Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

УТВЕРЖДАЮ

Декан ФМФ

В.К. Иванов

«_» _ _ г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Физика белка Кафедра-разработчик Биофизика Направление (специальность) подготовки 011200 Физика Наименование ООП Квалификация (степень) выпускника Бакалавр 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:

дфмн М.Г. Петухов 1. Цели и результаты изучения дисциплины 1.1. Цели изучения дисциплины Целью изучения дисциплины Физика белка является ознакомление студентов с современным состоянием знаний о структуре и молекулярных механизмах функционирования макромолекул различных типов (белки, ДНК, полисахариды и т.д.), а также с современными экспериментальными методами структурных и биофизических исследований биомакромолекул, молекулярного моделирования и конформационного анализа.

Задачей этой дисциплины является не только усвоение студентами необходимого базового набора знаний о структуре и механизмах функционирования белков и их комплексов с другими биологическими молекулами, но и развитие способности осмысливать исследуемые биологические процессы как взаимодействия биомакромолекул, имеющих пространственную структуру и динамические характеристики.

1.2. Результаты обучения (компетенции) выпускника, в формирование которых вносит вклад освоение дисциплины Код Результат обучения (компетенция) выпускника ООП ОК- способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук ОК- способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области информатики и современных информационных технологий, навыки использования программных средств и навыков работы в компьютерных сетях; умением создавать базы данных и использовать ресурсы Интернет ПК- способностью использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач ПК- способностью применять на практике базовые профессиональные навыки ПК- способностью использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин (в соответствии с профилем подготовки) ПК- способностью применять на практике базовые общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований (в соответствии с профилем подготовки) ПК- способностью пользоваться современными методами обработки, анализа и синтеза физической информации (в соответствии с профилем подготовки) 1.3. Планируемые результаты освоения дисциплины – знание основных методов и примов математики линейной алгебры, матричного анализа, математического анализа, теории дифференциальных уравнений, теории вероятностей и матстатистики, применяемы для исследования биомакромолекул;

– умение применять математические методы для решения типичных задач профессиональной области, в том числе с использованием стандартного программного обеспечения;

– умение ориентироваться в методах моделирования структуры биомакромолекул;

– умение использовать современные методы анализа структуры и динамики биомакромолекул.

– учебные умения, позволяющие с высокой степенью самостоятельности осваивать новые биофизические методы и модели, используемые в профессиональной области.

2. Место дисциплины в ООП Согласно ФГОС ВПО направления 011200 «Физика» (квалификация «бакалавр») дисциплина «Физика белка» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла Б.3.

Дисциплину «Физика белка» студенты изучают в 7-м семестре (четвертый год обучения).

Изучение дисциплины «Физика белка» опирается на знания в области химии, физики, биоорганической химии и физической биохимии, освоенные студентами на предшествующих этапах обучения.

Результаты изучения дисциплины «Физика белка» используются при изучении дисциплин профессионального цикла Б.3 (метаболическая биохимия, экспериментальные методы биофизики и др.).

Кроме того, результаты изучения дисциплины используются при выполнении НИРС (Б.3) и при подготовке выпускной квалификационной работы (раздел Б.4 ФГОС).

3. Распределение трудоёмкости 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 Основные элементы структуры белков и других биомакромолекул.

Основные элементы структуры белков, нуклеиновых кислот и – полисхаридов Физические взаимодействия в биомакромолекулах.

биомакромолекул.

Принципы структурно-функциональной организации биомакромолекул.

Современные методы исследования структуры и динамики биомакромолекул Современные экспериментальные методы исследования структуры и – динамики биомакромолекул 4.2. Современные вычислительные методы исследования структуры и 4 18 динамики биомакромолекул 4.2. Содержание разделов и результаты изучения дисциплины 1. Основные элементы структуры белков и других биомакромолекул.

1.1. Введение Развитие представлений о функциональной современных методов исследования роли и строении биологических макромолекул и методов их исследования. Представления о методах моделирования Основные классы биомакромолекул и их структуры и динамики биомакромолекул и роль в функционировании клетки.

Современные методы исследование структуры и динамики биомакромолекул.

Роль методов моделирования структуры и динамики биомакромолекул и вычислительных экспериментов в молекулярно-биологических исследованиях. Их преимущества и ограничения. Основные решенные и нерешенные проблемы физики биомакромолекул.

1.2. Основные элементы структуры белков, нуклеиновых кислот и полисхаридов Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка.

