Кемерово 2007

ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Кафедра физиологии человека и животных и валеологии

Биохимия и молекулярная биология

Учебно-методическое пособие

для студентов биологического факультета

КЕМЕРОВО 2007

Биохимия и молекулярная биология: Учебно-методическое пособие.

Сост.: И. Л. Голенда, А. М. Голенда, А. С. Сарсацкая – Кемерово: КемГУ, 2007. – 190 с.

Cоставлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности 011600 – Биология (2000 г.), квалификационной характеристикой выпускника специальности 011600 – Биология (2001) и рабочей программой для университетов УМО университетов РФ (2005). Материал сгруппирован согласно тематическому плану лекций и лабораторных занятий и предназначен как руководство, для непосредственной подготовки студентов 3 курса ДО и 4 курса ОЗО биологического факультета к выполнению работ и экзамену.

Рекомендовано методической Рассмотрено и утверждено

комиссией биологического на заседании кафедры

факультета физиологи человека и

животных и валеологии

«»________________2006 г. «»_______________2006 г.

Председатель методкомиссии Заведующий кафедрой

__________Л.Н. Ковригина ______________ Э.М. Казин

© ГОУ ВПО «Кемеровский госу-

дарственный университет», 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение	……………………………………………………
Занятие 1	Организация работ в лаборатории …………….
Занятие 2	Вода, ее свойства и методы измерений рН …...
Занятие 3	Типы, дозировка и способы анализа растворов
Занятие 4	Методы спектроскопии в анализе биомолекул и клеток …………………………………………
Занятие 5	Семинар по проблемам статической биохимии и биопоэза ………………………………………
Занятие 6	Основные приемы препаративной биохимии..
Занятие 7	Методы количественного анализа белков ……
Занятие 8	Деление молекулярных смесей методами хроматографии ……………………………………..
Занятие 9	Итоговое № 1. Статическая биохимия и матричные биосинтезы …………………………….
Занятие 10	Разделение биополимеров методами электрофореза ……………………………………….
Занятие 11	Количественный анализ и свойства ферментов
Занятие 12	Брожение, как модель изучения метаболизма..
Занятие 13	Углеводы. Методы определения и диагностическая роль глюкозы …………………………...
Занятие 14	Основы химии и метаболизма липидов и биомембран ……………………………………..
Занятие 15	Семинар по проблемам энергообмена ………..
Занятие 16	Основы обмена азотистых соединений ………
Занятие 17	Семинар по интеграции метаболизма ………...
Занятие 18	Итоговое № 2. Способы управления метаболизмом ………….
Приложение …………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Есть лишь одно благо – знание и лишь одно зло – невежество. Сократ (ок. 470-399 до н.э.)

Биохимия – одна из фундаментальных дисциплин профессионального образования биологов любой специальности. Порядка 150 лет она изучает состав и свойства и свыше века – биокатализ, взаимопревращения и функции молекул в организмах. С 1985 г., когда предмет уже обогатили новые подходы, объекты и методы исследований, а в молекулах биополимеров увидели «молекулярные машины», эту разветвленную область знаний официально назвали молекулярной биологией. Современная «Биохимия и молекулярная биология» – основа универсального языка, представляющего однотипные принципы структурообразования, морфофункциональных свойств и метаболизма живых систем любого уровня сложности, от клеток до биосферы, в их единстве с окружающей средой.

С другой стороны, ассортимент задач, приборов, материалов и приемов работы биохимика невероятно разросся. При этом устройства, по мере их автоматизации и компьютеризации, все больше превращаются в «черный ящик» для пользователей. Поэтому растет потребность в пособии, совмещающем освоение традиционных приемов биохимического анализа с упрощенно-описательным изложением их теоретических основ. По замыслу, оно должно позволить студентам, освоить выбор оптимальных сочетаний решения возникающих перед ними задач, с экономичностью подходов.

Традиционно, студенты ДО биофака КемГУ изучают наш курс в 5-м семестре (18 недель), после освоения дисциплин естественнонаучного цикла, биофизики и морфологии. Для этого, учебный план еженедельно отводит по 3 ч на лекции и лабораторные занятия и, не менее 62 ч на самостоятельную работу. Соответственно, студенты ОЗО встречаются с курсом в 6-м (20 ч. лекций и получение контрольного задания) и 7-м семестрах (проверка выполнения контрольной работы и 16 ч. лабораторных занятий). Оба варианта обучения завершаются групповой консультацией и экзаменом. Рабочая программа курса предусматривает, что независимо от специализации и профиля будущей работы, любой биолог должен:

1. Знать особенности элементного и молекулярного состава клеток и организмов, в сравнении с окружающей средой.

