MPŠ
MPŠ MP&Scaron MP&Scaron MP&Scaron Avtorji lukatarina

Mednarodna
podiplomska šola
Jožefa Stefana

Jamova 39
SI-1000 Ljubljana
Slovenija

Tel: (01) 477 31 00
Faks: (01) 477 31 10
E-pošta: info@mps.si

Išči

Opis predmeta

Uvod v molekularno biofiziko (NANO2)

Programi:

Nanoznanosti in nanotehnologije, 2. stopnja

Sodelavci:

prof. dr. Janez Štrancar

Cilji:

Študenti se spoznajo z molekularno strukturo bioloških sistemov, načini njihovega vzbujanja ter vlogah, ki jih imajo molekulske in ionske interakcije pri njihovem oblikovanju. Podrobneje se seznanijo z biološkimi polimeri – nukleinskimi kislinami in proteini. Skozi praktično delo v laboratoriju pridobijo osnove nekaterih spektroskopskih metod, ki se uporabljajo v raziskavah bioloških makromolekul. Seznanijo se tudi z dinamiko bioloških molekul ter s tehnikami, ki omogočajo raziskovanje časovne komponente bioloških procesov na molekularni ravni. Nadalje, spoznajo supramolekularne sisteme kot so biološke membrane in tehnike, ki omogočajo nedestruktiven pogled v strukturiranost in delovanje teh kompleksnih sistemov. Nazadnje pa spoznajo tipične interakcijske poti, preko katerih z molekularnimi, makromolekularnimi in supramolekularnimi biološkimi strukturami interagirajo različne bioaktivne snovi od toksinov do nanomaterialov.

Vsebina:

1. Molekularna struktura in biološki sistemi
* Molekularne vezi
Atomske orbitale
Molekularne orbitale, kovalenta vez
Ionska vez
Koordinativne vezi, kovino-organski kompleksi
Van der Waalsova sila
Vodikova vez
* Vzbujanje in prenos energije
Vzbujanje molekul in prenos energije
Mehanizmi fotovzbujanja molekul
Mehanizmi molekularnega prenosa energije
Eksperimentalne tehnike:
• UV/Vis spektroskopija
• Fluorescenčna spektroskopija
• Fluorescenčni prenos resonančne energije (FRET)
* Molekulske in ionske interakcije kot osnova za oblikovanje bioloških struktur
Struktura vode, učinki hidracije, hidrofobne interakcije, amfifilne molekule
Ioni v vodnih raztopinah, Debye-Huckleov radij
Medmolekularne interakcije
Oblikovanje strukture bioloških makromolekul
2. Biološki polimerji
* Nukleinske kisline
Kemijska struktura nukleinskih kislin
Struktura dvojne vijačnice DNA
Dodatno zvitje DNA in nenavadne strukture DNA
Struktura prenašalne RNA
* Proteini
Aminokisline in primarna struktura proteinov
Peptidna vez in sekundarna struktura proteinov
Terciarna struktura – zvijanje proteinov
Kvartarna struktura
Struktura virusov
Eksperimentalne tehnike:
• Cirkularni dikroizem (CD) in optična rotacijska disperzija (ORD)
• Infrardeča spektroskopija
• Ramanova spektroskopija
* Dinamika proteinov
Časovne skale lokalne dinamike stranskih verig in globalne dinamike
Rotacijski konformacijski prostori
Dinamika kvartarne strutkure
Eksperimentalne tehnike:
• elektronska paramagnetna resonanca (EPR) s specifičnim spinskim označevanjem
3. Supramolekularne strukture
* Biološke membrane – dvodimenzionalne supramolekularne strukture
Lipidi - gradniki biomembran in enostavnih lipidnih vesiklov
Tekoče kristalna narava in fazni diagrami
Heterogenost in dinamika bioloških membran
Lipidni dvosloj kot okolje za strukturiranje membranskih proteinov
Eksperimentalne tehnike:
• elektronska paramagnetna resonanca (EPR) z nespecifičnim spinskim označevanjem
* Amfifilni transportni sistemi - Trodimenzionalne supramolekarne strukture
Lipoproteinski delci – struktura in funkcija
Farmacevtski transportni sistemi na osnovi trdnih lipidnih nanodelcev
Polisaharidne strukture na površini biomembran – primerjava strukture in funkcije med površinami evkariontske in prokariontske celice
Eksperimentalne tehnike:
• rentgensko sipanje pri majhnih kotih (SAXS)
4. Interakcije med biološkimi strukturami in bioaktivnimi molekulami
* Primeri interakcij med bioaktivnimi molekulami in makromolekulami
Protein / toksin - membranski proteinski receptor
Nanodelci in reaktivne molekule – nenasičeni deli gradnikov bioloških struktur
* Primeri interakcij med bioaktivnimi molekulami in supramolekularnimi strukturami
Toksin / virusni plaščni protein – membranske domene
Eksperimentalne tehnike:
• konfokalna fluorescenčna (mikro)spektroskopija (CFMS)

