ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ   ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Химический факультет 

 

Кафедра   органической химии

 

 

 

УТВЕРЖДАЮ

 

Проректор по учебной работе

 

________________В.П. Гарькин

 

«____»_______________ 2006 г.

 

 

 

 

 

 

 

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

 

Биофизическая, медицинская химия и биотехнология

 

(блок «Общие математические и естественнонаучные дисциплины»;

раздел «Вузовский компонент»; основная образовательная программа специальности

020101 Химия)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самара

2006

Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования специальности 020101 Химия, утвержденного 10.03.2000 г. (номер государственной регистрации 127 ЕН/СП).

 

Составитель рабочей программы: -  к.б.н., доцент кафедры медицинской биофизики Пущинского Госуниверситета, с.н.с. Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН   Е.Г. Литвинова

 

Рецензент: к.х.н., доцент З.П. Белоусова

 

Рабочая программа утверждена на заседании кафедры органической химии

 

(протокол №    1   от «  31  »  августа    2006 г.)

 

 

Заведующий кафедрой

²_01_² ___09________ 2006 г.  _______________   П.П. Пурыгин

 

 

СОГЛАСОВАНО

 

Декан

факультета

²__29² ____09_______ 2006 г.  _______________   С.В. Курбатова

 

 

СОГЛАСОВАНО

 

Начальник

методического отдела

²_29_² ___09________ 2006 г.      _______________ Н.В. Соловова

 

ОДОБРЕНО

Председатель

методической

комиссии факультета

 

²_28_² ___09________ 2006 г.  _______________   И.В. Лобачева

1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе, требования к уровню освоения содержания дисциплины

 

1.1. Цели и задачи изучения дисциплины

Цель дисциплины:

·        Изучение основ генной инженерии: механизмов репликации, транскрипции и трансляции; методов клонирования, амплификации и секвенирования ДНК, конструирования рекомбинантных ДНК, способов их введения в геном микроорганизмов, растений и животных; применения искусственных генетических систем для получения лекарственных веществ, вакцин, факторов роста, инсектицидов; получения белков с заданными свойствами методом направленного мутагенеза;

·        Изучение принципов полимеразной цепной реакции (ПЦР), разновидностей ПЦР, применения в исследовании нуклеиновых кислот, генной инженерии,  диагностике, криминалистике.

·        формирование у студентов знаний, позволяющих устанавливать,   выбирать, амплифицировать, синтезировать последовательности ДНК, конструировать клонирующие и экспрессирующие векторы разрабатывать дизайн и планировать синтезы олигонуклеотидов, используемых при проведении различных генноинженерных работ.

·        Изучение принципов конструирования и применения биосенсоров в биотехнологии, медицине, экологи.

Задачи дисциплины:

·        рассмотреть основные свойства живых объектов, на которых базируется молекулярная биотехнология;

·        рассмотреть свойства ДНК как основы хранения и передачи информации, принципы кодирования и расшифровки генетической информации;

·        раскрыть ключевую роль ферментов рестрикции, процессов гомологичной и сайтспецифической рекомбинации для конструирования различных векторов и их адресной доставки в клетку;

·        рассмотреть различные системы скрининга рекомбинантных микроорганизмов и ДНК-мишеней;

·         рассмотреть основные биотехнологические подходы, используемые для получения новых продуктов: биополимеров, белков, красителей, лекарственных препаратов;

·        рассмотреть основные способы получения и очистки рекомбинантных белков, способы проведения направленного мутагенеза для изменения свойств белков;

·        раскрыть ключевую роль полимеразной цепной реакции в разных областях исследования и прикладного использования нуклеиновых кислот, проанализировать основные принципы построения праймеров для ПЦР, особенностей зондов для выявления продуктов ПЦР;

·        рассмотреть основные принципы конструирования измерительных систем с использованием биоэлементов: биосенсоров и биочипов, ознакомить студентов с основными типами биосенсоров, используемых в биотехнологии, медицине, экологии. 

