2

3

ВСТУП

Програма навчальної дисципліни “ Фізична хімія та біохімія _” складена відповідно до освітньо-професійної (освітньо-наукової) програми підготовки ______бакалаврів__

(назва рівня вищої освіти, освітньо-кваліфікаційного рівня)

спеціальності (напряму) спеціальності 105 – «Прикладна фізика та наноматеріали» освітня програма Медична фізика При розробці Програми враховані вимоги: Стандарту вищої освіти першого (бакалаврського) рівня, галузі знань 10 – «Природничі

науки», спеціальності 105 – «Прикладна фізика та наноматеріали», затвердженого наказом МОН України №804 від 16.06.2020 р.

1. Опис навчальної дисципліни

1.1. Мета викладання навчальної дисципліни - поглиблене вивчення фізико-хімічних основ взаємодії органічних та неорганічних молекул у складі живого організму, яка сприяє збереженню та безперервній підтримці життя.

1.2. Основні завдання вивчення дисципліни - ознайомлення студентів з хімічним складом живих організмів, будовою та функціями основних біологічних молекул, зокрема, вуглеводів, білків, ліпідів, а також з механізмами перетворення енергії та регуляцією метаболізму у живих організмах; формування комплексу знань, необхідних для розуміння та аналізу хімічних процесів.

1.3. Кількість кредитів - 6

1.4. Загальна кількість годин – 180

1.5. Характеристика навчальної дисципліни

Нормативна / за вибором

Денна форма навчання Заочна (дистанційна) форма навчання

Рік підготовки 4-й -й

Семестр 7-й -й

Лекції 80 (+32год. факультатив) год. год.

Практичні, семінарські заняття год. год.

Лабораторні заняття год. год.

Самостійна робота 100 год. год.

Індивідуальні завдання год.

4

1.6. Заплановані результати навчання

В результаті вивчення даного курсу студент повинен знати: будову та функції вуглеводів, білків та ліпідів; основні метаболічні шляхи і їх хімічні реакції у клітині: цикл Кребса, катаболізм вуглеводів, метаболізм амінокислот та ліпідів; процеси регуляції метаболізму в організмі; основні поняття, терміни, рівняння та закони фізичної хімії; зв’язки між хімічними та фізичними явищами на основі знання фундаментальних законів фізики та хімії. вміти: визначати форми амінокислот у залежності від рН, якщо відомі значення рКа; знаходити значення констант зв’язування білок-ліганд, число зайнятих центрів зв’язування, швидкість ферментативної реакції за рівнянням Міхаеліса-Ментен, константу Міхаеліса-Ментен за експериментальними даними; будувати структурну схему пептидного зв’язку між двома амінокислотами, фосфодиефірного зв’язку між двома нуклеотидами у ДНК, О-глікозидного зв’язку між двома моносахаридами у вуглеводах, структурну формулу фосфатидилхоліну; розраховувати активність ферментів та енергетичний баланс метаболічних процесів (вихід чи витрати АТФ); визначати напрямок перебігу хімічних процесів; визначати умови знаходження системи у стані рівноваги, користуватися законом діючих мас та принципом рухливої рівноваги Ле Шательє; використовувати методи дослідження розчинів, що засновані на вимірюванні їх колігативних властивостей; передбачати зміни швидкості ферментативних реакцій від температури, рН середовища та наявності інгібіторів; визначати тип дисперсної системи та використовувати їх характерні властивості; використовувати білки та ПАР для захисту систем від коагуляції.

