Wstęp do biofizyki dla fizyków 1100-WBF
Tematyka kursu - wykłady
Blok I – Czym jest biofizyka (2h)
Definicja i zakres biofizyki
Geneza biofizyki
Interdyscyplinarny charakter biofizyki
Blok II – Podstawy chemiczne bimolekuł (5h)
1. Podstawy chemiczne materii biologicznej
Wartościowość pierwiastków biogennych
Hybrydyzacja orbitali i geometria cząsteczek
Rodzaje wiązań chemicznych (kowalencyjne i niekowalencyjne)
2. Chemia organiczna jako fundament biomolekuł
Rola węgla w chemii związków biologicznych
Podstawowe grupy funkcyjne i ich właściwości
Stabilność i różnorodność związków organicznych
3. Biomolekuły – przegląd strukturalny (bez biochemii funkcjonalnej)
Białka – aminokwasy i poziomy struktury białek
Kwasy nukleinowe – budowa chemiczna DNA i RNA
Lipidy – amfifilowość i samoorganizacja
Sacharydy – budowa chemiczna i rola strukturalna
4. Woda i jony w systemach biologicznych
Właściwości fizykochemiczne wody
Hydratacja, oddziaływania jon–cząsteczka
Rola jonów metali w stabilizacji struktur biologicznych
5. Stabilizacja struktur biomolekularnych
Oddziaływania stabilizujące struktury biomolekularne
Wprowadzenie do krajobrazu energetycznego biomolekuł
Hierarchia struktur biomolekularnych
Blok III – Podstawy teoretyczne i obliczeniowe biofizyki molekularnej (6h)
1. Energia i oddziaływania w układach biomolekularnych
Energia potencjalna jako funkcja konfiguracji
Energia swobodna i entropia (ujęcie jakościowe)
Oddziaływania elektrostatyczne w biomolekułach
Ekranowanie elektrostatyczne i rola środowiska wodnego
2. Mechanika molekularna i dynamika
Mechanika molekularna jako przybliżony opis układów biomolekularnych
Pola sił: zakres stosowalności i ograniczenia
Dynamika molekularna jako opis ruchu atomów
Skale czasowe symulacji molekularnych
3. Opis stochastyczny i środowisko
Ruch Browna i dyfuzja
Dynamika stochastyczna – ujęcie koncepcyjne
Metody Monte Carlo – zastosowania w biofizyce molekularnej
Elektrostatyka i hydrodynamika molekularna (ujęcie intuicyjne)
Blok IV – Oddziaływania białko–ligand i podstawy projektowania leków (4h)
1. Oddziaływania białko–ligand
Miejsca wiązania ligandów
Mechanizmy oddziaływań białko–ligand
2. Właściwości oddziaływań
Powinowactwo wiązania
Selektywność oddziaływań
3. Podstawy projektowania leków
Wprowadzenie do structure-based drug design
Blok V – Doświadczalne metody biofizyki molekularnej (3h)
1. Metody strukturalne
Rentgenografia strukturalna
Spektroskopia NMR
Mikroskopia krioelektronowa (cryo-EM)
2. Metody spektroskopowe i kalorymetryczne
Metody spektroskopowe w badaniu struktury i dynamiki biomolekuł
Metody kalorymetryczne w analizie oddziaływań i stabilności
3. Zastosowania i ograniczenia metod biofizycznych
Dobór metody do problemu badawczego
Ograniczenia rozdzielczości, czułości i interpretacji danych
Blok VI – Metody obliczeniowe i uczenie maszynowe w biofizyce (10h)
1. Wstęp do uczenia maszynowego w biofizyce
Zadania uczenia maszynowego
Biofizyczne zbiory danych
Algorytmy uczenia maszynowego
Przetwarzanie danych towarzyszące uczeniu maszynowemu
2. Sieci neuronowe
Podstawy sieci neuronowych
Najważniejsze współczesne architektury sieci neuronowych
Grafowe sieci neuronowe
Ekstrakcja cech cząsteczek z użyciem sieci neuronowych
3. Zwijanie białek
Zwijanie białek jako zagadnienie obliczeniowe
Historyczne podejścia
Alpha Fold jako narzędzie do zwijania białek
Elementy Alpha Fold
Przewidywanie struktur multimerów
Przewidywanie struktur białko-ligand
Białkowe modele językowe
4. Struktura RNA
charakterystyka zwijania cząsteczek RNA
metody przewidywania struktur RNA
Tematyka ćwiczeń:
1. Zobaczyć białka (laboratorium biofizyczne) - zaliczenie na obecność i aktywność
2. Krystalografia w praktyce (laboratorium biofizyczne) - zaliczenie na obecność i aktywność
3. Sfery hydratacyjne wokół białka - metody obliczeniowe - raport na ocenę
4. Dokowanie ligandów - metody obliczeniowe - raport na ocenę
5. Przewidywanie właściwości cząsteczek przy użyciu uczenia maszynowego - dane tabelaryczne - zaliczenie na obecność i aktywność
6. Wstęp do sieci neuronowych - zaliczenie na obecność i aktywność
7. Przewidywanie struktury bialłek z AlphaFold - zaliczenie na obecność i aktywność
9. Przewidywanie struktury bialłek z ESMfold - zaliczenie na obecność i aktywność
10. przewidywanie struktur RNA - zaliczenie na obecność i aktywność
