Молекулярная биофизика - Саратовский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по учебнометодической работе
______________________Е.Г. Елина
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА
Направление подготовки
Физика живых систем
Профили подготовки
Биофизика
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Молекулярная биофизика» является
освоение знаний и развитие навыков применения современных методов
исследования биологических систем для квалифицированного применения
данных методов в области биофизики и медицинской фотоники, что
соответствует основной цели бакалавриата в части получения высшего
профессионально-профилированного
образования,
позволяющего
выпускнику успешно работать в избранной сфере деятельности в РФ и за
рубежом, обладать универсальными и предметно специализированными
компетенциями,
способствующими
его
социальной
мобильности,
востребованности на рынке труда и успешной профессиональной карьере.
2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Молекулярная биофизика» относится к модулю
«Теоретическая биофизика» профессионального цикла.
В рамках учебного плана дисциплина «Молекулярная биофизика»
базируется на теоретических представлениях и математико-аналитическом
аппарате базовых дисциплин Математического и естественно-научного
цикла, а также дисциплин вариативной части цикла.
Дисциплина «Молекулярная биофизика» в рамках учебного плана
читается в 6 семестре параллельно с взаимосвязанными с нею дисциплинами
модуля «Теоретическая биофизика» естественнонаучного цикла.
При освоении дисциплины «Молекулярная биофизика» студенты
должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными пособиями и
монографической литературой, в том числе на иностранном языке, уметь
осуществлять поиск в базах данных научной литературы, формулировать
поисковые запросы и фильтрацию результатов поиска. Знания, полученные
при освоении дисциплины «Молекулярная биофизика», необходимы при
выполнении студентом квалификационных работ в течение всего курса
обучения по направлению «Физика живых систем».
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Молекулярная биофизика».
В результате освоения дисциплины «Молекулярная биофизика»
должны формироваться в определенной части следующие компетенции:
общекультурные:
2
 способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области математики и естественных
наук (ОК-1);
 способность приобретать новые знания, используя современные
образовательные и информационные технологии (ОК-3);
общепрофессиональные:
 способность использовать базовые теоретические знания для решения
профессиональных задач (ПК-1);
 способность применять на практике базовые профессиональные
навыки (ПК-2);
 способность использовать специализированные знания в области
физики, химии и биологии для освоения профильных биофизических
дисциплин (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-4);
 способность применять на практике базовые общепрофессиональные
знания теории и методов биофизических исследований (в соответствии
с профилем подготовки) (ПК-5);
В результате освоения дисциплины «Молекулярная биофизика»
обучающийся должен:
•Знать: строение и особенности функционирования биологических
макромолекул и надмолекулярных структур и комплексов, молекулярные
основы биосинтеза белков.
•Уметь: применять полученные знания в области молекулярной биофизики
для сбора и анализа процессов физиологии клеток.
•Владеть: методами кинетического и термодинамического анализа процессов
молекулярной биологии и физиологии клеток, практическими навыками по
моделированию транспорта лекарственных препаратов в биотканях.
4. Структура и содержание дисциплины «Молекулярная биофизика»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108
часов, из них 32 часа лекций, 32 часа практических занятий, 32 часа
самостоятельной работы студентов.
