Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сыктывкарский государственный университет»
Институт естественных наук
Кафедра «Экологии»
Учебно-методический комплекс
Дисциплины «Стресс-реакции клетки»
Блок дисциплины М2.В1.
Направление – 022000.68 «Экология и природопользование» профиль «Окружающая среда и здоровье человека»
Квалификация – магистр
Институт естественных наук
Форма обучения – очная
Сыктывкар 2012
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сыктывкарский государственный университет»
Институт естественных наук
Кафедра «Экологии»
УТВЕРЖДЕНО
На заседании учебно-методической
комиссии Инстиута естественных наук
___сентября 2012 г.
Протокол №____
Председатель УМК
_____________
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
Дисциплины «Стресс-реакции клетки»
Блок дисциплины М2.В1.
Направление – 022000.68 «Экология и природопользование» профиль «Окружающая среда и здоровье человека»
Квалификация – магистр
Институт естественных наук
Форма обучения – очная
Семестр 9
Всего учебных занятий – 72 часа
В том числе:
Аудиторных 32 часа, из них
Лекций – 8 часов;
Лабораторные занятия – 24 часов;
Самостоятельная работа – 36 часа;
Промежуточный контроль – контрольные работы (4 часа).
Итоговый контроль – зачет
Сыктывкар 2012
ЛИСТ СОГЛАСОВАНИЯ
И УТВЕРЖДЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ
Рабочая программа составлена на основании ГОС ВПО (СПО) и учебного плана направления Направление – 022000.68 «Экология и природопользование» профиль «Окружающая среда и здоровье человека»
Составитель программы:
Старший преподаватель, кандидат биологических наук__________
Сведения о рецензентах:
Старший преподаватель кафедры экологии,
кандидат биологических наук __________
Научный сотрудник Института биологии Коми НЦ УрО РАН,
кандидат биологических наук __________
Программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры экологии
Протокол заседания №___от «____»_________2012 г.
Заведующий кафедрой экологии
Доктор биологических наук_________________
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
1. ЦЕЛЬ КУРСА – дать студентам комплексное представление о сути и механизмах стресс-реакций биосистем на уровне клетки, а также о возможных последствиях нарушения реакции клеток на стресс.
Задачи:
- сформировать представление о клетке как системе, способной к скоординированной регуляции происходящих в ней процессов и самоподдержанию;
- углубить знания о механизмах влияния стрессоров и реакции на их действие на уровне клетки;
- дать понимание о влиянии систем сресс-реакции клетки на состояние целого организма;
- познакомить студентов с основными методами анализа реакции клеток на стресс.
2. Место дисциплины в структуре
Учебная программа курса «Стресс-реакции клетки» включает изучение следующих вопросов: суть стресс-реакций на клеточном уровне, их роль в поддержании гомеостаза; основные виды клеточного стресса, возникающего в ответ на определенные воздействия; механизмы и стратегии ответа на повреждение клеточных структур и макромолекул; методы анализа реакции клеток на стресс. В ходе изучения дисциплины «Стресс-реакции клетки» студенты осваивают на более глубоком уровне знания, полученные ими в ходе изучения таких базовых дисциплин, как «Генетика», «Биология», «Химия», «Физика», применительно к молекулярно-клеточному уровню организации живых систем. Представленный курс связан с курсом «Эпигенетические механизмы гомеостаза», который студенты изучают в следующем семестре, и поможет в понимании излагаемого в нем материала. Сам курс является логическим продолжением дисциплины «Стресс-реакции клетки». Информация, полученная обучающимися в результате освоения курса, позволит более полно понимать механизмы реакции организмов в ответ на действие факторов среды. Поэтому изучение курса «Стресс-реакции клетки» необходимо для формирования специалиста в области теоретической и прикладной экологии.
3. Компетенции обучающегося,
формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины «Стресс-реакции клетки» формируется часть профессиональной компетенции ПК 1 и ПК 2 в области экологии.
- Обладать базовыми знаниями в области фундаментальных разделов науки в объеме, необходимом для обработки информации и анализа данных по экологии и природопользованию (ПК 1).
- Обладать базовыми знаниями в области фундаментальных разделов физики, химии и биологии в объеме, необходимом для освоения физических, химических и биологических основ в экологии и природопользовании; овладение методами химического анализа, а также методами отбора и анализа геологических и биологических проб; приобретение навыков идентификации и описания биологического разнообразия, его оценки современными методами количественной обработки информации (ПК 2).
