1. Молекулярные основы живых систем, ч.2. 2. Лекторы. 2.1. К.ф.-м.н., старший преподаватель, Киселева Ольга Игоревна, кафедра физики полимеров и кристаллов, [email protected] 3. Аннотация дисциплины. Курс посвящен основным принципам строения живой материи. Дается общее представление о структуре живой материи, веществах, служащих ее основой, биополимерах, входящих в состав живых организмов и производимых ими, их структуре и функциях. Рассматриваются законы сохранения энергии в биологии, а также энергопреобразующие механизмы и структуры. Освещаются механизмы передачи нервного импульса, движения в микромире, создания направленного движения, мышечного сокращения, создания градиентов концентрации вещества. Дается обзор принципов построения тканей. 4. Цели освоения дисциплины. Получить представление о строении и функционировании живой материи и физических принципах и законах, лежащих в его основе. Разбираться в механизмах преобразования энергии, передачи сигналов, создания механической работы в живых системах. 5. Задачи дисциплины. Научить студентов разбираться в современных проблемах наук о жизни, работать с литературой по междисциплинарной тематике. 6. Компетенции. 6.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины. ОНК-1, ОНК-6, ПК-1 6.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины. ОНК-1, ПК-2 7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины В результате освоения дисциплины студент должен знать основные принципы построения и функционирования живой материи ___; уметь применять знания в области физики полимеров для решения задач, связанных с биологическими системами; владеть _базовой терминологией современных наук о жизни. 8. Содержание и структура дисциплины. Вид работы Общая трудоёмкость, акад. часов Аудиторная работа: Лекции, акад. часов Семинары, акад. часов Лабораторные работы, акад. часов Самостоятельная работа, акад. часов Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен) Семестр 1 2 72 … … … 30 … … … … … 42 … экзамен … 3 … … … … … … … Всего 72 … 30 … … 42 экзамен Стр. 1 из 11 N раздела Наименование раздела Разделы могут объединять несколько лекций 1 Внеклеточные биологические системы 2 Преобразования энергии в биологических системах. Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий Форма Распределение общей трудоёмкости по семестрам указано в рабочих планах (приложение 7) текущего Аудиторная работа Самостоятельная работа контроля Содержание Лекции Семинары Лабораторные работы самостоятельной работы должно быть обеспечено, например, пособиями, интернет-ресурсами, домашними заданиями и т.п. _2_ часа. _____ часа. _____ часа. 10 часов. Строение вирусов. Тема семинара 1. Тема лаб. работы 1. Работа с лекционным Симметрия вирусного материалом: Строение капсида. вирусов. Изготовление макета вирусного капсида Дз заданного класса симметрии. 1 час. Прионы и связанные _____ часа. _____ часа. 2 часа. с ними заболевания. Тема семинара 2. Тема лаб. работы 2. Работа с лекционным Проблема рефолдинга. материалом: Прионы. 2_ часа. _____ часа. Основы биоэнергетики. Тема семинара 1. Потоки энергии через биосферу. АТФ – универсальная энергетическая «валюта». Хемиосмотическое сопряжение. Синтез АТФ. 3 часа. Способы накачки градиента концентрации протонов. Светозависимый протонный насос. _____ часа. Тема лаб. работы 1. 3 часа. Работа с лекционным материалом: АТФ – универсальная энергетическая «валюта». Синтез АТФ. Просмотр Кр анимации «Работа АТФсинтазы». 3 часа. Работа с лекционным материалом: Светозависимый протонный насос. Стр. 2 из 11 3 Строение клетки. Окислительновосстановительные реакции в биосистемах. Окислительное фосфорилирование. Дыхательная цепь. 2 часа. Фотофосфорилироваие и фотосинтез. Уравнение фотосинтеза. Фотосинтетическая электтроннотранспортная цепь. Энергопреобразующие структуры в клетке. … … 2 часа. _____ часа. Строение прокариот. Тема семинара 1. Примеры прокариотических организмов. 