 

1.2. Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение данной дисциплины

Студенты, завершившие изучение данной дисциплины, должны:

 

Иметь представление:

о задачах, основных направлениях и этапах развития биотехнологии

об основных свойствах живых объектов, на которых базируется молекулярная биотехнология;

об основных этапах выделения, очистки, выявления нужной последовательности ДНК, об особенностях и основных типах клонирующих и экспрессирующих векторов, о способах доставки рекомбинантных ДНК в клетки-мишени;

о способах получения и очистки рекомбинантных белков, о способах изменения свойств белков с помощью генной инженерии;

о применении молекулярной биотехнологии для получения новых продуктов, для диагностики заболеваний, для генной терапии;

о способах получения трансгенных животных и растений;

о методах конструирования, основных типах и возможностей применения биосенсоров.

 

Знать:

основы строения и функционирования биологических макромолекул, на которых базируется молекулярная биотехнология;

основные этапы клонирования, конструирования клонирующих векторов, методы синтеза, скрининга, секвенирования, амплификации ДНК;

основные методы иммунной и ДНК диагностики, генной терапии, сайтнаправленного мутагенеза;

возможности и способы создания лекарств на основе олигонуклеотидов;

основы конструирования и применения биосенсоров;

основные способы иммобилизации ферментов, животных и растительных тканей, микроорганизмов на полимерных и минеральных носителях.

Уметь:

планировать основные этапы биотехнологического эксперимента;

разрабатывать дизайн и планировать синтезы олигонуклеотидов, используемых при проведении различных генноинженерных работ: синтеза генов, проведения ПЦР, получения белков с новыми свойствами, линкеров и адаптеров, зондов для выявления продуктов ПЦР и для обнаружения мутаций;

решать задачи по данной дисциплине.

 

1.3. Связь с предшествующими дисциплинами

Для усвоения курса «Биофизическая, медицинская химия и биотехнология» необходимо знать основы теории строения органических соединений, номенклатуру ИЮПАК различных классов органических веществ;

обладать знаниями о структуре, физико-химических свойствах и биологических функциях пептидов, белков и углеводсодержащих биополимеров;

об основных экспериментальных и теоретических методах структурно-функционального анализа пептидов, белков и углеводсодержащих биополимеров;

о методах синтеза и биосинтеза пептидов, белков и углеводсодержащих биополимеров.

основную терминологию и правила построения химических названий нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот по номенклатуре ИЮПАК;

физико-химические свойства и методы синтеза нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот;

принципы экспериментальных и теоретических методов структурно-функционального анализа и нуклеиновых кислот;

основы биологии клетки, биохимии и экологии.

Студент должен владеть основными методами органического синтеза, уметь планировать возможные пути синтеза целевых органических соединений.

 

1.4. Связь с последующими дисциплинами

Понятия и методы, используемые в курсе «Биофизическая, медицинская химия и биотехнология» будут применены при выполнении курсовых и дипломных работ и в спецкурс «Химия нуклеиновых кислот».

 

2. Содержание дисциплины

 

2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах)

 

Дневная форма обучения (9 семестр, зачет)

 

Вид учебных занятий

Количество часов

семестр

Всего часов аудиторных занятий

24

Лекции

24

Практические занятия (семинары)

 

Лабораторные занятия

 

Всего часов самостоятельной работы

33

Подготовка к лекционным занятиям

16

Повторная работа над учебным материалом и работа с ресурсами Internet

17

Всего часов по дисциплине

57

2.2. Разделы дисциплины и виды занятий

№

п/п

Название раздела

дисциплины

Количество часов

лекции

практические занятия

Лабораторные

занятия

 

Введение

2

-

-

1

Строение ДНК. Репликация ДНК. Репарация

2

-

-

2

Генетическая рекомбинация

2

-

-

3

Структурная организация и регуляция экспрессии генома

2

-

-

4

Основные методы клонирования и скрининга рекомбинантной ДНК

4

-

-

5

Синтез и секвенирование ДНК

2

-

-

6

Полимеразная цепная реакция. Молекулярная диагностика заболеваний

2

-

-

7

Молекулярные методы выявления мутаций. Генная терапия. Лекарственные средства на основе олигонуклеотидов

