Рабочая программа дисциплины

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

УТВЕРЖДАЮ

Директор Института

_____________/

«_____» _____________2008 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина СД. Ф.10 Спектральные методы исследования в биохимии

Укрупненная группа 020000 Естественные науки

Специальность 020208.65 Биохимия

Институт фундаментальной биологии и биотехнологии

Кафедра физико-химической биологии

Красноярск

2008
Рабочая программа дисциплины

составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по укрупненной группе 020000 «Естественные науки» по специальности 020208.65 «Биохимия»

Программу составил к. б.н., ст. преп. СФУ Гусейнов, О. А. ______________

(должность, фамилия, и. о., подпись)

Заведующий кафедрой д. б.н., проф. Кратасюк, В. А. ____________________

(фамилия, и. о., подпись)

«_____»_______________2008г.

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры физико-химической биологии

«______» _________________ 2008г. протокол № _____________

Заведующий кафедрой д. б.н., проф. Кратасюк, В. А.___________________________

(фамилия, и. о., подпись)

Рабочая программа обсуждена на заседании НМСИ Института фундаментальной биологии и биотехнологии

«______» __________________ 2008г. протокол № _____________

Председатель НМСИ ______________________

(фамилия и. о., подпись)

Дополнения и изменения в учебной программе на 20__/20__ учебный год.

В рабочую программу вносятся следующие изменения: _____________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры _______

«____» _____________ 20__г. протокол № ________

Заведующий кафедрой ______________________________________________

(фамилия, и. о., подпись)

Внесенные изменения утверждаю:

Директор института ___________________________________________

(фамилия, и. о., подпись)

1 Цели и задачи изучения дисциплины

Курс «Спектральные методы исследования в биохимии» призван ознакомить учащихся с современными спектральными методами исследований, используемых в биохимии.

1.1 Цель преподавания дисциплины

Целью курса является подготовка высококвалифицированных биохимиков, способных выполнять исследования, самостоятельно планировать ход работы, подбирать необходимые спектральные методы исследования для решения конкретных задач.

«Спектральные методы исследования в биохимии» - это комбинированный курс, включающий теоретическую и практическую часть.

В курсе изучаются основы спектральных методов исследований, применяемых в биохимии, основные методологические и методические приемы, необходимые для успешного применения этих методов. Особое внимание в курсе отводится современным абсорбционным методам исследований в видимой и УФ области, люминесцентной и флуоресцентной спектрометрии, характеристикам современного спектрометрического оборудования и приемам работы с ним.

Успешное освоение курса «Спектральные методы исследования в биохимии» подготовит студентов к качественному проведению научных исследований в области биохимии и молекулярной биологии.

1.2 Задачи изучения дисциплины:

В задачи курса входит: теоретическое изучение основ спектральных исследований, основные методологические и методические приемы, необходимые для успешного применения этих методов, а также приобретение практических навыков работы с биологическим материалом на современном спектрометрическом лабораторном оборудовании.

В результате изучения дисциплины «Спектральные методы исследования в биохимии» обучающиеся должны

знать:

-  теоретические основы спектральных методов исследований;

-  основные методологические приемы, необходимые для успешного применения этих методов в современных биохимических исследованиях;

-  принципы работы с биологическим материалом на современном спектрометрическом лабораторном оборудовании;

уметь:

-  применять приемы работы с биологическим материалом на спектрометрическом лабораторном оборудовании;

-  оценивать и обрабатывать полученные экспериментальные результаты;

-  выбирать наиболее оптимальные методы достижения поставленных целей;

владеть:

-  приемами и навыками работы на современном спектрометрическом лабораторном оборудовании;

-  способами и технологиями защиты от вредных факторов профессиональной среды;

-  понятийно-терминологическим аппаратом в области спектральных мето дов исследования в биохимии.

1.3 Межпредметная связь

Объектами изучения в дисциплине являются биологические системы. А именно: ткани многоклеточных организмов (животных и растений), клеточные органеллы и одиночные клетки, вирусы и микроорганизмы. Возможности спектрального анализа связаны, прежде всего, с тем обстоятельством, что многие молекулы, входящие в состав функциональных механизмов клетки, обладают весьма характерными спектрами поглощения, а зачастую — и люминесценции. В ряде случаев эти спектральные характеристики подвергаются значительным изменениям, отражая те изменения в структуре данной молекулы и ее окружения, которые служат физико-химической основой биологической функции.

«Спектральные методы исследования в биохимии» – дисциплина, располагающаяся на стыке естественных и точных наук. Для изучения данного курса необходимы знания химии, физики, биологии, а также инженерных наук. Данный курс тесно связан с курсами общей биологии и биохимии. Уровень специалиста по специальности 020208.65 «Биохимия» подразумевает способность использовать теоретические и практические знания для решения проблем биологии и медицины путём интеграции биологических представлений и специализированных знаний в области профессиональной деятельности.

