Экологическая биохимия

Белорусский государственный университет

УТВЕРЖДАЮ

Декан биологического факультета

________________

«____» ____________ 2012 г.

Регистрационный № УД-______/р.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ

Учебная программа (рабочий вариант) для специальности:

Учебная программа

для студентов специальностей: 1– Биология, 1– направление научно-производственная деятельность специализация Биохимия,1– направление научно-педагогическая деятельность специализация Биохимия; 1– Биоэкология

Факультет биологический

(название факультета)

Кафедра биохимии

(название кафедры)

Курс (курсы) 5

Семестр (семестры) 10

Лекции 26 Экзамен 10

(количество часов) (семестр)

Практические (семинарские) Зачет ___________________

занятия (семестр)

(количество часов)

Лабораторные Курсовой проект (работа) ________

занятия 14 (семестр)

(количество часов)

КСР 4

(количество часов)

Всего аудиторных

часов по дисциплине 44

(количество часов)

Всего часов Форма получения

по дисциплине 94 высшего образования дневная

(количество часов)

Составил(а) , к. б.н., доцент

(И. О., Фамилия, степень, звание)

2012 г.

Учебная программа составлена на основе учебной программы

(название типовой учебной

«Экологическая биохимия», 2012 г, регистрационный № 000/уч.

программы (учебной программы (см. разделы 5-7 Порядка)), дата утверждения, регистрационный номер)

Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры

биохимии

(название кафедры)

19.06.2012 г., протокол

(дата, номер протокола)

Заведующий кафедрой

________________

(подпись) ()

Одобрена и рекомендована к утверждению учебно-методической комиссией биологического факультета

г., протокол №

(дата, номер протокола)

Председатель

________________

(подпись) ()

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

При подготовке специалистов биологов и биоэкологов целесообразно ознакомить студентов с интересной и быстро накапливающейся информацией на стыке биохимии, химии и экологии. Это важное теоретически и практически направление исследований оформилось, начиная с 70-х годов прошлого века, в системные науки - экологическую биохимию и биохимическую экологию. До сих пор окончательно не сделаны окончательные акценты в разделении сфер интересов между ними. Это объясняется тем, что большинство проблем в одинаковой степени относятся как к компетенции экологической биохимии, так и биохимической экологии. Круг вопросов, решаемых в рамках этих наук велик. Это эколого-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах (все виды коммуникаций, защиты, регуляции пищевого, полового, материнского, агрессивного поведения, размножения и др. с помощью химических веществ как внутри популяции, так и между представителями разных таксонов). Знания в этой области позволяют разрабатывать пути направленной хеморегуляции численности и поведения организмов в природных и искусственных экосистемах не выходя за рамки природоохранной деятельности. Интенсивно изучаются особенности метаболизма организмов самых разных систематических групп, различающихся типом питания, способами получения и запасания энергии, обитающих в разных географических зонах и занимающих определенные экологические ниши. Научный поиск в этом направлении дает материал для анализа адаптивных биохимических механизмов выживания в разных условиях среды. Теоретическую и практическую значимость имеют исследования влияния на организм, популяцию, экосистему веществ, загрязняющих биосферу, Раскрываются механизмы биотрансформации чужеродных соединений в биологических системах разного уровня организации. Накопившаяся информация ставит перед экологической биохимией еще одну задачу – разработку способов повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды путем поддержания метаболизма в норме или направленного восстановления физиологических и биохимических процессов.

Для того чтобы эффективно использовать эколого-биохимические подходы для решения широкого круга задач, необходимо обладать компетентностью в самых разнообразных областях, глубокими базовыми знаниями биохимии, экологии, микробиологии, зоологии, ботаники, физиологии растений и животных, ксенобиологии, аспектов физико-химической биологии, биофизики, математики, компьютерных технологий и др. В связи с этим спецкурс предназначен для студентов-биоэкологов 5-го курса, уже получивших подготовку по вышеуказанным учебным дисциплинам. Анализируя новейшие сведения по теоретическим и практическим эколого-биохимическим проблемам, обобщая опыт и знания в области самых современных подходов и технологий исследования организменных и надорганизменных биосистем, спецкурс касается и сложных для биохимиков и биоэкологов моментов, требующих знаний дисциплин, не входящих в программы биологического факультета. Таким образом, подобный курс может быть рассмотрен как форма сочетания и взаимного дополнения знаний в рамках, предусмотренных классическими фундаментальными университетскими программами для биологов и биоэкологов, с современными, динамичными и развивающимися прикладными аспектами на стыке широкого спектра дисциплин. Он призван ознакомить студентов с самыми различными идеями и подходами с целью обеспечения возможностей не только их применения, но и дальнейшего развития новых направлений экологической биохимии.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

