Биологические структуры и процессы

1. Биологические структуры и процессы
2. Лектор. К.ф.-м.н., доцент Брандт Николай Николаевич, кафедра общей физики и
волновых процессов физического факультета МГУ, e-mail: [email protected], тел.:
8(495)9391106.
3. Аннотация дисциплины.
Дисциплина знакомит студентов с принципиально новыми свойствами и
особенностями, качественно отличающими живую материю от неживой. Цель курса состоит
в выработке единого физико-химического взгляда на изучение биологических структур и
процессов и получении современных знаний о них. В курсе лекций рассматриваются все
виды клеток, как структурно-функциональных единиц живых организмов, обсуждаются
особенности структуры химических компонентов живой материи, приводится связь
структуры биомолекул, их конформационной динамики и функциональной активности.
Особое внимание уделяется ферментам, как регуляторам биологических процессов.
Обсуждается энергетический обмен клетки, рассматриваются примеры автоколебательных и
автоволновых процессов в живых системах. Биологические структуры и процессы
рассматриваются в неразрывной связи с физико-химическими методами их исследования.
4. Цели освоения дисциплины.
Формирование единого физико-химического взгляда на изучение биологических структур и
процессов и получение современных знаний о них.
5. Задачи дисциплины.
Дать представление об элементах структуры живой материи на различных уровнях её
формирования. Показать взаимосвязь между структурой и функциями молекул в
биологических системах. Определить круг физико-химических методов, применяемых для
исследования биологических систем. Сформировать системное мышление в отношении
биологических структур и процессов. Научить формулировать актуальные вопросы в рамках
изучаемого материала.
6. Компетенции.
6.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины.
Компетенции, приобретённые по окончании бакалавриата.
6.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины.
М-ИК-3 (частично): способность самостоятельно приобретать с помощью
информационных технологий и использовать в практической деятельности
новые знания и умения, в том числе в области биологии, химии и физики
биологических структур;
М-СК-1 (частично): способность к творчеству, порождению инновационных
идей, выдвижению самостоятельных гипотез в отношении биологических
структур и процессов;
М-СПК-22: способность к выработке единого физико-химического взгляда на
изучение биологических структур и процессов.
7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать характерные пространственные и временные масштабы биологических систем, все
основные биологические структуры на клеточно-молекулярном уровне и базовые физикохимические процессы, протекающие в этих структурах;
уметь производить численные оценки, характеризующие физико-химическое состояние
биологических структур.
Стр. 1 из 9
8. Содержание и структура дисциплины.
Вид работы
Общая трудоёмкость, акад. часов
Аудиторная работа:
Лекции, акад. часов
Семинары, акад. часов
Самостоятельная работа, акад. часов
Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой,
экзамен)
Семестр
1
72
36
18
18
36
Экзамен
Всего
72
36
18
18
36
Экзамен
Стр. 2 из 9
N
раздела
1
2
Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий
Наименование
раздела
Разделы могут
объединять
несколько лекций
Клетка –
структурнофункциональная
единица живых
организмов
Химические
компоненты живой
материи
Распределение общей трудоёмкости по семестрам указано в рабочих планах (приложение 7)
Лекции
2 часа
Структура клетки. Протоплазма как
коллоидная система.
Дифференциация клеток.
Стволовые и дифференцированные
клетки. Механизмы обновления
клеток.
2 часа
Жизненный цикл клетки.
Соматические и половые клетки.
Митоз и мейоз.
2 часа
Принцип изолобальной аналогии.
Углеводы. Оптические изомеры.
Циклические моносахариды,
дисахариды, олигосахариды и
полисахариды.
2 часа
Аминокислоты и белки. Зарядовое
состояние аминокислот.
Хиральность аминокислот.
Пептидная связь. Полипептидные
цепи. Классификация белков.
2 часа
Методы исследования структуры
биомолекул.
2 часа
Гены. Геном, генотип, фенотип.
Структура гена. Аллельные
состояния генов. Законы Г.
Менделя. Метод молекулярногенетической идентификации.
Генетический код. Устойчивость
генетического кода и мутации.
Универсальность генетического
кода. Генная инженерия.
