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: 1-31 01 01 – Биология, 1-31 01 01-01-05 – направление научно-производственная деятельность специализация Биохимия,1-31 01 01-02-05 – направление научно-педагогическая деятельность специализация Биохимия; 1-33 01 01 – 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
(название кафедры)
19.06.2012 г., протокол № 6
(дата, номер протокола)
Заведующий кафедрой
________________
(подпись) ()
Одобрена и рекомендована к утверждению учебно-методической комиссией биологического факультета
. . 2012 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) | ||
Остроумов, в биохимическую экологию / // Изд-во Московского ун-та. | 1986 | |
Телитченко, в проблемы биохимической экологии / , // М.:Наука. | 1990 | |
Саловарова, в биохимическую экологию: учебное пособие / , , // Иркутск: Изд-во Иркут. Гос. Ун-та. | 2007 | |
Харборн, Дж. Введение в экологическую биохимию./ Дж. Харборн // М.: Мир. | 1985 | |
Фелленберг, Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию./ Г. Фелленберг // Пер. с нем. - М.: Мир. | 1997 | |
Корте, Ф. Экологическая химия. Основы и концепции./ Ф. Корте, М. Бахадир, В. Клайн // Пер. с нем. М.: Мир. | 1997 | |
Дополнительная (ЛД) | ||
Головенко, биохимия чужеродных соединений./ , // Киев: Наукова Думка. | 1983 | |
Биохимическая экология. Экспериментальная и клиническая биохимия: (Информационные материалы) /Свердловск: Изд-во УНЦ АН СССР. | 1995 | |
Арчаков, окисление./ // М.: Наука. | 1975 | |
Голиков, механизмы токсического действия./ , , // М: Медицина. | 1986 | |
Ляхович, ферментов метаболизма ксенобиотиков./ , // Новосибирск: Наука. | 1981 | |
Разнообразную полезную информацию по экологической биохимии можно найти по адресам Московского государственного университета (включая доступ в библиотеку) http: www. . |
перечень лабораторных занятий
(14 часов)
| Исследование влияния нитратов и нитритов на биохимические показатели крови (содержание гемоглобина, метгемоглобина, нитрит йонов, активность щелочной фосфатазы, аминотрансфераз). 6 ч. |
| Оценка состояния ферментов антиоксидантной системы (СОД, каталазы, глутатионпероксидазы) в тканях животного организма при введении нитратов и нитритов. 4 ч. |
| Оценка интенсивности процессов перекисного окисления липидов в тканях животного организма при введении нитратов и нитритов. 4 ч. |
контроль самостоятельной работы
(темы)
Молекулярно-биохимические механизмы взаимодействий в природных экосистемах. 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
