ПолесГУ Аналитическая биохимия и биоинформатика 23-БХ-1 / Vvedenie_v_spetsial'nost'

2

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Учебно–методический комплекс предназначен для подготовки студентов дневной формы обучения. Он является нормативным документом, которым определяются содержание обучения и устанавливаются требования к объему и Цель учебной дисциплины – сформировать у студентов целостное представление о профиле избранной ими специальности и перспективах будущей профессиональной деятельности, организации учебного процесса и учебно-исследовательской работе будущих специалистов-биохимиков.

Задачи учебной дисциплины: сформировать у студентов представления о

-значимости биохимии для медицины, спорта, промышленности и сельского хозяйства;

-объектах, областях и видах профессиональной деятельности специалистов-биохимиков;

-содержании биохимического образования на биотехнологическом факультете ПолесГУ;

-закономерностях и факторах развития биохимии в историческом аспекте;

-современном состоянии биохимии в мире и Республике Беларусь;

-тенденциях развития биохимии в 21 веке.

Изучение курса предусматривает чтение лекций, проведение практических занятий, сдачу зачета.

В соответствии с учебными планами по дисциплине ”Введение в специальность“ на дневной форме получения высшего образования предусмотрено всего – 102 часа. Из них аудиторных – 46 часов, в том числе

лекционных – 20 и практических – 26 (14 ПЗ+12 УСР).

Для проведения лекций, практических занятий, а также управляемой самостоятельной работы студентов используются ресурсы библиотеки, дистанционного обучения (MOODLE, ТIMЕS и др. современные информационно-коммуникативные ресурсы).

Формы текущей аттестации по дисциплине: устный и письменный опрос, написание и защита рефератов. Форма итогового контроля знаний − зачет.

К сдаче зачета допускаются студенты, успешно выполнившие программу по дисциплине.

Контроль усвоения знаний: оценка учебных достижений студентов осуществляется по 10-балльной шкале, утвержденной Министерством образования Республики Беларусь, в соответствии с критериями оценки результатов учебной деятельности обучающихся в учреждениях высшего образования (Письмо Министерства образования Республики Беларусь от 28.05.2013 г. № 09-10/53-ПО)..

2.4редукционистских программ биологии второй половины 19

3.1Успехи инженерной энзимологии, протеомики, 25 фармацевтической биохимии

3.2.2Совершенствование технологии консервирования, 36 производства кисломолочных продуктов, детского питания

4

РАЗДЕЛ 1 БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ КАК НАУКА И СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

ПЛАН

1.1 Понятие о биохимии как науке. Объекты изучения и задачи биохимии

1.2.Краткая характеристика важнейших разделов современной биохимии

1.3Связь биохимии с другими науками

1.4Значение биохимии

1.5Биохимия как профессия

1.6Методы и методология биохимического исследования

1.1 Понятие о биохимии как науке. Объекты изучения и задачи биохимии

Фундаментальные законы физики и химии определяют существование как неживой, так и живой материи. Для объяснения жизни обычно используют языки биофизики и биохимии.

Биологическая химия (биохимия) – это наука, которая изучает химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения, связь этих превращений с функциональными проявлениями жизни.

Биологическая химия – это наука о молекулярных основах жизни. Существует несколько причин тому, что в наши дни биохимия привлекает большое внимание и быстро развивается.

Во-первых, биохимикам удалось выяснить химические основы ряда важнейших биохимических процессов.

Во-вторых, обнаружены общие пути превращения молекул и общие принципы, лежащие в основе разнообразных проявлений жизни.

В-третьих, биологическая химия оказывает все более глубокое воздействие на медицину.

В-четвертых, быстрое развитие биологической химии в последние годы позволило исследователям приступить к изучению самых острых, коренных проблем биологии и медицины.

Биохимия исследует химию живой природы в широком диапазоне от бактерий до позвоночных и человека, а также молекулярные основы взаимодействия живых объектов с физическими (например, излучения), химическими (например, ксенобиотики) или биологическими (например, вирусы) факторами экосистем (рисунок 1.1).

