Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФМФ
В.К. Иванов
«_» _ _ г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Экспериментальные методы биофизики 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:
кбн В.В. Захаров, кфмн А.Н. Скворцов 1. Цели и результаты изучения дисциплины 1.1. Цели изучения дисциплины Целью изучения дисциплины «Экспериментальные методы биофизики» является ознакомление студентов с арсеналом современных методов исследования биологических систем на молекулярном уровне, возможностями этих методов и физическими принципами, лежащими в их основе.
Дисциплина направлена на расширение методического кругозора будущих исследователей, демонстрирует общность многих экспериментальных методов, способствует выработке рационального подхода при планировании экспериментальной работы.
1.2. Результаты обучения (компетенции) выпускника, в формирование которых вносит вклад освоение дисциплины Код Результат обучения (компетенция) выпускника ООП ПК- способностью использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач ПК- способностью применять на практике базовые профессиональные навыки ПК- способностью эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование 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) ПК- способностью понимать и использовать на практике теоретические основы организации и планирования физических исследований ПК- способностью понимать и излагать получаемую информацию и представлять результаты физических исследований 1.3. Планируемые результаты освоения дисциплины – знание основных методов их преимуществ и ограничений, применяемых в профессиональной сфере исследования биологических объектов;
– умение адекватно применять физические методы для решения типичных задач профессиональной области;
– умение ориентироваться в математическом аппарате используемых методов, пользоваться справочной литературой, подбирать, и оценить необходимую информацию;
– умение корректно интерпретировать экспериментальные результаты;
– учебные умения, позволяющие с высокой степенью самостоятельности осваивать новые биофизические методы, используемые в профессиональной области.
2. Место дисциплины в ООП Согласно ФГОС ВПО направления 011200 «Физика» (квалификация «бакалавр») дисциплина «Экспериментальные методы биофизики» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла Б.3.
Дисциплину «Экспериментальные методы биофизики» студенты изучают в 6-м и 7-м семестрах (третий и четвертый год обучения).
Изучение дисциплины «Экспериментальные методы биофизики» опирается на знания в области математики, физики, биоорганической химии, физической биохимии и молекулярной биологии клетки, освоенные студентами на предшествующих этапах обучения.
Результаты изучения дисциплины «Экспериментальные методы биофизики»
используются при изучении дисциплин профессионального цикла Б.3 (метаболическая биохимия, биологические мембраны, физиология высшей нервной деятельности и др.).
Кроме того, результаты изучения дисциплины используются при выполнении НИРС (Б.3), в ходе практики (раздел Б.4 ФГОС) и при подготовке выпускной квалификационной работы (раздел Б.4 ФГОС).
3. Распределение трудомкости освоения дисциплины по видам учебной работы 3.1. Виды учебной работы в том числе аудиторные занятия в интерактивной – – форме 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 Кислотно-основные свойства белков и нуклеиновых кислот Методы выделения и анализа белков и нуклеиновых кислот Изоэлектрические фокусирование.
Ультрацентрифугирование.
Введение в спектроскопию.
Спектральные методы оптического и ИК диапазона.
3.3. Методы исследования пространственной структуры молекул 6 4.2. Содержание разделов и результаты изучения дисциплины 1. Введение.
1.1. Кислотно-основные свойства белков и нуклеиновых кислот Задачи аналитической науки. Краткий обзор современных аналитических методов, используемых в молекулярной биологии, биофизике и биохимии. Водородный показатель приготовления буферных растворов с (pH). Показатель кислотности pKa для кислот и нужным значением рН.
оснований. Смысл величины pKa. Составление буферных растворов. График зависимости заряда ионогенных групп в молекуле от pH.
Заряд белков и нуклеиновых кислот.
2. Методы выделения и анализа белков и нуклеиновых кислот 2.1. Общая стратегия.
Общая стратегия выделения белков. Методы разрушения клеток. Приготовление экстракта. различных источников.
Детергенты и другие денатурирующие агенты.
Восстанавливающие агенты (бетамеркаптоэтанол, дитиотрейтол). Хелатирующие агенты (EDTA, EGTA). Методы осаждения белков (высаливание, осаждение органическими растворителями, температурная и pH-зависимая денатурация). Фенол-хлороформный метод выделения ДНК и РНК.
2.2. Электрофорез.
Общие принципы электрофореза. Свойства и компоненты гелей (полиакриламидный, агарозный). Выбор буфера для электрофореза и Знание и умение применять методы концентрации геля. Графики Фергюсона.
