• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Методы исследования биологических макромолекул

2021/2022
Учебный год
RUS
Обучение ведется на русском языке
5
Кредиты
Статус:
Курс обязательный
Когда читается:
3-й курс, 1, 2 модуль

Преподаватели

Программа дисциплины

Аннотация

Биологическая макромолекула — это биополимер, то есть органическая молекула, состоящая из большого количества повторяющихся элементов. Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает требования к образовательным результатам и результатам обучения студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих дисциплину «Методы исследования биологических макромолекул», учебных ассистентов и студентов направления подготовки 06.03.01 Биология, обучающихся по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Программа учебной дисциплины разработана в соответствии с: Образовательным стандартом НИУ ВШЭ по направлению 06.03.01 Биология; Образовательной программой «Клеточная и молекулярная биотехнология» и объединенным учебным планом по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Данная учебная дисциплина включена в раздел «Профессиональный цикл» Учебного плана 06.03.01 Биология и относится к базовой профильной части. Осваивается на 3 курсе в 1-2 модулях. Изучение данной дисциплины базируется на результатах освоения дисциплины «Общая и неорганическая химия», «Органическая химия для биологии и медицины», «Биохимия». Основные положения дисциплины «Методы исследования биологических макромолекул» будут использоваться в рамках изучения дисциплин «Клеточные технологии и инженерия», «Регуляция клеточной активности и транскрипция генов», «Геномика и протеомика» и др., а также при прохождении практик на 3-4 курсах образовательной программы «Клеточная и молекулярная биотехнология».
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • познакомить обучающихся с современными подходами и методами физико-химического анализа биологического материала в целях изучения процессов, происходящих в ходе жизнедеятельности, на молекулярном уровне.
  • познакомить студентов с последними достижениями и принципами установления структурно-функциональных особенностей биомолекул.
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • Называет роли физико-химических методов исследования в решении задач современной биологии. Объясняет основы спектроскопии, ее виды и возможности применения для исследования биологических макромолекул.
  • Воспроизводит методы абсорбционной спектроскопии биологических систем.
  • Описывает основы люминесценции и возможности ее применения для исследования биологических макромолекул.
  • Объясняет возможности и границы применимости световой микроскопии для исследования биологических макромолекул.
  • Формулирует и объясняет основы ЯМР и возможности ЯМР спектро-скопии при проведении структурных исследований
  • Описывает основы электронной микроскопии и возможности ее применения
  • Объясняет и воспроизводит методы исследования ферментов. Описывает основные методы изучения межмолекулярных взаимодействий.
  • Освоение анализа карт электронной плотности и кристаллографического уточнения структуры молекулы.
  • Освоение исследования белков, нуклеиновых кислот и нуклеопротеиновых комплексов с помощью различной микроскопии.
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Тема 1. Основы спектроскопии.
    Электромагнитное излучение. Диапазоны электромагнитного излучения. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Поглощение, испускание и рассеяние света. Электронные, колебательные и вращательные уровни энергии молекулы. Соответствие спектральных диапазонов и степеней свободы в молекулярных системах. Интенсивность спектральных линий. Закон Ламберта–Бугера–Бэра. Аддитивность поглощения. Понятие о заселенности. Ширина спектральной линии. Естественное, доплеровское и столкновительное уширение спектральных линий. Аппаратная ширина линии. Единицы измерения в спектроскопии.
  • Тема 2. Абсорбционная спектроскопия в УФ и видимом диапазонах.
    Устройство спектрометра (кюветы сравнения и blank). Определение концентрации белков и ДНК. Гем-содержащие и флавин-содержащие белки. Медь-содержащие белки.
  • Тема 3. Колебательная спектроскопия.
    Колебательные спектры и инфракрасная спектроскопия. Понятие о гармоническом и ангармоническом осцилляторах. Колебания многоатомных молекул. Колебательно-вращательные переходы. Спектроскопия комбинационного рассеяния (Рамановская спектроскопия).
  • Тема 4. Флуоресценция и поляризация флуоресценции.
    Люминесценция и ее подтипы. Флуоресценция и фосфоресценция. Флуоресцентная спектроскопия. Квантовый выход флуоресценции и время жизни возбужденного состояния. Процессы тушения флуоресценции. Понятие о поляризации света. Поляризация флуоресценции, ее применение.
  • Тема 5. Методы исследования межмолекулярных взаимодействий.
    Дифференциальная сканирующая флуориметрия. Поверхностный плазмонный резонанс. Иммуноферментный анализ. Иммунопреципитация. Флуоресцентные метки. ДНК-зонды.
  • Тема 6. Биолюминесценция.
    Понятие люминесценции. Хемилюминесценция. Биолюминесценция. Кинетика биолюминесценции. Применение люциферин-люциферазных систем для оценки жизнеспособности клеток, исследования активации сигнальных путей, активности ферментов и прижизненной визуализации.
  • Тема 7. Световая микроскопия.
    Понятия разрешения, контраста, увеличения, дифракции и апертуры. Принцип освещения по Кёллеру. Флуоресцентная микроскопия. Конфокальная микроскопия. Мультифотонная микроскопия.
