Fizikinė biochemija

Dalyko anotacija lietuvių kalba

Jėgos tarp dalelių ir paviršių. Skysčius primenančios struktūros ir savaime susidarančios sistemos. Molekulės struktūros diagnostika. Biologinių sistemų termodinamika. Šviesos ir biologinių molekulių sąveikos dėsningumai. Šviesos sugertis, sklaida. Fluorescencija. Fosforescencija. Ląstelių fotosensibilizacija, pirminiai fotocheminiai vyksmai. Nenuostovioji sugerties spektroskopija. Fluorescencijos metodai su laikine skiriamąja geba. Biomembranos. Membranų kanalai ir siurbliai: aktyvi ir pasyvi pernaša. Genų pernaša per ląstelės membraną. Energijos perdavimas ir transformacija biologinėse sistemose. Transmembraninio transporto mechanizmai. Elektronų pernaša biochemijoje, oksidacinis fosforilinimas. Molekuliniai motorai. ATP-ADP ciklas. Kvėpavimo grandinė, protonų gradientas ir ATP sintezė.

Dalyko anotacija užsienio kalba

This Physical biochemistry course introduces the basic principles of interaction between the biological molecules as well as thermodynamics of self organizing structures. The course emphasizes on absorption and fluorescence spectroscopy, which advances in sensitivity, time resolution, instrumentation and the widespread biochemical applications. Energy transformations in biochemistry are also discussed. ATP hydrolysis and equilibria of conjugated reactions, phosphate transfer, metabolism pathways and their regulations. Biological membranes and transport. Gene transfection. Membrane channels and pumps. Concentration gradients and transport, ion channels. Electron transfer in biochemistry, oxidative and phosphorylation.

Būtinas pasirengimas dalyko studijoms

Reikalingos pagrindinės bendrosios chemijos, neorganinės chemijos, fizikos, matematikos, organinės chemijos ir bendrosios biochemijos žinios.

Dalyko studijų rezultatai

Gebės suprasti esminius biologinių sistemų organizacijos principus, įgis žinių apie sąveikas tarp molekulių.
Įsisavins informaciją apie molekulės struktūros diagnostikai naudojamus metodus. Mokės nustatyti biomolekulės simetriją.
Suvoks bendruosius šviesos ir biologinių molekulių sąveikos dėsningumus; mokės pritaikyti kvantinės mechanikos teoriją molekulių orbitalių energijos ir šuolių tarp jų vyksmo paaiškinimui. Gebės susieti sužadintos molekulės energijos virsmus su elektronų orbitalių struktūra ir chemine molekulių sandara.
Mokės apibūdinti itin sparčius sužadintų molekulių būsenų energijos virsmus. Mokės apibendrinti daugiakomponenčio mišinio atskirų dedamųjų sužadinimo relaksacijos būdus bei rezultatus:. Išmoks atlikti užpildos kitimo laike rezultatų aproksimaciją eksponentėmis bei rasti jų laiko konstantas.
Gebės apibūdinti fluorescencijos fundamentinius dėsningumus ir ją veikiančių faktorių visumą.
Įgis žinių apie fluorescencijos reiškinio pritaikymą biochemijoje.
Gebės atskirti biochemiškai aktyvių molekulių fluorescencijos savitumą Suvoks, kaip vyksta elektroninio sužadinimo pernaša, mokės paaiškinti šį reiškinį ir susieti su spektrinėmis savybėmis.
Gebės apibūdinti biologinį objektą bei jo morfologinių-struktūrinių savybių ir fluorescenciją sąlygojančių sužadintų būsenų relaksacijos parametrų sąsajas.
Įsisavins genų pernašos metodo teorinį modelį; susipažins su metodo praktinio taikymo pavyzdžiais.
Gebės taikyti termodinamikos principus biologinėse sistemose vykstantiems procesams paaiškinti; Gebės apibūdinti cheminę energiją, protonų gradientą, chemiosmozės svarbą ATP sintezei. Gebės apibūdinti ATP sintezės procesą mitochondrijose. Gebės paaiškinti okidacijos ir redukcijos svarbą ląstelės metabolizmui. Gebės įvertinti ATP sintezės pokyčius ląstelei nepalankiomis sąlygomis.
Susipažins su konkrečiais sensibilizuotos fluorescencijos taikymo diagnostikoje pavyzdžiais. Mokės paaiškinti šviesos sukeliamus cheminius vyksmus, kurie baigiasi pirmųjų stabilių cheminių elementų suardymu arba pirminiu fiziologiniu gyvo objekto atsaku į šviesos poveikį.
Mokės susieti sklaidos parametrus su biologinio objekto dydžiu, mase, forma, struktūra ir sąveika tarp molekulių.
Mokės plėtoti ir spręsti realias problemas taikant nuostoviosios sugerties ir savitosios bei sensibilizuotos fluorescencijos metodą.

