MolBio2011

Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан физического факультета
________________ В.М. Анищик
13.06.2011 г.
Регистрационный № УД-4582 /баз.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА
Учебная программа для специальности
1-31 04 01 Физика (по направлениям)
1-31 04 01-01 Физика (научно-исследовательская деятельность);
1-31 04 01-03 Физика (научно-педагогическая деятельность)
2011
СОСТАВИТЕЛЬ:
Е.И. Коваленко – доцент кафедры биофизики Белорусского государственного университета,
кандидат биологических наук, доцент.
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
М.Н. Стародубцева – доцент кафедры медицинской и биологической физики Гомельского
государственного медицинского университета, кандидат биологических наук, доцент.
А.А. Чиркин – заведующий кафедрой химии биологического факультета Витебского
государственного университета им.П.М.Машерова, доктор биологических наук, профессор.
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:
Кафедрой биофизики физического факультета Белорусского государственного университета
(протокол № 13 от 30 мая 2011 г.);
Ученым советом физического факультета Белорусского государственного университета
(протокол № 10 от 13 июня 2011 г.);
Ответственный за редакцию: Е.И. Коваленко
Ответственный за выпуск: Е.И. Коваленко
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Программа курса "Молекулярная биофизика" разработана для специальности
1-31 04 01 Физика (по направлениям). Изучение физико-химических свойств
информационных биополимеров, особенностей их структуры, физики процессов их
формирования и функционирования необходимо для понимания основ функционирования
любых биологических объектов. Интерес к изучению биологически важных молекул
неуклонно растет в связи с открывающимися перспективами использования знания их
свойств в биотехнологии, практической генной инженерии, микроэлектронике и
нанотехнологии, фундаментальной и прикладной биологии, медицине. Программа курса
«Молекулярная биофизика» включает изучение общих основ статистики и
термодинамики полимеров, применение этих закономерностей к анализу структуры и
свойств полипептидов (белков) и полинуклеотидов (ДНК, РНК), в курсе также
рассматриваются физические закономерности функционирования ферментов и других
ключевых белков, особенности механизмов синтеза белка. Программа составл ена так, что
последующие разделы являются логическим продолжением предыдущих.
Данный курс опирается на фундамент физических и математических дисциплин,
изученных студентами на предшествующих курсах обучения на физическом факультете
БГУ. Чтению данного курса предшествует изучение спецкурсов «Введение в биофизику»,
«Основы биохимии» («Биохимия»), «Физика растворов», знание которых способствует
изложению материала по молекулярной биофизике. Курс «Молекулярная биофизика» далее
углубляется в последующих спецкурсах в рамках отдельных направлений: «Генетическая
инженерия», «Протеомика», «Спектрально-физические методы исследования биообъектов»,
«Клеточная информатика» и других.
Таким образом, целью данного курса является освоение студентами знаний в области
физики информационных биополимеров: белков, ферментов, нуклеиновых кислот, а также
изучение механизмов процессов синтеза нуклеиновых кислот и белка. Программа курса
рассчитана на 34 часа лекций, 6 часов контролируемой самостоятельной работы (КСР).
Форма отчетности – экзамен.
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
№
п/п
Название темы
Лекции
Семинарские
занятия
Контролируемая
самостоятельная
работа
Всего
1
1.
2.
2
3
2
6
4
5
1
6
2
7
10
6
6
1
1
1
11
7
7
4
2
6
34
6
40
3.
4.
5.
6.
Введение
Элементы физики
полимеров
Физика белка
Физика ферментов
Физика нуклеиновых
кислот
Процессы синтеза НК и
белка и их регуляция
Итого
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
1. ВВЕДЕНИЕ. Молекулярная биофизика: характеристика объектов, задачи исследований,
связь с другими научными дисциплинами, место молекулярной биофизики в структуре
биофизических знаний. Методы изучения макромолекул. Молекулярные массы полимеров.
2. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ПОЛИМЕРОВ. Свободно-сочлененная модель, сворачивание
полимера в клубок. Упругие свойства полимеров: растяжение полимера – аналог расширения
газа. Потенциальная энергия нековалентных взаимодействий, характеристика ротамеров.
Конфигурация и конформация полимера. Поворотно-изомерная теория сворачивания
макромолекул, расчет тормозящих потенциалов. Формула Ока.
Статистический характер конформации полимера. Характеристика гибкости цепи.