Аудиторная работа
Семинары
2 часа
Клетки крови. Кроветворная ткань.
Клетки нервной ткани. Нейрон.
Самостоятельная работа
Лабораторные работы
Форма
текущего
контроля
Содержание самостоятельной работы
должно быть обеспечено, например,
пособиями, интернет-ресурсами,
домашними заданиями и т.п.
4 часов
Работа с лекционным материалом и
основной литературой по
дисциплине
Т
2 часа
Липиды. Неомыляемые и
омыляемые липиды. Фосфолипиды
и гликолипиды. Кофермент А.
2 часа
Пространственная структура
белков. Первичная, вторичная,
третичная и четвертичная
структуры. Зарядовое состояние
белков. Энергетический спектр
пептидных цепей.
2 часа
Нуклеотиды и нуклеиновые
кислоты. Первичная, вторичная и
третичная структура ДНК и РНК.
2 часа
Конформация и конформационная
подвижность макромолекул.
Динамика макромолекул в
растворах. Кинетика и
термодинамика конформационных
переходов.
4 часов
Работа с лекционным материалом и
основной литературой по
дисциплине
4 часов
Работа с лекционным материалом и
основной литературой по
дисциплине
4 часов
Работа с лекционным материалом и
основной литературой по
дисциплине
4 часов
Работа с лекционным материалом и
основной литературой по
дисциплине
4 часов
Работа с лекционным материалом и
основной литературой по
дисциплине
Т
Стр. 3 из 9
3
4
5
6
Ферменты –
регуляторы
биологических
процессов
Энергетический
обмен клетки
2 часа
Классификация и структура
ферментов. Особенности
ферментативного катализа.
Ферменты с несколькими
активными центрами. Скорость
ферментативных реакций.
Химические реакции в растворе.
Реакция с участием фермента.
Комплекс Михаэлиса.
2 часа
Метаболические реакции. Модель
молекулярного источника энергии.
Высокоэнергетические соединения
– макроэрги. АТФ. Экзоэргические
ракции. Гидролиз. Окисление.
Окислительно-восстановительные
реакции. Биологическое окисление.
Ферментативное окисление.
Энергетическое сопряжение в
реакциях фосфорилирования.
Физико-химические
процессы в
биологических
мембранах
Автоколебательные
и автоволновые
процессы
2 часа
Активные среды. Свойства
автоволн. Катализаторы и
ингибиторы автоволновых
процессов. Математическая модель
автоволн. Автоколебательные
химические процессы.
Автоколебания в неоднородных
средах. Автоволны в электрически
активной биологической материи.
2 часа
Многостадийная модель
ферментативных реакций.
Расщепление пептидной связи.
Каскады ферментативных реакций.
3 часов
Работа с лекционным материалом и
основной литературой по
дисциплине
2 часа
Законы биоэнергетики. Клеточное
дыхание (общая схема, две стадии
клеточного дыхания). F1F0АТФсинтаза (основные функции,
структура, принцип действия,
синтез и гидролиз АТФ).
3 часов
Работа с лекционным материалом и
основной литературой по
дисциплине
2 часа
Структура мембран.
Жидкокристаллическая модель
мембран. Динамические свойства
мембран. Основные функции
мембран. Эндо- и экоцитоз.
Пассивный ионный и
молекулярный транспорт через
мембрану. Симпорт и антипорт.
Активный ионный транспорт.
Потенциал покоя клеточных
мембран. Механизм образования.
2 часа
Электрическая активность живой
материи. Потенциал действия.
Распространение возбуждений в
нервных волокнах. Нервный
импульс в аксонах человека.
Кодирование информации.
Межклеточная передача
возбуждения. Автоволны в
сердечной мышце и в коре
головного мозга.
3 часов
Работа с лекционным материалом и
основной литературой по
дисциплине
Т
Т
Т
3 часов
Работа с лекционным материалом и
основной литературой по
дисциплине
Т
Т – тестирование.
Стр. 4 из 9
9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
1. Дисциплина по выбору.
2. Вариативная часть.
