Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

УТВЕРЖДАЮ

Декан ФМФ

В.К. Иванов

«_» _ _ г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Белковая инженерия 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:

к.б.н. А.Н. Савельев 1. Цели и результаты изучения дисциплины 1.1. Цели изучения дисциплины Целью изучения дисциплины «Белковая инженерия» является ознакомление студентов с современными методами исследования структуры и функции белков, основанными на возможности вносить направленные замены в аминокислотные последовательности белковых молекул. Белковая инженерия, возникшая в конце прошлого столетия, представляет собой новое направление в молекулярной энзимологии и биотехнологии.

Возникновению белковой инженерии неразрывно связано с развитием таких областей науки и техники, как генетическая инженерия, рентгено-структурный анализ, методы органического синтеза, а также со стремительным прогрессом электронновычислительной техники.

В курсе рассматриваются современные представления о биохимии молекул белков, такие процессы как белковый фолдинг, прохождение белков через биологические мембраны, природные химические модификации белков.

Основной задачей дисциплины является расширение научно-методического кругозора будущих исследователей, курс «Белковая инженерия» показывает общность многих экспериментальных и теоретических методов.

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 ОК- способностью порождать новые идеи (креативность) ОК- способностью к коммуникации в научной, производственной и социальнообщественной сферах деятельности, свободное владение русским и иностранным языками как средством делового общения ПК- способностью свободно владеть фундаментальными разделами физики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своей магистерской программой) ПК- способностью самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований в области физики (в соответствии с профилем магистерской программы) и решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования, информационных технологий с использованием новейшего отечественного и зарубежного опыта ПК- способностью и готовностью применять на практике навыки составления и оформления научно-технической документации, научных отчетов, обзоров, докладов и статей (в соответствии с профилем магистерской программы) 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 ПК- способностью проводить свою профессиональную деятельность с учетом социальных, этических и природоохранных аспектов 1.3. Планируемые результаты освоения дисциплины Среди планируемых результатов изучения дисциплины "Белковая инженерия" можно выделить следующие:

-способность планировать, организовывать и проводить научно-исследовательские по теме магистерской программы с применением современной аппаратуры, оборудования и компьютерных технологий; умение представлять результаты работ с использованием нормативных документов;

-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;

-умение анализировать, классифицировать и изменять структурные белковые модули с целью получения новых биотехнологических продуктов;

-умение использовать компьютерные программмы для анлиза особенностей структурной организации белковых молекул -способность профессионально оформлять, представлять и докладывать результаты научно-исследовательских биофизических работ по утвержденным формам.

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

Дисциплину «Белковая инженерия» студенты изучают в 10-м семестре (пятый год обучения).

Изучение дисциплины «Белковая инженерия» опирается на знания в области биоорганической химии, физической биохимии, метаболической биохимии, генетической инженерии, экспериментальных методов биофизики, освоенные студентами на предшествующих этапах обучения.

Результаты изучения дисциплины «Белковая инженерия» 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.

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 Белковая инженерия. Конструирование белков in vitro Биохимия белковых молекул. Конструирование белков in vivo Новые направления в ферментативном катализе 4.2. Содержание разделов и результаты изучения дисциплины 1. Введение 1.1. История возникновения белковой инженерии История возникновения белковой инженерии in vitro как способа изучения функциональных свойств молекул белков и способа получения белков с заранее заданными свойствами.

1.2. Основные функции белков Основные функции белков в живых организмах. Развитие представлений о функциональной роли белков. Современные представления о биохимии белков.

2. Структура и функции молекул белков 2.1. Структуры белковых молекул Современные методы определения структуры белковых молекул. Характерные структуры белков. Понимание проблемы мотивы первичной структуры. Методы кристаллизации белков. Решение обратной предсказания вторичной структуры. задачи дифракции.

Супервторичная структура. Домены. Типы доменных структур. Полифункциональность белковых доменов. Рентгено-структурный анализ как метод определения третичной структуры белка. Проблемы кристаллизация белковых молекул и расшифровки дифракционных картин. Примеры решения обратной задачи дифракции.

2.2. Функции белков Реализация функции белка через его структуру. Ферменты. Преимущества и недостатки ферментов при их использовании в качестве катализаторов.

