Компьютерный анализ кинетических параметров

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение

Высшего Профессионального Образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

«УТВЕРЖДАЮ»:

Проректор по учебной работе

__________________ //

__________ _____________ 2011г.

КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Учебно-методический комплекс.

Рабочая программа

для студентов 020200.62 направления «Биология»,

специализация биохимия; форма обучения – очная

«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:

Автор (ы) работы___________________ //

«___26__»__августа_2011 г.

Рассмотрено на заседании кафедры анатомии и физиологии человека и животных (29 августа 2011 протокол ) Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.

«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:

Объем ____16_____стр.

Зав. кафедрой ___________________//

«_29__»_августа_ 2011 г.

Рассмотрено на заседании УМК Института математики, естественных наук и информационных технологий департамента биологии (24 сентября 2011 протокол )

Соответствует ГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.

«СОГЛАСОВАНО»:

Председатель УМК________________________/ /

«__24____»__сентября__2011 г.

«СОГЛАСОВАНО»:

Зав. методическим отделом УМУ ________________________ //

«______»_____________2011 г.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт математики, естественных наук и информационных технологий

Департамент биологии

Кафедра анатомии и физиологии человека и животных

КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Учебно-методический комплекс. Рабочая программа

для студентов направления 020200.62 «Биология»,

специализация биохимия;

форма обучения – очная

Издательство

Тюменского государственного университета

2011

Белкин анализ кинетических параметров

Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 020200.62 «Биология», специализация «Биохимия», форма обучения – очная

Учебно-методический комплекс, рабочая программа «Компьютерный анализ кинетических параметров» предназначена для проведения лабораторных занятий, составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для студентов специальности Биология. Рабочая программа включает в себя пояснительную записку, содержание дисциплины, тематический план с указанием аудиторных часов, список литературы.

Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Компьютерный анализ кинетических параметров [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www. umk. *****., свободный.

Рекомендовано к изданию кафедрой анатомии и физиологии человека и животных.

Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.

ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: д. мед. наук, профессор

© ГОУ ВПО Тюменский государственный университет, 2011.

1.1. Рабочая учебная программа.

1.1.1. Пояснительная записка

- Требования ГОС ВПО к уровню освоения содержания дисциплины:

знание фундаментальных основ кинетики ферментативных реакций; основных теоретических концепций и актуальных направлений; элементов, регулирующих скорости ферментативных реакций; методов качественного и количественного анализа ферментативных реакций.

Целью спецпрактикума является: углубленное изучение кинетики и термодинамики ферментативных реакций для выяснения механизмов катализа и регуляции скоростей метаболических процессов как in vivo, так и in vitro.

Задачи курса включают необходимость интеграции определённых направлений физики, математики, информатики, химии и биологии для осуществления комплексного подхода в изучении ряда явлений на уровне биологических объектов.

- Данная дисциплина тесно связана с человеком: анатомией и морфологией; физиологией человека; физиологией, биохимией и биофизикой.

- Количество часов, отводимое на изучение дисциплины в соответствии с учебным планом по направлению: 34 часа – лабораторных работ, 28 часов – на самостоятельную работу. Семестр 6. Форма отчета: зачет.

1.1.2. Тематический план изучения дисциплины

Таблица 1.

