3675

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

М.А. Патова

БИОХИМИЯ, БИОФИЗИКА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям

(включая рекомендации по организации самостоятельной работы и выполнению курсовых работ)

по дисциплине «Биохимия, биофизика и физико-химические основы жизнедеятельности»

для обучающихся по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование

профиль Природопользование

Нижний Новгород

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

М.А. Патова

БИОХИМИЯ, БИОФИЗИКА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям

(включая рекомендации по организации самостоятельной работы и выполнению курсовых работ)

по дисциплине «Биохимия, биофизика и физико-химические основы жизнедеятельности»

для обучающихся по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование

профиль Природопользование

Нижний Новгород

2016

2

УДК 577 (075.8)

М.А. Патова / Биохимия, биофизика и физико-химические основы жизнедеятельности [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / М.А. Патова; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – __ с.– 1 электрон. опт. диск (CD-RW).

В настоящем учебно-методическом пособии по дисциплине «Биохимия, биофизика и физикохимические основы жизнедеятельности» даются рекомендации обучающимся для освоения как основного, так и дополнительного материала дисциплины. Цель учебно-методического пособия — это помощь в усвоении лекций, в подготовке к практическим занятиям, а также в написании курсовой работы.

3

Содержание

4

1. Общие положения

1.1Цели изучения дисциплины и результаты обучения

Целями освоения учебной дисциплины Биохимия, биофизика и физико-химические основы жизнедеятельности являются:

-формирование системы знаний о динамических процессах в организмах и механизмах ответа организма на техногенные воздействия и загрязнение окружающей среды, физико-химических основах жизнедеятельности организма,

-знакомство с методами биохимического анализа, оценки воздействия физических и химических факторов на организм;

-формирование у студентов навыков планирования научно-исследовательской деятельности, интерпретации полученных результатов.

В процессе освоения дисциплины студент должен

Знать:

-принципы самоорганизации, актуализации, выбора;

-особенности динамических процессов в организмах и механизмы ответа организма на техногенные воздействия и загрязнение окружающей среды;

-знать о гомеостазе и механизмах ответа организма на техногенное загрязнение окружающей среды, об особенностях биохимических превращений, а также связях гомеостаза клеток, тканей и органов со средой обитания;

− понимать биохимическую и биофизическую сущность организации биологических объектов.

Уметь:

-планировать и организовывать работу по самоомообразованию;

-выбирать методику научного исследования планировать эксперимент;

-обосновывать выбор методики биохимических и биофизических исследований, планировать проведение учебных научных исследований, интепретировать полученные результаты;

-анализировать последствия воздействия химических и физических факторов на живые организ-

мы;

-обобщать и систематизировать многообразие метаболических связей в организме.

Владеть:

-навыками самоорганизации для выполнения учебно-исследовательской работы студента;

-методами биохимического анализа, оценки воздействия физических и химических факторов на организм.

Данная дисциплина предоставляет студентам возможности подготовки к решению профессиональных задач в области научно-исследовательской деятельности (проведение лабораторных исследований, осуществление сбора и обработки материала), призвана развить способности к самореализации и самообразованию в соответствии с требованиями стандарта.

1.2 Содержание дисциплины

5

Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам:

Раздел 1. Особенности организации метаболизма и влияния экологических факторов на метаболизм живых организмов.

Раздел 2. Физико-химические свойства и обмен белков. Влияние экологических факторов на процесс катализа. Нуклеиновые кислоты. Воздействие мутагенных факторов на ДНК. Биосинтез белков.

Раздел 3. Обмен углеводов. Физико-химические свойства углеводов. Фотосинтез. Космическая роль зеленых растений на Земле.

Раздел 4. Липиды. Витамины. Гормоны. Роль липидов, витаминов, гормонов в в жизнедеятельности организма.

Раздел 5. Биофизика мембран. Биологические мембраны. Биохимия и биофизика транспорта веществ через биологические мембраны.

Раздел 6. Биофизика сложных систем.

Раздел 7. Информация и принципы регуляции в биологических системах.Информация и информационные потоки в живых системах.

Раздел 8. Биосфера и физические поля. Человек и физические поля окружающего мира. Воздействие магнитных и электрических полей на организмы. Собственные поля организма человека. Механизмы повреждения клеток, тканей и органов. Методы контроля и мероприятия по снижению воздействия.

6

2. Методические указания по подготовке к лекциям

2.1Общие рекомендации по работе на лекциях

Цель лекционного курса дисциплины Биохимия, биофизика и физико-химические основы жизнедеятельности - формирование основы для последующего усвоения учебного материала. Назначение лекции состоит в том, чтобы доходчиво изложить основные положения изучаемой дисциплины, ориентировать на наиболее важные вопросы учебной дисциплины и оказать помощь в овладении необходимых знаний и применения их на практике.

Личное общение на лекции преподавателя со студентами предоставляет большие возможности для реализации образовательных и воспитательных целей.