2 часа. _____ часа. Эукариотические клетки. Тема семинара 2. Происхождение эукариот. Сравнительный анализ про- и эукариот. 3 часа. _____ часа. Цитоскелет. Тема семинара 3. Микрофиламенты, микротрубочки, промежуточные филаменты. Использование филаментов цитоскелета в нанотехнологии. Окислительное фосфорилирование. 2 часа. Работа с лекционным материалом: Фотосинтез. Энергопреобразующие структуры в клетке. … _____ часа. Тема лаб. работы 1. … 2 часа. Работа с лекционным материалом: Строение прокариот. _____ часа. Тема лаб. работы 2. 2 часа. Работа с лекционным материалом: Эукариотическая клетка. _____ часа. Тема лаб. работы 3. Т 4 часа. Работа с лекционным материалом: Цитоскелет. Просмотр учебного фильма «Внутренняя жизнь клетки» Стр. 3 из 11 4 5 6 Биологическая подвижность 3 часа. _____ часа. Молекулярные машины: Тема семинара 1. моторы, насосы, синтазы. Принципы создания направленного движения в живых системах. Работа молекулярных моторов на примере миозина, кинезина, динеина. 2 часа. Гидродинамика в микромире. Биологические приспособления для плавания. Хемотаксис. Седиментация. _____ часа. Тема лаб. работы 1. Оп Электроосмотические 2 часа. явления в клетке Осмотическое давление. Уравнение Нернста. Ионное равновесие. Классификация устройств для транспорта через мембрану. Примеры биологических молекулярных насосов. 2 часа. Генерация и распространение нервного импульса. Потенциал действия. Способы передачи сигналов между нейронами. _____ часа. Тема семинара 1. _____ часа. Тема лаб. работы 1. _____ часа. Тема семинара 2. _____ часа. Тема лаб. работы 2. Принципы _____ часа. _____ часа. 3 часа. 3 часа. Работа с лекционным материалом: Молекулярные моторы. 2 часа. Работа с лекционным материалом: Биологические приспособления для плавания в микромире. 2 часа. Работа с лекционным материалом: Электроосмотические явления в клетке. Оп 3 часа. Работа с лекционным материалом: Распространение нервного импульса Просмотр учебной анимации: проводимость каналов, распространение нервного импульса. 3 часа. Оп Стр. 4 из 11 организации тканей. Межклеточные контакты. Тема семинара 1. Внеклеточный матрикс. Архитектура тканей. Строение и типы мышц. Механизм мышечного сокращения. 1 час. _____ часа. Принцип работы иммунной Тема семинара 3. системы. Антитела и антигены. Иммунологические методы в нанотехнологии и биотехнологии. Тема лаб. работы 1. Работа с лекционным материалом: Межклеточные контакты. _____ часа. Тема лаб. работы 3. 1 часа. Работа с лекционным материалом: Основы иммунологии. Семинары и лабораторные работы указываются только при их наличии в учебном плане (приложение 6). Остальные позиции заполняются в обязательном порядке. Предусмотрены следующие формы текущего контроля успеваемости. 1. Защита лабораторной работы (ЛР); 2. Расчетно-графическое задание (РГЗ); 3. Домашнее задание (ДЗ); 4. Реферат (Р); 5. Эссе (Э); 6. Коллоквиум (К); 7. Рубежный контроль (РК); 8. Тестирование (Т); 9. Проект (П); 10. Контрольная работа (КР); 11. Деловая игра (ДИ); 12. Опрос (Оп); 15. Рейтинговая система (РС); 16. Обсуждение (Об). Стр. 5 из 11 9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО 1. Дисциплина профиля. 2. Профессиональный блок, дисциплина профиля. 3. Курс помогает более глубоко освоить дисциплины "Бионаноскопия", "Физическая химия бионаносистем" и "Коллоидная химия". 3.1. Молекулярные основы живых систем, ч. 1, Механика, Молекулярная физика, Электромагнетизм, Оптика, Атомная физика, Общий физический практикум, Введение в физику полимеров. 3.2. Научно-исследовательская практика, научно-исследовательская работа, курсовая работа, "Физическая химия нанобиосистем". 10. Образовательные технологии дискуссии, использование средств дистанционного сопровождения учебного процесса, встречи с представителями российских и зарубежных компаний, государственных и общественных организаций. 11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации Контрольные вопросы: 1. Почему вирусы нельзя считать живыми? 