2 Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 80 часов. Из них на теоретическое обучение отводится 32 часа (16 ч. – лекции), на лабораторные занятия 16 часов, на самостоятельную работу – 28 часов.

Вид учебной работы	Всего часов	Семестр 7
Общая трудоемкость дисциплины	60	60
Аудиторные занятия:	32	32
Лекции	16	16
практические занятия (ПЗ)
семинарские занятия (СЗ)
лабораторные работы (ЛР)	16	16
другие виды аудиторных занятий
промежуточный контроль
Самостоятельная работа:	28	28
изучение теоретического курса (ТО)	14	14
курсовой проект (работа):
расчетно-графические задания (РГЗ)	14	14
Реферат
Задачи
Задания
другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)	зачёт	зачёт

3 Содержание дисциплины

3.1 Разделы дисциплины и виды занятий в часах

(тематический план занятий)

№ п/п	Разделы дисциплины	Лекции (часы)	ЛЗ (часы)	Самостоятельная работа (часы)
1	Раздел 1. Спектральные исследования в биохимии. Возможности современного спектрального анализа.	2	2	3,5
2	Раздел 2. Принципы спектральных методов исследования.	2	2	3,5
3	Раздел 3. Основные закономерности поглощения света.	2	2	3,5
4	Раздел 4. Спектрофотометрия в видимой и ультрафиолетовой областях.	2	2	3,5
5	Раздел 5. Особенности проведения точной колориметрии.	2	2	3,5
6	Раздел 6. Количественное определение ферментов, кинетический анализ и разностная спектрофотометрия.	2	2	3,5
7	Раздел 7. Исследование флуоресценции биологических объектов.	2	2	3,5
8	Раздел 8. Инфракрасная спектрофотометрия.	2	2	3,5

3.2 Содержание разделов и тем лекционного курса

Раздел 1. Спектроскопические исследования в биохимии. Возможности современного спектрального анализа. (2 часа)

Лекция 1Спектроскопические исследования в биохимии и молекулярной биологии. Возможности спектрального анализа. Роль спектроскопических методов исследования в области молекулярной и физико-химической биологии. Принципы получения информации при исследовании взаимодействия излучения с молекулами, прямая и обратная задачи спектроскопии, роль квантово-механической теории. Различные области спектроскопии; электронно-колебательные, колебательные и вращательные спектры, спектры ЭПР и ЯМР, фотоэлектронная и резонансная спектроскопия.

Раздел 2. Принципы спектральных методов исследования. (2 часа)

Лекция 2. Основы спектроскопии. Соотношение электронных переходов с колебательными, адиабатическое приближение, принцип Франка-Кондона и вероятность электронно-колебательных переходов. Хромофоры биологически важных соединений с системой сопряженных связей. Электронные переходы при поглощении и излучении квантов. Соотношение поглощения и флуоресценции, квантовый выход флуоресценции. Правило Каша, Стокса, Вавилова, зеркальной симметрии спектров поглощения и флуоресценции. Время жизни возбужденных состояний. Естественное (радиационное) и действительное время жизни, их соотношение, измерение по затуханию флуоресценции, оценка по данным о спектре поглощения и квантовом выходе флуоресценции.

Раздел 3. Основные закономерности поглощения света. (2 часа)

Лекция 3. Поглощение излучения в тонком слое, закон Ламберта-Бера, эффективное сечение поглощения и молярный коэффициент поглощения, оптическая плотность. Проверка соблюдения закона. Использование его для качественного и количественного анализа вещества. Свойства оптической плотности при последовательном и параллельном прохождении лучей через объекты. Двухлучевой способ измерения оптической плотности D. Спектры поглощения, форма контура спектральных полос, гауссовские полосы, полуширина и площадь, расчет силы осциллятора. Спектры поглощения биологически важных соединений (белки, нуклеиновые кислоты, пигменты). Особенности применения закона Ламберта-Бера к биологическим объектам.

