Физико-химические методы анализа в биофизике

Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
Физико-химические методы анализа в биофизике
Методические указания по самостоятельной работе
Красноярск
2011
Составитель: Межевикин В.В.
Методические указания составлены в соответствии с учебным планом
и программой по дисциплине «Физико-химические методы анализа в
биофизике». В пособии даны рекомендации для самостоятельного изучения
теоретического курса дисциплины, представлены источники основной и
дополнительной литературы в соответствии с темами занятий.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся
по направлению
011200.68 «Физика», магистерская
программа
«Биофизика».
Целью изучения дисциплины является - формирование у студентов
понимания принципов, условий применимости и ограничений в
использовании методов качественного, количественного и структурного
анализа различных биологических объектов, которые могут являться
биоорганическими и бионеорганическими соединениями, клеточными и
субклеточными структурами. В результате освоения материала курса
студенты должны научиться адекватно выбирать необходимые физикохимические методы для решения конкретных задач.
Задача курса: представить сведения о современных физико-химических
методах качественного, количественного и структурного анализа и их
технической реализации для решения возникающих в биофизических
исследованиях.
Задачей изучения дисциплины является формирование следующих
компетенций:
– способностью демонстрировать углубленные знания в области
математики и естественных наук (ОК-1);
– способностью порождать новые идеи (креативность) (ОК-5);
– способностью свободно владеть фундаментальными разделами физики,
необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии
со своей магистерской программой) (ПК-1);
– способностью использовать знания современных проблем физики,
новейших достижений физики в своей научно-исследовательской
деятельности (ПК-2);
– 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-3);
– 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-4);
– способностью свободно владеть разделами физики, необходимыми для
решения научно-инновационных задач (в соответствии с профилем
подготовки) (ПК-6);
– способностью свободно владеть профессиональными знаниями для
анализа и синтеза физической информации (в соответствии с профилем
подготовки) (ПК-7);
– способностью организовать и планировать физические исследования
(ПК-9).
1 Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия:
Всего
зачетных
единиц
(часов)
Семестр
10
4 (144)
1,56 (56)
4 (144)
1,56 (56)
лекции
0,78 (28)
0,78 (28)
практические занятия (ПЗ)
0,78 (28)
0,78 (28)
Самостоятельная работа:
1,44 (52)
1,44 (52)
Вид промежуточного контроля (зачет,
экзамен)
Экзамен
1 (36)
Экзамен
1 (36)
2 Содержание дисциплины
2.1 Разделы дисциплины
№
п/п
Модули и разделы дисциплины
1
Модуль 1. Введение. Современная аналитическая химия и методология
биофизических исследований.
2
Модуль 2. Получение и анализ высокоочищенных биомолекул.
3
Модуль 3. Спектроскопические и связанные с ними методы анали-за биологических
соединений и структур.
Модуль 4. Микроскопия высокого разрешения
4
5
6
Модуль 5. Основные биофизические и физико-химические методы оценки состояния
окружающей среды и состояния человека.
Модуль 6. Физические основы современных методов анализа последовательности
нуклеиновых и белковых молекул.
7
Модуль 7. Нейросети и их применение в биофизических исследованиях.
8
Модуль 8. Обработка экспериментальных данных и их представление.
2.2 Самостоятельная работа
Учебной программой дисциплины «Физико-химические методы
анализа в биофизике» предусмотрено более половины объема времени
изучения материала на самостоятельную работу студентов. Данный вид
работы является обязательным для выполнения. При самостоятельном
выполнении различных видов заданий студент учится принимать
самостоятельно решения, разбирать и изучать новый материал, работать с
периодической научной литературой.
Самостоятельная работа по курсу «Физико-химические методы анализа
в биофизике» включает:
самостоятельное
изучение
теоретического
материала
с
использованием рекомендуемой литературы;
- подготовка реферата;
- подготовка к экзамену.
Самостоятельное изучение теоретического курса (ТО)
При самостоятельном изучении теоретического материала помимо
основной литературы желательно пользоваться дополнительной литературой
и новыми литературными источниками, периодическими изданиями. Следует
использовать возможности научной библиотеки СФУ: http://lib.sfu-kras.ru/.
Самостоятельное изучение теоретического материала проводится в
рамках модулей по следующим темам:
№
п/п
1
2
№ раздела
дисциплины
Модуль 1. Введение.
