Первая и вторая страницы печатаются на обоих сторонах листа

Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
Белорусского государственного
университета
________________ А.Л. Толстик
18 марта 2011 г.
Регистрационный № УД - 4056 /уч.
Биохимия мембран
Учебная программа для специальности:
1-31 01 01 Биология,
специализаций 1-31 01 01-01 05 Биохимия и
1-31 01 01-02 05 Биохимия
2011 г.
2
СОСТАВИТЕЛЬ:
Орёл Наталия Михайловна, доцент кафедры биохимии Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук, доцент
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Слобожанина Екатерина Ивановна, зам. директора по научной работе, зав. лабораторией медицинской биофизики ГНУ «Институт биофизики и клеточной
инженерии НАН Беларуси», доктор биологических наук, профессор, членкорреспондент НАН Беларуси;
Дитченко Татьяна Ивановна, доцент кафедры физиологии и биохимии растений,
кандидат биологических наук, доцент.
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОЙ:
Кафедрой биохимии Белорусского государственного университета (протокол
№ 4 от 15 марта 2011 г.);
Учебно-методической комиссией биологического факультета Белорусского государственного университета (протокол № 8 от 16 марта 2011 г.);
Научно-методическим советом Белорусского государственного университета
(протокол № 2 от 18 марта 2011 г.)
Ответственный за редакцию: Наталия Михайловна Орёл
Ответственный за выпуск: Наталия Михайловна Орёл
3
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Одно из направлений современной биологии посвящено исследованию
биологических мембран. Для выяснения их строения, биогенеза, механизмов
функционирования, связанных с проницаемостью, транспортом веществ, действием ассоциированных с мембранами ферментов, рецепторов и др., незаменимы биохимические подходы. Исходя из этого, спецкурс обобщает имеющиеся в литературе многочисленные сведения о биохимии клеточных мембран, в
нем уделяется внимание методологии биохимических исследований этих клеточных структур, значению биохимии мембран для решения прикладных задач
биологии, медицины, сельского хозяйства.
Для эффективного использования биохимических подходов для решения
проблем мембранологии, необходимо обладать компетентностью в самых разнообразных областях науки – глубокими базовыми знаниями биохимии, экологии, микробиологии, зоологии, ботаники, физиологии растений и животных,
ксенобиологии, аспектов физико-химической биологии, биофизики, математики, компьютерных технологий и др. Это определяет изучение биохимии мембран студентами 4-го курса, уже получившими подготовку по вышеуказанным
учебным дисциплинам. При изучении курса большое внимание уделяется составу, организации, свойствам, биогенезу, механизмам функционирования
биологических мембран, характеристике и взаимодействию мембранных липидов, белков, углеводных компонентов. Представлениям о структуре и организации мембранных антигенов и рецепторов, о свободнорадикальных процессах и
перекисном окислении липидов в мембранах, биохимической характеристике
мембранных транспортных систем.
Подобный курс может быть рассмотрен, как форма сочетания и взаимного дополнения знаний в рамках, предусмотренных фундаментальными классическими университетскими программами для биологов, с современными,
динамичными и развивающимися прикладными аспектами на стыке таких
дисциплин, как биофизика, цитология, молекулярная биология и др. Он призван ознакомить студентов с современными идеями и подходами с целью
обеспечения возможностей не только их применения, но и дальнейшего развития новых направлений исследований биологических мембран.
Цель курса – формирование у студентов, специализирующихся по биохимии, системы представлений о роли биохимии в решении основных вопросов строения и функционирования биологических мембран.
Задачи курса: познакомить студентов с предметом, местом биохимии
мембран в ряду приоритетных направлений развития биологической науки. Показать значение биохимических исследований биологических мембран для объяснения процессов, протекающих в клетке, перспективы практического использования их достижений.
4
В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
знать:
- методологию исследования и практическое применение естественных и
искусственных биологических мембран;
- биохимию биологических мембран и их роль в организации и функционировании клетки;
- новейшие достижения в области исследования биологических мембран.