4. Результаты обучения
В результате освоения дисциплины студент должен
знать:
- понятие клеточного стресса и стресс-реакции клетки;
- последствия действия стрессовых факторов на клетки;
- основные механизмы и стратегии ответа клетки на стресс и вызывающие его факторы;
уметь:
- использовать теоретические и практические знания о стресс-реакциях клетки в оценке влияния факторов среды на живые организмы;
владеть:
- методами анализа уровня повреждений ДНК и активности генов стресс-ответа.
5. Структура и содержание дисциплины
Календарно-тематический план изучения дисциплины
№ | Наименование разделов, тем | Количество часов по учебному плану | ||||
Максимальная нагрузка студентов (часов) | Аудиторная нагрузка | Самосто-ятельная работа | ||||
Формы текущего контроля по теме, разделу | В том числе | |||||
Лекции | Лаборатор. работа | |||||
1 | Стресс и стресс-реакции клетки. Общие понятия. Система стресс-сигналинга клетки. | 6,5 | 0,5 | 2 | 0 | 4 |
2 | Изменения в клетке при стрессе. Образование и предотвращение повреждений макромолекул. | 16,5 | 0,5 | 2 | 8 | 6 |
3 | Механизмы ответа на генотоксический стресс. | 17,5 | 0,5 | 2 | 6 | 9 |
4 | Механизмы ответа на протео - и липотоксический стресс. Межклеточные взаимодействия при стресс-реакции. | 17,5 | 0,5 | 2 | 6 | 9 |
5 | Пути и стратегии ответа клетки на различные стрессоры. | 14 | 2 | 0 | 4 | 8 |
Итого | 72 | 4 | 8 | 24 | 36 |
Содержание дисциплины
Тема 1. Стресс и стресс-реакции клетки. Общие понятия. Система стресс-сигналинга клетки.
Лекция (2 часа)
Понятие стресса и стресс-реакции. Стрессовые факторы. Стадии стресс-реакции клетки. Гомеостаз клеток. Стресс-сигналинг: белки сенсоры, трансдукторы, транскрипционные факторы, эффекторы.
Самостоятельная работа (4 часа)
1. Самостоятельно изучить основные типы передачи сигнала: фосфорилирования и дефосфорилирования, ацетилирования и деацетилирования, убиквитинирования, ингибирующего и активирующего связывания.
2. Ответить на контрольные вопросы для зачета (приведены ниже).
Тема 2. Изменения в клетке при стрессе. Образование и предотвращение повреждений макромолекул.
Лекция (2 часа)
Изменения в метаболизме и функционировании клеточных компартментов при стрессе. Повреждение макромолекул (ДНК, белков, мембран). Потенциальные последствия дерегуляции механизмов ответа на стресс. Свободные радикалы и их действие на живые клетки. Механизмы детоксикации свободных радикалов. Ксенобиотики. Механизмы детоксикации ксенобиотиков и других токсикантов. Образование и предотвращение накопления конечных продуктов гликозилирования белков.
Лабораторные работы (8 часов)
Анализ уровня однонитевых и двунитевых повреждений ДНК методом «ДНК-комет»
Данная тема разбита на два лабораторных занятия по 4 часа.
На первом занятии студенты готовят растворы, необходимые для проведения метода «ДНК-комет» в двух модификациях (для оценки однонитевых разрывов ДНК и щелочнолабильных сайтов, и для оценки двунитевых разрывов ДНК), и покрывают предметные стекла раствором агарозы (для препаратов).
На втором занятии проводится анализ уровня однонитевых разрывов ДНК и щелочнолабильных сайтов и двунитевых разрывов ДНК в лейкоцитах переферической крови мышей методом электрофореза единичных клеток в геле («ДНК-комет») с последующей визуализацией «ДНК-комет» и демонстрацией методики анализа полученных препаратов.
Самостоятельная работа (6 часов)
1. Изучить специфичность механизмов детоксикации отдельных повреждающих агентов.
2. Найти информацию по различным методам оценки повреждений ДНК. Разобрать принцип метода электрофореза единичных клеток в геле («метода ДНК-комет») для анализа уровня повреждений ДНК. Задачи, решаемые с помощью данного метода, и существующие модификации.
3. Ответить на контрольные вопросы для зачета (приведены ниже).
Тема 3. Механизмы ответа на генотоксический стресс.
