РАЗДЕЛ 1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Требования к студентам.Курс «Биоэнергетика» является существенно важным для специальности «Биоинженерия и биоинформатика» и опирается на теоретические и практические знания, полученные студентами по дисциплинам математического и естественно-научного и профессионального циклов в течение первых трех лет обучения. Для освоения данного курса необходимы базовые знания, которые студенты должны получить по физике, химии, физиологии человека и животных, клеточной биологии, молекулярной биологии, генетике. Для успешного освоения дисциплины обязательным является владение знаниями о строении вещества, физических и химических принципов существования материального мира, зависимости свойств химических соединений от их строения, законах протекания химических реакций, химическом равновесии и химической кинетики, особенностях существования живых организмов, строении и функционировании клеток, органов, тканей и целых организмов как цельных сложных систем, в том числе во взаимодействии их с окружающей средой, молекулярных основах процессов, протекающих в живых организмах, принципов научного познания, научной этики и биоэтики.
Краткая характеристика дисциплины.
Курс «Биоэнергетика» входит в модуль физико-химической биологии базовой части профессионального цикла дисциплин по специальности «Биоинженерия и биоинформатика».
Биоэнергетика формирует базовые представления об особенностях, способах и механизмах обеспечения энергетических потребностей живых организмов для их существования, размножения и развития. Полученные представления могут иметь принципиальное значение при проектировании, создании и изучении биоинженерных конструкций.
Учебные задачи дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен овладеть следующими компетенциями:
– способен представить современную картину мира на основе целостной системы естественно-научных и математических знаний, ориентироваться в ценностях бытия, жизни, культуры (ОК-1);
– способность хорошо ориентироваться в основных проблемах и задачах биологии, физико-химической биологии, биоинженерии и биоинформатики и использовать эти знания в экспериментальной и теоретической деятельности (ПК-18);
– способность использовать основные физико-химические и информационные методы исследования, применяемые в области физико-химической биологии, биоинженерии и биоинформатики (ПК-23).
Формы работы студентов
Формами работы студентов являются лекции, лабораторные работы, выполнение модульных контрольных работ, контрольное тестирование, самостоятельная работа.
1.5. Виды контроля.
Текущий: контроль при выполнении лабораторных работ и итоговых протоколов, решение ситуационных зада (case-метод).
Промежуточный: контрольные работы по трем модулям, контрольное тестирование, подготовка докладов.
Итоговый: зачет (7 семестр).
1.6. Методика формирования результирующей оценки
Учебным планом по данной дисциплине предусмотрен зачет. Максимальное количество баллов, которое может набрать студент, 100.
За выполнение заданий текущего и промежуточного контроля студент может набрать максимальное количество баллов:
За первый модуль – 30 баллов.
За второй модуль – 30 баллов.
За третий модуль – 40 баллов.
Сумма баллов складывается следующим образом: полный ответ на семинарском занятии – 2 балла, дополнение на семинарском занятии – 1 балл, доклад на семинарском занятии – до 3-х баллов, проверочная работа на лекции – до 2-х баллов, модульная контрольная работа – 10 баллов.
При успешном освоении курса студент, набравший 60 баллов или более, может быть освобожден от зачета и получить оценку, в соответствии с количеством набранных им баллов.