2. Тематичний план навчальної дисципліни Розділ 1. Структурні компоненти живих організмів. Тема 1. Основні поняття біохімії, хімічні та фізичні властивості води. Типи та геометрія вуглеводневих зв’язків. Функціональні групи біомолекул. Конформація та конфігурація. Хіральний центр. Принципи організації клітини. Слабкі взаємодії у воді. Гідрофільні та гідрофобні речовини. Поведінка живих клітин у гіпотонічному, ізотонічному та гіпертонічному розчинах. Швидкість кислотно-основних реакцій у воді. Тема 2. Структура і функції білків, вуглеводів та нуклеїнових кислот. Фізичні та хімічні властивості, класифікація, константи іонізації (рК) амінокислот. Будова пептидного зв’язку. Фактори, що впливають на стабільність білкової молекули. Вторинна структура білків: геометричні параметри, стабільність, схильність амінокислотних залишків утворювати α-спіраль, β-лист чи неупорядковані ділянки. Третинна та четвертинна структури білків: стабільність, симетрія. Денатурація та холдинг білків. Основні функції білків. Склад і функції крові. Білки плазми крові. Гемоглобін. Структура вуглеводів: моносахариди, олігосахариди та полісахариди. О-глікозидні зв’язки у полісахаридах. Будова та класифікація нуклеотидів і нуклеїнових кислот. Фосфодиефірні зв’язки у ДНК та РНК. Просторова структура ДНК. Тема 3. Структура ліпідів та біологічних мембран. Принципи роботи ферментів та вітамінів. Класифікація жирних кислот та їх фізичні властивості. Мембранні ліпіди (гліцерофосфоліпіди, галактоліпіди, тетраефірні ліпіди архей, сфінголіпіди, стерини): будова та функції. Термічні рухи ліпідів, що входять до складу мембран. Профіль полярності ліпідного бішару. Класифікація ферментів. Типи коферментів та кофакторів. Ферментативні реакції: рівняння Міхаеліса-Ментен. Регуляція активності ферментів у природі. Типи інгібіторів. Жиророзчинні та водорозчинні вітаміни: будова та функції. Металічні кофактори, що входять до складу ферментів. Розділ 2. Фізична хімія Тема 4. Термохімія. Історія розвитку фізичної хімії. Хімічна термодинаміка: основні поняття та визначення. Внутрішня енергія, теплота, робота. Перший закон термодинаміки.

5

Застосування першого закону термодинаміки для розрахунку параметрів ідеального газу. Теплові ефекти. Теплоємність. Закон Гесса. Наслідки з закону Гесса, застосування. Тема 5. Хімічна рівновага. Визначення, умови хімічної рівноваги. Закон дії мас. Ізотерма, ізобара, ізохора хімічної рівноваги. Принцип рухливої рівноваги Ле-Шательє. Фазова рівновага. Хімічна рівновага в реальних системах. Тема 6. Основні поняття хімії розчинів. Розчини: визначення, способи вираження концентрації. Ідеальні розчини. Закон Рауля. Колігативні властивості розчинів. Реальні розчини. Активність. Розчини електролітів. Сольватація іонів. Електролітична дисоціація. Теорія розчинів сильних електролітів Дебая-Хюккеля. Дисоціація води. Водневий показник. Кислоти та основи. Гідроліз солей. Добуток розчинності. Буферні розчини. Індикатори. Тема 7. Електродні потенціали та електрорушійна сила. Електрохімічні елементи: основні поняття та визначення. Електродний потенціал. Рівняння Нернста. Електрорушійна сила. Типи електродів. Типи електрохімічних кол. Потенціометрія. Потенціометричне титрування. Тема 8. Хімічна кінетика. Основні поняття та визначення хімічної кінетики. Необоротні реакції. Методи визначення порядку реакції. Складні реакції. Залежність швидкості реакції від температури. Енергія активації. Теоретичні уявлення хімічної кінетики. Швидкість гетерогенних реакцій. Основні поняття каталізу. Ферментативний каталіз. Розділ 3. Метаболічні процеси та регуляція метаболізму. Тема 9. Біоенергетика і метаболізм. Енергетичний обмін. Аеробне окислення в мітохондріях. Поняття метаболізму. Класифікація метаболічних шляхів. Стадії катаболізму органічних речовин. Основні джерела АТФ у клітинах – окислювальне та субстратне фосфорилювання. Хеміосмотичне спряження у мітохондріях. Аеробне окиснення у мітохондріях. Тема 10. Цикл трикарбонових кислот. Тканинне дихання. Окислювальне фосфорилювання та фотосинтез. Реакції та балансове рівняння циклу трикарбонових кислот (ЦТК). Функції ЦТК. Енергетичні характеристики та регуляція ЦТК. Основні компоненти дихального ланцюга мітохондрій та реакції тканинного дихання. Окислювальне фосфорилювання: етапи синтезу АТФ. Роз’єднувачі окислювального фосфорилювання. Дихальний контроль. Будова АТФ-синтази. Будова хлоропластів рослин. Етапи фотосинтезу. Фотосистеми. Ланцюг переносу електронів. Фотосинтетична фіксація вуглеводню. Конкуренція фотодихання та фотосинтезу. Тема 11. Метаболізм вуглеводів та ліпідів. Гліколіз та пентозофосфатний шляхи окиснення глюкози. Глюконеогенез та його регуляція. Метаболізм полісахаридів: розпад та синтез глікогену. Розщеплення екзогенних ліпідів під час травлення. Транспорт ліпідів ліпопротеїнами. Окислення жирних кислот. Біосинтез насичених та ненасичених жирних кислот. Біосинтез триацилгліцеридів та фосфоліпідів. Перекисне окислення ліпідів. Тема 12. Метаболізм білків та нуклеїнових кислот. Лізосомальний та протеосомальний шляхи протеолізу. Загальні шляхи катаболізму амінокислот. Синтез амінокислот. Фіксація атмосферного азоту. Імунна система організму. Біосинтез антитіл. Синтез пуринових та піримідинових нуклеотидів. Розпад нуклеїнових кислот та мононуклеотидів. Синтез ДНК та РНК. Стадії процесу біосинтезу білка. Репарація ДНК. Тема 13. Регуляція метаболізму. Регуляція активності ферментів. Регуляція синтезу білка. Гормони та нейроендокринна регуляція метаболізму. Гормони рослин. Механізм дії гормонів, що зв’язуються з мембранними чи внутрішньоклітинними рецепторами. Механізм регуляторної дії адреналіну та інсуліну. Механізм регуляторної дії гормонів, ефекторним білком яких є фосфоліпаза С. Розділ 4. Колоїдна хімія Тема 14. Дисперсні системи. Колоїдна хімія: основні поняття та визначення. Об’єкти колоїдної хімії та їх специфіка. Класифікація дисперсних систем. Методи одержання дисперсних систем. Поверхневий натяг. Адсорбція: основні поняття та визначення.

