Biochemia

Celem kursu jest zapoznanie studentów z budową związków naturalnych, oraz przemianami metabolicznymi i towarzyszącymi im zmianami energii w organizmach żywych jak również z praktyką analityczną laboratorium biochemicznego. Studenci winni demonstrować poziom wiedzy i zrozumienia biochemii wystarczający do wykonywania zawodu i pozwalający na dalszą eksplorację biochemii teoretycznej i nauk pokrewnych, poziom ten odpowiada opisowi w zaawansowanym podręczniku akademickim.

Treść kształcenia - część wspólna

Rys historyczny. Pojęcia podstawowe. Znaczenie biochemii w naukach przyrodniczych. Budowa i skład chemiczny komórki. Rola wody i mikroelementów. Budowa i funkcje struktur podkomórkowych. Związki makroergiczne. Mechanizm sprzężenia energetycznego. Transport przez membrany.

Aminokwasy, peptydy i białka. Ogólna budowa i własności białek. Struktury rzędowe białka. Białka jako składnik produktów żywnościowych - białka zbóż, mięsa, mleka, jaj.

Enzymy. Energetyka reakcji biochemicznych. Mechanizm katalizy enzymatycznej. Klasyfikacja, budowa i ogólne własności enzymów. Kinetyka reakcji enzymatycznych. Inhibicja. Kontrola i regulacja aktywności enzymów. Zastosowanie preparatów enzymatycznych w technologii przemysłu spożywczego.

Witaminy rozpuszczalne w wodzie i koenzymy. Koenzymy oksydoreduktaz i transferaz. Witaminy a koenzymy. Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach. Związki sterydowe, karotenowce, chinony izopentenolowe. Biotechnologia witamin i związków pokrewnych.

Sacharydy. Budowa chemiczna i własności mono- oligo- i polisacharydów. Przemiany glikolityczne cukrów. Fermentacja etanolowa i mleczanowa. Cykl fosforanów pentoz. Energetyka przemian katabolicznych cukrowców.

Utlenianie biologiczne. Łańcuch oddechowy. Fosforylacja oksydacyjna. Cykl kwasów trikaboksylowych. Enzymy i energetyka cyklu Krebsa. Fosforylacje substratowe. Mechanizm wykorzystania energii świetlnej w fotosyntezie. Fotosystemy I i II. Fosforylacje fotosyntetyczne niecykliczna i cykliczna. Tworzenie cukrów w cyklu Calvina. Fotosynteza C4.

Metabolizm białek i aminokwasów. Enzymy proteolityczne, biosynteza aminokwasów, cykl mocznikowy.

Metabolizm lipidów. Trawienie lipidów. Enzymatyczne beta-utlenienie kwasów tłuszczowych. Przemiany glicerolu. Biosynteza kwasów tłuszczowych. Powiązania między metabolizmem tłuszczowców, cukrowców i aminokwasów.

Kwasy nukleinowe, ich budowa, własności i mechanizm biosyntezy. Funkcje kwasów nukleinowych. Replikacja, transkrypcja i translacja. Podstawowy aksjomat biologii molekularnej. Mechanizm biosyntezy białka. Regulacja ekspresji genów. Operony lac i trp. Cykl lityczny i lizogeniczny bakteriofaga (lambda). Mapa restrykcyjna plazmidu pBR322. Wprowadzenie do technik rekombinowanego DNA.

Zapoznanie studentów z pracą w laboratorium biochemicznych: szkło laboratoryjne, obsługa pipet automatycznych. Przygotowywanie roztworów do krzywej wzorcowej, oznaczenie spektrofotometryczne. Sporządzenie krzywej i wykonanie obliczeń ilościowych.

Właściwości fizyko-chemiczne aminokwasów. Reakcje charakterystyczne aminokwasów, badanie właściwości amfoterycznych aminokwasów metodą miareczkowania potencjometrycznego, oraz rozdział aminokwasów metodą chromatografii podziałowej.