3. Белковая инженерия. Конструирование белков in vitro 3.1. Белковая инженерия Задачи, решаемые белковой инженерией.

Белковая инженерия и инженерная энзимология. Полный цикл белковой инженерии. Методы сайт-специфического мутагенеза. Химический синтез олигонуклеотидов.

Олигонуклеотиднаправленный сайтспецифический мутагенез. Отбор по генотипу. Примеры. Кассетный мутагенез.

Применение кассетного мутагенеза в биотехнологии. Мутагенез с применением полимеразной цепной реакции.

Использование свойств стоп-кодонов и супрессорных штаммов для проведения сайт-специфического мутагенеза. Введение неприродных аминокислот в белки.

3.2. Конструирование белков in vitro Метод белковой инженерии в фундаментальных исследованиях проблем биологической специфичности белков.

биологической специфичности.

Количественное измерение слабых взаимодействий в белках. Изостерические и возможностях белковой инженерии в изофункциональные аминокислотные замены. Энергетика водородных связей.

Примеры. Белковая инженерия как дополнение к рентгено-структурному анализу. Примеры идентификации аминокислотных радикалов, формирующих активный центр. Метод белковой инженерии для решения задач биотехнологии и медицины. Подходы к увеличению стабильности белков. Инженерия дисульфидных связей. Белковая инженерия субтилизина. Конструирование гибридных белков. Метод фагового дисплея.

Инженерия искусственных белков. Примеры дизайна белков de novo.

4. Биохимия белковых молекул. Конструирование белков in vivo 4.1. Биохимия белковых молекул Механизм сворачивания (фолдинга) белков. vitro и in vivo.Представление о Термодинамические особенности процесса термодинамическом аспекте механизмах in vitro. Роль ближних и дальних взаимодействий. Фолдинг белков in vivo.

Ферменты, катализирующие этот процесс. влияющих на фолдинг белков.

Транслокация белков через биологические мембраны. Сигнальная последовательность.

Котрансляционная транслокация. Сигналузнающая частица. Посттрансляционный перенос через мембраны. Компетентное для транслокации состояние полипептидной цепи. Белки теплового шока.

Внутримолекулярные и молекулярные шапероны.

4.2. Конструирование белков in vivo Модификации белковых молекул.

Гликозилирование белков. Классификация роли углеводных цепей гликопротеинов.

гликопротеинов. N-гликопротеины. Состав и строение углеводных цепей. Сайты гликозилирования. Путь гликозилирования.

Цикл долихола. О-гликопротеины.

Биосинтез О-гликопротеинов. Функции углеводных цепей в гликопротеинах. Другие модификации аминокислотных радикалов в белках. Роль природных модификаций в регуляторных процессах и сортировке белковых молекул. Модификации аминокислотных радикалов в белках как возможность расширения функциональных способностей молекул белков. Регуляция времени жизни белка в клетке 5. Новые направления в ферментативном катализе 5.1. Рибозимы Каталитические свойства рибонуклеиновых ферментативных реакций, катализируемых кислот. Сплайсинг преРНК. Интрон тетрахимены L-19 как истинный рибозим.

Различные виды ферментативной активности, проявляемые L-19. Внутренняя адапторная последовательность - участок связывания субстрата. Саморасщепление РНК вироидов. Конструирование рибозимов in vitro. Каталитические свойства МI РНК.

Сравнение каталитических свойств рибонуклеиновых кислот и белков.

5.2. Каталитические свойства антител Каталитические свойства антител.

Использование концепции стабилизации активированного комплекса в переходном состоянии для конструирования каталитически активных антител.

Природные абзимы.

5. Образовательные технологии В преподавании дисциплины «Белковая инженерия» используются преимущественно традиционные образовательные технологии - лекции.

Семинары по дисциплине «Белковая инженерия» осуществляются в рамках общей программы дисциплины «Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации»

(9-й, 10-й и 11-й семестр).