2. Какие типы симметрии встречаются в капсидах вирусов? 3. Что такое молекулярный мотор? 4. Что такое осмотическое давление и как его можно измерить? Что такое гипер- и гипотоническая среда? 5. Что такое потенциал действия и как его амплитуда зависит от начального возмущения? 6. От чего помимо начального возмущения зависит амплитуда потенциала действия? 7. От чего зависит скорость распространения нервного импульса? 8. В чем различие между каналами и переносчиками? 9. Что означает «активный» и «пассивный» транспорт ионов? 10. Что делает Na-K-АТР-аза? Какова ее роль в проведении нервного импульса? 11. Откуда берется «топливо» для биосинтеза белка? 12. Из чего состоит внеклеточный матрикс? Приведите пример белка и полисахарида, входящего в его состав. 13. Что такое протеогликаны? Назовите полисахариды, входящие в их состав. 14. Что входит в состав цитоскелета? У каких клеток он есть? 15. Из какого белка состоят микротрубочки? Каково их строение и функции? 16. Что такое F-актин и G-актин? 17. Что такое актиновый кортекс? Какие белки входят в его состав? 18. Откуда берется энергия на полимеризацию актиновых филаментов? Микротрубочек? 19. Приведите 3 примера функций актиновых филаментов в клетке. 20. Что такое миозин и что он делает? 21. Чем плавание в микромире отличается от макромира? Почему бактерия не может плавать, как рыбы? 22. Что такое хемотаксис? 23. На каком «топливе» работает «мотор» бактериального жгутика и где он расположен? 24. На каком «топливе» работает мышечное сокращение? 25. Каким механизмом создается биение ресничек? Что достигается за счёт биения? 26. Каков принцип сокращения мышц? Что вызывает сокращение? Стр. 6 из 11 27. Что такое дыхательная цепь и в чем ее назначение? Где она находится? 28. Что такое митохондрии и почему они так важны для клетки? 29. Какие молекулярные моторы осуществляют поступательное движение? (3 примера) 30. Что такое электронно-транспортная цепь? 31. Где расположены светособирающие пигменты и фотосинтетическая электроннотранспортная цепь? 32. Назовите 3 способа накачки градиента концентрации протонов. 33. Назовите 3 типа межклеточных контактов. 34. Назовите 3 примера процессов, в которых затрачивается АТФ. 35. На что клетка тратит энергию и где она ее берет? 36. Как в клетке передать свободную энергию от процесса, идущего с ее выделением, к процессу, идущему с поглощением? 37. Как работает АТФ-синтаза? 38. Напишите общее уравнение фотосинтеза для зеленых растений. 39. Какой донор электронов используют при фотосинтезе зеленые растения и синезеленые водоросли? 40. Что такое световая и темновая стадии фотосинтеза, какие процессы они включают? 41. Какую форму могут иметь клетки бактерий? 42. В чём основные отличия эукариот от прокариот? 43. Какова роль кислорода в процессе фотосинтеза? 44. Что такое экзо- и эндоцитоз? (нарисовать схему) 45. Что такое аэробный и анаэробный метаболизм? Какой из них эффективнее? 46. Каково строение клеточных стенок бактерий? Что такое О-антигены? 47. Каково назначение ядра в эукариотической клетке? 48. Перечислите органеллы эукариотической клетки. 49. Что такое молекулярные машины? Приведите примеры (3 типа). 50. Чему равен равновесный мембранный потенциал для иона (потенциал Нернста) и чем он отличается от потенциала покоя? 51. Назовите два принципа построения (архитектуры) тканей. 52. Что такое химический и электрический синапсы? В чем их преимущества и недостатки? 53. Из чего состоит плазматическая мембрана клетки? (нарисовать общий план строения) 54. В чем различие организации генома про- и эукариот? 55. Что такое метаболизм? 56. Приведите 3 примера синтаз. На каком топливе они работают? 57. Что такое внеклеточный матрикс? Какие полимеры туда входят? 58. Назовите 3 типа ионных каналов, управляемых внешними сигналами. 59. Приведите 2 примера насосов. 60. Что является центрами гелеобразования в полисахаридных гелях? 61. Что такое транскрипция? 