Сворачивание жестких макромолекул, модель упругого стержня. Персистентная длина.
Эффективная длина Куна. Кооперативность. Примеры жестких биополимеров.
Термодинамическая и кинетическая гибкость полимера.
Объемные взаимодействия. Переходы глобула-клубок при изменении температуры и при
растворении. Кооперативность конформационных превращений. Термодинамика переходов
«глобула-клубок».
3. ФИЗИКА БЕЛКА. Белок как упорядоченный самоорганизующийся апериодический
кристалл. Функции белков. Задачи физики белка. Иерархия «архитектуры» белка, иерархия
сворачивания белка. Ренатурация, денатурация, динамичность и деформируемость белков.
Полимерная цепь белка, пептидная связь. Конформации полипептидной цепи. Карты
Рамачандрана.
Вторичная структура белка. Взаимодействия, определяющие формирование вторичной
структуры. Характеристика различных видов спиралей, -складчатых форм, шпилек.
Способность различных аминокислот к формированию определенных форм вторичной
структуры белка.
Третичная структура белка. Взаимодействия, определяющие формирование третичной
структуры. Домены, их классификация, базы данных доменов. Свойства и функции доменов.
Примеры различных типов доменов.
Четвертичная структура белка. Подразделение белков на глобулярные и фибриллярные.
Строение фибриллярных белков (фиброин, коллаген, кератин). Гемоглобин – пример
глобулярного белка: структура гемоглобина и гема, связывание лиганда, кооперативность
при функционировании гемоглобина, кривые насыщения О2 гемоглобина и миоглобина.
Строение и функционирование антител.
Переходы спираль-клубок у белков. Теория Зимма-Брегга. Тепловая денатурация белков.
Физико-химические свойства белков.
Факторы стабилизации белковой глобулы.
Денатурация и переходы «глобула-клубок» и «спираль-клубок», матричный метод модели
Изинга.
4. ФИЗИКА ФЕРМЕНТОВ. Общая характеристика функционирования ферментов. Модели
Фишера и Кошланда. Конформационные свойства ферментов. Химическая кинетика и
катализ (формула Аррениуса, константы скорости и равновесия в обратимых реакциях).
Понятие гомогенного и гетерогенного катализа. Термодинамика ферментативного катализа.
Факторы, ответственные за действие ферментов по Браунштейну.
Кинетика простых ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментен и
соответствующий графический анализ. Типы ингибиторов ферментов. Математическое
описание конкурентного и неконкурентного ингибирования, изменения на кривых
Михаэлиса-Ментен. Аллостерическая регуляция ферментов.
Физика
фермент-субстратного
взаимодействия.
Электронно-конформационные
взаимодействия. Уравнение Фоккера-Планка. Конформон. Кинетические процессы в ЭКВ.
Формула для константы скорости образования многоцентровой активной конфигурации.
5. ФИЗИКА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ. Первичная структура нуклеиновых кислот.
Конформации ДНК и РНК. Физические модели ДНК. Полиморфизм вторичной структуры
ДНК (A, B, C, Z-формы); роль стэкинг-взаимодействий и других факторов в стабилизации
пространственной структуры НК. Топология ДНК прокариот. Структура РНК. Адаптерная
(транспортная) РНК. Регуляторные РНК. Вирусная и рибосомная РНК. Сверхспиральные
структуры ДНК. Особенности вторичной и третичной структуры т-РНК
Третичная
и
надмолекулярная
структура
нуклеиновых
кислот.
Ядерные
дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП) как основа структуры хроматина. Гистоны
и негистоновые белки. Конформация ДНК и белков в ДНП. Хроматин. Состав нуклеосомы.
Наднуклеосомная организация хроматина. Хромосомы. Современные представления
о нуклеосомной и наднуклеосомной организации хроматиновой фибриллы.
Физические свойства НК. Вязкость НК. Стабильность вторичной структуры ДНК и переходы
«спираль-клубок». Взаимодействие НК с растворителем. Денатурация и ренатурация НК,
факторы денатурации. Качественные и количественные характеристики денатурации.
6. ПРОЦЕССЫ СИНТЕЗА НК И БЕЛКА И ИХ РЕГУЛЯЦИЯ. Основная догма
молекулярной биологии: пути передачи генетической информации. Репликация НК.