6

Поверхнево-активні речовини. Подвійний електричний шар: виникнення та будова. ζ-потенціал, електрокінетичні явища. Практичне застосування електрофорезу та електроосмосу в біологічних та медичних дослідженнях. Тема 15. Стійкість дисперсних систем. Стійкість та коагуляція дисперсних систем. Поріг коагуляції. Основні закономірності коагуляції під дією електролітів. Правило Шульце-Гарді. Теорія стійкості гідрофобних колоїдів ДЛФО. Колоїдний захист. Зворотність коагуляції. Пептизація.

3. Структура навчальної дисципліни Назви розділів і

тем Кількість годин

Денна форма Заочна форма Усього у тому числі Усього у тому числі

л п лаб інд ср л п лаб інд ср 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Розділ 1. Структурні компоненти живих організмів. Тема 1. Основні поняття біохімії, хімічні та фізичні властивості води.

16 11 5

Тема 2. Структура і функції білків, вуглеводів та нуклеїнових кислот.

21 11 10

Тема 3. Структура ліпідів та біологічних мембран. Принципи роботи ферментів та вітамінів.

22 12 10

Разом за розділом 1

59 34 25

Розділ 2. Фізична хімія. Тема 4. Термохімія.

9 4 5

Тема 5. Хімічна рівновага.

10 5 5

Тема 6. Основні поняття хімії розчинів.

10 5 5

Тема 7. Електродні потенціали та електрорушійна сила.

10 5 5

Тема 8. Хімічна кінетика.

10 5 5

Разом за розділом 2

49 24 25

Розділ 3. Основні генетичні механізми. Тема 9. Біоенергетика і

11 6 5

7

метаболізм. Енергетичний обмін. Аеробне окислення в мітохондріях. Тема 10. Цикл трикарбонових кислот. Тканинне дихання. Окислювальне фосфорилювання та фотосинтез.

11 6 5

Тема 11. Метаболізм вуглеводів та ліпідів.