3
4.1. Структура дисциплины
№
п/
п
Раздел
дисциплины
Семестр
Неделя
семестра
1
Введение
6
1
2
Физика
макромолекул
Физика белка
6
2
6
3
6
4
6
5
6
6
6
8
Рентгенография,
оптика и
спектроскопия
биополимеров
Физика
ферментов
Кооперативные
свойства
ферментов
Физика
нуклеиновых
кислот
Биосинтез белка
9
Мембраны
Виды учебной работы,
включая
самостоятельную работу
студентов и
трудоемкость (в часах)
Формы
текущего
контроля
успеваемост
и (по
неделям
семестра)
Формы
промежуточ
ной
аттестации
(по
семестрам)
Л
2
Л
2
Л
2
Л
2
ПР
2
ПР
2
ПР
2
ПР
2
СР
2
СР
2
СР
2
СР
2
ПР-1
Л
2
Л
2
ПР
2
ПР
2
СР
2
СР
2
ПР-1
7
Л
2
ПР
2
СР
2
ПР-1
6
8
9
10 Термодинамика
процессов
переноса
11 Транспорт
неэлектролитов
12 Транспорт ионов
6
10
ПР
2
ПР
2
ПР
2
СР
2
СР
2
СР
2
ПР-1
6
Л
2
Л
2
Л
2
6
11
12
13 Электродиффузи
я и мембранные
потенциалы
14 Химическая
природа систем
ионного
транспорта
6
13
ПР
2
ПР
2
ПР
2
СР
2
СР
2
СР
2
ПР-1
6
Л
2
Л
2
Л
2
6
14
Л
2
ПР
2
СР
2
ПР-1
3
4
5
6
7
ПР-1
ПР-1
ПР-1
ПР-1
ПР-1
ПР-1
ПР-1
ПР-1
4
15 Транспорт воды
6
15
16 Специальные
механизмы
транспорта
Итого:
6
16
Л
2
Л
2
ПР
2
ПР
2
СР
2
СР
2
ПР-1
32
32
8
Экзамен
ПР-1
4.2. Содержание дисциплины
1. Введение. Физика и биология. Биофизика. Химия и биология.
Молекулярная
биология.
Аминокислоты.
Свойства
электролитов.
Аминокислотный состав белков. Первичная структура белков. Асимметрия
биологических молекул. Нуклеиновые кислоты. Углеводы и липиды.
Кофакторы, витамины, гормоны. Важнейшие биохимические процессы.
Квантовая биохимия. Эволюция и мембранный транспорт.
2. Физика макромолекул. Полимерные цепи. Внутреннее вращение и
поворотная изомерия. Поворотно-изомерная теория макромолекул.
Макромолекула - кооперативная система. Особенности макромолекулы как
статистической системы. Определение молекулярных весов макромолекул.
Оптические методы исследования макромолекул. Полиэлектролиты.
3. Физика белка. Биологические функции белков. Конформация
полипептидной цепи. Ван-дер-ваальсовы силы. Водородная связь и структура
воды. Переходы спираль - клубок. Белковая глобула и гидрофобные
взаимодействия. Структура и устойчивость глобулы. Денатурация белков.
Первичная структура цепи и пространственное строение глобулы.
Фибриллярные белки.
4.
Рентгенография,
оптика
и
спектроскопия
биополимеров.
Рентгеноструктурный анализ. Рентгенография фибриллярных структур.
Рассеяние рентгеновских лучей макромолекулами в растворе. Электронные
спектры биополимеров. Теория оптической активности биополимеров.
Спектрополяриметрия биополимеров. Люминесценция биополимеров.
Колебательные спектры биополимеров. Спектры ядерного и электронного
парамагнитного резонанса.
5. Физика ферментов. Химическая кинетика и катализ. Кинетика простых
ферментативных реакций. Термодинамика ферментативных реакций.
Химические аспекты ферментативной активности. Конформационные
свойства ферментов. Влияние рН среды на фермент. Физические аспекты
ферментативной активности. Металлоферменты.
6. Кооперативные свойства ферментов. Строение и свойства миоглобина и
гемоглобина. Феноменологическая теория равновесных свойств гемоглобина.
5
Эффект Фарадея. Магнитное оптическое вращение в гемсодержащих белках.
Аллостерические ферменты. Кинетика сложных ферментативных реакций.
Химическая релаксация.
7. Физика нуклеиновых кислот. Структура нуклеиновых кислот.
Внутримолекулярные взаимодействия в двойной спирали. Термодинамика
переходов спираль - клубок. Кинетика денатурации ДНК. Взаимодействия
ДНК с малыми молекулами. Редупликация ДНК.
8. Биосинтез белка. Проблема генетического кода. Биосинтез белка.
