Молекулярная биофизика

Молекулярная биофизика и физика живых систем

Молекулярная биофизика

Квалификация, присваиваемая выпускникам: бакалавр 

Форма обучения: очная 

Нормативный срок освоения: 4 года 

Трудоемкость освоения за весь период обучения составляет 240 зачетных единиц и включает все  виды  аудиторной  и  самостоятельной  работы  студента,  практики  время,  отводимое  на  контроль качества освоения студентом образовательной программы.  Характеристика профессиональной деятельности выпускников:  Область  профессиональной  деятельности  бакалавров  по  направлению  подготовки  03.03.01 Прикладные  математика  и  физика  включает  исследовательскую,  аналитическую,  проектную,  опытно-конструкторскую,  инновационную,  производственно-технологическую  и  организационно-управленческую  деятельность  в  различных  областях  науки,  техники,  технологии,  использующую подходы,  модели  и  методы  математики,  физики  и  других  естественных  и  социально-экономических наук.  Объектами профессиональной деятельности бакалавров по направлению подготовки 03.03.01 Прикладные математика и физика являются:  — природные и социальные явления и процессы;  — объекты техники, технологии и производства;  — модели, методы и средства фундаментальных и прикладных исследований и разработок в области  математики,  физики  и  других  естественных  и  социально-экономических  наук  по  профилям предметной деятельности в науке, технике, технологиях, а также в сферах наукоёмкого производства, управления и бизнеса. 

Основные виды профессиональной деятельности: 

— научно-исследовательская; 
— инновационная, конструкторско-технологическая,  производственно-технологическая (в сфере высоких и наукоемких технологий); 
— проектная и организационно-управленческая;

Задачи профессиональной деятельности выпускников 

По основным видам деятельности бакалавр по направлению подготовки 03.03.01 Прикладные математика и физика должен решать следующие профессиональные задачи: 

научно-исследовательская: 

— проведение  научных  и  аналитических  исследований  по  отдельным  разделам  (этапам, заданиям)  темы  (проекта)  в  рамках  предметной  области  в  соответствии  с  утверждёнными  планами  и методиками исследований;  — участие  в  проведении  наблюдений  и  измерений,  выполнении  эксперимента  и  обработке данных с использованием современных компьютерных технологий;  — сбор  и  обработка  научной  и  аналитической  информации  с  использованием  современных программ,  средств  и  методов  вычислительной  математики,  компьютерных  и  информационных технологий;  — участие  в  проведении  теоретических  исследований,  построении  физических, математических и компьютерных моделей изучаемых процессов и явлений, в проведении аналитических  исследований в своей предметной области;  — участие в обобщении полученных данных, формировании выводов, в подготовке научных и аналитических отчётов, публикаций и презентаций результатов научных и аналитических исследований;  — участие в создание новых методов и технических средств исследований и новых разработок;  — участие  в  разработке  новых  алгоритмов  и  компьютерных  программ  для  научно-исследовательских и прикладных целей. 

инновационная,  конструкторско-технологическая,  производственно-технологическая  (в  сфере высоких и наукоемких технологий), проектная и организационно-управленческая: 

— участие  во  внедрении  инновационных  технологических  процессов  и  объектов  новой техники;  — участие в модернизации существующих, разработке и внедрении новых методов контроля качества  материалов,  производственно-технологических  процессов  и  готовой  продукции  в  сфере высоких и наукоемких технологий;  — квалифицированное  использование  исходных  данных,  материалов,  оборудования,  методов математического  и  физического  моделирования  производственно-технологических  процессов  и характеристик  наукоемких  технических  устройств  и  объектов,  включая  использование  алгоритмов  и программ расчета их параметров;  — участие  в  создании  новых  физических  и  математических  методов  сертификации  и испытаний объектов техники и технологии;  — участие в разработке новых технологических регламентов и их внедрении;  — участие в подготовке научно-технических отчетов и другой документации; 

— участие  в  разработке  и  реализации  проектов  исследовательской  и  инновационной направленности в команде исполнителей; 

Учебный план основной образовательной программы высшего образования ФБМФ, кафедра физико-химической биологии и биотехнологиивключает следующие виды учебной деятельности:
дисциплины (модули): История, Философия, Иностранные языки, Введение в математический анализ Многомерный анализ, интегралы и ряды Кратные интегралы и теория поля Гармонический анализ Аналитическая геометрия Линейная алгебра Дифференциальные уравнения Теория функций комплексного переменного Теория вероятностей Уравнения математической физики Вычислительная математика Общая физика: механика Общая физика: термодинамика и молекулярная физика Общая физика: электричество и магнетизм Общая физика: оптика Общая физика: квантовая физика Общая физика: лабораторный практикум Аналитическая механика Теория поля Квантовая механика Статистическая физика Физическая кинетика Информатика Объектно-ориентированное программирование Безопасность жизнедеятельности Физическая культура Прикладная физическая культура (виды спорта по выбору) Дисциплины и курсы по выбору студента, устанавливаемые вузом (гуманитарные, социальные и экономические)

