 |
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Иркутский государственный университет»
(ФГБОУ ВПО «ИГУ»)
«Утверждаю»
_____________________
Первый проректор,
Проректор по учебной работе,
проф.
«____»_____________20____г.
Биолого-почвенный факультет
Кафедра физико-химической биологии
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины «ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЭКОЛОГИИ»
Код дисциплины по учебному плану ЕН. Р.2
Для студентов специальности 020801.65 - Экология
г. Иркутск
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
Цель курса
Ознакомить студентов с современными физико-химическими методами исследований и анализа объектов окружающей среды - воздуха, вод, почв, живых организмов.
Задачи курса
- рассмотреть теоретические основы современных физико-химических методов, используемых в экологических исследованиях; изучить общие лабораторные и специальные методы исследования объектов окружающей среды; рассмотреть принципы работы современной аналитической аппаратуры; обучить основам постановки эксперимента и обработки материалов исследования; ознакомить с особенностями анализа реальных объектов окружающей среды.
Место курса в процессе подготовки специалиста
Настоящий курс является обязательным для подготовки студентов II курса биолого-почвенного факультета по специальности 020801 - «Экология». В качестве основы для данной дисциплины используются такие базовые курсы, как общая и неорганическая химия, аналитическая химия, общая экология, а также курс высшей математики и общей физики. Эти дисциплины создают необходимую теоретическую базу и формируют достаточные практические навыки для понимания и осмысления информации, излагаемой в данном курсе.
Данная дисциплина является необходимой основой при изучении курсов, рассматривающих особенности анализа объектов окружающей среды (Экологический мониторинг)
2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ ПО ТЕМАМ И ВИДАМ РАБОТ
для студентов очного отделения
№ | Темы, разделы | Всего часов | Виды подготовки | Самостоятельная работа | ||
Лекции | Практические, семинарские, лабораторные занятия | Самост. работа студентов | КСР | |||
1 | Тема 1. Введение. Общая характеристика физико-химических методов анализа. | 4 | 2 | 2 | - | - |
2 | Тема 2. Физико-химическая характеристика макромолекул | 6 | 2 | 2 | 2 | - |
3 | Тема 3. Методы непосредственного наблюдения | 7 | 2 | 2 | 2 | 1 |
4 | Тема 4. Хроматография | 11 | 4 | 4 | 3 | - |
5 | Тема 5. Электрофорез | 8 | 2 | 2 | 3 | 1 |
6 | Тема 6. Спектроскопические методы | 7 | 2 | 2 | 3 | - |
7 | Тема 7. Центрифугирование | 4 | 2 | 2 | - | - |
8 | Тема 8. Прочие физико-химические методы анализа | 8 | 2 | 2 | 3 | 1 |
ВСЕГО часов | 55 | 18 | 18 | 16 | 3 |
3. СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
3.1 Общее (по всем темам)
Тема 1. Введение. Общая характеристика физико-химических методов анализа.
Предмет и задачи курса. Место и роль современных физико-химических методов исследования в современной биологии, экологии и медицине. Связь дисциплины с химией, физикой, математикой и смежными дисциплинами. Принципы классификации физико-химических методов анализа. Методы непосредственного наблюдения. Методы разделения и идентификации веществ. Гидродинамические методы. Спектроскопические методы. Общие лабораторные методы. Иные методы анализа. Чувствительность методов. Виды, источники и характеристики погрешностей. Математическая обработка результатов измерений и экспериментов.
Тема 2. Физико-химическая характеристика макромолекул.
Размеры молекул. Органические кислоты. Классификация кислот: окси - и кетоислоты, моно-, ди - и трикарбоновые кислоты. Особенности выделения и идентификации органических кислот. Общая характеристика аминокислот. Заряд молекулы. Полярные и неполярные аминокислоты. Полипептидные и полинуклеотидные цепи. Связи, обусловливающие взаимодействие аминокислот в белках. Пептидная связь.
Липиды. Общая характеристика. Классификация липидов. Экстракция и методы определения качественного и количественного состава липидов. Углеводы. Общая характеристика. Классификация углеводов. Выделение растворимых и нерастворимых углеводов из проб. Фракционировние углеводов. Методы определения содержания свободных моносахаридов, олигосахаридов, запасных и структурных полисахаридов.