- методологию эколого-биохимических исследований;

- эколого-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах: все виды коммуникаций, защиты, регуляции поведения с помощью химических веществ как внутри популяции, так и между представителями разных таксонов в экосистеме и их значение;

- теоретическую и практическую значимость исследований влияния на организм, популяцию, экосистему веществ, загрязняющих биосферу, механизмы биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков, судьбу поллютантов в биосфере.

- способы повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды.

уметь:

- использовать методы теоретического и экспериментального исследования для изучения различных аспектов экологической биохимии;

- использовать новейшие достижения в области экологической биохимии в реальных экологических ситуациях для формулирования и решения практических задач.

Изучение курса проводится по блочно-модульному принципу с выделением пяти основных блоков (модулей). 1. Введение. 2. Молекулярные механизмы взаимодействий в природных экосистемах. 3. Общее представление об эколого-биохимических проблемах качества питания. 4. Биохимические механизмы воздействия хеморегуляторов на организм. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков. 5. Судьба загрязняющих веществ в биосфере.

При чтении лекционного курса необходимо применять наглядные материалы в виде таблиц и рисунков для графопроектора, мелового рисунка, а также использовать технические средства обучения для демонстрации слайдов, презентаций.

Для организации самостоятельной работы студентов по курсу следует использовать современные информационные технологии: разместить в сетевом доступе комплекс учебных и учебно-методических материалов (программа, методические указания к лабораторным занятиям, список рекомендуемой литературы и информационных ресурсов, задания в тестовой форме для самоконтроля и др.).

Лабораторные занятия предусматривают освоение методов, позволяющих оценить состояние и эффективность системы биотрансформации ксенобиотиков при поступлении чужеродных веществ в биосистему, применение статистической обработки данных. В случае демонстрационных занятий – обеспечение концептуальными моделями, слайдами, программами.

Эффективность самостоятельной работы студентов целесообразно проверять в ходе текущего и итогового контроля знаний в форме устного опроса, написания рефератов, решения задач, тестового компьютерного контроля по темам и разделам курса (модулям). Для общей оценки качества усвоения студентами учебного материала рекомендуется использование рейтинговой системы.

Учебный курс рассчитан на 94 часа, из них аудеторных: 26 часов лекций, 14 часов лабораторных занятий и 4 часа контроля самостоятельной работы студентов (КСР).

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

1. Введение

Экологическая биохимия: круг проблем, подходы и методы решения. Связь с другими науками. История развития экологической биохимии.

2. Молекулярные механизмы взаимодействий в природных экосистемах

Эколого-биохимическая характеристика возможностей хеморецепции и хеморегуляции. Классификация хеморегуляторов. Использование химических веществ для регуляции численности и поведения организмов в природных и искусственных экосистемах. Регуляция поведения с помощью химических веществ. Коммуникация с помощью хеморегуляторов: половые феромоны, следовые феромоны, феромоны тревоги, агрегационные феромоны, феромоны для мечения территории, химическая структура и использование, абсолютная и относительная специфичность действия. Эколого-биохимическая характеристика механизмов защиты на примерах использования белков, пептидов, гликозидов, терпеноидов. фенолов, хинонов, алкалоидов и др. Накопление и использование вторичных метаболитов.

Эколого-биохимические взаимодействия между представителями одного таксона и разных таксонов. Теоретические и практические выводы.

Биохимия пищевого поведения. Углеводы, органические кислоты, таннины, масла, изофлавоны, алкалоиды и др., как детерренты и аттрактанты. Структура некоторых веществ, определяющих запах и вкус. Природные и синтетические вещества, обладающие сладким вкусом. Интенсификаторы и модификаторы вкуса. Экологическая роль детеррентов и аттрактантов. Использование химических веществ для регуляции или направленного управления экосистемой.

3. Общее представление об эколого-биохимических проблемах качества питания

Нежелательные (токсичные) составляющие природных продуктов питания. Ксенобиотики, поступающие в продукты питания из окружающей среды и при промышленном изготовлении. Предельно допустимые концентрации. Биохимическая характеристика наиболее опасных токсинов организмов, развивающихся на продуктах питания. Токсины организмов, загрязняющие питьевую воду.

4. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и

биодеградации ксенобиотиков

Биохимические механизмы воздействия хеморегуляторов на организм.

Структурно-функциональная организация системы биотрансформации чужеродных соединении. Общие механизмы обезвреживания полярных и липофильных ксенобиотиков. Главные звенья системы обезвреживания. Уровни изменений в организме при внедрении ксенобиотика. Критерии оценки состояния системы обезвреживания чужеродных соединении. Биохимические механизмы детоксикации растворимых и липофильных ксенобиотиков. Микросомальное обезвреживание. Микросомальные цепи переноса электронов. Открытие цитохрома Р-450, его характеристика, локализация, классификация, особенности субстратной специфичности, изоферменты. Биосинтез и деградация цитохрома Р-450. НАДФН цитохром Р-450 редуктаза. Цитохром в5, его характеристика и локализация. НАДН цитохром в5 редуктаза. Роль фосфолипидов мембран в функционировании микросомальных оксигеназ. Модели общих механизмов окисления на примере гидроксилирования ксенобиотиков в микросомах. Пути метаболизма ксенобиотиков. 1-я фаза биотринсформации. Реакции окисления. N-, О-, S-деалкилирование. Гидроксилирование циклических и алифатических соединений. N-окисление, окислительное дезаминирование, S-окисление, десульфатирование, эпоксидирование. Системы окисления спиртов, альдегидов и алифатических циклических веществ. Модификация химических веществ путем восстановления. Восстановление нитросоединений, азосоединений и восстановительное галогенирование. Восстановление альдегидов и кетонов, двойных связей, атомов с переменной валентностью, эпоксидов, дегидроксилирование. Реакции гидролиза и разрыва циклических структур. Гидролиз фосфорорганических веществ и эпоксидов.

Механизмы конъюгации - 2-я фаза биотрансформации. Внутриклеточная локализация основных систем конъюгации. Доноры энергии. Характеристика реакций конъюгации: глюкуронидной, глюкозной, глутатионовой, с аминокислотами, сульфатной, метилирования, ацетилирования, фосфорилирования и др. Механизмы детоксикации цианидов. Дегалогенирование, его виды.

Детоксикация и токсификация веществ в процессе биотрансформации.

Пути образования и механизмы обезвреживания свободных радикалов и перекисей. Псевдопероксидазные реакции и их роль в биотрансформации ксенобиотиков и эндогенных соединений.

Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией.

Особенности метаболизма ксенобиотиков у филогенетически различных организмов.

Способы повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды путем поддержания в норме или направленного восстановления физиологических и биохимических процессов.

5. Судьба загрязняющих веществ в биосфере

Общая характеристика веществ антропогенного происхождения, загрязняющих биосферу. Связь между структурой вещества и его особенностями как поллютанта. Огра­ниченность природной способности экосистем к детоксикации поллютантов. Воздействие остатков поллютантов на экосистемы. Экологическая опасность биоразрушаемых поллютантов и остатков неразложившихся поллютантов.

№ п/п	Наименование разделов и тем	Количество часов
Аудиторные	Самост. работа
Лекции	Лабора-торные занятия	КСР
1.	Введение.	2			4
2.	Молекулярные механизмы взаимодействий в природных экосистемах.	10		2	12
3.	Общее представление об эколого-биохимических проблемах качества питания.	4			8
4.	Биохимические механизмы воздействия хеморегуляторов на организм. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков.	8	14		20
5.	Судьба загрязняющих веществ в биосфере.	2		2	6
ИТОГО:	26	14	4	50