5

Рисунок 1.1.– Объекты изучения биохимии

Несмотря на определенные, порой принципиальные различия в химическом составе и обмене веществ тех или иных видов живых организмов, существует биохимическое единство всех форм жизни. Поэтому биохимия явилась родоначальницей молекулярной биологии и целого спектра наук в зависимости от объекта исследований: биохимии микроорганизмов, биохимии простейших, биохимии растений, биохимии животных, биохимии человека.

Задачи биохимии:

1.Изучение на молекулярном уровне природы биохимических процессов, связанных с процессами жизнедеятельности.

2.Поиск эффективных путей управления обменом веществ, в том числе при различных патологических состояниях, методов повышения физической работоспособности и адаптации организма к необычным (неблагоприятным) условиям существования.

1.2 Краткая характеристика важнейших разделов современной биохимии

Биохимию целесообразно познавать в последовательности, соответствующей ее трем основным разделам (рисунок 1.2):

-структурная (статическая) биохимия – изучает химический состав организмов и структуру составляющих их молекул (белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеотидов, углеводов и их производных, липидов, витаминов, гормонов);

-метаболическая (динамическая) биохимия – изучает химические реакции, представляющие обмен веществ (метаболизм), а именно пути превращения молекул и механизмы происходящих между ними реакций. Простые молекулы и их производные (моносахариды, жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды и др.), образующиеся в процессе метаболизма, называются метаболитами. Биоэнергетика представляет раздел динамической биохимии, который изучает закономерности образования, аккумуляции и потребления энергии в биологических системах;

6

- функциональная биохимия – изучает биохимические реакции, лежащие в основе физиологических функций. Она изучает биохимические основы переваривания питательных веществ в желудочно-кишечном тракте; механизмы мышечного сокращения, проведения нервного импульса, дыхательной функции крови, регуляции кислотно-щелочного равновесия, функции печени и почек, иммунной системы и др.

Рисунок 1.2. – Основные разделы биохимии

Также выделяют прикладную биохимию – это, например:

а) клиническая биохимия – изучает биохимические основы патогенеза, диагностики и лечения заболеваний (наследственных, атеросклероза, пептической язвы, сахарного диабета);

б) фармацевтическая биохимия – изучает биохимические аспекты воздействия лекарств на организм и воздействие организма на лекарства;

в) биохимия детского возраста и т.д.

1.3Связь биохимии с другими науками

Биохимия базируется на биофизике, неорганической, физической и коллоидной химии, биоорганической химии и биологии; биохимия тесно связана с гистологией (цитология, цитохимия), микробиологией, вирусологией, генетикой, экологией; на основе биохимии формируются представления о молекулярных основах жизнедеятельности живых организмов пяти царств (бактерии, протисты, грибы, растения и животные).

7

Биохимия ХХI в. использует достижения клеточной биологии, генетики и современные технологии физики для понимания механизмов передачи генетической информации, экспрессии генов и межмолекулярных взаимодействий (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3. – Биохимия и другие науки

Биохимия – это наука, связанная с экспериментом, поэтому биохимические открытия всегда зависели от совершенствования методов биохимических исследований. Однако в настоящее время, когда технически возможно одновременно определять в биологических жидкостях десятки тысяч метаболитов, а в образцах тканей – тысячи генов, в биохимии стали широко применяться методы биоинформатики и биохимические исследования in silico на основе компьютерных технологий.

1.4 Значение биохимии

Сфера биохимии столь же широка, как и сама жизнь. Всюду, где существует жизнь, протекают различные химические процессы.

Сельскохозяйственная наука использует биохимию для селекции и повышения продуктивности сортов растений и пород животных, для борьбы с насекомыми-вредителями, для создания удобрений.

Пищевая промышленность использует достижения биохимии для производства легко усваиваемого детского питания, для обработки продуктов, подлежащих консервированию, для производства кисломолочных продуктов (ферменты в производстве сыра) колбасных изделий и др.

Биохимия – генетике. Только благодаря использованию биохимических процессов и реакций возможно выделение генов, расшифровка генетического кода, воздействие на патологические гены с целью борьбы с генетическими заболеваниями.

Фармацевтическая промышленность использует результаты биохимических исследований для производства различных препаратов:

9

немаловажные черты:

-обязательность,

-педантичность,

-исполнительность,

-дисциплинированность,

-любовь к науке.

Биохимику сложно будет работать в случае, если он страдает от аллергических реакций на химические реактивы, пыльцу, животных.