Геликаза, ДНК-полимераза, фрагменты Оказаки. Генетический код. Различия механизмов
синтеза белка у прокариот и эукариот. Понятия гена и оперона. Транскрипция, РНКполимераза, транскрипционные факторы. Трансляция, сплайсинг, сплайсосома. Механизмы
альтернативного сплайсинга. Синтез белка, рибосома (строение и функционирование).
Фолдинг белка, его регуляция. Прионы. Мутации. Контроль устойчивости генетического
материала. Репарация повреждений ДНК. Механизмы вирусного инфицирования.
Современные направления разработки средств для противовирусной защиты.
ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Формы текущего контроля знаний
1. Письменные контрольные работы.
2. Рефераты.
Темы контрольных работ
1. Элементы физики полимеров
2. Физика белка
3. Физика ферментов
4. Физика нуклеиновых кислот
5. Процессы синтеза НК и белка и их регуляция
Темы рефератов
1. Механизмы управления процессами фолдинга белков. Шапероны. Убиквитин. Прионы.
2. Механизмы проникновения в клетку и репликации вирусов.
3. Полимеразная цепная реакция.
4. Мутации. Репарация повреждений ДНК.
5. Молекулярная «машинерия». Механизмы функционирования различных ферментов.
6. Функционирование «молекулярных моторов».
7. Альтернативный слайсинг как основа многообразия белков высших организмов.
8. Сплайсосома и ее функционирование.
9. Механизмы формирования многообразия антител.
10. Биомиметические нанотехнологии с использованием нуклеиновых кислот и белков.
11. Молекулярно-биофизические основы разработки лекарственных средств для защиты от
быстромутирующих вирусов (ВИЧ, грипп, герпес).
12. Эволюционные представления о синтезе нуклеиновых кислот и белков.
Рекомендуемая литература
Основная
1. Волькенштейн М.В. Биофизика. М.Наука, 1988.
2. Рубин А.Б Теоретическая биофизика. Университет, М.,1999.
3. Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. Университет, М., 2002.
4. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул. Наука. М., 1989.
5. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. Мир, М., 1987.
6. Бартеньев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. ВШ, М., 1996.
7. Степанов М. Молекулярная биология. Структура и функции белков. ВШ, М., 1996.
8. Рыбин И.А. Лекции по биофизике. Свердловский ун-т, Свердловск, 1990.
9. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. Молекулярная биология клетки. В 3т. Мир, М., 1994.
10. Кноре Д.Г., Райт В.К. Физические методы исследования биополимеров: учебное пособие.
Изд-во НГУ, Новосибирск, 1980.
11. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика: Практический курс. М.: «ФАИР-ПРЕСС»,
1999.
12. Бокуть С.Б., Герасимович Н.В., Милютин А.А. Молекулярная биология: молекулярные
механизмы хранения, воспроизведения и реализации генетической информации: учеб.
пособие. Мн.: Выш.шк., 2005.
Дополнительная
1. Рубин А.Б Биофизика. В 2т. ВШ, М.,1987
2. Рубин А.Б Термодинамика биологических процессов. Моск. Ун-т, М., 1984.
3. Рубин А.Б Лекции по биофизике. МГУ, М., 1994.
4. Шульц Г.Е., Ширмер Р.Х. Принципы структурной организации белков. Мир, М., 1982.
5. Марри Э. Биохимия человека. Мир, М., 1993.
6. Льюин Б. Гены. Мир, М., 1987.
7. Оглезнева Н.Я. Медицинская и биологическая физика. ОГУ, Омск, 1994.
Статьи
1. Баскин И. Компьютерное моделирование в молекулярной нанотехнологии. //Компьютер.
1997. №41 (218).
2. Шайтан К.В. и др. Электронно-конформационные взаимодействия и значение
эффективных зарядов на атомах в пептидах. //Молекулярная биология, 1997. т.31.
3. Шайтан К.В. Конформационная подвижность белка с точки зрения физики.
//Соросовский образовательный журнал. 1999. №5.
4. Тихонов А.Н. Молекулярные моторы. ////Соросовский образовательный журнал. 1999.
№6.
5. Карпов В.Л. ДНК, хроматин, гистоновый код. //Вестник РАН. 2003. №6.
6. Евдокимов Ю.М., и др. Молекулярные конструкции (суперструктуры) с регулируемыми
свойствами на основе двухцепочных нуклеиновых кислот. //Молекулярная биология.
2003. т.37.