Раздел 1. Пояснительная записка 1.1. Требования к студентам

РАЗДЕЛ 1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
1.1. Требования к студентам
Приступая к изучению данной дисциплины, студент должен владеть
компетенциями, знаниями и умениями, сформированными при изучении
неорганической и органической химии, биохимии, клеточной биологии
микробиологии и энзимологии.
1.2. Краткая характеристика данной дисциплины, ее особенности
Инженерная энзимология, как учебная дисциплина характеризуется
неотъемлемой связью с энзимологией и биохимией. Инженерная
энзимология рассматривает процессы производства и использования
ферментов в различных технологических схемах, а также механизмы
искусственного синтеза энзимов с заданными свойствами. В процессе
освоения данной дисциплины студент изучает процессы функционирования
ферментов, механизмы регуляции ферментативной активности и управление
каталитическими процессами, методы выделения, анализа и промышленного
применения энзимов, узнаёт методы промышленного применения
ферментативного катализа в производстве пищевых, лекарственных и
кормовых продуктов. В настоящее время энзимология является быстро
развивающейся наукой находящей широкое применение в различных
отраслях народного хозяйства.
1.3. Цели изучения дисциплины
Образовательный аспект:
- сформировать у студентов комплексное представление об
инженерной энзимологии как о прикладной науке изучающей промышленное
применение ферментов. Раскрыть химизмы и течение биохимических
реакции с ферментативным катализом, сформировать представление о
методах создания ферментов с заданными свойствами. Обеспечить усвоение
студентами методов иммобилизации, использование в качестве
биокатализаторов целых клеток, схем индустриального биокатализа.
Способствовать усвоению современных информационных технологии,
используемых в инженерной энзимологии.
Воспитательный аспект:
- воспитание профессионала, с устойчивой гражданской позицией,
трудовой заинтересованностью на благо Отечеству, формирование
гуманного и биоэтического отношения к биологическим объектам и
предметам исследований. Воспитание добросовестного и эстетического
отношения к труду.
Развивающий аспект:
- развитие аналитического химико-биологического мышления, умения
применять полученные теоретические знания на практике. Развитие умения
самостоятельно планировать и выполнять экспериментальные работы, а
также анализировать полученные данные. Реализуя развивающий аспект,
преподаватель на собственном примере должен демонстрировать высокие
личностные уровни интеллектуального, морально-нравственного и
этического развития личности.
1.4. Учебные задачи дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен овладеть
следующими компетенциями:
- владеть основными методами защиты производственного персонала и
населения от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных
бедствий (ОК-16);
- способность грамотно и самостоятельно проводить теоретическую и
экспериментальную
научно-исследовательскую
работу
в
области
биоинженерии, биоинформатики и смежных дисциплин, а также оформлять
ее в письменной форме, излагать в устной форме, и участвовать в различных
формах дискуссий (ПК-1);
- способность проводить производственно-технологическую деятельность
в области биоинженерии, биоинформатики и смежных дисциплин (ПК-2);
способность
осуществлять
организационно-управленческую
деятельность в области биоинженерии, биоинформатики и смежных
дисциплин (ПК-3);
- способность заниматься преподавательской деятельностью в области
биоинженерии и биоинформатики и смежных дисциплинах на основе знаний
принципов педагогической деятельности и умения формировать и излагать
учебный материал (ПК-4);
- способность порождать новые идеи, выявлять фундаментальные
проблемы,
формулировать
задачи,
связанные
с
реализацией
профессиональных функций, использовать для их решения методы
изученных им наук (ПК-7);
- способность на научной основе организовать свой труд, владение
методами сбора, хранения систематизации и обработки информации, в том
числе статистическими и компьютерными методами, применяемыми в сфере
его профессиональной деятельности (ПК-8);
- способность к проведению лабораторных работ и знает требования
техники безопасности и приемов оказания первой помощи при несчастных
случаях (ПК-12);
- способность хорошо ориентироваться в основных проблемах и задачах
биологии, физико-химической биологии, биоинженерии и биоинформатики и
использовать эти знания в экспериментальной и теоретической деятельности
(ПК-18);
- способность проводить наблюдения, описания, идентификации,
классификации, культивирования биологических объектов, выделять и
исследовать субмикроскопические структуры, использовать методические
приемы для целенаправленного изменения природных генов и геномов (ПК20);
- способность владеть приемами экспериментальной работы с клетками и
культурами
клеток,
физико-химическими
методами
исследования
макромолекул, методами исследования и анализа живых систем,
математическими методами обработки результатов биологических
исследований, опытом лабораторных работ, основами биоинженерии,
необходимыми для создания биоинженерных объектов (ПК-21);
- способность использовать основные физико-химические и
информационные методы исследования, применяемые в области физикохимической биологии, биоинженерии и биоинформатики (ПК-23);
способность
использовать
специализированные
знания
фундаментальных разделов математики, физики, химии, экологии для
проведения исследований в области биоинженерии, биоинформатики и
смежных дисциплин (ПК-24).
