Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

УТВЕРЖДАЮ

Декан ФМФ

В.К. Иванов

«_» _ _ г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Спектральные методы биофизики Кафедра-разработчик Биофизика Направление (специальность) подготовки 011200 Физика Наименование ООП Квалификация (степень) выпускника Магистр Образовательный стандарт Федеральный ГОС Форма обучения очная Соответствует ФГОС ВПО.

Утверждена протоколом заседания кафедры Биофизика № 2 от 17.05. Программу в соответствии с ФГОС ВПО разработали:

кфмн В.В. Исаев-Иванов 1. Цели и результаты изучения дисциплины 1.1. Цели изучения дисциплины Целью изучения дисциплины «Спектральные методы биофизики» является более детальное ознакомление студентов с современными биофизическими методами исследования структуры и функции отдельных белков и крупных белково-нуклеиновых комплексов. Новые возможности известных биофизическим подходов, таких как флуоресцентная спектроскопия, малоугловое рассеяние нейтронов (МРН), лазерная спектроскопия неупругого рассеяние света, атомная силовая микроскопия (АСМ), сканирующая оптическая микроскопия и др., стали реализовываться сравнительно недавно благодаря технической революции конца прошлого века, которая привела к существенному повышению разрешающей способности ряда классических методов в новейших приборах.

Дисциплина направлена на увеличение научно-методического кругозора будущих исследователей, учит его адекватно пользоваться спектральными методами в решении профессиональных задач.

1.2. Результаты обучения (компетенции) выпускника, в формирование которых вносит вклад освоение дисциплины Код Результат обучения (компетенция) выпускника ООП ОК- способностью демонстрировать углубленные знания в области математики и естественных наук ОК- способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять свое научное мировоззрение ПК- способностью свободно владеть фундаментальными разделами физики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своей магистерской программой) ПК- способностью использовать знания современных проблем физики, новейших достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности ПК- способностью использовать свободное владение профессиональнопрофилированными знаниями в области информационных технологий, современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки 1.3. Планируемые результаты освоения дисциплины -уметь понимать современные проблемы физики и использовать фундаментальные физические представления в сфере профессиональной деятельности;

-способность использовать современные методы обработки и интерпретации физической информации при проведении научных физических исследований;

-способность самостоятельно с применением современных компьютерных технологий анализировать, обобщать и систематизировать результаты физических работ;

-иметь навыки практического использования методов физики для решения практических задач.

2. Место дисциплины в ООП Согласно ФГОС ВПО направления 011200 «Физика» (квалификация «магистр») дисциплина «Спектральные методы биофизики» относится к дисциплинам по выбору профессионального цикла М.2.

Дисциплину «Спектральные методы биофизики» студенты изучают в 9-м семестре (пятый год обучения).

Изучение дисциплины «Спектральные методы биофизики» опирается на знания в области математики, физики, теоретической физики, экспериментальных методов биофизики, освоенные студентами на предшествующих этапах обучения.

Результаты изучения дисциплины «Спектральные методы биофизики»

используются при изучении дисциплин профессионального цикла М.3, при выполнении НИРС и при подготовке магистерской диссертации.

Курс состоит из лекционного материала.

3. Распределение трудомкости освоения дисциплины по видам учебной работы 3.1. Виды учебной работы в том числе творческая проблемно-ориентированная самостоятельная – работа Общая трудоемкость освоения дисциплины в академических часах: 3.2. Формы контроля 4. Содержание и результаты обучения 4.1. Разделы дисциплины и виды учебной работы Неупругое рассеяние света Лазерная спектроскопия неупругого рассеяние света Современные методы световой микроскопии Флуоресцентная спектроскопия Теоретические аспекты флуоресцентной микроскопии Исследование белков методами флуоресцентной микроскопии (белок Малоугловое рассеяние нейтронов (МРН) Теоретические аспекты метода МРН Получение структурной информации методом МРН Атомная силовая микроскопия (АСМ) Принципы сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии Устройство современного сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) Сканирующая оптическая микроскопия Принципы и методы сканирующей оптической микроскопии Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) 4.2. Содержание разделов и результаты изучения дисциплины 1. Введение 1.1. Введение Научно-техническая революция конца прошлого века. Основы оптической микроско-пии, увеличение, пределы разрешения. Оптические методы изучения атомного устройства материалов. Новые возможности классических методов и их применимость к молекулярно-му анализу биологических объектов. Электронная микроскопия (ТЭМ, СЭМ). Дифракция света, рентгеновских лучей, медленных электронов.

