Biosynthese und -analytik
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MODULGUIDE Biosynthese und -analytik Rotkohlsaft als pH Indikator (Bild: Biochemie HS 2011 ) Semester 3 Modulleitung Dr. Fabio Rezzonico Dozierende im Modul Dr. Fabio Rezzonico Dr. Theo H. M. Smits Stefanie Balada L e t z t e Ak t u a l i s i e r u n g Februar 2015 ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften Institut Umwelt und Natürliche Ressourcen Grüental, CH-8820 Wädenswil Telefon www.lsfm.zhaw.ch – +41 58 934 59 59 www.iunr.zhaw.ch INHALTSVERZEICHNIS M - 1. Überblick über das Modul ................................................................................................................... 1 M - 2. Modulziele ..................................................................................................................................... 3 M - 3. Modulinhalte ................................................................................................................................... 5 M - 4. Lernen im Modul .............................................................................................................................. 7 M - 5. Pflichtlektüre, empfohlene und weiterführende Literatur ............................................................................... 8 M - 6. Leistungsnachweis ........................................................................................................................... 9 M - 7. Semesterprogramm ........................................................................................................................ 10 M - 1. ÜBERBLICK ÜBER DAS MODUL M - 1.1 FORMALE BESCHREIBUNG Code n.BA.UI.BSA Modul Biosynthese und -analytik Status Wahlpflicht ECTS-Credits 4 Semester 3 M - 1.2 ABSTRACT Im Kurs Biosynthese und -analytik werden die biochemischen Grundlagen der Lebensvorgänge, die in Bakterien, Pflanzen und Tieren vergleichbar ablaufen, vermittelt. Es werden die wichtigsten molekularen Strukturen (Proteine, Kohlenhydrate und Lipide), deren Eigenschaften und Funktionen in Auf- und Abbauprozessen erklärt und mit modernen experimentelle Methoden im Praktikum untersucht. Der Schwerpunkt liegt im zweiten Teil des Semesters auf der Biochemie der Pflanzen und auf der Umwandlung von Lichtenergie in chemische oder elektrische Energie. Der Kurs wird als Praktikum durchgeführt. Die Studierenden erhalten so die Möglichkeit, neben den theoretischen Grundlagen auch die biochemische Arbeit im Labor zu erlernen. Die Versuche illustrieren das theoretisch Gelernte und machen sie mit den wichtigsten experimentellen Methoden und Geräten vertraut. Zudem erfahren sie, wie neue wissenschaftliche Erkenntnisse aus Versuchen gewonnen werden. Das verständliche Dokumentieren von Versuchen und die Interpretation der Ergebnisse sind ein bedeutender Teil der heutigen wissenschaftlichen Arbeit. Zu einzelnen Versuche werden deshalb Laborberichte verfasst und die gewonnenen Erkenntnisse anhand von Übungsaufgaben analysiert. M - 1.3 GENERELLE ZIELE Die Studierenden sind in der Lage - ausgewählte experimentelle Methoden der Biochemie selber anzuwenden, - Experimente selber durchzuführen, Daten zu dokumentieren und interpretieren, - die grundlegenden biochemischen Prozesse in tierischen und pflanzlichen Zellen zu verstehen, - die wichtigsten biologischen Stoffklassen, deren Eigenschaften und Funktion in der Zelle, zu beschreiben. M - 1.4 LEISTUNGSNACHWEIS Es wird eine schriftliche Modulprüfung am Ende des Semesters durchgeführt. 