Программа дисциплины «Биоэлектрохимия»

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
ИНСТИТУТ ХИМИИ

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебно-

методической работе

_______________профессор Елина Е.Г.
"__" __________________20__ г.


Рабочая программа дисциплины

«Биоэлектрохимия»

Направление подготовки 020100 «Химия»

Саратов, 2011

1. 
   Цели освоения дисциплины «Биоэлектрохимия»
   

Связь биологии с электрохимией имеет генетические корни. Она обусловлена самой природой вещей, а именно тем, что в основе многих жизненных процессов лежат электрохимические механизмы. Поэтому целью освоения дисциплины "Биоэлектрохимия" является подготовка специалистов в области физической химии, владеющих методами исследования электрохимических явлений, имеющих место в живой природе.

2. 
   Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
   

Дисциплина «Биоэлектрохимия» относится дисциплинам по выбору «Профессионального цикла» ФГОС ВПО по направлению подготовки 020100 «Химия» и профилю «Физическая химия».

Дисциплина базируется на основных положениях теоретической электрохимии, изучаемых студентами в дисциплинах «Физическая химия», «Кинетика электродных процессов», «Физика», «Биохимия». Поэтому при освоении дисциплины «Биоэлектрохимия» студенты должны иметь фундаментальную подготовку в области физической и органической химии, биохимии, физики.

Современная биоэлектрохимия – это не только изучение природы многих, жизненно важных процессов и явлений, но и широкое использование ее возможностей в реализации многих биотехнологических процессов: биоэлектрокатализ, биотопливные элементы (ферментные, микробные), биоэлектросенсоры и т.п. Все это и придает особую значимость данной дисциплины при подготовке бакалавров физико-химического профиля.

3. 
   Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Биоэлектрохимия»
   

В результате освоения дисциплины формируются общекультурные (ОК) и профессиональные (ПК) компетенции:

использует основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-6);

способностью в условиях развития науки и техники к критической переоценке накопленного опыта и творческому анализу своих возможностей (ОК-15);

владеет основными методами защиты производственного персонала и населения от возможных последствий аварий, катастроф и стихийных бедствий (ОК-18).

понимает сущность и социальную значимость профессии, основных перспектив и проблем, определяющих конкретную область деятельности (ПК-1);

владеет основами теории фундаментальных разделов химии (прежде всего неорганической, органической, физической, химии высокомолекулярных соединений, химии биологических объектов) (ПК-2);

способностью применять основные законы химии при обсуждении полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз данных (ПК-3);

владеет навыками химического и микробиологического эксперимента, основными синтетическими и аналитическими методами получения и исследования химических веществ и реакций (ПК-4);

владеет навыками работы на современной учебно-научной аппаратуре при проведении химических экспериментов (ПК-6);

имеет опыт работы на серийной аппаратуре, применяемой в аналитических и физико-химических исследованиях (ПК-7);

владеет методами регистрации и обработки результатов химически экспериментов (ПК-8);

владеет методами безопасного обращения с химическими материалами с учетом их физических и химических свойств, способностью проводить оценку возможных рисков (ПК-9);

владеет методами отбора материала для теоретических занятий и лабораторных работ (ПК-11).

• 
  Знать:
  

• 
  Уметь:
  

• 
  Владеть:
  

Фотосинтез. Фотосинтетические пигменты. Перенос электронов в системе фотосинтеза. Термодинамика фотосинтетического процесса. Сопряжение переноса электронов и фотофосфорилирования. Цикл Кальвина.

Биологические мембраны. Модели структуры мембраны (бислойная липидная мембрана). Влияние белкового окружения на величину редокс-потенциала. О применимости понятия "редокс-потенциал" к микросистемам.