Параметры, влияющие на разрешение электрофореза. Методы концентрирования белковых зон (ступенчатый электрофорез, градиент пористости геля). Подготовка белкового препарата. Электрофорез в присутствии денатурирующих агентов.
Определение молекулярной массы с помощью электрофореза в присутствии додецилсульфата натрия (система система Лэммли). Методы окрашивания белков в геле. Электрофорез в неденатурирующих условиях (система Орнстейна и Дейвиса). Двумерный электрофорез. Особенности электрофореза нуклеиновых кислот (по сравнению с электрофорезом белков). Электрофорез нуклеиновых кислот в денатурирующих условиях. Окрашивание нуклеиновых кислот после электрофореза.
2.3. Иммуноблоттинг.
Строение антител, антигенные детерминанты. применения антител для специфического Типы сорбирующих мембран. Методы переноса анализа биомолекул. Умение проводить белков из геля на мембрану. Этапы иммуноблоттинга. Вторичные антитела и белок иммуноблотинга.
А, типы меток. Высоко чувствительный иммуноблоттинг (система авидин-биотин, использование хемилюминесценции).
2.4. Изоэлектрические фокусирование.
Изоэлектрическая точка белка. Общие принципы изоэлектрического фокусирования белков. Создание градиента pH с помощью амфолитов. Этапы изоэлектрического фокусирования. Отличия изоэлектрического фокусирования от электрофореза. Создание градиента pH с помощью иммобилинов.
Двумерный электрофорез по О’Фарреллу.
2.5. Хроматография.
Общий механизм хроматографии, подвижная и хроматографическим оборудованием.
неподвижная фазы. Преимущества хроматографии для очистки белков.
Классификация хроматографических методов конкретных типов биомолекул.
по принципу фракционирования (гельфильтрация, распределительная, адсорбционная, ионообменная, аффинная).
Другие классификации хроматографических методов (по способу элюции, по расположению неподвижной фазы). Типы хроматографической элюции (изократическая, градиентная).
Устройства для проведения хроматографии.
УФ-детекция белков и нуклеиновых кислот.
Матрицы для хроматографии (полисахаридные, на основе синтетических органических полимеров, неорганические матрицы, комбинированные матрицы). Теория хроматографического процесса. Уравнение движения зоны. Количественные характеристики хроматографического процесса (время задержки, объем элюции, свободный объем, фактор замедления, фактор задержки).
Физический смысл фактора задержки.
Концепция теоретических тарелок, количественные характеристики качества разделения веществ. Гель-фильтрация: общие принципы, коэффициенты распределения и графики селективности гелей, применение гельфильтрации (обессоливание, препаративное фракционирование, аналитическая гельфильтрация), определение молекулярной массы, молекулярных размеров (радиус Стокса), формы макромолекул. Ионообменная хроматография: общие принципы, типы ионообменников, способы элюции (смыва) макромолекул, применение ионообменной хроматографии. Обратнофазовая распределительная хроматография высокого разрешения: матрицы, состав элюента, механизм смыва веществ, преимущества и недостатки, применение. Гидрофобная хроматография при низком давлении: матрицы, влияние солей на гидрофобные взаимодействия, механизм смыва веществ, применение.
2.6. Ультрацентрифугирование.
Общие принципы центрифугирования. Силы, действующие на частицу в растворе в центробежном поле. Коэффициент седиментации. Уравнение Сведберга.
Параметры частицы и раствора, влияющие на коэффициент седиментации. Константа седиментации. Дифференциальное центрифугирование: принцип и применение, угловые и бакет-роторы. Зонально-скоростное центрифугирование: градиенты плотности (сахароза, фиколл, перколл), применение (препаративное разделение частиц, аналитическое ультрацентрифугирование белков и нуклеиновых кислот). Аналитическое скоростное центрифугирование: аналитические роторы и оптические системы слежения за изменением концентрации в ячейке, зависимость распределения концентрации вещества в ячейке от времени, определение коэффициента седиментации, определение молекулярной массы белков (общий случай и случай сферических молекул), зависимость коэффициента седиментации от концентрации вещества. Равновесное (изопикническое) центрифугирование в градиенте плотности:
особенности, плавучая плотность, препаративное разделение субклеточных частиц, аналитическое ультрацентрифугирование макромолекул в солевых градиентах, эксперимент МезельсонаШталя, доказывающий полуконсервативный характер репликации. Равновесное центрифугирование (седиментационное равновесие): общие принципы, применение.
3. Спектральные методы 3.1. Введение в спектроскопию.
Обобщенная схема измерительного процесса.