уметь:
- использовать методы теоретического и экспериментального исследования для изучения плазматических мембран и мембран внутриклеточных органоидов;
- использовать знания биохимии биологических мембран для решения
теоретических и практических задач.
Изучение курса проводится по блочно-модульному принципу с выделением восьми основных блоков (модулей). I. Введение. II. Мембрана как компонент биологических систем. Основные свойства и функции мембран. Современные методы исследования мембран. III. Мембранные липиды: классификация, биогенез, деградация. Характеристика липидного бислоя. IV. Биохимическая характеристика мембранных белков. Функции белков в мембранах. V. Характеристика мембранных глико- и липопротеинов. VI. Свободнорадикальные процессы в биомембранах. VII. Проницаемость мембран и мембранный транспорт. VIII. Биохимическая характеристика эндо- и экзоцитоза.
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 биохимический состав биологических мембран. 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.
Программа учебного курса рассчитана на 102 часа, в том числе 40 часов
аудиторных: 26 – лекционных, 10 – лабораторных занятий, 4 – контролируемой
самостоятельной работы.
5
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
№
п/п
Наименование разделов, тем
Введение.
Мембрана как компонент биологических систем. Основные свойства и
функции мембран. Современные
методы исследования мембран.
III. Мембранные липиды: классификация, биогенез, деградация. Характеристика липидного бислоя
IV. Биохимическая
характеристика
мембранных белков. Функции белков в мембранах.
V. Характеристика мембранных гликои липопротеинов.
VI. Свободнорадикальные процессы в
биомембранах.
VII. Проницаемость мембран и мембранный транспорт.
VIII. Биохимическая характеристика эндо- и экзоцитоза.
ИТОГО:
I.
II.
Количество часов
Аудиторные
Лекции Практ.,
Лаб.
КСР
семинар. занятия
2
–
–
4
–
–
Самост.
работа
2
8
8
–
–
20
3
–
–
8
2
–
–
4
2
–
10
8
4
–
–
1
26
–
10
2
10
2
6
4
62
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
I. ВВЕДЕНИЕ
Биохимия мембран - дисциплина, формирующая представления о структуре, свойствах, биогенезе, механизмах функционирования биологических
мембран и их роли в жизнедеятельности клетки. Этапы развития мембранологии.
II. МЕМБРАНА КАК КОМПОНЕНТ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ МЕМБРАН. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕМБРАН.
Разрушение клеток, дифференциальное центрифугирование, методы
оценки чистоты фракций. Физические методы изучения мембран. Использование детергентов для солюбилизации мембранных структур. Характеристика детергентов. Применение мембранотропных веществ и модификаторов. Получение искусственных мембран и их применение: плоские липидные слои; липо-
6
сомы. Ленгмюровские плёнки, их типы. Методы молекулярной архитектуры.
Перспективы развития и использования тонкоплёночных технологий.
III. МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ, БИОГЕНЕЗ, ДЕГРАДАЦИЯ. ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ.
Классификация мембранных липидов, Распространенность отдельных
представителей липидов в мембранах клеток животных, растений, грибов, бактерий. Специфические мембранные липиды галофильных солелюбивых, метанобразующих и термоацидофильных бактерий и их значение. Общая характеристика жирнокислотного состава мембранных липидов животных, растений,
микроорганизмов. Редко встречаемые представители жирных кислот. Биогенез
клеточных мембран и метаболизм мембранных липидов. Биогенез жирных кислот у животных, растений, микроорганизмов. Пути биогенеза и деградации
фосфатидилглицеринов, плазмалогенов. Альтернативные пути биосинтеза и деградации сфингомиелинов и гликолипидов. Гликолипиды ганглио-, глобо-, лакто- типов. Метаболизм холестерола и других стеролов. Содержание холестерола в мембранах различного типа и его роль. Функции липидов в мембранах. Организация липидного бислоя. Динамическое состояние липидов в мембране.
Время полужизни. Асимметрия бислоя. Фазовые переходы. Адаптационная
роль мембранных липидов. Нерешенные проблемы распределения липидов и
геометрии бислоя. Внутриклеточный транспорт фосфолипидов, гликолипидов и
холестерина.