2

-

-

8

Направленный мутагенез. Оптимизация экспрессии генов. Очистка рекомбинантных белков

2

-

-

9

Биосенсоры

4

-

-

 

Итого:

24

-

-

 

2.3. Лекционный курс

 

ВВЕДЕНИЕ

Основные направления биотехнологии. Значение биотехнологии для науки и практики. Молекулярная биотехнология: истоки, основные этапы развития, значение.

 

РАЗДЕЛ 1 Строение ДНК. Репликация ДНК. Репарация

1.1 Строение ДНК. Пуриновые и пиримидиновые основания. Нуклеозиды, нуклеотиды. Дезоксорибоза. Фосфодиэфирная связь. Двойная спираль. Полярность цепей.

1.2 Репликация ДНК. Основные свойства живых объектов, на которых базируется молекулярная БТ. Свойства ДНК как основы хранения и передачи информации. Кодирование информации в ДНК, РНК, белке.

Основные этапы репликации. Матричный синтез. ДНК-полимераза. Репликационная вилка. Лидирующая и отстающая цепи. Фрагменты Оказаки. Значение роста «с хвоста» для коррекции ошибок. Ферментные системы, обеспечивающие репликацию. Репликация концевых участков ДНК. Теломерная ДНК. Теломеразы. Метилирование. Значение метилирования у бактерий и эукариот.

1.3 Основные типы и репарация повреждений в ДНК.

 

РАЗДЕЛ 2 Генетическая рекомбинация

Виды рекомбинации. Гомологическая рекомбинация. Механизм, ферменты. Значение для клетки и для биологического вида.

Сайтспецифическая рекомбинация. Основные особенности, ферменты. Интеграза. Значение для клеток и организмов.

 

РАЗДЕЛ 3 Структурная организация и регуляция экспрессии генома

3.1 Организация генома. Понятие генома. Геномы прокариот и эукариот. Уникальные и повторяющиеся последовательности. Транспозоны. Хроматин. Хромосомы. Понятие гена.

3.2 Строение РНК и транскрипция. Строение РНК, типы РНК, основные функции. Особенности синтеза РНК у прокариот и эукариот. Процессинг РНК. Экзоны и интроны. Альтернативный сплайсинг. Строение и особенности синтеза белка. Генетический код. Регуляция транскрипции генов. Понятие оперона у прокариот. Лактозный оперон. Триптофановый оперон. Регуляция транкрипции у эукариот. Факторы транскрипции. Основные типы белков, регулирующих транскрипцию. Цинковые «пальцы», «лейциновая застежка».

 

РАЗДЕЛ 4 Основные методы клонирования и скрининга рекомбинантной ДНК

4.1 Рестриктазы. Принцип действия, типы рестриктаз. Значение для клеток. Использование в молекулярной биотехнологии. Карты рестрикции. Получение. Использование.

4.2 Клонирующие векторы. Основные этапы в экспериментах по клонированию. Понятие клонирующего вектора. Рекомбинантные ДНК.

Плазмиды, типы плазмид, конструирование плазмидных векторов. Основные особенности векторов pBR322 и pUC19. Выделение ДНК из биологического материала. Электрофоретическое разделение фрагментов ДНК. Блот-гибридизации по Саузерну. Гибридизация in situ. Метод FISH.

Введение ДНК в вектор. Ферменты. Роль щелочной фосфатазы.

Трансформация клеток плазмидными векторами. Отбор клонов на примере pBR322. Векторы с лактозным опероном. Значение внесения lac Z¢  в вектор - на примере pUC19. Система скрининга с использованием лактозного оперона.