Факультетские дисциплины:

Основы общей и неорганической химии Практикум по неорганической химии Общая биология Основы органической химии Практикум по органической химии Биоорганическая и биологическая химия Практикум по биоорганической и биологической химии Молекулярная биология Биофизика Основы анатомии и физиологии Основы химической физики Основы химической физики: лабораторный практикум Физические методы исследований Физические методы исследований: лабораторный практикум

Блок дисциплин по выбору 1:

Основы биоинформатики Введение в химическую информатику

Блок дисциплин по выбору 2:

Алгоритмы в биоинформатике Молекулярная биофизика: от молекулы до клетки Молекулярные основы инфекционных болезней

Блок дисциплин по выбору 3:

Методы исследования макромолекул Молекулярная микробиология

Профильные дисциплины:

Дисциплины базовой кафедры

Практики:

Учебная практика Инновационная практика

Производственная практика:

Преддипломная практика Научно-исследовательская работа

Государственная итоговая аттестация:

государственный экзамен по физике, государственный экзамен по математике, защита выпускной квалификационной работы СКАЧАТЬ информацию о программе РАСПЕЧАТАТЬ информацию о программе

Источник: https://studyinrussia.ru/study-in-russia/programs/12006-molekulyarnaya-biofizika-i-fizika-zhivykh-sistem/description/

Молекулярная биофизика

Молекулярная биофизика
| Молекулярная биофизика | Пространственная организация биополимеров| Элементы биофизики белка

Основная задача этого раздела — выяснение связей физической структуры и свойств биологически важных молекул с выполняемыми ими в организме функциями. Биополимеры — биологически важные макромолекулы — построены в основном из азота, углерода, водорода, кислорода, фосфора и серы.

Большую роль играют такие ионы, как Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cu2+. Кроме того, значительное влияние на живые системы оказывают малые количества таких металлов, как Fe, Zn, Cu, Mg и др. В процентном отношении человеческий организм содержит следующие элементы: H — 60 %, O — 26%, C — 11%, N — 2.5%, Ca — 0.2%, P — 0.13%, S — 0.

13%, Na — 0.08%, Cl — 0.03%, Mg — 0.01%.

Основная функция биомолекул — построение клеток и обеспечение биоэнергетических процессов (в природе у всех видов позвоночных насчитывается около 200 типов клеток).

АКО — амино-кислотные остатки.

Дадим краткие характеристики основным биополимерам. Химическое строение -аминокислот, остатки которых фигурируют в белках и полипептидах (белковые цепи длиной до 100 звеньев), имеет следующий вид:

,

где R — радикал, как правило, углеводородный или содержащий помимо атомов C и H другие атомы (в основном, O, S, N).

Все белки состоят, в основном, из 20 канонических аминокислотных остатков (АКО).

Рассмотрим некоторые примеры:

Пример 1.

Остаток — Глицил (Gly).

Аминокислота (АК) — Глицин (G).

Пример 2.

Пролил (Pro):

Аминокислота (АК) — Пролин.

Из 20 остатков 14 — нейтральные, 3 — кислые, 3 — основные. Помимо 20 канонических остатков в белках встречаются производные от них (неканонические остатки). Ряд фактов свидетельствует о том, что в нейтральной среде АК являются диполярными ионами (цвиттер-ионами). Все многообразие белков определяется многообразием АК, которые в свою очередь отличаются только строением радикала R.

При поликонденсации АК в белковую цепь образуется пептидная (амидная) связь — CO — NH — и выделяется вода. НК являются обязательными участниками процессов синтеза белков. Основная цепь НК состоит из чередующихся звеньев фосфорной кислоты и сахара (рибозы в РНК; дезоксирибозы в ДНК). К сахарам присоединяются азотистые основания, которые уже не повторяют друг друга.

Общая схема строения цепи:

Рибоза

Дезоксирибоза

Подобно тому, как в белках фигурируют 20 аминокислотных остатков, так в ДНК и РНК фигурируют 4 азотистых основания. Но это правило менее строгое и наряду с каноническими основаниями встречаются производные от них — минорные основания. В ДНК фигурируют цитозин (Ц), тимин (Т), аденин (А), гуанин (Г); в РНК — цитозин (Ц), тимин (Т), аденин (А), урацил (У).