Особенности исследования объектов микромира. Движение заряженных частиц и электромагнитное излучение (краткое повторение). Уровни движения в веществе, диапазоны электромагнитного спектра. Краткий обзор современных экспериментальных методов. Поведение объектов вблизи равновесного состояния: многомерный гармонический осциллятор. Линейные и стационарные системы. Элементарный отклик объекта. Спектр воздействия и спектр объекта.
Влияние ограниченности и причинности на спектры физических объектов. Спектр гармонического осциллятора. Рассеяние электромагнитных волн упруго связанным зарядом. Спектральные свойства статистических ансамблей, релаксация.
Профили спектральных линий, информационная емкость спектра. Шум и способы борьбы с ним. Связь чувствительности метода и его информационной емкости.
3.2. Спектральные методы оптического и ИК Представления о возможностях диапазона.
Линейная спектроскопия оптического диапазона: Распространение электромагнитной спектральных измерений в оптическом волны в среде в оптическом приближении (краткое повторение). Поглощение света, закон Ламберта-Бэра, границы его применимости.
Концепция хромофора, разрешенные и запрещенные переходы. Устройство денситометров и спектрофотометров. Методики измерения оптической плотности.
Экспериментальные приложения спектрофотометрии в биофизике и молекулярной биологии, спектры поглощения биомолекул. Спектроскопия ИК-диапазона:
Особенности взаимодействия молекул с излучением в ИК диапазоне. Колебательные моды молекулы, разрешенные и запрещенные.
Применение спектроскопии ИК-диапазона.
Интерферометрический метод измерения ИКспектров. Двулучепреломление и дихроизм:
Поляризация электромагнитных волн (краткое повторение). Распространение электромагнитных волн в анизотропной среде.
Аксиально-симметричные среды:
двулучепреломление и линейный дихроизм.
Приборы для их измерения. Оптическая активность биомолекул Хиральные объекты.
Оптическое вращение и круговой дихроизм.
Экспериментальные методы их измерения.
Круговой дихроизм малых молекул и макромолекул. Определение вторичной структуры белка по спектрам кругового дихроизма. Рассеяние излучения: Виды рассеяния. Геометрия задачи рассеяния.
Количественные характеристики рассеяния.
Приближение Рэлея-Ганса-Борна. Обратное пространство задачи рассеяния. Малоугловое рассеяние и контраст. Измерение и использование светорассеяния. Неупругое рассеяние Рамана-Мандельштама-Бриллюэна.
Раман-спектроскопия в исследовании биомолекул.
3.3. Методы исследования пространственной Знание основных принципов ЯМР.
структуры молекул Спиновый магнитный резонанс:
Полуклассическое и квантовое описание спина анализа, знание этапов этого метода для в магнитном поле. Опыт Раби. Прецессия спинов и магнитный резонанс. Спиновый парамагнетизм. Уравнения Кюри и Блоха.
Магнитные свойства ядер. Химический сдвиг, Умение эксплуатировать стандартное возникновение спектра ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Эффекты спин-спинового взаимодействия. Основы интерпретации исследование кинетики быстрых процессов.
Экспериментальные аспекты ЯМР, манипуляция намагниченностью. Базовые принципы многомерного ЯМР (на примере COSY и NOESY). Схема определения пространственной структуры белков с помощью ЯМР. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), его сходства и различия с ЯМР.
Рентгеноструктурный анализ: Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.
Рассеяние рентгеновского излучения на кристаллах как основа метода рентгеноструктурного анализа (РСА).
Историческая роль РСА в развитии современной молекулярной биологии.
Симметрия в кристалле, элементарная ячейка.
Обратное пространство периодической решетки. Структурные факторы. Проблема фаз и методы ее решения (прямой, тяжелого атома, IR, MIR, MAD). Возможности и ограничения современного РСА. Сравнение двух основных методов исследования структуры молекул: РСА и многомерного ЯМР. Флуоресцентные методы Явление люминесценции и виды люминесценции. Фотолюминесценция:
количественные характеристики и методы измерения. Физические причины фотолюминесценции: спектр энергетических уровней молекулы, принцип Франка-Кондона, диаграмма Яблонского. Сенсибилизация и тушение флуоресценции, FRET. Применение флуоресценции в молекулярной и клеточной биологии. Флуоресцентные метки, зонды и индикаторы. Флуоресцентный микроскоп.
Проточный анализ клеток (цитометрия). Массспектроскопия Масс-спектры и получаемая из них информация. Масс-спектры макромолекул.
Способы получения изолированных ионов макромолекул (MALDI, струевые) и разделения ионов.