  • Тема 8. Ядерный магнитный резонанс.
    Магнитные моменты ядер. ЯМР-активные ядра. Спин, магнитный момент и Ларморова прецессия. Поглощение энергии системой ядерных спинов. ЯМР-релаксация. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Понятие о химическом сдвиге. Магнитно-эквивалентные ядра. Понятие о спин-спиновом взаимодействии. Простые правила интерпретации сверхтонкой структуры. Понятие о ЯМР белков. Понятие о магнитно-резонансной томографии (МРТ).
  • Тема 9. Спектроскопия ЯМР высокого разрешения.
    Волновые свойства электронов. Принципиальная схема электронного микроскопа. Просвечивающие (TEM) и сканирующие (SEM) электронные микроскопы. Понятие о криоэлектронной микроскопии.
  • Тема 10. Ферменты.
    Строение, активность, методы измерения активности. Методы исследования термостабильности, pH-стабильности, инактивации в ходе реакции.
  • Тема 11. Базовые определения и закономерности ферментативной кинетики.
    Стационарные методы и методы быстрой кинетики для установления механизма действия и структурных особенностей каталитически активных интермедиатов.
  • Тема 12. Ингибиторный анализ.
    Необратимые иингибиторы, типы полного обратимого ингибирования, активация и неполное ингибирование. Интегральная форма уравнения Михаэлиса-Ментен.
  • Тема 13. Методы разделения и выделения макромолекул.
    Выделение белков из раствора. Диализ. Дифференциальное центрифугирование. Изопикническое центрифугирование. Выделение нуклеиновых кислот из раствора. Электрофорез. Изоэлектрофокусирование. Блот.
  • Тема 14. Основы хроматографии.
    Понятие об адсорбции. Адсорбционно-десорбционное равновесие. Изотермы адсорбции. Адсорбция и распределение, как основа хроматографического разделения. Хроматографическое разделение смеси веществ. Принципиальное устройство и схема работы хроматографа. Теория теоретических тарелок. Ширина и форма хроматографического пика. Уравнение Ван-Деемтера.
  • Тема 15. Газовая и жидкостная хроматография.
    Газовая хроматография. Зависимость времени удерживания от температуры. Хроматография с программируемым нагревом. Жидкостная хроматография. Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). Нормально-фазовая и обращено-фазовая хроматография. Изократическое и градиентное элюирование. Зависимость времени удерживания от состава подвижной фазы. Устройство жидкостного хроматографа. Детекторы в жидкостной хроматографии.
  • Тема 16. Масс-спектрометрия.
    Основы метода. Метод масс-спектрометрического анализа. Единицы измерения массы, применяемые в масс-спектрометрии. Блок-схема масс-спектрометра. Точность измерения масс и разрешение. Методы ионизации: электронный удар, химическая ионизация, MALDI, электроспрей. Методы детектирования ионов. Масс-анализаторы: квадрупольный, времяпролетный, орбитальная ионная ловушка (Orbitrap). Тандемная масс-спектрометрия. Методы фрагментации ионов.
  • Тема 17. Масс-спектрометрия. Применение.
    Комбинации масс-спектрометра с жидкостным и газовым хроматографами. Применения масс-спектрометрии для решения задач биологии и медицины: протеомика, метаболомика, визуализация, биотипирование, лекарственный мониторинг.
  • Тема 18. Препаративные методы выделения белков.
    Гель-фильтрация, ионообменная, гидрофобная и аффинная хроматография.
  • Тема 19. Структурный анализ белков.
    Кристаллизация белков. Рентген-структурный анализ. Криомикроскопия. ЯМР белков. Тритиевая планиграфия. Молекулярный докинг.
  • Тема 20. Технологии секвенирования нуклеиновых кислот.
    Области применения секвенирования. Синтез цепи ДНК. Метод химической деградации Максама и Гилберта. Метод обрыва цепи Сэнгера. Методы выскопроизводительного секвенирования: секвенирования путём синтеза, ионное полупроводниковое секвенирование, нанопоровое секвенирование.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Экзамен 1 модуль
    Экзамен по дисциплине проводится в устной и письменной форме. Экзаменационный билет содержит нескольких вопросов из разных тем и тест.
  • неблокирующий Экзамен 2 модуль
  • неблокирующий Контрольная работа темы 1- 7
  • неблокирующий Контрольная работа темы 10-17
  • неблокирующий Лабораторный практикум 1 модуль
  • неблокирующий Лабораторный практикум 2 модуль
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (1 модуль)
    0.3 * Контрольная работа темы 1- 7 + 0.2 * Лабораторный практикум 1 модуль + 0.5 * Экзамен 1 модуль
  • Промежуточная аттестация (2 модуль)
    0.15 * Контрольная работа темы 10-17 + 0.1 * Лабораторный практикум 2 модуль + 0.5 * Промежуточная аттестация (1 модуль) + 0.25 * Экзамен 2 модуль
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Дрюк В. Г., Скляр С. И., Карцев В. Г. - БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 2-е изд., пер. и доп. Учебное пособие для бакалавриата, специалитета и магистратуры - М.:Издательство Юрайт - 2019 - 311с. - ISBN: 978-5-534-08504-4 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/biologicheskaya-himiya-442129

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Основы биохимии : учеб. пособие / Т.Л. Ауэрман, Т.Г. Генералова, Г.М. Суслянок. — М. : ИНФРА-М, 2019. — 400 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/982131
  • Фоминых В. Л., Тарасенко Е. В., Денисова О. Н. - ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ОСНОВЫ БИОХИМИИ. ПРАКТИКУМ. Учебное пособие для вузов - М.:Издательство Юрайт - 2019 - 145с. - ISBN: 978-5-534-09417-6 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/organicheskaya-himiya-i-osnovy-biohimii-praktikum-438779