Біофізика складних систем
Topic outline
-
Дисципліна «Біофізика складних систем» є базовою нормативною дисципліною для спеціальності “Молекулярна фізіологія та біофізика”, що читається в 1 та 2 семестрах в обсязі 6 кредитів (за Європейською Кредитно-Трансферною Системою ЕСТS), обсягом 180 годин.
Мета дисципліни – сформувати загальні знання про закономірності організації та функціонування складних біологічних систем.
Курс присвячений вивченню біофізичних механізмів діяльності декількох систем в організмі людини. Серцево-судинна, шлунково-кишкова та нервова системи розглядаються на всіх рівнях їх функціонування від їх ролі в організмі, через функціонування різних спеціалізованих клітин, що складають їх тканини до молекулярних механізмів, що лежать в основі роботи клітин. Курс зосереджений на загальному розумінні схожості та відмінностей у молекулярних сигнальних шляхах, важливих для роботи цих різних систем. Паралельно курс надає детальні відомості про найсучасніші біофізичні, молекулярно-біологічні та генетичні методи та підходи, що використовуються в сучасних наукових дослідженнях для вивчення клітинних та молекулярних механізмів, що опосередковують функціонуванням складних біофізичних систем.
-
Лекція 1. Як мі будемо працювати?
1. Нащо ми всі зібрались.
2. Стандартний кар’єрний шлях у біомедичних науках.
3. Що ми будемо вивчати.
4. Як ми будемо це робити.
5. Першоджерела для читання та знання англійської мови.
6. Етика взаємовідношень у біомедичних дослідженнях.
7. Як ми будемо спілкуватися.
Завдання
Опрацювання розділів 1-2 книги Brain Facts та її Glossary.
Практика. Ознайомлення з сучасною електрофізіологічною лабораторією.
Лекція 2. Історія розвитку електрофізіологічних досліджень.
1. Місце біофізики серед інших природничо-наукових дисциплін.
2. Нерозривний взаємозв'язок фізичних і біологічних явищ.
3. Відкриття Гальвані і Вольта як основа для розвитку сучасної електрофізіології.
4. Ідеї та принципи сучасної електрофізіології.
5. Фізики, що зробили значний внесок в розвиток біології.
Завдання
Контрольна робота: диктант по англійській термінології у галузі нейронаук.
Практика. Ознайомлення з лабораторією конфокальної мікроскопії.
Лекція 3. Історія розвитку оптичних методів досліджень.
1. Нерозривний взаємозв'язок фізичних і біологічних явищ.
2. Розвиток оптики і способів реєстрації експериментальних результатів від мікроскопа Лівенгука до сучасних методів оптичних досліджень.
3. Мюллерівські клітини сітківки, як приклад оптоволокна розробленого природою
4. Квантові точки - сучасні флуоресцентні зонди
Завдання
Опрацювання розділів 3-4 книги Brain Facts.
Folders: 3 -
Лекція 1. Біофізичні основи функціонування серцево-судинної системи.
1. Навіщо потрібно серце в складі організму?
2. Штучне серце.
3. Навіщо потрібна і як організована судинна система?
4. Концентрація О2 і СО2 в повітрі, артеріальної крові і тканинах організму.
Практика. Ознайомлення з принципами роботи з живими тканинами, що вилучені з організму.
Лекція 2. Сучасні біофізичні методи візуалізації і досліджень судинної системи.
1. Звичайна рентгенівська ангіографія.
2. Методи, засновані на магнітно-резонансній томографії та позитронно-емісійній томографії.
3. Лазерно-доплерівська флоуметрія.
4. Конфокальна мікроскопія.
5. Оптична мікро-ангіографія (OMAG).
Завдання
Контрольна робота: диктант по англійській термінології у галузі нейронаук.
Лекція 3. Газообмін в організмі і його порушення.
1. Газообмін в легенях і тканинах організму.
2. Закони Дальтона і Генрі.
3. Газообмін азоту.
4. Газообмін кисню.
5. Газообмін вуглекислого газу.
6. Причини розвитку та способи боротьби з кесонної хворобою.
Практика. Ознайомлення з принципами молекулярних досліджень у живих клітинах.
Лекція 4. Газообмін в організмі і його порушення (продовження).
1. Гірська хвороба.
2. Тиск газів в порожнинах організму.
3. Фізіологічні порушення при швидких зменшенні зовнішнього тиску.
4. Дихання та рН регуляція в крові та тканинах організму.
Завдання
Опрацювання розділів 5-6 книги Brain Facts.
Лекція 5. Судинна система та розвиток злоякісних новоутворень.
1. Необхідність судинної системи для розвитку злоякісних новоутворень.
2. Голодування.
3. Ангіогенезис та розвиток злоякісних новоутворень.
4. Кисень-залежний механізм активації/деградації HIF-1α та ріст судин.
5. Підходи до лікування за рахунок «управління» судинами.
Завдання
1. Оцінити об’єм, що перекачує серце в день.
2. Яка кількість азоту (мг) виводиться у хвилину з організму людини при правильному спливанні з глибини.