Современная
аналитическая химия
и методология
биофизических
исследований.
Модуль 2. Получение
и анализ
высокоочищенных
биомолекул.
Самостоятельное изучение
теоретического материала по темам
Раздел 1.1. Современная аналитическая химия и
методология биофизических исследований.
(самостоятельные часы - (0,18) (6,5 ч))
Раздел 2.1. Основные методы разрушения биологических
объектов, экстракции исследуемых веществ и структур,
лредварительная обработка получаемых экстрактов.
Раздел 2.4. Электрофоретические методы разделения и
анализа биологических веществ.
(самостоятельные часы - (0,18) (6,5 ч))
3
Модуль 3.
Спектроскопические
и связанные с ними
методы анали-за
биологических
соединений и
структур.
Раздел 3.1. Спектроскопия. УФ-видимая спектроскопия
Раздел 3.6. Гамма-резонансная спектроскопия в
исследовании белков.
Раздел 3.11. Фемтосекундные лазеры в исследовании
механизмов фотосинтеза.
Раздел 3.12. Масс-спектрометрия: идентификация молекулы
по ее осколкам.
(самостоятельные часы - (0,18) (6,5 ч))
4
Модуль 4.
Раздел 4.1. Основные методы электронной микроскопии.
Микроскопия
высокого разрешения (самостоятельные часы - (0,18) (6,5 ч))
5
Модуль 5. Основные
биофизические и
физико-химические
методы оценки
состояния
окружающей среды и
состояния человека.
Модуль 6.
Физические основы
современных методов
анализа
последовательности
нуклеиновых и
белковых молекул.
6
Основные биофизические и физико-химические методы
оценки состояния окружающей среды и состояния человека.
(самостоятельные часы - (0,18) (6,5 ч))
Физические основы современных методов анализа
последовательности нуклеиновых и белковых молекул.
(самостоятельные часы - (0,18) (6,5 ч))
7
Модуль 7. Нейросети Нейросети и их притменение в биофизических
исследованиях.
и их притменение в
(самостоятельные часы - (0,18) (6,5 ч))
биофизических
исследованиях.
8
Модуль 8. Обработка Обработка экспериментальных данных и их представление.
(самостоятельные часы - (0,18) (6,5 ч))
экспериментальных
данных и их
представление.
Самостоятельная работа студентов подкреплена учебно-методическим
и информационным обеспечением, включающим учебники, учебнометодические пособия, приведенные в п.3 настоящего издания.
К учебно-методическим материалам Института фундаментальной
биологии и биотехнологии (ИФБиБТ) студенты имеют доступ через
официальный сайт института - http://bio.sfu-kras.ru/, раздел «Образование»,
учебно-методические материалы в электронном виде – http://bio.sfukras.ru/?page=482.
Студентам обеспечен свободный доступ к личному кабинету
преподавателя на сайте Института фундаментальной биологии и
биотехнологии (http://bio.sfu-kras.ru/?page=498). В личном кабинете
размещаются презентации, учебно-методические материалы, промежуточные
задания и вопросы к экзамену. Так же в личном кабинете организуется обмен
материалами и консультации при самостоятельной работе студентов и
выполнении практических заданий и подготовке презентаций.
Написание и защита рефератов
Написание рефератов является необходимым элементом учебного
процесса. Основной целью выполнения данной работы является развитие
мышления и творческих способностей студента. В процессе выполнения
реферата у студента должны сформироваться следующие компетенции:
– применение методов научного познания;
– владение методологией обучения, постановки и разрешения проблем;
– способности к самоорганизации, организации и планированию;
– навыки работы с компьютером, умение использовать современные
информационные технологии (справочные системы, Интернет и др.) для
получения доступа к источникам информации, хранения и обработки
данных;
– навыки управления информацией и приемы информационноописательной деятельности;
– навыки грамотной письменной и устной речи.
Написание реферата требует самостоятельности и творческого
подхода. Основной целью работы является раскрытие одной из тем,
предложенных преподавателем или выбранных самим студентом по
согласованию с преподавателем. Тему реферата студент выбирает
самостоятельно из представленных в списке (или предлагает свою) и
утверждает у преподавателя в течение первых двух недель обучения. Основа
реферата выполняется с использованием учебной и научной литературы и
обязательно подкрепляется материалами из научных статей журналов,
которые доступны на сайтах научных баз данных, поисковых систем,
издательств, в том числе и на сайте научной библиотеки СФУ (www.lib.sfukras.ru).
