Содержание курса «Современные физико

Содержание курса «Современные физико-химические методы в биологии» для
студентов 1-го курса магистратуры ДО факультета биологических наук
Модуль 1. Биологические объекты и физико-химические инструменты
анализа.
Комплексная цель: сформировать представление об особенностях структурной
организации биологических объектов как предмета исследования современной биологии и
важности понимания макромолекулярной структуры для объяснения функциональной
активности молекул.
Задачи:
1) рассмотреть особенности структурной организации и физико-химических
свойств отдельных элементов живой клетки;
2) изучить классификацию физико-химических методов анализа, используемых для
исследования живых объектов;
3) изучить важность понимания макромолекулярной структуры для обоснования
функциональной активности отдельных элементов живых систем.
1 Краткая история становления использования физико-химических методов
для изучения свойств живых объектов.
Основные этапы развития физико-химического подхода к изучению живых
организмов. Шкалы длин и времени в биологии.
Физико-химические методы анализа в биохимии – общая характеристика и основы
методологии. Группы методов применяемые в биологии. Комплементарность физических
методов
исследования
–
термодинамика,
гидродинамика,
рассеяние
излучения,
спектроскопия, детектирование одиночных молекул.
2 Биологические макромолекулы и физико-химические инструменты.
Макромолекулы и их окружение. Растворы макромолекул. Макромолекулы, вода и
соли.
Макромолекулы
как
физические
частицы.
Особенности
структурной
и
функциональной организации, физико-химических свойств основных макромолекул –
белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды. Иерархичность структурной организации
макромолекул.
3 Основные принципы понимания макромолекулярной структуры. Основные
физические
и
математические
инструменты.
Динамика
и
структура,
кинетика,
кинематика, релаксация. Силы, стабилизирующие макромолекулы. Физическая модель
динамики белков: конформационные подсостояния на картине энергии и специфические
движения в белках; динамический переход и средние эффективные константы упругости;
эффекты растворителя, гидратация мембран и белков; видеоизображение промежуточных
структур.
Проектное задание к модулю 1:
1) Подготовьте краткую информацию о вкладе исследователя в развитии науки и
использовании методов физико-химического анализа в биологии: М. Вилкинс (M.
Wilkins), А. Стокс (A. Stokes), Ч. Вилсон (H. Wilson), Р. Франклин (R. Franklin), Р. Гослинг
(R. Gosling), Макс Перутц (Max Perutz), Джон Кендрю (Jon Kendrew), Атанасиус Киршер
(Athanasius Kircher), Луиджи Галвани (Luigi Galvani), Алессандро Вольта (Alessandro
Volta), Эмиль Генрих Дюбуа-Реймонд (Emil Heinrich Du Bois-Reymond), Аббе Ноллет
(Abbe Nollet), Рене Дютроше (Rene J.H. Dutrochet), Адольф Фик (Adolf Fick), Эмиль
Фишер (Emil Fischer), Жан Перрен (Jean Perrin), Вернер Кун (Werner Kuhn), Герман
Штаудингер (Hermann Staudinger), Петер Эвлд (Peter Ewald), Макс фон Лауэ (Max von
Laue), Х. Уильям (H. William), В. Брегг (W. Laurence Bragge), Теодор Сведберг (Theodor
Svedberg), Макс Дельбрюк (Max Delbruck), Эрвин Шрёдингер, Ганс Гофмайтер (Hans
Hofmeister), Фредерик Джордж Донан (Frederick George Donnan).
2) Проведите сравнительный анализ особенностей структурной организации,
физико-химических свойств основных макромолекул, образующих живой организм,
заполнив следующую таблицу:
Особенности/свойства
Белки
Нуклеиновые
кислоты
Углеводы
Липиды
Структурные
элементы
(нарисуйте
химические
компоненты мономеров)
Физические свойства:
А) мономеров
Б) макромолекулы
Химические свойства:
А) мономеров
Б) макромолекулы
Уровни
структурной
организации
(иерархических принцип)
Функциональная роль
2) Представьте краткую характеристику сил, стабилизирующих макромолекулы и
опишите характер изменения структурно-функциональной организации молекул при
изменении физико-химических свойств среды (рассмотрите конкретную молекулу и
определенный характер изменения условий окружающей среды).
3) Укажите особенности использования физико-химических методов исследования
применительно к живым объектам.
4) Способы классификации физико-химических методов анализа, используемых в
биологии.
Модуль 2. Физико-химические методы анализа живых систем: основные
принципы, возможности и перспективы развития.
Комплексная
цель:
сформировать
представление
о
физико-химических
принципах, лежащих в основе отдельных методов анализа живых систем, их
возможностях и перспективах дальнейшего развития.
Задачи:
1) изучить физико-химические принципы, лежащие в основе отдельных методов
исследования;
2) рассмотреть границы применимости и возможности отдельных методов анализа;
3) изучить возможные пути развития отдельных методов анализа и их вклад в
понимание структурно-функциональной организации живых объектов.
