Белковая инженерия и нанобиотехология

РОССИЙСКО-АРМЯНСКИЙ (СЛАВЯНСКИЙ) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
(Формат титульного листа должен соответствовать требованиям, приведенным в приложении) (1)
Составлена в соответствии с государственными
требованиями к минимуму содержания и
уровню подготовки выпускников по указанным
направлениям и Положением РАУ «О порядке
разработки и утверждения учебных п рограмм».
УТВЕРЖДАЮ:
ИМиВТ Казарян Э.М.
“___”_____________ 200_ г.
Институт: Институт математики и высоких технологий
Кафедра:
Автор(ы):
______медицинская биохимия и биотехнология_____
д.б.н., профессор Бояджян А.С
У ЧЕ Б Н А Я П РО Г РА М М А
Дисциплина: Белковая инженерия и нанобиотехология
Специальность: 020210 Биоинженерия и иоинформатика
ЕРЕВАН
Аннотация
В курсе рассматриваются современные представления о биохимии молекул белков, такие
процессы как белковый фолдинг, прохождение белков через биологические мембраны,
природные химические модификации белков.
Целью изучения дисциплины «Белковая инженерия» является ознакомление студентов с
современными методами исследования структуры и функции белков, основанными на
возможности вносить направленные замены в аминокислотные последовательности
белковых молекул. Белковая инженерия, возникшая в конце прошлого столетия,
представляет собой новое направление в молекулярной энзимологии и биотехнологии.
Возникновению белковой инженерии неразрывно связано с развитием таких областей
науки и техники, как генетическая инженерия, рентгено-структурный анализ, методы
органического синтеза, а также со стремительным прогрессом электронновычислительной техники.
Основной задачей дисциплины является расширение научно-методического кругозора
будущих исследователей, курс «Белковая инженерия» показывает общность многих
экспериментальных и теоретических методов.
Цели изучения дисциплины Целью изучения дисциплины «Белковая инженерия» является
ознакомление студентов с современными методами исследования структуры и функции белков,
основанными на возможности вносить направленные замены в аминокислотные
последовательности белковых молекул. Белковая инженерия, возникшая в конце прошлого
столетия, представляет собой новое направление в молекулярной энзимологии и биотехнологии.
Возникновению белковой инженерии неразрывно связано с развитием таких областей науки и
техники, как генетическая инженерия, рентгено-структурный анализ, методы органического
синтеза, а также со стремительным прогрессом электронно- вычислительной техники. В курсе
рассматриваются современные представления о биохимии молекул белков, такие процессы как
белковый фолдинг, прохождение белков через биологические мембраны, природные химические
модификации белков. Основной задачей дисциплины является расширение научнометодического кругозора будущих исследователей, курс «Белковая инженерия» показывает
общность многих экспериментальных и теоретических методов.
Среди планируемых результатов изучения дисциплины "Белковая инженерия" можно выделить
следующие: -способность планировать, организовывать и проводить научно-исследовательские
по теме магистерской программы с применением современной аппаратуры, оборудования и
компьютерных технологий; умение представлять результаты работ с использованием
нормативных документов; -способность самостоятельно с применением современных
компьютерных технологий анализировать, обобщать и систематизировать результаты
биофизических работ. -способность использовать современные методы обработки и
интерпретации биофизической информации при проведении научных исследований; -умение
анализировать, классифицировать и изменять структурные белковые модули с целью получения
новых биотехнологических продуктов; -умение использовать компьютерные программмы для
анлиза особенностей структурной организации белковых молекул -способность профессионально
оформлять, представлять и докладывать результаты научно-исследовательских биофизических
работ по утвержденным формам.
5. Трудоемкость дисциплины и виды учебной работы по учебному плану.
Виды учебной работы
1
1. Общая трудоемкость изучения дисциплины по
семестрам , в т. ч.:
1.1. Аудиторные занятия, в т. ч.:
1.1.1. Лекции
1.1.2. Практические занятия, в т. ч.