Студент должен знать: молекулярные основы специфичности
ферментов; физико-химические и биохимические закономерности
биокатализа; способы стабилизации и регенерации ферментативных систем;
применяемых в биотехнологии; структурные и термодинамические основы
функционирования ферментов в экстремальных условиях; примеры
использования биокатализа в науке, медицине, технике и промышленности;
современные технологические схемы индустриального биокатализа;
принципы создания биокатализаторов с заданными свойствами; современные
информационные технологии, используемые в инженерной энзимологии;
новейшие достижения и перспективы развития инженерной энзимологии;
принципы и методы определения активности ферментов; способы выделения
и очистки ферментов; способы получения и применения иммобилизованных
ферментов.
Студент должен уметь: рассчитывать кинетические параметры
ферментативных реакций; пользоваться измерительными приборами и
оборудованием, применяемыми в ферментативных исследованиях; подбирать
концентрации субстратов и условия проведения ферментативных реакций;
определять
активность
ферментов
в
биологическом
материале;
разрабатывать биотехнологические процессы с участием очищенных
ферментов или ферментов, находящихся внутри клеток; конструировать
биокатализаторы с заданными свойствами; оценивать эффективность
биокатализа; пользоваться специализированными компьютерными базами
данных и ресурсами Интернета.
1.5. Формы работы студентов
Формами работы студентов являются лекции, лабораторные занятия,
выполнение модульных контрольных работ, контрольное тестирование,
самостоятельная работа.
1.6. Виды контроля
Текущий: контроль работы на лабораторных занятиях.
Промежуточный: контрольные работы по трем модулям, контрольное
тестирование, подготовка докладов.
Итоговый: экзамен (9 семестр).
1.7. Методика формирования результирующей оценки
Учебным планом по данной дисциплине предусмотрен экзамен.
Максимальное количество баллов, которое может набрать студент, 100.
За выполнение заданий текущего и промежуточного контроля студент
может набрать максимальное количество баллов:
За первый модуль – 30 баллов.
За второй модуль – 30 баллов.
За третий модуль – 40 баллов.
Сумма баллов складывается следующим образом: полный ответ
на лабораторном занятии – 2 балла, дополнение на лабораторном
занятии – 1 балл, доклад на лабораторном занятии – до 3-х баллов,
проверочная работа на лекции – до 2-х баллов, модульная контрольная
работа – 10 баллов.
Экзамен проводится в конце курса. На экзамене студент имеет
возможность набрать 40 баллов.
При успешном освоении курса студент, набравший 60 баллов или
более, может быть освобожден от экзамена и получить оценку, в
соответствии с количеством набранных им баллов.
РАЗДЕЛ 2. СТРУКТУРА ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Всего часов (общая трудоемкость в часах)
180
В т.ч.
Аудиторных занятий
68
Из них лекций
34
Семинарских/практических занятий
0
Лабораторных занятий
34
Практикумов
0
Самостоятельных занятий
112
Изучение основной и дополнительной
литературы
20
Написание курсовых работ, эссе, рефератов
20
Выполнение письменных домашних заданий,
расчетов, проектов
11
Выполнение контрольных работ, тестов
10
Подготовка к экзамену, экзамен
36
РАЗДЕЛ 3. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Тема
1. Введение в
инженерную
энзимологию
2. Структурнофункциональные
особенности
биокатализа
Содержание
Вид занятий
Фундаментальные и прикладные Аудиторные
аспекты инженерной энзимологии.