IV. БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАННЫХ БЕЛКОВ.
ФУНКЦИИ БЕЛКОВ В МЕМБРАНАХ.
Интегральные и периферические белки. Конформации и организация
мембранных белков. Особенности организации мембраносвязанных и амфитропных белков. Характер взаимодействия белков с липидами. Влияние белков
на состояние бислоя. Биосинтез мембранных белков и встраивание их в мембрану. Функции мембранных белков. Мембранные ферменты и их особенности.
Примеры строения и свойств некоторых мембранных белков. Ко- и посттрансляционная модификация мембранных белков и ее значение. Способы образования липопротеинов; пренилирование и ацилирование белков. Роль эндоплазмотического ретикулума и аппарата Гольджи в этих процессах.
V. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАННЫХ ГЛИКОИ ЛИПОПРОТЕИНОВ.
Асимметрия бислоя в распредалении углеводных компонентов в цитоплазматической и внутренних мембранах клеток. Типы связи углеводных компонентов с белками. Неферментативное гликозилирование. Образование Огликанов. N–гликозилирование в эндоплазматическом ретикулуме. Доноры мо-
7
носахаридов в реакциях гликозилирования в клетках животных, растений и
микроорганизмов. Образование нуклеотид- и долихолсахаров. Реакции синтеза
главного компонента олигосахарида (липидный цикл). Нарушение гликозилирования. Минорный компонент. Перенос олигосахарида на растущую полипептидную цепь. Механизмы и особенности посттрансляционной модификации Nгликанов у функционально различных белков в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи. Роль углеводных компонентов в жизнедеятельности
клетки. Теории узнавания клеток. Лектины, роль в клетке и способы их использования. Способы образования мембранных липопротеинов, их характеристика
и функциональное значение.
VI. СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В БИОМЕМБРАНАХ.
Образование и значение свободных радикалов. Повреждение мембран
свободными радикалами. Реакции перекисного окисления липидов (ПОЛ). Виды ПОЛ. ПОЛ в норме и при развитии патологических процессов. Ферментативные и неферментативные механизмы защиты клеток и липидов мембран от
действия свободных радикалов и перекисей.
VII. ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАН И МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ.
Избирательная проницаемость мембран. Понятие о полупроницаемости,
селективности, ионоспецифичности. Ионофоры и каналообразователи. Классификация. Отдельные представители классов ионофоров и каналоформеров
(циклические депсипептиды, линейные пептиды, полиеновые антибиотики,
крауны). Виды транспорта через мембрану. Пассивный транспорт: простая
диффузия, облегченная диффузия. Примеры работы белков-переносчиков.
Диффузия при помощи канала. Активный транспорт. Порины: строение, свойства, кинетические характеристики транспорта. Биологическая роль первичноактивного транспорта. Транспортные АТРазы Р, V и F типов. Вторичноактивный транспорт. Примеры вторично-активных транспортных систем. Взаимодействие транспортных систем для поддержания гомеостаза клетки.
VIII. БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНДО- И ЭКЗОЦИТОЗА.
Неспецифический эндоцитоз. Общая характеристика процесса. Фазы
эндоцитоза. Роль системы ГЭРЛ. Индукторы и механизм эндоцитоза. Рециклизация мембран. Специфический или рецептор-индуцируемый эндоцитоз. Примеры рецептор-индуцируемых систем транспорта. Экзоцитоз. Типы секреции
веществ. Секреторный цикл. Системы гормональной секреции путем экзоцитоза. Механизмы экзоцитоза, этапы, активаторы и ингибиторы процесса. Трансцитоз.
Общая теория слипания и слияния мембран. Факторы слияния. Сталкерный и адгезионный механизмы. Заключение.
8
ЛИТЕРАТУРА
О с н о в н а я:
1. Геннис Р. Биомембраны: молекулярная структура и функции / Р. Геннис. Пер.
с англ. – М.: Мир, 1997.
2. Введение в биомембранологию. Учебное пособие / Под ред. А.А. Болдырева.