РАЗДЕЛ 2. СТРУКТУРА ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Всего часов (общая трудоемкость в часах) | 72 |
В т. ч. | |
Аудиторных занятий | 34 |
Из них лекций | 18 |
Семинарских/практических занятий | 0 |
Лабораторных занятий | 16 |
Практикумов | 0 |
Самостоятельных занятий | 38 |
Изучение основной и дополнительной литературы | 10 |
Написание курсовых работ, эссе, рефератов | 10 |
Выполнение письменных домашних заданий, расчетов, проектов | 8 |
Выполнение контрольных работ, тестов | 10 |
Подготовка к экзамену, экзамен | – |
РАЗДЕЛ 3. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Тема | Содержание | Вид занятий | Форма занятий | Количество часов | Форма контроля |
1. Основные принципы биоэнергитики. | Эволюция живых систем как антиэнтропийный процесс. Связь между информацией и энтропией. Прирост энтропии в необратимых реакциях. Связь между приростом энтропии и теплопродукцией. Энтропия внутренняя и внешняя. Соотношения для потоков энтропии в деградирующих и эволюционирующих системах. Энергетическое сопряжение биохимических процессов. Соотношение движущих сил и потоков в сопрягающей и сопряженной реакции. Предел скорости сопряженной реакции. | аудиторные | лекции практические занятия | 2 2 | опрос, проверка домашних заданий, тестирование, кейс-задачи |
самостоятельные | изучение основной и дополнительной литературы | 6 | |||
2. Преобразование энергии в биологических системах. | Основы хемиосмотической теории. Морфология энергосопрягающих мембран. Транспорт ионов через энергосопрягающие мембраны. Классификация видов ионного транспорта. Транспорт ионов, опосредуемый липидным бислоем. Транспорт ионов, опосредуемый белками. | аудиторные | лекции практические занятия | 4 2 | опрос, проверка домашних заданий, тестирование, кейс-задачи |
самостоятельные | изучение основной и дополнительной литературы | 6 | |||
3. Количественная биоэнергетика. | Количественная биоэнергетика: оценка движущих сил. Окислительно-восстановительные потенциалы при преобразовании энергии на мембранах. Различия ионных электрохимических потенциалов. Мембранные потенциалы, диффузионные потенциалы, потенциалы Доннана, поверхностные потенциалы. | аудиторные | лекции практические занятия | 2 2 | опрос, проверка домашних заданий, тестирование, кейс-задачи |
самостоятельные | изучение основной и дополнительной литературы | 4 | |||
4. Хемиосмотические механизмы циркуляции протонов. | Общие принципы циркуляции протонов через энергосопрягающие мембраны. Природа и измерение протондвижущей силы. Стехиометрия перекачивания протонов дыхательной цепью и тока протонов через мембранную часть АТФ-синтетазы. Протонная проводимость энергосопрягающих мембран. Протонный ток и дыхательный контроль. Анализ митохондриального дыхания и метаболической регуляции. Кинетические параметры циркуляции протонов через энергосопрягающие мембраны. Экспериментальная биоэнергетика: синтез АТФ АТФ-синтетазой под действием искусственных протон-движущих сил и свето-зависимый синтез АТФ митохондриальными АТФ-синтетазами. | аудиторные | лекции практические занятия | 2 2 | опрос, проверка домашних заданий, тестирование, кейс-задачи |
самостоятельные | изучение основной и дополнительной литературы | 4 | |||