Связь с другими дисциплинами.
Основные направления развития.
Самостоятел
ьные
Структура, свойства и механизм
действия биокатализаторов.
Сходство и отличие биологических
катализаторов от синтетических.
Преимущества и недостатки
биокатализа при его использовании
в технологических процессах.
Аудиторные,
Форма занятий
Кол-во
часов
Форма
контроля
Лекции
4
Лабораторные работы
2
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
6
Опрос,
проверка
отчета по
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
Лекции
4
Лабораторные работы
4
Опрос,
проверка
отчета по
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
Самостоятел
ьная работа
3. Ферменты в
Инактивация ферментов. Факторы, Аудиторные
экстремальных инициирующие
денатурацию
условиях
ферментов.
Физические.
Механические.
Химические.
Биологические.
Механизмы
инактивации
ферментов.
Моделирование
и
кинетика
процессов инактивации ферментов. Самостоятел
Регенерация
ферментативных ьные
систем,
применяемых
в
биотехнологии.
Реактивация
инактивированных
ферментов.
Утилизация
и
регенерация
кофакторов
(коферментов).
Ферментативные, химические и
электрохимические
методы
регенерации.
Стабилизация
ферментов в биотехнологических
системах. Традиционные методы
стабилизации.
Стабилизирующие
добавки. Химическая модификация
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
10
Лекции
2
Лабораторные работы
2
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
6
Опрос,
проверка
отчета по
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
4.
Ферментативный
микроанализ
ферментов.
Иммобилизация
ферментов.
Экстремозимы
и
источники
их
получения.
Термозимы.
Структурные
и
термодинамические
основы
функционирования термозимов при
высоких
температурах.
Использование экстремозимов в
биотехнологии.
Амилазы
и
пуллуланазы. Протеиназы. ДНКполимеразы.
Ферментативные
реакции в системах с органическими
растворителями. Их прикладное
значение.
Кинетическая основа фермента- Аудиторные
тивного микроанализа. Методы
детекции
в
ферментативном
микроанализе. Использование в
микроанализе
сопряженных
ферментативных систем. Иммобили- Самостоятел
зованные ферменты в микроанализе.
ьные
Аналитические проточные реакторы.
Ферментные
микрокалориметрические
датчики.
Ферментные
электроды.
Иммуноферментные
датчики.
Биолюминесцентный
микроанализ. Соиммобилизованные
полиферментные
системы
в
биолюминесцентном анализе.
Лекции
4
Лабораторные занятия
4
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
10
Опрос,
проверка
отчета по
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
Энзимопатология.
Аудиторные
Энзимодиагностика. Энзимотерапия.
Терапия воспалительных процессов
трипсином
и
химотрипсином.
Тромболитическая
терапия Самостоятел
фибринолизином и стрептокиназой.
ьные
Ферментная
терапия
вирусных
заболеваний РНКазой, ДНКазой.
Заместительная
терапия
пищеварительными
ферментами.
Терапия
гиалуронидазой
и
коллагеназой.
Лечение
онкологических
заболеваний
аспарагиназой. Иммобилизованные
ферменты
как
лекарственные
препараты.
Антигенные
и
иммуногенные
свойства
иммобилизованных
ферментов.
Ферментные
препараты
типа
“контейнер”.
Использование
липосом в качестве “контейнера”.
Применение
иммобилизованных
ферментов
в
стоматологии,
офтальмологии,
хирургии.
Перспективные
направления
развития ферментной терапии.
6. ИспользоваФерментативное превращение Аудиторные
ние ферментов рацематов
в
энантиомеры.
в тонком
Биокаталитическое
получение
5.
Медицинская
энзимология
Лекции
4
Лабораторные занятия
4
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
10
Лекции
2
Лабораторные занятия
4
Опрос,
проверка
отчета по
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
Опрос,
проверка
отчета по
химическом
синтезе
простаноидов.