Транскрипция. Транспортные РНК. Рибосомы. Генетический код.
Физический смысл генетического кода. Трансляция. Мутации.
9. Мембраны. Поверхности и границы раздела. Химический состав мембран.
Липиды. Организация липидов. Мембранные белки. Организация белков.
Углеводы. Структура мембран. Взаимодействие между белками и липидами
и структура мембран. Сборка мембран. Морфология и функции различных
биологических мембран. Плазматические мембраны. Митохондрии.
Хлоропласты. Мезосомы. Эндоплазматический ретикулум. Аппарат
Гольджи. Лизосомы. Тонопласты. Ядро.
10. Термодинамика процессов переноса. Термодинамическое равновесие,
процессы пассивного и активного транспорта. Термодинамика стационарного
состояния. Метод термодинамических цепей.
11. Транспорт неэлектролитов. Законы диффузии. Диффузия через
мембраны. Опосредованная, или облегченная диффузия. Первично активный
транспорт. Сопряженный транспорт. Кинетика опосредованного транспорта.
Химическая природа систем транспорта неэлектролитов. Системы
транспорта с участием ферментов. Окислительно-восстановительные
системы. Белки, связывающие субстрат.
12. Транспорт ионов. Ионное равновесие. Мембранный потенциал в случае
простого ионного равновесия. Равновесие Гиббса - Доннана. Диффузный
двойной электрический слой.
13. Электродиффузия и мембранные потенциалы. Уравнение
электродиффузии: общий подход. Вывод общего дифференциального
уравнения электродиффузии. Уравнение Гендерсона для разности
потенциалов в непрерывном слое при постоянных градиентах концентрации
отдельных ионов. Выражения для разности потенциалов в локальноэлектронейтральном слое при постоянном поле: вывод Планка. Выражение
для разности потенциалов в непрерывном слое при постоянном поле: вывод
Гольдмана. Применение уравнения постоянного поля для определения
мембранной разности потенциалов. Применение уравнения постоянного поля
6
для определения стационарного мембранного потенциала в присутствии
электрогенного натриевого насоса. Уравнение Ходжинга-Горовица.
14. Химическая природа систем ионного транспорта. (Na+ + K+) зависимая
АТФаза. Ca2+ - зависимая АТФаза. Другие АТФазы. Белки, связывающие
ионы. Транспорт ионов железа. Ионофоры.
15. Транспорт воды. Термодинамика транспорта воды через мембраны.
Состояние воды в клетках.
16. Специальные механизмы транспорта. Пермеазы олигопептидов.
Паноцитоз.
5. Образовательные технологии
При
реализации
дисциплины
«Молекулярная
биофизика»
используются следующие виды учебных занятий: лекции, консультации,
практические занятия, самостоятельные работы.
В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы
учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации
методов молекулярной биофизики, компьютерные демонстрации с
использованием интерактивных и мультимедийных технологий.
Доля аудиторных практических занятий составляет 50% всех
аудиторных занятий по дисциплине «Молекулярная биофизика».
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные
средства
для
текущего
контроля
успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
6.1 Виды самостоятельной работы студента:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным
учебным
пособиям,
монографической
учебной
литературе;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины, не рассмотренных на лекциях;
6.2. Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы
студентов:
- самостоятельная работа обучающихся по изучению теоретического
лекционного материала предусмотрена один раз в неделю; контроль
выполнения этой работы предусмотрен на практических занятиях и лекциях
по данной дисциплине;
7
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины и не рассмотренных на лекциях предусматривается
по мере изучения соответствующих разделов, в которых выделены эти
вопросы для самостоятельного изучения; контроль выполнения этой
самостоятельной работы предусмотрен в рамках промежуточного контроля –
экзамена по данной дисциплине;
6.3. Контрольные вопросы и задания для проведения nромежуточной
аттестации и по итогам освоения дисциплины:
1. Введение. Физика и биология. Биофизика. Химия и биология.
Молекулярная биология. Аминокислоты. Свойства электролитов.