5. Образовательные технологии В преподавании курса «Экспериментальные методы биофизики» используются преимущественно традиционные образовательные технологии:
- лекции, - практические занятия.
Семинары по дисциплине «Экспериментальные методы биофизики»
осуществляются в рамках общей программы дисциплины «Семинар по специальности на английском языке» (6-й семестр).
Лабораторный практикум по дисциплине «Экспериментальные методы биофизики» осуществляется в рамках общей программы дисциплины НИРС на 3-м и 4-м курсах.
Объм лекционных занятий составляет 50% общего объма аудиторных занятий, что соответствует предельному нормативу, установленному ФГОС ВПО для ООП.
Занятия в активной и интерактивной формах Практические занятия с разбором результатов проверочных и контрольных работ 6. Лабораторный практикум Лабораторный практикум по дисциплине «Физическая биохимия» осуществляется в рамках общей программы дисциплины НИРС на 3-м и 4-м курсах.
7. Практические занятия Программой предусмотрены следующие практические занятия общей трудомкостью 36 часов.
Практические занятия включают решение задач по указанным в п.4.2 темам, написание контрольных работ и разбор результатов контрольных работ.
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 «Экспериментальные методы биофизики» включает следующие виды самостоятельной работы:
- работу с лекционным материалом и с рекомендованной учебной литературой;
- подготовку к контрольным работам, колоквиумам и экзамену;
- изучение разделов дисциплины, вынесенных на самостоятельную работу.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа в рамках дисциплины «Экспериментальные методы биофизики» включает в себя:
- поиск, обработку и презентацию информации по печатным изданиям и электронным источникам информации по заданной проблеме в рамках общей программы дисциплины «Семинар по специальности на английском языке» (5-й семестр);
- выступление на указанном выше семинаре;
- выполнение курсовой работы по одной из приведенных ниже тем.
Темы курсовых работ:
1. Общая теория хроматографии. Виды хроматографии.
2. Бумажная и тонкослойная хроматография.
3. Гель-фильтрация.
4. Ионообменная хроматография.
5. Газовая хроматография.
6. Аффинная хроматография.
7. Электрофорез белков.
8. Электрофорез нуклеиновых кислот.
9. Изоэлектрическое фокусирование.
10. Иммуноферментный анализ.
Методы контроля самостоятельной работы студентов включают написание контрольных и проверочных работ, выступление на семинаре, написание курсовой работы. Учебные и методические пособия, рекомендуемые для использования при самостоятельной работе, указаны ниже в разделе 9.2.
Примерное распределение времени самостоятельной работы студентов работа с лекционным материалом, с учебной литературой подготовка к контрольным работам, коллоквиумам, зачтам Творческая проблемно-ориентированная СРС 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 СПб. Лань, 1. Биофизика. учеб. для вузов по спец. "Биофизика". в 2 т.. / 2004 Библиотека А. Б. Рубин — М. Изд-во МГУ, Дополнительная литература 1. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Основы метода, компьютерная обработка спектров / Скворцов А.Н., Скворцов Н.К. — СПб.: СПбГТИ(ТУ), 9.3. Технические средства обеспечения дисциплины 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, лицензионное программное обеспечение, Internet.
Наличие лабораторной базы для проведения научно-исследовательской работы, включая химические реактивы, приборы (хроматографическое оборудование, оборудование для электрофореза, ультратермостаты, спектрофотометр, аналитические весы, центрифуги, рН-метр) и лабораторные принадлежности (химическую посуду, автоматические пипетки).
11. Критерии оценивания и оценочные средства 11.1. Критерии оценивания Качество освоения дисциплины "Экспериментальные методы биофизики" оценивается при проведении зачета (шестой семестр) и экзамена (пятый семестр). Зачет выставляется при положительном результате выполнения контрольных работ, проводимых в семестре, по результатам выполнения заданий (решения задач), даваемых в семестре для самостоятельной проработки студентами, а также по результатам коллоквиума.
Итоговая оценка на экзамене выставляется по результатам устного ответа на вопросы экзаменационного билета, включающих в себя темы, изучаемые в седьмом семестре. В отдельных случаях на экзамене студентам предлагается письменное тестирования по материалам всего курса дисциплины, а также решение дополнительных задач.
При выставлении итоговой оценки принимается во внимание активность студента на семинарских занятиях и на занятиях, проводимых в интерактивной форме, учитывается качество выполненной в рамках семинарских занятий курсовой работы и качество представления данных в виде доклада на семинаре.
11.2. Оценочные средства ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЧЕТА ПО КУРСУ
«