62. Что такое трансляция? 63. Что такое рибосомы? 64. Какие биополимеры (название) составляют основу таких важных материалов, как: древесина, хлопчато-бумажная ткань, кожа, шерсть, шелк? 65. Что такое денатурация белка? 66. Что такое «скрученная спираль» (coiled coil)? Приведите примеры белков, где она встречается (2-3 примера) Полный перечень вопросов на экзамен 1. Чем представлен геном вирусов? 2. Состав вирусной частицы. 3. Как устроен вирусный капсид (Типы симметрии, классы симметрии, примеры)? Стр. 7 из 11 4. Что такое прионы и прионный болезни? 5. Опишите жизненный цикл вируса-бактериофага. Для чего их можно использовать в биотехнологии? 6. Что такое восходящие и нисходящие метаболические пути, каким образом свободная энергия передается от одних к другим? 7. Какие универсальные промежуточные продукты образуются при работе нисходящих метаболических путей? 8. Как направлен поток энергии через биосферу? 9. Кто такие автотрофы и гетеротрофы? 10. Строение АТФ, ее центральная роль, как универсальной энергетической валюты. 11. Назовите примеры синтезов биополимеров (3), в которых затрачивается АТФ (и другие макроэргические фосфаты). Сколько молекул уходит на присоединение одного звена? 12. Назовите два способа пополнения запасов АТФ (из АДФ и фосфата). Как пополняются запасы GTP, UTP, CTP? 13. Строение АТФ-синтазы и механизм ее работы. Откуда берется энергия для синтеза? 14. Назовите 3 способа накачки протонного градиента. 15. Бактериородопсин. План строения, где встречается, какова функция. 16.Как получить АТФ, используя органическое топливо (еду), без получения градиента протонов? Как называется такой метаболизм и в чем его преимущества/недостатки? 17. Для чего нужен цикл Кребса? 18. Что характеризует окислительно-восстановительный потенциал пары соединений? Приведите примеры redox пар. Электронно-транспортные цепи. 19. Что такое дыхательная цепь? Где она расположена, какую функцию выполняет, почему так называется? 20. Что является конечным акцептором электронов в дыхательной цепи? 21. Строение и функции митохондрий, направление градиента концентрации протонов, ориентация АТФ-синтазы. 22. Какова роль кислорода при фотосинтезе у высших растений? 23. Основное уравнение фотосинтеза. Уравнение в общем виде. 24. Световая и темновая стадии фотосинтеза, что происходит на каждой стадии, как осуществляется связь между ними? 25. Электронно-транспортные цепи фотосинтезирующих организмов, где расположены, какова функция. 26. Z-схема фотосинтеза. Устройство, у каких организмов реализуется, за что получила свое название. 27. Что является донором электронов при фотосинтезе у зеленых растений? Какие еще доноры возможны? 28. Что такое циклическое фосфорилирование? 29. Какие универсальные промежуточные продукты получаются на темновой стадии фотосинтеза? 30. Можно ли получить восстановитель при циклической работе электронно-транспортной цепи? 31. Почему при использовании воды в качестве донора электронов необходимо 2 фотосистемы? 32. Строение хлоропластов, функции, расположение фотосинтезирующего аппарата, ориентация АТФ-синтазы, направление градиента концентрации протонов. 33. Где происходит разделение заряда для работы фотосинтетических электроннотранспортных цепей? Сколько фотонов должна поглотить система для получения одной молекулы кислорода? 34. В чем сходство и в чем различия между электронно-транспортными цепями при фотосинтезе и дыхании? 35. Строение прокариотического организма (на примере бактерии). Примеры прокариотических организмов. Стр. 8 из 11 36. Какие прокариотические организмы кроме бактерий вы знаете? 37. Функции мембраны прокариотической клетки. 38. Для чего нужна клеточная стенка бактериям? опишите план строения (грамположительные и грам-отрицательные). Из чего состоит муреиновый каркас, чем его можно разрушить, что такое липополисахариды, какова их роль? 39. Сине-зеленые водоросли, их уникальность, роль в формировании жизни в ее современном виде. 40. Почему схема фотосинтеза у высших растений так похожа на схему у сине-зеленых водорослей, таких далеких в эволюционном плане орагнизмов? 