– М.: Изд. МГУ, 1990.
3. Болдырев А.А. Биохимия мембран. Введение в биохимию мембран./ А.А.
Болдырев. – М.: Высшая школа, 1986.
4. Глебов Р.Н. Биохимия мембран. Эндоцитоз и экзоцитоз./ Р.Н. Глебов. – М.:
Высшая школа, 1997.
5. Биологические мембраны. Методы. / Под ред. Дж. Финдлея, У Эванза. – М.:
Мир, 1990.
6. Кульберг Ф.Я. Биохимия мембран. Рецепторы клеточных мембран./ Ф.Я.
Кульберг. – М.: Высшая школа, 1987.
7. У. Прайор. Свободные радикалы./ Прайор У. – М.: Мир, 1979.
8. Костюк В.А., Биорадикалы и биоантиоксиданты / В.А. Костюк, А.И. Потапович // Мн.: Изд-во БГУ, 2004.
9. Болдырев А.А. Биомембранология /А.А. Болдырев, Е.И. Кявяряйнен, В.А.
Илюха// М.: Изд. МГУ, 2006.
10. Биологические мембраны. Методы /Под ред. Дж. Б. Финдлея, У.Г. Эванза//
М.: Мир, 1990.
Д о п о л н и т е л ь н а я:
1. Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функции белков. / В.М.
Степанов. Под. ред. академика Спирина. – М.: Высшая школа, 1996.
2. Хьюз Р. Гликопротеины./ Р. Хьюз - М.: Мир, 1985.
3. Фельбертс Б. Молекулярная биология клетки./ Б. Фельбертс и соав. – М.:
Мир, 1986.
4. Королев Н.П. Функции лектинов в клетке./ Н.П. Королев. Итоги науки и техники. Серия: Общие проблемы физико-химической биологии, 1984.
5. Слобожанина Е.И Структурная модификация мембран эритроцитов при
окислительном
стрессе
и
активность
мембраносвязанной
NADHметгемоглобинредуктазы / Е.И. Слобожанина, Л.М. Лукьяненко, Н.М. Козлова
// Биофизика. 2000. Т. 45, №2, С. 288–292.
6. Козлова Н.М. Окисление мембранных белков и изменение поверхностных
свойств эритроцитов /Н.М. Козлова, Е.И. Слобожанина, Е.А. Черницкий // Биофизика. 1998. Т.43, вып. 3. С. 480–483.
7. Козлова Н.М. Влияние восстановленного и окисленного глутатиона на физико-химическое состояние мембран эритроцитов /Н.МКозлова, Е.И. Слобожанина, А.Н. Антонович, Л.М. Лукьяненко, Е.А. Черницкий // Биофизика. 2001.
Т.46, вып.3, С. 467–470.
9
8. Хайруллина А.Я. Исследование оптических и наноструктурных металлоиндуцированных изменений эритроцитарных мембран методами рассеяния и атомно-силовой микроскопии / А.Я. Хайруллина, Т.В. Ольшевская, Д.С. Филимоненко, В.М. Ясинский, Е.И. Слобожанина, Н.М. Козлова// Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 105, № 1. С 168–175.
9. Свободный доступ в крупнейшую базу научных данных в области биомедицинских
наук
Medline,
включая
функциональную
биохимию
www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed.
10. Биохимическая классификация и номенклатура. Свободный доступ на
сайте Международного союза биохимии и
молекулярной биологии
www.chem.qmul.ac.uk/iubmb
11. Официальный сайт Федерации европейских биохимических обществ
www.febs.org
12. Научные издания в области биохимии мембран - www.chemport.org
13. Лучшие обзорные статьи по биохимии в журнале “Annual Review of Biochemistry” можно найти на сайте www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed.
14. Обзорные и экспериментальные статьи в журнале “Биологические мембраны” можно найти по ссылке на сайте практической молекулярной биологии.
15. Разнообразную полезную информацию по биохимии мембран можно найти
по адресам Московского государственного университета (включая доступ в
библиотеку) www.msu.su.