1. Молекулярные основы живых систем, ч.1.
2. Лекторы.
2.1. К.ф.-м.н., старший преподаватель, Киселева Ольга Игоревна, кафедра физики
полимеров и кристаллов, [email protected]
2.2..
…
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 и живые организмы с точки зрения термодинамики,
иерархия структуры белков. Освещаются механизмы хранения, передачи, реализации
генетической информации, роль биополимеров в этих процессах. Дается обзор методов
генной инженерии.
4. Цели освоения дисциплины.
Получить представление о строении и функционировании живой материи и физических
принципах и законах, лежащих в его основе.
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
7
72
…
36
…
…
36
экз
…
…
…
…
…
…
…
Всего
…
…
…
…
…
…
…
72
…
36
…
…
36
…экз
Стр. 1 из 10
N
раздела
1
2
3
Наименование
раздела
Разделы могут
объединять
несколько лекций
Введение
Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий
Распределение общей трудоёмкости по семестрам указано в рабочих планах (приложение 7)
Лекции
Самостоятельная работа
Лабораторные работы
_2_ часа.
_____ часа.
Содержание лекции 1. Молекулярная Тема семинара 1.
логика живого, особенности
строения живой материи.
Многоуровневость организации
живой материи. Законы сохранения
энергии в биологии.
_____ часа.
Тема лаб. работы 1.
_____ часа.
Тема семинара 2.
_____ часа.
Тема семинара 3.
…
_____ часа.
Тема семинара 1.
_____ часа.
Тема лаб. работы 2.
_____ часа.
Тема лаб. работы 3.
…
_____ часа.
Тема лаб. работы 1.
…
Вода – основа жизни __3___ часа.
Содержание лекции 1. Структура
воды и льда. Водородные связи.
Растворение солей. Амфипатические
соединения. Ионизация воды. Шкала
рH. Диссоциация и титрование
слабых кислот. Буферные растворы.
Белки и их свойства
Аудиторная работа
Семинары
…
2 часа.
Хиральность биологических
молекул. Аминокислоты.
Образование пептидной связи.
Структура полипептидной цепи.
2 часа.
Иерархия структуры белков.
Первичная, вторичная, третичная
структура белка. Конформация
полипептидной цепи, ленточная
модель представления структуры
белков. Четвертичная структура
белка.
Содержание самостоятельной работы
должно быть обеспечено, например,
пособиями, интернет-ресурсами,
домашними заданиями и т.п.
Форма
текущего
контроля
2 часа.
Работа с лекционным материалом:
Молекулярная логика живого.
Об
…
3 часа.
Тема самостоятельной работы 1.
Работа с лекционным материалом:
Вода – основа жизни. Решение задач:
приготовление буферных растворов.
…
_____ часа.
Тема семинара 1.
…
_____ часа.
Тема лаб. работы 1.
…
2 часа.
Тема самостоятельной работы 1.
Работа с лекционным материалом:
Структура полипептидной цепи.
_____ часа.
Тема семинара 2.
_____ часа.
Тема лаб. работы 2.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 2.
Работа с лекционным материалом:
Конформация полипептидной цепи.
Работа с контрольными вопросами.
Кр
Об, Кр
Стр. 2 из 10
4
5
6
3 часа.
_____ часа.
Содержание лекции 3.
Тема семинара 3.
Фибриллярные и глобулярные белки.
Кератин. Коллаген. Эластин.
Фиброин. Гемовое железо.
Миоглобин. Гемоглобин. Кривые
насыщения и кооперативность в
биологических системах. Эффект
Бора
3 часа.
Содержание лекции 4. Ферменты биологические катализаторы.
Классификация ферментов. Модели
работы ферментов. Кинетический
барьер и скорость ферментативной
реакции. Кинетика МихаэлисаМэнтен. Аллостерическая регуляция.
Конкурентное и неконкурентное
(аллостерическое) ингибирование.
Липиды и мембраны 2 часа.