3. Чи можемо ми оцінити споживання енергії людиною, маючи на увазі, що вона витрачає 200 мг О2 на хвилину?
4. Оцініть різними способами (за диханням і добовою дієтою) потреби людини в О2 та кількість виведення СО2 в хвилину.
5. Чому артеріальна кров рожева, а венозна темна?
6. Використовуючи закони Дальтона та Генрі розрахувати концентрацію О2 і СО2 у крові людини (грам/літр).
7. Чому виникає гірна хвороба і що «робить» організм для боротьби з нею?
Folders: 4 -
Лекція 1. Електрофізіологічні властивості клітин серця.
1. Основні властивості потенціалу дії в кардіоміоцитах.
2. Основні властивості потенціалу дії в пейсмекерних клітинах серця.
3. Структура провідної системи серця і послідовність взаємодії її частин в процесі серцевого скорочення.
4. Взаємозв'язок між потенціалами дії в різних частинах серця, серцевим скороченням і електрокардіограмою.
Завдання
Тестова контрольна робота: Біофізичні основи роботи серцево-судинної системи.
Лекція 2. Клітинні та молекулярні механізми синхронізації та взаємодії клітин сердця.
1. Механізми синхронізації серцевих скорочень (провідна система серця і щілинні контакти між кардіоміоцитами).
2. Механізми розподілу фізичного навантаження в серцевих м'язах.
3. Інтеркаляційні диски.
4. Десмосоми.
Завдання
Опрацювання розділів 7-8 книги Brain Facts.
Лекція 3. Молекулярні системи спряження та регуляції електричної активності кардіоміоцитів та змін внутрішньоклітинної концентрації іонів кальцію.
1. Основи конфокальної мікроскопії як методу дослідження регуляція цитоплазматичної концентрації іонів кальцію і локалізації білкових молекул.
2. Кальцієві хвилі і спарки (спалахи) у кардіоміоцитах і їх взаємозв'язок з електричними процесами на мембрані і скороченнями кардіоміоцитів.
3. Система Т-трубочок в кардіоміоцитах.
4. Регуляція цитоплазматичної концентрації іонів кальцію в перебігу циклу скорочення кардіоміоцитів.
Завдання
Опрацювання розділів 9-10 книги Brain Facts.
Лекція 4. Молекулярні системи скорочення кардиомиоцитів.
1. Регулярна молекулярна структура кардіоміоцитів. саркомерів і їх молекулярна організація (A-band, I-band, Z-lines, Т-tubules). Функціональне значення саркомерів.
2. Товсті і тонкі волокна в структурі саркомера. Їх молекулярна будова і взаємодія в процесі скорочення саркомера.
3. Останні досягнення в галузі створення штучного серця.
Завдання
1. Теоретична контрольна робота: Молекулярні та клітинні механізми роботи серцево-судинної системи.
Підготовка доповіді по темі «за бажанням» для здачі екзамену.Folders: 2 -
Лекція 1. Вода та її властивості.
1. Дисоціація Н2О.
2. рН у водних розчинах.
3. Закон діючих мас.
4. Дисоціація сильних електролітів.
5. Іонна сила розчинів.
6. Осмолярність та тонічність розчинів.
Завдання
Домашня контрольна робота: задача.
Лекція 2. Дисоціація слабих електролітів.
1. Дисоціація слабих електролітів.
2. Henderson–Hasselbalch Equation.
3. Buffering capacity.
Завдання
Домашня контрольна робота: задача.
Лекція 3. Властивості рН буферів.
1. Титрування.
2. Багатоосновні кислоти.
3. Залежність рН від температури.
4. Ефект рН буферів на інші властивості розчинів.
5. Добуток розчинності: Ефект рН на розчинность.
6. Як вимірювати рН.
7. Як правильно вибрати рН буфер для ваших експериментів.
Завдання
Домашня контрольна робота: задача.
Лекція 4. Бікарбонатний рН буфер.
1. Біологічні буфери.
2. Функціонування біологічних буферів у тканинах організму.
3. Бікарбонатна буферна система.
4. Застосування закону Генрі.
5. Розрахунки рН розчинів з бікарбонатним буфером.
Завдання
Домашня контрольна робота: задача.
Письмова контрольна робота, що до розрахунків рН та іонних концентрацій у розчинах.Folders: 2 -
Лекція 1. Введення до флуоресцентних методів.
1. Базові принципи флуоресценції.
a. Molecular Probes Tutorial Series—Introduction to Fluorescence (8:12)
b.
2. Спектри збудження та випромінювання.
a. Molecular Probes Tutorial Series— Anatomy of Fluorescence Spectra (3:11)
b.
3. Оптичні фільтри та джерела світла.
a. Molecular Probes Tutorial Series—Overview of Filters and Light Sources (4:38)
b.
4. Протокова цитофлуорометрія.
a. Molecular Probes Tutorial Series—Introduction to Flow Cytometry (12:04)
b.
c. Molecular Probes Tutorial Series—Analyzing Flow Cytometry Data (17:41)
d.
5. Імуноцитохімія.
a. Immunohistochemistry / Immunolabeling (3:00)
b.