2. Понимать роль полифункциональности ионов, биомолекул и слабых взаимодействий в создании метастабильных конформаций и комплементарных поверхностей биополимеров и их агрегатов.

3. Исходить из вынужденных сдвигов конформаций биополимеров при их комплементарных взаимодействиях с лигандами, в процессах выполнения генетической, биоэнергетической, метаболической и сенсорной = рецепторной функций.

4. Представлять условия и основные этапы биопоэза, механизмы эволюции и адаптации живых систем к окружающей среде.

5. Владеть знанием техники консервации биообразцов и навыками основных приемов их лабораторного анализа, дающих современным диагностам до 90 % полезной информации.

Противоречие семестрового объема курса широте и глубине сведений стремительно развивающейся дисциплины, вынуждают рассчитывать, как на базовые знания студентов, так и на их сознательную и еженедельную подготовку к лекциям и лабораторным занятиям. Это подразумевает самостоятельную работу студентов = = СРС, включая:

1. Обязательное наличие спецодежды = лабораторного халата и перчаток для работ с биоматериалом.

2. Оформление протоколов предстоящих занятий по пяти позициям: 1. Дата, порядковый номер, тема занятия и название каждой лабораторной работы. 2. Принцип метода исследований и сфера его применения 3. Краткое и четкое описание основных этапов хода работы. 4. Результаты исследований. 5. Выводы. Понятно, что два последних пункта выполняют по завершении опыта. Особо подчеркнем, что о продуманном и глубоком усвоении материала свидетельствуют лишь четкие формулировки выводов,содержащих элементы обобщений.

3. Систематизацию знаний с помощью конспектов, доступных руководств и справочников, при творческом подходе к пересказу усвоенного, разработке схем, таблиц, компьютерных программ и другим приемам обучения. Лишь при этих условиях, время занятий удастся расходовать рационально: для проверки заготовок протоколов, разбора неясностей, затрудняющих освоение темы и инструктажа по предстоящим работам. Как обычно, завершаются лабораторные работы их индивидуальной защитой. Также, на втором занятии, студенты, желающие сделать 10-минутное реферативное сообщение, информируют преподавателя, об избранной теме и сроках его подготовки, для коллективного обсуждения и оценки.

В соответствии с расписанием, индивидуальные консультации проводятся раз в неделю, а групповая – перед экзаменом. Оба семинарских занятия отведены для письменного контроля знаний, реферативных сообщений и разбора трудностей. Итоговые занятия совмещены с контрольными точками и посвящены проверке усвоения основных материалов курса.

Студент, пропустивший лабораторное занятие, должен отработать его в течение ближайших одной-двух недель. Иначе, из-за ограниченных сроков годности дорогостоящих тест-наборов реактивов, ему придется приобретать их за свой счет.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Комов В. П., Шведова В. Н. Биохимия. – М.: Дрофа, 2004. – 640 с.

2. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. – М.: Мир, 2004. – 469 с. (http://biochemistry.vov.ru/nagl_bio/index.htm)

3. Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. – М.: Высшая школа, 1999. – 512 с.

4. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. – М.: Изд-во НИИ Биомедицинской химии РАМН, 2000. – 372 с.

5. Практикум по биохимии. Под ред. С. Е. Северина и Г. А. Соловьевой. – М.: Изд-во Московского университета, 1989. – 509 с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Химия и общество. – М.: Мир, 1995. – 560 с.

2. Фримантл М. Химия в действии в 2-х тт. – М.: Мир, 1991 и 1998 гг.

3. Ленинджер А. Основы биохимии в 3-х тт. – М.: Мир, 1985.

4. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высшая Школа, 1992 и 1998 гг.

5. Плакунов В. К. Основы энзимологии. – М.: Логос, 2001. – 126 с.

6. Биохимия. Под ред. чл.-корр. РАН, проф. Е. С. Северина. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. – 674 с.

7. Мусил Я. и др. Современная биохимия в схемах. – М.: Мир, 1981. – 216 с.

8. Скоупс Р. Методы очистки белков. – М.: Мир, 1985. – 358 с.

9. Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. В 4-х томах. – М.: Мир, 1994.

10. Рис Э., Стернберг М. Введение в молекулярную биологию. – М.: Мир, 2003. – 118 с.

11. Коничев А. С., Севастьянова Г. А. Молекулярная биология. – М.: ACADEMIA, 2003. – 400 с.

12. Тарантул В. З. Геном человека. – М.: Языки славянской культуры, 2003. – 392 с.

13. Патрушев Л. И. Искусственные генетические системы. – М.: Наука, 2004. – Т.1. – 526 с.