_____ часа.
Липиды и структура мембран.
Тема семинара 1.
Жирные кислоты. Запасные,
структурные липиды. Фазовые
переходы. Самоорганизация.
Подвижность липидов. Динамика
мембран. Липопротеины.
Классификация мембранных белков.
Полисахариды –
3 часа.
_____ часа.
полимеры углеводов Углеводы (CH20)n, сахара. Связи
Тема семинара 1.
между сахарами. Резервные
полисахариды: крахмал,
амилопектин, декстраны. Утилизация
резервных полисахаридов. Синтез
резервных полисахаридов
2 часа.
_____ часа.
Содержание лекции 2. Структурные Тема семинара 2.
полисахариды: целлюлоза,
гемицеллюлоза, пектин. Клеточная
стенка растений, структура
древесины. Хитин. Хитозан.
Муреиновый каркас. Строение
клеточных стенок бактерий.
Хранение и передача 2 часа.
_____ часа.
информации в
Нуклеиновые кислоты. Центральная Тема семинара 1.
биологических
догма молекулярной биологии о
системах
потоке информации в клетке.
_____ часа.
Тема лаб. работы 3.
3 часа.
Тема самостоятельной работы 3.
Работа с лекционным материалом:
Глобулярные и фибриллярные белки.
3 часа.
Тема самостоятельной работы 4.
Работа с лекционным материалом:
Ферменты – биологические
катализаторы. Физические модели
работы ферментов.
_____ часа.
Тема лаб. работы 1.
_____ часа.
Тема лаб. работы 1.
_____ часа.
Тема лаб. работы 2.
_____ часа.
Тема лаб. работы 1.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 1.
Работа с лекционным материалом:
Липиды и структура мембран.
Об
3 часа.
Тема самостоятельной работы 1.
Работа с лекционным материалом:
Полисахариды – полимеры углеводов.
Самостоятельное изображение
структуры резервных полисахаридов
по краткой формуле.
2 часа.
Кр
Тема самостоятельной работы 2.
Работа с лекционным материалом:
Структурные полисахариды.
Самостоятельное изображение
структуры структурных
полисахаридов по краткой формуле.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 1.
Работа с лекционным материалом:
Нуклеиновые кислоты.
Кр
Стр. 3 из 10
Нуклеотиды. Полинуклеотиды.
Спаривание оснований. Двойная
спираль ДНК.
2 часа.
Содержание лекции 2. Особые
структуры ДНК. Денатурация ДНК.
Суперспирализация ДНК.
Репликация ДНК.
_____ часа.
Тема семинара 2.
_____ часа.
Тема лаб. работы 2.
4 часа.
_____ часа.
Содержание лекции 3. Структура и
Тема семинара 3.
функции РНК. Типы РНК. Вторичная
структура РНК. Транскрипция.
Созревание РНК. Дополнительные
информационные пути. Обратная
транскрипция. Теломерные повторы
и теломеразы. Полимеразная цепная
реакция.
2 часа.
Содержание лекции 4. Биосинтез
белка. Генетический код. Рибосомы
прокариот и эукариот. Сборка
рибосом. Образование пептидной
связи. Локализация процессов
транскрипции и трансляции.
_____ часа.
Тема лаб. работы 3.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 4.
Работа с лекционным материалом:
Биосинтез белка. Просмотр
анимации «Трансляция».
3 часа.
Содержание лекции 5. Методы
биоинженерии. Клонирование.
Получение генетически
модифицированных организмов.
1 час.
Вирусы – внеклеточные
биологические системы.
…
…
…
2 часа.
Тема самостоятельной работы 2.
Работа с лекционным материалом:
Суперсперализация ДНК.
Изготовление макета двойной
спирали для наглядной
интерпретации суперспирализаци и
топологических изомеров ДНК.
Просмотр анимации «Репликация
ДНК».
4 часа.
Тема самостоятельной работы 3.
Работа с лекционным материалом:
Структура и функции РНК.