Нуклеиновые кислоты. Компоненты нуклеиновых кислот. Азотистые основания, нуклеозиды, нуклеотиды. Связи, возникающие в полинуклеотидной цепи. Первичная, вторичная, третичные структуры белков и нуклеиновых кислот. Нативная и денатурированная структура биополимера. Переход спираль-клубок. Детергенты. Ренатурация, диссоциация и реассоциация. Гибридные молекулы. 
Линейные и циклические полинуклеотидные молекулы.
Низкомолекулярные органические вещества: флавоноиды, алкалоиды, терпеноиды. Минеральные вещества. Методы извлечения и определения отдельных компонентов.
Тема 3. Методы непосредственного наблюдения
Оптическая микроскопия. Основы теории микроскопии. Темнопольная, фазово-контрастная, интерференционная, поляризационная микроскопия. Люминесцентная и флуоресцентная микроскопия. Конфокальная микроскопия.
Электронная микроскопия. Принцип действия электронного микроскопа. Подготовка образцов. Контрастирование. Трансмиссионная и сканирующая микроскопия. Зондовая микроскопия. Возможности разных видов микроскопии и сферы их применения. Цито - и гистохимические микроскопические исследования. Исследование локализации веществ в клетке. Микроскопические подходы в изучении структурной организации клеток и тканей.
Тема 4. Хроматография
История развития хроматографии. Классификация хроматографических методов по агрегатному состоянию фаз, по технике выполнения, по механизму взаимодействия сорбента и сорбата, по цели хроматографического процесса, в зависимости от способа проведения хроматографического процесса.
Физико-химические основы хроматографического процесса. Теория теоретических тарелок и кинетическая теория хроматографии. Факторы, влияющие на селективность и эффективность разделения. Хроматографический пик и его характеристики. Основные хроматографические параметры: время и объем удерживания. Коэффициент удерживания. Коэффициент емкости. Коэффициент селективности. Анализ и методы расчета хроматограмм. Качественный и количественный анализ. Метод нормировки, метод внешнего стандарта и метод внутреннего стандарта.
Газовая хроматография. Классификация методов газовой хроматографии. Неподвижные фазы, способы их получения и подготовки. Классификация носителей в газожидкостной хроматографии. Характеристики неподвижных жидких фаз. Особенности газовых хроматографов. Способы введения жидких и газовых проб. Детекторы, общие требования и основные характеристики. Неионизационные и ионизационные детекторы: принцип работы, детектируемые вещества, пределы обнаружения. Способы концентрирования микропримесей из воздуха, вод и почв.
Жидкостная хроматография. Особенности и классификация разновидностей метода. Принципиальная схема жидкостного хроматографа. Принципы детектирования в жидкостной хроматографии. Фотометрический, флуоресцентный, рефрактометрический и электрохимические детекторы. Распределительная (жидкость-жидкостная) хроматография. Сущность метода. Неподвижные фазы: иммобилизованные жидкости и химически закрепленные обращенные и нормальные фазы. Подвижные фазы, элюирующая сила подвижной фазы. Применение распределительной жидкостной хроматографии при анализе объектов окружающей среды. Адсорбционная жидкостная хроматография. Нормально-фазовая (НФХ) и обращенно-фазовая (ОФХ) хроматографии. Неподвижные и подвижные фазы. Классификация растворителей. Ионная хроматография. Классические и высокоэффективные методы. Неподвижные фазы, требования, предъявляемые к ним. Классификация ионообменников. Селективность ионного обмена. Гель-хроматография. Молекулярная эксклюзия. Неподвижные фазы. Подвижные фазы. Применение гель-хроматографии. Бумажная и тонкослойная распределительная хроматография. Возможности, преимущества, недостатки. Неподвижные и подвижные фазы. Нанесение пробы и получение хроматограмм. Детектирование. Коэффициент удерживания и коэффициент емкости. Применение тонкослойной хроматографии.
Тема 5. Электрофорез
Теория электрофореза. Виды электрофореза: с подвижной границей, зональный, непрерывный. Низковольтный и высоковольтный электрофорез. Оборудование для электрофореза. Электрофорез на бумаге, гель-электрофорез. Типы используемых гелей: полиакриламидный, агарозный, крахмальный. Область применения разных гелей. Денатурирующий электрофорез – SDS-электрофорез. Электрофорез в градиенте пористости геля. Диск-электрофорез. Изоэлектрофокусирование. Иммуноэлектрофорез. Иммуноблоттинг. Нозерн-, саузерн-гибридизация. Использование электрофореза для разделения и идентификации белков и нуклеиновых кислот. Определение молекулярной массы биополимеров. Применение электрофореза для анализа множественных форм ферментов. Аналитический и препаративный электрофорез. Непрерывный электрофорез. Капиллярный электрофорез. Сущность метода. Электроосмотический поток и его использование для разделения веществ. Приборы для капиллярного электрофореза. Возможности метода.