Dalyko turinys

1. Jėgos tarp dalelių ir paviršių. Bendrumai tarp tarpmolekulinių ir tarpdalelinių jėgų. Tarpmolekulinių, tarpdalelinių ir tarppaviršinių jėgų skirtumai. Tarppaviršinės van der Valso jėgos. Elektrostatinės jėgos tarp skystyje esančių paviršių. Solvatacijos, struktūrinės ir hidratacinės jėgos. Erdvinės ir fliuktuacinės jėgos.
2. Adhezija. Skysčius primenančios struktūros ir savaime susidarančios sistemos: micelės, dvisluoksniai ir biologinės membranos. Savaime susidarančių sistemų termodinamika. Amfifilinių molekulių agregacija: micelių, bisluoksnių, pūslelių ir biomembranų susidarymas. Sąveikos tarp lipidinių bisluoksnių ir biologinių membranų.
3. Rentgeno spindulių difrakcija. Biomolekulių 3D struktūros nustatymas. Simetrija kristaluose ir biomolekulėse. Brave gardelė. Pattersono funkcija. Biomolekulių kristalizacijos metodai. Baltymų kristalai. Rentgeno spindulių difrakcija biopolimeruose (DNR, baltymų alfa spiralės, prionų, hemoglobino struktūrose).
4. Pirminiai fotofizikiniai procesai biomolekulėse. Orbitalių ir šuolių tipai molekulėse. Elektroniniai ir virpesiniai energijos lygmenys. Šuolių dipoliniai momentai. Biomolekulių sugerties dėsningumai. Sužadintų būsenų gyvavimo trukmė. Empiriniai ryšiai tarp molekulės struktūros ir sugerties spektrų. Baltymų, nukleino rūgščių elektroniniai sugerties spektrai. Baltymo antrinės struktūros nustatymas iš virpesinių sugerties spektrų.
5. Nenuostovioji sugerties spektroskopija. Sužadintų būsenų relaksacijos parametrai ir jų registracijos metodikos. Daugiakomponenčio mišinio analizė. Sužadinimo energijos relaksacijos tyrimai fotosintezės mechanizmui atskleisti.
6. Biomolekulių liuminescencija. Fluorescencija, pagrindiniai biomolekulių fluorescencijos dėsningumai. Fluorescencijos poliarizacija. Tripletinė būsena. Fluorescencijos metodai su laikine skiriamąja geba: impulsiniai, fazės moduliavimo.
7. Aromatinių aminorūgščių fluorescencija ir fosforescencija. Tirozino ir triptofano žadinimo spektrų poliarizacija. Tirpiklio įtaka fluorescencijos spektrams. Fiorsterio rezonansinė energijos pernaša baltymuose.
8. Biomembranos. Baltymų asociacija su lipidais ir difuzija membranose. Biomembranų fluorescencijos tyrimai. Fluorescenciniai metodai membranos fosfolipidų judėjimo, orientacijos, pasiskirstymo membranos plokštumoje, fosfolipidų asimetrijos, atstumo nuo membranos paviršiaus, membranos dialektrinių savybių ir membranos paviršiaus krūvio nustatymui.
9. Membranų egzogeninių fluoroforų tyrimai. Eksimerus formuojantys membranos egzogeniniai fluoroforai. Egzogeninių fluoroforų gyvavimo trukmė. Fluorescencijos anizotropija. Energijos pernaša. Statinis ir dinaminis fluorescencijos gesinimas biomembranose.
10. Fluorescuojančių baltymų vektoriai ir genų perkėlimas. Žaliai fluorescuojančio baltymo fluoroforas. Fizikiniai fluorescuojančius baltymus koduojančių genų pernašos per ląstelės membraną metodai: elektroporacija, sonoporacija.
11. Elektronų pernaša biochemijoje, oksidacinis fosforilinimas, redokso potencialai ir laisvosios energijos pokyčiai.
12. Energijos transformacijos biochemijoje: ATP-ADP ciklas, ATP hidrolizė ir konjuguotų reakcijų pusiausvyra, fosfato pernaša, metabolizmo keliai ir jų reguliavimas. Kvėpavimo grandinė, protonų gradientas ir ATP sintezė.
13. Hemo biosintezės ciklas/ALA dariniai. Endogeninių porfirinų biosintezė. Endogeninių porfirinų fluorescencija. Fluorescencinė navikinių audinių diagnostika. Protoporfirino IX fotoblukimo ir antrinių fotoproduktų kinetikos.
14. Pirminiai fotocheminiai procesai. Fotocheminio veikimo spektras. Fotocheminės reakcijos. I ir II tipo fotosensibilizuotos reakcijos. Singuletinio deguonies generavimas ir jo savybės. Pagrindiniai fotosensibilizuotos navikų terapijos principai.
15. Biologinių molekulių šviesos sklaidos dėsningumai. Elastinė ir neelastinė sklaida. Relėjaus sklaida. Mi sklaida. Sklaidos dinamika. Rentgeno spindulių ir neutronų sklaida biomolekulėse (baltymuose, DNR). Mažų sklaidos kampų metodas biologinių molekulių masės, formos, struktūros nustatymui. Virtualūs energijos lygmenys. Rezonansinės Ramano sklaidos metodas deguonies ir baltymo sąveikos nustatymui.
Laboratoriniai darbai
1. Biologinių molekulių šviesos sklaidos tyrimas.
2. Hemo biosintezės ciklo tyrimas panaudojant egzogeninę 5-aminolevulino rūgštį;
3. DNR transfekcijos efektyvumo tyrimai in vitro naudojant elektroporaciją arba sonoporaciją;
4. Chlorininės prigimties pigmentų fotostabilumo tyrimas;
5. Porfirininės prigimties pigmentų fluorescencijos tyrimas;
6. ezo-tetra(4sulfonatofenil) porfino agregacijos tyrimas;
7. Porfirinų sąveikos su baltymu tyrimai panaudojant skirtuminės sugerties spektroskopijos metodą.
8. Baltymo sąveikos su porfirinu pobūdžio, sąveikos konstantos bei baltymo surišimo centrų skaičiaus nustatymas.
9. Elektronų pernašos tyrimai „gyvoje baterijoje“.
10. Biologinių audinių hiperspektrinis ir multispektrinis vaizdinimas.