Просмотр анимации «Полимеразная
цепная реакция».
3 часа.
Тема самостоятельной работы 5.
Работа с лекционным материалом:
Методы биоинженерии.
1 час.
Работа с лекционным материалом:
Вирусы.
…
…
…
…
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);
4. Реферат (Р);
5. Эссе (Э);
7. Рубежный контроль (РК);
8. Тестирование (Т);
10. Контрольная работа (КР);
11. Деловая игра (ДИ);
15. Рейтинговая система (РС);
16. Обсуждение (Об).
Стр. 4 из 10
3. Домашнее задание (ДЗ);
6. Коллоквиум (К);
9. Проект (П);
12. Опрос (Оп);
Стр. 5 из 10
9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
1. Дисциплина профиля.
2. Профессиональный блок, дисциплина профиля.
3. Курс является базисом к дисциплине: "Молекулярные основы живых систем, ч. 2",
помогает более глубоко освоить дисциплины "Бионаноскопия", "Физическая химия
бионаносистем" и "Коллоидные системы".
3.1. Механика, Молекулярная физика, Электромагнетизм, Оптика, Атомная физика,
Общий физический практикум, Введение в физику полимеров.
3.2. Научно-исследовательская практика, научно-исследовательская работа, курсовая
работа, дисциплины "Молекулярные основы живых систем, ч. 2", "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:
Чем живые системы отличаются он неживых?
Какие классы биополимеров существуют?
За счет чего живые системы создают и поддерживают свою упорядоченную структуру?
Что такое гидрофобный эффект?
Что такое константа равновесия для химической реакции?
Что такое ионное произведение воды, чему оно равно?
Что такое pH?
Напишите уравнение Хендерсона-Хассельбалха
Каков физический смысл константы равновесия?
Что такое буферный раствор? Приведите примеры физиологически важных буферов
Как приготовить простейший буфер на заданный рН?
Перечислите уровни организации белков, что определяет каждый из уровней?
Назовите основные элементы вторичной структуры белка
Приведите два примера фибриллярных белков, опишите их 4-ю структуру
Какие факторы способствуют, а какие препятствуют образованию альфа-спирали?
Что такое денатурация белка?
Какие биополимеры (название) составляют основу таких важных материалов, как:
древесина, хлопчато-бумажная ткань, кожа, шерсть, шелк?
Что такое степень насыщения для гемоглобина? Нарисовать примерную форму кривой
зависимости от давления кислорода
Что такое «скрученная спираль» (coiled coil)?
Приведите пример левозакрученной спирали в белках
Как константа скорости реакции связана с высотой активационного барьера?
Как связаны константа равновесия и изменение свободной энергии в ходе реакции при
стандартных условиях?
Что такое активационный барьер?
От чего зависит направление ферментативной реакции?
От чего зависит скорость реакции при стандартных условиях?
Стр. 6 из 10
Каким взаимодействием стабилизирован липидный бислой? Опишите строение липидного
бислоя
Опишите план строения биологической мембраны. За счет чего интегральные белки
держатся в липидном бислое?
От чего зависит температура плавления жира?
Чем отличается крахмал от целлюлозы по химическому строению? Нарисуйте формулы.
С какого конца начинается расщепление резервных полисахаридов?
Какая основная компонента сухой древесины?
Что такое амилопектин? Как он устроен? нарисуйте общий план строения молекулы
Что такое пектин и где он встречается? Какова его функция?
Из чего состоит наружный скелет ракообразных, паукообразных и насекомых? К какому
классу относится это соединение?
Из чего можно получить хитозан?
Опишите структуру клеточной стенки грам-положительных и грам-отрицательных
бактерий. Сколько мембран имеют такие бактерии?
Что такое муреиновый каркас? Опишите строение
Где хранится ДНК в эукариотической клетке?
Может ли ДНК возникать de novo?
Каковы функции ДНК?
Что понимается под денатурацией ДНК?