Лекция (2 часа)
Типы повреждений ДНК. Мутации. Механизмы распознавания повреждений ДНК. Стресс-индуцированная остановка клеточного цикла в проверочных точках. Обратимая и необратимая остановка клеточного цикла. Механизмы репарации ДНК: эксцизионная репарация оснований и нуклеотидов, репарация мисмэтчей, гомологичная рекомбинация, негомологичное воссоединение концов ДНК, однонитевой отжиг. Стресс-индуцированное клеточное старение и клеточная гибель. Типы клеточной гибели. Внутренние (митохондриальный и немитохондриальный) и внешний пути индукции апоптоза.
Лабораторная работа (6 часов)
Изучение скорости репарации ДНК с помощью метода ПЦР в реальном времени
На занятии студенты индуцируют повреждение ДНК с помощью прооксиданта перекиси водорода в клетках имаго Drosophila melanogaster (или в культуре клеток фибробластов человека). Далее через 15, 60, 120, 180 минут проводят анализ количества повреждений ДНК с помощью метода ПЦР «в реальном времени» (по отдельным сенсорным генам). Полученные на занятии данные студенты экспортируют в электронные таблицы в формате *.xlsx, самостоятельно строят графики изменения количества повреждений ДНК и делают вывод о скорости репарации ДНК.
Самостоятельная работа (9 часов)
1. Рассмотреть зависимость частоты возникновения отдельных типов повреждения ДНК от природы и интенсивности действующего фактора. Изучить повреждения ДНК, образующиеся при связывании ДНК с другими макромолекулами клетки (например, сшивки ДНК-белок и т. д.).
2. Разобрать роль старения клеток и апоптоза в поддержании тканевого и организменного гомеостаза. Роль клеточного старения и гибели в предотвращении канцерогенеза и индивидуальном развитии организмов.
3. Изучить принцип полимеразной цепной реакции. Способы контроля качества ПЦР на различных его этапах. Модификации и сферы применения.
4. По результатам, полученным на лабораторном занятии построить графики изменения количества повреждений ДНК и сделать вывод о скорости репарации ДНК.
5. Ответить на контрольные вопросы для зачета (приведены ниже).
Тема 4. Механизмы ответа на протео - и липотоксический стресс. Межклеточные взаимодействия при стресс-реакции.
Лекция (2 часа)
Повреждения белков. Белки теплового шока. Механизмы репарации и протеолиза белков. Автофагия. Стресс эндоплазматической сети и ответ на него. Повреждение липидов и последствия. Репарация липидных мембран и утилизация поврежденных липидов.
Лабораторная работа (6 часов)
Изучение активности генов стресс-ответа с помощью метода ОТ-ПЦР «в реальном времени»
На занятии студенты индуцируют тепловой шок в клетках имаго Drosophila melanogaster (или в культуре фибробластов человека). Далее проводят выделение РНК с последующим этапом обратной транскрипции, и измеряют активность гена белка теплового шока 70 (HSP70) методом ПЦР «реальном времени». Полученные на занятии данные студенты экспортируют в электронные таблицы в формате *.xlsx, самостоятельно строят графики изменения активности гена HSP70 после теплового шока.
Самостоятельная работа (9 часов)
1. Рассмотреть зависимость частоты возникновения отдельных типов повреждения белков и липидов от природы и интенсивности действующего фактора.
2. Изучить принцип полимеразной цепной реакции с этапом обратной транскрипции. Способы контроля качества ОТ-ПЦР на различных его этапах. Сферы применения ОТ-ПЦР.
3. По результатам, полученным на лабораторном занятии построить графики изменения активности гена HSP70 после теплового шока и сделать вывод.
4. Ответить на контрольные вопросы для зачета (приведены ниже).
Тема 5. Пути и стратегии ответа клетки на различные стрессоры.
Лабораторная работа (4 часа)
Проводится в конце освоения курса с использованием технологий обучения в сотрудничестве «Метод проектов» и «Учебная конференция».
Студентам в малых группах предлагается составить генную сеть ответа на действие определенного фактора среды (прооксидантов, ионизирующего излучения, ультрафиолетового излучения, высоких и низких температур, голодания, избытка глюкозы, действия ксенобиотиков, тяжелых металлов, токсинов бактерий и т. д.) на основе полученных знаний о механизмах стресс-реакции клетки и при детальном изучении научных статей. После составления, каждая из малых групп представляет свою работу коллегам, в коротком сообщении объясняет механизм ответа на стресс по схеме и отвечает на возникшие вопросы.