11 6 5

Тема 12. Метаболізм білків та нуклеїнових кислот.

11 6 5

Тема 13. Регуляція метаболізму.

11 6 5

Разом за розділом 3

55 30 25

Розділ 4. Колоїдна хімія. Тема 14. Дисперсні системи.

22 12 10

Тема 15. Стійкість дисперсних систем.

27 12 15

Разом за розділом 4

49 24 25

Усього годин 212 112 100

4. Теми семінарських (практичних, лабораторних) занять

5. Завдання для самостійної роботи № з/п

Види, зміст самостійної роботи Кількість годин

1. Буферні системи для підтримки рН в організмі. Методи очищення води для лабораторій. Принцип роботи дистилятора.

7

2. Нестандартні амінокислоти. Методи виділення та анілізу білків: центрифугування, електрофорез, гель-фільтрація, хроматографія. Прогеоглікани та глікопротеїни: будова та функції. Види, функції та структура РНК.

7

3. Штучні ліпідні мембрани – ліпосоми: умови приготування та використання у фармакології. Мембранні білки та вуглеводневі якори. Механізми ферментативних реакцій. Мультисубстратні реакції.

7

4. Гліоксилатний цикл. Будова мітохондрій. 7 5. Інгібітори дихального ланцюга. Транспорт АТФ та АДФ через

внутрішню мембрану мітохондрій. Роз’єднувачі окислювального 7

8

фосфорилювання. Дихальний контроль. Будова хлоропластів рослин.

6. Перенос НАДН із цитозолю у мітохондрію. Анаеробне окиснення пірувату. Окислення жирних кислот з непарною кількістю атомів вуглецю. Кетонові тіла. Окислення жирних кислот в пероксисомах.

7

7. Катаболізм безазотних залишків амінокислот. Фіксація атмосферного азоту в організмі. Репарація ДНК. Регуляція синтезу білка.

7

8. Механізм регуляторної дії гормонів, ефекторним білком яких є фосфоліпаза С. Регуляція утворення та секреції гормонів у тварин. Гормони рослин.

7

9 Основні хімічні поняття. Атомно-молекулярне учення. Будова атома. Квантові числа. Принципи заповнення атомних орбіталей. Періодичний закон і періодична система елементів Д.І. Менделєєва. Основні характеристики атомів елементів.

7

10 Хімічний зв’язок: ковалентний, іонний, металічний; міжмолекулярні взаємодії. Найважливіші класи неорганічних речовин. Окисно-відновні реакції. Органічні сполуки: загальна характеристика та особливості, класифікація.

7

11 Формулювання другого закону термодинаміки. Ентропія. Постулат Планка. Абсолютне значення ентропії. Розрахунки зміни ентропії в різних процесах. Статистичний характер другого закону термодинаміки.

10

12 Фундаментальне рівняння Гіббса. Характеристичні функції. Термодинамічні потенціали. Хімічний потенціал. Застосування термодинамічних потенціалів для визначення напрямку процесів та стану рівноваги.

10

13 Електропровідність розчинів електролітів. Кондуктометрія: визначення констант рівноваг, кондуктометричне титрування.

10

Разом 100

6. Індивідуальні завдання

7. Методи контролю Поточного: відвідування занять та ведення конспекту; поточне опитування; поточні електронні тести; самостійна робота (зокрема, реферат). Складові підсумкового контролю: бали поточного контролю; комбінований письмовий екзамен.

Якісні критерії оцінювання успішності виконання контрольних робіт,

індивідуальних завдань, інших видів роботи, що потребують оцінювання Вимоги для оцінки „відмінно”:

- міцне засвоєння змісту програми навчальної дисципліни та наукових першоджерел; - здатність повністю, глибоко і всебічно розкрити зміст поставленого завдання; - правильне застосування одержаних знань з різних дисциплін для вирішення

поставлених завдань; послідовне і логічне викладання матеріалу;

9

- здатність обґрунтувати власну думку та ставлення до певних фахових проблем; - чітке розуміння і вільне доречне застосування фахової науково-технічної

термінології, вміння грамотно ілюструвати відповідь прикладами; - здатність встановлювати взаємозв’язок між основними поняттями; - вільне використання теоретичних знань для аналізу практичного матеріалу; - демонстрація високого рівня набутих практичних навичок.