Что такое «ведущая» и «отстающая» цепи при репликации ДНК? В чем «проблема»
синтеза отстающей цепи?
Что такое фрагменты Оказаки?
С чего начинается синтез любой ДНК?
В чем содержание центральной догмы молекулярной биологии?
Какие структуры могут возникать в ДНК (помимо В-формы)? В какую сторону закручена
спираль В-формы ДНК? Z-формы?
В какую сторону движется репликативная вилка?
Как обозначаются (называются) концы полипептидной цепи, полисахаридов, нуклеиновых
кислот?
Что такое суперспирализация ДНК? Какова ее роль при репликации?
Как расшифровать ПЦР (PCR)? В чем ее суть?
Какие типы РНК существуют? Каковы их функции?
Какие комплементарные пары оснований встречаются в ДНК? В РНК?
Как тРНК узнает соответствующий кодон на мРНК?
Перечислите основные структурные отличия РНК от ДНК
Что такое рамка считывания?
Что такое генетический код?
Что такое стоп-кодон?
К какому концу присоединяются рибонуклеотиды при транскрипции?
Что такое рибосома? Из чего она состоит?
С какого конца начинается синтез пептидов?
Что выступает в роли адаптера при перекодировке из нуклеотидной последовательности в
аминокислотную?
Откуда берется энергия для биосинтеза белка?
Что происходит раньше, транскрипция или трансляция?
Что такое клонирование?
К какому классу относятся такие биополимеры, как хитозан, пектин, амилопектин?
Чем гликоген отличается от амилопектина?
Стр. 7 из 10
Полный перечень вопросов к зачёту
Чем живые системы отличаются он неживых?
Что такое «молекулярная логика живого?
Какие классы биополимеров существуют?
Назовите основные черты, присущие живой материи
Назовите уровни организации живой материи
За счет чего живые системы создают и поддерживают свою упорядоченную
структуру?
7. Что такое водородные связи?
8. Что такое гидрофобный эффект?
9. Что такое константа равновесия для химической реакции?
10. Что такое ионное произведение воды, чему оно равно?
11. Что такое pH?
12. Напишите уравнение Хендерсона-Хассельбалха
13. Каков физический смысл константы равновесия?
14. Что такое кривая титрования? Нарисуйте пример для слабой кислоты
15. Что такое буферный раствор? Приведите примеры физиологически важных буферов
16. Как приготовить простейший буфер на заданный рН?
17. Перечислите уровни организации белков, что определяет каждый из уровней?
18. Перечислите функции белков
19. Какие элементы вторичной и супервторичной структуры Вы знаете? Какие из них
встречаются в трансмембранных белках?
20. Какие факторы способствуют, а какие препятствуют образованию альфа-спирали?
21. Что такое денатурация белка?
22. Что доказывает тот факт, что полипептидные цепи в молекулах белка имеют не
случайную, а определенную конформацию?
23. Какой белок является основным в составе кожи?
24. Каким белком образован волос, ногти, перья, панцирь черепахи?
25. Какие основные белки входят в состав связок?
26. Что такое конформация «скрученная спираль»?
27. Что выступает в роли центров гелеобразования в «холодце»?
28. Что такое степень насыщения для гемоглобина? Нарисовать примерную форму
кривой.
29. Почему миоглобин не может быть хорошим переносчиком кислорода?
30. Чем обусловлена S-образная форма кривой насыщения гемоглобина?
31. Приведите 2 примера 4-тичной структуры белка
32. В чем недостаток модели работы фермента «ключ-замок»?
33. Как константа скорости реакции связана с высотой активационного барьера?
34. Как выглядит зависимость величины свободной энергии Гиббса от координаты
реакции в присутствии и в отсутствии фермента?
35. Как связаны константа равновесия и изменение свободной энергии в ходе реакции
при стандартных условиях?
36. Что такое оборотное число фермента?
37. Опишите строение липидного бислоя
38. Каким взаимодействием стабилизирован липидный бислой?