Самостоятельная работа (8 часов)
Перед лабораторным занятием студенты самостоятельно подбирают статьи по действию интересующих их факторов на клетки с использованием всемирных каталогов публикаций с полнотекстовым доступом www. и www. scholar. *****, детально изучают их.
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Текущий контроль
- проверка знаний разделов курса в виде опроса в ходе лекционных и лабораторных занятий.
Промежуточный контроль
- контрольная работа.
Контрольные вопросы
1. Понятие стресса, стадии стресс-реакции. Стресс на клеточном уровне. Изменения в метаболизме клеток и повреждения макромолекул при стрессе, их последствия.
2. Компоненты стресс-сигналинга клеток, их функции. Основные типы передачи сигнала в клетке (фосфорилирование и дефосфорилирование, ацетилирование и деацетилирование, убиквитинирование, ингибирующее и активирующее связывание).
3. Факторы, вызывающие стресс на клеточном уровне. Детоксикация, ее роль в стресс-реакции клетки. Механизмы детоксикации свободных радикалов, токсикантов, продуктов гликозилирования.
4. Типы повреждений ДНК. Механизмы распознавания повреждений ДНК.
5. Понятие репарации ДНК. Типы и механизмы репарации ДНК.
6. Остановка клеточного цикла в проверочных точках в ответ на стресс. Обратимая и необратимая остановка клеточного цикла. Стресс-индуцированное клеточное старение.
7. Типы клеточной гибели. Понятие апоптоза. Внутренние и внешний пути апоптоза.
8. Повреждения белков. Механизмы восстановления нативной структуры белков.
9. Механизмы утилизации поврежденных белков – протеолиз и автофагия.
10. Стресс эндоплазматической сети, его причины и последствия. Механизмы ответа на стресс эндоплазматической сети.
11. Повреждения липидов и механизмы их устранения. Восстановление липидных мембран.
12. Роль регуляции экспрессии генов в механизмах ответа на стресс. Транскрипционная и посттранскрипционная регуляция экспрессии генов.
13. Методы оценки повреждений ДНК. Их принципы и сферы применения.
14. Методы оценки повреждений белков. Их принципы и сферы применения.
15. Методы оценки изменения активности генов стресс-ответа. Их принципы и сферы применения.
Итоговый контроль
- зачет, сдается в устной форме по одному из контрольных вопросов.
Для получения допуска к зачету необходимо успешно выполнить контрольную работу, активно работать на лабораторных занятиях, выполнять задания, предназначенные для самостоятельной работы.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Литература
Основная
1. Генетика. Учебник для вузов/ Под ред. академика РАМН . - М.: ИКЦ«Академкнига», 20с.
2. Жимулев и молекулярная генетика. – Новосибирск: «Сибирское университетское издательство», 2003. – 480 с.
3. , Севастьянова биология. - М.: Издательский центр "Академия", 20с.
Дополнительная
4. Льюис Дж., Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки. – М.: Мир, 1994.
5. , Наквасина мембраны: структурная организация, функции, модификация физико-химическими агентами. – Воронеж: Издательство Воронежского Государственного университета, 2000. – 296 с.
6. Браун . – М.-Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2011. – 944 с.
7. Анализ генома. Методы. – М.: Мир, 1990. – 246 с.
8. Инге-Вечтомов с основами селекции: учебник для студентов высших учебных заведений. – СПб.: Из-во Н-Л, 2010. – 720 с.
9. -Г. Наглядная биохимия. - М.: Изд-во БИНОМ, 2011. – 469 с.
10. , Жимулев . Структура и функции. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. – 258 с.
11. Москалёв и гены. – СПб.: Наука, 2008. – 359 с.
12. А., Шапошников механизмы воздействия ионизирующих излучений в малых дозах. – СПб.: Наука, 2009. – 137 с.
13. Нефедова молекулярных методов исследования в генетике: Учебное пособие. – М.: ИНФРА-М, 2012. – 104 с.
14. Практикум по молекулярной биологии / , , и др. – М.: Колос, 2012. – 151 с.
15. , Быстрицкий : упакованный геном. - БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 176 с.
16. , , А., , ПЦР «в реальном времени». – М.: БИНОМ, 2009. – 223 с.
17. Заккаи Дж. – Методы в молекулярной биофизике: структура, функция, динамика. 2 т. – М.: КДУ, 2009.
18. Гены и геномы. В 2-х томах. – М.: Мир, 1998.
19. Сойфер генетических повреждений // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – №8. – С.4-13.
20. Ченцов в клеточную биологию. - М.: ИКЦ "Академкнига", 20с.