Раздел 4. Спектрофотометрия в видимой и ультрафиолетовой областях. (2 часа)

Лекция 4. Измерение спектров при низкой температуре. Влияние температуры на ширину полос. Повышение разрешения перекрывающихся полос при понижении температуры. Квазилинейчатые спектры. Техника измерения спектров при низкой температуре. Анализ смеси веществ. Определение концентрации в смеси двух и более веществ. Разложение спектра на составляющие (гауссовские) компоненты. Двухлучевой и двухволновой метод измерения. Принципы выбора оптимальных условий при измерении спектров поглощения. Оптимальная величина оптической плотности для измерения концентрации вещества. Раздел 5. Особенности проведения точной колориметрии. (2 часа) Лекция 5. Критерии соблюдения законов поглощения и оценка чувствительности фотометрической реакции. Величины, характеризующие поглощение. Построение калибровочного графика. Способы определения концентраций веществ. Спектрофотометрическое титрование. Использование колориметрии в хроматографии. Фотоэлектроколориметры и спектрофотометры. Применение колориметрии. Раздел 6. Количественное определение ферментов спектральными методами, кинетический анализ. (2 часа) Лекция 6. Общие принципы определения активности ферментов. Измерение активности ферментов по скорости изменения концентрации субстрата. Определение скорости изменения концентрации субстрата калориметрическим способом. Определение скорости изменения концентрации субстрата спектрофотометрическим способом. Определение скорости изменения концентрации субстрата люминисцентным способом.

Раздел 7. Исследование флуоресценции биологических объектов. (2 часа)

Лекция 7. Принцип измерения люминесценции. Определение концентрации вещества, условия измерений. Эффект экранирования, выбор оптимальных условий. Спектральные проявления эффектов. Измерение спектров. Спектр возбуждения, связь со спектром поглощения. Анализ спектров смеси веществ. Кинетика. Принципиальная схема измерения флуоресценции для определения концентрации веществ. Геометрия системы, выбор и проверка скрещенных светофильтров. Измерение спектров флуоресценции, качественный анализ вещества. Флуоресценция веществ в смеси. Эффекты экранирования и реабсорбции флуоресценции, оптимальные условия измерения. Анализ сложных спектров, производная спектроскопия, применение низких температур. Дифференциальные спектры флуоресценции. Метод зондов.

Раздел 8. Инфракрасная спектрофотометрия. (2 часа)

Лекция 8. Молекула как ротатор и осциллятор, уровни вращательной и колебательной энергии и характер спектров поглощения. Постоянный дипольный момент молекулы и общие правила отбора для вращательных и колебательных переходов. Кривая потенциальной энергии молекулы, колебательные волновые функции и уровни энергии, разрешенные вращательные и колебательные переходы. Информация о свойствах молекулы, получаемая при исследовании ИК-спектров, методы их измерения. Комбинационное рассеяние света, основные закономерности, значения для исследования биологически важных соединений, методы измерения спектров КР, соотношение с ИК-спектрами.

3.3 Лабораторные занятия

№ раздела дисциплины	Наименование лабораторных занятий, объем в часах
1	Колориметрический метод определения концентрации веществ в растворах. 2 часа
2	Количественное определение рибозы по методу Мейбаума. 2 часа
3	Количественное определение холестерола в сыворотке крови методом Илька. 2 часа
4	Изучение оптических свойств различных форм гемоглобина. 2 часа
5	Изучение влияния различных химических веществ на светопоглощение и светорассеяние раствора гемоглобина. 2 часа
6	Кинетика биолюминесцентной реакции, катализируемой бактериальной люциферазой. 2 часа
7	Спектрофотометрический метод определения концентрации белка. 2 часа
8	Спектрофотометрический метод определения концентрации и чистоты ДНК. 2 часа

3.4 Практические занятия

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование работ, объем в часах
		Практические занятия учебным планом не предусмотрены

3.5 Самостоятельная работа

В дисциплине «Спектральные методы исследования в биохимии» реализуются следующие виды самостоятельной работы студентов: самостоятельное изучение теоретического материала - 14 часа, обсчёт полученных результатов - 14 часов.

Самостоятельное изучение теоретического материала предполагает работу с учебной литературой, итогом работы является конспект, таблица. Все задание на индивидуальную самостоятельную работу выдаются и принимаются преподавателем по графику для выполнения самостоятельной работы.

На самостоятельное изучение выносятся в соответствии с тематикой лекций следующие вопросы:

1.  Количественный абсорбционный спектральный анализ жидких биологических сред в УФ области

2.  Электронные спектры поглощения органических молекул. Основные принципы лежащие в основе УФ спектрофотометрии

3.  Примеры использования прямой УФ спектофотометрии для анализа поликомпонентных жидких биологических сред

4.  Спектрофотометры для клинико-биохимических исследований

5.  Методы контроля состава жидких биологических сред в процессе детоксикационных мероприятий

6.  Исследование состава диализата хроматографическими и масс-спектрометрическими методами

7.  Применение спектрального анализа для контроля состава диализата

8.  Разработка ИК-метода спектрофотометрического анализа жидких биологических сред

9.  Основные требования, предъявляемые к математической модели поглощения жидких биологических сред в УФ области спектра

10.  Спектральный анализ однокомпонентных сред в ультрафиолетовой области

11.  Методика расчета концентрации компонентов раствора по спектру

12.  Спектральный анализ многокомпонентных сред в УФ области

13.  Методологические основы измерения концентрации люминесцентным методом

14.  Особенности метода дифференциальной спетрофотометрии

15.  Определение активности ферментов по скорости изменения поглощения раствора

16.  Спектральные методы измерения концентрации белка

17.  Спектрофотометрическое измерение концентрации ДНК

18.  Измерение концентраций цитохромов спектрофотометрическим методом.

