Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

УТВЕРЖДАЮ

Декан ФМФ

В.К. Иванов

«_» _ _ г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Масс-спектрометрия 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:

дфмн Л.Н. Галль 1. Цели и результаты изучения дисциплины 1.1. Цели изучения дисциплины Дисциплина «Масс-спектрометрия» имеет своей целью ознакомление слушателей с основными подходами и возможностями масс-спектрометрии в области протеомики, исследования структуры и взаимодействия макромолекул и комплексов в сложных биологических системах. Курс включает в себя рассмотрение принципов, приборной базы и современных методических приемов метода масс-спектрометрии. Тема направлена на формирование у слушателей научных взглядов и экспериментальных навыков в области молекулярной биологии клеточных процессов, протеомики и молекулярно-медицинской диагностики.

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 порождать новые идеи (креативность) ПК- способностью использовать знания современных проблем физики, новейших достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности ПК- способностью свободно владеть разделами физики, необходимыми для решения научно-инновационных задач (в соответствии с профилем подготовки) ПК- способностью свободно владеть профессиональными знаниями для анализа и синтеза физической информации (в соответствии с профилем подготовки) 1.3. Планируемые результаты освоения дисциплины -умение самостоятельно выполнять биофизические исследования при решении научноисследовательских задач по теме магистерской программы;

-навыки планирования и проведения экспериментальной работы по теме магистерской программы с применением современной аппаратуры, оборудования и компьютерных технологий;

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

-способность использовать современные методы обработки и интерпретации биофизической информации при проведении научных исследований.

2. Место дисциплины в ООП Согласно ФГОС ВПО направления 011200 «Физика» (квалификация «магистр») дисциплина «Масс-спектрометрия» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла М.2.

Дисциплину «Масс-спектрометрия» студенты изучают в 9-м семестре (пятый год обучения).

Изучение дисциплины «Масс-спектрометрия» опирается на знания в области физики, математики, биоорганической химии. экспериментальных методов биофизикиосвоенные студентами на предшествующих этапах обучения.

Результаты изучения дисциплины «Масс-спектрометрия» используются при изучении дисциплин профессионального цикла М.3, при выполнении НИРС и при подготовке магистерской диссертации.

Курс носит междисциплинарный характер и состоит из лекционного материала и практических занятий.

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 Общие понятия и основные определения масс-спектрометрии Основы масс-спектрометрического анализа Изотопный, элементный и молекулярный МС анализ Анализаторы и детекторы масс-спектрометров Масс-анализаторы и детекторы регистрации ионных токов Методы ионизации веществ в молекулярном анализе Тандемная масс-спектрометрия Методология тандемной масс-спектрометрии Масс-спектрометрический анализ биополимеров Масс-спектрометрический анализ пептидов Интерпретация фрагментных масс-спектров 4.2. Содержание разделов и результаты изучения дисциплины 1. Введение 1.1. Общие понятия и основные определения масс-спектрометрии Исторический обзор. Блок-схема массобласти биофизики.

спектрометра. Основные принципы метода массспектрометрии. Системы ввода пробы в массспектрометр. Основные задачи массспектрометрии в аналитике и биофизике.

2. Основы масс-спектрометрического анализа 2.1. Формирование ионных пучков Элементы теории транспортировки, формирования пучков.

и разделения ионных пучков. Источники ионов масс-спектрометров. Элементы теории транспортировки пучков. Физический смысл понятий «эмиттанс» и «аксептанс». Источник ионов — иммерсионная ионно-оптическая система.

2.2. Изотопный, элементный и молекулярный Знание возможностей массспектрометрии в проведении МС анализ Изотопный масс-спектрометрический анализ.

Элементный масс-спектрометрический анализ.

Молекулярный масс-спектрометрический анализ.

3. Анализаторы и детекторы масс-спектрометров регистрации ионных токов Магнитные статические масс-анализаторы.

Квадрупольные масс-анализаторы.

Времяпролетные масс-анализаторы. Оценка применимости масс-анализаторов разных типов в решении аналитических задач. Динамические масс-спектрометры высокого разрешения. Массспектрометры ион-циклотронного резонанса.

Орбитрэп. Детекторы и регистрация ионных токов.

Детектирование ионных токов в массспектрометрии. Электронные системы питания, управления и регистрации.