41. Происхождение аэробных прокариот (фотосинтезирующих и нет). Схема топологии мембран. 42. Что такое эндоспоры, как они формируются? 43. Из чего состоят жгутики бактерий? 44. Что такое пили, для чего они служат? 45. Где находится ДНК прокариотической клетки? 46. Перечислите основные отличия эукариотической клетки от прокариотической 47. Из чего состоит ядро клети? Что находится внутри, каково назначение ядра, какие процессы происходят внутри ядра, как внутреннее пространство сообщается с цитоплазмой. 48. Как белки, расположенные на поверхности клетки (в плазматической мембране), попадают туда? (проследить путь от мРНК до готового белка на поверхности) 49. Где синтезируются белки, которые потом попадут на поверхность клетки? Пойдут «на экспорт»? Попадут в митохондрии? В лизосомы? 50. Почему часть рибосом находятся цитоплазме, а часть на поверхности эндопламазматического ретикулума? В различие между такими рибосомами? За что шероховатый эндоплазматический ретикулум получил свое название? 51. Что происходит в лизосомах? Опишите схему клеточного «пищеварения». Какой механизм защиты предусмотрен на случай того, что лизосома лопнет? 52. Какие элементы вторичной и супервторичной структуры белка используются в структуре пор? 53. Что такое экзо- и эндоцитоз. Нарисовать схематично. 54. Для чего нужны вакуоли, и в каких клетках они встречаются? 55. Откуда берутся новые органеллы (при делении клеток)? 56. Организация генома у эукариот. 57. Актиновые филаменты (микрофиламенты). Из чего состоят, как возникают, откуда берется для этого энергия. Перечислите функции. 58. Что такое клеточный кортекс? 59. За счет чего поддерживается форма клетки, не отвечающая принципу минимизации свободной энергии? Каковы способы увеличения площади поверхности клетки? (при заданном объеме) Приведите примеры. 60. Микротрубочки. Из чего состоят, как возникают, как организованы, откуда берется для этого энергия, перечислить функции и примеры использования. 61. Архитектура строения, механизм движения, функции ресничек. 62. Как устроены сократительные элементы? Что такое стрессовые волокна, для чего они нужны? 63. Строение и функции клеточной стенки растений. Какие макромолекулы входят в состав, от чего зависит направление отложения волокон целлюлозы, как это направление влияет на форму клетки? 64. Определение и классификация молекулярных машин с примерами на каждый случай. на каком топливе работает каждая из этих машин? 65. В чем отличие молекулярных машин от макроскопических? 66. На каких минимальных требованиях можно создать направленное движение? 67. Опишите цикл работы кинезина (с двумя головками) 68. Опишите цикл работы миозинового мотора Стр. 9 из 11 69. Приведите примеры насосов 70. Какая молекулярная машина может работать и как насос и как синтаза в зависимости от внешних условий? 71. В чем «проблема» плавания в микромире, почему одноклеточные организмы не могут плавать, как рыбы? 72. Какие механизмы существуют для плавания в микромире (описать схему движения), в каких организмах они реализованы? 73. С какого конца растет жгутик бактерии (если его отломить) и как это происходит? Из какого белка он состоит? 74. Для чего плавать бактериям? Что такое хемотаксис, описать схему. 75. Осмотическое давление. Определение в физике и в биологии. Что создает давление? 76. Равновесие на полупроницаемой мембране при наличии ионов. Потенциал Нернста. Доннановское равновесие. 77. Классификация устройств, облегчающих транспорт ионов через биологические мембраны (поры, каналы, переносчики). 78. Воротные каналы. Как зависит от времени и какими сигналами регулируется проводимость канала (3 типа)? Как достигается плавная зависимость проводимости мембраны от величины внешнего сигнала? 