Лабораторный практикум по дисциплине «Белковая инженерия» 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 разделу "Белковая инженерия. Конструирование белков in vitro") Интерактивные проблемные лекции (по разделу "Биохимия белковых молекул. Конструирование белков in vivo") 6. Лабораторный практикум Лабораторный практикум по дисциплине «Белковая инженерия» осуществляется в рамках общей программы дисциплины «Научно-исследовательская работа» на 5-м курсе обучения.

7. Практические занятия Семинары по дисциплине «Белковая инженерия» осуществляются в рамках общей программы дисциплины «Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации»

(9-й, 10-й и 11-й семестр).

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 «Белковая инженерия» включает следующие виды самостоятельной работы:

- работу с лекционным материалом и с рекомендованной учебной литературой;

- подготовку к колоквиуму и экзамену;

- опережающую самостоятельную работу с использованием электронных ресурсов, в частности сайта http://univertv.ru/, раздел Биология.

- изучение подраздела дисциплины «Функции белков», вынесенного на самостоятельную работу.

Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа в рамках дисциплины «Белковая инженерия» включает в себя:

- поиск, обработку и презентацию информации по печатным изданиям и электронным источникам информации по заданной проблеме в рамках общей программы дисциплины «Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации» (10-й семестр);

- выступление на указанном выше семинаре;

Методы контроля самостоятельной работы студентов включают написание проверочных работ, проведение коллоквиума, выступление на семинаре. Учебные и методические пособия, рекомендуемые для использования при самостоятельной работе, указаны ниже в разделе 9.2.

Примерное распределение времени самостоятельной работы студентов подготовка к контрольным работам, коллоквиумам, зачтам поиск, изучение и презентация информации по заданной проблеме, анализ научных публикаций по заданной теме 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", 2. Молекулярная биология / Мушкамбаров — М: МИА, 2003 Кафедра Дополнительная литература 1. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ.. / Б. Глик, Д.

Пастернак — Москва Мир, Ресурсы Интернета 1. Электронный учебник "Наглядная биохимия" / http://yanko.lib.ru/books/biolog/nagl_biochem/index.htm 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, лицензионное программное обеспечение, Internet.

Наличие лабораторной базы для проведения научно-исследовательской работы, включая химические реактивы, приборы (хроматографическое оборудование 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 "Белковая инженерия" оценивается при проведении коллоквиума и экзамена (десятый семестр).

Итоговая отметка на экзамене выставляется по результатам коллоквиума, проводимого в ходе семестра и результатам устного ответа на вопросы экзаменационного билета (примеры экзаменационных билетов приведены в разделе 11.2). В отдельных случаях на экзамене студентам предлагается письменное тестирования по материалам всего курса дисциплины.

При выставлении итоговой отметки 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 Примеры экзаменационных билетов.

Билет № 1. Способы определения первичной структуры белков. Секвенирование по Эдману.

2. Механизм сворачивания белков. Термодинамические особенности процесса in vitro.

Билет № 1. Задачи, решаемые белковой инженерией. Белковая инженерия и инженерная энзимология.

2. Белки теплового шока. Внутримолекулярные и молекулярные шапероны.

Билет № 1. Мутагенез с применением полимеразной цепной реакции.

2. Роль природных модификаций в регуляторных процессах и сортировке белковых молекул. Модификации аминокислотных радикалов в белках как возможность расширения функциональных способностей молекул белков.

12. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины "Белковая инженерия" является междисциплинарным курсом. Для успешного освоения этой дисциплины необходимы знания с одной стороны в области физики и химии, с другой стороны в области биологических наук. Курс состоит из двух частей. В первой части курса рассматриваются общие свойства белковых молекул, теоретические и экспериментальные методы предсказания структуры белков. Изложение этого материала в некоторой степени является повторением ранее изученного в рамках других дисциплин, в частности биоорганической химии, физической и метаболической биохимии.

Рекомендуется часть занятий по этим разделам курса проводить в интерактивной форме.

Подраздел "Функции белков" рекомендуется вынести на самостоятоятельную работу. Во второй части курса рассматриваются современные представления о биохимии белковых молекул и новые направления ферментативного катализа. При изучении этой части курса рекомендуется использовать электронные ресурсы, в частности ресурсы Интернета, для получения более наглядного представления о сложных превращениях, происходящих с белками в клетках живых организмов.