1 M - 1.5 AUFBAU DES MODULS Das Modul findet während des gesamten Semesters über 14 Wochen gleichmässig verteilt jeweils 4 Stunden pro Woche statt. Diese vier Stunden sind jeweils aufgeteilt in Praktikum (50%), Vorlesung (40%) und integrierte Übungen (10%). Für das Selbststudium sind 60 Stunden vorgesehen (inkl. Prüfungsvorbereitung), was eine totale Arbeitsbelastung von etwa 120 Stunden ergibt. Semesterwoche 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Präsenzunterricht Selbständige Arbeit Semesterprüfung M - 1.6 ZUGANGSVORAUSSETZUNGEN Die Studierenden kennen die Grundlagen der anorganischen und allgemeinen Chemie. Sie sind in der Lage, Gleichgewichte zu erklären und zu beschreiben. Die Studierenden können die verschiedenen Stoffgruppen der organischen Chemie und deren Reaktionsverhalten in der Praxis anwenden. Sie verstehen verschiedene chemische Abläufe in der Umwelt und können sie erklären (Kurse Chemie I und II in den Modulen Naturwissenschaften I und II). M - 1.7 EVALUATION DES MODULS Das Modul wird regelmässig durch Befragung der Studierenden evaluiert und jährlich überarbeitet. 2 3-5 M - 2. MODULZIELE M - 2.1 KOMPETENZEN UND LEARNING OUTCOMES Fach- und Methodenkompetenzen Forschung ist die Suche von neuen Erkenntnissen und deren systematische Dokumentation und Veröffentlichung als wissenschaftliche Arbeit. Die Studierenden kennen diesen Prozess, und können Experimente nach Protokoll durchführen, Daten korrekt erfassen, dokumentieren und interpretieren, eigene Experimente mit den nötigen Kontrollen entwickeln und dokumentierte Experimente selbstständig interpretieren und bewerten. Die Studierenden können gängige experimentelle Techniken der Biochemie (photometrische Messungen, pH Messungen, Chromatographie, Dialyse) selbstständig anwenden, die Daten sinnvoll dokumentieren, interpretieren und darstellen. Die Studierenden können eigene Experimente zu einfachen Fragestellungen entwickeln, die nötigen Kontrollen auswählen und damit zu relevanten Resultaten gelangen. Die Studierenden können sich in einem biochemischen Labor sicher bewegen. Sie können alltägliche Geräte (Waage, Pipetten, Zentrifugen, Messzylinder etc.) zuverlässig nutzen. Proteine sind eine der wichtigsten biologischen Stoffklassen. Die Studierenden kennen deren Bausteine, die Aminosäuren, und kennen experimentelle Methoden, um diese nachzuweisen und zu identifizieren. Sie wissen wie Proteine aufgebaut sind, welche Angaben dazu in öffentlichen Datenbanken im Internet vorhanden sind und wie sich diese Daten nutzen lassen. Die Vielfalt der Kohlenhydrate zeigt, wie Biomoleküle aus einer Stoffklasse unterschiedliche Funktionen in einem Organismus übernehmen. Die Studierenden kennen eine Methode, um deren Konzentration in einer Lösung zu bestimmen. Enzyme sind an fast allen Stoffwechselfunktionen beteiligt. Die Studierenden kennen deren Wirkung auf den Verlauf einer chemischen Reaktion und wissen, wie diese experimentell erfasst und graphisch dargestellt werden kann. Die Studierenden verstehen, wie eine Zelle Energie in Form von ATP erzeugt, wie Stoffwechselwege miteinander verbunden sind und reguliert werden und wie ATP in Abwesenheit von O2 durch Gärung gebildet wird. Sie kennen die nötigen Prozesse auf biochemischer Ebene und wissen, wie sich diese im Experiment nachweisen und erforschen lassen. Die Studierenden sind mit den Lipiden als Stoffklasse vertraut und erklären aufgrund ihrer Merkmale ihre unterschiedlichen biologischen Funktionen. Vertiefte Kenntnisse über biologische Membranen ermöglichen ihnen ein Verständnis für die Zellkompartimentierung und für die unterschiedliche Kälteempfindlichkeit von Pflanzen. 3 Die Photosynthese ist die wichtigste Grundlage für den Energie- und Stofffluss in der belebten Natur. Die Studierenden verstehen und erklären, wie dieser Prozess im Detail abläuft, welche Pigmente daran beteiligt sind und wie gewisse Herbizide durch Eingreifen in die Photosynthese wirken. Über den Sekundärstoffwechsel erzeugen Pflanzen eine Vielfalt von chemischen Verbindungen. Die Studierenden kennen die drei grössten Gruppen der Terpene, Phenole und Alkaloide und können mit Beispielen aufzeigen, welche biologischen Funktionen diese Substanzen erfüllen. 