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА

Номер раздела, темы, занятия	Название раздела, темы, занятия; перечень изучаемых вопросов	Количество аудиторных часов	Материальное обеспечение занятия (наглядные, методические пособия и др.)	Литература	Формы контроля знаний
лекционные	практические (семинарские) занятия	лабораторные занятия	управляемая самостоятельная работа студента
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1.	Введение. Экологическая биохимия: круг проблем, подходы и методы решения. Связь с другими науками.	2			4	Слайды для графопроектора, доска, мел	ЛО 1,2,3,6 ЛД 1,2
2.	Молекулярно-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах. Эколого-биохимическая характеристика возможностей хеморецепции и хеморегуляции. Классификация хеморегуляторов. Использование химических веществ для регуляции численности и поведения организмов в природных и искусственных экосистемах. Регуляция поведения с помощью химических веществ. Коммуникация с помощью хеморегуляторов: половые феромоны, следовые феромоны, феромоны тревоги, агрегационные феромоны, феромоны для мечения территории, химическая структура и использование, абсолютная и относительная специфичность действия. Эколого-биохимическая характеристика механизмов защиты на примерах использования белков, пептидов, гликозидов, терпеноидов. фенолов, хинонов, алкалоидов и др. Накопление и использование вторичных метаболитов. Эколого-биохимические взаимодействия между представителями одного таксона и разных таксонов. Теоретические и практические выводы. Биохимия пищевого поведения. Углеводы, органические кислоты, таннины, масла, изофлавоны, алкалоиды и др., как детерренты и аттрактанты. Структура некоторых веществ, определяющих запах и вкус. Природные и синтетические вещества, обладающие сладким вкусом. Интенсификаторы и модификаторы вкуса. Экологическая роль детеррентов и аттрактантов. Использование химических веществ для регуляции или направленного управления экосистемой.	4 2 4			2 4 6	Слайды для графопроектора, Поясняющие рисунки на доске.	ЛО 1,2,3 ЛД 6	КСР
3.	Общее представление об эколого-биохимических проблемах качества питания. Нежелательные (токсичные) составляющие природных продуктов питания. Ксенобиотики, поступающие в продукты питания из окружающей среды и при промышленном изготовлении. Предельно допустимые концентрации. Биохимическая характеристика наиболее опасных токсинов организмов, развивающихся на продуктах питания. Токсины организмов, загрязняющие питьевую воду.	4			8	Слайды для графопроектора. Поясняющие рисунки на доске	ЛО 5,6 ЛД 4

4.	Биохимические механизмы воздействия хеморегуляторов на организм. Эколого-биохимические аспекты биотрансформации и биодеградации ксенобиотиков. Биохимические механизмы воздействия хеморегуляторов на организм. Структурно-функциональная организация системы биотрансформации чужеродных соединении. Общие механизмы обезвреживания полярных и липофильных ксенобиотиков. Главные звенья системы обезвреживания. Уровни изменений в организме при внедрении ксенобиотика. Критерии оценки состояния системы обезвреживания чужеродных соединении. Биохимические механизмы детоксикации растворимых и липофильных ксенобиотиков. Микросомальное обезвреживание. Микросомальные цепи переноса электронов. Открытие цитохрома Р-450, его характеристика, локализация, классификация, особенности субстратной специфичности, изоферменты. Биосинтез и деградация цитохрома Р-450. НАДФН цитохром Р-450 редуктаза. Цитохром в5, его характеристика и локализация. НАДН цитохром в5 редуктаза. Роль фосфолипидов мембран в функционировании микросомальных оксигеназ. Модели общих механизмов окисления на примере гидроксилирования ксенобиотиков в микросомах. Пути метаболизма ксенобиотиков. 1-я фаза биотринсформации. Реакции окисления. N-, О-, S-деалкилирование. Гидроксилирование циклических и алифатических соединений. N-окисление, окислительное дезаминирование, S-окисление, десульфатирование, эпоксидирование. Системы окисления спиртов, альдегидов и алифатических циклических веществ. Модификация химических веществ путем восстановления. Восстановление нитросоединений, азосоединений и восстановительное галогенирование. Восстановление альдегидов и кетонов, двойных связей, атомов с переменной валентностью, эпоксидов, дегидроксилирование. Реакции гидролиза и разрыва циклических структур. Гидролиз фосфорорганических веществ и эпоксидов. Механизмы конъюгации - 2-я фаза биотрансформации. Внутриклеточная локализация основных систем конъюгации. Доноры энергии. Характеристика реакций конъюгации: глюкуронидной, глюкозной, глутатионовой, с аминокислотами, сульфатной, метилирования, ацетилирования, фосфорилирования и др. Механизмы детоксикации цианидов. Дегалогенирование, его виды. Детоксикация и токсификация веществ в процессе биотрансформации. Пути образования и механизмы обезвреживания свободных радикалов и перекисей. Псевдопероксидазные реакции и их роль в биотрансформации ксенобиотиков и эндогенных соединений. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией. Особенности метаболизма ксенобиотиков у филогенетически различных организмов. Способы повышения устойчивости (резистентности) организмов к неблагоприятным воздействиям среды путем поддержания в норме или направленного восстановления физиологических и биохимических процессов.	2 2 2 2		14	4 6 6 4	Слайды для графопроектора. Поясняющие рисунки на доске	ЛО 3,5 ЛД 1,3,4,5	Отчеты по лабораторным работам
5.	Судьба загрязняющих веществ в биосфере. Общая характеристика веществ антропогенного происхождения, загрязняющих биосферу. Связь между структурой вещества и его особенностями как поллютанта. Огра­ниченность природной способности экосистем к детоксикации поллютантов. Воздействие остатков поллютантов на экосистемы. Экологическая опасность биоразрушаемых поллютантов и остатков неразложившихся поллютантов.	2			6	Слайды для графопроектора	ЛО 1,2,3,5,6 ЛД 4,6	КСР Реферативная работа