Аминокислотный состав белков. Первичная структура белков.
Асимметрия биологических молекул. Нуклеиновые кислоты. Углеводы
и
липиды.
Кофакторы,
витамины,
гормоны.
Важнейшие
биохимические процессы. Квантовая биохимия. Эволюция и
мембранный транспорт.
2. Физика макромолекул. Полимерные цепи. Внутреннее вращение и
поворотная изомерия. Поворотно-изомерная теория макромолекул.
3. Физика макромолекул. Макромолекула - кооперативная система.
Особенности
макромолекулы
как
статистической
системы.
Определение молекулярных весов макромолекул.
4. Оптические методы исследования макромолекул. Полиэлектролиты.
5. Биологические функции белков. Конформация полипептидной цепи.
Ван-дер-ваальсовы силы.
6. Водородная связь и структура воды.
7. Физика белка. Переходы спираль - клубок. Белковая глобула и
гидрофобные взаимодействия. Структура и устойчивость глобулы.
Денатурация белков.
8. Первичная структура белковой цепи и пространственное строение
глобулы. Фибриллярные белки.
9. Рентгеноструктурный
анализ
биополимеров.
Рентгенография
фибриллярных
структур.
Рассеяние
рентгеновских
лучей
макромолекулами в растворе.
10.Электронные спектры биополимеров.
11. Теория оптической активности биополимеров. Спектрополяриметрия
биополимеров.
12.Люминесценция биополимеров.
13.Колебательные спектры биополимеров.
14.Спектры ядерного и электронного парамагнитного резонанса.
15.Химическая кинетика и катализ ферментов. Кинетика простых
ферментативных реакций.
16.Термодинамика ферментативных реакций.
17.Химические аспекты ферментативной активности.
8
18.Конформационные свойства ферментов. Влияние рН среды на
фермент.
Физические
аспекты
ферментативной
активности.
Металлоферменты.
19.Кооперативные свойства ферментов. Строение и свойства миоглобина
и гемоглобина. Феноменологическая теория равновесных свойств
гемоглобина.
20.Эффект Фарадея. Магнитное оптическое вращение в гемсодержащих
белках.
21.Аллостерические ферменты. Кинетика сложных ферментативных
реакций. Химическая релаксация.
22.Структура нуклеиновых кислот. Внутримолекулярные взаимодействия
в двойной спирали.
23.Термодинамика переходов спираль - клубок. Кинетика денатурации
ДНК.
24.Взаимодействия ДНК с малыми молекулами.
25.Редупликация ДНК.
26.Проблема генетического кода. Биосинтез белка.
27.Биосинтез белка. Транскрипция. Транспортные РНК. Рибосомы.
Генетический код.
28.Физический смысл генетического кода. Трансляция. Мутации.
29.Мембраны. Поверхности и границы раздела. Химический состав
мембран.
30.Липиды. Организация липидов.
31.Мембранные белки. Организация белков. Углеводы.
32.Структура мембран. Взаимодействие между белками и липидами и
структура мембран. Сборка мембран.
33.Морфология и функции различных биологических мембран.
Плазматические мембраны.
34.Митохондрии.
Хлоропласты.
Мезосомы.
Эндоплазматический
ретикулум. Аппарат Гольджи. Лизосомы. Тонопласты. Ядро.
35.Термодинамика процессов переноса. Термодинамическое равновесие,
процессы пассивного и активного транспорта.
36.Термодинамика стационарного состояния. Метод термодинамических
цепей.
37.Транспорт неэлектролитов. Законы диффузии.
38.Диффузия через мембраны. Опосредованная, или облегченная
диффузия.
39.Первично активный транспорт. Сопряженный транспорт.
40.Кинетика опосредованного транспорта.
41.Химическая природа систем транспорта неэлектролитов.
42.Системы транспорта с участием ферментов.
43.Окислительно-восстановительные системы. Белки, связывающие
субстрат.