2 Методы непосредственного наблюдения. Физические принципы, лежащие в
основе микроскопии.
Оптическая микроскопия. Основы теории микроскопии. Классическая световая,
конфокальная и безлинзовая микроскопия.
Микроскопия силового поля (сканирующая зондовая микроскопия). Основные
принципы атомно-силовой микроскопии. Визуализация биологических структур.
Флуоресцентная
микроскопия.
Классическая
флуоресцентная
микроскопия.
Флуоресцентная микроскопия вне дифракционного барьера. Жизнь клетки в реальном
времени.
Электронная микроскопия – общие принципы, подходы к практическому
применению.
Особенности
Современные виды
подготовки
электронных
образцов
микроскопов
–
к
проведению
растровые
и
исследования.
просвечивающие
электронные микроскопы.
3 Физико-химические основы общелабораторных методов анализа.
Радиоактивные методы анализа – введение радиоактивных меток и измерение
радиоактивности. Особенности подготовки образцов к исследованию.
Авторадиография.
Молекулярная
авторадиография.
Авторадиография
электронная микроскопия.
4 Физико-химические основы методов разделения и идентификации веществ.
и
Мембранная фильтрация и диализ. Современные фильтры для биологических
исследований. Различные приложения мембранных фильтров. Диализ и молекулярная
фильтрация.
Хроматография – принципы, виды и применение в биологии.
Электрофорез
–
основные
виды,
особенности
применения
в
биологии.
Капиллярный электрофорез. Изоэлектрофорез, препаративный и иммуноэлектрофорез.
5 Спектроскопические методы исследования – физико-химические основы.
Спектроскопия в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной области
спектра. Инфракрасная спектроскопия и романовская спектроскопия (спектроскопия
комбинированного рассеяния). Люминесцентная спектроскопия. Спектроскопия ядерного
магнитного резонанса.
Масс-спектроскопия. Принципы работы и типы спектрометров. Практическое
применение.
Дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм.
Атомная
спектроскопия:
атомно-абсорбционная
спектроскопия
и
атомно-
флуоресцентная спектроскопия, оптическая эмиссионная спектроскопия с индуктивносвязанной плазмой.
Рентгеноструктурный анализ – принципы работы.
Проектное задание к модулю 2:
1) Поведите сравнительную характеристику основные методов микроскопии,
заполнив следующую таблицу:
Особенности/свойства
Оптическая
микроскопия.
Микроскопия
силового поля
Флуоресцентная
микроскопия
Электронная
микроскопия
Принцип работы
Особенности образца
Характер получаемого
результата
исследования
Принципиальная схема
устройства прибора
Границы применения
2) Рассмотрите общие принципы, лежащие в основе разделения индивидуальных
веществ. Дайте сравнительную характеристику отдельным видам:
А) хроматоргафии
Б) электрофореза.
3) Дайте краткую характеристику отдельным спектроскопическим методам
исследования и проведите их сравнение.
Модуль 3. Биосенсоры и технологии внелабораторного анализа.
Комплексная цель: сформировать представление об особенностях организации и
возможностях
использования
современной
биосенсорной
технологии,
а
также
существующих подходов к осуществлению внелабораторного анализа.
Задачи:
1) изучить основные свойства и способы получения биосенсоров;
2) изучить современное состояние и возможности дальнейшего развития
биосенсорных технологий;
3) изучить существующие подходы к осуществлению внелабораторного анализа.
6 Биосенсоры – общая характеристика и состояние проблемы.
Электрохимические
биосенсоры
на
основе
проводящих
полимеров
и
электроактивных поликристаллов. Биосенсорные системы на основе ферментов для
медико-биологических исследований. Биосенсоры на основе клеток микроорганизмов.
Био- и иммуносенсоры для определения патогенных микроорганизмов в биомедицинских
объектах.
Особенности иммунологических методов исследования. Проточная лазерная
цитофлюориметрия – общие принципы и правила проведения. Виды цитометров.
Биологические микрочипы – общая характеристика, принципы функционирования
и границы применимости.
7
Технологии
внелабораторного
анализа,
портативные
аналитические
технологии.
Подвижные лаборатории и портативные аналитические приборы – основа
внелабораторного анализа. Особенности химических и биохимических тест-систем.
Примеры внелабораторного анализа: экспресс-обнаружение наркотиков, персональные
тесты для определения глюкозы в крови.
Проектное задание к модулю 3:
1) Представить сравнительную характеристику биосенсоров на основе ферментов и
отдельных клеток – преимущества и недостатки.
2) Иммуносенсоры – особенности организации и возможные направления
использования.
3)
Биологические
направления использования.
микрочипы
–
особенности
организации
и
возможные
4) Портативные аналитические системы - особенности организации и возможные
направления использования.
Темы реферативных сообщений:
1 Физико-химические основы спектроскопии.
2 Фазово-контрастная, интерференционная, поляризационная и флуоресцентная
микроскопия.
3 Электронная микроскопия – общие принципы, подходы к практическому
применению.
4 Растровые и просвечивающие электронные микроскопы.