Цитозин

Тимин

Для всех азотистых оснований характерно наличие центрального кольца по типу бензольного. Наличие двойных связей приводит к наличию делокализованных электронов, принадлежащих всему кольцу.

Соединения азотистых оснований с рибозой и дезоксирибозой называются нуклеозидами ( соответственно, рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды).

Пример.

Аденозин

Аналогичные нуклеозиды Г, Т, У называются соответственно: гуанозин, тимидин, уридин.

В результате фосфорелирования образуются ди- и трифосфаты. Эти мономерные соединения играют важнейшую роль в биоэнергетических процессах.

Структурная схема.

Вместо R:

Аденозиндифосфат (АДФ):

Аденозинтрифосфат (АТФ):

Образование нуклеиновой кислоты происходит путем поликонденсации нуклеозидтрифосфата. При включении в цепь каждого нуклеозида отщепляется одна молекула дифосфата — пирофосфорная кислота.

Нуклеиновые кислоты подобно белковым цепям являются линейными неразветвленными цепями. Первичная структура нуклеиновой кислоты определяется последовательностью азотистых оснований.

Первичная структура ДНК была расшифрована в 1962 году, и сегодня существует правило синтеза полинуклеотидных цепей.

Одно из нескольких экспериментальных правил, справедливых для ДНК, — правило Чаргаффа (с точностью 3 — 5%):

ДНК содержится в основном в хромосомах клетки и ее молекулярный вес достигает миллиардов (самые длинные биополимеры). РНК содержится в цитоплазме ядер клеток, в растительных вирусах и фагах.

Принято различать четыре типа РНК:

  1. Рибосомальная РНК (молекулярный вес — 2*106);
  2. Матричная РНК (3*104 — 7*104) {так как средний вес рибонуклеотида равен 224, то самые короткие цепи матричной РНК содержат более 150 нуклеотидов;
  3. Транспортная РНК (2*104) (около 80 нуклеотидов);
  4. Вирусная РНК.

Углеводы (полисахариды) построены в основном из моносахаридных звеньев, имеющих в свободном мономерном состоянии формулу C6H2O6. Важнейшим для организма моносахаридом является глюкоза. Ее структурный вид:

Функции полисахаридов:

  1. Источники моно- и дисахаридов, которые используются клеткой при дыхании.
  2. Входят в состав скелетообразующих веществ (целлюлоза у растений, мукополисахариды в костях).

В мембранах клеток полисахариды находятся в комплексах с белками и липидами — жировыми веществами, присутствующими в наружных и внутренних мембранных слоях. Мембраны образованы комплексами белков с липидами и, в ряде случаев, с полисахаридами.

Липиды — природные жиры, представляют собой триглицериды жирных кислот.

Например, триглицерид стеариновой кислоты — CH3(CH2)16COOH — имеет вид: Белки выполняют свою важнейшую ферментативную функцию в большей части в комплексах с низкомолекулярными кофакторами.

Кофактор относительно слабо связан с белком и способен переходить от одной молекулы к другой. Например, кофактором является комплекс гем в гемоглобине.

Витамины необходимы организму как катализаторы важнейших биохимических реакций и присутствуют в малых количествах.

Гормоны — сигнальные и регуляторные вещества (инсулин).cappuccinorecipecarbonironcasabonitatradingcasas almanzoracategorymastercateringbyscottcausticize

Источник: http://bio-phys.narod.ru/part1.html

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Молекулярная биофизика

Cтраница 1

Молекулярная биофизика может быть определена как область перекрывания молекулярной физики ( РІ частности, физики макромолекул) Рё молекулярной биологии. Следовательно, РѕРЅР° является частью обеих этих областей естествознания. РћРЅР° развивалась одновременно СЃ молекулярной биологией Рё неотделима РѕС‚ нее.  [1]

Молекулярная биофизика предназначена для физиков и биофизиков, научных работников, аспирантов и студентов старших курсов.

Основное внимание в книге обращено на теоретические основы молекулярной биофизики и применяемых в ней методов.

Р’ СЂСЏРґРµ разделов излагаются оригинальные результаты, полученные автором Рё его сотрудниками.  [2]

Молекулярная биофизика неотделима РѕС‚ молекулярной биологии.  [3]

Молекулярная биофизика изучает строение Рё физико-химические свойства биологически функциональных молекул, прежде всего биополимеров — белков Рё нуклеиновых кислот.