Właściwości fizyko-chemiczne białek. badanie wpływu zmian pH, temperatury, stężenia metali ciężkich i alkalicznych oraz soli amonowych i alkoholu na właściwości fizyczne i chemiczne białek na przykładzie kazeiny i Taka-diastazy.

Frakcjonowanie białek i oznaczanie ich zawartości w roztworze. Kolorymetryczna metoda oznaczania białka rozpuszczalnego oraz rozdział białek metodą elektroforezy bibułowej i ich odsalanie metodą chromatografii sita molekularnego.

Właściwości fizyko-chemiczne mono- i oligosacharydów. Reakcje ogólne i charakterystyczne cukrów. Proces inwersji sacharozy. Ciemnienie nieenzymatyczne – reakcja cukrów z aminami.

Występowanie i właściwości fizyko-chemiczne polisacharydów. Metody izolacji polisacharydów z materiału roślinnego i zwierzęcego. Porównanie rozpuszczalności skrobi, glikogenu i celulozy oraz ich podatności na hydrolizę kwasową.

Metabolizm i losy glukozy w organizmie (oznaczenie pirogronianu i glukozy w hodowlach drożdży w warunkach tlenowych i beztlenowych. Oznaczenie ilości laktozy w mleku

Lipidy. Izolacja lecytyny z żółtka jaja kurzego. Reakcje wykrywania poszczególnych składników lecytyny. Wykrywanie i oznaczenie ilościowe witamin rozpuszczalnych w tłuszczach.

Ilościowe oznaczanie lipoprotein, triacylogliceroli i cholesterolu całkowitego w surowicy krwi.

Peroksydacja lipidów. Badanie wpływu różnych czynników na przebieg procesu w układzie modelowym. Wpływ temperatury na peroksydację lipidów w mięsie.

Izolacja kwasów nukleinowych z materiału biologicznego i identyfikacja ich podstawowych składników.

Wpływ temperatury i pH na szybkość reakcji enzymatycznej

Wpływ stężenia substratu i obecności inhibitorów na szybkość reakcji enzymatycznej. Doświadczalne wyznaczanie stałej Km, Vmax i V0.

Wykrywanie oksydoreduktaz w tkankach roślinnych. Wykrywanie wybranych hydrolaz w tkankach zwierzęcych.

Pułapkowanie komórek drożdży i badanie ich użyteczności w procesie fermentacji.

Literatura podstawowa:

1. Kączkowski, J. 1999. PODSTAWY BIOCHEMII. Wyd. XII ( lub późniejsze). WNT

2. Hames, B.D., Hooper N. M. 2002. Biochemia. Krótkie wykłady., PWN S.A. Warszawa.

3. Kłyszejko-Stefanowicz L. 2003. Ćwiczenia z biochemii. PWN Warszawa

Literatura uzupełniająca:

1. Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W.: Biochemia Harpera. Wydawnictwo lekarskie PZWL 2004.

2. Rawn, J. D. 1989. Biochemistry. Neil Petterson Publishers, Burlington (NC).

Wiedza

Rozumie znaczenie budowy związków naturalnych dla ich właściwości fizycznych, elektrostatycznych, rozpuszczalności, fałdowania łańcuchów biopolimerów, właściwości fotochemicznych oraz informacyjnych. Rozumie i potrafi scharakteryzować reguły, które decydują o budowie biopolimerów, ich strukturach rzędowych oraz budowie przestrzennej i zasadach upakowania

Wykazuje znajomość hierarchicznej budowy różnych rodzajów komórek (pro- i eukariotycznych) oraz potrafi wskazać związki pomiędzy budową i funkcją różnych komórek oraz właściwie lokalizuje podstawowe przemiany biochemiczne w strukturach subkomórkowych Potrafi objaśniać i opisać reguły, które kierują reakcjami w organizmach żywych oraz posiada umiejętność korzystania z metod ich badania. Rozróżnia mechanizmy transportu różnych elementów w obrębie komórki i tkanki: od protonów i elektronów do makrofagów.

