Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу.
Организационно-методический раздел
Целью курса является изучение химических соединений, играющих важную роль во взаимодействиях между организмами, а также биохимических основ этих взаимоотношений. Полученные знания позволят понять биохимические основы функционирования и сохранения естественных сообществ.
Задачи курса: изучить основные биологические молекулы, входящие в состав клетки, а также химические соединения, играющие существенную роль в адаптации организмов к окружающей среде и взаимодействии с другими организмами.
Место курса в профессиональной подготовке выпускника. Курс читается в 7 семестре (4-ый год обучения) студентам кафедры биологии почв, обучающимся по специальности «Экология», специализации «Биологический контроль окружающей среды».
Требования к уровню освоения содержания курса. Студент должен знать состав и структуру основных молекул, входящих в состав клетки, основы синтеза и разложения основных полимеров клетки, основные процессы получения энергии клеткой, роль продуктов вторичного метаболизма во взаимодействии живых компонентов природных экосистем.
II. Содержание курса
Темы и краткое содержание
1. Предмет и задачи экологической биохимии. Краткая история возникновения и основные этапы развития экологической биохимии. Значение экологической биохимии для экологии.
2. Химический состав клетки. Общая характеристика соединений, входящих в состав клетки, их роль и значение в биохимических процессах. Вода. Состояние воды в клетке и роль различных форм воды в биохимических процессах. Неорганические соли, микро- и макроэлементы.
3. Белки и пептиды. Биологические функции белков и пептидов. Химический состав белков и пептидов. Аминокислоты, строение, свойства. Строение белков и пептидов. Пептидная связь. Глобулярные и фибриллярные белки. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная и надмолекулярные структуры белка. a‑спираль и b‑складчатый слой, b‑изгиб, “шпилька”.Простые и сложные белки. Классификация белков.
4. Ферменты. Общая характеристика и свойства ферментов. Сущность явлений и кинетика ферментативного катализа. Специфичность и обратимость действия ферментов. Лабильность ферментов, зависимость от факторов внешней среды. Химическая природа ферментов, одно- и двухкомпонентные ферменты.
Механизм действия ферментов. Репрессия и индукция ферментов. Ингибиторы и активаторы.
Номенклатура и классификация ферментов. Классы ферментов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы.
5. Нуклеиновые кислоты. Состав и строение ДНК и РНК. Пуриновые и пиримидиновые основания, нуклеозиды и нуклеотиды. Особенности микро- и макромолекулярного строения нуклеиновых кислот. Строение и биологические функции РНК: мРНК, тРНК, рРНК и другие. Нуклеотидный состав ДНК и РНК, правило Чаргаффа. Специфичность нуклеиновых кислот и систематика микроорганизмов, 16S рРНК в систематике макро- и микроорганизмов.
6. Углеводы. Распространение в природе и биологическая роль углеводов. Классификация и номенклатура углеводов: моносахариды, олигосахариды, полисахариды. Строение и свойства моносахаридов, стереоизомерия. Важнейшие представители и их производные. Фосфорные эфиры сахаров, их значение в обмене веществ. Гомо- и гетероолигосахариды: сахароза, мальтоза, трегалоза, целлобиоза, гентиобиоза; трисахаридов - раффиноза, тетрасахаридов - стахиоза. Редуцирующие и нередуцирующие сахара. Инверсия сахарозы.
Гомо- и гетерополисахариды (гомо- и гетерогликаны): крахмал, гликоген, гемицеллюлозы, инулин, пентозаны, фруктозаны, пектиновые вещества, хитин, агар-агар, глюкоманнаны, галактоманнаны, гиалуроновая кислота, строение, свойства, биологическая роль.
7. Липиды. Роль в жизнедеятельности организмов, локализация в клетке. Классификация и номенклатура липидов.
Триглицериды. Строение и свойства жирных кислот. Фосфолипиды. Сфинголипиды. Простагландины. Гликолипиды. Воска. Терпеноиды. Стероиды. Распространение липидов и их биологическая роль. Биологические мембраны, структура и функции.
8. Витамины. Классификация витаминов. Витамины, растворимые в жирах: А, Д, К, Е. Водорастворимые витамины: В1, В2, В6, В12, пантотеновая кислота, РР, биотин, инозит, фолиевая кислота. Связь витаминов с ферментами. Витамины как кофакторы ферментов. Участие витаминов в обмене веществ организма. Антивитамины.
8. Антибиотики. Общее понятие о вторичных метаболитах. Антибиотики. Основные метаболические пути синтеза антибиотиков. Классификации антибиотиков. Классификация антибиотиков по механизму биологического действия. Ингибиторы синтеза клеточной стенки – пенициллины. Нарушающие функции мембран (грамицидины, нистатин) и подавляющие синтез нуклеиновых кислот (актиномицин, митомицины). Ингибиторы синтеза пуринов и пиримидинов (азасерин), синтеза белка (тетрациклины, хлорамфеникол, эритромицин), дыхания (антимицины), окислительного фосфорилирования (валиномицин, грамицидины). Антиметаболиты аминокислот, витаминов, нуклеиновых кислот.
9. Метаболизм. Катаболизм, три стадии катаболических путей. Анаболизм, три стадии анаболических путей. Амфиболизм. Регуляция метаболических путей.
10. Метаболизм белков. Биосинтез белка в клетке. Значение ДНК, мРНК, тРНК, рРНК в синтезе белка. Локализация процесса синтеза белка в клетке. Строение и особенности состава рибосом у эу- и прокариот.
Генетический код. Транскрипция, трансляция. Этапы синтеза белка: активация аминокислот, инициация полипептидной цепи, элонгация, терминация, процессинг. Структура рибосом. Цикл работы рибосом. Регуляция биосинтеза белка. Гипотеза оперона, катаболитная репрессия.