4.3 Клонотеки ДНК. Источники ДНК для клонирования. Типы библиотек. Геномные библиотеки и библиотеки генов.  Клонирование структурных генов эурикариот. Получение библиотеки кДНК. Основные методы скрининга библиотек. Зонды для библиотек. Получение зондов. Метод случайных праймеров. Иммунологический скрининг и скрининг по активности белка;

Конструирование векторов на основе бактериофага l. Особенности строения фага М13. Использование.

Векторы для включения крупных участков геномов. Космиды. Дрожжевые и бактериальные искусственные хромосомы (YAC, BAC).

 

РАЗДЕЛ 5 Синтез и секвенирование ДНК

5.1 Химический синтез олигонуклеотидов. ДНК-синтезатор. Фосфорамидитный метод синтеза. Основные этапы. Эффективность цикла и выход. Применение олигонуклеотидов. Линкеры и адапторы. Основные методы синтеза генов.

5.2 Методы секвенирования. Секвинирования ДНК ddNТP-методом (по Сэнгеру). Модификация с использованием флуоресцентных меток. Секвенирование по Максаму-Гилберту (химическое). Секвенирование с использованием фага М-13. Секвенирование методом «праймер-опосредсредованная прогулка».

 

РАЗДЕЛ 6 Полимеразная цепная реакция. Молекулярная

диагностика заболеваний

6.1 Полимеразная цепная реакция. Принцип метода. Основные стадии цикла. Компоненты реакции. Ферменты, используемые в ПЦР. Праймеры для ПЦР. Проведение. Степень амплификации. Особенности конструирования праймеров для ПЦР. Разновидности ПЦР. Иммуно-ПЦР. ПЦР «в реальном времени». Праймеры типа «Скорпион», зонды «молекулярный маяк» и TaqMan. Применение ПЦР. Синтез генов с использованием ПЦР.

6.2 Молекулярная диагностика заболеваний. Сравнительная характиристика основных методов диагностики инфекционных заболеваний. Иммунодиагностика. Преимущества и недостатки. Метод ELISA. Основные этапы получения моноклональных антител. Гибридомы.

ДНК-диагностика. Основные методы. Использование гибридизации с ДНК (РНК)-зондами. Получение зондов, специфичных к определенному патогену. Нерадиоактивные зонды. Проведение гибридизации с использованием биотинилированного зонда. Флуоресцентные зонды. Метод «молекулярного маяка»;

Геномная дактилоскопия. Минисателлитные последовательности генома. Использование в криминалистике. Установление отцовства. Использование полиморфных ДНК-маркеров. Метод RAPD для выявления различий среди растительных культур.

Диагностика генетических заболеваний. Выявление мутаций по элиминации сайта рестрикции в ПЦР-продукте. Серповидноклеточная анемия. Лигирование олигоруклеотидных зондов. Метод ПЦР-ЛОЗ. Использование ПЦР с флуоресцентными праймерами.

 

РАЗДЕЛ 7 Молекулярные методы выявления мутаций. Генная терапия. Лекарственные средства на основе олигонуклеотидов

7.1 Основные методы выявление мутаций в генах человека. Анализ конформационного полиморфизма одноцепочечной ДНК (SSCP). Градиентный гель-электрофорез в денатурирующих условиях (DGGE). Гетеродуплексный анализ (HA). Химическое расщепление некомплементарных сайтов (CMC). Тест на укороченный белок (PТТ).

7.2 Генная терапия. Основные методы, используемые в генной терапии. Терапия ex vivo и in vivo.

Основные векторные системы доставки «терапевтических генов» в организме: ретровирусы, аденовирусы, аденоассоциированные вирусы, вирус простого герпеса. Невирусные системы доставки «терапевтической» ДНК. 

Пакующая «клеточная линия», вирус-помощник. Трансдукция клеток мишеней, их селекция и тестирование. Примеры применения генной терапии ex vivo для лечения дефицита аденозиндезаминазы и наследственной гиперхолестеринемии. Генная терапия in vivo. Рекомбмнантные аденоассоциированные вирусы. Получение с использованием плазмидных векторов и вируса-помощника. Получение рекомбинантного вируса простого герпеса. Ампликон-плазмида. Репликация по типу катящегося кольца.

