Клеточная биология: основы биопроцессов

2019/2020

Учебный год

RUS

Обучение ведется на русском языке

4

Кредиты

Кто читает:

Факультет биологии и биотехнологии

Статус:

Курс обязательный

Когда читается:

1-й курс, 3, 4 модуль

Преподаватель

Скворцов Дмитрий Александрович

Программа дисциплины

Аннотация

Клеточная биология - раздел биологии, изучающий живые клетки, их органеллы, их строение, функционирование, процессы клеточного размножения, старения и смерти. Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает требования к образовательным результатам и результатам обучения студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих дисциплину «Клеточная биология: основы биопроцессов», учебных ассистентов и студентов направления подготовки 06.03.01 Биология, обучающихся по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Программа учебной дисциплины разработана в соответствии с: Образовательным стандартом НИУ ВШЭ по направлению 06.03.01 Биология; Образовательной программой «Клеточная и молекулярная биотехнология» и объединенным учебным планом по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Данная учебная дисциплина включена в раздел «Базовая профессиональная часть» Учебного плана 06.03.01 Биология и относится к базовой профильной части. Осваивается на 1 курсе в 3-4 модуле. Изучение данной дисциплины базируется на результатах освоения дисциплины «Общая и неорганическая химия», «Физика», «Зоология беспозвоночных». Основные положения дисциплины «Клеточная биология: основы биопроцессов» будут использоваться при прохождении дисциплин «Молекулярная биология», «Микробиология», «Биохимия», «Биофизика», «Генетика», «Клеточные технологии и инженерия», «Генная инженерия», «Основы молекулярной онкологии (онкоиммунология)» и практики на 1-4 курсах образовательной программы «Клеточная и молекулярная биотехнология».

Цель освоения дисциплины

• приобретение базовых знаний в области клеточной биологии прокариотических и эукариотических организмов, и химических основ, происходящих на уровне клетки биологических процессов.

Планируемые результаты обучения

• Сравнивает прокариоты и эукариоты на примере бактерий и дрожжей. Сопоставляет их с культивируемыми клетками человека.
• Описывает основные элементы строения клеточных мембран. Описывает, как устроен трансмембранный транспорт в клетке и основные этапы везикулярного транспорта. Анализирует базовые механизмы локализации, биогенеза и секреции белков и решает типовые задачи на локализацию белков. Решает типовые задачи на клеточный транспорт.
• Объясняет и иллюстрирует организацию хромосом в клетке, структуру хроматина и транскрипции. Формулирует, как устроено клеточное ядро, основные субъядерные структуры. Применяет эти знания для решения типовых задач.
• Распознаёт органеллы клетки, обсуждает их функции и протекающие в них процессы. Описывает структуру и функции клеточных органелл, применяет эти знания для решения типовых задач клеточной биологии.
• Описывает базовые механизмы внутриклеточной передачи сигнала и межклеточного взаимодействия. Знакомится с особенностями строения наиболее известных типов клеток человека.
• Описывает основные механизмы деления и гибели клеток, наблюдает в микроскоп деление и апоптоз эукариотической клетки. Описывает строение, состав и динамику цитоскелета. Решает типовые задачи, посвященные строению, делению и гибели клеток.
• Знакомится с базами данных NCBI и геномным UCSC. Создает простой запрос Blast и находит интересующий участок генома в геномном браузере. Создает запрос Pubchem для поиска низкомолекулярных соединений.