4 Учебно-методические материалы по дисциплине

4.1 Основная и дополнительная литература, информационные ресурсы

Основной список литературы

1.  Ельяшевич и молекулярная спектроскопия. Ч.2. . Атомная спектроскопия. М.: Либроком, 2экз.).

2.  Ельяшевич и молекулярная спектроскопия. Ч.3. Молекулярная спектроскопия. М.: Либроком, 2экз.).

3.  , Лямкина атомов и молекул / , , ; Краснояр. гос. техн. ун-т. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2экз.).

4.  , Курамшина молекулярной спектроскопии. М.: Мир: Бином: Лаб. знаний, 2экз.).

5.  , , Есимбекова -химические основы биолюминесцентного анализа: Учеб. пособие / Краснояр. гос. ун-т. - Красноярск, 2экз.).

Список дополнительной литературы

1.  , , Нижних к практическим занятиям по биологической химии / Петрозаводск Издательство Петр. ГУ 2007

2.  Николаев, химия : учеб. / . – 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: Медицинское информационное агентство, 2004.

3.  , Потапенко -химические основы фотобиологических процессов: учебник. М. Дрофа. 2006.

4.  Методы практической биохимии. М.: Мир, 1978.

4.2 Перечень наглядных и других пособий, методических указаний и материалов к техническим средствам обучения

Электронные презентации, содержащие таблицы, схемы, графики, фотографии по каждой теме лекции.

Новые образовательные технологии позволяют улучшить восприятие и усвоение информации в процессе обучения. Аудитории снабжены интерактивными досками, мультимедийными проекторами. Лекции сопровождаются электронными презентациями. Для самостоятельной работы учащиеся используют электронные ресурсы библиотеки СФУ. В процессе обучения предусмотрено активное использование интерактивных форм ведения занятий: активный диалог, совместное обсуждение.

4.3 Контрольно-измерительные материалы

При оценке успеваемости учащихся по дисциплине «Спектральные методы исследования в биохимии» особое внимание уделяется текущему контролю усвоения. Текущая аттестация включает аттестацию на лабораторных занятиях. Итоговая аттестация – зачет.

Контрольные вопросы

1. Общие принципы спектроскопических методов исследования в биохимии.

2. Возможности современного спектрального анализа.

3. Получение данных о биологических объектах методом инфракрасной спектроскопии.

4. Электронная спектроскопия в биологии и медицине.

5. Принципы абсорбционной спектроскопии.

6. Особые методы абсорбционной спектроскопии и сферы их применения.

7. Принцип измерения люминесценции.

8. Принципиальная схема измерения флуоресценции для определения концентрации веществ.

9. Принципиальная схема измерения фосфоресценции.

10. Определение концентраций цитохромов в клеточных экстрактах.

11. Применение спектрального анализа для контроля состава диализата.

12. Спектральный анализ однокомпонентных сред в ультрафиолетовой области.

13. Спектрофотометры для клинико-биохимических исследований.

14. Законы поглощения электромагнитного излучения. Молярный коэффициент поглощения. Оптическая плотность.

15. Различные виды люминесценции. Основные закономерности молекулярной фотолюминесценции.

16. Практическое применение метода люминесценции в биохимии.

17. Флюорометрические методы анализа.

18. Принцип определения активности ферментов спектрофотометрическим методом.

19. Определение скорости изменения концентрации субстрата люминесцентным способом.

ГРАФИК

учебного процесса и самостоятельной работы студентов по дисциплине «Спектральные методы исследования в биохимии», специальности 020208.65 Биохимия Института фундаментальной биологии и биотехнологии, 4 курса, на 7 семестр.

№ п/п

Наименование дисциплины

Семестр

Число часов аудиторных занятий

Форма контроля

Часов на самостоятельную работу

Недели учебного процесса семестра

Всего

По видам

Всего

По видам

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

1

Методы биохимических исследований

7

32

Лекции – 16

зачет

28

ТО – 14

ТО

ТО

ТО

ТО

ТО

ТО

ТО

ТО

Лабораторные занятия – 16

РЗ – 14

ЛЗ

ЛЗ

ЛЗ

ЛЗ

ЛЗ

ЛЗ

ЛЗ

ЛЗ

Условные обозначения: ТО – изучение теоретического курса; РЗ – обсчет результатов; ЛЗ – лабораторное занятие.

Заведующий кафедрой:

Директор института:

«_______» _______________________ 2008г