1.1.2.1. Обсуждение прикладных проектов
1.1.2.2. Кейсы
1.1.2.3. Деловые игры, тренинги
1.1.2.4. Контрольные работы(за счет
практической работы)
1.1.3. Семинары
1.1.4. Лабораторные работы
1.1.5. Другие виды аудиторных занятий
1.2. Самостоятельная работа, в т. ч.:
1.2.1. Подготовка к экзаменам
1.2.2. Другие виды самостоятельной работы, в
т.ч. (можно указать)
1.2.2.1. Письменные домашние задания
1.2.2.2. Курсовые работы
1.2.2.3. Эссе и рефераты (за счет
самостоятельной работы)
1.3. Консультации (за счет самостоятельной работы)
1.4. Другие методы и формы занятий
Итоговый контроль (Экзамен,Зачет, диф. зачет/указать)
Всего, в
акад.
часах
3
76
_9_
сем
4
76
36
28
36
28
8
8
40
40
зач
Содержание разделов и результаты изучения дисциплины
Темы, разделы Результаты освоения дисциплины
Зач.
Распределение по семестрам
___
___
___
___
сем
сем
сем.
сем
5
6
7
10
____
сем.
11
1. Введение 1.1. История возникновения белковой инженерии История возникновения белковой
инженерии in vitro как способа изучения функциональных свойств молекул белков и способа
получения белков с заранее заданными свойствами. Знание основных этапов развития белковой
инженерии. Понятие белковой инженерии и отличие этого подхода от методов инженерной
энзимологии. 1.2. Основные функции белков Основные функции белков в живых организмах.
Развитие представлений о функциональной роли белков. Современные представления о
биохимии белков. Представления об основных функциях белков в живых организмах. Процессинг
белковых молекул. 2. Структура и функции молекул белков 2.1. Структуры белковых молекул
Современные методы определения структуры белковых молекул. Характерные Понятие
структурной организации белков. Представление о методах определения первичной, вторичной и
третичной структуры белков. Понимание проблемы мотивы первичной структуры. Методы
предсказания вторичной структуры. Супервторичная структура. Домены. Типы доменных структур.
Полифункциональность белковых доменов. Рентгено-структурный анализ как метод определения
третичной структуры белка. Проблемы кристаллизация белковых молекул и расшифровки
дифракционных картин. Примеры решения обратной задачи дифракции. кристаллизации белков.
Решение обратной задачи дифракции. 2.2. Функции белков Реализация функции белка через его
структуру. Ферменты. Преимущества и недостатки ферментов при их использовании в качестве
катализаторов. Представления о взаимосвязи структуры белка и его функции. Структурные
элементы ферментов, возможность их изменения. 3. Белковая инженерия. Конструирование
белков in vitro 3.1. Белковая инженерия Задачи, решаемые белковой инженерией. Белковая
инженерия и инженерная энзимология. Полный цикл белковой инженерии. Методы сайтспецифического мутагенеза. Химический синтез олигонуклеотидов.
Олигонуклеотиднаправленный сайт- специфический мутагенез. Отбор по генотипу. Примеры.
Кассетный мутагенез. Применение кассетного мутагенеза в биотехнологии. Мутагенез с
применением полимеразной цепной реакции. Использование свойств стоп-кодонов и
супрессорных штаммов для проведения сайт-специфического мутагенеза. Введение неприродных
аминокислот в белки. Представления о химическом синтезе олигонуклеотидов. Понимание
принципов сайт-специфического олигонуклеотиднаправленного мутагенеза. Виды мутагенеза,
используемые в белковой инженерии. 3.2. Конструирование белков in vitro Метод белковой
инженерии в фундаментальных исследованиях проблем биологической специфичности.
Количественное измерение слабых взаимодействий в белках. Изостерические и
изофункциональные аминокислотные замены. Энергетика водородных связей. Примеры.