2. Неупругое рассеяние света 2.1. Лазерная спектроскопия неупругого рассеяние света Излагаются основы теории и экспериментальные спектрального разрешения с методы исследования неупругого рассеяния света использованием лазеров в видимой и высокого спектрального разрешения с использованием лазеров в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Приводятся примеры исследования колебательных спектров и спектров электронного (дырочного) рассеяния твердых тел (полупроводниковых кристаллов и наноструктур) с целью определения совершенства кристаллической структуры, концентрации, а также химического состава легирующих примесей. Рассматриваются спектры особо чистой воды и биомолекул в условиях близких к физиологическим, в которых сохраняется биологическая активность. Такие исследования позволяют детектировать спектры отдельных молекулярных групп и прослеживать изменения структуры в результате межмолекулярных взаимодействий.

2.2. Современные методы световой микроскопии Цели и задачи световой микроскопии, области применения, ограничения метода. Теоретические применять методы обработки основы световой микроскопии: оптическая схема, увеличение, разрешающая способность, контраст. Устройство современного светового микроскопа: прямой и инвертирован-ный микроскоп, освещение в проходящем и отраженном свете. Подготовка препаратов для биологических исследований. Цитохимические методы контрастирования. Оптические методы контрастирования: темное поле, фазовый и интерференционный контраст. Люминес-ценция.

Видеомикроскопия: применение, принципы и ограничения, цифровое разрешение. Типы видеосистем и их сопряжение с микроскопом.

Методы обработки изображений:

количественные измерения, документирование и хранение информации. Конфокальная микроскопия: принципы, схема конфокального микроскопа, разрешающая способность, методы исследования, применение. 4-пи конфокальная микроскопия. Мультифотонная микроскопия.

Новейшие методы: FRAP, FRET, TIRFM, FLIM, STED. Практическое занятие (в ИНЦ РАН):

анализатор микроизображений; лазерный сканирующий конфокальный микроскоп.

3. Флуоресцентная спектроскопия 3.1. Теоретические аспекты флуоресцентной Знание теоретических основ микроскопии Пути перехода молекулы в возбужденное состояние и обратно. Время жизни возбужденного состояния. Флюоресценция и фосфоресценция. Независимость спектров флюоресценции от длины волны возбуждения.

Стоксов сдвиг. Зеркальная симметрия колебательных подуров-ней основного и возбужденного состояний. Методы измерения флюоресценции. Понятие спектра эмиссии и спектра возбуждения. Интенсивность флюоресценции. Квантовый выход флюоресценции. Белковая флюоресценция и флюоресценция нуклеиновых кислот.

Чувствительность флюоресценции хромофора к окружению. Синглет-синглетный перенос энергии. Измерение расстояния между хромофорами по данным об эффективности переноса энергии.

3.2. Исследование белков методами флуоресцентной микроскопии (белок RecA) Принципы функционирования и структурные особенности бактериального RecA белка в составе пресинаптического комплекса при проведении гомологичной рекомбинации.

Трхмерная доменная структура RecA белка по данным рентгеноструктурного анализа.

Особенности разделения тирозиновых и триптофановых остатков по структуре белка.

Гашение тирозиновой и триптофановой флюоресценции RecA белка при его взаимодействии с ATP S за счет синглетсинглетного переноса энергии с аденина ATP S на тирозиновые и триптофановые остатки.