Тема 6. Спектроскопические методы
Общая теория поглощения света молекулами. Абсорбционная спектроскопия. Энергетические уровни молекул и атомов. Хромофоры. Спектры поглощения молекул. Молярный коэффициент экстинкции. Закон Ламберта-Бэра. Оптическая плотность. UV-VIS спектроскопия. Инфракрасная спектроскопия. Использование спектроскопии в экологических и биологических исследованиях: определение концентрации веществ, изучение биохимических реакций, идентификация веществ путем спектральных измерений, исследование денатурации-ренатурации ДНК, исследование динамических свойств белков и т. д. Спектрофотометрические приборы. Фотоэлектрокалориметры. Спектрофотометры. Атомно-адсорбционные спектрометры. Флуоресцентная спектроскопия. Общая теория флуоресценции. Квантовый выход флуоресценции. Тушение флуоресценции. Резонансный перенос энергии. Приборы для измерения флуоресценции. Спектрофлуориметры. Флуоресцентные метки и зонды. Флуоресцентная микроскопия. Метод флуоресцирующих антител. Ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс (ЯМР и ЭПР). Основы ЯМР и ЭПР. Фурье-спектроскопия ЯМР. Аппаратура для измерения ЯМР и ЭПР. ЯМР-спектрометры. Использование методов для получения информации о структуре биополимеров, о взаимодействии между молекулами и о молекулярном движении.
Тема 7. Центрифугирование
Теоретические основы метода. Центробежная и центростремительная силы. Седиментация. Основы теории седиментации. Скорость седиментации. Коэффициент седиментации. Масса и форма молекул и седиментационные свойства. Седиментационное равновесие. Факторы, влияющие на седиментацию – концентрация, скорость и заряд молекулы. Центрифуги: аналитические и препаративные. Типы роторов. Методы центрифугирования: дифференциальное и в градиенте плотности. Зональное центрифугирование. Применение методов центрифугирования для выделения клеточных структур, фракционирования органических веществ, определения молекулярной массы макромолекул. Ультрацентрифугирование. Оптические системы для измерения концентрации компонентов при центрифугировании: шлиреновская, интерференционная и абсорбционная. Примеры использования зональное и скоростной седиментации.
Тема 8. Прочие физико-химические методы анализа
Пробоподготовка. Правила отбора проб. Подготовка образцов для биохимического и физиологического исследования. Фиксация, основные типы фиксаторов. Криосохранение. Высушивание образцов.
Способы гомогенизации свежего и фиксированного материала. Гомогенизаторы. Концентрирование растворов. Центрифугирование. Высаливание. Упаривание. Вакуумный ротационный испаритель. Лиофилизация. Диализ.
Электрометрия. рН-метрия. Принципы измерения рН. Устройство рН-метра. Типы электродов. Потенциометрические методы исследования химического состава и функций. Определение содержания минеральных веществ. Определение активности ферментов. Полярографические методы.
Газоаналитические методы. Оптико-акустические и инфракрасные газоанализаторы. Принципы измерения концентрации газов. Использование газометрии в решении биологических и экологических задач.
Метод «меченых» атомов. Изотопы, используемые в биологических исследованиях. Типы ядерных распадов: α- β- γ-распад. Период полураспада. Характеристика 3H, 14С, 32P, 35S, 40K, 45Ca. Измерение радиоактивности в биологических объектах. Подготовка образцов для радиометрии. Явление самопоглощения. Использование метода меченых атомов в исследовании структуры и свойств молекул, метаболизма, функций клеток и организмов: анализ структуры нуклеиновых кислот и белков, выявление локализации веществ в клетках и клеточных структурах, определение активности ферментов, изучение путей обмена веществ. Авторадиография.
