Molekularna biofizika

Vpis v letnik študija.
Pisni izpit (vmesni in zaključni) in opravljen seminar.

Rentgensko in svetlobno sipanje: Opis in predstavitev osnovnih
eksperimentov s sipanjem EM valovanja. Sipalna intenziteta pri rentgenskem in svetlobnem sipanju. Von Lauejeva in Braggova enačba. Cochran-Crick-Vand teorija sipanja na vijačnih molekulah in eksperiment Franklinove in Goslinga. Rentgensko sipanje na molekuli DNK in na molekuli kolagena. Peterlinova teorija svetlobnega sipanja na raztopini DNK in persistenčna dolžina DNK.
Struktura DNK: Opis osnovnih strukturnih lastnosti DNK. Dvojna vijačnica: hidrofobne dušikove baze in nabita fosfatna hrbtenica DNK. Strukturni principi nastanka dvojne vijačnice in model Watsona in Cricka. Deformacija DNK in elastična energija DNK. Zlom kontinuumske slike elastičnosti DNK.
Struktura kolagena: Opis osnovnih strukturnih lastnosti kolagena. Trojna vijačnica. Gelacija kolagena v vodni raztopini. Strukturni principi globularnih proteinov in rentgensko sipanje na proteinih.
Statistična mehanika elastičnih verig: Elastična energija in statistična vsota. Izračun statistične vsote in kvantno-mehanska analogija. Kratky-Porod model črvaste verige (wormlike chain model). Entropijska in entalpijska elastičnost. Sipalna funkcija črvaste verige in Peterlinov približek. Makroskopska elastičnost dolgih črvastih verig. Siggia-Marko interpolacijska formula za elastično enačbo stanja. Eksperimenti s spektroskopijo na atomsko silo in persistenčna dolžina DNK.
Makromolekularne interakcije: Fenomenologija interakcij med
makromolekulami. Privlačne in odbojne interakcije - DLVO terija. Teorija elektrostatskih interakcij v približku srednjega polja, Poisson-Boltzmannova enačba. Debyejevo senčenje in lastnosti elektrostatskih interakcij. Močna in šibka sklopitev. Netzova teorija elektrostatskih interakcij v močni sklopitvi, kondenzacija DNK. Lifšiceva teorija elektrodinamskih (van der Waalsovih) interacij. Van der Waalsove interakcije za površine in valje.
Lastnosti vodnih raztopin DNK in proteinov: Osmotski tlak raztopin. Van't Hofov zakon. Osmotski tlak in makromolekularne interakcije. Eksperiment Randa in Parsegiana – osmotski stres. Merjenje osmotskega tlaka v raztopinah DNK in proteinov. Enačba stanja DNK in struktura urejenih faz DNK. Relevantnost urejenih faz DNK v fiziki preprostih bakterijskih virusov.

• M. Rubinstein & R.H. Colby, Polymer Physics (Oxford, 2003, 1-96, 137-196, 253-294)
• C.R. Cantor in P.R. Schimmel: Biophysical Chemistry (Freeman and Comp. 1980, 687-842).
• V. Bloomfield, D.M. Crothers, I. Tinoco: Nucleic acids (University Science Books, 2000, 1-31, 79-103)
• M. D. Frank Kamenetskii : Unraveling DNA (1997)
• H. Schiessel Biophysics for Beginners: A Journey through the Cell Nucleus (2013)
• R. Podgornik, Physics of DNA (book manuscript, 2008)

Uvod v osnovne lastnosti bioloških makromolekul, DNK in proteinov kot tudi osnovno razumevanje konceptov in metod raziskovanja biofizike.

Znanje in razumevanje
Razumevanje strukture osnovnih bioloških makromolekul. Razumevanje osnovnih principov eksperimentalnih tehnik raziskovanja
makromolekul. Statistična mehanika
makromolekularnih interakcij.
Uporaba
Pridobljeno znanje omogoči osnovno
razumevanje lastnosti biomaterialov – DNK in proteinov.
Refleksija
Primer uporabe statistične mehanike, elastomehanike in elektromagnetnega polja na strukturi in interakcijah biomolekul.
Prenosljive spretnosti - niso vezane le na en predmet
Prehod od osnovnih principov teoretične strukturne biofizike k razumevanju osnovnih lastnosti molekularnih gradnikov bioloških sistemov.

Predavanja, seminarji, naloge in konzultacije.

Vmesni pisni izpit
Končni pisni izpit
Opravljen seminar in oddana domača naloga
(ocene: 5 (negativno), 6-10 (pozitivno), ob upoštevanju Statuta UL)

prof. dr. R. Podgornik:
1. Roger H. French, V. Adrian Parsegian, Rudolf Podgornik et al., Long Range Interactions in Nanoscale Science, REVIEWS OF MODERN PHYSICS, 82, 1887 2010.
2. Rudolf Podgornik, D. Harries, J. DeRouchey, H. H. Strey, and V. A. Parsegian, Interactions in Macromolecular Complexes Used as Nonviral Vectors for Gene Delivery, in Gene Therapy: Therapeutic Mechanisms and Strategies, N. Smyth – Templeton, Marcel Dekker, New York (2008), Third Edition.
3. Antonio Siber, Anze Losdorfer Bozic and Rudolf Podgornik, Energies and pressures in viruses: contribution of nonspecific electrostatic interactions, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 3746–3765.
4. Ali Naji, Matej Kanduč, Roland R. Netz and Rudolf Podgornik: Exotic Electrostatics: Unusual Features of Electrostatic Interactions between Macroions, Understanding Soft Condensed Matter via Modeling and Computation Eds. W.-B. Hu & A.-C. Shi, Series in Soft Condensed Matter Edited by David Andelman and Günter Reiter, World Scientific, Singapore (2010).
5. Anže Lošdorfer Božic, Antonio Šiber and Rudolf Podgornik, Statistical analysis of sizes and shapes of virus capsids and their resulting elastic properties, Journal of Biological Physics March 2013, Volume 39, Issue 2, pp 215-228 (2013).
prof. dr. M. Praprotnik:
1. Matej Praprotnik, Luigi Delle Site, Kurt Kremer. Multiscale simulation of soft matter: From scale bridging to adaptive resolution. Annu. Rev. Phys. Chem. 59, 545-571, 2008.
2. Staš Bevc, Christoph Junghans, Kurt Kremer, Matej Praprotnik. Adaptive resolution simulation of salt solutions. New J. Phys. 15, 105007, 2013.
3. Julija Zavadlav, Manuel N. Melo, Siewert J. Marrink, Matej Praprotnik. Adaptive resolution simulation of an atomistic protein in MARTINI water. J. Chem. Phys. 140, 054114, 2014.
4. Julija Zavadlav, Manuel N. Melo, Ana V. Cunha, Alex H. de Vries, Siewert J. Marrink, Matej Praprotnik. Adaptive resolution simulation of MARTINI solvents. J. Chem. Theory Comput. 10, 2591-2598, 2014.
5. Aleksandar Popadić, Jens H. Walther, Petros Koumoutsakos, Matej Praprotnik. Continuum simulations of water flow in carbon nanotube membranes. New J. Phys. 16, 082001, 2014.