Особенности гашения триптофановой составляющей флюоресценции, интеграл перекрытия.

4. Малоугловое рассеяние нейтронов (МРН) 4.1. Теоретические аспекты метода МРН Рассеяние плоской волны веществом.

Преобразование Фурье основа расчетов амплитуд для анализа биологических объектов.

рас-сеяния по заданной системе рассеивающих центров и плотности поля рассеяния по заданной амплитуде рассеяния. Рассеяние тепловых нейтронов на ядрах. Малоугловое рассеяние дисперсными системами. Растворы частиц.

Монодисперсные и полидисперсные системы.

Понятие контраста. Концентрированные и разбавленные системы. Изолированная частица, формула Дебая. Корреляционная функция.

Однородные частицы. Инвариант Порода. Двух и многофазные объекты.

4.2. Получение структурной информации методом МРН Прямая задача малоуглового рассеяния нейтронов на спиральных структурах в растворе.

Обратная задача определения параметров филаментной структуры бактериальных RecA белков методом малоуглового рассеяния нейтронов. Экспериментальные данные по сравнительному анализу структур бактериальных RecA белков при их взаимодействии с нуклеотидными кофакторами. Современное понимание структурной организации хроматина в ядрах высших. Первый уровень организации нуклеосомная структура. Следующий уровень организации упаковка нуклеосом в 30-нм фибриллы. Иррегулярная модель упаковки нуклеосом типа зигзаг. Более высокие уровни организации хроматина – петли. Современные возможности установок малоуглового рассеяния нейтронов по соотношению переданный вектор рассеяния – линейный размер рассеивателя Экспериментальные данные по малоугловому рассеянию нейтронов полученные на ядрах эритроцитов курицы. Фрактальный характер упаковки нуклеосом в составе хроматина.

Насыщение масс-фрактала. Контрастирование образцов. Различная фрактальная размерность в упаковке ДНК и белка в хроматине.

5. Атомная силовая микроскопия (АСМ) 5.1. Принципы сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии Сканирующая туннельная микроскопия, базовый принцип, пространственное и спектраль-ное разрешение. Атомно-силовой микроскоп, основные узлы, описание работы. История открытия сканирующего туннельного микроскопа: от топографайнера до управляемого вакуумного туннелирования.

5.2. Устройство современного сканирующего Представления об устройстве зондового микроскопа (СЗМ) Следящая система атомно-силового микроскопа измерения рельефа в СЗМ.

(АСМ), получение изображения. Конструк-ция, материалы и параметры зонда. Потенциал взаимодействия зонд-поверхность. Границы АСМ разрешения по вертикали и в плоскости.

Два основных режима работы: контактный и бесконтактный (резонансный). Простейшие основы теории измерения рельефа в СЗМ.

Популярные модели сканирующего зондового микроскопа.

6. Сканирующая оптическая микроскопия 6.1. Принципы и методы сканирующей оптической микроскопии Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ). Режим поперечно-силовой микроскопии в работе СБОМ. Методы пропускания и отражения, люминесцентный метод. Интерференция света, иллюстрация.

Движение осциллятора в переменном поле.

Физический смысл коэффициента преломления.

Аберрации (сферическая и хроматическая).

Спектроскопия молекул. Комбинационное рассеяние света. Лазерная спектроскопия неупругого рассеяния света.

Фотолюминесценция.

6.2. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) Контактные методики СЗМ. Резонансные методики СЗМ. Работа прибора в различных средах. Зондовая микроскопия и биология. Способы иммобилизации биологических объектов.

Классификация Зондов СЗМ. Оптический пинцет (световое давление, лазерные ловушки для одиночных ионов). Фотонный силовой микроскоп. Исследование внутренностей клетки с помощью магнитной частички-метки и фотонного силового микроскопа. Парадигма исследования биологических объектов.

Принципы СЗМ манипуляции бионанообъектами. Квантовые кораллы.