3. Логическая и содержательно-методическая взаимосвязь с другими частями ООП
(дисциплинами, модулями, практиками) состоит в следующем
3.1. Для начала освоения дисциплины студент должен обладать основными знаниями
физики и естественных наук, полученными при обучении в бакалавриате;
3.2. Освоение данной дисциплины (модуля) необходимо как предшествующее для
следующих дисциплин и практикумов: «Современные представления о
самоорганизации в неравновесных нелинейных открытых системах»,
«Нейроинформатика».
10. Образовательные технологии
Курс имеет электронные версии презентаций. Лекции читаются с использованием
современных мультимедийных возможностей и проекционного оборудования.
11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной
аттестации
Вопросы для проведения тестирования.
1. pH крови.
2. Амплитуда колебаний атомов в белках.
3. Ароматические аминокислоты.
4. В каком порядке записывается последовательность нуклеотидов.
5. Вероятность диссоциации через pK и pH.
6. Вероятность молекуле иметь свободную энергию F при данной температуре.
7. Вторичная и третичная структура тРНК.
8. Вторичная структура белков.
9. Вязкость крови.
10. Год открытия генов.
11. Год открытия структуры ДНК.
12. Год присуждения Нобелевской премии за расшифровку первичной структуры
лизоцима.
13. Год установления принципа изолобальной аналогии.
14. Группы омыляемых липидов.
15. Диаметр В-формы спирали ДНК.
16. Диаметр микрофибриллы целлюлозы.
17. Для каких биоструктур необходимы гликолипиды.
18. Для каких биоструктур необходимы фосфолипиды.
19. Закон Ламберта-Бугера-Бэра.
20. Изобразите пептидную связь.
21. Как называется реакция образования дисахарида.
22. Как называется реакция расщепления дисахарида на моносахариды.
23. Как называется связь, которую кофермент А образует с переносимыми группами.
24. Как называются нерастворимые молекулы крахмала.
25. Как называются растворимые молекулы крахмала.
26. Как обозначается кофермент А.
27. Как определяется эффективный заряд молекулярной группы.
28. Какая связь образуется между мономерами олигосахаридов.
29. Какая часть общей длины ДНК отведена геному.
30. Какие группы атомов обеспечивают хиральность аминокислот.
31. Какие дисахариды вы знаете.
Стр. 5 из 9
32. Какие максимальные времена внутримолекулярных превращений и чему они
соответствуют.
33. Какие минимальные времена внутримолекулярных превращений и чему они
соответствуют.
34. Какие полисахариды вы знаете.
35. Какие связи возникают между полипептидными цепями.
36. Какие типы представления структуры белков вы знаете.
37. Какими связями стабилизируется α-спираль и β-структура.
38. Каковы расстояния C-N и C-O для пептидной связи.
39. Кислые аминокислоты.
40. Классификация белков по пространственной структуре.
41. Классификация белков по составу.
42. Классификация белков по функциям.
43. Комплементарные пары азотистых оснований.
44. Концентрация белков в крови.
45. Методы исследования структуры белков.
46. Модели динамической подвижности белков.
47. На какие группы по свойствам делятся полисахариды.
48. Название всего, что окружено клеточной мембраной.
49. Наиболее распространённая форма РНК.
50. Нарисуйте сложноэфирную связь.
51. Неомыляемые липиды.
52. О каких элементах структуры белков даёт информацию КР и ИК спектроскопия.
53. Общая структура гена.
54. Общая формула аминокислот.
55. Общая формула жирных кислот.
56. Общая формула углеводов.
57. Общий вид реакции диссоциации молекулы на ионы.
58. Определение константы диссоциации.
59. Основное отличие свойств ДНК и РНК.
60. Основное предназначение митохондрий.
61. Основные атомные группы моносахаридов.
62. Основные атомы клеток.
63. Основные белки крови.
64. Основные группы – акцепторы протонов.
65. Основные группы – доноры протонов.
66. Основные органеллы в клетках.
67. Основные особенности ДНК.
68. Основные особенности стволовых клеток.
69. Основные отличия моносахаридов от полисахаридов.
70. Основные свойства липидов.
71. Основные типы лейкоцитов.
72. Основные типы липидов.
73. Основные формы РНК.
74. Основные функции липидов.
75. Основные функции эритроцитов.
76. Особенности структуры ароматических аминокислот.