	Наименование темы	Семинарские (лабораторные) занятия (кол-во часов)	Индивидуальная и самостоятельная работа студента (кол-во часов)	Итого часов по теме	Итого количество баллов
1	2	3	4	5	6
	Модуль 1
1.1	Кинетика ферментативных реакций и ее задачи. Виды катализа. Основные закономерности химической кинетики. Классификация химических реакций. Уравнения скорости химических реакций нулевого, первого и второго порядков. Скорость ферментативных реакций и единицы активности фермента.	4	4	8	0 – 16
1.2	Понятие о стационарных процессах. Вывод уравнения Михаэлиса-Ментен и его анализ. Зависимость скорости реакции от концентрации фермента и субстрата. Способы нахождения константы Михаэлиса-Ментен и максимальной скорости реакции. Кинетика односубстратных двусторонних реакций.	6	4	10	0 – 16
1.3	Регистрация ферментативных реакций. Экспериментальные методы исследования предстационарной кинетики. Исследование механизма ферментативных реакций методами релаксационной кинетики. Основные рекомендации для работающих с ферментами.	6	4	10	0 –16
	Всего	16	12	28	0 -48
	Модуль 2
2.1	Ингибиторы и их классификация. Кинетика необратимого ингибирования. Моделирование конкурентного обратимого ингибирования с полным и частичным эффектом торможения. Моделирование неконкурентного обратимого ингибированиеяс полным и частичным эффектом торможения. Смешанный тип торможения и бесконкурентное ингибирование. Определение типа ингибирования на основании экспериментальных графиков.	6	4	10	0 – 16
2.2	Управление скоростью реакции путем изменения концентрации фермента, субстрата, активаторов, кислотности среды, температуры и других физических факторов. Аллостерическая регуляция скорости ферментативных реакций.	6	6	12	0 – 18
2.3	Регистрация ферментативных реакций. Экспериментальные методы исследования предстационарной кинетики. Исследование механизма ферментативных реакций методами релаксационной кинетики. Основные рекомендации для работающих с ферментами.	6	6	12	0 – 18
	Всего	18	16	34	0 - 52
	Итого (часов, баллов)	34	28	62	0-100

Таблица 2.

п. № темы	Формы текущего контроля	Итого кол-во баллов
коллокви умы	ответ на семинаре	лаборат. работа	контр. работа	доклад	реферат	другие формы (презентация)
Модуль 1
1.1			0 – 10			0-6		0 – 16
1.2.			0 – 10			0-6		0 – 16
1.3.			0 – 10		0-6			0 – 16
Всего								0 - 48
Модуль 2
2.1.			0 – 10			0-6		0 – 16
2.2.			0 – 10			0-6	0-2	0 – 18
2.3.			0 – 10		0-6		0-2	0 – 18
Всего								0 - 52
Итого								0-100

Таблица 3

№	Модули и темы	Виды СРС	Объем часов	кол-во бал лов
обязательные	дополнительные
Модуль 1.
1.1	Кинетика ферментативных реакций и ее задачи. Виды катализа. Основные закономерности химической кинетики. Классификация химических реакций. Уравнения скорости химических реакций нулевого, первого и второго порядков. Скорость ферментативных реакций и единицы активности фермента.	Подготовка к защите лабораторных работ	Углубление и систематизация полученных знаний с использованием основной и дополнительной литературы	4	0 – 16
1.2	Понятие о стационарных процессах. Вывод уравнения Михаэлиса-Ментен и его анализ. Зависимость скорости реакции от концентрации фермента и субстрата. Способы нахождения константы Михаэлиса-Ментен и максимальной скорости реакции. Кинетика односубстратных двусторонних реакций.	Подготовка к защите лабораторных работ	Углубление и систематизация полученных знаний с использованием основной и дополнительной литературы	4	0 – 16
1.3	Регистрация ферментативных реакций. Экспериментальные методы исследования предстационарной кинетики. Исследование механизма ферментативных реакций методами релаксационной кинетики. Основные рекомендации для работающих с ферментами.	подготовка к защите лабораторных работ	Составление презентации (по выбору)	4	0 – 16
	Всего по модулю 1:	12	0 - 48
Модуль 2.
2.1	Ингибиторы и их классификация. Кинетика необратимого ингибирования. Моделирование конкурентного обратимого ингибирования с полным и частичным эффектом торможения. Моделирование неконкурентного обратимого ингибированиеяс полным и частичным эффектом торможения. Смешанный тип торможения и бесконкурентное ингибирование. Определение типа ингибирования на основании экспериментальных графиков.	Подготовка к защите лабораторных работ	Углубление и систематизация получен-ных знаний с использованием основной и дополни-тельной литературы	4	0 – 16
2.2	Управление скоростью реакции путем изменения концентрации фермента, субстрата, активаторов, кислотности среды, температуры и других физических факторов. Аллостерическая регуляция скорости ферментативных реакций.	Подготовка к защите лабораторных работ	Углубление и систематизация получен-ных знаний с использованием основной и дополни-тельной литературы	6	0 – 18
2.3	Регистрация ферментативных реакций. Экспериментальные методы исследования предстационарной кинетики. Исследование механизма ферментативных реакций методами релаксационной кинетики. Основные рекомендации для работающих с ферментами.	Подготовка к защите лабораторных работ	Углубление и систематизация получен-ных знаний с использованием основной и дополни-тельной литературы	6	0 – 18
	Всего по модулю 2:	16	0 - 52
	Итого:	28	0-100