5 Конфокальная микроскопия – принципы и методы.
6 Сканирующие зондовые микроскопы – сканирующие туннельные и атомносиловые микроскопы.
7 Капиллярный электрофорез.
8 Изоэлектрофорез, препаративный и иммуноэлектрофорез.
9 Проточная лазерная цитофлюориметрия – общие принципы и правила
проведения.
10 Инфракрасная спектроскопия и романовская спектроскопия (спектроскопия
комбинированного рассеяния).
11 Масс-спектроскопия.
12 Биосенсоры – общая характеристика и состояние проблемы.
13 Биосенсоры на основе клеток микроорганизмов.
14 Био- и иммуносенсоры.
15
Биологические
микрочипы
–
общая
характеристика,
принципы
функционирования и границы применимости.
16 Технологии внелабораторного анализа, портативные аналитические технологии.
17 Подвижные лаборатории и портативные аналитические приборы – основа
внелабораторного анализа.
18 Особенности химических и биохимических тест-систем.
19 Примеры внелабораторного анализа: экспресс-обнаружение наркотиков,
персональные тесты для определения глюкозы в крови.
Дополнительные темы могут выдвигаться студентами и обсуждаться в ходе
семинарских занятий.
Перечень вопросов к зачету по курсу «Современные физико-химические
методы в биологии»
1 Микроскопия – физико-химические основы. Виды микроскопов и их применение
для исследования живых систем.
2 Электронная микроскопия – общие принципы, подходы к практическому
применению.
3 Растровые и просвечивающие электронные микроскопы.
4 Конфокальная микроскопия – принципы и методы.
5 Сканирующие зондовые микроскопы – сканирующие туннельные и атомносиловые микроскопы.
6 Радиоактивные методы анализа – введение радиоактивных меток и измерение
радиоактивности. Особенности подготовки образцов к исследованию.
7 Авторадиография.
8 Мембранная фильтрация и диализ. Современные фильтры для биологических
исследований.
9 Хроматография – принципы, виды и применение в биологии.
10 Электрофорез – основные виды, особенности применения в биологии.
11
Капиллярный
электрофорез.
Изоэлектрофорез,
препаративный
и
иммуноэлектрофорез.
12 Особенности иммунологических методов исследования. Проточная лазерная
цитофлюориметрия.
13 Спектроскопия в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной области
спектра.
14 Инфракрасная спектроскопия и романовская спектроскопия (спектроскопия
комбинированного рассеяния).
15 Люминесцентная спектроскопия.
16 Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Масс-спектроскопия.
17 Атомная спектроскопия: атомно-абсорбционная спектроскопия и атомнофлуоресцентная спектроскопия, оптическая эмиссионная спектроскопия с индуктивносвязанной плазмой.
18 Биосенсоры – общая характеристика и состояние проблемы.
19
Биологические
микрочипы
–
общая
характеристика,
принципы
функционирования и границы применимости.
20 Подвижные лаборатории и портативные аналитические приборы – основа
внелабораторного анализа.
21 Особенности химических и биохимических тест-систем.
22 Примеры внелабораторного анализа.
а) основная литература:
1.
Принципы и методы биохимии и молекулярной биологии/ Ред. К. Уилсон,
Дж. Уолкер. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. – 848 с.
2.
Нолтинг Б. Новейшие методы исследования биосистем. М.: Техносфера,
2005. – 256 с.
3.
Сердюк И., Заккаи Н., Заккаи Дж. Методы в молекулярной биофизике:
структура, функция, динамика. Т.1. М.: КДУ, 2009. – 568 с.
4.
Сердюк И., Заккаи Н., Заккаи Дж. Методы в молекулярной биофизике:
структура, функция, динамика. Т.2. М.: КДУ, 2010. – 736 с.
5.
Биохимические методы анализа /Под ред. Б.Б. Дзантиева. / Проблемы
аналитической химии, Т.12. М.: Наука, 2010.- 391 с.
6.
Внелабораторный химический анализ / Под ред. Ю.А. Золотова. / Проблемы
аналитической химии, Т.13. М.: Наука, 2010.- 5641 с.
7.
Мак-Махон Дж. Аналитические приборы. Руководство по лабораторным,
портативным и миниатюрным приборам. СПб.: ЦОП «Профессия», 2009.- 352 с.
8.
Фрайдфелдер Д. Физическая биохимия. М.: Мир, 1980.- 582 с
9.
Иммуноферментный анализ / Под ред. Т. Нго, Г. Ленхоффа. М.: Мир, 1988.-
10.
Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия. В 3-х т. М.: Мир, 1984.- Т.2. –
446 с.
496 с.
б) дополнительная литература:
1 Кореневский Н.А., Попечителев Е.П., Серегин С.П. Медицинские приборы,
аппараты, системы и комплексы. Курск: ОАО «ИПП «Курск», 2009. – 986 с.
2 Банкин М.П., Банкина Т.А., Коробейникова Л.П. Физико-химические методы в
агрономии и биологии почв. СПб.: Изд-во СПГУ, 2005.- 177 с.