77. От чего зависит вероятность диссоциации.
78. Первичная структура белков.
79. Перечислите все азотистые основания.
80. Порядок смещений атомных групп между биологически активными состояниями.
81. Почему в нейтральном растворе моносахариды присутствуют в циклической форме.
Стр. 6 из 9
82. Правило Горгоффа.
83. Пример стероидного спирта.
84. Принцип нумерации атомов углерода моносахаридов.
85. Размер лизосомы.
86. Размер митохондрии.
87. Размер молекулы воды.
88. Размер рибосомы.
89. Расстояние между молекулами воды при нормальных условиях.
90. Расстояние между парами азотистых оснований в ДНК вдоль оси спирали.
91. Самый длинноволновый максимум поглощения ароматических аминокислот.
92. Серосодержащие аминокислоты.
93. Сколько аминокислот входит в состав белков.
94. Сколько всего известно аминокислот.
95. Сколько и какие из кодонов не кодируют аминокислоты.
96. Сколько различных дисахаридов можно построить из двух гексоз.
97. Сколько существует кодонов.
98. Скорость передачи импульса по аксону.
99. Состав крови.
100. Состав нейрона.
101. Спектроскопические методы исследования биоструктур.
102. Среднее расстояние между белками в крови.
103. Средняя концентрация белков в крови в моль/л.
104. Структуры каких белков были рассмотрены в курсе.
105. Типы клеток в зависимости от принципа деления.
106. Типы клеток в зависимости от состава.
107. Типы клеток по набору хромосом.
108. Типы нейронов по числу аксонов.
109. Типы нервных клеток.
110. Типы нуклеиновых кислот.
111. Типы третичных структур.
112. Типы углеводов.
113. Толщина клеточной мембраны.
114. Третичная структура белков.
115. Форма РНК с самой короткой цепью.
116. Функции крови.
117. Функция тромбоцитов.
118. Характерные времена жизни флуоресценции биоструктур.
119. Характерный размер эукариот.
120. Характерный размер молекулы белка.
121. Цикл жизни соматической клетки.
122. Чем отличаются ДНК и РНК.
123. Четвертичная структура и функция гемоглобина.
124. Четвертичная структура белков.
125. Что необходимо, чтобы атом в молекуле был хирален.
126. Что такое pH.
127. Каков смысл pK.
128. Что такое аномеры.
129. Что такое ген.
130. Что такое генетический код.
131. Что такое геном.
132. Что такое генотип.
133. Что такое граничные орбитали.
Стр. 7 из 9
134. Что такое жиры.
135. Что такое изолобальные группы.
136. Что такое изоэлектрическая точка.
137. Что такое кодон.
138. Что такое коферменты.
139. Что такое локус.
140. Что такое мейоз.
141. Что такое нуклеиновые кислоты.
142. Что такое нуклеотид.
143. Что такое пиранозная и фуранозная формы моносахарида.
144. Что такое спектр возбуждения флуоресценции.
145. Что такое спектр флуоресценции.
146. Что такое стэкинг-взаимодействие.
147. Что такое фенотип.
148. Что такое хиральные молекулы.
149. Что такое хроматин.
150. Что такое цвиттер-ионы.
151. Что такое цитоплазма.
152. Шаг В-формы спирали ДНК, число оснований на шаг.
153. Энергия C-C связи.
154. Энергия Ван-Дер-Ваальсовой связи.
155. Энергия водородной связи.
156. Энергия денатурации белка.
157. Энергия изменения заряда группы.
158. Энергия одиночной ковалентной связи.
159. Энергия проникновения заряда в неполярную среду.
160. Энергия, выделяющаяся при гидролизе одной молекулы АТФ.
Полный перечень вопросов к экзамену.
1. Структура клетки. Протоплазма как коллоидная система. Дифференциация клеток.
Стволовые и дифференцированные клетки. Механизмы обновления клеток.
2. Клетки крови. Кроветворная ткань. Клетки нервной ткани. Нейрон.
3. Жизненный цикл клетки. Соматические и половые клетки. Митоз и мейоз.
4. Принцип изолобальной аналогии.
5. Углеводы. Оптические изомеры. Циклические моносахариды, дисахариды,
олигосахариды и полисахариды.