39. За счет чего интегральные белки держатся в липидном бислое?
40. От чего зависит, какие структуры возникают в водных растворах липидов?
41. Как устроена эмульсия типа «майонез»?
42. Почему переход молекулы липида из одного слоя в другой затруднен?
43. Что такое ПАВ?
44. Какие резервные полисахариды встречаются в растениях? в животных? в бактериях?
45. Как устроена гликогеновая гранула? Гранула крахмала?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Стр. 8 из 10
46. Что такое амилопектин? Как он устроен?
47. Какие ферменты деполимеризуют крахмал и гликоген?
48. Почему крахмал растворим в воде, а целлюлоза – нет?
49. Из чего состоит наружный скелет ракообразных и насекомых?
50. Опишите структуру клеточной стенки грам-положительных и грам-отрицательных
бактерий
51. Какие полисахариды входят в состав клеточных стенок растений?
52. Опишите структуру древесины: что придает ей прочность? легкость?
53. Опишите строение муреинового каркаса
54. Что такое лигнин, где он встречается?
55. Как пектин используется в промышленности?
56. Что такое плотность суперспирализации?
57. В какую сторону закручены положительные супервитки? Отрицательные?
58. Какие структуры могут возникать в ДНК (помимо В-формы)?
59. Что понимается под денатурацией ДНК?
60. С чего начинается репликация ДНК?
61. Какова роль спирализации при репликации ДНК?
62. Что такое фрагменты Оказаки?
63. С чего начинается синтез любой ДНК?
64. Что необходимо ДНК, чтобы она могла быть хромосомой?
65. Как на опыте продемонстрировать существование интронов?
66. Что делает фермент «обратная транскриптаза»?
67. Что можно сказать о пространственной структуре РНК?
68. Какие стадии проходит первичный транскрипт для превращения в мРНК?
69. Где происходит транскрипция?
70. Опишите ПЦР
71. Почему процессы транскрипции и трансляции в эукариотах разделены
пространственно?
72. Что выступает в роли адаптера при перекодировке из нуклеотидной
последовательности в аминокислотную?
73. Опишите процесс трансляции (в общих чертах)
74. Что такое рибосомы?
75. Откуда берется энергия для биосинтеза белка?
76. Как тРНК узнает соответствующий кодон на мРНК?
77. Куда пришивается аминокислота в тРНК?
78. Что такое клонирование?
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 1. Изд. «Мир», Москва, 1994 г.
3. Д. Мецлер. Биохимия. Том 1. Изд. «Мир», Москва, 1994 г.
Дополнительная литература
1. Lin YS, Lin JH, Chang CC, Molecular dynamics simulations of the rotary motor F(0) under
external electric fields across the membrane// Biophys J., 2010 Mar 17 v. 98(6),1009-1017.
Стр. 9 из 10
2. Duncan, T.M., Bulygin, V.V., Zhou, Y., Hutcheon, M.L. and Cross, R.L. Rotation of subunits
during catalysis by E. coli F1-ATPase. // PNAS, 1995 v. 92, 10964-10968.
Периодическая литература
1.
…
Интернет-ресурсы
1. http://polly.phys.msu.ru/ru/education/courses/Mol_life-1.html
http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife.html
http://www.youtube.com/watch?v=DCWgCab173Q&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=ztPkv7wc3yU&NR=1
http://www.youtube.com/watch?v=x2jUMG2E-ic&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=5bLEDd-PSTQ
http://www.youtube.com/watch?v=Ikq9AcBcohA&feature=related
http://www.dnalc.org/resources/3d/19-polymerase-chain-reaction.html
http://www.dnalc.org/resources/3d/rna-splicing.html
http://www.dnalc.org/resources/3d/20-mechanism-of-recombination.html
13. Материально-техническое обеспечение
В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению
подготовки «Физика».
Аудитория конференц-зал ЦКП физического факультета, имеется проектор и компьютер,
доступ к интернету.
Стр. 10 из 10