«Пролекарства», использование GCV-HSV-tk-терапии в сочетании с иммунотерапией. «Эффект свидетеля».

7.3 Лекарства на основе олигонуклеотидов. Антигенные и антисмысловые олигонуклеотиды. Рибозимы. Использование модифицированных олигонуклеотидов.

 

РАЗДЕЛ 8 Направленный мутагенез. Оптимизация экспрессии  генов. Очистка рекомбинантных белков

8.1 Направленный мутагенез. Сайтспецифический олигонуклеотид-направленный мутагенез. Случайный мутагенез с использованием вырожденных олигонуклеотидных праймеров. Использование ПЦР.  Использование фага M-13 для сайтнаправленного мутагенеза. Использование для замены аминокислот в белке.

8.2 Способы оптимизации экспрессии клонированных генов. Факторы. Влияющие на эффективность экспрессии рекомбинантных генов в бактериальных клетках. Особенности экспрессирующих векторов. Регулируемые промоторы. Химерные белки. Выделение  и расщепление химерных белков.

8.3 Очистка рекомбинантных белков. Использование аффинных аминокислотных последовательностей для очистки рекомбинантных белков. Основные аффинные метки и носители, используемые для очистки рекомбинантных белков.

8.4. Использование рекомбинантных микроорганизмов для

получения коммерческих продуктов. Создание рекомбинантной бактерии для получения ксантановой слизи из молочной сыворотки. Микробиологический синтез животного адгезивного белка: основные этапы, расшифровка последовательности и синтез гена. Синтез индиго рекомбинантным микроорганизмом, утилизирующим нафталин. Синтез L-аскорбиновой кислоты с использованием рекомбинантного микроорганизма, превращающего D-глюкозу в 2-кето-L-гулоновую кислоту.

 

РАЗДЕЛ 9 Биосенсоры

9.1 Основные принципы конструирования биосенсоров. Понятие биосенсора. Основные этапы развития биосенсорной технологии. Работы Лиланда Кларка младшего. Ферментные электроды. Классификация биосенсоров. Основные типы биоэлементов. Основные типы измерителей. Биосенсор атразина: сочетание реакции гибридизации мРНК с измерением поверхностного плазмонного резонанса. Применение биосенсоров в биотехнологии и медицине.

9.2 Микробные биосенсоры. Общая схема микробного электрода. Биосенсор усваиваемых сахаров. Биосенсор уксусной кислоты. Биосенсор спиртов. Биосенсор муравьиной кислоты. Биосенсор метана. Биосенсор аммиака. Биосенсоры для скрининга мутагенов. Ames и Rec – методы. Биосенсоры «прямого действия». Топливные элементы. Медиаторы. Угольные пастовые электроды. Биосенсор перекиси водорода. Преимущества и недостатки микробных биосенсоров.

9.3 Биосенсоры на основе животных и растительных тканей. Биосенсор для определения l-аргинина. Тканевой электрод. Оптимизация биосенсоров на примере биосенсора аденозина. Биосенсор АМФ. Преимущества по сравнению с биосенсором на основе очищенной АМФ –дезаминазы. Основные метрологические характеристики биосенсоров: чувствительность, специфичность, время отклика, время жизни.

9.4 Использование химически чувствительных полевых

транзисторов  и НПВО систем в биосенсорах. Химически чувствительные полевые транзисторы. Принцип действия. Технология изготовления. Ионселективные мембраны. Биосенсоры для определения пенициллина. Глюкозы, ингибиторов ацетилхолинэстеразы (ФОС, карбаматных пестицидов). Явления нарушенного полного внутреннего отражения и поверхностного плазмонного резонанса. Использование в биосенсорах.

9.5 Основные способы иммобилизации биопрепаратов в

биосенсорах. Физические методы: адсорбция, заключение в гели, пленки, микрокапсулирование. Химические методы. Активация поверхностей: бромциановый, хлортитановый, карбодиимидный методы, сопряжение через диазониевые группы, получаемые из ароматических аминогрупп. Бифункциональные сшивающие агенты. Глутаровый альдегид. Бумажные тест-системы. Определение ингибиторов моноаминооксидазы и ацетилхолинэстеразы. Белковые микрочипы.