5. Образовательные технологии В преподавании дисциплины «Спектральные методы биофизики» используются преимущественно традиционные образовательные технологии - лекции.

Семинары по дисциплине «Спектральные методы биофизики» осуществляются в рамках общей программы дисциплины «Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации» (9-й, 10-й и 11-й семестр).

Лабораторный практикум по дисциплине «Спектральные методы биофизики»

осуществляется в рамках общей программы дисциплины «Научно-исследовательская работа» на 5-м курсе обучения.

Объм лекционных занятий составляет 100% общего объма аудиторных занятий. Превышение предельного норматива, установленного ФГОС ВПО для ООП, компенсируется уменьшенной долей лекционных занятий по другим дисциплинам в рамках ООП и в целом по ООП норматив выполнен.

Занятия в активной и интерактивной формах Интерактивные лекции-консультации по принципам спектральных методов Интерактивные проблемные лекции по методу атомной силовой микроскопии Интерактивные практические занятия-семинары по методам решения обратных задач 6. Лабораторный практикум Лабораторный практикум по дисциплине «Спектральные методы биофизики»

осуществляется в рамках общей программы дисциплины «Научно-исследовательская работа» на 5-м курсе обучения.

7. Практические занятия Практические занятия по дисциплине «Спектральные методы биофизики» проводятся в объеме 12 час в виде:

-интерактивные лекции-консультации по принципам флуоресцентной спектроскопии (раздел 3), малоугловое рассеяние нейтронов (раздел 4) и сканирующая зондовая микроскопия (раздел 6);

-интерактивные проблемные лекции по методу атомной силовой микроскопии (раздел 5);

-интерактивные практические занятия-семинары по методам решения обратных задач.

8. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов СРС направлена на закрепление и углубление освоения учебного материала, развитие практических умений и включает:

– работа с лекционным материалом, с рекомендованной учебной литературой;

– изучение разделов, вынесенных на самостоятельную проработку (раздел 2.2.

Современные методы световой микроскопии);

– подготовка к экзамену.

Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа студентов включает:

-анализ фактических данных, полученных методом малоуглового рассеяния нейтронов, путем решения обратной задачи (раздел 4.2. Получение структурной информации методом МРН). Решение задачи контролируется преподавателем в индивидуальном порядке. По итогам самостоятельной проблемно-ориентированной работы выставляется оценка.

Примерное распределение времени самостоятельной работы студентов подготовка к контрольным работам, коллоквиумам, зачтам анализ данных по заданной теме, выполнение расчтов, составление схем и моделей на основе собранных данных 9. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 9.1. Адрес сайта курса РПД размещается по адресу http://biophysics.spbstu.ru/399_01w.html.

9.2. Рекомендуемая литература Основная литература Автор, название, место издания, издательство, год (годы) Год К-во Место стереоскопическими иллюстрациями. Учеб. пособие для вузов по биол. спец.. / А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын — Москва Книжный дом "Университет", исследования лекарственных веществ. учеб. пособие для вузов по направл. 140400 "Техническая физика". / В. Д.

Паутов — СПб. Изд-во Политехн. ун-та, Курс общей физики. учеб. пособие для вузов по техн. и 2006 190 Библиотека технолог. направлениям. в 3 т.. / И. В. Савельев — СПб. Лань, Дополнительная литература 1. Лазерная сканирующая конфокальная микроскопия. метод. пособие. / Г. И. Штейн — Санкт-Петербург Изд-во СПбГПУ, Ресурсы Интернета 1. специализированный Интернет-сайт / http://www.biologie.uni-hamburg.de/bonline/e03/03.htm 9.3. Технические средства обеспечения дисциплины http://univertv.ru/, разделы Физика, Химия http://www.bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/ Интернет-портал «Легендарный Физтех».htm 10. Материально-техническое обеспечение дисциплины Аудиторный класс, наличие проектора для демонстрации наглядных пособий и экрана.

Компьютерный класс, лицензионное программное обеспечение, Internet.