3.2. Методы ионизации веществ в молекулярном анализе Методы ионизации газов и летучих жидкостей.

Электронная ионизация веществ в газовой фазе.

Химическая ионизация в ионно-молекулярных реакциях. Ионизация при атмосферном давлении.

Методы ионизации нелетучих веществ. Полевая десорбция. Плазменная десорбция. Спрей-методы.

Электроспрей. Газодинамические интерфейсы спрей-методов. Матрично-десорбционные методы анализа биоорганических веществ. ВИМС и МАЛДИ.

4. Тандемная масс-спектрометрия Многокаскадные магнитные тандемные массопределенных типов биомолекул.

спектрометры. MS — облегченный тандем.

Тройной квадруполь (3-Q). Тандем Q-TOF. Ионная ловушка (ITMS). Тандем LIT-FTMS. Тандем TOFTOF..

спектрометрии Протеомика, как предметная область массспектрометрических экспериментов. Субклеточная протеомика. Функциональная протеомика и определение функций белков. Количественная дифференциация белков. МС-анализ целых белковых молекул. Анализа отдельных пептидов белков. Обобщенная схема протеомного эксперимента.

5. Масс-спектрометрический анализ биополимеров 5.1. Масс-спектрометрический анализ пептидов Представления о возможностях Образование вторичных ионов при фрагментации анализа пептидов.

пептидов. Фрагментация инертным газом.

Диссоциация путем захвата электрона.

Фотодиссоциация. Классификация фрагментных пептидов, b и y ионы. Первичное разделение «родительских» ионов и выделение ионов с единственным значением отношения массы к заряду (m/z). Фрагментация ионов, получение вторичных, или «дочерних», ионов. Масс-анализ «дочерних ионов» во второй ступени тандема.

5.2. Интерпретация фрагментных масссодержащиеся в масс-спектрах.

спектров Подготовка данных, содержащихся в массбелковыми базами данных.

спектрах, для биохимической интерпретации.

Восстановление моноизотопной массы пептидов.

Метод картирования фрагментов пептидов. Кроскорреляционный анализ. Белковые базы данных.

Идентификация пост-трансляционных модификаций. Проблема гомологии белков для метода картирования фрагментов. Преимущества и недостатки метода картирования пептидных фрагментов.

5. Образовательные технологии В преподавании курса "Масс-спектрометрия" используются преимущественно традиционные образовательные технологии:

– лекции, – практические занятия.

Объм лекционных занятий составляет 50% общего объма аудиторных занятий, что выше предельного норматива, установленного ФГОС ВПО для ООП в целом (не более 40%). Норматив превышен по согласованию с разработчиками ООП, так как компенсируется уменьшенной долей лекций по другим дисциплинам и в целом по ООП выполнен.

Практические занятия проводятся в интерактивной форме в виде:

-интерактивных лекций-консультаций по разделам дисциплины: «Введение в массспектрометрию» и «Основы масс-спектрометрического анализа»

- интерактивных проблемных лекций по разделам дисциплины «Тандемная массспектрометрия» и «Масс-спектрометрический анализ биополимеров».

Занятия в активной и интерактивной формах Масс-спектрометрический анализ биополимеров 6. Лабораторный практикум Не предусмотрен 7. Практические занятия Дисциплиной предусмотрены следующие практические занятия в интерактивной форме (в виде лекций-консультаций, интерактивных проблемных лекций и семинаров) общей аудиторной трудомкостью 18 часов, по темам:

1. Знакомство с возможностями метода масс-спектрометрии (раздел 1 «Введение в массспектрометрию») 2. Масс-спектрометры и принципы масс-анализа (раздел 2 «Основы массспектрометрического анализа»).

3-5. Многостадийный масс-анализ сложных смесей. Идентификация белков по массе пептидных фрагментов. Анализ экспрессии белков с помощью масс-спектрометрии (раздел 4 «Тандемная масс-спектрометрия»).

6-8. Протеомика и белковые сети. Протеомные базы данных. Базы данных белкового взаимодействия (раздел 5 «Масс-спектрометрический анализ биополимеров»).

Практические занятия 6-8 завершаются самостоятельным анализом реальных массспектров с помощью программы Mascot с пояснениями и ответами на вопросы преподавателя.

8. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Текущая самостоятельная работа студентов в рамках дисциплины «Масс-спектрометрия»

включает следующие виды:

-работу с лекционным материалом и с рекомендованной учебной литературой;

-опережающая самостоятельная работа (с использованием учебного пособия «Физические основы масс-спектрометрии и ее применение в аналитике и биофизике», доступного в библиотеке СПбГПУ и электронного ресурса, сайт:

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2448.html, Масс-спектрометрия - химическая энциклопедия);

-самостоятельное изучение разделов дисциплины;

-подготовка к практическим и семинарским занятиям;

-подготовку к зачету.

Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа в рамках дисциплины «Масс-спектрометрия» включает в себя анализ данных масс-спектров с помощью программы Mascot по заданной теме.

Самостоятельная работа студентов контролируется на семинарах и практических занятиях. Учебные и методические пособия, рекомендуемые для использования при самостоятельной работе, указаны ниже в разделе 9.2.

Примерное распределение времени самостоятельной работы студентов подготовка к лабораторным работам, к практическим и семинарским занятиям 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 Год К-во Место 1. Физические основы масс-спектрометрии и ее применение в 2010 20 Библиотека аналитике и биофизике. / Л. Н. Галль — СПб. Изд-во Политехн. ун-та, Дополнительная литература 1. Химия. основы химии живого. учеб. для вузов по естественнонауч. направлениям и специальностям. / В. И. Слесарев — СПб. Химиздат, Ресурсы Интернета 1. Масс-спектрометрия - химическая энциклопедия / http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2448.html 9.3. Технические средства обеспечения дисциплины http://univertv.ru/, раздел Биология;

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

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2448.html - Масс-спектрометрия - химическая энциклопедия.

10. Материально-техническое обеспечение дисциплины Аудиторный класс, наличие проектора для демонстрации наглядных пособий и экрана.

Компьютерный класс, лицензионное программное обеспечение Mascot, Internet.

11. Критерии оценивания и оценочные средства 11.1. Критерии оценивания Качество освоения дисциплины "Масс-спектрометрия" оценивается при проведении зачета.

Итоговая отметка на зачете выставляется по результатам устных ответов на 2 вопроса (примеры вопросов приведены в разделе 11.2). В отдельных случаях на зачете студентам предлагается письменное тестирования по материалам курса дисциплины.

При выставлении итоговой отметки принимается во внимание активность студента на семинарских занятиях и на занятиях, проводимых в интерактивной форме, учитывается качество представления данных в виде доклада на семинаре.

11.2. Оценочные средства Примерные вопросы для зачета:

1. Основные понятия протеомики.

2. Жизненный цикл белка в клетке 3. Модульная структура белков и белковые семейства.

4. Методы и подходы аналитической протеомики.

5. MALDI-TOF масс-спектромет 6. Калибровка TOF- анализатора.

7. Разрешающая способность MALDI-TOF спектрометра.

8. Метод электроспрей.

9. Принцип деления ионов в квадрупольном масс-анализаторе.

10. Ионные ловушки и многостадийный масс-спектрометр.

11. Сканирующий и тандемный режимы работы масс-спектрометров 12. Идентификация белков по массе пептидных фрагментов.

13. Определение аминокислотной последовательности пептидов с помощью тандемной масс-мпектрометрии.

14. Измерение уровня экспрессии белков c помощью тандемной масс-спектроскопии 15. Белок-белковые взаимодействия и белковые сети.

16. Метод дву-гибридного анализа.

17. База данных белкового взаимодействия 12. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины Успешное освоение курса "Масс-спектрометрия" зависит от подготовки студента по другим дисциплинам, таким как физика, неорганическая и органическая химия, которые студенты получают на ранних курсах обучения. Трудности в изучении "Массспектрометрия" связаны прежде всего с большим объемом информации, которую студентам необходимо усвоить при изучении этой дисциплины. Поэтому преподавание большей части курса "Масс-спектрометрия" рекомендуется строить в виде интерактивных лекций-консультаций, на которых преподаватель в процессе общения с обучающимися может отвечать на вопросы, касающихся разных областей знаний (физики, технической физики, химии). При изучении четвертого и пятого разделов курса "Масс-спектрометрия" рекомендуется использовать указанные в п. 9.2 интернет-ресурсы, дающие наглядное представление о сложных структурах биомакромолекул.