Біофізика макромолекул
Topic outline
-
Перш ніж досліджувати структуру біологічних макромолекул розглядаються принципи, за якими утворюються їхні структурні елементи – нуклеотиди в ДНК, амінокислоти в білках, тощо. Для цього проводиться огляд фізичних властивостей хімічних та міжмолекулярних зв’язків в різних молекулярних сполуках. Для систематичності спочатку розглядається задача атома водню, яка є основою для розуміння заповнення електронами атомних орбіталей. Наводиться схема розв’язку рівняння Шредінгера для атома водню, проводиться аналіз хвильових функцій та форми атомних орбіталей. Розглядаються принципи заповнення атомних орбіталей. Наводяться властивості ковалентного зв’язку, розглядається гібридизація атомних орбіталей і те, як гібридизація визначає структуру молекул, в які входять атоми. Окремо робиться огляд міжмолекулярних взаємодій – електростатичної, ван-дер-Ваальсової та гідрофобної. Детально наводяться властивості водневого зв’язку. Закінчується тема оглядом модельних потенціалів, які моделюють взаємодію між атомами в молекулах. На прикладі конкретних задач проводиться оцінка енергії зв’язків та їх залежність від різних параметрів.
File: 1 -
В даному змістовному модулі розглядаються структурні елементи молекул нуклеїнових кислот: азотисті основи, дезоксирибоза, фосфатна група. Пояснюються основи роботи з програмою візуалізації структури молекул VMD. Наводяться бази даних структур молекул PDB та NDB. Розглядається конформаційна гнучкість кільця дезоксирибози, надається визначення поняття торсійного кута. Проводиться аналіз торсійних кутів остова ДНК. Виводиться вираз для кута псевдообертання фуранозного кільця та проводиться аналіз конформацій дезоксирибози. В якості завдання студенти мають провести розрахунок торсійних кутів за координатами атомів банку даних PDB. Наводиться детальний аналіз параметрів структури подвійної спіралі ДНК, системи координат основи (локальна система), пари основ, двох пар основ (димеру). Проводиться огляд конформацій нуклеїнових кислот: А-, В-, С-, D-, Z-форми, хрестоподібна форма ДНК, потрійні спіралі, G-квадруплекси, структура Холідея. Проводиться порівняльний аналіз структур А-, В-, та Z-форм ДНК за координатами атомів.
-
В даному змістовному модулі розглядаються принципи структурної організації молекул білків. Спочатку наводиться структура та властивості поліпептидного ланцюгу. Детально обговорюється набір амінокисло, які входять в білкові молекули. Обговорюється первинна структура білків та аналізується конформаційна гнучкість поліпептидів. Пояснюється принцип побудови карти Рамачандрана та показується як можна будувати карту Рамачандрана за допомогою програми VMD. Аналізуються принципи утворення вторинної структури білкових молекул: альфа-спіраль та бета-шар. Проводиться аналіз карт Рамачандрана різних білків з різним вмістом альфа- та бета-структур. Пояснюється що таке третинна та четвертинна структура білків та наводиться класифікація. В якості завдання студенти одержують структуру з PDB-банку даних (індивідуально для кожного), яку вони мають проаналізувати за допомогою програми VMD і побудувати карту Рамачандрана.
-
В даному змістовному модулі розглядаються принципи біологічного функціонування ДНК, РНК та бліків. Основною метою є сформувати у студента бачення цілісної картини біологічних процесів, в яких приймають участь розглядувані макромолекули. Зокрема, розглядаються принципи кодування генетичної інформації, структура генів, механізми зчитування генетичної інформації, синтез білка. Окремим завданням даного модуля є ознайомлення студентів з сучасними технологіями сиквенування ДНК – зчитування генетичних текстів. В якості індивідуального завдання студенти одержують задачу провести аналіз структури гену, який кодує білок, для якого в попередньому розділі будувался карта Рамачандрана, та окреслити основні біологічні властивості даного білка.
-
В даному змістовному модулі розглядаються фізичні механізми стабілізації молекул нуклеїнових кислот (ДНК, РНК) та молекул білків. Зокрема, детально розглядається роль іон-гідратного оточення. На прикладі молекули ДНК показується роль іонів металів, протиіонів, які нейтралізують заради на фосфатних групах, у формуванні структури подвійної спірлаі. Розглядається теорія Меннінга конденсації протиіонів на сильних поліелектролітах (ДНК), а також робиться огляд більш складних поліелектролітних теорій на основі рівняння Пуассона-Больцмана. Наводиться огляд результатів молекулярної динаміки ДНК з протиіонами. Детально розглядається ефект плавлення біологічних макромолекул та його експериментальні прояви. Для описання плавлення подвійної спіралі ДНК розглядається модель Зімма-Брегга.
-
В даному змістовному модулі розглядаються фізичні моделі, які існують для описання фізичних властивостей біологічних макромолекул. Зокрема буде розглянуто модель Порода-Кратке для описання статистичних властивостей ланцюгових молекул (ДНК та білки). Для описання динаміки плавлення молекули ДНК буде розглянуто модель Пейрара-Бішопа. Для описання конформаційної динаміки подвійної спіралі ДНК буде розглянуто модель Волкова-Косевича.
-
-
-