Tryb prowadzenia
Koordynatorzy przedmiotu
Efekty kształcenia
Wiedza (W)
Student po ukończeniu kursu:
W1. zna zakres i miejsce biofizyki wśród nauk przyrodniczych oraz rozumie jej interdyscyplinarny charakter
W2. rozumie chemiczne i fizyczne podstawy budowy oraz stabilności biomolekuł
W3. zna podstawowe pojęcia energetyki i dynamiki procesów molekularnych w układach biologicznych
W4. rozumie hierarchię struktur biomolekularnych oraz zależność struktura–funkcja
W5. zna fizyczne podstawy oddziaływań białko–ligand i ideę projektowania leków
W6. zna główne doświadczalne i obliczeniowe metody badania struktury i dynamiki biomolekuł
W7. ma podstawową wiedzę na temat zastosowań symulacji molekularnych i uczenia maszynowego w biofizyce
Umiejętności (U)
Student po ukończeniu kursu potrafi:
U1. interpretować procesy biologiczne w kategoriach energii, dynamiki i oddziaływań fizycznych
U2. stosować uproszczone modele fizyczne do opisu układów biomolekularnych
U3. rozróżniać poziomy opisu biomolekuł i dobierać adekwatne metody badawcze do skali problemu
U4. krytycznie analizować ograniczenia modeli, przybliżeń i danych biofizycznych
U5. rozumieć wyniki badań strukturalnych, symulacyjnych i obliczeniowych prezentowanych w literaturze
U6. identyfikować obszary zastosowań metod obliczeniowych i uczenia maszynowego w biofizyce
Kompetencje społeczne (K)
Student po ukończeniu kursu:
K1. rozumie znaczenie podejścia interdyscyplinarnego w badaniach nad złożonymi układami biologicznymi
K2. jest świadomy ograniczeń własnej wiedzy i potrzeby współpracy z przedstawicielami innych dyscyplin
K3. wykazuje gotowość do poszerzania kompetencji w obszarze zastosowań fizyki w naukach o życiu
Kryteria oceniania
Kryteria oceniania
Warunek dopuszczenia do egzaminu
Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie wszystkich ćwiczeń przewidzianych w programie przedmiotu.
1. Egzamin (70%)
Egzamin składa się z dwóch części:
a) Test wielokrotnego wyboru
Test jest podstawową częścią egzaminu i jego zaliczenie jest warunkiem zaliczenia przedmiotu.
Próg zaliczenia testu wynosi powyżej 50%.
Test wielokrotnego wyboru umożliwia uzyskanie maksymalnie oceny dobry (4,0).
Uzyskanie co najmniej 80% punktów z testu uprawnia do przystąpienia do pytań otwartych.
b) Pytania otwarte
Egzamin obejmuje trzy pytania otwarte, oceniane jakościowo.
Do pytań otwartych dopuszczani są wyłącznie studenci, którzy uzyskali co najmniej 80% z testu.
Pytania otwarte sprawdzają pogłębione rozumienie materiału, umiejętność analizy oraz syntezy wiedzy.
Ocena bardzo dobra (5,0) z egzaminu może być przyznana wyłącznie na podstawie jakości odpowiedzi na pytania otwarte.
c) Bonus za raporty (dla studentów z wynikiem ≥ 80% z testu)
Studenci, którzy uzyskali co najmniej 80% punktów z testu oraz zaliczyli pytania otwarte, mogą uzyskać podwyższenie oceny egzaminacyjnej o 0,5 stopnia w przypadku bardzo dobrych ocen z raportów.
Bonus ten nie może samodzielnie prowadzić do uzyskania oceny bardzo dobrej (5,0).
Maksymalna ocena egzaminacyjna wynika z jakości odpowiedzi na pytania otwarte.
2. Raporty (30%)
W trakcie kursu studenci przygotowują dwa raporty.
Każdy raport oceniany jest w skali ocen.
Raporty sprawdzają umiejętność analizy danych, interpretacji wyników oraz zastosowania wiedzy teoretycznej w praktyce.
Raporty ocenione na dostateczny (3,0) nie podnoszą oceny końcowej z przedmiotu powyżej oceny uzyskanej z egzaminu.
3. Ocena końcowa z przedmiotu
Ocena końcowa z przedmiotu jest średnią ważoną oceny z egzaminu (70%) oraz ocen z dwóch raportów (30%).
Dopuszcza się stosowanie ocen połówkowych (np. 3,5; 4,5).
Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest zaliczenie egzaminu.
Ocena końcowa z przedmiotu nie może być wyższa niż ostateczna ocena z egzaminu, z uwzględnieniem ewentualnego bonusu za bardzo dobre raporty, przy czym najwyższą możliwą oceną jest 5!.
4. Skala ocen końcowych
3,00–3,24 → 3,0
3,25–3,74 → 3,5
3,75–4,24 → 4,0
4,25–4,74 → 4,5
4,75–5,00 → 5,0
Literatura
Literatura do poszczególnych tematów będzie każdorazowo wskazywana podczas wykładów.
Prezentacje wykładowe (slajdy) będą udostępniane studentom po zajęciach w formie elektronicznej.
Więcej informacji
Dodatkowe informacje (np. o kalendarzu rejestracji, prowadzących zajęcia, lokalizacji i terminach zajęć) mogą być dostępne w serwisie USOSweb: