Реферат: Программа дисциплины Экологическая биохимия Новосибирск

Приложение 2



Программа дисциплины


Экологическая биохимия


Новосибирск

2004


Программа дисциплины «экологическая биохимия» составлена в соответствии с требованиями (вузовский компонент – ОПД.Ф.00) к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки дипломированного специалиста по специальности 0110Х «Химия», специализации «Химия окружающей среды» по циклу «Общепрофессиональные и специальные дисциплины» государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования второго поколения.


Автор Гуляева Людмила Федоровна, д.б.н., профессор, Новосибирский государственный университет


Рецензенты: Вавилин Валентин Андреевич, д.м.н., доцент, ^ Новосибирский государственный университет


I. Организационно-методический раздел.

1.1. Цель курса.

Дисциплина «: "Экологическая биохимия"» предназначена для студентов химического отделения факультета естественных наук, специализирующихся в области экологии. Основной целью освоения дисциплины является изучение биохимических механизмов адаптации живых организмов к меняющимся условиям внешней среды. Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:

1.2. Задачи курса:

- Изучить механизмы взаимодействия растений с внешней средой через вторичные метаболиты

- Изучить основные механизмы адаптации через изменение активности ферментов

- Рассмотреть метаболизм экзогенных и эндогенных соединений ферментами 1-й и 2-й фаз метаболизма ксенобиотиков как основу адаптации к чужеродным соединениям.

Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины).

По окончании изучения указанной дисциплины студент должен

иметь представление о биохимических механизмах адаптации.

знать закономерности и регуляцию основных биохимических процессов в клетке при меняющихся условиях внешней среды (гипоксия, повышение температуры, влияние ксенобиотиков).

уметь ориентироваться в проблемах, связанных с биохимической адаптацией живых организмов к внешней среде.


1.4. Формы контроля.

Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрен экзамен.

Текущий контроль. В течение семестра проводится тестирование студентов по 2-м основным темам: 1. биохимическая адаптация, регулируемая ферментативными системами; 2- метаболизм ксенобиотиков. Выполнение указанных видов работ является обязательным для всех студентов, а результаты текущего контроля служат основанием для выставления оценок в ведомость контрольной недели на факультете.

2. Содержание дисциплины.

2.1. Новизна курса "Экологическая биохимия" заключается в обобщении разрозненных данных по биохимической адаптации. В России подобные курсы не читаются. Автор курса Гуляева Л.Ф., активно работающая в области ксенобиохимии, привлекает новые научные достижения, постоянно появляющиеся в этой области. Актуальность предложенного курса вытекает из необходимости изучения механизмов адаптации к меняющимся условиям внешней среды, особенно связанных с химическим загрязнением.


Тематический план курса (распределение часов).


Наименование разделов и тем

К о л и ч е с т в о ч а с о в


Лекции

Самостоятель-ная работа

Всего

часов




Введение.

2

1

3



Биохимические основы взаимодействия живых организмов



10

5

15



^ Адаптивное изменение биохимических процессов
12

7

19




Адаптационные процессы взаимодействия живых организмов с химическими факторами внешней среды

10

6

16




Итого по курсу:

34

18

52







Содержание отдельных разделов и тем.
Введение.
Экологическая биохимия как наука о биохимических механизмах взаимодействия живых организмов и внешней среды. Адаптация биохимических процессов. Биохимические основы защиты живых организмов от химических факторов внешней среды. Функции детоксификации.
^ Часть I. Биохимические основы взаимодействия живых организмов
1. Экологическая адаптация растений к окружающей среде. Роль климатических условий. Адаптация к жаре, цикл Хэча-Слэка. Адаптация к холоду. Растения в условиях засухи и затопления. Биохимическая адаптация к почве. Механизмы формирования устойчивости растений к тяжелым металлам. Иммобилизация тяжелых металлов в клеточной стенке. Роль плазмалеммы в развитии толерантности. Металлотионеины и хелатины. Изменения метаболизма в клетках растений в присутствии тяжелых металлов. Стрессовые белки растений. Убиквитин. Галофитные растения. Механизмы детоксификации фенолов, фунгицидов, гербицидов.

^ 2. Биохимия опыления растений. Роль окраски цветка. Антоцианидины. Факторы, влияющие на окраску цветка. Эволюция окраски цветка. Роль запаха в опылении растений. Монотерпены и сесквитерпены, моноамины и диамины. Указатели нектара и пыльцы в опылении.

^ 3. Вторичные метаболиты растений в адаптационных процессах. Растительные токсины и их действие на животных. Классы токсинов. Небелковые аминокислоты. Цианогенные гликозиды и алкалоиды. Судьба токсинов в организме животного. Полиморфизм цианогенеза. Адаптация животных к цианидам. Сердечные гликозиды и пирролизидиновые алкалоиды во взаимодействии растений и животных.

^ 4. Гормональные взаимодействия между растениями и животными. Гормоны растений. Синтез гормонов у дрозофилы из скоттенола кактусов. Растительные гормоны в борьбе с насекомыми.

^ 5. Пищевые вещества, предпочитаемые насекомыми. Пищевые аттрактанты и детерренты. Эволюция пищевых детеррентов у высших растений. Аллелопатия растений.

6. Пищевые вещества, предпочитаемые позвоночными, в том числе человеком. Химия вкуса.

7. Феромоны и защитные вещества животных
^ Часть II. Адаптивное изменение биохимических процессов
1. Метаболическая регуляция активности ферментов как механизм адаптации к внешней среде. Поддержание структурной целостности макромолекул. Энергетическое снабжение клетки. Поддержание систем, регулирующих направление метаболических процессов. Временные параметры адаптации. Энантиостаз.

^ 2. Функциональные блоки в системе метаболизма и их сопряжение. Катаболизм (гликолиз, окисление жирных кислот, цикл Кребса). Адаптивные перестройки на участках гликолиза. Роль глицеролфосфат дегидрогеназы. Регуляция на уровне фосфоглицератов , ФЕП и пирувата. Окислительный метаболизм. Катаболизм липидов. Белки и аминокислоты как потенциальные источники энергии. Дезаминирование и трансаминирование. Роль цикла Кребса в катаболических и анаболических процессах. Анаплеротические реакции. Реакции декарбоксилирования, сопряженные с переносом энергии на НАД+ и ФАД+. Роль дегидрогеназ в метаболических процессах. Дыхательная цепь в митохондриях млекопитающих. Челночные механизмы переноса водорода. Синтез АТФ. Эффект Пастера. Объединение гликолиза и дыхания. Регулируемые компоненты митохондриального метаболизма. Адаптационные изменения путей переноса электронов. Анаболизм (процессы биосинтеза). Рост и дифференцировка (синтез сложных макромолекул)

^ 3. Изменение ферментативной активности как основа приспосабливаемости к метаболическим функциям. Адаптация ферментов к метаболическим функциям. Уровни регуляции ферментативной активности. Транскрипция, трансляция, стабилизация. Кинетические параметры. Положительная и отрицательная кооперативность в работе ферментов. Аллостерия.

^ 4. Ферменты как катализаторы и регуляторы биохимических процессов. Роль модуляторов в регуляции активности ферментов на примере фосфофруктокиназы. Тонкие и грубые механизмы регуляции ферментов. Ключевые ферменты метаболизма и их регуляция внеклеточными сигналами. Аденилатциклазная система.

^ 5. Ферменты как защитные приспособления . Защита от оксидативного стресса.

6. Обходные пути метаболизма

7. Адаптация к физической нагрузке. Анаэробный и аэробный метаболизм в мышцах. Запасание энергии в мышцах. Фосфагены. Регуляция мышечной гликогенфосфорилазы. Фосфофруктокиназа и гликолиз.Роль цикла Кребса в работе мышц. Сходства и различия между анаэробным и аэробным энергоснабжением. Стратегия адаптации к длительной работе.

^ 8. Особенности метаболизма в условиях аноксии. Разнообразие форм анаэробного метаболизма. Проблема конечных метаболитов. Восстановление метаболического гомеостаза. Роль цикла Кори. Перезарядка периферического и центрального депо гликогена. Глюконеогенез.

^ 9. Изменение биохимических процессов в условиях гипоксии. Снижение интенсивности метаболизма. Адаптация к нырянию. Роль ацетальдегида при гипоксии. Функциональная гипоксия.

^ 10. Выключение активного метаболизма. Метаболическое состояние живых организмов при ангидробиозе. Диапауза у насекомых. Гликоген как предшественник многоатомных спиртов. Зимняя спячка у грызунов. Роль аминокислот. Метаболизм в период пробуждения. Кетоновые тела и их окисление. Зимняя спячка у медведей. Контроль подавления метаболизма.

^ 11. Дыхательные белки. Регуляция функции гемоглобина. Варианты гемоглобина. Адаптационная модуляция свойств гемоглобина.

12. Адаптационные процессы, связанные с водными растворами. Регулирование концентраций веществ. Стратегия накопления основных осмолитов. Роль рН и состава буферных систем. Регулирование концентраций совместимых осмолитов. Оптимальная величина рН и состав буферных систем. Роль имидазольной группы гистидина в регуляции рН.

^ 13. Адаптация к температуре. Эндотермия и регуляция температуры тела. Бурая и жировая ткань. Сохранение оптимальной величины рН и состава буферных систем. Влияние температуры на липиды мембран. Белки теплового шока животных.

^ 14. Адаптация к морским глубинам. Гидротермальные источники - область обильной жизни на больших глубинах. Особенности состава белковых молекул. Часть III. Адаптационные процессы взаимодействия живых организмов с химическими факторами внешней среды

^ 1. Окружающая среда как источник многочисленных веществ, чужеродных для человека. Чужеродные соединения (ксенобиотики). Разнообразие содержания их в пище, медикаментах, в продуктах химического производства и других сферах жизнедеятельности человека. Неорганические и органические ксенобиотики природного и синтетического происхождения. Канцерогены как ксенобиотики и их классификация.

^ 2. Судьба чужеродных соединений. Определение I и II фазы метаболизма. Метаболическое превращение. Детоксификация как функция химической защиты. Усиление токсичности (токсификация) как негативное проявление действия ксенобиотиков.

^ 3. Структура и функция микросомной монооксигеназной системы (МОС). Общие представления о функционировании ферментов монооксигеназной системы животных и человека. Активация кислорода как универсальный механизм действия ферментов МОС. Микросомальная цепь переноса электронов. Основные реакции, осуществляемые цитохромом Р450. Современные представления о строении Р450. Генная классификация цитохрома Р450. Семейства 1 и 2 как основные в метаболизме ксенобиотиков. Индукция ферментов МОС. Молекулярные механизмы активации генов Р450 и других ферментов, метаболизирующих ксенобиотики. Рецепторный механизм активации генов СУР1А. Молекулярная характеристика Ah-рецептора. Роль факторов транскрипции в активации генов некоторых Р450 . Тканеспецифичность индукции.

^ 4. Индукция ферментов МОС как биохимический параметр для биомониторинга загрязнения окружающей среды. Индукция ферментов детоксификации химическими компонентами загрязнения окружающей среды.Использование диких животных и рыб для экологического биомониторинга. Влияние факторов окружающей среды на ферментные системы человека

^ 5. Ферменты 2-ой фазы метаболизма ксенобиотиков.Глюкуронидация как один из основных механизмов коньюгации ксенобиотиков и эндогенных соединений. Роль трансфераз в процессах детоксификации. Реакции ацетилирования. Микросомальная эпоксидгидролаза в катализе особо токсических соединений.

^ 6. Взаимосвязь метаболизма эндогенных соединений и ксенобиотиков. Цитохром Р450 и метаболизм стероидных гормонов, роль факторов внешней среды. Ароматаза как ключевой фермент в биосинтезе стероидов. Метаболизм арахидоновой кислоты и простагландинов.

^ 7. Лекарства как чужеродные для человека соединения. Метаболизм лекарств множественными формами цитохрома Р450 человека. Основные фармакокинетические параметры при исследовании метаболизма лекарств. Лекарства-маркеры. Генетический полиморфизм в метаболизме лекарств. Связь с патологиями человека. Использование тестовых лекарств в биомониторинге окружающей среды.

^ 8. Метаболизм пестицидов и других промышленных химикатов. Пестициды и инсектициды. Полихлорированные углеводороды. Дихлорбензолы. Фосфорорганические соединения. Карбаматы. Фенолы. Природные вещества (никотин, стрихнин). Продукты промышленного производства. Хлорированные алифатические соединения и алифатические спирты.Ароматические углеводороды, нитросоединения и амины. Пищевые токсины. Биологические эффекты и последствия.

^ 9. Токсификация как негативное проявление действмя ксенобиотиков. Биоактивация и детоксификация промышленных загрязнителей среды. Роль реактивных метаболитов в процессах токсификации (на примере метаболизма бензпирена как потенциального канцерогена). Механизмы тератогенеза. Образование аддуктов метаболитов с биологическими макромолекулами. Механизмы связывания реактивных метаболитов с ДНК и белками. Использование методов регистрации аддуктов в биомониторинге. Современные представления о механизмах химического канцерогенеза. Ферменты микросомной монооксигеназной системы в активации проканцерогенов. Роль аддуктов в возникновении мутаций. Мутации и рак. Активация онкогенов в механизмах онкогенеза. Оценка факторов риска в канцерогенезисе. Полиморфизм ферментов I и II фазы метаболизма ксенобиотиков и рак. Генетический полиморфизм цитохрома Р4501А1 и частота возникновения рака легкого. Роль глютатион S-трансферазы в возникновении онкологических заболеваний. Оксидативный стресс, окисление ДНК и раковые супрессорные гены.


^ Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы:

Предлагается тест, где нужно выбрать правильный ответ. Ниже приведены вопросы такого теста:

^ ТЕСТ

по экологической биохимии

Часть 1. Адаптационные биохимические пpоцессы у pастений

и животных


1. Феpменты, игpающие pоль в адаптации pастений к жаpе

- альдолаза (фотосинтез) _____

- фосфоенолпиpуваткаpбоксилаза

(цикл Хэча-Слэка) _____

-фосфопиpуваткиназа (цикл Кальвина) _____

2. В адаптации pастений к затоплению (гипоксия) подключены

пpоцессы:

- гликолиз _____

- бэта-окисление жиpных кислот _____

- Цикл Кальвина _____


3. Феpменты детоксикации токсинов у pастений:

- глютатион-S-тpансфеpаза _____

- гликозилтpансфеpаза _____

- изомеpаза _____

- цитохpомоксидаза _____


Учебно-методическое обеспечение дисциплины




Образцы вопросов для подготовки к экзамену

Билет состоит из 3-х вопросов, охватывающих 3 основных раздела курса.

Ниже приведены примеры экзаменационных билетов

Билет № 1:

Структура и функция цитохрома Р450

Регуляция гликолиза при гипоксии

Механизмы адаптации растений к жаре



Билет № 2:

Типы реакций, катализируемых цитохромом Р450

Стратегия биохимической адаптации. Функциональные блоки метаболизма и их сопряжение

Биохимия опыления растений.




Список основной и дополнительной литературы

Список рекомендованной литературы

Дж. Харборн. Введение в экологическую биохимию. М. : Мир, 1985. 308 с.

П. Хочачка, Дж. Сомеро. Биохимическая адаптация. М. : Мир, 1988. 568 с.

Д.В. Парк. Биохимия чужеродных соединений. М. : Медицина, 1973. 287 с.

В.В. Ляхович, И.Б. Цырлов. Структурные аспекты биохимии монооксигеназ. Новосибирск: Наука, 1978. 235 с.

В.М. Мишин, В.В. Ляхович. Множественные формы цитохрома Р450. Новосибирск: Наука, 1985. 180 с.

Л.Ф. Гуляева., А.Ю. Гришанова и др. Микросомная монооксигеназная система живых организмов в биомониторинге окружающей среды: Аналитический обзор. ГПНТБ, Новосибирск, 1994. 98 с.

Гуляева Л.Ф. Экологическая биохимия // Краткий курс лекций. - Из-во Новосибирского Гос. Ун-та.- 2003. - 131 С.