Содержание учебной дисциплины

• 1. Базовые понятия клеточной биологии.
  Прокариотические клетки (бактерии и археи), их внутренняя организация. Грамм-положительные и отрицательные бактерии. Возникновение эукариот и их органелл. Эукариотические клетки и их внутренняя организация. Общий вид мембранных органелл: ядро, эндоплазматический ретикулум (ЭР), митохондрии и хлоропласты. Базовые элементы строения ДНК (структура нуклеотидов и двойная спираль), РНК (особенности её одноцепочечной структуры), белков (а-спираль и b-листы) .
• 2. Введение в методы клеточной биологии.
  Культивирование микроорганизмов. Жидкие и гелевые питательные среды. Селективные и маркерные среды. Оценка фенотипических эффектов. Клеточные культуры эукариот. Выделение клеток многоклеточных организмов в культуру. Клеточные культуры многоклеточных организмов: генотипирование и проблемы контаминации. Проточная цитометрия и сортировка клеток. Микроскопия: световая, флуоресцентная, флуоресцентная сверхвысокого разрешения, электронная. Понятие конфокальной микроскопии и трехмерной реконструкции. Приготовление образцов. Окрашивание низкомолекулярными флуорофорами и иммуноокрашивание. Понятие о флуоресцентных белках. Разрушение клеток, разделение клеточных компонентов центрифугированием.
• 3. Биологические мембраны. Строение и функции.
  Мембраны клеток. Мембранные органеллы эукариот. Особенности строения и состава мембран клеток и органелл. Липиды, фосфолипиды, холестерин. Липидные островки. Состав мембран разных клеток и органелл. Подвижность/текучесть мембраны и влияющие на нее факторы. Асимметрия сторон мембран. Гликолипиды. Мембранные белки. Ключевые структурные элементы. Способы локализация в мембране. Индекс гидрофобности участков белков. Сборка белковых комплексов в мембране на примере Т-клеточного рецептора. Регуляторная роль фосфоинозитидов. Ограничение подвижности белков в мембране. Понятие о цитоскелете кортикального слоя. Клеточные стенки бактерий, грибов, растений: краткий обзор строения.
• 4. Мембранные помпы, каналы, транспортёры.
  Проницаемость мембраны для различных молекул. Мембранный транспорт: активный и пассивный. Ион-селективный пассивный мембранный транспорт Активный транспорт: АТФ-зависимый и сопряженный; понятие о светозависимом. Элементы строения белков-транспортеров. Понятие об АТФ-зависимых насосах. Эффлюкс антибиотиков бактериями через одиночную и двойную мембрану. Асимметрия расположения транспортёров в мембране на примере транспорта глюкозы. Мембранный транспорт: электрохимический градиент. Регуляция ионных каналов и передача нервного импульса. Химический синапс
• 6. Ядро: геномы.
  Геномы и их сравнительный размер. Нуклеоид бактерий. Бактериальная транскрипция. Понятие о регуляторных белках. Промоторы и опероны. Транскрипция прокариот: инициация и сигма-факторы, терминация. ДНК в эукариотах. Хромосомные наборы и понятие кариотипа. Расположение хромосом в интерфазном ядре, хромосомные территории. Структура и химические особенности хроматина. Основные белки хроматина - гистоны. Ковалентные модификации гистонов. Минорные гистоны. Нуклеосомы, их строение и структурная роль. Уровни компактизации хроматина. Эухроматин/гетерохроматин, ремоделирование хроматина. Транскрипционно активные домены. Инсуляторы и барьерные белки. Транскрипция эукариот. Сборка преинициаторного комплекса. Медиатор. Энхансеры. Влияние перестройки хроматина. Понятие о транскрипционных факторах.
• 7. Ядро: субъядерные компартменты, процессинг РНК; ядерный транспорт РНК и белков.
  Субядерные компартменты. Ядерная ламина и ядерные поры. Прямое сообщение внутриядерного пространства с цитоплазмой. Организация ядра. Ядерная оболочка. Ядерный транспорт белков. Сигналы ядерной локализации в белках. Процессинг мРНК: базовые понятия и механизмы. Кэпирование, полиаденилирование, сплайсинг. Ядерный экспорт и импорт РНК.
• 8. Эндоплазматический ретикулум.
  Cтроение эндоплазматического ретикулума.(ЭР). Основные функции гладкого и шероховатого ЭР. Синтез липидов на примере фосфатидилхолина в гладком ЭР. Общность мембран ЭР и ядерной оболочки. Гладкий и шероховатый ЭР. Биосинтез белка. Аминокислоты, аминоацилирование тРНК. Процессы инициации, элонгации, терминации трансляции. Формирование структуры белка, понятие о шаперонах. Сигналы деградации, деградация белков протеасомой.
• 9. Транспорт белков
  Сигналы локализации и транспорт белков. Локализация рибосом и транспорт белков в эндоплазматический ретикулум (ЭР). Встраивание белков в мембрану. Модификации белков в ЭР. Контроль сворачивания белков в ЭР, деградация неправильно свернутых белков, обратная связь от неправильно свёрнутых белков. Транспорт белков в митохондрии, прохождение ими двойной мембраны. Схожесть локализации белков во внешней мембране митохондрий и бактерий. Особенности транспорта и локализация белков в хлоропластах. Транспорт белков в пероксисомы.
• 5. Мембранный транспорт.
  Перенос мембран. Везикулярный транспорт. Эндоцитоз, эндосомы, лизосомы, экзосомы, их особенности. Окаймленные везикулы, COP I, COP II, клатрин. Отшнуровывание везикул. Аппарат Гольджи и его функции как транспортного хаба. Гликозилирование белков в аппарате Гольджи. Участие инозитолфосфатов как маркеров направления транспорта. Rab белки, их участие в адресации везикулярного транспорта. Динамичность адресующих маркеров везикулярного транспорта. Слияние везикул. Возвратный транспорт.
• 10. Митохондрии, основы биоэнергетики.
  Митохондрии: строение и функции. Авторепродукция митохондрий. Геном митохондрий. Элементы биоэнергетики эукариот. Гликолиз. Окислительное фосфорилирование, элементы цикла Кребса. Понятие о B-окислении жирных кислот Строение хлоропластов. Фотосинтез. Хлорофилл, II и I фотосистемы (кратко).
• 11. Цитоскелет: организация.
  Организация актиновых филаментов (микрофиламентов), промежуточных филаментов, микротрубочек. Принципы сборки актиновых филаментов, актин-ассоциированные белки. Актин и миозины. Цитоскелет прокариот.
• 13. Деление клеток: прокариот: базовые понятия репликации.
  Репликация ДНК. ДНК-полимераза. Репликативная вилка у бактерий. Сверхспирализация ДНК, хеликаза, топоизомераза. Деление прокариот. Организация перетяжки и распределение генетического материала по дочерним клеткам.
• 17. Рецепторы и основы передачи сигнала.
  Типы рецепторов. G-белок-связанные рецепторы. Передача сигнала через фермент-сопряжённые рецепторы. Рецепторные тирозинкиназы. Понятие о сигнальном каскаде. ГТФаза RAS. Киназные каскады. MAP-киназный каскад. Rho-ГТФазы, цитоскелет. Регуляторные каскады и транскрипционная регуляция. Понятие о каскадах Notch , Wnt, Hedgehog, NFκB. Ядерные рецепторы как пример лиганд-зависимой регуляции.
• 14. Деление клеток эукариот: митоз, клеточный цикл.
  Митоз. S-фаза, биосинтез ДНК, репликация. М-фаза. G1 и G2 фазы. Регуляция клеточного цикла. Чекпоинты и циклины. Изменение концентраций циклинов разного типа в течение клеточного цикла. Чекпоинтные киназы.
• 15. Деление клеток эукариот: мейоз.
  Мейоз, его функциональная значимость. Диплоидные и гаплоидные клетки, гаметы. Стадии мейоза, мейоз I и мейоз II. Понятия бивалента и хиазма. Профаза I: стадии; коньюгация и рекомбинация хромосом. Гомологичная рекомбинация, разрешение структур Холлидея. Кроссинговер хромосом: участки кроссинговера и гетеродуплексов. Слияние гамет на примере мыши.
• 16. Клеточная гибель.
  Клеточная гибель: некроз и апоптоз. Программируемая клеточная гибель: апоптоз, его ключевые регуляторы: каспазы, белки группы Bcl2. Внешний и внутренний пути активации апоптоза. Белок р53 и его функционал. Примеры других механизмов клеточной гибели.
• 12. Цитоскелет: динамика.
  Динамика цитоскелета эукариот. Центросомы, центры организации микротрубочек. Микротрубочки и транспорт органелл. Регуляция организации цитоскелета эукариот. Промежуточные филаменты, септины, связь с другими фрагментами цитоскелета.
• 18. Межклеточные взаимодействия.
  Введение в межклеточные взаимодействия. Межклеточная адгезия. Кадгерины. Щелевые контакты. Межклеточные переходы, адгезия клеток и внеклеточный матрикс. Интегрины.
• 19. Клеточная специализация.
  Обзор типов клеток человека и особенностей их строения. Клетки крови, мышц, нервной ткани. Стволовые клетки и их особенности. Опухолевые клетки и их признаки.
• 20. Базы данных биомолекул
  Базы биологических данных. NCBI: Pubchem, PMC; Blast. Геномные браузеры. Компьютерное представление молекул. Базы данных по биоактивности молекул. Фармакофорные группы.