Белковая инженерия как дополнение к рентгено-структурному анализу. Примеры идентификации
аминокислотных радикалов, формирующих активный центр. Метод белковой инженерии для
решения задач биотехнологии и медицины. Подходы к увеличению Понятие биологической
специфичности т представление о возможностях белковой инженерии в плане изменения
биологической специфичности белков. Представления об энергетике водородных связей в водных
растворах. Представления о возможностях белковой инженерии в области увеличения
стабильности белков. стабильности белков. Инженерия дисульфидных связей. Белковая
инженерия субтилизина. Конструирование гибридных белков. Метод ―фагового дисплея‖.
Инженерия искусственных белков. Примеры дизайна белков de novo. 4. Биохимия белковых
молекул. Конструирование белков in vivo 4.1. Биохимия белковых молекул Механизм
сворачивания (фолдинга) белков. Термодинамические особенности процесса in vitro. Роль
ближних и дальних взаимодействий. Фолдинг белков in vivo. Ферменты, катализирующие этот
процесс. Транслокация белков через биологические мембраны. Сигнальная последовательность.
Котрансляционная транслокация. Сигнал- узнающая частица. Посттрансляционный перенос через
мембраны. Компетентное для транслокации состояние полипептидной цепи. Белки теплового
шока. Внутримолекулярные и молекулярные шапероны. Понятие фолдинга полипептидной цепи.
Умение объяснить различие фолдинга in vitro и in vivo.Представление о термодинамическом
аспекте механизмах транслокации белков через биологические мембраны. Знание клеточных
факторов, влияющих на фолдинг белков. 4.2. Конструирование белков in vivo Модификации
белковых молекул. Гликозилирование белков. Классификация гликопротеинов. N-гликопротеины.
Состав и строение углеводных цепей. Сайты гликозилирования. Путь гликозилирования. Цикл
долихола. О-гликопротеины. Биосинтез О-гликопротеинов. Функции углеводных цепей в
гликопротеинах. Другие модификации аминокислотных радикалов в белках. Роль природных
модификаций в регуляторных процессах и сортировке белковых молекул. Модификации
аминокислотных радикалов в белках как возможность расширения функциональных
способностей молекул белков. Регуляция времени жизни белка в клетке Знание основных
модификаций белковых молекул в клетках живых организмов. Представления о структуре, путях
синтеза и роли углеводных цепей гликопротеинов. 5. Новые направления в ферментативном
катализе 5.1. Рибозимы Каталитические свойства рибонуклеиновых кислот. Сплайсинг преРНК.
Интрон тетрахимены L-19 как истинный рибозим. Различные виды ферментативной активности,
проявляемые L-19. Внутренняя адапторная последовательность - участок связывания субстрата.
Саморасщепление Знание основных видов рибозимов. Представление об общих чертах и
отличиях ферментативных реакций, катализируемых нуклеиновыми кислотами и белками. РНК
вироидов. Конструирование рибозимов in vitro. Каталитические свойства МI РНК. Сравнение
каталитических свойств рибонуклеиновых кислот и белков. 5.2. Каталитические свойства антител
Каталитические свойства антител. Использование концепции стабилизации активированного
комплекса в переходном состоянии для конструирования каталитически активных антител.
Природные абзимы. Знание теоретических предпосылок возможности создания каталитических
антител.
Рекомендуемая литература
Основная литература № Автор, название, место издания, издательство, год (годы) издания Год
изд. К-во экз. Место хранения 1. Физика белка. Курс лекций с цветными и стереоскопическими
иллюстрациями. Учеб. пособие для вузов по биол. спец.. / А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын —
Москва Книжный дом "Университет", 2002 2002 21 Библиотека 2. Молекулярная биология /
Мушкамбаров — М: МИА, 2003 2003 10 Кафедра Дополнительная литература 1. Молекулярная
биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ.. / Б. Глик, Д. Пастернак — Москва Мир, 2002