При подготовке к лекционным занятиям студенты должны ознакомиться с презентаций, предлагаемой преподавателем, отметить непонятные термины и положения, подготовить вопросы с целью уточнения правильности понимания. Рекомендуется приходить на лекцию подготовленным, так как в этом случае лекция может быть проведена в интерактивном режиме, что способствует повышению эффективности лекционных занятий.

2.2Общие рекомендации при работе с конспектом лекций

Входе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. Конспект помогает внимательно слушать, лучше запоминать в процессе осмысленного записывания, обеспечивает наличие опорных материалов при подготовке к семинару, зачету, экзамену.

Полезно оставить в рабочих конспектах поля, на которых делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, а также подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений.

Вслучае неясности по тем или иным вопросам необходимо задавать преподавателю уточняющие вопросы. Следует ясно понимать, что отсутствие вопросов без обсуждения означает в большинстве случаев неусвоенность материала дисциплины.

2.3Общие рекомендации по изучению материала лекций

Биохимия - наука о химической организации живого вещества и превращениях веществ и энергии, которые лежат в основе жизнедеятельности организма. Как самостоятельная дисциплина оформилась во второй половине XIX века. Особенно бурный процесс развития биохимии характерен для последних десятилетий. Этому способствовало прогрессирующее применение в исследованиях физикохимических методов. Исключительную роль в расширении возможностей научного поиска в биохимии сыграло внедрение в практику рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, газовой, жидкостной, гелевой и капиллярной хроматографии, метода меченых атомов, инфракрасной и ультрафиолетовой спектрофотометрии, флуоресцентного и полярографического анализа, электрофореза, метода молекулярных сит, масспекрометрии, разделения веществ в гравитационном поле ультрацентрифугированием, методов дисперсии магнитооптического вращения, электронного парамагнитного резонанса, ядерного магнитного резонанса и др. Характерной чертой современного этапа является широкое применение скоростных методов анализ в сочетании с автоматическим контролем.

Современная биохимия распадается на ряд отделов, каждый из которых имеет самостоятельное значение. В зависимости от подхода к изучению живой материи, биохимия делится на:

7

-статическую(занимается изучением химического состава живых организмов);

-динамическую (изучает превращения веществ и энергии в процессе жизнедеятельности);

-функциональную (выясняет связи между строением химических соединений и процессами их видоизменения с одной стороны, и функцией субклеточных частиц специализированных клеток, тканей и органов, включающих упомянутые вещества, с другой).

В зависимости от объекта или направления исследований, выделяют общую биохимию, биоорганическую химию, бионеорганическую химию, биохимию животных, растений, микроорганизмов, медицинскую биохимию, ветеринарную, техническую, сравнительную, радиационную, космическую и др.

Вначале изучения курса целесообразно повторить изученный ранее в школе материал по органической химии, систематике и классификации органических веществ.

Раздел 1. Особенности организации метаболизма

История возникновения биохимии и биофизики, цели, задачи и место предмета. Междисциплинарное положение предмета, связь с химией, физикой, математикой, основами безопасности жизнедеятельности. Строение растительной, животной и прокариотической клетки. Гомеостаз. Общность метаболизма. Особенности метаболических реакций у различных таксономических групп. Роль биологических мембран и их активности для клеточного дыхания.

Метаболизм. Анаболизм и катаболизм, пластический и энергетический обмен, ассимиляция и диссимиляция. Химический состав организмов. Функции воды и минеральных солей.

Контрольные вопросы к разделу 1

1.Что такое органические вещества?

2.Какие элементы являются органогенами?

3.Какие органоиды ответственны за фотосинтез и синтез АТФ?

4.В чем заключаются функции воды в клетке?

5.Какое химическое соединение играет наиболее важную роль в поддержании осмотического давления в клетке?

Раздел 2. Обмен белков. Белки. Аминокислотный состав белков. Физико-химические свойства аминокислот и белков. Номенклатура и роль в организме аминокислот. Изоэлектическая точка, оптические свойства, качественные реакции амнокислот.

Строение белковой молекулы (первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура). Классификация белков. Изоэлектическая точка белков, оптические свойства, качественные реакции Денатурация белка под воздействием физических и химических факторов. Ферменты. Константа Михаэлиса. Скорость ферментативной реакции. Реакционный центр. Простетические группы. Влияние экологических факторов на процесс катализа. Классификация ферментов. Детоксикация организма.

Контрольные вопросы к разделу 2

1.Что такое аминогруппа?

2.Что такое карбоксильная группа?

3.Почему аминокислоты проявляют амфотерные свойства?

4.Какие вещества называют оптическими изомерами?

5.Что такое нуклеопротеиды, липопротеиды, фосфопротеиды, гликопротеиды?

8

6.Расскажите об особенностях кинетики ферментативных реакций.

7.Что такое денатурация белка? Под воздействием каких физических и химических факторов она происходит?

