Wybrane zagadnienia biofizyki molekularnej

fizyka

Zajecia te są przeznaczone dla studentów Wydziału Fizyki drugiego roku studiów II stopnia, specjalności Biofizyka Molekularna na kierunku Zastosowania Fizyki w Biologii i Medycynie oraz specjalności Biofizyka na kierunku Fizyka. Zakładana jest znajomość fizyki i matematyki w zakresie programu studiów licencjackich oraz pierwszego roku studiów magisterskich. Przydatna będzie również wiedza z zakresu chemii i biologii. Zajęcia te mogą również zainteresować studentów MISMaP na kierunkach podstawowych: chemia i biotechnologia.

w sali

Na wykładach przedstawione są zagadnienia, które od dawna uważane są za najważniejsze w biofizyce molekularnej, jak również te, które stały się przedmiotem intensywnych badń w ostatnich latach. Do tych piwrwszych należy zagadka powstania życia, natomiast przykładem problemów, które na znaczeniu zyskały w ostatnich dekadach są molekularne mechanizmy ekspresji genów, mechanizmy sygnalizacji wewnątrz- i międzykomórkowej, rola reakcji kwasowo-zasadowych oraz pH w przebiegu i regulacji molekularnych procesów wewnątrzkomórkowych. Wykładom towarzyszą ćwiczenia rachunkowe poświęcone rozwiązywaniu zadań związanych z zagadnieniami na nich omawianymi.

Biofizyka jest dziedziną nauk przyrodniczych rozwiniętą w drugiej połowie XIX wieku w środowisku fizjologów związanych z Wydziałem Chemii Uniwersytetu w Glasgow. Jak to zauważył słynny amerykański fizyk Richard Feynman: “nie ma takiej czynności wykonywanej przez żywe istoty, której nie można by wyjaśnić korzystając z założenia, że składają się one z atomów, zachowujących się zgodnie z prawami fizyki”. Nie dziwi więc, że biofizyka molekularna stała się bardzo ważną częścią biofizyki, a niezwykły postęp jaki dokonał się w ostatnich dekadach w rozwoju technologii umożliwiających prowadzenie eksperymentów na pojedynczych komórkach i pojedynczych molekułach oraz rozwój metod modelowania molekularnego, sprawiły, że biofizyka molekularna stała się również ważną częścią współczesnej fizyki.

Jednym z najważniejszych pytań w biofizyce jest pytanie o pochodzenie zjawiska życia: Wszystkie formy życia składają się z molekuł, które same nie są żywe. Ale czym różnią się materia żywa i nieożywiona? Jak prymitywna forma życia mogła powstać ze zbioru nieożywionych cząsteczek? Mamy więc do czynienia z zagadką przejścia od materii nieożywionej do żywej. Drugie, równej rangi zagadnienie biofizyki molekularnej to pytanie o fizyczne procesy zachodzące w mózgach ludzi, umożliwiające odwzorowywanie się w nich świata i istnienie naszej ludzkiej świadomości. Choć jeszcze daleko w badaniu tych problemów do ich rozwiązania, lektura prac im poświęconych jest niezwykle ciekawa.

Mamy również w biofizyce molekularnej wiele zagadnień nie związanych bezpośrednio z powyższymi problemami natury fundamentalnej lecz równie interesującymi, z których wiele ma potencjalne zastosowania praktyczne w medycynie czy biotechnologii. Należą do nich fizyka enzymów, mechanizmy rozpoznawania się molekuł, molekularne mechanizmy ekspresji genów, mechanizmy sygnalizacji wewnątrz- i międzykomórkowej, rola reakcji kwasowo-zasadowych oraz pH w przebiegu i regulacji molekularnych procesów wewnątrzkomórkowych, rola procesów dyfuzji w przebiegu procesów biomolekularnych, w szczególnosci tych zachodzących w cytoplazmie, woda jako ważny składnik materii żywej i wiele innych. Zagadnienia związane z dyfuzją, szybkością procesów molekularnych, wpływem zatłoczenia molekularnego w cytoplazmie na równowagi molekularne i szybkość procesów molekularnych to przykłady problemów, które stanowią atrakcyjny materiał dla ćwiczen rachunkowych.

1. C. R. Bagshaw, Biomolecular Kinetics, CRC Press, Boca Raton 2017;

2. R. Phillips, J. Kondev, J. Theriot, H. G. Garcia, Physical Biology of the Cell, second ed., Garland Science, London and New York 2013;

3. H. Gutfreund, Kinetics for the life sciences, Cambridge Univ. Press, 1995, Cambridge;

4. L. A. Blumenfeld, A. N. Tikhonov, Biophysical Thermodynamics of Intracellular Processes, Springer-Verlag, 1994, New York;

5. I. N. Serdyuk, N. R. Zaccai, J. Zaccai, Methods in Molecular Biophysics. Structure, Dynamics, Function, Cambridge Univ. Press, Cambridge 2007;

Wzbudzenie zainteresowania biologią i zdobycie umiejętności dostrzegania w biologii komórki wyzwań dla fizyków. Zdobycie umiejętności

rozumienia współczesnych prac z dziedziny fizyki biologicznej i biofizyki molekularnej i wyszukiwania w literaturze inspiracji dla rozwoju

własnych zainteresowań i odkrywania nowych możliwości badawczych.

Po ukończeniu przedmiotu student:

WIEDZA

1. Zna podstawowe prawa i koncepcje biofizyki oraz aktualne ("gorące") zagadnienia, którymi zajmuje się współczesna biofizyka molekularna (KW_01, KW_03).

2. Zna w zarysie podstawowe metody doświadczalne i teoretyczne biofizyki (KW_05).

3. Zna podstawowe zastosowania biofizyki w naukach biomedycznych (KW_01).

UMIEJĘTNOŚCI

1. Umie powiązać obserwacje biologiczne z ich podstawami fizycznymi i chemicznymi (K_U02).

2. Umie dobrać właściwą metodę biofizyczną do rozwiązania problemu biologicznego (K_U05).

KOMPETENCJE SPOŁECZNE

1. Rozumie konieczność systematycznego uzupełniania i pogłębiania wiedzy przyrodniczej (K_K01, K_K05).

2. Rozumie wartość i znaczenie zastosowań metodologii i pojęć z zakresu fizyki w naukach biologicznych (K_K03).

3. Rozpoznaje, na czym polega uczciwość i odpowiedzialność w pracy badawczej (K_K04, K_K06).

Egzamin pisemny w formie testu zamknietego (30 punktów) i dwóch zadan do rozwiązania..Wymagana jest obecność na zajęciach, zarówno na ćwiczeniach poświęconych rozwiązywaniu problemów, jak i na wykładach.

Brak