6. Липиды. Неомыляемые и омыляемые липиды. Фосфолипиды и гликолипиды.
Кофермент А.
7. Аминокислоты и белки. Зарядовое состояние аминокислот. Хиральность
аминокислот. Пептидная связь. Полипептидные цепи. Классификация белков.
8. Пространственная структура белков. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная
структуры. Зарядовое состояние белков. Энергетический спектр пептидных цепей.
9. Методы исследования структуры биомолекул.
10. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты. Первичная, вторичная и третичная структура
ДНК и РНК.
11. Гены. Геном, генотип, фенотип. Структура гена. Аллельные состояния генов. Законы
Г. Менделя. Метод молекулярно-генетической идентификации. Генетический код.
Устойчивость генетического кода и мутации. Универсальность генетического кода.
Генная инженерия.
12. Конформация и конформационная подвижность макромолекул. Динамика
макромолекул в растворах. Кинетика и термодинамика конформационных переходов.
Стр. 8 из 9
13. Классификация и структура ферментов. Особенности ферментативного катализа.
Ферменты с несколькими активными центрами. Скорость ферментативных реакций.
Химические реакции в растворе. Реакция с участием фермента. Комплекс Михаэлиса.
14. Многостадийная модель ферментативных реакций. Расщепление пептидной связи.
Каскады ферментативных реакций.
15. Энергообмен клетки. Метаболические реакции. Модель молекулярного источника
энергии. Высокоэнергетические соединения – макроэрги. АТФ. Экзоэргические
ракции. Гидролиз. Окисление. Окислительно-восстановительные реакции.
Биологическое окисление. Ферментативное окисление. Энергетическое сопряжение в
реакциях фосфорилирования.
16. Законы биоэнергетики. Клеточное дыхание (общая схема, две стадии клеточного
дыхания). F1F0-АТФсинтаза (основные функции, структура, принцип действия, синтез
и гидролиз АТФ).
17. Автоколебательные и автоволновые процессы. Активные среды. Свойства автоволн.
Катализаторы и ингибиторы автоволновых процессов. Математическая модель
автоволн. Автоколебательные химические процессы. Автоколебания в неоднородных
средах. Автоволны в электрически активной биологической материи.
18. Электрическая активность живой материи. Потенциал действия. Распространение
возбуждений в нервных волокнах. Нервный импульс в аксонах человека.
Кодирование информации. Межклеточная передача возбуждения. Автоволны в
сердечной мышце и в коре головного мозга.
12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
Г.А. Миронова. Конденсированное состояние вещества. От структурных единиц до
живой материи. Том 2. – М.: Физический факультет МГУ, 2006, 840 с.
Дополнительная литература
1. М.В. Волькенштейн. Биофизика. – М.: «Наука», 1988, 592 с.
2. А.Б. Рубин. Биофизика. Книга 1. Теоретическая биофизика. – М.: «Высшая школа»,
1987, 319 с.
3. А.Б. Рубин. Биофизика. Книга 2. Биофизика клеточных процессов. – М.: «Высшая
школа», 1987, 303 с.
4. Э. Фёршт. Структура и механизм действия ферментов. Перевод с английского к.х.н.
Ю.Б. Гребенщикова. Под ред. д.х.н. Б.И. Курганова. – М.: «Мир», 1980, 432 с.
5. Д. Мецлер. Биохимия. – М.: «Мир», 1980, 408 с.
6. Дж. Лакович. Основы флуоресцентной спектроскопии. Перевод с английского к.ф.м.н. М.В. Козьменко и к.х.н. А.П. Савицкого. Под ред. д.х.н. М.Г. Кузьмина. – М.:
«Мир», 1986, 496 с.
7. E.B. Wilson Jr., J.C. Decius, P.C. Crosss. Molecular vibrations. The theory of infrared and
Raman vibrational spectra. – New York: The maple press company, York, PA, 1955, 388
pages.
Интернет-ресурсы
www.genphys.phys.msu.ru
13. Материально-техническое обеспечение
В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению
подготовки «Физика».
Аудитория физического факультета, оснащённая мультимедийным проектором и доской.
Стр. 9 из 9