ИНФОРМАЦИОННАЯ ЧАСТЬ

Основная и дополнительная литература

№№ п/п	Список литературы	Год издания
	Основная (ЛО)
1.	Остроумов, С. А. Введение в биохимическую экологию / // Изд-во Московского ун-та.	1986
2.	Телитченко, М. М. Введение в проблемы биохимической экологии / , // М.:Наука.	1990
3.	Саловарова, В. П. Введение в биохимическую экологию: учебное пособие / , , // Иркутск: Изд-во Иркут. Гос. Ун-та.	2007
4.	Харборн, Дж. Введение в экологическую биохимию./ Дж. Харборн // М.: Мир.	1985
5.	Фелленберг, Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию./ Г. Фелленберг // Пер. с нем. - М.: Мир.	1997
6.	Корте, Ф. Экологическая химия. Основы и концепции./ Ф. Корте, М. Бахадир, В. Клайн // Пер. с нем. М.: Мир.	1997
	Дополнительная (ЛД)
1.	Головенко, Н. Я. Сравнительная биохимия чужеродных соединений./ , Т. Л. Карасева // Киев: Наукова Думка.	1983
2.	Биохимическая экология. Экспериментальная и клиническая биохимия: (Информационные материалы) /Свердловск: Изд-во УНЦ АН СССР.	1995
3.	Арчаков, А. И. Микросомальное окисление./ // М.: Наука.	1975
4.	Голиков, С. Н. Общие механизмы токсического действия./ , , // М: Медицина.	1986
5.	Ляхович, В. В. Индукция ферментов метаболизма ксенобиотиков./ В. В Ляхович, И. Б Цырлов // Новосибирск: Наука.	1981
6.	Разнообразную полезную информацию по экологической биохимии можно найти по адресам Московского государственного университета (включая доступ в библиотеку) http: www. msu. su.

перечень лабораторных занятий

(14 часов)

1. Исследование влияния нитратов и нитритов на биохимические показатели крови (содержание гемоглобина, метгемоглобина, нитрит йонов, активность щелочной фосфатазы, аминотрансфераз). 6 ч.

2. Оценка состояния ферментов антиоксидантной системы (СОД, каталазы, глутатионпероксидазы) в тканях животного организма при введении нитратов и нитритов. 4 ч.

3. Оценка интенсивности процессов перекисного окисления липидов в тканях животного организма при введении нитратов и нитритов. 4 ч.

контроль самостоятельной работы

(темы)

1. Молекулярно-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах.

2. Судьба загрязняющих веществ в биосфере.

Структура рейтинговой оценки знаний

Итоговая оценка:

Определяется по формуле (минимум 4, максимум 10 баллов):

Итоговая оценка = А х 0,4 + Б х 0,6

где А – средний балл по лабораторным занятиям и КСР,

Б – экзаменационный балл

Итоговая оценка выставляется только в случае успешной сдачи экзамена (4 балла и выше)

ПРОТОКОЛ СОГЛАСОВАНИЯ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ

ПО ИЗУЧАЕМОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ СПЕЦИАЛЬНОСТИ

Название дисциплины, с которой требуется согласование	Название кафедры	Предложения об изменениях в содержании учебной программы по изучаемой учебной дисциплине	Решение, принятое кафедрой, разработавшей учебную программу (с указанием даты и номера протокола)[1]
1.

ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ К УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЕ

ПО ИЗУЧАЕМОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

на _____/_____ учебный год

№№ пп	Дополнения и изменения	Основание

Учебная программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры

(протокол № ____ от ________ 20__ г.)

Заведующий кафедрой

_____________________ _______________ __________________

(степень, звание) (подпись) ()

УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета

_____________________ _______________ __________________

(степень, звание) (подпись) ()

[1] При наличии предложений об изменениях в содержании учебной программы по изучаемой учебной дисциплине