Глобулярные, фибриллярные и мембранные белки. Биосинтез белка;

сворачивание белка in vivo и in vitro. Посттрансляционные модификации.

Стереохимия L-аминокислотных остатков.

Валентные связи, валентные углы и торсионные углы основной и боковых цепей белков. Стандартная номенклатура торсионных углов. Тепловые колебания в белках. Пептидная группа. Транс-пролины и цис-пролины. Вторичная структура полипетидных цепей. Спирали: 27, 310, альфа, пи, poly(Pro) II. Антипараллельная и параллельная бета-структура. бета-изгибы.

Методы экспериментального обнаружения вторичной структуры. Свойства боковых групп аминокислотных остатков.

Включение аминокислотных остатков во вторичную структуру. Аланин, глицин, пролин, валин. Неполярные, короткие полярные и длинные полярные боковые группы. Заряженные боковые группы.

Гидрофобные поверхности на вторичных структурах в белках. Их склонность к встраиванию в различные элементы вторичной структуры. Структура ДНК.

Двойная спираль ДНК. A-, B- и Z-формы ДНК. Большая и маленькая бороздки в двойной спирали ДНК. Разветвленные полисахариды, их структура и биологическая роль.

2. Физические взаимодействия в биомакромолекулах.

2.1. Принципы структурнобелках. Умение интерпретировать(карты функциональной организации биомакромолекул.

Элементарные взаимодействия в белках.

Ван-дер-Ваальсово взаимодействие:

притяжение на больших расстояниях, отталкивание на малых. Разрешенные конформации аминокислотного остатка (карты Рамачандрана для глицина, аланина, валина, пролина). Водородные связи и их электрическая природа и энергия. Их геометрия в кристаллах.

Водородные связи в воде, в белке и между ними. Ионизационное равновесие в белках.

Заряженные, полярные, гидрофобные, ароматические аминокислоты. Константа pKa и ее связь с уровнем ионизации заряженных групп белков при данном pH.

Элементы термодинамики. Свободная энергия и химический потенциал. Понятие об энтропии и свободной энергии.

Энтропийная природа гидрофобных взаимодействий белка в воде. Их связь с необходимостью насыщения водородных связей в воде. Доступная воде неполярная поверхность аминокислот и их гидрофобность. Водородные связи, Вандер-Ваальсовые, электростатические и другие физические взаимодействия между белком и окружающей его водой.

Дисульфидные связи. Координационные связи. Влияние водного окружения на электростатические взаимодействия.

Электрическое поле у поверхности и внутри белка. Диэлектрическая проницаемость в различных условиях на поверхности, внутри и вне белка.

Экранировка зарядов в солевых растворах.

Радиус Дебая-Хюккеля и его зависимость от ионной силы раствора. Измерение электрических полей в белках при помощи белковой инженерии. Энергетический баланс внутрибелковых и внешних взаимодействий белка. Элементы статистической физики. Связь температуры с изменением энергии и энтропии. Вероятности состояний с различной энергией (распределение Больцмана-Гиббса). Статистическая сумма и ее связь со свободной энергией.

Конформационные превращения. Понятие о фазовом переходе первого рода (переходе "все-или-ничего") и о нефазовых переходах. Кинетика преодоления свободно-энергетического барьера при конформационных превращениях. Понятие о теории абсолютных скоростей реакций.

3. Принципы структурно-функциональной организации биомакромолекул.

3.1. Пространственное строение белков Знание основных типов белков и их функций.

Фибриллярные белки, их функции и их периодичные первичные и вторичные структуры; альфа-кератин, бета-фиброин шелка, коллаген. Упаковка длинных альфаспиралей и обширных бета-листов.

Мембранные белки, особенности их строения и функции. Бактериородопсин, фотосинтетический центр, порин.

Селективная проницаемость мембранных пор. Понятие о туннельном эффекте.

Глобулярные белки. Структурные классы.

Строение альфа-белков. Пучки и слои спиралей. Модель квазисферической глобулы из альфа-спиралей. Плотная упаковка при контакте альфа-спиралей.

Строение бета-белков: бета-слои, их продольная и перпендикулярная упаковка.

Преимущественная антипараллельность бета-структуры в бета-белках.

Правопропеллерная скрученность беталистов. Топология бета-белков. Строение альфа/бета-белков: параллельный бетаслой, прикрытый альфа-спиралями, и альфа/бета-цилиндр. Топология бетаальфа-бета субъединиц. Строение альф+бета белков. Отсутствие прямой связи архитектуры белка с его функцией.