4 M - 3. MODULINHALTE M - 3.1 THEMATISCHE EINFÜHRUNG IN DAS MODUL Das Modul Biosynthese und -analytik untersucht die Chemie der Lebensvorgänge. Sie untersucht alle Aspekte der Biologie auf molekularer Ebene, vom Zellaufbau über den Stoffwechsel bis zum Informationsaustausch zwischen den Zellen und vermittelt ein umfassendes Bild der vielfältigen Prozesse in einer lebenden Zelle. Doch Biochemie ist heute längst keine Grundlagenwissenschaft mehr, denn unser Alltag ist geprägt von Produkten aus der Biochemie. Lebensmittel, Waschmittel und auch die Medizin verwenden immer neuen Inhaltsstoffen, Enzymen und Proteinen, welche dank der biochemischen Forschung entwickelt werden. Zunehmend wichtiger wird heute auch das Verständnis der biologischen Abläufe für die Entwicklung von neuen Energiequellen. Die Photosynthese oder das Zusammenleben von Bakterien in Biogasanlagen werden genau studiert, damit die Prozesse zur Energiegewinnung weiter verbessert werden können. M - 3.2 Inhalt INHALTLICHE SCHWERPUNKTE Zentrale Begriffe Aminosäuren und Praktische Methoden Aufbau und Bedeutung von Proteinen, Proteinstruktur Proteine Kohlenhydrate pH-Messungen, Biuret-Messung, Nutzung einer Proteindatenbank Aufbau und Einteilung, Funktion als Energiespeicher Dialyse, photometrische Glucose- und als Biopolymer Konzentrationsbestimmung Enzyme Enzymkinetik, Katalyse, Hemmung und Regulation Kinetikmessungen Stoffwechsel Glykolyse, Gärung, Zitratzyklus, oxidative Photometrische Messung der Phosphorylierung, ATPase Enzymaktivität, Entwicklung eines eigenen Versuches, Übungen Lipide und Struktur, Merkmale und Aufbau, Eigenschaften einer Membranen biologischen Membran Photosynthese Energieumwandlung und Kohlenstofffixierung, Hill- Spektralphotometer, Reaktion, C3 und C4 Pflanzen, Pigmente Dünnschichtchromatographie, Abgrenzung, Isoprenoide, Phenole und Alkaloide, pH Analyse mit einem Indikator Sekundärstoffwechsel Entwicklung eines eigenen Versuches Anthocyane als Beispiel EXPERIMENTE Thema Praktischer Teil Aminosäuren und Proteine Charakterisierung von Aminosäuren Proteinkonzentration bestimmen Analyse der 3D-Struktur online Arbeiten in der Datenbank Kohlenhydrate Bestimmung des Zuckergehaltes von Frühstücksflocken Enzyme Enzymkinetik der Katalase Stoffwechsel: Gärung, Glykolyse Experimente mit Hefe Stoffwechsel: Zitratzyklus Analyse der Succinatdehydrogenase 5 Membranen und Lipide Entwicklung eines eigenen Experimentes Photosynthese Trennung und Charakterisierung der Chloroplastenpigmente Messung der Hill Reaktion Sekundär Metaboliten M - 3.3 pH- Messungen mit Anthocyanen BEZUG ZUR NACHHALTIGKEIT Ein vertieftes Verständnis der biochemischen Grundlagen der Lebensvorgänge ist eine Voraussetzung für den Erhalt von tragfähigen Ökosystemen. Immer mehr spielen dabei alternative Energiequellen wie Biogas oder Solarzellen eine wichtige Rolle. Die Biochemie liefert die nötigen Grundlagen, damit diese Energie in Zukunft optimal genutzt werden kann. Ethische Grundlagen 1 0.8 Transformation 0.6 ökologische Dimension 0.4 0.2 0 zeitliche Dimension räumliche Dimension 6 gesellschaftliche Dimension wirtschaftliche Dimension M - 4. LERNEN IM MODUL M - 4.1 DIDAKTISCHE GRUNDSÄTZE Praxisbezug: Das Modul Biosynthese und -analytik vermittelt die Grundlagen mit einem direkten Bezug zur Praxis. Die Lerninhalte werden entsprechend den Interessen der Studierenden angepasst, in den Versuchen werden die gängigen experimentellen Methoden vermittelt. Die Studierenden bekommen somit die nötige Grundlage, um später auch komplexere Versuche selber durchzuführen. Learning-by-doing: Das theoretische Wissen wird mit praktischen Experimenten vertieft. Verständnis