5. Дыхательная цепь (цепь переноса электронов, ЦПЭ). | Дыхательная цепь (цепь переноса электронов, ЦПЭ) как надмолекулярная биологическая машина. Компоненты ЦПЭ в митохондриях. Последовательное расположение переносчиков электронов в ЦПЭ. Механизм переноса электронов в ЦПЭ. Вероятные механизмы перекачки протонов ЦПЭ. Комплекс I ЦПЭ. Q-цикл убихинона. Комплекс II ЦПЭ (сукцинатдегидрогеназа) и другие ФАД-зависимые дегидрогеназы митохондрий. Взаимодействие кофермента Q и комплекса III ЦПЭ. Цитохром с-оксидаза (комплекс IV ЦПЭ). Брутто-эквиваленты переноса протонов и электронов в системе окислительного фосфорилирования, их взаимосвязь с отношением Р/О. Особенности ЦПЭ в митохондриях беспозвоночных и растений. Бактериальные ЦПЭ. ЦПЭ и образование активных форм кислорода, особенности окислительного стресса в митохондриях. | аудиторные | лекции практические занятия | 2 2 | опрос, проверка домашних заданий, тестирование, кейс-задачи |
самостоятельные | изучение основной и дополнительной литературы | 6 | |||
6. Свето-зависимое формирование протондвижущей силы. | Фотофосфорилирование: сходство с окислительным фосфорилированием и отличия между ними. Бактериородопсин и галородопсин как генераторы протондвижущей силы для переноса протонов и синтеза АТФ. Фотосинтетическая система: принципы организации и взаимодействие световой и темновой фазы. Особенности сопряжения между фотосинтезом и синтезом АТФ у фотосинтетических бактерий. Особенности сопряжения между фотосинтезом и синтезом АТФ у зеленых водорослей и высших растений. | аудиторные | лекции практические занятия | 2 2 | опрос, проверка домашних заданий, тестирование, кейс-задачи |
самостоятельные | изучение основной и дополнительной литературы | 6 | |||
7. АТФ-синтетаза. | Общее строение АТФ-синтетаз различных организмов. F1 и FO – компоненты АТФ-синтетазы F-типа. Субъединицы АТФ-синтетаз F-типа. Энзимология АТФ-синтетаз F-типа. Сравнительная эволюция АТФ-синтетаз F-типа. Структурно-функциональные взаимосвязи АТФ-синтетаз F-типа. Нетермодинамическая регуляция активности АТФ-синтетаз. Транслокация протонов АТФ-синтетазами других типов, кроме F-типа, и пирофосфатазами. | аудиторные | лекции практические занятия | 2 2 | опрос, проверка домашних заданий, тестирование, кейс-задачи |
самостоятельные | изучение основной и дополнительной литературы | 4 | |||
8. Метаболиты и ионный транспорт через энергосопрягающие мембраны. | Митохондриальные катионные транспортеры. Митохондриальные транспортеры метаболитов. Перенос электронов и восстановительных эквивалентов от внемитохондриального NADH к ЦПЭ. Митохондриальные транспортеры фосфатов и адениновых нуклеотидов. Семейство митохондриальных разобщающих белков. | аудиторные | лекции практические занятия | 2 2 | опрос, проверка домашних заданий, тестирование, кейс-задачи |
самостоятельные | изучение основной и дополнительной литературы | 2 |
РАЗДЕЛ 4. ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ
Экзамен по дисциплине не предусмотрен учебным планом. Вопросы для текущего контроля формируются на основе содержания отдельных тем.
Модуль 1
Эволюция живых систем как антиэнтропийный процесс. Связь между информацией и энтропией. Прирост энтропии в необратимых реакциях. Связь между приростом энтропии и теплопродукцией. Энтропия внутренняя и внешняя. Соотношения для потоков энтропии в деградирующих и эволюционирующих системах. Энергетическое сопряжение биохимических процессов. Соотношение движущих сил и потоков в сопрягающей и сопряженной реакции. Предел скорости сопряженной реакции. Основы хемиосмотической теории. Морфология энергосопрягающих мембран. Классификация видов ионного транспорта. Транспорт ионов, опосредуемый липидным бислоем. Транспорт ионов, опосредуемый белками. Количественная биоэнергетика: оценка движущих сил. Окислительно-восстановительные потенциалы при преобразовании энергии на мембранах. Различия ионных электрохимических потенциалов. Мембранные потенциалы, диффузионные потенциалы, потенциалы Доннана, поверхностные потенциалы.