3.2 Темы семинарских занятий
К теме 1:
- Роль физико-химических методов в современной экологии и биологии; Наиболее существенные открытия в развитии физико-химических методов; Роль математические методы" href="/text/category/instrumentalmznie_i_matematicheskie_metodi/" rel="bookmark">математических методов в физико-химическом анализе
К теме 2:
- Физико-химические свойства аминокислот, белков, углеводов, липидов и нуклеиновых кислот; Роль физико-химических методов в понимании структуры и функции биомолекул; Вычислительная техника в физико-химическом анализе
К теме 3:
- Основные этапы развития метода микроскопии; Оптическая микроскопия: разновидности метода; Электронная микроскопия: принцип метода и возможности применения в биологии и экологии
К теме 4:
- Необходимость фракционирования веществ. Основные методы разделения; Теоретические основы хроматографии; Виды хроматографии, их отличительные характеристики; Качественный и количественный анализ результатов хроматографического разделения; Область применения хроматографии в экологических и биологических исследованиях.
К теме 5:
- Теоретические основы электрофореза; Двумерный электрофорез, изоэлектрофокусирование и капиллярный электрофорез; Особенности электрофореза белков и нуклеиновых кислот; Оборудование для электрофореза.
К теме 6:
- Квантовые основы абсорбции излучения; Спектроскопия в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной области излучения – отличительные особенности; Флуоресцентная спектроскопия; Электронный парамагнитный резонанс – принцип метода.
К теме 7:
- Теории скорости седиментации; Разновидности метода центрифугирования, область их применения; Оптические методы в центрифугировании.
К теме 8:
- Методы подготовки образцов для физико-химического анализа Методы концентрирования растворов Потенциометрические и полярографические методы. Методы с применением «меченых» элементов.
3.3 Тематика заданий для самостоятельной работы
Углубление знаний по курсу осуществляется за счет организации самостоятельной работы студентов по разделам, установленных программой дисциплины.
Открытия, определившие развития физико-химических методов. Исторические аспекты. Математические методы в физико-химических исследованиях биологических и экологических систем. Физико-химические свойства аминокислот, и белков Физико-химические свойства липидов и углеводов Физико-химические свойства нуклеиновых кислот Оптическая микроскопия Электронная и зондовая микроскопия Детекторы, используемые в хроматографическом анализе Газожидкостная хроматография Аффинная хроматография. Двумерный электрофорез. Изоэлектрофокусирование. Капиллярный электрофорез. Флуоресцентная спектроскопия. Электронный парамагнитный резонанс Оптические системы для измерения концентрации компонентов при центрифугировании Методы подготовки образцов для физико-химического анализа Методы концентрирования растворов Потенциометрические методы. Полярографические методы. Газоаналитические методы. Методы с применением «меченых» элементов. Компьютеры в физико-химических исследованиях. Иммунологические методы3.4 Примерный список вопросов к зачету
4. ФОРМЫ ПРОМЕЖУТОЧНОГО И ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ:
Цель контроля: определение уровня подготовки студентов по дисциплине.
Текущий контроль проводится для оценки степени усвоения студентами учебных материалов, обозначенных в учебной рабочей программе, и осуществляется в виде непрерывного и рубежного контроля. К непрерывному контролю относятся систематические проверки знаний и навыков студентов в форме устного опроса, решения расчетных и ситуационных задач, рефератов. Текущий контроль осуществляется на семинарских занятиях. Рубежный контроль (тестирование) охватывает содержание части курса и осуществляется в ходе аттестации в середине семестра.
Итоговый контроль - зачет (4 семестр). К зачету допускаются студенты, выполнившие в полном объеме самостоятельную работу и успешно сдавшие две промежуточные аттестации.
Студенты, вовремя выполнившие все обязательные виды деятельности и набравшие в ходе тестирования не менее 60 % баллов, получают зачет автоматически. Студенты, имеющие задолженность, должны выполнить все обязательные виды деятельности, а затем сдают зачет по вопросам в виде собеседования.
Критерии оценки: ответ полный, раскрывающий историю рассматриваемой проблемы, основных акторов проблемы, теоретические положения проблемы, пути их решения.
Формально: оценивается достижение целей образовательного стандарта высшего профессионального образования и соответствия фактического уровня развития личности профессионала проектируемому.