8.Чем объясняется многообразие белков и их специфичность?

Раздел 3. Нуклеиновые кислоты. Биосинтез ДНК. Воздействие мутагенных факторов на ДНК. Кодирование и регуляция биосинтеза белка. Биосинтез белков и аминокислот в промышленности, воздействие на окружающую среду производства.

Контрольные вопросы к разделу 3

1.Что означает название «нуклеиновые кислоты»?

2.Из чего состоит нуклеотид ДНК? Нуклеотид РНК?

3.Какова роль ДНК в биосинтезе белка?

4.Каким образом переходит передача (транскрипция) информации с ДНК на РНК?

5.Где образуется и какие функции выполняет тРНК?

6.Какой процесс называется трансляцией?

7.Почему синтез белка в живой клетке называют матричным?

Раздел 4. Обмен углеводов

Физико-химические свойства углеводов. Строение и свойства углеводов. Классификация углеводов (моно-, ди-, полисахариды). Фотосинтез. Световая и темновая фазы фотосинтеза. Роль АТФ в процессе фотосинтеза. Энергетический баланс световой и темновой фаз фтосинтеза. Цикл фиксации углерода. Космическая роль зеленых растений на Земле. Пути повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Расщепление углеводов. Регуляция энергетического обмена.

Контрольные вопросы к разделу 4

1.Почему именно соединения углерода так широко распространены в природе?

2.Сформулируйте закон сохранения энергии.

3.Что является главным источником энергии на Земле?

4.Что такое энергетические уровни в цепи питания?

5.В чем заключается космическая роль зеленых растений на Земле?

6.Каково значение АТФ в жизнедеятельности клетки?

7.Каково строение АТФ, АМФ, АДФ?

8.Какие запасные углеводы имеются растительных и животных клетках?

9.Биохимия аэробного и анаэробного процессов очистки сточных вод.

Раздел 5. Липиды. Витамины. Гормоны. и их роль в обмене веществ.

Физико-химические свойства липидов. Классификация и свойства липидов. Классификация жирных кислот и их свойства. Нарушение обмена веществ. Качественные и количественные реакции. Роль витаминов в жизнедеятельности организма. Жирорастворимые и водорастворимые витамины. Гормоны и их роль в обмене веществ.

Контрольные вопросы к разделу 5

1. Как связано химическое строение и физико-химические свойства липидов?

9

2.Почему жиры являются наиболее эффективным источником энергии в клетке?

3.Каковы конечные продукты диссимиляции липидов в организме?

4.Каково значение различных витаминов для организма?

5.В каких случаях применяют синтетические витамины?

6.Какой витамин связан с белковым обменом?

7.Какие витамины относятся к антиоксидантам?

Раздел 6. Биофизика мембран.

Биологические мембраны. Функции, структура, динамика. Транспорт веществ через биологические мембраны. Биохимия и биофизика транспорта веществ через биологические мембраны. Активный, пассивный транспорт, облегченная диффузия. Переносчики. Работа ферментативных систем. Н- АТФаза, Са-АТФ-аза и пр. Биоэлектрические потенциалы. Механизмы генерации потенциала действия.

Контрольные вопросы к разделу 6

1. Как осуществляется активный транспорт веществ через мембрану Н+- АТФазы, Na+- К+- АТФазы, Са2+- АТФазы?

2.Расскажите об особенностях биологических мембран, строении, свойствах и функциях?

3.Какие молекулы переносчики вам известны?

4.Что такое биоэлектрический потенциал и какова его роль в жизнедеятельности клетки?

5.Приведите примеры веществ, попадание в клетку которых осуществляется с помощью активного, пассивного транспорта, облегченной диффузии?

1.6. В чем заключается влияние токсикантов на проницаемость клеточных мембран.

Раздел 7. Биофизика сложных систем. Информация и принципы регуляции в биологических

системах.

Методы моделирования биологических процессов. Основные этапы моделирования. Математические модели роста численности популяции. Модель «хищник-жертва». Кибернетические системы и их свойства. Принцип автоматической регуляции в живых системах. Информация и информационные потоки в живых системах.

Контрольные вопросы к разделу 7 1.Какие методы моделирования биологических процессов вам известны?

2.Каким образом действует обратная отрицательная связь в модели «хищник-жертва»? Какая связь регулирует отношения в система «трава - травоядное животное»?

3.В чем заключается принцип автоматической регуляции в живых системах?

Раздел 8. Биосфера и физические поля.

Человек и физические поля окружающего мира. Воздействие магнитных и электрических полей на организмы. Собственные поля организма человека. Механизмы повреждения клеток, тканей и органов. Методы контроля и мероприятия по снижению воздействия.

Контрольные вопросы к разделу 8

1.Какие физические факторы могут воздействовать на организм? Все ли из них нормируются? 2. Приведите примеры стимулирующего воздействия физических факторов на организм.

10