Модуль 2
Общие принципы циркуляции протонов через энергосопрягающие мембраны. Природа и измерение протондвижущей силы. Стехиометрия перекачивания протонов дыхательной цепью и тока протонов через мембранную часть АТФ-синтетазы. Протонная проводимость энергосопрягающих мембран. Протонный ток и дыхательный контроль. Анализ митохондриального дыхания и метаболической регуляции. Кинетические параметры циркуляции протонов через энергосопрягающие мембраны. Экспериментальная биоэнергетика: синтез АТФ АТФ-синтетазой под действием искусственных протон-движущих сил и свето-зависимый синтез АТФ митохондриальными АТФ-синтетазами. Дыхательная цепь (цепь переноса электронов, ЦПЭ) как надмолекулярная биологическая машина. Компоненты ЦПЭ в митохондриях. Последовательное расположение переносчиков электронов в ЦПЭ. Вероятные механизмы перекачки протонов ЦПЭ. Комплекс I ЦПЭ. Q-цикл убихинона. Комплекс II ЦПЭ (сукцинатдегидрогеназа) и другие ФАД-зависимые дегидрогеназы митохондрий. Взаимодействие кофермента Q и комплекса III ЦПЭ. Цитохром с-оксидаза (комплекс IV ЦПЭ). Брутто-эквиваленты переноса протонов и электронов в системе окислительного фосфорилирования, их взаимосвязь с отношением Р/О. Особенности ЦПЭ в митохондриях беспозвоночных и растений. Бактериальные ЦПЭ. ЦПЭ и образование активных форм кислорода, особенности окислительного стресса в митохондриях. Фотофосфорилирование: сходство с окислительным фосфорилированием и отличия между ними. Бактериородопсин и галородопсин как генераторы протондвижущей силы для переноса протонов и синтеза АТФ. Фотосинтетическая система: принципы организации и взаимодействие световой и темновой фазы. Особенности сопряжения между фотосинтезом и синтезом АТФ у фотосинтетических бактерий. Особенности сопряжения между фотосинтезом и синтезом АТФ у зеленых водорослей и высших растений.
Модуль 3
Общее строение АТФ-синтетаз различных организмов. F1 и FO – компоненты АТФ-синтетазы F-типа. Субъединицы АТФ-синтетаз F-типа. Энзимология АТФ-синтетаз F-типа. Сравнительная эволюция АТФ-синтетаз F-типа. Структурно-функциональные взаимосвязи АТФ-синтетаз F-типа. Нетермодинамическая регуляция активности АТФ-синтетаз. Транслокация протонов АТФ-синтетазами других типов, кроме F-типа, и пирофосфатазами. Митохондриальные катионные транспортеры и митохондриальные транспортеры метаболитов. Перенос электронов и восстановительных эквивалентов от внемитохондриального NADH к ЦПЭ. Митохондриальные транспортеры фосфатов и адениновых нуклеотидов. Семейство митохондриальных разобщающих белков.
РАЗДЕЛ 5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЧЕНИЕ ПРОГРАММЫ
5.1. Список литературы:
Базовый учебник/учебное пособие
Скулачев биоэнергетика: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ, 2010. - 368 с.Основная литература
, Шинкарев электронов в биологических системах. 1984. 320 с.Дополнительная литература
, иоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов (стационарное состояние). 1986. 384 с. Минкевич -энергетический баланс и кинетика роста микроорганизмов. 2005. 352 с. Nicholls D. G., Ferguson S. J. Bioenergetics. 3 ed. 2002. 297 pp.5.2. Реестр электронных библиотечных ресурсов
MERLOT – Multimedia Educational Resource for Learning and Online Teaching. http://www. merlot. org/merlot/index. htm – Раздел ‘Biology’ http://www. merlot. org/merlot/materials. htm? category=2608&&sort. property=overallRating iLumina – digital library of educational resources for science and mathematics. http://www. ilumina-dlib. org/index. asp – Раздел ‘Biology’ http://www. ilumina-dlib. org/browse. asp? taxon1=Biology ben – BioSciEdNet – National Science Digital Library (NSDL) portal for teaching and learning in the biological sciences. http://www. biosciednet. org/portal/index. php – Раздел ‘Biochemistry’ http://www. biosciednet. org/portal/search/browse. php? step=2&nav=main&by=subject&filter=&value=Biochemistry&freeResourcesOnly=yes Наглядные материалы курса лекций "БИОЭНЕРГЕТИКА" Московского государственного университета http://www. master-multimedia. ru/lectures/vps/be/ Раздел «Биохимия» Базы знаний по биологии человека http://humbio. ru/humbio/biochem/000b6185.htm Биохимия и биоэнергетика он-лайн http://vpopov. professorjournal. ru/ Семинары выпускников БиоФака СПбГУ по молекулярной биологии http://bioseminars. /category/молекулярная-биология/5.3. Ссылка на ПТК «УМКа»
http://umka. volsu. ru/newumka3/