für das wissenschaftliche Arbeiten: Wissenschaftliches Arbeiten von der Interpretation, zum Versuchsaufbau bis zur Interpretation der gefundenen Resultate wird in eigenen kleinen Versuchen und durch das Schreiben von Versuchsberichten geübt. M - 4.2 LERNARRANGEMENTS Vorlesung: Die biochemischen Grundlagen werden in Form einer Vorlesung vermittelt, unterbrochen von kurzen schriftlichen Übungen, welche zum Teil im Selbststudium durchgeführt werden. Diese helfen den vermittelten Stoff zu festigen. Praktikum: Das Praktikum illustriert die Theorie und vertieft das vermittelte Wissen. Die Studierenden können so theoretische Zusammenhänge direkt erfassen und mit der eigenständigen Interpretation von Resultaten wichtige biochemische Erkenntnisse selber nachvollziehen. Zudem werden einzelne einfache Versuche selbstständig entwickelt, durchgeführt und dokumentiert. Die Versuche finden, wenn möglich im selben Zimmer wie die Vorlesung in kleinen Gruppen statt. Der Wechsel von der Vorlesung zum Praktikum kann so fliessend stattfinden. Inkubationszeiten können effizient genutzt werden. Während des Praktikums werden die DozentInnen anwesend sein, um eine sichere und korrekte Durchführung der Versuche sicherzustellen. Versuchsberichte: Es werden mindestens zwei Versuchsberichte nach wissenschaftlichen Kriterien verfasst, korrigiert und gemeinsam besprochen. Übungen: Die Übungen dienen der Selbstkontrolle und können teilweise während der Vorlesung gelöst werden. Die restlichen Übungen werden im Selbststudium erarbeitet, Musterlösungen werden zur Verfügung gestellt. M - 4.3 ART DER DOKUMENTATION Ein Skript mit allen Protokollen wird bei Vorlesungsbeginn abgegeben. Die Präsentationen mit den Lernzielen stehen auf der E-Learningplattform Moodle zur Verfügung. Alle Versuche werden detailliert dokumentiert. Zu mindestens zwei Versuchen werden ausführliche Versuchsberichte geschrieben. 7 M - 5. PFLICHTLEKTÜRE, EMPFOHLENE UND WEITERFÜHRENDE LITERATUR Abgegebene Skript und Folien sind ausführlich und genügen zur Prüfungsvorbereitung. Die Zusammenfassung ‚Biochemie im Überblick‘ des Spektrum Verlags (ISBN 978-3-8274-2134-0) bietet eine gute Grundlage für eine rasche Repetition der Inhalte. Falls jemand einzelne Kapitel detaillierter studieren möchte, wird eines der folgenden Lehrbücher empfohlen: - Stryer, L.; Biochemie. Spektrum Akademischer Verlag GmbH, 2010. - Campbell, N. A. and Reece, J. B.; Biology. 6th edition. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., 2002. - 8 Richter, G.: Praktische Biochemie, Grundlagen und Techniken. Georg Thieme Verlag Stuttgart, 2003. M - 6. LEISTUNGSNACHWEIS M - 6.1 QUALIFIKATIONSSCHRITTE Es findet eine schriftliche Modulprüfung statt. Der Prüfungsstoff wird über die Lernziele in Skript und Folien definiert. Die Prüfungsnote der Modulprüfung zählt 100%. M - 6.2 RAHMENBEDINGUNGEN Da das Modul einen hohen Praktikumsanteil aufweist, ist eine Anwesenheit an mindestens 80% der Vorlesungen zur Prüfungszulassung erforderlich: Absenzen sind rechtzeitig per Email zu begründen. Verpasste Praktika werden in Form von Versuchsberichten selbstständig aufgearbeitet. Es gilt das jeweils aktuelle Prüfungsreglement der ZHAW. 9 M - 7. SEMESTERPROGRAMM Woche Thema Praktikum 1 Einführung Arbeiten mit Mikropipetten 2 Aminosäuren Titration, pH Messungen 3 Proteine Bradford assay 4 Proteine Molecular Modeling 5 Kohlenhydrate Dialyse 6 Enzyme Enzymaktivitätsmessungen 7 Stoffwechsel (Glycolyse und Gärung) Hefegärung 8 Stoffwechsel Übungen und Theorie 9 Stoffwechsel (Citratcyclus) Photometer 10 Membrane und Lipide Einfache Lipidversuche 11 Photosynthese Gruppenarbeit 12 Photosynthese Photometer 13 Sekundär Metaboliten (Terpenoide und Alkaloide) Massenspektrometrie 14 Sekundäre Metaboliten (Anthocyane) pH Analysen, Rotkohl 10
