Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
Белорусского государственного
университета
___________________
1 февраля 2012 г.
Регистрационный № УД 5063 /уч.
Экологическая биохимия
Учебная программа
для студентов специальностей:
1– Биология
1– направление научно-производственная деятельность специализация Биохимия,1– направление научно-педагогическая деятельностьспециализация Биохимия;
1– Биоэкология
2012 г.
СоставителЬ:
, доцент кафедры биохимии Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук, доцент
Рецензенты:
, заведующий кафедрой биохимии и биофизики
УО «Международный государственный экологический университет имени », кандидат биологических наук, доцент;
, заведующий кафедрой общей экологии и методики преподавания биологии, доктор биологических наук, доцент.
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОЙ:
Кафедрой биохимии Белорусского государственного университета
(протокол от 23 ноября 2011 г.);
Учебно-методической комиссией биологического факультета Белорусского государственного университета (протокол от 22 декабря 2011 г.);
Научно-методическим советом Белорусского государственного университета (протокол от 27 января 2012 г.)
Ответственный за редакцию: Наталия Михайловна Орёл
Ответственный за выпуск: Наталия Михайловна Орёл
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).
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
№ 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 |
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.
ИНФОРМАЦИОННАЯ (ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ) ЧАСТЬ
Темы лабораторных занятий
(14 часов)
1. Исследование влияния нитратов и нитритов на биохимические показатели крови (содержание гемоглобина, метгемоглобина, нитрит йонов, активность щелочной фосфатазы, аминотрансфераз). |
2. Оценка состояния ферментов антиоксидантной системы (СОД, каталазы, глутатионпероксидазы) в тканях животного организма при введении нитратов и нитритов. |
3. Оценка интенсивности процессов перекисного окисления липидов в тканях животного организма при введении нитратов и нитритов. |
литература
О с н о в н а я:
1.. Введение в биохимическую экологию./ Изд-во Московского ун-та, 1986.
2. ТелитченкоМ. М. Введение в проблемы биохимической экологии: Биотехнология, сельское хозяйство, охрана среды /, Изд-во М.: Наука, 1990.
3. Харборн Дж. Введение в экологическую биохимию./ Дж. : Мир, 1985.
4. Детоксикация ксенобиотиков в организме / . Итоги науки и техники. Общие проблемы физико-химической биологии. - М.: ВИНИТИ, 1990.
5. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию./ Г. Фелленберг Пер. с нем. - М.: Мир, 1997.
6. Общие механизмы токсического действия / , , – Л.: Медицина, 1986.
7. Экологическая химия. Основы и концепции./ Ф. Корте, М. Бахадир, В. Клайн и др. Пер. с нем. М.: Мир, 1997.
8. Сомеро Дж. Биохимическая адаптация /Пер. с англ./ – М.: Мир, 1988.
9. Биохимия и физиология действия гербицидов. М: Агропромиздат, 1985.
Д о п о л н и т ел ь н а я:
1. Головенко Н. Я. Сравнительная биохимия чужеродных соединений./ , Т. Л. Карасева. Киев: Наукова Думка, 1983.
2. Микросомальное окисление./ . М: Наука, 1975.
3. Общие механизмы токсического действия./ , , . М: Медицина, 1986.
4. В. Индукция ферментов метаболизма ксенобиотиков./ В. В Ляхович, И. Б Цырлов. Новосибирск: Наука, 1981.
5. , Ксенофитофизиология. Минск: БГУ, 1999.
6. Цитохромы семейства Р-450 и их роль в активации проканцерогенов / // Итоги науки и техники. Серия Биологическая химия. М.: ВИНИТИ, Т.35, 1990.
7. Микросомная монооксигеназная система живых организмов в биомониторинге окружающей среды // , , // Аналитический обзор, серия "Экология". Изд-во ГПНТБ СО РАН, 1994, 101 с.
8. Guengerich F. P. Enzymology of Rat Liver Cytochrome P-450 // Mammalian Cytochrome P-450 / Ed. Guengerich F.P. - Boca Raton: CRC Press, 1987. - P.2-54.
Разнообразную полезную информацию по экологической биохимии можно найти по адресам:
9. www. msu. su. Московского государственного университета (включая доступ в библиотеку)
10. http://isir.ras.ru/ - Интегрированная Cистема Информационных Ресурсов Российской Академии Наук.
11. http://www. viniti. msk. su/ - Всероссийский Институт Научной и Технической Информации (ВИНИТИ РАН).
12. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Pubmed - База научных данных в области биомедицинских наук.