Задали молекулярной биофизики состоят РІ раскрытии физических механизмов, ответственных Р·Р° биологическую функциональность молекул, например Р·Р° каталитическую активность белков-ферментов.  [4]

Молекулярная биофизика естественно переходит в биофизику клетки, изучающую строение и функциональность клеточных и тканевых систем.

Эта область биофизики является самой старой и традиционной. Ее главные задачи связаны сегодня с изучением физики биологических мембран и биоэнергетических процессов.

В этой области также применяются уже перечисленные экспериментальные методы.

Биофизика клетки имеет дело СЃ более сложными задачами Рё встречается СЃ большими трудностями РїРѕ сравнению СЃ молекулярной биофизикой. Биофизике клетки посвящены РіР».  [5]

Р� молекулярная биофизика Рё биофизика РІ целом должны рассматриваться как естественные части физики — единой науки, посвященной строению Рё свойствам материи.

Сегодня теоретические основы любой области естествознания сводятся к физике. Соответственно биофизика сливается с теоретической биологией.

Однако процесс объединения физики Рё биологии сегодня лишь начинается.  [6]

Возникновение молекулярной биофизики связано СЃ развитием молекулярной биологии.  [7]

Р’ Молекулярной биофизике изложена физика важнейших для жизни биологических макромолекул — белков Рё нуклеиновых кислот.

В данной книге рассматриваются биологические явления, реализующиеся на надмолекулярном и клеточном уровнях строения.

Эти сложные процессы протекают в организмах преимущественно в условиях, далеких от термодинамического равновесия.

Соответственно, их теоретическое исследование основывается на термодинамике необратимых процессов, на кинетике.

Организмы, клетки, надмолекулярные биологические структуры представляют СЃРѕР±РѕР№ динамические, Р° РЅРµ статистические системы. Теория таких систем находится РІ начальной стадии своего развития. Тем РЅРµ менее СЂСЏРґ научных фактов Рё положений, относящихся Рє этой области физики, установлен надежно.  [8]

Молекулярная физика и молекулярная биофизика решают три группы задач.

Они исследуют строение молекул, их равновесные взаимоотношения и свойства и кинетику их взаимодействий и превращений.

Р�сследование строения производится СЃ помощью СЂСЏРґР° физических методов.  [9]

РЁРёСЂРѕРєРёР№ интерес Рє проблемам молекулярной биофизики, интенсивное развитие исследований РІ этой области позволяют надеяться, что изучение миграции энергии РІ белковых системах даст РІ ближайшие РіРѕРґС‹ ценные сведения РѕР± РѕСЃРѕР±РѕР№ роли водородных связей РІ специфических свойствах белков.  [10]

Невозможно провести границу между молекулярной биофизикой Рё биофизической химией, так же как нельзя провести границу между молекулярной физикой Рё физической химией. Классификация областей знания имеет всегда исторический Рё РЅРµ строго определенный характер. Молекулярная физика Рё соответствующие разделы физической С…РёРјРёРё различаются РЅРµ столько объектами Рё содержанием исследований, сколько идейными подходами, определяемыми РґРѕ некоторой степени соответствующими традициями.  [11]

Р’ предыдущих главах рассмотрены проблемы молекулярной биофизики, связанные СЃРѕ строением Рё функциональностью белков.  [12]

Эта гипотеза противоречит общим представлениям молекулярной биофизики.

Трансляция — РЅРµ термодинамически равно веское состояние, РЅРѕ кинетический процесс, идущий СЃ участием фермента, роль которого играет СЂРёР±РѕСЃРѕРјР°.

Поэтому существенна РЅРµ только термодинамика, РЅРѕ Рё кинетика узнавания — разные антикодоны тРНК РјРѕРіСѓС‚ взаимодействовать СЃ кодонами РјР РќРљ СЃ различной скоростью, определяемой структурой Рё свойствами как молекул тРНК РІ целом, так Рё СЂРёР±РѕСЃРѕРј.  [13]

Р’ этой РєРЅРёРіРµ Рё РІ Молекулярной биофизике [12] постоянно подчеркивается определяющее значение конформационных превращений молекулы РІ биологических явлениях.  [14]

Книга исходит из двух монографий автора ( Молекулярная биофизика, 1975 и Общая биофизика, 1978), но написана заново.

В основу положен курс, читаемый на протяжении многих лет студентам Московского физико-технического института.

