Физика мягкой материи

Преподаватели: д.ф.-м.н. Р.Г. Ефремов, к.ф.-м.н. А.О. Чугунов, к.ф.-м.н. А.С. Кузнецов

Краткое содержание курса “физика мягкой материи”:
физические свойства биополимеров, строение белков, нуклеиновых кислот, липидов, биологические мембраны и их особенности, белки как молекулярные машины – от ферментов до рецепторов, физические методы исследования биополимеров.

Цель дисциплины:

Ознакомление студентов с основами биофизики, молекулярной биологии и современными методами компьютерного моделирования в этой области. Важной частью курса являются основы химии биомолекул.

Задачи дисциплины:

Наиболее значимые научные открытия в настоящее время происходят на стыке различных фундаментальных дисциплин: физики, химии и биологии. В настоящем курсе демонстрируется применение фундаментальных физических моделей к решению реальных задач в области молекулярной биологии на стыке с биохимией. Показано, как разные уровни абстрагированного описания объектов исследования позволяют достичь взаимодополняющих результатов. Поскольку студенты ФОПФ не имеют систематической подготовки в молекулярной биологии, биохимии и биофизике, важной частью курса являются элементы этих дисциплин, позволяющие охватить основы строения, принципы функционирования и роли в организме ключевых биологических молекул и объектов, таких как белки, нуклеиновые кислоты и биомембраны. В рамках курса будут рассмотрены основные физические свойства этих молекулярных объектов и показаны методы компьютерного моделирования. Будет проведён обзор различных уровней описания биологических систем, начиная от квантово-механического и заканчивая рассмотрением распределения функциональных звеньев — аминокислот и нуклеотидов — в рамках современной биоинформатики.

Содержание:

1. Основы биофизики и биохимии макромолекул. Основные классы биомолекул.

Обзор основных классов биомолекул — белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов. Принципиальные функции, выполняемые данными молекулами в живой клетке. Примеры широко известных соединений.

2. Нуклеиновые кислоты. Физические и химические свойства. Биологические функции и методы исследования.

Химическая структура нуклеотидов. ДНК и РНК. Основная догма молекулярной биологии. Генетический код. Пространственная структура РНК и ДНК.

3. Белки и пептиды. Структурная организация, свойства и функции. Разнообразие белков.

Химическая структура аминокислот. Физические свойства. Пептидная связь. Уровни структурных организации белковых молекул. Взаимосвязь структура-функция.

4. Биологические мембраны. Структура, свойства, функции. Углеводы.

Принципиальное устройство молекул фосфолипидов. Самоорганизация амфифильных молекул в водной среде. Основные свойства биологической мембраны. Углеводы, олигосахариды — структура, функции в организме.

5. Экспериментальные методы исследования биомолекул.

Основные экспериментальные подходы к определению аминокислотной последовательности, пространственной структуры белков. Секвенирование геномов, базы данных. Особенности изучения мембранных белков и биомембран.

6. Численный эксперимент в молекулярной физике: современные возможности и перспективы

Предсказание структуры и свойств биомолекул с помощью компьютерного моделирования. Обзор основных подходов — молекулярная динамика, докинг, моделирование структуры по гомологии, предсказание свойств соединений по их химической структуре. Многомасштабные подходы и примеры комплексного решения биофизических задач.

Основная литература:                                      

1.       Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. М.: КДУ, 2005.

2.       Рубин А.Б. Биофизика. Уч. пос. Т. 1. М.: Изд-во МГУ; изд-во «Наука», 2004.

3.       Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика. М.: Наука, 1975.

4.       Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. М.:Просвещение, 1987

5.       Ефремов Р.Г., Шайтан К.В. Молекулярное моделирование нано- и биоструктур. Учебно-методический комплекс для магистров. – М., НОУДПО “Институт АйТи”, 2011.

6.       Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. Т. 1 : Основы биохимии, строение и катализ. М.: Бином, 2008