Demonstruje zrozumienie istoty aktywności biologicznej substancji naturalnych, elementów struktury chemicznej, które decydują o tej aktywności oraz wykazuje zdolność eksperymentalnego badania różnych aktywności biologicznych. Rozumie zasady chemii oraz termodynamiki dotyczące biokatalizy oraz rolę enzymów oraz innych białek determinujących funkcje komórki i organizmu jako całości. Posiada wiedzę o różnych stopniach i typach asocjacji związków naturalnych: od koenzymów i grup prostetycznych do energetycznego i koenzymatycznego sprzęgania reakcji.

Rozumie mechanizmy przemian biochemicznych prowadzące do generowania energii chemicznej, jej magazynowania oraz wykorzystywania w procesach życiowych. Rozumie podstawowe mechanizmy kontroli przemian biochemicznych od regulacji ekspresji genów, kontrolę hormonalną do regulacji allosterycznej

Wykazuje znajomość podstawowych mechanizmów metabolizmu komórki w tym zwłaszcza transdukcji informacji, energii i sygnałów, oddychania i fotosyntezy oraz niektórych technik ich badania.

Wykazuje umiejętność rozpoznawania i klasyfikacji różnych typów przemian metabolicznych oraz łączenia ich w ścieżki i cykle metaboliczne. Rozumie rolę i funkcje metabolitów wyjściowych, pośrednich, centralnych i końcowych. Zna zasadnicze drogi łączące metabolizm białek lipidów i węglowodanów

Potrafi wytłumaczyć jak aktywność biologiczna może być wykorzystana do regulowania procesów technologicznych, otrzymywania nowych produktów o cechach unikalnych, oraz rozumie wpływ różnych operacji i procesów technologicznych na stabilizację lub likwidację aktywności biologicznej

Umiejętności

Wykorzystuje techniki analityczne potrzebne w podstawowych badaniach biochemicznych (miareczkowanie, spektrofotometria, chromatografia, elektroforeza)

Umie korzystać z różnych technik separacji substancji koniecznych do charakterystyki biologicznie aktywnych substancji

Potrafi pracować w laboratorium biochemicznym (obsługuje pipety automatyczne i szklane, posługuje się pH-metrem, mieszadłem magnetycznym, wagą techniczną, zna przeznaczenie miarowego szkła laboratoryjnego)

Planuje wykorzystanie odczynników, szkła laboratoryjnego i dostępnego sprzętu do wykonania biochemicznych analiz jakościowych i ilościowych.

Wykrywa w próbkach biologicznych podstawowe grupy związków (aminokwasy, białka, cukry redukujące i nieredukujące, skrobię, lipidy, witaminy rozpuszczalne w tłuszczach, kwasy nukleinowe)

Planuje i przeprowadza doświadczenie pozwalające określić parametry kinetyczne reakcji enzymatycznej

Przeprowadza prawidłowo oznaczenia ilościowe (przygotowanie serii rozcieńczeń prób badanych i standardów, wykonanie obliczeń z wykorzystaniem krzywej wzorcowej)

Umie zapisywać równania reakcji katalizowanych przez różne klasy enzymów, zna konwencje zapisu izomerów optycznych najważniejszych związków występujących w żywności, zna konwencję zapisu sekwencji peptydów i kwasów nukleinowych

Kompetencje społeczne

Demonstruje zdolność efektywnej pracy indywidualnej, potrafi pracować w zespole, demonstruje umiejętność kierowania grupą, potrafi podejmować decyzje, planować i organizować pracę oraz wykazuje umiejętność zarządzania czasem

Ma świadomość zagrożeń wynikających z niezgodnej z zasadami BHP pracy w laboratorium