14. Досон Р. и др. Справочник биохимика. – М.: Мир, 1991. – 544 с.

15. Фрайштат Д. М. Реактивы и препараты для микроскопии. Справочник. – М.: Химия, 1980. – 480 с.

16. Уайт А. и др. Основы биохимии. В трех томах. – М.: Мир, 1981.

17. Жеребцов Н. А.и др. Биохимия. – Воронеж.: Изд-во Воронежского госуниверситета, 2002. – 696 с.

18. Кларк. Д., Рассел Л. Молекулярная биология. – М.: 2004.

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ ДО

1. Введение в биохимию и молекулярную биологию.

2. Структура, свойства и функции аминокислот и их полимеров.

3. Доменная организация, эволюция и классификации белков

4. Особенности биокатализа. Роль кофакторов и ингибиторов ферментов.

5. Управление метаболизмом. Регуляция внутри- и межклеточных процессов.

6. Строение, свойства, номенклатура и функции моно- и полинуклеотидов.

7. Основы геномики вирусов, эубактерий, архей и эукариот.

8. Экспрессия генов у про- и эукариот. Транскрипция и процессинг = созревание РНК.

9. Эволюция рибосом, трансляция и фолдинг полипептидов.

10. Молекулярно-генетические системы управления репликацией, транскрипцией и репарациями ДНК.

11. Структура, общие свойства и функции высших карбоновых кислот. Классификация и функции липидов.

12. Проблемы и методы мембранологии. Состав и общие свойства биомембран. Топография и функции мембранных белков.

13. Механизмы транспорта веществ и трансмембранной передачи = трансдукции сигналов в клетках.

14. Классификация организмов по типам обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой.

15. Трехэтапная схема метаболизма. Функции биологического окисления. Организация и роль митохондрий.

16. Токсические формы кислорода, механизмы их повреждающего действия, системы антиоксидантной защиты и неспецифической резистентности.

17. Основы химии углеводов. Эволюция их переваривания у животных. Транспорт глюкозы в клетки и обзорная схема путей ее внутриклеточного метаболизма.

18. Анаэробное и аэробное окисление глюкозы. Роль пентозофосфатного цикла в реакциях фотосинтеза и анаболизма клеток животных.

19. Механизмы управления процессами аэробного гликолиза и гликонеогенеза.

20. Особенности переваривания, всасывания и транспорта пищевых липидов в клетки. Липолиз и липогенез. Обзорная схема метаболизма липидов.

21. Азотистый баланс организмов и популяций. Структура, свойства и функции пептидгидролаз. Обзорная схема внутриклеточного метаболизма аминокислот.

22. Биосинтез заменимых аминокислот. Роль глутамата, как центра азотистого обмена в клетках. Превращения безазотистых остатков аминокислот.

23. Биосинтез гема и его функции. Обмен железа. Образование, транспорт и конъюгация билирубина.

24. Источники аммиака и способы его обезвреживания. Схема метаболизма эндогенных и чужеродных (ксенобиотиков) токсикантов.

25. Классификация систем гуморальной регуляции и принципы их действия. Эндокринная система и структура гормонов.

26. Механизмы биосинтеза, депонирования, секреции и транспорта гормонов. Клетки-мишени, наборы их рецепторов и механизмы трансдукции внешних сигналов. Клеточный ответ, как механизм замыкания обратной связи с системой управления.

27. Сравнение гуморальной, иммунной и нервной систем межклеточных коммуникаций.

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ ОЗО

1. Биохимия, как наука о биомолекулах и их превращениях, лежащих в основе жизнедеятельности.

2. Типы химических связей и преимущества биополимеров в явлениях жизни.

3. Особенности биокатализа. Понятия витаминов, ингибиторов.

4. Химия моно- и полинуклеотидов. Основы геномики вирусов, эубактерий, архей и эукариот. Репликация и репарация ДНК у про- и эукариот.

5. Транскрипция, трансляция и фолдинг полипептидов. Рекомбинации геномов.

6. Основы химии липидов. Биомембраны.

7. Трехэтапная схема метаболизма. Организация и функции митохондрий. Управление метаболизмом и его регуляция.

8. Основы химии и метаболизма углеводов.

9. Схемы метаболизма липидов, аминокислот и небелковых азотистых соединений.

10. Дистантные системы управления метаболизмом клеток.

ПЛАН ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ ДЛЯ ОЗО

1. Вводное. Организация лаборатории и проведения занятий.

2. Способы дозировки растворов. Типы анализа и тест-системы в биологии и медицине.

3. Количественный анализ глюкозы, белка и гемоглобина.

4. Семинар. Морфофункциональная интеграция биосистем.