 

2.4. Практические (семинарские) занятия

Практические занятия не предусмотрены

 

2.5. Лабораторный практикум

Лабораторный практикум не предусмотрен

 

3.Организация текущего и промежуточного контроля знаний

 

3.1. Контрольные работы

Контрольные работы в разработке

 

3.2. Комплекты тестовых заданий

Комплекты тестовых заданий в разработке

 

3.3. Самостоятельная работа

 

3.3.1. Поддержка самостоятельной работы (сборники тестов, задач, упражнений и др.)

1. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. М., Мир, 2002.

2. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина  Е.А. Основы биотехнологии. М., Академия, 2003

 

3.3.2. Рефераты по курсу не предусмотрены

 

3.4.  Курсовая работа, её характеристика; примерная тематика

Курсовая работа по курсу не предусмотрена

 

Итоговый контроль проводится в виде зачета в 9 семестре. Студент получает зачет по посещаемости лекций и устного ответа.

 

4. Технические средства обучения и контроля, использование ЭВМ

В лекционном курсе используется демонстрация слайдов с использованием слайд-проектора. Презентация по всему курсу включает около 200 слайдов.

 

5.Активные методы обучения (деловые игры, научные проекты)

Активные методы обучения не предусмотрены

 

6. Материальное обеспечение дисциплины

 

7. Литература

 

7.1. Основная (одновременно изучают дисциплину 80 человек)

 

1.      Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия: Учеб. для хим., биол. и мед. спец. вузов. – 3-е изд., переб. и доп. – М.: Высш. шк. 2000. (Министерство общего и профессионального образования РФ, 120 экз.)

2.      Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. М., Мир, 2002. (Лучший зарубежный учебник. Для студентов университетов, сельскохозяйственных и медицинских институтов, 60 экз.)

3.      Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия. Ч. 1-4. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004-2005. (Министерство образования РФ, 80 экз.).

4.      Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина  Е.А. Основы биотехнологии. М., Академия, 2003 (60 экз.)

 

7.2. Дополнительная

 

1.      Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М.: Мир, 1987.

2.      Албертс Б., Грей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К.. Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки в 5-ти томах, т.2, М., Мир, 1986

3.      Мушкамбаров Н. Н., Кузнецов С.А. Молекулярная биология. М., ООО «Медицинское информационное агентство», 2003.

4.      Биосенсоры. Основы и приложения. Под ред. Э Тернера, И. Карубе, Дж. Уилсона. М.,  Мир., 1992.

5.      Горбунова В.Н., Баранов В.С. Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний. С.-Петерб., «Специальная литература», 1997

6.      Хаваш Я. Ион- и молекулярно-селективные электроды в биологических системах. М., Мир., 1988

7.      Иммобилизованные клетки и ферменты. Под ред Дж. Вудворда. М., Мир., 1988.

8.      Биотехнология: учебное пособие для вузов (под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова). Кн. 7: Березин И.В., Клячко Н.Л., Левашов А.В. и др. Иммобилизованные ферменты. М., Высшая Шк., 1987

9.      Коваленко Е.А., Березовский В.А., Эпштейн И.М. Полярографическое определение кислорода в организме. М., Мед.,1975

10.  Analytica Chimica Acta

11.  J. Analit. Chem.

12.  J. Analit. Electrochem.

13.  Biotechnology @ Bioengineering

14.  Ж. Аналит. Хим.

 

7.3. Учебно-методические материалы по дисциплине

1. Пурыгин П.П., Вишняков В.В. Химия аминокислот и пептидов. Самара: Изд-во «Самарский университет», 1994.

2. Пурыгин П.П. , Вишняков В.В., Зарубин Ю.П. Химия нуклеозидов. Самара: Изд-во «Самарский университет», 2002.