Электрохимические свойства флавиновых соединений. Биологические функции флавинов. Электрохимические свойства свободных флавинов: рибофлавин, флавинмононуклеотид, флавинадениндинуклеотид. Влияние температуры на окислительное равновесие рибофлавина. Влияние ионов металлов на редокс-свойства флавинов. Электрохимические свойства флавинов в присутствии белков. Редокс-свойства аллоксазинов и изоаллоксазинов. Редокс-свойства флавопротеидов., витаминов группы К,

Электрохимические свойства хинонов. Редокс-потенциалы хинонов. Хиноны в электронном транспорте. Редокс-свойства убихинонов. Редокс-свойства витаминов группы К.

Электрохимические свойства хелатов металлов с циклическими лигандами. Комплексообразующие металлы в биологических процессах. Порфирины. Металлопорфирины. Хлорофилл. Витамин В₁₂.

Биотопливные элементы. Немного истории биотопливных элементов. Микробные топливные элементы. Микробные системы, производящие водород как топливо для обычных топливных элементов. Микробные системы, производящие электрохимически активные метаболиты в анодном отсеке биотопливного элемента. Медиаторные микробные топливные элементы. Безмедиаторные микробные топливные элементы. Катоды для микробных топливных элементов.

Ферментные топливные элементы. Ферменты для анодных реакций биотопливных элементов. Аноды на основе биоэлектрокатализа НАДН. Аноды на основе биоэлектрокатализа блоков ФАД. Ферментные катоды в биотопливных элементах. Биоэлектрокаталитические катоды на основе перекисей. Биоэлектрокаталитические катоды на основе кислорода. Биотопливные элементы на основе слоистых ферментных электродов. Биотопливный элемент на основе PQQ и MP-11 монослойнофункционализированных электродов. Биотопливные ячейки на основе GOx и MP-1 монослойнофункционализированных электродов. Безмембранная биотопливаная ячейка на основе монослойных электродов GO_х и Cyt c/Cox.
Перечень лабораторных работ

№ п/п	№ темы	Наименование лабораторных работ
1.	2	Измерение мембранного потенциала. Влияние белкового окружения.
2.	3	Электрохимические свойства убихинонов.
3.	3	Электрохимические свойства витаминов.
4	3	Электрохимические свойства рибофлавинов.
5	5	Ферментные электроды.
6	5	Сенсоры на основе микроогганизмов.
7	5	Ферментный электрокатализ процесса восстановления кислорода.
8	5	Определение кинетических параметров процесса окисления глюкозы с помощью E. Coli.

5. 
   Образовательные технологии
   

Программа дисциплины поделена на разделы (5тем). Лекции читаются и лабораторные занятия проводятся в группах по 10-12 студентов.

Лабораторный практикум по дисциплине «Биоэлектрохимия» выполняется с использованием цифровых технологий. Для этого в лаборатории имеются полный комплекс цифрового электрохимического оборудования (потенциостаты, гальваностаты, анализаторы частот, установки для вращающегося дискового электрода), позволяющие проводить измерения кинетики биоэлектрохимических реакций стационарными и нестационарными методами с использованием компьютерных технологий. Это позволяет увеличить вариативность заданий и дает возможность проводить изучение той или иной реакции индивидуально.

Текущий контроль знаний осуществляется в форме устных и письменных отчетов по теории и технике лабораторных работ. Итоговый контроль проводится в форме экзамена.

1. 
   Биоэлектрохимия: исторический аспект. Основные направления развития
   

2. 
   Общие принципы трансформации энергии в живых системах.
   
3. 
   Превращение химической энергии в организме. Анаболизм и катаболизм – основные процессы метаболизма.
   
4. 
   Биологическое окисление. Роль пиридинзависимых, флавинзависимых коферментов и цитохромов в переносе электронов.
   
5. 
   Классификация ферментов. Апофермент, кофермент, простатическая группа. Механизм действия ферментов.
   
6. 
   Митохондрии и окислительное фосфорилирование.
   
7. 
   Механизм окислительного фосфорилирования. Хемиосмотическая теория Митчелла. Сопряжение переноса электронов и фосфорилирования.
   