6. Введення до флуоресцентної мікроскопії.
a. Microscopy: Introduction to Fluorescence Microscopy (Nico Stuurman) (33:34)
b.
7. Робота на сайтах компаній Chroma Technology та Omega Optical.
Завдання
На сайтах компаній Chroma Technology та Omega Optical знайти набори фільтрів, що найкраще підходять для роботи з барвником Fluorescein. Знайти самий оптимальний, що до ціни набір фільтрів для роботи з барвником Fluorescein. Знайти зсув Стокса для цього барвника. Яка лінія у спектрі випромінення аргонового лазера найкраще підходить для роботи з барвником Fluorescein?
Лекція 2. Фотореєстраційні прилади.
1. Принципи епіфлуоресцентної мікроскопії..
2. Фотоелектронні помножувачі.
3. Мікроканальні пластини.
4. Дисекторні системи.
5. Наукові цифрові камери.
Додаткова інформація, що до історії розробки фотореєстраційних приладів. Фільм ЗВОРЫКИН-МУРОМЕЦ https://www.youtube.com/watch?v=J_0_NFCmQ_0
Лекція 3. Флуоресценція та властивості флуоресцентних молекул.
1. Де використовуються флуоресцентні методи у біофізичних дослідженнях.
2. Енергетичні рівні та спектри флуоресцентних молекул.
3. Емісія, гасіння та передача енергії під час флуоресцентного випромінення.
4. Кількісні параметри флуоресцентних молекул.
5. Типи флуоресцентних молекул.
6. Робота на сайті компанії Molecular Probes (Fluorescence SpectraViewer).
Завдання
На сайті компанії ThermoFisher (Fluorescence SpectraViewer) побудувати спектри збудження та емісії для барвників Fluorescein та RFP. Експортувати ці спектри до Excel та побудувати в Excel відповідні графіки. Знайти та відобразити у Fluorescence SpectraViewer самі оптимальні джерела збудження для одночасних дослідів з обома барвниками. Підібрати діапазоні довжин хвиль збудження та емісії, що найкраще підходять для одночасних дослідів з обома барвниками. Зберегти Screenshot вашої роботи. На основі вашої попередньої роботи знайти сайтах компаній Chroma Technology або Omega Optical набір фільтрів, що найкраще підходять для одночасної роботи з цими барвниками. Записати посилання на на сторінку з оптимальним набором у окремий файл. Зберегти всі 3 файли у вашій директорії у окремій папці «6.3».
Лекція 4. Флуоресцентні індикатори Ca2+.
1. Різноманітність флуоресцентних індикаторів Ca2+.
2. Спорідненість до Ca2+, властивості поглинання та емісії.
3. Структурні властивості (білки та малі молекули, проникність через мембрани, зв’язування та локалізація).
4. Підбір індикаторів для певних експериментів.
Завдання
Контрольне завдання по підбору експериментального обладнання та флуоресцентних індикаторів для певного експерименту.File: 1 -
Лекція 1. Методи доставки генетичних векторів.
1. Яким чином можливо доставити генетичний матеріал до клітини?
2. Трансфекція и інфекція як методи введення генетичного матеріалу до клітини.
3. Фізичні та хімічні методи трансфекції.
4. GFP як репортерний ген.
Лекція 2. Генетичні підходи у біофізичних дослідженнях.
1. Базові генетичні механізми.
2. AS ODN; сайленсин PKCalfa.
3. siRNA; зменшення експресії гіпокальцину.
4. Нокаут (KO) та нокин (KI) генів.
5. Миші з GluR2 K882A KI.
Лекція 3. Генетичні підходи у біофізичних дослідженнях (продовження).
1. Кондиціонований нокаути та зміни генному.
2. Cre-lox редагування генів
3. Хемогенетичні підходи у біофізичних дослідженнях.
4. Сайленсінг нейронів.
Завдання
На сайті компанії Addgene (https://www.addgene.org/ ) знайти вірусний вектор, що найкраще інфікував би соми нейронів (варіант А) або їх аксони (варіант Б) і приводив до експресії tdTomato (варіант 1) or ChR2 разом з YFP (варіант 2).
Завдання
Підготувати доповіді (20-30 хвилин) у формі презентацій за наступними темами:
А. Cre-lox редагування генів.
Б. Оптогенетичні підходи у нейронауках (наприклад статті в цьому огляді: Optogenetics: Keep Interpretations Light)
В. Хемогенетичні підходи у біофізичних дослідженнях (наприклад: Combining designer receptors exclusively activated by designer drugs and neuroimaging in experimental models: A powerful approach towards neurotheranostic applications).
Г. Використання генетичних підходів до сайленсінгу нейронів (neuronal silencing).
Д. Трейсинг моносинаптичних зав’язків (наприклад: Monosynaptic Circuit Tracing with Glycoprotein-Deleted Rabies Viruses and other approaches).
Е. Двійні та трійні трансгенні тварини.
Ж. Методи генної інженерії, що базуються на системі CRISPR/Cas9 (наприклад: Genetically Engineering the Nervous System with CRISPR-Cas).
З. Аденоасоційовані віруси, як сучасна технологія біофізичних досліджень.