 [15]

Страницы:      1    2    3    4

Источник: https://www.ngpedia.ru/id209780p1.html

Задачи молекулярной биофизики

Основной задачей молекулярной биофизики считают изучение особенностей, которые определяют строение и свойства молекул в биологии.

Физическая теория, применяемая в молекулярной биофизике, это теория строения и физических свойств молекул в совокупности с теорией методов их экспериментального исследования.

К важнейшим задачам молекулярной биофизики относят исследование строения и физико- химических свойств биологически функциональных молекул. Данный раздел биофизики пытается описать физические механизмы, которые отвечают за биологическую активность молекул.

Замечание 1

Под структурой молекулы понимают пространственное расположение всех ее атомов. В молекулярной биофизике структура молекулы описывается при помощи структурной химической формулы, длин всех связей и углов между связями, распределением зарядов на поверхности, величиной подвижности отдельных участков, изменчивостью структуры в зависимости от параметров, характеризующих внешнюю среду.

Исследования структурной организации макромолекул очень важная задача. Вопросы, которые ставятся в молекулярной биофизике в связи с этой задачей:

  1. Какова связь структуры молекулы и ее биологической функции?
  2. Какие особенности структуры молекулы требуются для реализации определённой функции молекулы?
  3. Каковы структурные изменения, происходящие в период функционирования биологических молекул?

Многообразие функций макромолекул в клетке в большой мере определено их пространственной организацией. Самой трудной задачей молекулярной биофизики, в этой связи, является определение физических основ, стабилизирующих молекулу.

В результате стабилизации макромолекулы имеют наиболее компактную пространственную структуру, которая отличается тонкой организацией и большой спецификой.

Биологическая активность молекулы чувствительна к изменениям в пространственной структуре.

Теоретический базис и методы молекулярной биофизики

Для изучения биологических макромолекул используют физические подходы и арсенал биофизических методов.

В молекулярной биофизике рассматривают свойства молекул, которые находятся в равновесии, следовательно, можно применять соответствующий физико- математический аппарат.

Основой для рассмотрения молекул в состоянии равновесия стали: равновесная термодинамика; статистическая механика; квантовая механика.

Для проведения эмпирических исследований в молекулярной биофизике используют широкий спектр физических методов исследования биологически функциональных молекул, например:

  • седиментацию в ультрацентрифуге, рассеяние света в веществе, рассеяние рентгеновских лучей растворами. Эти методы используют для получения информации о молекулярных массах, размерах и формах макромолекул;
  • методы исследования структуры молекул, которые основываются на взаимодействии света с веществом. При этом используют волны разной длины от рентгеновского излучения до радиоволн;
  • методы оптики и спектроскопии (рентгеноструктурный анализ, $γ$ – резонансную спектроскопию, электронные и колебательные спектры;
  • спектрополямитрию;
  • методы калометрии, используемые для исследований превращений биологических макромолекул;
  • электронную микроскопию.

Практическое применение молекулярной биофизики

Успехи молекулярной биофизики дали возможность медицине рассматривать некоторые патологии на молекулярном уровне. Такой подход позволил найти скрытые молекулярные аномалии, которые находятся в основе ряда заболеваний. Например, гемоглобинопатия.

Установлено, что нарушение работы гемоглобина происходит при:

  • неправильном связывании гема аминокислотами, которые не дают образовываться координационным связям с железом конкурирующих с кислородом других лиганов (свободных аминокислот, воды, фосфата);
  • дефекте конформации полипептидных цепей;
  • нарушении $α_1 β_1-$ и $α_1 β_2$ – контактов между субъединицами, которое сопровождает изменение четвертичной структуры.

Замены аминокислот, которые ведут к жизни выше перечисленные нарушения Hb – это причины врождённых гемолитических анемий. На сегодняшний момент описано более 200 видов гемоглобина человека, которые имеют специфику в аминокислотных рядах.

Примером заболевания, которое вызвано нарушениями конформации полипептидной цепи, является серповидноклеточная анемия. При таком заболевании эритроциты обладают не круглой, а серпообразной или зазубренной формой, становятся жесткими.

Молекулы объединяются, возникают квазикристаллические структуры, это объясняет аномальную форму и повышенную жесткость эритроцита. Видоизмененные клетки загораживают проход другим эритроцитам, которые тоже становятся серповидными, отдавая кислород. Происходит закупоривание мелких кровеносных сосудов.

Понимание молекулярного механизма возникновения серповидноклеточной анемии дало возможность наметить пути лечения этого заболевания.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/biofizika/molekulyarnaya_biofizika/

Booksm
Добавить комментарий