Биохимия и молекулярная биология

Программа: авторская
Автор: канд. биол. наук Фуралев В.А., канд. биол. наук Альшулер Е.П., канд. биол. наук Марквичева К.Н.
Год утверждения (начало апробации): 1992
Курс преподают канд. биол. наук Е.П. Альтшулер и канд. биол. наук К.Н. Марквичева 

Биохимия

Пояснительная записка

Общие представления об основах биохимии и молекулярной генетики, несомненно, важно сформировать у каждого ученика общеобразовательной средней школы, учитывая важнейшее прикладное значение этого раздела биологии для медицины и сельского хозяйства. Но упомянутые разделы как фундаментальная биологическая дисциплина отражены в обычном курсе средней школы весьма поверхностно. Ученики старших классов средней школы биологического профиля должны получить представление о фундаментальных основах биохимии и молекулярной генетики — научных дисциплин, теми или иными аспектами которых они, став биологами, будут заниматься профессионально с наибольшей вероятностью из всех биологических дисциплин.

Формирование у будущих биологов представлений об основных достижениях, теориях и методах современной фундаментальной биохимии и молекулярной генетики составляет задачу настоящего спецкурса. Программа спецкурса включает в углубленном виде всё, что должны усвоить из биохимии и молекулярной генетики ученики общеобразовательных школ в ходе курса общей биологии, а также ряд дополнительных составляющих, посвященных не вошедшим в базовый школьный курс аспектам биохимии, молекулярно-генетическим теориям и гипотезам и методам молекулярно-генетических исследований.

Данный курс тесно взаимосвязан с курсом цитологии 10 класса, в ходе которого ученики получают первоначальные сведения об обмене веществ и химическом составе клетки. Спецкурс рассчитан на одно полугодие (17 занятий по два часа, всего 34 часа). Продолжением данного курса является курс «Молекулярная генетика», изучаемый учениками профильных классов гимназии во втором полугодии 11 класса.

Структура программы

Обмен веществ и превращения энергии в клетке (8 часов)
Углеводы (8 часов)
Липиды (6 часов)
Белки и аминокислоты. Ферментативный катализ (6 часов)
Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты (4 часа)
Резервное время – 2 часа

Содержание программы

Обмен веществ и превращения энергии в клетке

Химический состав клетки. Неорганические и органические соединения, входящие в состав клетки. Различие в концентрациях веществ внутри и вне клетки. Размеры и форма биомолекул.
Обмен веществ и преобразование энергии в клетке. Типы питания живых организмов. Катаболизм и анаболизм. Источники углерода. Круговорот азота. Внутриклеточная регуляция метаболических процессов.
Законы химической термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Свободная энергия. Изменение стандартной свободной энергии. Высокоэнергетические и низкоэнергетические соединения. Запасание энергии. Энергетический цикл в клетках. Окислительно-восстановительные реакции. Дыхательная цепь. Окислительное фосфорилирование. Химическое сопряжение в биохимических реакциях. Роль митохондрий. Проницаемость митохондриальных мембран. Системы переносчиков. Хемиосмотическая теория.

Углеводы

Строение моно-, ди-, три- и полисахаридов. Резервные полисахариды. Структурные полисахариды. Биосинтез углеводов. Глюконеогенез. Цикл Кальвина. Превращения глюкозы. Синтез олиго- и полисахаридов.
Распад углеводов. Гликолиз. Спиртовое и другие типы брожения. Энергетика брожения и дыхания.
Общая схема процесса дыхания. Цикл трикарбоновых кислот. Глиоксилатный и фосфоглюконатный пути.
Фотосинтез. Строение хлоропласта. Общее уравнение фотосинтеза. Световая и темновая стадии фотосинтеза.

Липиды

Жирные кислоты. Нейтральные жиры. Ацилглицерины. Фосфоглицериды. Сфинголипиды и гликолипиды. Жирорастворимые витамины. Молекулярные компоненты мембран. Стадии синтеза жирных кислот. Интеграция липидного и углеводного обмена.
Окисление жирных кислот. Окисление ненасыщенных жирных кислот. Окисление жирных кислот с нечетным числом атомов углерода. Роль витамина В12.
Синтез жирных кислот. Синтез триацилглицеринов и фосфолипидов.