1.1.3. Содержание дисциплины

КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

ТЕМА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КИНЕТИКИ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ И ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ

Кинетика ферментативных реакций и ее задачи. Виды катализа. Основные закономерности химической кинетики. Классификация химических реакций. Уравнения скорости химических реакций нулевого, первого и второго порядков. Скорость ферментативных реакций и единицы активности фермента.

ТЕМА 2. КИНЕТИКА ОДНОСУБСТРАТНЫХРЕАКЦИЙ

Понятие о стационарных процессах. Вывод уравнения Михаэлиса-Ментен и его анализ. Зависимость скорости реакции от концентрации фермента и субстрата. Способы нахождения константы Михаэлиса-Ментен и максимальной скорости реакции. Кинетика односубстратных двусторонних реакций.

ТЕМА 3. КИНЕТИКА ДВУХ - И ТРЕХСУБСТРАТНЫХРЕАКЦИЙ

Типы двухсубстратных реакций в зависимости от механизма их про­текания (неупорядоченный механизм с независимым и взаимозависимым присоединением; упорядоченный механизм; механизм «пинг-понга»). Уравнения скорости двухсубстратных реакций. Уравнения скорости трех-субстратных реакций.

ТЕМА 4. ИНГИБИРОВАНИЕ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Ингибиторы и их классификация. Кинетика необратимого ингибиро-вания. Конкурентное обратимое ингибирование с полным и частичным эффектом торможения. Неконкурентное обратимое ингибирование с полным и частичным эффектом торможения. Смешанный тип торможения и бесконкурентное ингибирование. Определение типа ингибирования на ос­новании экспериментальных графиков.

ТЕМА 5. РЕГУЛЯЦИЯ СКОРОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Управление скоростью реакции путем изменения концентрации фер­мента, субстрата, активаторов, кислотности среды, температуры и других физических факторов. Аллостерическая регуляция скорости ферментативных реакций.

ТЕМА 6. ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЙ КИНЕТИКИ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Регистрация ферментативных реакций. Экспериментальные методы исследования предстационарной кинетики. Исследование механизма ферментативных реакций методами релаксационной кинетики. Основные ре­комендации для работающих с ферментами.

1.1.4. Планы семинарских занятий

1.1.5. Темы лабораторных работ

Оценка результатов:

1.1.6. Темы рефератов или других видов самостоятельной работы студентов (СРС):

Темы рефератов

1.  1. Ферменты как биологические системы.

2.  Зависимость скорости реакции от концентрации фермента и субстрата и ее анализ.

3.  Управление скоростью ферментативной реакции с помощью активаторов, ингибиторов и величины рН.

4.  Влияние физических факторов на скорость ферментативной реакции.

5.  Управление стабильностью ферментов.

6.  Управление полиферментными системами.

7.  Управление молекулярными биологическими системами: итоги и перспективы.

1.1.7. Перечень тем курсовых работ

1.1.8. Контрольные вопросы к зачету

1.  . Кинетика ферментативных реакций и ее задачи.

2.  Обстоятельства, обусловившие широкое применение кинетических методов исследования ферментов.

3.  Сходства и различия в работе ферментов и небиологических катализаторов.

4.  Виды катализа.

5.  Химическая природа небиологических катализаторов.

6.  Основные закономерности химической кинетики. Закон Гульдберга и Вааге.