Студенты должны выполнить реферат по одной из следующих тем:
1.
2.
3.
Анализ современных хроматографических методов разделения и
идентификации биологических веществ.
Анализ современных электрофоретических методов разделения и
идентификации биологических веществ.
Современные масс- спектрометрические методы анализа биологических
веществ.
Современные подходы к созданию искусственного «электронного носа» для
обнаружения летучих веществ в ультра малых количествах
5. Возможные направления оценки биологических свойств веществ их физикохимическим свойствам.
6. Анализ существующих математико-вычислительных методов для
предсказания биологического действия вновь синтезированных химических
веществ.
Реферат должен быть оформлен в соответствии с требованиями
оформления студенческих текстовых документов. Объем реферата должен
составлять 20-30 страниц.
4.
Структура реферата
Реферат включает следующие структурные элементы:
1. Титульный лист. С него начинается нумерация страниц, но номер не
ставится. Номера страниц начинают печатать с первой страницы раздела
«Введение». Титульный лист оформляется аналогично титульному листу
курсовой работы: указывают наименование высшего учебного заведения;
факультет, кафедру, где выполнялась работа; название работы; фамилию и
инициалы студента; ученую степень и ученое звание, фамилию и инициалы
преподавателя; город и год выполнения работы.
2. Содержание. В содержании представлены названия всех разделов и
подразделов работы, каждое из которых печатается с новой строки. В конце
строки ставится номер страницы, на которой напечатана данная рубрика в
тексте. Номера страниц печатаются вблизи правого поля, все на одинаковом
расстоянии от края страницы. Следует обратить внимание, что названия
разделов и подразделов в оглавлении должно точно соответствовать
заголовкам текста.
3. Введение. Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой
темы, пути развития на современном этапе, имеющиеся проблемы и
способы их разрешения. Объём данного раздела не должен превышать
одной страницы.
4. Обзор литературы. В данном разделе излагаются теоретические
основы по выбранной тематике. Изложение должно вестись в форме
теоретического анализа проработанных источников применительно к
выполняемой теме, логично, последовательно и грамотно. При
необходимости данный раздел может состоять из отдельных подразделов.
Из содержания теоретического обзора должно быть видно состояние
изученности темы в целом и отдельных ее вопросов.
5. Заключение. Представляет собой краткое обобщение (2–3 абзаца)
приведенных данных.
6. Библиографический список.
существующими требованиями.
7. Приложения.
Оформляется
в
соответствии
с
Оформление реферата должно соответствовать межгосударственному
стандарту ГОСТ 7.32-2001, устанавливающему общие требования к
структуре и правилам оформления научных и технических отчетов.
Реферат должен сопровождаться библиографическим списком, который
составляют в соответствии с ГОСТ 7.12003 «Библиографическая запись.
Библиографическое описание. Общие требования и правила составления».
Защита реферата проводится, начиная с 12-й недели семестра во время
семинарских занятий. Для защиты реферата студент готовит
презентационные материалы, оформленные в виде последовательности
слайдов, демонстрируемых на экранах для аудитории слушателей. При
подготовке рефератов и презентаций рекомендуется использовать
лицензионное программное обеспечение СФУ, которое представлено в
каталоге.
3 Учебно-методические материалы по дисциплине
3.1 Основная и дополнительная литература, информационные ресурсы
Основная литература:
1. И.Н.Сердюк, Н.Заккаи, Дж.Заккаи. Методы в молекулярной биофизике.
Структура. Функция. Динамика: учебное пособие : [в 2 томах] / И.
Сердюк, Н. Заккаи, Д. Заккаи ; науч. ред. И. Сердюк. - Москва :
Книжный дом "Университет", Том 1. - 2009. - 567 с. (12 экз.)
2. И.Н.Сердюк, Н.Заккаи, Дж.Заккаи. Методы в молекулярной биофизике.
Структура. Функция. Динамика: учебное пособие : [в 2 томах] / И.
Сердюк, Н. Заккаи, Д. Заккаи ; науч. ред. И. Сердюк. - Москва :
Книжный дом "Университет", Том 2. - 2010. - 733 с. (11 экз.)