Белки и аминокислоты. Ферментативный катализ

Заменимые и незаменимые для человека аминокислоты. Редкие аминокислоты. Аминокислоты, не входящие в состав белков. Биосинтез заменимых и незаменимых аминокислот. Аминокислоты как предшественники других молекул. Протеолиз. Общая схема окисления аминокислот. Цикл мочевины.
Состав и размеры белков. Разнообразие белков. Конформации белков. -спирали. Структура типа складчатого слоя. Третичная структура. Четвертичная структура. Биологическое значение субъединиц. Денатурация и ренатурация.
Классификация ферментов. Кофакторы. Химическая кинетика. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Субстратная специфичность ферментов. Кислотно-основной катализ. Саморегуляция ферментных систем.

Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты

Нуклеозиды. Нуклеотиды. Динуклеотиды. Полинуклеотиды. Синтез нуклеотидов. ДНК. РНК. Гидролиз нуклеиновых кислот и распад мононуклеотидов. Определение нуклеотидной последовательности полинуклеотидов.

Требования к знаниям, умениям и навыкам учащихся

Учащиеся должны знать:

положения клеточной теории и теории симбиогенеза; особенности клеток прокариот и эукариот, животных и растений; основные методы изучения биохимических процессов, методы описания кинетики ферментативных реакций, методы определения последовательностей нуклеотидов ДНК и РНК; строение, состав и функции основных классов органических соединений клетки, принцип удвоения ДНК, основные этапы и механизмы синтеза белка; строение и функции клеточных мембран, хемиосмотическую теорию Митчела; основные метаболические процессы клеток животных и растений, их роль в обеспечении организма веществами и энергией;
определения и значения основных понятий и терминов курса, уметь приводить соответствующие примеры, а именно:
клетка, органоид; свободная энергия, экзергонические реакции, эндергонические реакции, окислительно-восстановительные реакции; анаболизм, катаболизм; мономер, полимер; углеводы, липиды, аминокислоты, белки, нуклеотиды, ДНК, РНК; моносахарид, дисахарид, полисахарид; жирная кислота, нейтральный жир, фосфолипид; аминокислота, белок, конформация белка, альфа-спираль, бета-слой, денатурация, ренатурация; первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка; нуклеотид, нуклеозид, азотистое основание, полинуклеотид, ДНК, РНК; обмен веществ, метаболический путь; гликолиз, брожение, клеточное дыхание, окислительное фосфорилирование, фотосинтез; темновые и световые стадии фотосинтеза; фермент, субстрат, кофермент, ферментативная реакция, катализ, ферментативный катализ; клеточный рецептор, лиганд, сигнальный путь, каскадная реакция; белок-канал, белок-переносчик, активный и пассивный транспорт; матричный синтез, генетическая информация, генетический код, мутация; положительная и отрицательная обратная связь.

Учащиеся должны уметь:

интерпретировать результаты биологических экспериментов и придумывать мысленные эксперименты для проверки гипотез;
предлагать различные варианты ответов на задачи с неоднозначным решением;
объяснять и илллюстрировать примерами принципы регуляции функций на основе отрицательной и положительной обратной связи на уровне клетки и метаболических путей;
использовать знания о химических и физических процессах и законах для объяснения механизмов работы живых систем, а именно: принципы термодинамики, их приложимость к живым системам; понятие катализа, его приложимость к ферментативным реакциям; взаимосвязь между строением, химическими свойствами и биологическими функциями углеводов, липидов, ДНК, РНК и белков; взаимосвязь между строением, химическим составом, физическими свойствами и биологическими функциями мембран;
сравнивать особенности обмена веществ клеток эукариот и прокариот, растений и животных;
связывать строение органоидов клетки и клеток мышечной и нервной ткани с особенностями строения и функционирования их белков и биомембран;
раскрывать взаимосвязи между процессами анаболизма и катаболизма; процессами обмена белков, углеводов и липидов;
раскрывать роль АТФ и мембранного потенциала в обмене веществ клеток;
объяснять роль фотосинтеза, дыхания и брожения в функционировании клеток, в природе и в жизни человека;
объяснять роль различных компонентов пищи (углеводов, жиров, аминокислот, витаминов) в пластическом и энергетическом обмене человека;
связывать нарушения в обмене веществ (мутации генов ферментов, нехватка аминокислот и витаминов) с различными патологиями.