21. Биохимия и молекулярная биология. – М.: МАИК "Наука / Интерпериодика", 2002. – 445 с.
22. Kultz D. Molecular and evolutionary basis of the cellular stress response // Annu. Rev. Phisiol. – 2005. – N 67. – P.13.1-13.33.
23. Sancar A. Lindsey-Boltz L. A., Unsal-Kacmaz K., Linn S. Molecular mechanisms of mammalian DNA repair and the DNA damage checkpoints // Annu. Rev. Biochem. – 2004. – N 73. – P.39-85.
Интернет-источники
http://www. *****/review/ - каталог научной и учебной литературы на русском и английском языках.
http://www. ncbi. nlm. nih. gov/pubmed/ - всемирная база научных статей в области биологически и медицины.
http://scholar. *****/ - Система поиска литературы на базе поисковой системы Google.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Оборудование
- Автоклав
- Автоматические пипетки (0.5-10 мкл, 10-100 мкл, мкл)
- Боксы для проведения ПЦР работ (отдельные для работы с ДНК и с РНК)
- Вентилятор
- Вертикальная и горизонтальная камеры для электрофореза и блок питания
- Вортекс
- Вытяжной шкаф
- Гомогенизатор
- ДНК амплификатор с возможностью количественной детекции флуоресцентного сигнала в процессе реакции
- Климатические камеры
- Компьютер или ноутбук
- Люминесцентный микроскоп
- Мультимедиапроектор
- Спектрофотометр
- Сушильный шкаф
- Твердотельные термостаты
- Термостат с охлаждением
- Устройство для очистки и обеззараживания воздуха
- Флуориметр
- Холодильник 4 ºС с морозильной камерой -20 ºС
- Центрифуга для микро пробирок с охлаждением и скоростью вращения не менее 12000 оборотов в минуту
- Электрическая плитка
- Электронные весы
- рН-метр
Материалы
- Линии Drosophila melanogaster, Mus musculus, фибробластов человека
- Компоненты для приготовления питательной среды
- Лабораторная посуда
- Микропробирки объемом 1,5 и 0,2 мкл
- Наборы реактивов для выделения РНК и ДНК
- Наборы реактивов для постановки ПЦР «в реальном времени»
- Наборы реактивов для работы с нуклеиновыми кислотами (проведения обратной транскрипции)
- Наконечники для автоматических пипеток на 10, 100 и 1000 мкл в штативах для автоклавирования
- Олигонуклеотиды
- Пакеты для автоклавирования
- Перчатки стерильные, неопудренные
- Пинцеты
- Пробирки объемом 100 мл
- Реактивы для анализа уровня повреждений ДНК методом ДНК-комет
- Штативы для пробирок объемом 100 мл и микропробирок пробирок объемом 1,5 и 0,2 мкл
КАРТА ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫМИ РЕСУРСАМИ
Дисциплины «Стресс-реакции клетки»
Блок дисциплины М2.В1.
Направление – 022000.68 «Экология и природопользование» профиль «Окружающая среда и здоровье человека»
Квалификация – магистр
Институт естественных наук
Форма обучения – очная
Число студентов | Список литературы | Количество экземпляров | Количество экземпляров на 1 студента | С грифом |
Основная литература | ||||
15 | Генетика. Учебник для вузов/ Под ред. академика РАМН . - М.: ИКЦ«Академкнига», 20с. | + | ||
15 | Жимулев и молекулярная генетика. – Новосибирск: «Сибирское университетское издательство», 2003. – 480 с. | + | ||
15 | , Севастьянова биология. - М.: Издательский центр "Академия", 20с. | + | ||
Дополнительная литература | ||||
15 | Анализ генома. Методы. – М.: Мир, 1990. – 246 с. | |||
15 | , Жимулев . Структура и функции. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. – 258 с. | |||
15 | , Быстрицкий : упакованный геном. - БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 176 с. | |||
15 | Гены и геномы. В 2-х томах. – М.: Мир, 1998. | |||
15 | Ченцов в клеточную биологию. - М.: ИКЦ "Академкнига", 20с. | + | ||
15 | Биохимия и молекулярная биология. – М.: МАИК "Наука / Интерпериодика", 2002. – 445 с. |
Составитель:
Старший преподаватель ___________________
Зав. Кафедрой экологии _________________
Дата составления карты «___»__________2012 г.
СОГЛАСОВАНО:
Представитель библиотеки СыктГУ ________________
« ___»________________2012 г.