Temeljna literatura in viri:

1. Rodney Cotterill: Biophysics: An Introduction, John Wiley & Sons, New York (2002)
2. Roland Glaser: Biophysics, Springer, Heidelberg (1996)
3. V. Pattabhi, N. Gautham: Biophysics, Kluwer (2002)
4. Jack A. Tuszynski, Michal Kurzynski: Introduction to Molecular Biophysics (Pure and Applied Physics), CRC Press (2003)
5. Victor A. Bloomfield, Donald M. Crothers, Ignacio Tinoco Jr.: Nucleic Acids: Structures, Properties and Functions, University Science Books, Sausalito (2000)
6. J. Israelaschvili: Intermolecular interactions & surface forces. Academic press, London, 1992.
7. R. Nossar, H. Lecar: Molecular and cell biophyics. Addison wesley, NY, 1991.
8. M.V. Volkenstein: General biophysics, vol. 1 & 2, Academic press, Orlando, 1983.
9. S. Kauffman: At home in the universe: the search for laws of complexity. Penguin science, London 1995.

Izbrane reference nosilca:

1. A. Omerzu, D. Mihailovic, B. Anzelak, I. Turel: Optical spectra of wet and dry M-DNA, Phys. Rev. B 75, 121103 (2007)
2. A. Omerzu, M. Licer, T. Mertelj, V. Kabanov, D. Mihailovic: Hole interactions with molecular vibrations on DNA, Phys. Rev. Lett. 93, 218101 (2004)
3. G. Zocchi, G. Gruner, A. Omerzu: Electrons on the double helix: Optical experiments on DNA, Biophys. J. 82, 61 (2002)
4. G. Zocchi, K. Grzeskowiak, G. Gruner, A. Omerzu: Intermediate states in the melting transition of DNA oligomers, Biophys. J. 82, 603 (2002)
5. J. Štrancar, M. Šentjurc, M. V. Schara: Fast and accurate characterization of biological membranes by EPR spectra. J. Magn. Reson. 142, 254 (2000).
6. M. Rappolt, H. Amenitsch, J. Štrancar, C. V. Teixeira, M. Kreichbaum, G. Pabst, M. Majerkowicz, P. Laggner: Phospholipid mesophases at solid interfaces : in situ- X-ray diffraction and spin-label studies. Adv. Colloid Interface Sci. 111, 63 (2004).
7. J. Štrancar, T. Koklič, Z. Arsov, B. Filipič, D. Stopar, M. A. Hemminga: Spin label EPR-based characterization of biosystem complexity. J. Chem. Inf. Mod. 45, 394 (2005).
8. D. Stopar, J. Štrancar, R. B. Spruijt, M. A. Hemminga: Motional restrictions of membrane proteins : a site-directed spin labeling study. Biophys. J., 91, 3341 (2006).
9. J. Štrancar: Advanced ESR spectroscopy in membrane biophysics. V: L. J.Berliner (ed.), M. A. Hemmiknga: ESR spectroscopy in membrane biophysics, (Biological magnetic resonance, vol. 27). New York: Springer, pp 49-89.

Načini preverjanja znanja:

Seminar in ustni izpit.

Obveznosti študentov:

Seminar in ustni izpit.

Zunanje povezave: