ферменты, для действия которых
требуется железо, медь, цинк, марганец, кобальт,
селен и другие.
2
Раздаточный
иллюстративный
материал, слайды
для кадоскопа
ЛО 1,
3- 6
ЛД 7
4
Раздаточный
иллюстративный
материал, слайды
для кадоскопа
ЛО 1,
3-6
.
6.
7.
Активный центр фермента.
1. Силы, участвующие в формировании
трехмерной структуры активного центра.
2. Функциональные группы ферментов и их роль
в катализе (имидазольная группа гистидина,
гидроксильная группа серина и тирозина, εаминогруппа
лизина,
сульфгидрильные
и
карбоксильные группы).
3. Методы идентификации функциональных
групп
ферментов.
Использование
генноинженерных методов для определения
аминокислот в активном центре фермента.
Направленный мутагенез.
Взаимодействие фермента с субстратом.
Механизм ферментативного катализа.
1. Образование фермент-субстратных комплексов.
Специфичность действия ферментов. Абсолютная
и
относительная
специфичность.
Стереоспецифичность. Суицидные субстраты.
2.
Механизм
ферментативного
катализа.
Кислотно-основной
катализ
органических
реакций (специфический кислотно-основной
катализ, обобщенный кислотно-основной катализ,
катализ
льюисовскими
кислотами
или
основаниями).
3. Причины высокой каталитической активности:
ускорение реакции за счет эффектов сближения и
ориентации,
ковалентного
катализа,
внутримолекулярного
кислотно-основного
катализа,
эффекта
конформационного
соответствия. Теории ферментативного катализа:
теория
напряжения,
конформационного
соответствия.
2
Раздаточный
иллюстративный
материал, слайды
для кадоскопа
ЛО 1,
2, 6
ЛД 3
6
Раздаточный
иллюстративный
материал, слайды
для кадоскопа
ЛО 1,
2, 7
ЛД 4
8.
9.
Биохимические
и
физико-химические
механизмы функционирования ферментов.
1. Методические подходы к пониманию
механизма действия ферментов.
2. Механизмы действия холинэстеразы, лизоцима,
карбоксипептидазы А, сериновых протеиназ,
папаина и др.
3.Особенности катализа полифункциональными
ферментами (NO-синтаза, цитохром Р450 и др.).
4. Принципы и особенности функционирования,
организации и регуляции мультиферментных
комплексов.
Пути регуляции скорости ферментативных
реакций в клетке.
1. Регуляция биосинтеза ферментов. Индукция и
репрессия ферментов. Активные и неактивные
формы ферментов.
2.
Ограниченный
протеолиз.
Активация
проферментов: пищеварительные ферменты и
факторы
свертывания
крови.
Активация
химотрипсиногена,
механизм
активации
профермента.
Активация
других
протеолитических ферментов. Координированная
активация
панкреатических
проферментов.
Свертывание крови как каскад активации
проферментов.
3. Аллостерическая регуляция активности
ферментов и реализация принципа обратной
связи.
Регуляция
посредством
посттрансляционной ковалентной модификации.
4
4
2
Раздаточный
иллюстративный
материал, слайды
для кадоскопа
ЛО 1-6
Раздаточный
иллюстративный
материал, слайды
для кадоскопа
ЛО 1,
2-4
ЛД 6
10.
11.
Классификация ферментов и номенклатура, ее
принципы.
1. Оксидоредуктазы. Общая характеристика
класса. Ферменты, действующие на спиртовую,
альдегидную, кетонную и другие группы.
2. Трансферазы. Общая характеристика класса.
Ферменты, переносящие метильные, ацетильные,
гликозильные, аминные, фосфатные и другие
группировки.
3. Гидролазы. Общая характеристика класса.
Ферменты,
гидролитически
расщепляющие
сложно-эфирные, гликозильные, пептидные и
другие связи.
4. Лиазы. Общая характеристика класса.
Ферменты, расщепляющие связь углерод-углерод,
углерод-азот, углерод-кислород и др.
5. Изомеразы. Рацемазы и эпимеразы. Цис-трансизомеразы. Внутримолекулярные трансферазы.
6.
Лигазы.
Ферменты,
осуществляющие
синтетические реакции, образующие связь С-О,
С-N, C-S.
Перспективные
направления
развития
современнтой энзимологии.
1. Химерные ферменты.
2. Моделирование и конструирование 3D-структур
ферментов и активных центров. Разработка
структурной классификации ферментов.
ЛО 1-3
2
4
Раздаточный
иллюстративный
материал, слайды
для кадоскопа
ЛО 2
ИНФОРМАЦИОННАЯ ЧАСТЬ
Основная и дополнительная литература
№№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Список литературы
Основная (ЛО)
Диксон М., Уэбб Э. Ферменты
Плакунов В.Н. Основы энзимологии
Ленинджер А. Основы биохимии
Страйер Л. Биохимия
Ферш Э. Структура и механизм действия
ферментов
Филиппович Ю.Б. Основы биохимии
Кольман Я. Наглядная биохимия
Дополнительная (ЛД)
Клесов А.А. Инженерная энзимология на
промышленном уровне
Березин
И.В.
Исследования
в
области
ферментативного
катализа
и
инженерной
энзимологии
Клёсов А.А. Ферментативный катализ
Келети Т. Основы ферментативной кинетики
Коровкин
Б.Ф.
Проблемы
современной
энзимодиагностики
Коэн Р. Регуляция ферментативной активности
Овчинников Ю.А. Строение и функции белков
Год издания
1982
2001
1985
1984
1980
1999
2000
1989
1990
1980
1990
1985
1986
1983
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)
(подпись)
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета
канд. биол. наук, доцент
_____________________
(степень, звание)
(подпись)
И.В. Семак_
(И.О.Фамилия)
В.В. Лысак