Наличие лабораторной базы для проведения научно-исследовательской работы, включая химические реактивы, приборы (спектрофотометр, флуориметр, аналитические весы, рН-метр) и лабораторные принадлежности (химическую посуду, автоматические пипетки).

11. Критерии оценивания и оценочные средства 11.1. Критерии оценивания Качество освоения дисциплины "Спектральные методы биофизики" оценивается при проведении экзамена.

Итоговая оценка на экзамене выставляется с учетом активности студента на практических занятиях, проводимых в интерактивной форме. Принимается также во внимание оценка за решение типовых обратных спектрометрических задач, занятия, проводимые в рамках творческой проблемно-ориентированной самостоятельной работы студентов по разделу 4.2. дисциплины.

11.2. Оценочные средства Вопросы для экзамена:

1. Неупругое рассеяние света 2. Лазерная спектроскопия неупругого рассеяние света 3. Примеры исследования колебательных спектров и спектров электронного (дырочного) рассеяния твердых тел (полупроводниковых кристаллов и наноструктур) 4. Современные методы световой микроскопии 5. Теоретические основы световой микроскопии: оптическая схема 6. Увеличение, разрешающая способность, контраст.

7. Устройство современного светового микроскопа: прямой и инвертированный микроскоп, освещение в проходящем и отраженном свете.

8. Оптические методы контрастирования: темное поле, фазовый и интерференционный контраст.

9. Видеомикроскопия: применение, принципы и ограничения, цифровое разрешение.

Типы видеосистем и их сопряжение с микроскопом.

10. Методы обработки изображений: количественные измерения, документирование и хранение информации.

11. Конфокальная микроскопия: принципы, схема конфокального микроскопа, разрешающая способность, методы исследования, применение. 4-пи конфокальная микроскопия. Мультифотонная микроскопия.

12. Теоретические аспекты флуоресцентной микроскопии 13. Пути перехода молекулы в возбужденное состояние и обратно. Время жизни возбужденного состояния. Флюоресценция и фосфоресценция.

14. Методы измерения флюоресценции. Понятие спектра эмиссии и спектра возбуждения.

15. Интенсивность флюоресценции. Квантовый выход флюоресценции.

16. Белковая флюоресценция и флюоресценция нуклеиновых кислот. Чувствительность флюоресценции хромофора к окружению.

17. Синглет-синглетный перенос энергии.

18. Измерение расстояния между хромофорами по данным об эффективности переноса энергии.

19. Исследование белков методами флуоресцентной микроскопии (белок RecA) 20. Теоретические аспекты метода малоуглового рассеяния нейтронов (МРН) 21. Монодисперсные и полидисперсные системы. Понятие контраста.

22. Изолированная частица, формула Дебая. Корреляционная функция.

23. Получение структурной информации методом МРН 24. Прямая задача малоуглового рассеяния нейтронов на спиральных структурах в растворе.

25. Обратная задача определения параметров филаментной структуры бактериальных RecA белков методом малоуглового рассеяния нейтронов.

26. Фрактальный характер упаковки нуклеосом в составе хроматина. Насыщение массфрактала.

27. Фрактальная размерность в упаковке ДНК и белка в хроматине.

28. Принципы сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии 29. Устройство современного сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) 30. Потенциал взаимодействия зонд-поверхность. Границы АСМ разрешения по вертикали и в плоскости.

31. Простейшие основы теории измерения рельефа в СЗМ. Популярные модели сканирующего зондового микроскопа.

32. Принципы и методы сканирующей оптической микроскопии 33. Движение осциллятора в переменном поле. Физический смысл коэффициента преломления.

34. Аберрации (сферическая и хроматическая). Спектроскопия молекул.

35. Комбинационное рассеяние света. Фотолюминесценция.

12. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины Контроль уровня знаний студентов рекомендуется осуществлять в виде устного экзамена (тестирования), проводимого после окончания изложения материала по каждой теме и перед началом нового тематического раздела.