Динамика биомолекул: лазерная спектроскопия и математическое моделирование

Программа
ДИНАМИКА БИОМОЛЕКУЛ: ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.
(10 семестр, 32 часа)

1. Введение. Основные свойства и особенности структуры биологических молекул. Основные экспериментальные методы исследования макромолекул (рентгеноструктурный анализ, туннельная микроскопия, лазерная спектроскопия, ЯМР).
2. Основные функциональные классы биомолекул и их роль в жизнедеятельности организма. Биополемеры: углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и белки и их структурные единицы
3. Проблема "структура-функция" в исследовании сложных биомолекул. Иерархия структуры биомолекул. Характерные значения основных физических параметров. Классический и квантовомеханический подход к исследованию биомолекул.
4. Роль динамических процессов в работе "молекулярных машин". Иерархия времен и динамических процессов. Скорости биохимических реакций. Конформационные переходы. Возможные формы движений. Динамика переноса заряда.
5. Солитоны в молекулярных системах. Солитоны и движение протонов в молекулярных структурах с водородными связями. Протонные насосы. Гипотеза Давыдова о солитонах в белковых альфа-спиралях и проблема мышечного сокращения.
6. Экспериментальные методы исследования динамики биомолекул. Изучение быстрых и сверхбыстрых процессов методами лазерной физики. Техника остановленного потока. Спектроскопия ЭПР, СВЧ-спектроскопия. Измерение динамических характеристик (Е,(,(). Оптические методы. Метод оптического стробирования ("накачка-зондирование"). Колебательная спектроскопия, флуоресцентная спектроскопия, абсорбционная спектроскопия.
7. Спектроскопия спонтанного КР и ИК-поглощения. Особенности КР и ИК спектроскопии биомолекул. Современные КР и ИК спектрометры. КР-микроскопия. Колебательные спектры биомолекул. Характерные колебания. Методы анализа спектров. Информация о структуре и динамике биомолекул.
8. Нелинейная колебательная спектроскопия. Применение методов нелинейной колебательной спектроскопии в исследовании биомолекул. Принципиально новые возможности, связанные с применением нелинейно-оптических методов. Современные экспериментальные установки. Новые результаты в колебательной спектроскопии биомолекул.
9. Флуоресцентная и абсорбционная спектроскопия. Основные экспериментальные методы: счет фотонов с временным разрешением, фазовый метод, метод нелинейно-оптического преобразования. Понятие спектрохронографии. Методы анализа спектрально-кинетических данных. Современные экспериментальные установки. И следование внутримолекулярной динамики белков. Флуоресцентная микроскопия. Получение изображений в реальном времени (lifetime imaging).
10. Спекроскопия хиральных молекул. Оптическое вращение и круговой дихроизм. Новые нелинейно-оптические методы исследования хиральных молекул.
11. Теоретические методы исследования динамики. Молекулярная динамика. Кластерная динамика. Классический подход к моделированию динамики многоатомных молекул. Основные потенциалы взаимодействия (валентные связи, водородные связи, Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия, гидрофобные взаимодействия). Метод молекулярной динамики, его возможности и ограничения. Понятие кластеров и кластерной динамики. Влияние внешних сил на динамику макромолекул. Динамика молекул при фотовозбуждении.
12. Колебательная и релаксационная динамика белковых молекул. Проблема выделенных степеней свободы. Колебательные движения, нелинейное взаимодействие мод, эффективное затухание (добротность) избранных степеней свободы. Релаксационная динамика.
13. Светоиндуцированные процессы в биомолекулах. Основные биохромофоры. Важнейшие фотобиологические системы и процессы: фотосинтез, зрение, фотодиссоциация. Методы лазерной физики в исследовании фотоиндуцированных процессов. Теоретические исследования светоиндуцированных процессов.
14. Белки-ферменты как "молекулярные машины". Проблема выделенных степеней свободы. Ферментативные реакции. Кинетические модели. Скорость и эффективность реакций. Концепция "белок-машина". Принципы действия "белков-машин"типа молекулярных ножниц (на примере химотрипсина, ацетилхолинэстеразы) - ферментов, рвущих химические связи. Математические модели таких молекулярных машин.

& Литература.
1. С.А. Ахманов, Н.И. Коротеев. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. М.: Наука, 1981.
2. И.В.Березин, К.Мартинек Основы физической химии ферментативного катализа. М.:Высшая школаб 1977.
3. М.В. Волькенштейн. Биофизика. М.: Наука, 1980.
4. М.В. Волькенштейн. Молекулярная биофизика. М.: Наука, 1975.
5. А.С. Давыдов. Солитоны в биоэнергетике. Киев: Наукова Думка, 1986.
6. В.Г. Дашевский. Конформационный анализ макромолекул. М.: Наука,1987.
7. Н.И. Коротеев. Новые схемы нелинейно оптической спектроскопии растворов хиральных биологических молекул. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1993, т. 106, с. 1260.
8. П. Кэри. Применение спектроскопии КР и РКР в химии и биохимии. М.: Мир, 1985.
9. Дж. Лакович. Основы флуоресцентной спектроскопии. М.: Мир, 1986.
10. Нетребко А.В., Нетребко Н.В., Романовский Ю.М., Хургин Ю.И. ,Эбелинг B. Стохастическая кластерная динамика фермент-субстратного комплекса. Изв. Вузов сер. "Прикладная нелинейная динамика" ,т.4, N3,1996, сс 53-66.
11. Нетребко А.В.,Нетребко Н.В.,Романовский Ю.М.,Хургин Ю.И., Шидловская Е.Г. Сложные модуляционные режимы и стохастизация колебаний в кластерных динамических моделях макромолекул.- Изв. вузов сер. Прикладная нелинейная динамика, том 2, N 3-4,1994, сс 26-43.
12. А.Б. Рубин. Биофизика, т.1. М.: Высшая школа, 1987.
13. Э.Фершт Структура и механизм действия ферментов.М.:Мир, 1980.
14. A.Yu. Chikishev, Yu.I. Khurgin, Yu.M. Romanovsky, E.G.Shidlovskaya. Cluster model of protein molecule. SPIE, 1990, v.1403, p. 512.
15. A.Yu. Chikishev, G.W. Lucassen, N.I. Koroteev, C. Otto, J. Greve. Polarization sensitive coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy of the amide I band of proteins in solution. Biophysical Journal, 1992, v. 63, p. 976.
16. W. Ebeling, Yu.M. Romanovsky. Energy transfer and chaotic oscillations in enzyme catalysis. Z.Phys.Chem., 1985, v.266, p.816.
17. N.I. Koroteev. BioCARS - a novel nonlinear optical technique to study vibrational spectra of сhiral biological molecules in solution. Biospectroscopy, 1995, v. 1, no. 5, p. 341.
18. Yu.M. Romanovsky, A.Yu. Chikishev, Yu.I. Khurgin. Subglobular motion and proton transfer model in the alpha-chymotrypsin molecule. Journal of Molecular Catalysis, 1988, v. 47, p. 235.

Программу составили:
професор Ю.М. Романовский
доцент А.Ю. Чикишев