3. Отто, М. Современные методы аналитической химии: перевод с
немецкого / М. Отто. - 3-е изд. - Москва : Техносфера, 2008. - 543 с.
(14 экз.)
4. Квантовая радиофизика: магнитный резонанс и его приложения:
учебное пособие для студентов вузов по направлению "Прикладные
математика и физика", а также по направлениям "Физика" и
"Радиофизика" / Санкт-Петербургский университет [СПбГУ] ; ред. В.
И. Чижик. - Изд. 2-е, перераб... - СПб. : Изд-во С-Пб ун-та, 2009. - 699
с. (20 экз.)
Дополнительная литература:
1. М.Отто. Современные методы аналитической химии. 2-е исправленное
издание. Техносфера, Москва, 2006, 544с.
2. Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина. Биологическая химия. «Высшая школа»,
Москва, 2000, 479с.
3. А.С.Спирин. Молекулярная биология. Структура рибосомы и
биосинтез белка. «Высшая школа», Москва, 1986, 303с.
5. П.М.Бородин и др. Квантовая радиофизика: магнитный резонанс и его
приложения. Изд-во С.Петербургского университета, Санкт-Петербург,
2009, 700с.
6. Применение методов Фурье-оптики. Под ред. Г.Старка. Радио и связь,
Москва, 1988, 536с.
7. К.Данцер, Э.Тан, Д.Мольх. Аналитика. Систематический обзор. Химия,
Москва, 1981, 280с.
Электронные, информационные ресурсы:
1. Лаваньини , И. Количественные методы в масс-спектрометрии
[Электронный ресурс] / И. Лаваньини , Ф. Маньо, Р. Сералья, Т. Тральди.
- Электрон. текстовые дан. (PDF, 3,99 Мб). - М.: Техносфера, 2008. - 174 с.
Режим доступа: http://lib2.sfu-kras.ru/elib/u51/i-436837.pdf
2. Bionanotechnology: Global Prospects. Editor: D. E. Reisner, CRC Press, 2009,
345 pp. Режим доступа: http://lib2.sfu-kras.ru/elib/b28/0234104.pdf
3. Современные проблемы и методы биотехнологии [Электронный ресурс] :
электрон. учеб. пособие / Н. А. Войнов [и др.] ; Сиб. федерал. ун-т. Версия 1.0. - Электронные данные (PDF ; 10 976 Кб). - Красноярск : ИПК
СФУ, 2009. - 418 on-line. - (Современные проблемы и методы
биотехнологии : УМКД № 1323-2008 / рук. творч. коллектива Т.Г.
Волова) (Электронная библиотека СФУ. Учебно-методические комплексы
дисциплин).
Режим
доступа:
http://files.lib.sfukras.ru/ebibl/umkd/1323/u_manual.pdf
3.2 Контрольно-измерительные материалы
Контрольно-измерительные материалы по дисциплине «Физикохимические методы анализа в биофизике» включают:
1) контрольные вопросы по каждой теме теоретического курса;
2) экзаменационные билеты.
Форма проведения экзамена: устный и письменный ответ на
экзаменационные вопросы.
Вопросы к экзамену:
1.Современная хроматография. Аппаратура и методы.
Классические методы хроматографии.
Методы аффинной хроматографии
Электрофорез в биохимических и биофизических исследованиях.
Собственная флюоресценция белков в исследовании
их функционирования.
6. Фемтосекундные лазеры в исследовании механизмов фотосинтеза.
7. Гамма-резонансная спектроскопия в исследовании белков.
8. Методы направленного мутагенеза.
9. Современные методы установления структуры генома.
10.Методы исследования быстрых биохимических
и биофизических процессов.
11.Определение пространственной структуры белков с помощью
рентгеноструктурного анализа.
12.Определение пространственной структуры белков
с помощью ЯМР-спектроскопии.
13.ЯМР-спектроскопические методы исследования
белок-белкового взаимодействия.
14.Современная ЭПР-спектроскопия и ее использование
в биофизических исследованиях.
15.Установление первичной структуры белков
с помощью масс-спектроскопии.
16.Нейросетевые методы обработки информации
в биофизических исследованиях.
17.Квантово-химические расчеты в биофизических исследованиях.
18.Современные физико-химические методы и прогресс
в решении биологических и биофизических проблем.
1.
2.
3.
4.
5.