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА
Интернет-источники
http://www. protein. bio. *****/biokhimiya/index. htm - Интернет версия международного журнала по биохимии и биохимическим аспектам молекулярной биологии, биоорганичемской химии, микробиологии, иммунологии, физиологии и биомедицинских иссследований. Статьи в pdf-формате. http://tusearch. - Поиск электронных книг, публикаций, законов, ГОСТов на сайтах научных электронных библиотек. В поисковике отобраны лучшие библиотеки, в большинстве которых можно скачать материалы в полном объеме без регистрации. В список включены библиотеки иностранных университетов и научных организаций. http://*****/defaultx. asp - Научная электронная библиотека, крупнейший российский информационный портал в области науки, технологии, медицины и образования, содержащий рефераты и полные тексты более 12 млн научных статей и публикаций. http://*****/index. php - портал бесплатной медицинской информации, содержит большое количество книг, учебных пособий биохимической направленности. http://*****/protocol/ - описание большого количества физико-химических и молекулярно-генетических методов. http://www. uspto. gov/ - просмотр патентов на United States Patents and Trademark office. http://www. / - протоколы методов A Laboratory Manual. Joseph Sambrook and David *****ssell. http://www. protocol-online. org/ - Сайт содержит хорошо структурированную коллекцию ссылок на протоколы методов (в основном, различных лабораторий). Имеется тематический форум. http://www. donnu. /chem/student/methodic/phys_methods/ - книга «Инструментальные методы исследования в биохимии»Оборудование
а) Для лекционных занятий используется мультимедийный проектор и ноутбук;
б) при выполнении заданий самостоятельной работы студенты могут пользоваться компьютерами компьютерного класса биолого-почвенного факультета.
Материалы
а) Видеоклипы для лекций: «Тонкослойная хроматография красителя»; «Колоночная хроматография»; «Электрофорез»; «Гель-электрофорез»; «ВЭЖХ»; «ИК-спектроскопия»; «ЯМР»; «SDS-электрофорез»; «Тонкослойная хроматография»; «Тонкослойная и колоночная хроматография»; «УФ - и видимая спектроскопия».
б) Презентации к лекциям: «Методы молекулярной биологии»; «Методы очистки белков. Ферменты»; «Общая характеристика физико-химических методов»; «Протеомные исследования»; «Спектроскопия»; «Хроматография»; «Хроматографы»
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа: в 2 т. / ред. . – М.: Академия, Т.1. – 2010. – 352 с.; Т.2. – 2010. – 412 с.
2. Биофизика: Учебник для вузов/ Под ред. . – Екатеринбург: Деловая книга, 2010. – 293 с.
Дополнительная
1. Белькова в молекулярную экологию организмов / , .- Ярославль.: , 2009.
2. Березов химия / , . – М.: Медицина, 1998. – 704 с.
Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б. Глик, Дж. Пастернак Пер. с англ. - М.: Мир, 20с.4. Горшков химия / , . – М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1986
5. Дорохова химия / , . – М.: Высш. шк., 1991
Другов загрязненных биосред и пищевых продуктов / , - М.: Бином, 2007.7. Комов : учебник для вузов / , .-М.: Дрофа, 2008. – 640 с.
Молекулярное клонирование / Т. Маниатис, Э. Фрич, Дж. Сэмбрук. - М.: Мир, 19с..9. Николаев химия / . – М.: Дрофа, 2004. – 544 с.
Остерман биологических макромолекул электрофокусированием, иммуноэлектрофорезом и радиоизотопными методами / . - М.: Наука, 19с. Остерман исследования белков и нуклеиновых кислот: Электрофорез и ультрацентрифугирование / . - М.: Наука, 19с.12. Введение в молекулярную биологию клетки / Э. Рис, М. Стернберг. - М.: Мир, 20с
13. Рубин по биофизики. Учебное пособие / . - М.: Изд-во МГУ, 2004. – 302 с.
Физическая химия. Принципы и применение в биологических науках / И. Тиноко, К. Зауэр, Дж. Вэнг, Дж. Паглиси - М.: Техносфера, 2005. Физическая биохимия / Д. Фрайфелдер. - М.: Мир, 1980. – 582 с.16. Биохимия и молекулярная биология / В. Эллиот, Д. Эллиот.- М.: Изд-во НИИ биомедицинской химии, 200с.
Кроме этого, студентам рекомендуется изучение периодических научных изданий: «Биологические мембраны», «Биохимия», «Биофизика», «Биотехнология», «Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии», «Известия РАН. Серия биологическая », «Микробиология», «Молекулярная биология», «Прикладная биохимия и микробиология».
ЛИСТ ОБНОВЛЕНИЯ
Дата | Внесенные обновления | Подпись автора | Подпись зав. кафедрой |
Программу составил , к. б.н., доцент кафедры физико-химической биологии биолого-почвенного факультета ИГУ __________
Программа рассмотрена и утверждена на заседании кафедры физико-химической биологии ____________
дата
Зав. кафедрой физико-химической биологии профессор __________
Согласовано: председатель УМК биолого-почвенного факультета профессор __________