8. 
   Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Регуляция цикла трикарбоновых кислот.
   
9. 
   Гликолиз. Спиртовое брожение, Микросомальное окисление.
   
10. 
    Фотосинтез. Пигменты биологических систем.
    
11. 
    Перенос электронов в системе фотосинтеза. Сопряжение переноса электронов при фотофосфорилировании в тилакоидах хлоропластов.
    
12. 
    Схема фиксации диоксида углерода при фотосинтезе (цикл Кальвина).
    
13. 
    Электрохимические свойства хинонов.
    
14. 
    Редокс- и мидпойнт потенциал окислительно-восстановительной системы.
    
15. 
    Межфазное равновесие на границе ионообменная мембрана-раствор. Потенциал Доннана. Мембранный потенциал.
    
16. 
    Биологические мембраны. "Шоп-суи" – модель биологической мембраны.
    
17. 
    Фосфолипиды. Бислойные мембраны. Модели структуры мембраны.
    
18. 
    Окислительно-восстановительные равновесия в мембранных системах. Влияние белкового окружения на величину редокс-потенциала.
    
19. 
    Применение понятия "редокс-потенциал" к микросистемам.
    
20. 
    Пассивный ионный транспорт в мембранах. Механизм пассивного ионного транспорта.
    
21. 
    Активный ионный транспорт в мембранах. Механизм работы натрий-калий-АТФ-азы ("натриевого насоса").
    
22. 
    Электрохимия нервного импульса, Строение нервной клетки. Потенциал покоя. Потенциал действия.
    
23. 
    Распространение нервного импульса. Гипотеза мембранных токов.
    
24. 
    Роль медиаторов в передаче нервных импульсов.
    
25. 
    Некоторые прикладные аспекты биоэлектрохимии. Биосенсоры. Ферментные сенсоры.
    
26. 
    Сенсоры на основе микроорганизмов.
    
27. 
    Биотопливные элементы. Микробные топливные элементы.
    
28. 
    Ферментные топливные элементы.
    

1. Казаринов И.А. Введение в биологическую электрохимию. – Саратов:

Изд-во Сарат. ун-та, 2011. – 216 с.
б) дополнительная литература:
1. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Химия, КолосС, 2006. - 672 с.

2. Будников Г.К., Майстренко В.Н., Вяселев. М.Р. Основы современного электрохимического анализа. – М.: Мир: Бином ЛЗ, 2003. – 592 с.

Курс лекций профессора Чурикова А.В. выставлен на сайтах:

- лекционные (групповые) аудитории;

- лабораторные практикумы по теоретической и прикладной биоэлектрохимии;

- лаборатории для проведения научно-исследовательской работы.

Имеющаяся материальная база обеспечивает:

- проведение лекций - различной аппаратурой для демонстрации иллюстративного материала;

- выполнение лабораторных работ - химическими реактивами, лабораторной посудой и учебным (учебно-научным) оборудованием в соответствии с программой лабораторных работ;

- компьютерами для выполнения вычислений и использования информационных систем.

При использовании электронных изданий каждый обучающийся обеспечен во время самостоятельной подготовки рабочим местом в компьютерном классе с выходом в Интернет в соответствии с объемом изучаемой дисциплины.

Для обработки результатов измерений и их графического представления, расширения коммуникационных возможностей обучающиеся имеют возможность работать в компьютерных классах с соответствующим программным обеспечением и выходом в Интернет.

Все компьютеры обеспечены необходимым комплектом лицензионного программного обеспечения.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению подготовки 02010 «Химия» и профилю «Физическая химия».
Автор профессор, д.х.н. Казаринов И.А.

Программа одобрена на заседании кафедры физической химии

от 28 февраля 2011 года, протокол № 10.
Подписи:

Зав. кафедрой

профессор, д.х.н. И.А. Казаринов
Директор Института химии

профессор, д.х.н. О.В. Федотова