Можлива наявність незначних неточностей у викладенні матеріалу, які не приводять до помилкових висновків і рішень, але впливають на отриманий бал.

Вимоги для оцінки „добре”: - добре засвоєння основного зміст навчальної дисципліни, основних ідей наукових

першоджерел; - належна аргументація, правильне та послідовне розкриття основного змісту

матеріалу; - демонстрація власних міркувань з приводу тих чи інших проблем; - точне використання наукової термінології; - демонстрація основних практичних навичок при аналізі фахових задач.

Можлива наявність певних непринципових неточностей у використанні спеціальної термінології, похибок у логіці викладання теоретичного матеріалу або аналізу практичних даних, невизначальних помилок у висновках та узагальненнях, що не впливають на конкретний зміст відповіді, але впливають на отриманий бал.

Вимоги для оцінки „задовільно: - засвоєння лише базових понять дисципліни, обмеженість відповіді лише такими

поняттями, відсутність поглибленого аналізу та опису проблеми чи питання, наявність у відповіді лише частини необхідної інформації; неналежне оперування інформацією з наукових першоджерел;

- неналежна послідовність та логіка у викладанні матеріалу та висновків; - неналежне чи відсутнє обґрунтування оцінки фактів та явищ; - наявність суттєвих помилок при викладенні матеріалу, поясненні термінології та

вирішенні практичних питань. Обсяг викладення змісту питання, кількість та суттєвість помилок визначально впливають на отриманий бал.

Оцінку „незадовільно” студент отримує, якщо: - основний зміст завдання не розкрито; - продемонстровано низький рівень орієнтації у змісті програми дисципліни та

наукових першоджерелах; - не підтверджене знання наукових фактів та визначень; - допущені суттєві принципові помилки у викладанні матеріалу та висновках; - продемонстровано низький рівень знання та застосування спеціальної термінології; - відсутність наукового мислення та практичних навичок.

8. Схема нарахування балів

Поточний контроль, самостійна робота, індивідуальні завдання

10Розділ 1 Розділ 2 Розділ 3 Розділ 4 Разом Екзамен

Сума

Т1 Т2 Т3 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8 Т9 Т10 Т11 Т12 Т13 Т14 Т15

4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 60 40 100

Шкала оцінювання

Сума балів за всі види навчальної діяльності протягом семестру

Оцінка

для чотирирівневої шкали оцінювання

для дворівневої шкали

оцінювання 90 – 100 відмінно

зараховано 70-89 добре

50-69 задовільно

1-49 незадовільно не зараховано

9. Рекомендована література

Основна література 1. Ленинджер А. Основы биохимии (в 3-х томах). – М.: Изд. Мир, 1985. – 1055 с. 2. Berg J.M. Biochemistry 7th edition. – Freeman, 2012. – 1120 p. 3. Давыдов В.В., Божков А.И. Основы биохимии (3 издание). – Х.: Федорко, 2013. – 400

с. 4. Koolman J. Color atlas of biochemistry (2nd edition). – Thieme, 2005. – 647 p. 5. Кучеренко Н.Е. Биохимия. – К.: Вища шк., 1988. – 432 с. 6. Комов В.П. Биохимия. – М.: Дрофа, 2004. – 640 с. 7. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. – М.: Медицина, 1990. – 543 с. 8. А.Н. Огурцов. Биохимия для студентов (в 8 частях). – 2016. – 312 с.

Допоміжна література

1. Огурцов А.Н. Основы молекулярной биологии (в 2-х частях). – Ч.1. Молекулярная биология клетки. – Х.: НТУ «ХПИ», 2011. – 304 с.

2. Огурцов А.Н. Основы молекулярной биологии (в 2-х частях). – Ч.2. Молекулярные генетические механизмы. – Х.: НТУ «ХПИ», 2011. – 240 с.

3. Огурцов А.Н., Близнюк О.Н. Физическая химия для студентов (6 частей). – 2013. – 231 с.