Литература для учащихся

Основная

Биология. Общая биология. 10-11 классы: учеб. для общеобразоват. учреждений: профил. уровень. Под ред. В.К. Шумного и Г.М. Дымшица. Ч. 1.

Дополнительная

Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки (любое издание).
Ребриков Д.В. Биохимия (рукопись). Пособие доступно школьникам в виде распечаток и в электронном виде.
Кретович В.Л. Биохимия растений. 1986.
Ленинджер А. Биохимия (любое издание).
Марри Р.и др. Биохимия человека (2 тома). 1993.
Мусил Я. и др. Современная биохимия в схемах. 1984.
Сорвачев К.Ф. Биологическая химия. 1971.
Страйер Л. Биохимия. 1985.
Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. 1999.

Молекулярная биология

Пояснительная записка

Общие представления об основах молекулярной генетики, несомненно, важно сформировать у каждого ученика общеобразовательной средней школы, учитывая важнейшее прикладное значение этого раздела биологии для медицины и сельского хозяйства. Но молекулярная генетика как фундаментальная биологическая дисциплина отражена в обычном курсе средней школы весьма поверхностно. Ученики старших классов средней школы биологического профиля должны получить представление о фундаментальных основах молекулярной генетики — научной дисциплины, теми или иными аспектами которой они, став биологами, будут заниматься профессионально с наибольшей вероятностью из всех биологических дисциплин.

Формирование у будущих биологов представлений об основных достижениях, теориях и методах современной фундаментальной молекулярной генетики составляет задачу настоящего спецкурса. Программа спецкурса включает в углубленном виде всё, что должны усвоить из молекулярной генетики ученики общеобразовательных школ в ходе курса общей биологии, а также ряд дополнительных составляющих, посвященных не вошедшим в базовый школьный курс молекулярно-генетическим теориям и гипотезам и методам молекулярно-генетических исследований.

Спецкурс рассчитан на одно полугодие (17 занятий по два часа, всего 34 часа). Данный курс тесно взаимосвязан с курсом генетики, который изучался гимназистами в 10 классе, и курсом биохимии 1-го полугодия 11-го класса, и преподаётся с опорой на уже полученные учениками знания.

Структура программы

Хранение и передача наследственной информации (10 часов)
Реализация наследственной информации – транскрипция (4 часа)
Реализация наследственной информации – трансляция (8 часов)
Структура геномов и регуляция работы генома клетки (10 часов)
Резервное время – 2 часа

Содержание программы

Хранение и передача наследственной информации

Строение дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) и рибонуклеиновых кислот (РНК). Формы ДНК. Кольцевые ДНК: топологические проблемы репликации. Макромолекулярная структура РНК.
Матричный синтез нуклеиновых кислот, основные принципы репликации. Ферменты репликации. Особенности репликации кольцевых и линейных молекул ДНК. Репликация генома прокариот (E. coli) и эукариот.
Нарушения структуры ДНК. Прямая реактивация, эксцизионная и индуцируемая репарация. Роль метилирования ДНК в репарации.
Системы гомологичной рекомбинации. Сайт-специфическая рекомбинация, эволюционная роль рекомбинации. Системы рестрикции.

Реализация наследственной информации – транскрипция

РНК-полимеразы, механизмы транскрипции у прокариот и эукариот. Строение и регуляция активности промоторов и терминаторов. Аттенюация. Процессинг у прокариот, процессинг у эукариот. Сплайсинг. Альтернативный сплайсинг, транссплайсинг. Роль регуляторных РНК в процессинге. РНК-интерференция.

Реализация наследственной информации – трансляция

Генетический код, расшифровка кода. Функциональные участки и пространственная структура мРНК. Строение и роль тРНК.
Структура и функции рибосомы (прокариотической и эукариотической). Инициация, элонгация и терминация трансляции.
Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белков. Химические модификации белков. Посттрансляционная модификация белка.
Ферменты – систематика, ферментативный катализ, ингибирование. Каталитические антитела.

Структура геномов и регуляция работы генома клетки

Строение бактериальной хромосомы. Особенности структуры генома прокариот (полицистронная структура генов). Плазмиды как элементы генома прокариот. Строение эукариотического генома. Повторы, сателлитные ДНК. Уникальные последовательности генома. Подвижные элементы генома. Прерывистые гены эукариот. Структура хроматина, её влияние на транскрипцию.
Типы вирусных геномов. Репликация и транскрипция вирусных геномов. Уникальные ферменты вирусов. Стратегии размножения вирусов.
Пути приема и передачи сигналов в клетках. Внутриклеточные сигнальные каскады. Типы сигналов, сигнальных молекул и рецепторов. Влияние сигнальных молекул на реализацию наследственной информации.