7.  Порядок реакции и молекулярность.

8.  Константы скорости и константа равновесия реакций.

9. Уравнения скоростей нулевого и первого порядка.

10. Уравнение скорости второго порядка.

11.Время полупревращения в реакциях первого и второго порядков.

12.Размерности констант реакций нулевого, первого и второго порядков.

13.Единицы активности и количества ферментов.

14.Понятие начальной скорости ферментативной реакции.

15.Понятие о стационарных процессах в кинетике ферментативных реакций.

16.Вывод уравнения Михаэлиса-Ментен для односторонней односуб-стратной реакции.

17.Зависимость скорости односторонней односубстратной реакции от концентрации фермента.

18.Зависимость скорости односторонней односубстратной реакции от концентрации субстрата.

19.Константа Михаэлиса, ее размерность, физический смысл и способы определения.

2О. Уравнение Лайнуивера-Берка и его графическое выражение.

21.Односубстратная двухсторонняя реакция и способы нахождения ее констант.

22.Двухсубстратные реакции с неупорядочным независимым и взаи­мозависимым механизмами присоединения субстратов.

23.Двухсубстратые реакции с упорядоченным механизмом присоединения субстратов.

24.Двухсубстратные реакции, протекающие по механизму «пинг-понга».

25.Определение механизма протекания двухсубстратных реакций по графикам Лайнуивера-Берка.

26.Методика нахождения констант двухсубстратных реакций.

27.Трехсубстратные реакции и методика нахождения их констант.

28.Ингибиторы и их классификация, отличие их от инактиваторов.

29.Теоретические и практические задачи, решаемые с помощью инги­биторов.

30.  Особенности кинетики необратимого ингибирования с полным и частичным торможением.

31.  Кинетика конкурентного обратимого ингибирования с полным и частичным эффектом торможения.

32.Кинетика неконкурентного ингибирования с полным и частичным юктом торможения.

33.Смешанные типы торможения и бесконкурентное ингибирование.

34.Кинетика субстратного ингибирования.

35.Определение типа торможения с использованим графиков Лайнуивера-Берка.

36.Влияние рН среды на скорость ферментативной реакции.

37.Влияние температуры на скорость ферментативной реакции.

38.Регуляция работы функционального блока с участием аллостери-ческого фермента.

39.Термодинамические аспекты катализа.

40. Физико-химические механизмы ферментативного катализа.

41.Регистрация ферментативных реакций.

42.Предстационарная кинетика и методы ее исследования.

43.Исследование механизмов ферментативных реакций методами ре­лаксационной кинетики.

44. Основные рекомендации для работающих с ферментами.

Требования к зачету.

1.Знать все изученные методы и методики компьютерного моделирования кинетических процессов

2. Уметь интерпретировать полученные данные и делать общее заключение об особенностях процессов.

1.1.9. Рекомендуемая литература:

Основная

1. Общая и биорганическая химия./под ред. .- М.: «Академкнига», 2011. – 368 с. ГРИФ УМО

2. Биологическая химия: учеб. пособие для студентов вузов, обуч. по спец. 032400 "Биология"/ ред. . - 3-е изд., испр.. - Москва: Академия, 20с. Гриф УМО

3. Оптическая биомедицинская диагностика / ред. . В 2 томах. Т. 1. М.: Физмалит, 2007. – 560 с. ГРИФ МО

4. Оптическая биомедицинская диагностика / ред. . В 2 томах. Т. 2. М.: Физмалит, 2007. – 368 с. ГРИФ МО.

Дополнительная:

1.  2. Романовский, моделирование в биофизике: введение в теоретическую биофизику/ . - 2-е изд., доп.. - Москва; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 20с.

2.  Биссвангер, Х. Практическая энзимология = Practical Enzymology: учебник : пер. с англ./ Г. Биссвангер. - Москва: Бином. Лаборатория знаний, 20с.