4. Козлов М.М., Маркин В.С. Теория осмотического лизиса липидных везикул // Биологические мембраны. – Т. 1, № 1. – 1984. – С. 74–78.

5. Гордиенко Е.А., Пушкарь Н.С. Физические основы низкотемпературного консервирования клеточных суспензий. – К.: Наукова думка, 1994. – 144 с.

11

6. Свитцов А.А. Введение в мембранные технологии. – М.: ДеЛи Принт, 2007. – 280 с. 7. Твердислов В.А., Тихонов А.Н., Яковенко Л.В. Физические механизмы

функционирования биологических мембран. – М.: Изд. МГУ, 1987. – 189 с. 8. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н. Динамическая структура липидного бислоя. – М.:

Наука, 1981. – 296 с. 9. Введение в биомембранологию / Под ред А.А. Болдырева. – М.: МГУ, 1990. – 208 с. 10. Курський М.Д., Кучеренко С.М. Біомембранологія. – К.: Вища школа, 1993. – 260 с. 11. Котык А., Яначек К. Мембранный транспорт. – М.: Мир, 1980. – 341 с. 12. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. – М.: Просвещение, 1987. 13. Практическая химия белка: Пер. с англ. / Под ред. А. Дарбре. – М.: Мир, 1989. 14. Справочник биохимика / Досон Р., Эллиот Д., Эллиот У., Джонс К.: Пер. с англ. - М.:

Мир, 1991. 15. Ельцов С. В., Водолазкая Н. А. Физическая и коллоидная химия. Харьков, 2005. 239 с. 16. Бондарєв М.В., Цурко О.М., Водолазька Н.О., Єльцов С.В. Фізична та колоїдна хімія.

Харків: ХНУ імені В.Н.Каразіна, 2006. 324 с. 17. Мчедлов-Петросян М.О., Лебідь В.І., Глазкова О.М., Єльцов С.В., Панченко В.Г.,

Дубина О.І. Основи колоїдної химії: фізико-хімія поверхневих явищ і дисперсних систем. / За редакцією М.О.Мчедлова-Петросяна. Харків: ХНУ імені В.Н.Каразіна. 2004. 300 с.

18. Лебідь В.І. Фізичная хімія. Харьков: Фоліо. 2005. 478 с. 19. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 2001. 743 с. 20. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. М.:

"Высшая школа". 1990. 487 с. 21. Кузнецов В.В., Усть-Качкинцев В.Ф. Физическая и коллоидная химия. М.: "Высшая

школа". 1976. 277 с. 22. Кузнецов В.В. Физическая и коллоидная химия. М.: "Высшая школа". 1968. 390 с.

10. Посилання на інформаційні ресурси в Інтернеті, відео-лекції, інше методичне

забезпечення 1. http://www.xumuk.ru/biochem/ 2. http://www.chem.msu.su/rus/books/watson/welcome.html 3. https://www.youtube.com/watch?v=rD7DqDVrbV8 4. https://sites.google.com/site/anogurtsov/lectures/biochem 5. https://cosmolearning.org/courses/biochemistry-i/video-lectures/ 6. https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/glycolysis/v/glycolysis 7. https://www.youtube.com/watch?v=8Kn6BVGqKd8 8. https://www.youtube.com/watch?v=xrM_OCa8U4k 9. https://www.youtube.com/watch?v=moPJkCbKjBs 10. https://www.youtube.com/watch?v=HeiV6838Zcg 11. https://www.khanacademy.org/science/biology/energy-and-enzymes/energy-in-metabolism/v/introduction-to-metabolism-anabolism-and-catabolism 12. https://www.youtube.com/watch?v=1KgDXDLZNJI 13. https://www.youtube.com/watch?v=U7E_Fgk8Q20 14. https://www.youtube.com/watch?v=g3U2r33iptQ 15. https://www.youtube.com/watch?v=dmPHnE5vNCE 16. https://www.youtube.com/watch?v=KMwLmF-WKXo 17. https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/biomolecules/carbohydrate-metabolism/v/regulation-of-glycolysis-and-gluconeogenesis 18. https://www.youtube.com/watch?v=GRkL2WToSCo 19. https://www.youtube.com/watch?v=BcsrK7t60AU

12