Физические принципы строения белковой глобулы.

3.2. Кооперативные переходы в белках. Представления о механизме фолдинга Обратимость денатурации белков.

Тепловая и холодовая денатурация. Как выглядит денатурированный белок?

Клубок и расплавленная глобула.

Отсутствие фазового перехода типа "всеили-ничего" при набухании "обычных" полимерных глобул. Почему денатурация глобулярного белка — переход типа "всеили-ничего"? Распад плотной упаковки ядра белка и раскрепощение боковых групп. Проникновение растворителя в денатурированный белок, разрушение расплавленной глобулы. Диаграмма фазовых состояний белковой молекулы.

Энергетическая щель между нативной укладкой белковой цепи и прочими ее глобулярными укладками- основное физическое отличие белковой цепи от случайного сополимера. Самоорганизация белков in vivo. Шапероны.

Самоорганизация белка in vitro. "Парадокс Левинталя". Поиск метастабильных (накапливающихся) интермедиатов сворачивания белков. Расплавленная глобула — обычный интермедиат сворачивания. Сворачивание некоторых белков обходится без каких-либо метастабильных интермедиатов. Поиск и изучение нестабильных переходных состояний в сворачивании белка.

Нуклеационный механизм сворачивания.

Белки, связывающиеся с ДНК.

3.3. Структура ДНК.

Двойная спираль ДНК. A-, B- и Z-формы взаимодействия белок-ДНК.

ДНК. Большая и маленькая бороздки в двойной спирали ДНК. Как белки могут распознать последовательность оснований в ДНК. ДНК-связывающие белки. Мотив:

Спираль-Поворот-Спираль. Структура белка Cro и -репрессора бактериофага.

Структура и механизм действия TRPрепрессора. Структурная организация белков семейства цинковый палец. Leuzipper и структура комплекса белка GCN4 с ДНК. TATA-box связывающий белок.

Белок P53 и структура его комплекса с ДНК. Возможные механизмы одномерного поиска сайтов связывания белка на ДНК:

модель ускоренной диффузии.

Крупномасштабная подвижность в белках.

Основные типы подвижных шарниров и петель в белках, их структура и свойства.

Конформационная подвижность филамента белка RecA из E.coli.

4. Современные методы исследования структуры и динамики биомакромолекул 4.1. Современные экспериментальные методы исследования структуры и динамики биомакромолекул Методы спектросопии КД для экспериментального обнаружения вторичной структуры. Калориметрические методы исследования термодинамических характеристик биомакромолекул.

Критерий Вант-Гоффа для перехода "всеили-ничего". Экспериментальные подходы к определению ядер сворачивания белков.

Шевроновый график.

4.2. Современные вычислительные методы исследования структуры и динамики биомакромолекул Вычислительные методы молекулярной динамики биомакромолекул. Расчт ньютоновских траекторий движения.

Метод нормальных мод. Методы ускорения расчтов молекулярной динамики. Учт влияния среды в молекулярной динамике. Периодические граничные условия. Термостаты в молекулярной динамике. Методы докинга лигандов в активных центрах белков.

Метод Монте-Карло. Метод Монте-Карло с критерием Метрополиса. Глобальная оптимизация в пространстве последовательностей аминокислот.

Локальная и глобальная минимизация потенциальной энергии биомакромолекул.

Туннельный алгоритм. Методы интервального анализа.

5. Образовательные технологии В преподавании курса «Физика белка» используются преимущественно традиционные образовательные технологии:

- лекции, - практические занятия.

Объм лекционных занятий составляет 50% общего объма аудиторных занятий, что соответствует предельному нормативу, установленному ФГОС ВПО для ООП.

Занятия в активной и интерактивной формах 6. Лабораторный практикум Не предусмотрен.

7. Практические занятия Тематика практических занятий по дисциплине "Физика белка" 1. Поиск гомологичных белков для данной аминокислотной последовательности исследуемого белка с помощью программы BLAST.

2. Использование методов множественного и парного выравнивания аминокислотных последовательностей гомологичных белков для идентификации консервативных и функционально значимых областей первичной последовательности исследуемых белков с помощью программы FASTA и ClustalW.

3. Поиск гомологичных белков с известной пространственной структурой в базах данных PDB и SCOP.

4. Предсказания вторичной структуры белков с помощью программы AGADIR.

