Биоэнергетика: Рабочая программа дисциплины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА БИОХИМИИ И ФИЗИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ

Одобрено на заседании Ученого совета факультета Декан биологического факультета А.П. Савченко ____________________ «_____» __________________ 2002

Программа составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего и профессионального образования по специальности 012300 «Общая биохимия»

УДК 577.4

БИОЭНЕРГЕТИКА Рабочая программа дисциплины для специальности 012300 «Общая биохимия»

Автор-составитель: Т.Н. Замай Биоэнергетика: Рабочая программа дисциплины. Красноярск: РИО КрасГУ, 2002. 6 с. (Экспресс-издание) Предназначена для специальности 012300 «Общая биохимия» для дневной формы обучения

© КрасГУ, 2002

Красноярск 2002

2

1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Цель курса: изложить основные закономерности трансформации энергии в живых системах. Задачи курса: - теоретическое освоение знаний о молекулярных превращениях энергии в живых системах и о механизмах регуляции энергообмена; - приобретение навыков решения задач по биоэнергетике Место в системе социогуманитарного образования: Биоэнергетика – наука, занимающаяся изучением закономерностей преобразования энергии в живых организмах. Эта наука стоит на стыке теоретической физики, биологии и математики. Требования к уровню освоения дисциплины В результате изучения дисциплины студенты должны: - овладеть необходимыми теоретическими знаниями об основных закономерностях трансформации энергии в клетке; - иметь опыт решения по биоэнергетике; - иметь представление о механизмах регуляции энергетического обмена в норме и при патологии. Формы и методы проведения занятий Лекции, семинары, контрольные работы, тестирование, коллоквиумы. Тематический план № п/п

1. 2. 3 4

Наименование тем дисциплины

Введение (предмет и задачи, краткий исторический обзор работ по биоэнергетике) Термодинамика биологических процессов Энергетика различных типов взаимодействий в макромолекулах. Потенциал переноса групп. Молекулярные основы превращения энергии в живых системах. Регуляция энергетического обмена ВСЕГО ПО РАЗДЕЛАМ: ИТОГО:

3

Объем учебного времени по формам работы (в часах) Лекции Семинары Самост. работа 0,5 1,5

2

2 18 2 24

10 2

6 8 54

II. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ Введение (предмет и задачи, краткий исторический обзор работ по биоэнергетике) (0,5 ауд.часа). Тема 1. Термодинамика биологических процессов (3,5 ауд. часа) Законы термодинамики. Понятия энтропии, энтальпии, свободной энергии. Термодинамика метаболических циклов. Механизмы энергетического сопряжения в химических реакциях Расчет стандартных свободных энергий. Тема 2. Энергетика различных типов взаимодействий в макромолекулах. Потенциал переноса групп. (2 ауд. часа) Взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Электростатическое взаимодействие. Водородная связь. Пептидная связь. Гидрофобные взаимодействия. Энергетические эффекты гидратации. Механизмы переноса электрона. Перенос электрона по белковой цепи. Механизмы миграции энергии в биосистемах. Потенциал переноса групп. Тема 3. Молекулярные основы превращения энергии в живых системах (24 ауд. часа). Живые клетки – открытые термодинамические системы. Современные представления об энергопреобразующих "молекулярных машинах" живой клетки. Структурные особенности энергопреобразующих органелл живой клетки (хлоропластов, митохондрий, хромопластов). Субстратное фосфорилирование в гликолизе и цикле Кребса. Трансформация энергии в биомембранах. Цепь переноса электронов и окислительное фосфорилирование. Строение и функции мембран митохондрий. Характеристика компонентов электрон-транспортной цепи. Н+-АТФ-аза митохондрий. Функциональные состояния митохондрий (по Чансу). Хемиосмотическая теория Митчелла. Разобщители и ингибиторы субстратного и окислительного фосфорилирования. Термодинамическая эффективность гликолиза и дыхания. Использование метаболизма для выработки тепла: термогенные ткани. Фотосинтез. Строение хлоропластов. Суммарная схема фотосинтеза. Строение фотосинтетического пигментного аппарата и миграция энергии. Реакция Р. Хилла. Световая и темновая стадии фотосинтеза. Фотосистема l и фотосистема ll. Электрон-транспортная система фотосинтеза. Фотосинтетическое фосфорилирование. Термодинамические аспекты фотосинтеза. Механизмы регуляции процесса фотосинтеза. Преобразование химической энергии в механическую в системах биологической подвижности на примере мышечного сокращения. Преобразование энергии при передаче сигнала от гормонов и нейромедиаторов внутрь клетки. Бактериородопсин. Молекулярные основы зрительной рецепции. Фотохимический цикл родопсина. Тема 4. Регуляция энергетического обмена (2 ауд. часа)