Na ocenę 2

Nie rozpoznaje istotnych zależności, nie wymienia reguł, nie wykazuje znajomości treści lub zasad klasyfikacji zjawisk i procesów zdefiniowanych w odpowiednich efektach kształcenia (tabela wyżej) lub czyni w stopniu niedostatecznym (mniej niż 50% treści)

Nie zna narzędzi do separacji, izolacji, wykrywania i oznaczania podstawowych grup związków w próbkach biologicznych i w żywności. Nie umie pracować w laboratorium biochemicznym. Nie umie zapisywać równań reakcji enzymatycznych. Nie zna metody zapisu sekwencji biopolimerów oraz izomerów optycznych związków występujących w żywności.

Nie pracuje efektywnie indywidualnie ani w zespole. Opóźnia pracę grupy.

Nie potrafi podejmować decyzji, planować i organizować pracy. Nie ma świadomości zagrożeń wynikających z niezgodnej z zasadami BHP pracy w laboratorium.

Na ocenę 3

Wymienia reguły, ale nie analizuje zależności, lub wymienia zależności ale nie analizuje reguł, lub nie wykazuje znajomości zasad klasyfikacji ale wykazuje dostateczną znajomość treści zdefiniowanych w odpowiednich efektach kształcenia (tabela wyżej)

Zna tylko niektóre narzędzia do separacji, izolacji, wykrywania i oznaczania podstawowych grup związków w próbkach biologicznych i w żywności. Pracuje w laboratorium biochemicznym, ale nie planuje wykorzystania odczynników, szkła laboratoryjnego ani sprzętu. Nie wykonuje samodzielnie oznaczeń ilościowych. W bardzo ogólnym stopniu zna metody zapisu sekwencji biopolimerów oraz izomerów optycznych związków występujących w żywności.

Nie potrafi planować pracy indywidualnej, ale włącza się w pracę grupy. Teoretycznie zna zagrożenia wynikające z niezgodnej z zasadami BHP pracy w laboratorium, ale nie uwzględnia ich w praktycznym działaniu.

Na ocenę 4

Wymienia reguły i analizuje zależności, wykazuje znajomość zasad klasyfikacji zjawisk i dobrą (75 %) znajomość treści zdefiniowanych w odpowiednich efektach kształcenia (tabela wyżej)

Zna narzędzia do separacji, izolacji, wykrywania i oznaczania podstawowych grup związków w próbkach biologicznych i w żywności. Poprawnie wykonuje pewne elementy procesu planowania doświadczeń. Zapisuje równania reakcji enzymatycznych, zna konwencję zapisu sekwencji biopolimerów oraz izomerów optycznych związków występujących w żywności.

Aktywnie działa w grupie i potrafi sprawnie zarządzać czasem. Jest świadomy zagrożeń wynikających z niezgodnej z zasadami BHP pracy w laboratorium.

Na ocenę 5

Wymienia reguły i analizuje zależności, wykazuje bardzo dobrą znajomość zasad klasyfikacji zjawisk i bardzo dobrą (90 %) znajomość treści zdefiniowanych w odpowiednich efektach kształcenia (tabela wyżej)

Stosuje narzędzia do separacji, izolacji, wykrywania i oznaczania podstawowych grup związków w próbkach biologicznych i w żywności oraz dobiera je do rozwiązania konkretnego problemu. Planuje wykorzystanie odczynników, szkła laboratoryjnego i sprzętu. Samodzielnie wykonuje oznaczenia ilościowe (stosuje metody obliczeniowe oparte na krzywych wzorcowych). Zapisuje równania reakcji enzymatycznych, zna konwencję zapisu sekwencji biopolimerów oraz izomerów optycznych związków występujących w żywności.

Jest liderem grupy, efektywnie planuje i wykonuje pracę. Jest świadomy zagrożeń wynikających z niezgodnej z zasadami BHP pracy w laboratorium i kieruje się zasadami dobrej praktyki laboratoryjnej.