5. Расчеты конформационной энергии небольших глобулярных белков с помощью программы ICM-Pro.

8. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Самостоятельная работа студентов направлена на закрепление и углубление освоения учебного материала, развитие практических умений. Самостоятельная работа студентов в рамках дисциплины «Физика белка» включает следующие виды самостоятельной работы:

- работу с лекционным материалом и с рекомендованной учебной литературой;

- подготовку к зачету;

- самостоятельную работу по подготовке и выполнению курсовой работы.

Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа в рамках дисциплины «Физика белка» включает в себя:

- поиск, обработку и презентацию информации по печатным изданиям и электронным источникам информации по заданной проблеме в рамках подготовки курсовой работы.

Примерное распределение времени самостоятельной работы студентов подготовка к лабораторным работам, к практическим и семинарским занятиям 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 2. Биофизика. учеб. для вузов по спец. "Биофизика". в 2 т.. / А. 2004 11 Библиотека Б. Рубин — М. Изд-во МГУ, 1. Физика белка. курс лекций с цв. стереоскоп. ил. и задачами с Библиотека решениями. учеб. пособие для вузов по биол.

специальностям. / А. В. Финкельштейн, О. Б. Птицын — М.

Университет, Дополнительная литература 1. Principles of Biochemistry. / Lehninger A.L., Nelson D.L., Cox M.H. — New York, 2. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ.. / Б. Глик, Д.

Пастернак — Москва Мир, 9.3. Технические средства обеспечения дисциплины http://univertv.ru/, раздел Биология;

http://www.humbio.ru/, база знаний по биологии человека;

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, включающий шесть высокопроизводительных персональных компьютера, лицензионное программное обеспечение, Internet. Специализированное математическое обеспечение: a) для поиска гомологичных белков в международных белковых базах данных; б) для множественного и парного выравнивания аминокислотных последовательностей белков; в) для предсказания вторичной структуры белков; г) для расчетов конформационной энергии небольших глобулярных белков.

11. Критерии оценивания и оценочные средства 11.1. Критерии оценивания Качество освоения дисциплины "Физика белка" оценивается путем проведения зачета ( семестр).

Итоговая отметка выставляется по результатам зачета. В отдельных случаях на зачете студентам предлагается письменное тестирования по материалам всего курса дисциплины.

При выставлении итоговой отметки принимается во внимание качество выполнения курсовой работы и активность студента на занятиях, проводимых в интерактивной форме.

11.2. Оценочные средства Варианты вопросов к зачету по дисциплине "Физика белка" 1. Основные физические взаимодействия в белках. Стереохимия Lаминокислотных остатков. Карты Рамачандрана для аминокислотных остатков глицин, аланин и пролин.

2. Ионизационное равновесие в белках. Заряженные, полярные, гидрофобные, ароматические аминокислоты. Константа pKa и ее связь с уровнем ионизации заряженных групп белков при данном pH. Величина pH перехода при перезарядке заряженных аминокислот. Заряженные аминокислоты в белках при pH=2, 7, 13.

3. Пространственное строение белков. Фибриллярные белки, их функции и их периодичные первичные и вторичные структуры; -кератин, -фиброин шелка, коллаген. Упаковка длинных -спиралей и обширных -листов. Мембранные белки, особенности их строения и функции. Селективная проницаемость мембранных пор. Структурные классы глобулярных белков.

4. На поверхности гипотетического белка две противоположно заряженные аминокислоты Asp- и Lys+, в только одной из конформаций их боковых цепей могут образовать солевой мостик (расстояние 3 между заряженными группами).

Примерно оцените изменение свободной энергии белка при образования этого солевого мостика, считая для простоты, что в свернутом и развернутом состоянии боковых цепей этих аминокислот все вклады в свободную энергию (за исключением электростатических взаимодействий и конфигурационной энтропии боковой цепи) примерно одинаковы, а все разрешенные конформации боковых цепей примерно равновероятны. pH =7.5, ионная сила среды = 0.0, T=300K. Будет ли энергетически выгодно образовывать такой солевой мостик на поверхности белка?

5. Кооперативные переходы в белках. Обратимость денатурации белков.

Критерий Вант-Гоффа для перехода "все-или-ничего". Тепловая и холодовая денатурация. Как выглядит денатурированный белок? Клубок и расплавленная глобула. Основное физическое отличие белковой цепи от случайного сополимера.

12. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины Дополнительные методические рекомендации отсутствуют.