17 1 30

III. ТЕМАТИКА РЕФЕРАТОВ Для самостоятельной работы студентов К теме 1. 1. Проблема энтропии, информации и биологической упорядоченности. 2. Методы регистрации трансмембранной разности протонного потенциала. 3. Процессы самоорганизации в распределенных биологических системах. 4. Критерий самопроизвольности процесса. К теме 2. 1. Энергии связей и приближенные методы оценки термодинамических величин. 2. Константы образования и константы диссоциации молекул. 3. Изменение свободной энергии при ферментативном катализе. К теме 3. 1. Химическая природа хромофоров зрительных пигментов. 4

2. Свободное окисление. 3. Механизмы разобщения окислительного фосфорилирования. 4. Теории окислительного фосфорилирования и модельные эксперименты. 5. Флуоресценция и фосфоресценция. 6. Биолюминесценция. 7. Строение Fe-S-белков дыхательной цепи. 8. Живые клетки – открытые термодинамические системы. 9. Системы энергообеспечения клеток. 10. Рецепция и трансмембранная передача сигнала. К теме 4.. 1. Окислительное фосфорилирование и дыхательный контроль. 2. Использование метаболизма для выработки тепла: бурая жировая ткань. 4. АТФазы опухолевых клеток. 5. Генерация свободных радикалов в клетке. 6. Мембранные механизмы регуляции метаболизма. 7. Активные формы кислорода как вторичные мессенджеры. 8. Токсические эффекты кислорода.

Биоэнергетика Составитель: Замай Татьяна Николаевна, канд. биол. наук, доцент кафедры биохимии и физиологии человека и животных Редактор: О.Ф. Александрова Корректура автора

Подписано в печать 21.02.2003 IV. ФОРМЫ КОНТРОЛЯ

Тиражируется на электронных носителях

Промежуточный контроль в форме: а) написания реферата 1 раз в семестр б) сдачи коллоквиумов (1) в) тестирования (4) г) контрольных работ (2)

Заказ 257

Итоговый контроль: Устный экзамен по билетам

Отдел информационных ресурсов управления информатизации КрасГУ

V. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 5.1. Список рекомендуемой литературы Основной 1. Николс Д. Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию. М.: Мир, 1985. 2. Клотц И. Энергетика биохимических реакций. М.: Мир, 1970. 3. Рубин А.Б. Биофизика. В 2-х т. М.: Книжный дом «Университет», 2000. 4. Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы: новые взгляды. М.: Мир, 1979. 5. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989. Дополнительной 1. Скулачев В.П. Законы биоэнергетики //Соросовский образовательный журнал, 1997. №1, С.9-14. 2. Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии //Соросовкий образовательный журнал, 1997, №5. С.11-19. 3. Тихонов А.Н. Молекулярные преобразователи энергии в живой клетке // Соросовский образовательный журнал, 1997, №7. С.10-17. 4. Тихонов А.Н. Трансформация энергии в хлоропластах – энергопреобразующих органеллах растительной клетки // Соросовский образовательный журнал, 1996, №4. С. 24-32.

660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, ауд. 22-05, e-mail: [email protected]

Дата выхода 25.02.2003 Адрес в Internet: www.lan.krasu.ru/studies/editions.asp

Издательский центр Красноярского государственного университета 660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, e-mail: [email protected]

5.2. Материально-техническое обеспечение Рекомендуемые программные средства – электронный диск «Молекулярная биология»

5

6