Dalyko studijos valandomis

Paskaitos (P) 45 val.
Laboratoriniai darbai (L) 30 val.
Savarankiškas darbas 78 val.
Žinių patikrinimas (kokokviumas, egzaminas) 7 val.

Studijų rezultatų vertinimas

Kolokviumas – 17 % galutinio pažymio, laboratoriniai darbai – 33 % galutinio pažymio, egzaminas – 50% galutinio pažymio.

Literatūra

1. 2008 R. Daugelavičius. Molekulinė ląstelės energetika. Kaunas: Technologija
2. 2008 Voet J.G., Voet C.W. C. W Pratt. Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level. 3rd edition. Wiley.
3. 2006 K.E. van Holde, C. Johnson, P.S. Ho. Principles of Physical Biochemistry. Pearson Education, Inc.
4. 2006 Atkins P., De Paula J. Physical chemistry. 8th edition. W. H. Freeman and Company.
5. 2002 J.R. Lakowitz. Topics in Fluorescence Spectroscopy. Biochemical Applications v3. Kluwer Academic Publishers
6. 2002 R.Rotomskis, G.Streckytė, L. Griciūtė Fotosensibilizuota navikų terapija: pirminiai vyksmai. „Lietuvos mokslo“ redakcija
Papildoma literatūra
1. 2001 Price NC et al., Principles and problems in Physical chemistry for Biochemists. Oxford University Press
2. 1989 Ю.А Владимиров, А.Я Потапенко. Физико-химические основы фотобиологических процессов. Москва: Высшая школа