Элементы контроля

• Контрольная работа N1
• Контрольная работа N2
• Экзамен
  Письменная часть экзамена форме теста с использованием синхронного прокторинга. Экзамен проводится на платформе Moodle (https://et.hse.ru), прокторинг на платформе Экзамус (https://hse.student.examus.net). К экзамену необходимо подключиться за 15 минут. На платформе Экзамус доступно тестирование системы. Компьютер студента должен удовлетворять следующим требованиям: https://elearning.hse.ru/data/2020/05/07/1544135594/Технические%20требования%20к%20ПК%20студента.pdf) Для участия в экзамене студент обязан: заранее зайти на платформу прокторинга, провести тест системы, включить камеру и микрофон, подтвердить личность. Во время экзамена студентам запрещено: общаться (в социальных сетях, с людьми в комнате), списывать, пользоваться собственными письменными конспектами (в тетради или на распечатанных листах). Кратковременным нарушением связи во время экзамена считается прерывание связи до 10 минут. Долговременным нарушением связи во время экзамена считается прерывание связи 10 минут и более. При долговременном нарушении связи студент не может продолжить участие в экзамене. Процедура пересдачи аналогична процедуре сдачи.
• Контрольная работа N3

Промежуточная аттестация

• Промежуточная аттестация (4 модуль)
  0.15 * Контрольная работа N1 + 0.17 * Контрольная работа N2 + 0.18 * Контрольная работа N3 + 0.5 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Основы клеточной биологии: учебное пособие / Н.Г. Палеев, И.И. Бессчетнов.- Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2011. - 246 с. ISBN 978-5-9275-0821-1 - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/550792

Рекомендуемая дополнительная литература

• Свищев Г.М. - Конфокальная микроскопия и ультрамикроскопия живой клетки - Издательство "Физматлит" - 2011 - 120с. - ISBN: 978-5-9221-1320-5 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/5292