Катаболизм и анаболизм аминокислот. Дезаминирование, декарбоксилирование, переаминирование, прямое аминирование. Роль дикарбоновых аминокислот в азотном обмене.
Взаимосвязь процессов синтеза аминокислот. Семейство пирувата, аспартата, глутамата, серина. Пути синтеза циклических аминокислот. Взаимосвязь обмена белков с обменом углеводов и липидов.
11. Метаболизм нуклеиновых кислот. Биосинтез пуриновых нуклеотидов. Регуляция биосинтеза пуриновых нуклеотидов, действие главных регуляторных механизмов.
Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов. Отличие биосинтеза пиримидинов от пуринов, участие аспартата и рибозофосфата. Регуляция биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов. Биосинтез дезоксирибонуклеотидов.
Биосинтез ДНК и РНК. Репликация ДНК, полуконсервативный механизм. Механизм действия ферментов репликации: ДНК-полимеразы, ДНК-гиразы, хеликазы, примазы и др. Этапы репликации.
Биосинтез мРНК, тРНК, рРНК. Транскрипция ДНК. Роль мРНК в переносе генетической информации; моногенная и полигенная мРНК. Этапы транскрипции: инициация, элонгация, терминация. Посттранскрипционный процессинг транскриптов РНК у эу- и прокариот.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и ее значение для систематики и идентификации микроорганизмов. ПЦР в экологии бактерий.
12. Метаболизм углеводов. Основные пути катаболизма глюкозы у микроорганизмов. Гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса) - центральный путь катаболизма глюкозы. Две стадии гликолиза. Субстратное фосфортлирование. Регуляция гликолиза. Дыхание, цикл лимонной кислоты (ЦТК, цикл Кребса). Окислительное фосфорилирование, сопряженный синтез АТФ. Регуляция цикла лимонной кислоты. Глиоксилевый цикл. Пентозофосфатный цикл (шунт). Окислительный путь расщепления глюкозы, путь Энтнера-Дудорова. Фосфокетолазный путь.
Типы брожений и их взаимосвязь. Химизм спиртового, молочнокислого (гомо- и гетероферментативного), пропионовокислого, маслянокислого брожений.
Биосинтез углеводов. Центральный путь биосинтеза углеводов. Глюконеогенез, обратимые и необратимые реакции, затраты энергии. Регуляция глюконеогенеза.
Биосинтез гликогена, его регуляция. Биосинтез муреина. Нуклеотиддифосфаты сахаров, их участие в биосинтезе углеводов.
13. Метаболизм липидов. Катаболизм и анаболизм липидов. Биосинтез жирных кислот на примере пальмитиновой кислоты. Пути синтеза непредельных жирных кислот и кислот с нечетным числом углеродных атомов. Регуляция биосинтеза жирных кислот. Биосинтез триацилглицеринов. Биосинтез фосфолипидов и стеролов.
Гидролиз жиров. Альфа-, бета-, омега-окисление жирных кислот. Альфа- окисление. Бета- окисление и “челночный” перенос. Взаимосвязь обмена липидов с обменом других веществ.
14. Биохимический ответ организмов на изменение абиотических факторов среды:температура, давление, напряженность геомагнитного поля, радиационное воздействие, воздействие ксенобиотиков природного и антропогенного происхождения. Адаптация. Механизмы адаптации на уровне клетки, организма, популяции, экосистемы. Стресс. Окислительный стресс – основной механизм токсического действия на уровне клетки. Свободно-радикальное окисление.
15. Биохимическая адаптация растений к окружающей среде.Биохимические основы адаптации к климатическим условиям. Биохимическая адаптация к почве. Механизмы детоксикации тяжелых металлов. Биохимия опыления растений. Роль окраски цветка. Роль запаха цветков. Роль нектара и пыльцы.
16. Химические и биохимическое взаимодействие между организмами в водной, наземной среде и почве.Растительные токсины и их действие на животных. Различные классы растительных токсинов. Цианогенные гликозиды: клевер и улитки. Сердечные гликозиды: ваточник, данаиды и голубые сойки.
17. Гормональные воздействия между растениями и животными. Эстрогены растений. Гормоны линьки насекомых в растениях. Взаимоотношения дрозофилы и кактуса. Ювенильные гормоны насекомых в растениях. Взаимодействие с помощью феромонов. Феромоны и защитные вещества животных. Феромоны насекомых, млекопитающих. Защитные вещества.
18. Пищевые вещества, предпочитаемые насекомыми. Биохимические основы выбора растений насекомыми. Вторичные вещества как пищевые аттрактанты. Вторичные вещества как пищевые детерренты. Эволюция пищевых детеррентов у высших растений.
19. Биохимические взаимодействия между растениями. Аллелопатия. Экологическое значение аллелопатии. Взаимоотношения между высшими и низшими растениями: фитоалексины и фитотоксины. Биохимические основы устойчивости к заболеваниям. Фитотоксины и болезни растений.
20. Биохимические взаимодействия между микро- и макроорганизмами.Антибиотики микробного происхождения. Разнообразие механизмов действия антибиотиков на клеточный метаболизм. Почвенные ферменты. Адсорбированные и свободные почвенные ферменты.
21. Прикладные аспекты экологической биохимии. Значение биохимических сенсоров и биохимических взаимодействий разного уровня в биологическом контроле окружающей среды. Биологический контроль.
Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу.
Экзаменационный билет включает три вопросы. Первый относится к наиболее общим разделам курса, изложенным преимущественно в темах 1-8.
Второй вопрос касается разделов курса, освещенных в темах 9-13, описывающих процессы катаболизма и анаболизма основных макромолекул клетки.
Третий вопрос касается частных вопросов метаболизма основных соединений, освещенных в разделах 14-19.