1.6 Методы и методология биохимического исследования

Всовременной биохимии все чаще приходится иметь дело со структурой клеток и ее органеллами. Все труднее становится провести границу между биохимией и биологией и между биохимией и молекулярной биофизикой. Применение точных физических методов позволило получить важные данные о структуре биомолекул и механизмах их взаимодействия и функционирования в клетке.

Существенной и характерной особенностью биохимии как науки является ее методология, которую следует рассматривать с двух точек зрения.

1.6.1 С точки зрения биологического материала

Эксперименты можно проводить: а) на уровне целого организма б) на уровнях органа, тканей

в) на уровне клетки, клеточных органелл

Исследования на уровне целого организма. Биохимические эксперименты на животных могут быть предприняты с различными целями. Применяя в течение длительного времени специальную диету, лишенную определенных витаминов или микроэлементов, и одновременно регистрируя возникающие при этом физиологические и клинические изменения, можно исследовать метаболическую роль данного витамина или микроэлемента.

Вместе с тем, вводя животному какое-либо экзогенное соединение,

можно изучать как влияние этого соединения на организм животного

(фармакологическая или патологическая ответная реакция), так и влияние организма на введенное соединение, т. е. его превращения и выведение.

Впоследнее время, все большее внимание стали уделять вопросам о том, каким образом различные лекарственные вещества, пищевые добавки и красители, накапливаются в пище и метаболизируются, где они локализуются, какое разрушающее действие оказывают на органы, ткани и какие канцерогенные побочные эффекты могут вызывать.

Если эксперименты проводятся на лабораторных животных, то через некоторое время после введения экзогенных соединений их умерщвляют, а затем исследуют их органы.

Единственным способом исследовать пути превращения введенных соединений у человека является определение содержания этих соединений и

10

их метаболитов в крови, моче, фекалиях, желчи, выдыхаемом воздухе, поте и слюне.

О поражении органа судят по изменению содержания в сыворотке крови таких ферментов, как аспартат-аминотрансфераза и лактатдегидрогеназа.

Результаты, получаемые при анализе содержания каких-либо соединений и их метаболитов в биологических жидкостях и экскрементах живых организмов, в том числе и организма человека, зависят от многих взаимосвязанных факторов:

-способ введения соединения (перорально или путем внутривенной, внутримышечной, подкожной или внутрибрюшинной инъекции);

-скорость всасывания соединения в кровоток; если соединение вводят не внутривенно, то оно должно проникнуть (обычно путем пассивной диффузии) по крайней мере, через одну мембрану (если соединение представляет собой слабый электролит, то оно должно пройти через мембрану в неионизованной форме);

-степень связывания соединения с сывороточным альбумином;

-кровоснабжение исследуемых тканей;

-способность данного соединения проходить через мембраны и распределяться в межклеточных и внутриклеточных жидкостях;

-накопление соединения в жировой ткани и характер его связывания с нуклеиновыми кислотами и меланином;

-скорость метаболизма соединения (главным образом ферментной системой микросом печени); скорость выведения (с мочой и желчью).

В практике описан случай, когда превращение введенного соединения

уживотных, содержащихся в клетках с мягкими опилками, происходит быстрее, чем у животных, помещенных в клетки с жесткими опилками. Помимо всего перечисленного, имеют значение также возраст, пол, режим питания, физические нагрузки, генетическое строение животного, а также время дня, когда животному было введено соединение.

Совокупность вышеперечисленных факторов создает характерную для данного соединения «фармако-кинетическую» картину. Именно благодаря огромному многообразию переменных эксперименты всегда следует проводить не на одном животном, а на целых группах. Исследования нужно проводить на животных чистых линий, а получаемые экспериментальные данные подвергать тщательной статистической обработке.

Результаты анализа фармакологического действия введенных экспериментальным животным соединений необходимо сопоставлять с данными, получаемыми в группе контрольных животных, которым было введено плацебо, т. е. совершенно нейтральное вещество, например лактоза.

Одной из основных проблем, стоящих перед биохимиками и фармакологами, является экстраполяция результатов, полученных на лабораторных животных, к человеку. Многочисленные сравнительные исследования показали, что метаболические процессы у человека и всех