Ферментативная Самостоятел
модификация нуклеиновых кислот,
ьные
синтез олиго- и полинуклеотидов.
Ферментативный синтез сахаров.
7. Индустриальный
биокатализ
Ферменты
в
химической Аудиторные
промышленности. Получение Lаминокислот
с
помощью
аминоацилазы.
Биохимическая
основа процесса. Коммерческие Самостоятел
препараты
иммобилизованной
ьные
аминоацилазы.
Технологическая
схема производства.
Ферменты в фармацевтической
промышленности. Получение 6аминопенициллановой кислоты с
помощью
пенициллинамидазы.
Биохимическая основа процесса.
Коммерческие препараты иммобилизованной аминоацилазы. Технологическая схема производства.
Ферменты в пищевой промышленности.
Получение
глюкозофруктозных сиропов с помощью
глюкозоизомеразы. Биохимическая
основа процесса. Коммерческие
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
Лекции
12
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
4
Лабораторные занятия
4
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
12
Опрос,
проверка
отчета по
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
препараты
иммобилизованной
глюкозоизомеразы. Технологическая
схема производства. Использование
в
пищевой
промышленности
протеиназ, амилаз, липаз, пектиназ,
-галактозидаз.
Ферменты как компоненты моющих
средств.
Амилазы.
Липазы.
Целлюлазы. Оксидазы. Протеазы.
8.
Утилизация промышленных отходов Аудиторные
Экологическая с
помощью
ферментов.
инженерная
Биоконверсия растительного сырья. Самостоятел
энзимология Ферментативное получение глюкозы
ьные
из целлюлозосодержащего сырья.
9. Перспективы
практического
использования
биоэлектроката
лиза
Механизм биоэлектрокатализа.
Использование ферментов для
создания биоэлектрохимических
преобразователей энергии.
Классификация
биоэлектрокаталитических
ферментов
Аудиторные
Самостоятел
ьные
Лекции
Лабораторные занятия
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
Лекции
Лабораторные занятия
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
2
2
10
Опрос,
проверка
отчета по
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
2
2
6
Опрос,
проверка
отчета по
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
10. Конструирование биокатализаторов и
их использование в
биотехнологии
Белковая инженерия ферментов. Аудиторные
Рациональный дизайн индустриальных ферментов. Сайт-специфический мутагенез субтилизина.
Направленная эволюция индустрииальных ферментов (эволюция in
vitro).
Создание
библиотеки
ферментов. Случайный мутагенез.
Случайная рекомбинация фрагментов гена in vitro. Отбор ферментов с
улучшенными свойствами. Критерии отбора индустриальных ферментов. Изменение с помощью направленной эволюции стабильности
(термостабильности и устойчивости
к органическим растворителям),
активности,
субстратной
специфичности,
энантиоселективности и связывающих свойств
ферментов.
Получение химерных и бифункциональных ферментов. Получение
полусинтетических ферментов и их
использование в качестве индустриальных биокатализаторов.
Каталитические антитела (абзимы).
Лекции
4
Лабораторные занятия
4
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
12
Опрос,
проверка
отчета по
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
11.
Перспективы развития
инженерной
энзимологии,
базы данных
индустриальны
х ферментов
Направления
и
перспективы Аудиторные
развития молекулярного дизайна
биокатализаторов.
Использование ресурсов Internet в
инженерной энзимологии. Компьютерные базы данных. Базы данных
аминокислотной
последовательности
белков.
Базы
данных
трехмерной
структуры
белков.
Интегральные
базы
данных.
Метаболические базы данных.
Лекции
2
Лабораторные занятия
2
Изучение основной и
дополнительной
литературы,
электронных
библиотечных
ресурсов, выполнение
рефератов и
подготовка докладов.
8
Опрос,
проверка
отчета по
лабораторной
работе,
контрольное
тестирование
, защита
рефератов.
РАЗДЕЛ 4. ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ
1.Инженерная энзимология. Классификация и применение ферментных
препаратов. Ферментные препараты в медицине.
2.Ферменты, их характеристика.
3. Практическое использование ферментов.
4. Химическая структура ферментов.
5. Строение активного центра.
6. Регуляторные и аллостерические ферменты.