79. Что является центрами гелеобразования в геле из пектина, как регулируется плотность сшивки? Что является центрами гелеобразования в геле из коллагена (желатине)? 80. Опишите схему работы K-Na-АТФазы. 81. Откуда можно брать свободную энергию для перемещения ионов через мембрану из области с меньшей концентрацией в область с большей? (2 источника) 82. За счет чего достигаются стационарные концентрации K+ и Na+ в клетках? Что такое Доннановское равновесие и имеет ли оно место в реальных клетках? 83. К какому типу молекулярных машин относятся каналы, поры, переносчики? 84. В чем назначение нервной клетки? Какова природа сигнала, передаваемого нервной клеткой? 85. Что такое потенциал покоя и что такое потенциал действия? Распространение, необходимые условия для его возникновения. 86. Что служит активной средой для бегущей волны, каков молекулярный механизм усиления? 87. Зависимость амплитуды потенциала действия от начального возмущения, от концентраций ионов внутри и вне клетки. 88. Зависимость скорости распространения потенциала действия от параметров аксона. Какие решения придумала природа для увеличения скорости распространения нервного импульса, в каких животных они реализованы? 89. Что такое химический синапс? Опишите схему его работы. Генерация потенциала действия в постсинаптической мембране. Пример лиганд-зависимого канала. 90. План строения эпителиальных тканей, типы межклеточных контактов (рассказать о каждом). 91. Каково назначение плотных контактов (2 функции)? 92. Каким образом достигается распределение прикладываемого усилия по всему эпителию? 93.Опишите общий план строения соединительной ткани, принцип организации внеклеточного матрикса. 94. Волокна, входящие в состав межклеточного матрикса. Строение и синтез коллагеновых волокон, ориентация в зависимости от типа ткани. 95. Полисахаридная составляющая межклеточного матрикса. Протеогликаны. В чем разница между протеогликанами и гликопротеинами? 96. Каково строение полисахаридных гелей, что является центрами гелеобразования? Какие известные Вам полисахариды используются в промышленности и быту для получения гелей? 97. Что такое базальная мембрана? Из чего она состоит? 98. Устройство сократительных элементов мышцы. Механизм мышечного сокращения. Стр. 10 из 11 99. Устройство мышечной клетки (скелетная мышца). Возникновение мышечного сокращения. 100. Что такое вставочные диски и для чего они сердечной мышце? 111. Что такое антитела и антигены? 112. Что такое иммуноферментный анализ? 12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины Основная литература 1. A. Lehninger, Nelson D.L., Cox M.M. Principles of Biochemistry. Worth publishers, New York, 1993. 2. Б. Альбертс и др. Молекулярная биология клетки. Том 2. Изд. «Мир», Москва, 1994 г. 3. Б. Альбертс и др. Молекулярная биология клетки. Том 3. Изд. «Мир», Москва, 1994 г. Дополнительная литература 1. Berg, H. C., The rotary motor of bacterial flagella // Annual Review of Biochemistry, 2003, v. 72, 19-54. 2. Xing J., Bai F., Berry R., and Oster G., Torque–speed relationship of the bacterial flagellar motor // PNAS, 2006, v. 103 (5), 1260-1265. 3. Kuo, S.C., and McGrath, J. L. Steps and fluctuations of Listeria monocytogenes during actinbased motility // Nature, 2000, v. 407, 1026-1029. Периодическая литература 1. … Интернет-ресурсы 1. http://polly.phys.msu.ru/ru/education/courses/Mol_life-2.html http://www.life.illinois.edu/crofts/bioph354/lect10.html http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife.html http://www.dnalc.org/resources/3d/08-how-dna-is-packaged-advanced.html http://www.blackwellpublishing.com/matthews/actionp.html http://www.blackwellpublishing.com/matthews/nmj.html http://www.blackwellpublishing.com/matthews/myosin.html 13. Материально-техническое обеспечение В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки «Физика». Аудитория Ц-25 физического факультета, имеется проектор и компьютер, доступ к интернету. Стр. 11 из 11