44.Транспорт ионов. Ионное равновесие. Мембранный потенциал в случае
простого ионного равновесия.
9
45.Транспорт ионов. Равновесие Гиббса - Доннана. Диффузный двойной
электрический слой.
46.Уравнение электродиффузии: общий подход. Вывод общего
дифференциального уравнения электродиффузии.
47.Уравнение Гендерсона для разности потенциалов в непрерывном слое
при постоянных градиентах концентрации отдельных ионов.
48.Выражения для разности потенциалов в локально-электронейтральном
слое при постоянном поле: вывод Планка.
49.Выражение для разности потенциалов в непрерывном слое при
постоянном поле: вывод Гольдмана.
50.Применение уравнения постоянного поля для определения мембранной
разности потенциалов. Применение уравнения постоянного поля для
определения стационарного мембранного потенциала в присутствии
электрогенного натриевого насоса. Уравнение Ходжинга-Горовица.
51.Химическая природа систем ионного транспорта. (Na+ + K+) зависимая
АТФаза.
52.Химическая природа систем ионного транспорта. Ca2+ - зависимая
АТФаза.
53.Химическая природа систем ионного транспорта. Белки, связывающие
ионы. Транспорт ионов железа. Ионофоры.
54.Термодинамика транспорта воды через мембраны. Состояние воды в
клетках.
55.Специальные механизмы транспорта. Пермеазы олигопептидов.
Паноцитоз.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Молекулярная биофизика»
а) основная литература:
1. Артюхов В.Г. Биофизика: учебник для вузов Серия: Фундаментальный
учебник. -Екатеринбург: Деловая книга, Академический проект, 2009. ISBN:
978-5-8291-1081-9, 978-5-88687-203-3
2. Джаксон, Мейер Б. Молекулярная и клеточная биофизика -М.: Мир:
БИНОМ. Лаб. Знаний, 2009. -551 с.
3. Журавлев А.И., Белановский А.С., Новиков В.Э. и др., Основы физики и
биофизики, 2008, БИНОМ. Лаборатория знаний (ISBN 978-5-94774-777-5)
б) дополнительная литература:
1. Рубин, Андрей Борисович Биофизика: В 2 т.: Учеб. для студентов биол.
спец. вузов/ Андрей Борисович Рубин. - 2-е изд., испр. и доп. Т. 1:
Теоретическая биофизика -М.: Кн. дом "Университет", 1999. -448 с.: ил.
10
2. Рубин, Андрей Борисович Биофизика: В 2 т.: Учеб. для студентов биол.
спец. вузов/ Андрей Борисович Рубин. - 2-е изд., испр. и доп. Т. 2: Биофизика
клеточных процессов -М.: Кн. дом "Университет", 2000. -467, [1] с.: ил.
3. Антонов, Валерий Федорович, Черныш, Александр Михайлович,
Пасечник, Виктор Иванович Биофизика : учебник . -3-е изд., испр. и доп. -М.:
ВЛАДОС, 2006. 287, [1] с.: рис.
5. Волькенштейн, Михаил Владимирович Биофизика: учеб. пособие. -3-е
изд., стер. -СПб.; -М.; -Краснодар: Лань, 2008. -594, [14] с.: табл., граф.
в) Интернет-ресурсы:
1. Большая библиотека: http://tech-biblio.ru/index.php
2.
Кафедра
оптики
и
биофотоники.
On-line
http://optics.sgu.ru/library/education/
библиотека.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Молекулярная
биофизика»
Мультимедийный
проектор;
ноутбук;
лаборатория биофизического практикума.
компьютерный
класс;
Программа составлена в соответствии с требованиями ОС ВПО по
направлению Физика живых систем и ООП по профилям подготовки
Биофизика и Медицинская фотоника.
Авторы:
доцент. каф. оптики и биофотоники,
к.ф.-м.н.
А.Н. Башкатов
доцент. каф. оптики и биофотоники,
к.х.н.
А.Б.Правдин
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от 20 мая 2011 года, протокол № 6/11.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин
11