7. Множественные формы ферментов. Изоферменты.
8. Мультиферментные комплексы (характеристика, особенности, значение,
примеры).
9. Механизм ферментативной реакции.
10. Теории взаимодействия фермента и субстрата.
11. Термодинамическая характеристика ферментативной реакции.
12. Основные понятия химической кинетики.
13. Скорость химической реакции. Зависимость скорости от концентрации
фермента и субстрата.
14. Зависимость скорости протекания реакции от времени.
15. Уравнение Михаэлиса-Ментен.
16. Кинетические параметры (Vmax, Ks, Km), их физический смысл и
способы определения.
17. Влияние условий (температуры и рН) на скорость ферментативной
реакции.
18. Ингибиторы ферментативных реакций: определение, классификация,
примеры.
19. Влияние ингибиторов на основные кинетические параметры.
20. Специфичность ферментативного катализа.
21. методы выделения и очистки ферментов.
22. Методы проверки чистоты фермента.
23. Методы определения активности ферментов..
24. Методы изучения функциональных групп фермента.
25. Методы изучения механизма ферментативной реакции.
26. Структура активного центра и механизм действия АХЭ.
27. Структура и механизм действия Na,K-АТФазы.
28. Механизм действия Са2+-АТФазы.
29. Структура и механизм действия АТФ-синтетазы.
30. Способы выражения ферментативной активности.
31. Причины увеличения скоростей реакций, катализируемых ферментами.
РАЗДЕЛ 5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ПРОГРАММЫ
5.1. Список литературы:
Базовый учебник/учебное пособие
1. Егорова, Т.А. Основы биотехнологии: учеб. пособие для студ. вузов. – М.,
2006. – 208 с.
Основная литература
1. Пехов, А.П. Биология с основами экологии: учебник для студ. вузов. –
СПб.; М.; Краснодар, 2007. – 688 с.
2. Сазыкин, Ю.О. Биотехнология: учеб. пособие для студ. вузов. – М., 2007. –
256 с.
3. Шевелуха, В.С.Сельскохозяйственные биотехнологии. – Изд-во Высшая
школа, 2009.
4. Варфоломеев С.Д. Химическая энзимология. М.: Академия, 2005. 480 с.
Дополнительная литература
1. Гнатик, Е.Н. Генетика человека: былое и грядущее. – М., 2007. – 278 с.
2. Lundin, S. Gene Technology and Economy: Susanne Lundin [et al.]; ed. by S.
Lundin and L. Akesson. – Lund, 2002. – 118 p.
3. Курчанов, Н.А. Генетика человека с основами общей генетики: учеб.
пособие для студ. вузов. – СПб., 2006. – 176 с.
4. Попова, Т.Е. Биотехнология и социум: ИИЕиТ РАН. – М., 2000. - 108 с.
5. Безбородов А.М. Ферментативные процессы в биотехнологии. М., 2008.
336 с.
5.2. Реестр электронных библиотечных ресурсов
1. http://isir.ras.ru/ - Интегрированная Cистема Информационных Ресурсов
Российской Академии Наук.
2. http://www.viniti.msk.su/ - Всероссийский Институт Научной и
Технической Информации (ВИНИТИ РАН).
3. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Pubmed - База научных данных в области
биомедицинских наук.
4. www.chem.qmul.ac.uk/iubmb - Биохимическая классификация и
номенклатура ферментов. Свободный доступ на сайте Международного
союза биохимии и молекулярной биологии.
5. www.molbiol.ru, www.nature.ru - Учебники, научные монографии, обзоры,
лабораторные практикумы в свободном доступе на сайтах практической
молекулярной биологии.
6. www.swissprot.com – свободный доступ к международной базе данных по
первичным и 3D структурам ферментов.
7. www.chem.qmul.ac.uk/iubmb - биохимическая классификация и
номенклатура ферментов. Свободный доступ на сайте Международного
союза биохимии и молекулярной биологии
8. www.swissprot.com – свободный доступ к международной базе данных по
первичным и 3D структурам ферментов.
5.3. Ссылка на ПТК «УМКа»
http://www.umka.volsu.ru/newumka2