Требования к знаниям, умениям и навыкам учащихся

Учащиеся должны знать:

положения клеточной теории и теории симбиогенеза; особенности клеток прокариот и эукариот, животных и растений; основные методы изучения молекулярно-генетических процессов; строение и принцип удвоения ДНК, основные этапы и механизмы синтеза белка; особенности строения и роль в клетке разных типов РНК; основные особенности строения генома и реализации наследственной информации у вирусов, прокариот и эукариот;
определения и значения основных понятий и терминов курса, а именно: клетка, органоид; фермент, ферментативная реакция; клеточный рецептор, лиганд, сигнальный путь, каскадная реакция; митоз, мейоз, клеточный цикл; онкогенез, опухолевая трансформация; аминокислота, белок, конформация белка, альфа-спираль, бета-слой, денатурация, ренатурация; первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка; нуклеотид, нуклеозид, азотистое основание, полинуклеотид, ДНК, РНК; обмен веществ, метаболический путь; фермент, субстрат, кофермент, ферментативная реакция, катализ; ДНК, РНК, иРНК, тРНК, рРНК, мяРНК, siРНК, рибосома; матричный синтез, конвариантная редупликация; репарация, рестрикция, рекомбинация, гомологичная рекомбинация; ген, цистрон, промотор, оператор, терминатор, энхансер, регулятор, оперон; триплет, кодон, антикодон, генетический код, генетическая информация, мутация; транскрипция, обратная транскрипция, трансляция, процессинг, сплайсинг, альтернативный сплайсинг; инициация, элонгация, терминация трансляции; положительная и отрицательная обратная связь.

Учащиеся должны уметь:

интерпретировать результаты биологических экспериментов и придумывать мысленные эксперименты для проверки гипотез;
предлагать различные варианты ответов на задачи с неоднозначным решением;
объяснять и илллюстрировать примерами принципы регуляции функций на основе отрицательной и положительной обратной связи на уровне клетки и генетических систем;
использовать знания о химических и физических процессах и законах для объяснения механизмов работы живых систем, а именно: атомно-молекулярная теория и её связь с изменчивостью и наследственностью; понятие катализа, его приложимость к ферментативным реакциям; взаимосвязь между строением, химическими свойствами и биологическими функциями ДНК, РНК и белков;
раскрывать роль молекулярно-генетических процессов в регуляции работы клеток и организма;
объяснять механизмы и роль в работе биологических систем процессов репликации ДНК, транскрипции, трансляции, репарации, рекомбинации, метилирования ДНК, процессинга и сплайсинга РНК, посттрансляционной модификации белков;
раскрывать взаимосвязи между работой генетического аппарата клетки и закономерностями передачи наследственных признаков на молекулярном и клеточном;
объяснять механизмы реакции клеток на внешние воздействия, механизмы регуляции работы генов, процессов транскрипции и трансляции;
связывать нарушения в генетическом аппарате, работе органоидов и регуляторных механизмах клеток с различными патологиями, в том числе онкологическими заболеваниями;
объяснять цитологические и молекулярные основы хромосомной и внехромосомной наследственности, раскрывать их сходства и различия;
объяснять прикладное значение изучения молекулярной генетики, приводить примеры использования её достижений в научных исследованиях, медицине и практике селекции.

Литература для учащихся

Основная

Ребриков Д.В. Молекулярная генетика (рукопись). Пособие доступно школьникам в виде распечаток и в электронном виде.

Дополнительная

  1. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. 1988.
  2. Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. (любое издание).
  3. Гвоздев В.А. и др. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот. 1989.
  4. Льюин Б. Гены. 1987.
  5. Спирин А.С. Структура рибосомы и биосинтез белка. 1986.
  6. Степанов В.М. Структура и функции белков. 1996.
  7. Уотсон Дж. и др. Рекомбинантные ДНК. 1986.
  8. Хесин Р.Б. Непостоянство генома. 1985.

2005–2022 © «БиоКласс». Контакты
Телефон: (495) 433-76-29