Struktura i funkcje makrocząsteczek biologicznych

biologia
chemia
fizyka

Wymagana znajomość podstaw fizyki, chemii i biochemii

w sali

Podstawowe zagadnienia z zakresu biofizyki struktur, dynamiki ruchów molekularnych i funkcjonowania polimerów biologicznych: kwasów nukleinowych DNA i RNA, białek, lipidów i polisacharydów oraz ich kompleksów. Szczegółowe zagadnienia fizycznych podstaw oddziaływań biopolimerów i termodynamiki układów biopolimerowych oraz analizy struktur przestrzennych będą przerabiane w ramach ćwiczeń komputerowo-rachunkowych.

Wyklad ma za zadanie przedstawienie podstawowych zagadnień strukturalno-dynamicznych dużych polimerów biologicznych w aspekcie ich funkcjonowania w komórce i organizmie, zgodnie z podstawowym paradygmatem biologii i biofizyki molekularnej SAR (structure - activity relationship): szeroko rozumiana struktura (chemiczna i przestrzenna) biomolekuł warunkuje ich biologiczną aktywność.

Program:

1. Fizyczne podstawy struktur makrocząsteczek oraz oddziaływań wewnątrz- i między-cząsteczkowych:

- energia cząsteczki; przybliżenie pola siłowego dla dużych biomolekuł,

- parametry termodynamiczne układu cząsteczek w roztworze (energia swobodna Gibbsa),

- struktura przestrzenna (konformacja) cząsteczki i oddziaływania stabilizujące: niewiążące oddziaływania elektrostatyczne (wiązania wodorowe, mostki solne, nieukierunkowane oddziaływania van der Waalsa), oddziaływania hydrofobowe; oddziaływania warstwowe (stacking) pi - pi i kation - pi; rola rozpuszczalnika,

- specyficzność wzajemnego rozpoznawania biomolekuł w kompleksach molekularnych: komplementarność zasad, wzajemne dopasowanie konformacyjne - modele „induced fit” i „fly-casting”.

2. Ogólny podział metod badania struktur i dynamiki biopolimerów: wykorzystanie różnic mas cząsteczkowych; oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z cząsteczkami, mikroskopia, manipulacje pojedynczymi biomolekułami; modelowanie i teoretyczne przewidywanie struktur

3. Kwasy nukleinowe DNA i RNA:

- replikacja DNA; transkrypcja; degradacja,

- biologiczna rola kwasów nukleinowych,

- struktura pierwszorzędowa; sekwencjonowanie,

- struktury wyższorzędowe: drugorzędowe struktury helikalne i niehelikalne, motywy struktury trzeciorzędowej RNA (pseudowęzeł motyw A-minor, zamek rybozowy struktura tRNA), budowa chromatyny, superskrętność.

4. Białka globularne, włókniste i błonowe:

- biosynteza białek (translacja mRNA), topogeneza, degradacja,

- różnorodność funkcji białek

- struktura pierwszorzędowa - sekwencjonowanie

- struktury wyższorzędowe: wykres Ramachandrana, domeny i ich klasyfikacja, podjednostki,

- zwijanie białek (protein folding): komputerowe, in vitro, in vivo,

- enzymy białkowe i RNA; fizyczne podstawy kinetyki reakcji enzymatycznych.

5. Lipidy; budowa i dynamika błon biologicznych.

6. Polisacharydy jako materiał zapasowy i budulcowy.

7. Kompleksy biomolekularne.

8. Biofizyka molekularna w biotechnologii i medycynie (wybrane zagadnienia)

Nakład pracy studenta:

Wykład = 30 godzin

Ćwiczenia rachunkowe = 30 godzin

Samodzielne przygotowanie do wykładu i ćwiczeń (2 godz. tygodniowo) ok. 30 godzin.

Przygotowanie do egzaminu ok. 20 godzin

Razem ok. 110 godzin.

Ćwiczenia poświęcone są:

(a) analizie oddziaływań wewnątrz- i międzyczasteczkowym biopolimerów i z rozpuszczalnikiem (klasyczne pola siłowe), energii, dynamice i termodynamicznym warunkom stabilizacji biomolekuł i kompleksów molekularnych;

(b) komputerowej analizie struktur przestrzennych biopolimerów, ze szczególnym uwzględnieniem klasyfikacji domen białkowych i motywów strukturalnych kwasów RNA.

Opis sporządził: Ryszard Stolarski, wrzesień 2012

1. Genowefa Ślosarek "Biofizyka molekularna" PWN 2011

2. L. Stryer „Biochemia”

Po ukończeniu przedmiotu student:

WIEDZA

1. Zna aktualne zagadnienia budowy polimerów biologicznych i wynikające stąd zasady ich funkcjonowanie w komórce (K_W01, K_W06).

2. Zna fizykochemiczne podstawy warunkujące struktury przestrzenne biopolimerów i ich oddziaływania (K_W04).

3. Zna wybrane zagadnienia wpływu nieprawidłowości strukturalnych biopolimerów na molekularne podstawy niektórych chorób (K_W03).

UMIEJĘTNOŚCI

1. Umie wyjaśnić podstawowe zjawiska i pojęcia w biofizyce molekularnej (K_U01, K_U02).

2. Umie wykorzystać nabyte wiadomości z zakresu struktur biopolimerów w wyjaśnianiu ich roli biologicznej (K_U05, K_U06).

3. Umie stosować podstawowe narzędzia bioinformatyczne do analizy strukturalno - dynamicznej makrocząsteczek (K_U03).

KOMPETENCJE SPOŁECZNE

1. Rozumie na czym polega rozwój współczesnej biofizyki i związaną z tym potrzebę zapoznawania się z aktualną literaturą przedmiotu (K_K01, K_K05).

2. Ocenia stosowalność przybliżonych modeli do opisu własności makrocząsteczek w odniesieniu do zastosowań biomedycznych i praktycznych (K_K03, K_K06).

3. Rozpoznaje, na czym polega rzetelne przedstawianie wyników pracy badawczej (K_K04).

Egzamin końcowy pisemny w postaci 5 opisowych pytań otwartych.

W ocenie brana jest pod uwagę aktywność na ćwiczeniach.

Brak