3.  Альтман, С. Ферментативное расщепление РНК посредством РНК. Ферментативная активность РНК: (Самосшивание и включение в последовательность РНК из Tetrahumena) : Нобелев. лекция : пер. с англ./ С. Альтман. - Москва: Знание, 19с.:

4.  Клесов, катализ: учеб. пособие для хим. спец. ун-тов : в 2 ч./ Анатолий Алексеевич Клесов; , . - Москва: Изд-во МГУ, Ч. 1: Специфичность ферментативного катализа. Простые субстратыс.

5.  Мюррей, Дж. Математическая биология/ Дж. Мюррей. - Москва: РХД. - (Биофизика. Математическая биология). - Т. 1: Введениес.

6.  Варфоломеев, методы в биохимических исследованиях/ , . - Москва: Изд-во МГУ, 19с.

7.  Ремизов, и биологическая физика: учеб. для вузов/ , , . - 5-е изд., стер. - Москва: Дрофа, 2004.-20с.

8.  Коэн, Ф. Регуляция ферментативной активности/ Филип Коэн. - Москва: Мир, 19с.

1.1.10. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины

Учебный процесс по дисциплине «Компьютерный анализ кинетических параметров» проходит в аудиториях биологического факультета Тюменского госуниверситета. Аудитории №№ 000, 204 оснащены мультимедийным комплексом, позволяющим воспроизводить слайды, видеоролики и др.

Плакаты, таблицы, стенды находятся в специализированных аудиториях: лаборатории антропометрических и морфологических исследований (аудитория № 000); лаборатории физиологии кислородтранспортных механизмов кровообращения и дыхания (ауд. 103) биологического факультета.

Дополнения и изменения к рабочей программе на 2012 /2013 учебный год

В рабочую программу вносятся следующие изменения:

Основная

1. Общая и биорганическая химия./под ред. .- М.: «Академкнига», 2011. – 368 с. ГРИФ УМО

2. Биологическая химия: учеб. пособие для студентов вузов, обуч. по спец. 032400 "Биология"/ ред. . - 3-е изд., испр.. - Москва: Академия, 20с. Гриф УМО

3. Оптическая биомедицинская диагностика / ред. . В 2 томах. Т. 1. М.: Физмалит, 2007. – 560 с. ГРИФ МО

4. Оптическая биомедицинская диагностика / ред. . В 2 томах. Т. 2. М.: Физмалит, 2007. – 368 с. ГРИФ МО.

Дополнительная:

1. Молекулярно-генетические и биохимические методы в современной биологии растений: [сб. науч. ст.]/ ред. Вл. В. Кузнецов, , . - Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 20с.

2. Романовский, моделирование в биофизике: введение в теоретическую биофизику/ . - 2-е изд., доп.. - Москва; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 20с.

3. Биссвангер, Х. Практическая энзимология = Practical Enzymology: учебник : пер. с англ./ Г. Биссвангер. - Москва: Бином. Лаборатория знаний, 20с.

4. Альтман, С. Ферментативное расщепление РНК посредством РНК. Ферментативная активность РНК: (Самосшивание и включение в последовательность РНК из Tetrahumena) : Нобелев. лекция : пер. с англ./ С. Альтман. - Москва: Знание, 19с.:

5. Клесов, катализ: учеб. пособие для хим. спец. ун-тов : в 2 ч./ Анатолий Алексеевич Клесов; , . - Москва: Изд-во МГУ, Ч. 1: Специфичность ферментативного катализа. Простые субстратыс.

6. Мюррей, Дж. Математическая биология/ Дж. Мюррей. - Москва: РХД. - (Биофизика. Математическая биология). - Т. 1: Введениес.

7. Варфоломеев, методы в биохимических исследованиях/ , . - Москва: Изд-во МГУ, 19с.

8. Ремизов, и биологическая физика: учеб. для вузов/ , , . - 5-е изд., стер. - Москва: Дрофа, 2004.-20с.

9. Коэн, Ф. Регуляция ферментативной активности/ Филип Коэн. - Москва: Мир, 19с.

Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры анатомии и
физиологии человека и животных «31 » августа 2012 года

Заведующий кафедрой ________________/Соловьев B. C./

Роспись ФИО