课程介绍
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课程代码:

 

课程负责人:梁毅

 

课程中文名称:现代生物学仪器分析

 

课程英文名称:Modern Biological Instrumental Analysis

 

课程类别:武汉大学研究生精品课程和研究生学科通开课

 

课程学分数:2

 

课程学时数:36

 

授课对象:生命科学学院全体硕士研究生

 

 

责任教授、主讲教师(姓名、职称、学位)

 

团队成员姓名、职称

任务分配

主讲老师

课时

梁毅,985工程特聘教授,博士生导师

团队负责人,主讲绪论、X射线晶体衍射分析Ⅰ、核磁共振波谱分析、电镜三维重构、原子力显微技术、红外与拉曼光谱和等温滴定量热技术等课程内容。

梁毅

18

郭林,长江学者特聘教授,博士生导师

团队主要骨干,主讲质谱技术的课程内容。

郭林

3

付向东,“千人计划”特聘教授,博士生导师

团队主要骨干,主讲基因组技术的课程内容。

付向东

3

吴燕,珞珈学者特聘教授,博士生导师

团队骨干,主讲激光扫描共聚焦显微技术的课程内容。

吴燕

3

黄赞,教授,博士生导师

团队骨干,主讲流式细胞技术的课程内容。

黄赞

3

杜海宁,教授,博士生导师

团队骨干,主讲紫外-可见光谱和圆二色光谱的课程内容。

杜海宁

3

殷雷,教授,博士生导师

团队骨干,主讲X射线晶体衍射分析Ⅱ的课程内容。

殷雷

3

 

 

 

课程简介

 

1 绪论(梁毅教授主讲)

本章主要是对现代生物学仪器分析这门课程做总体介绍,包括本课程的主要内容简介和主讲教师简介,其中梁毅教授主讲X射线晶体衍射分析、核磁共振波谱分析、电镜技术、荧光光谱、红外与拉曼光谱、等温滴定量热技术和原子力显微技术等内容,殷雷教授主讲X射线晶体衍射分析Ⅱ,杜海宁教授主讲紫外-可见光谱和圆二色光谱技术,付向东教授主讲基因组技术,郭林教授主讲质谱技术,吴燕教授主讲激光扫描共聚焦显微技术,黄赞教授主讲流式细胞技术,清华大学吴嘉炜教授和中国科学院物理数学所唐淳研究员等专家做现代生物学仪器分析相关讲座。本章提出了现代生物学仪器分析中的四大谱三大法,这些将是本课程的主要授课内容,还概要介绍了现代生物学仪器分析的应用和标志性成果,最后给出了本课程计分标准和参考教材。

 

2 X射线晶体衍射分析(梁毅教授、殷雷教授主讲)

X射线晶体衍射分析是现代生物学仪器分析中的三大法之一。本章以生物大分子(蛋白质、核酸等)三维结构解析为主线,以X射线晶体衍射分析技术为基础,贯穿蛋白质晶体学原理,讲授X射线晶体衍射解析生物大分子晶体结构的基本知识、理论和研究方法,介绍生物大分子结构研究的新成果、新进展、发展的趋势及面临的挑战。本章内容涵盖:(1) X射线晶体衍射分析概述(2) 晶体生长和X射线衍射数据收集(3) X射线衍射分析;(4) X射线衍射结构分析举例等小节。这些知识和方法能对生物大分子中原子的空间三维坐标进行精确定位,从而能对生命现象的机制进行更深刻的阐述,不仅是21世纪生物学研究的重要内容,而且将为医药、农业和工业的革新提供崭新的思路。为加深认识,本章还附有具体实例分析和小结,使学生在获得专业知识的同时也对生物大分子结构研究的方法和技术手段有更具体和深刻的理解。

 

3 核磁共振波谱分析(梁毅教授主讲)

核磁共振波谱分析是现代生物学仪器分析中的四大谱核磁共振波谱三大法之一,是目前测定生物大分子在溶液或非晶态中动态结构的最佳手段。核磁共振是指核磁矩不为零的核,在外磁场的作用下,核自旋能级发生塞曼分裂,共振吸收某一特定频率的射频辐射的物理过程。本章主要讲授核磁共振技术发展的历史、核磁共振技术的基本概念和原理,包括原子核自旋与核磁共振、弛豫、化学位移、化学交换、自旋耦合与自旋裂分,介绍多维核磁共振波谱分析测定蛋白质三维结构的特点以及核磁共振技术测定蛋白质三维结构的步骤。本章还介绍核磁共振波谱分析的最新进展-固体核磁共振波谱分析,并举例说明固体核磁共振分析在测定生物膜以及蛋白质纤维的分子结构中的应用。

 

4 电镜三维重构(梁毅教授主讲)

电镜三维重构是现代生物学仪器分析中的三大法之一。电镜是根据电子光学原理,用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜,使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。用冰冻含水方法制备样品进行低温电镜观察代表了电子晶体学的最新潮流。电镜图像的三维重构是指由样品的一个或多个投影图得到样品中各组成部分之间的三维关系,傅里叶变换方法是目前国际上使用最广泛的一种利用电子显微图像进行三维结构重建的计算方法。本章内容涵盖:(1) 电镜概述;(2) 电镜样品的制备方法,包括负染、葡萄糖包埋以及冷冻含水等方法(3) 电镜图像的三维重构概述;(4) 电镜三维重构的优点及示例等小节。与三维晶体的X射线衍射晶体学比较,生物大分子的二维结晶及电镜三维重构技术有着显著优点,具有广泛的应用前景。

 

5 原子力显微技术(梁毅教授主讲)

原子力显微技术是在扫描隧道显微镜基础上发展起来的一种新型显微技术,它通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力) 来获得物质表面形貌的信息。该技术既可以观测导电样品的表面形貌,又可以观测非导电样品的表面结构,且不需要用导电薄膜覆盖,使得它更适合研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构。本章内容涵盖:(1) 原子力显微镜的工作原理(2) 原子力显微镜的工作模式,包括接触模式、非接触模式和轻敲模式及其特点(3) 原子力显微镜的解析度、制样的关键以及该技术的优缺点等小节最后通过实例介绍原子力显微技术在生物学研究中的应用。

 

6 紫外-可见光谱(杜海宁教授主讲)

紫外-可见光谱是现代生物学仪器分析中的四大谱之一。紫外-可见光谱法是一种通过研究溶液中生物分子对紫外和可见光谱区辐射能的吸收情况对生物分子进行定性、定量和结构分析的方法,具有操作简单、应用普遍和灵敏准确等优点,在生物分子的结构测定中发挥着重要作用。本章主要讲授紫外-可见光谱的基本原理,生色团与助色团、红移和蓝移以及摩尔消光系数的概念,紫外-可见分光光度计的基本构架,最后通过实例介绍紫外-可见光谱在生物学研究中的应用,包括如何利用紫外可见光谱进行生物样品的定性分析、浓度测定和动力学分析。通过系统学习以上知识点,学生应该掌握如何使用紫外-可见分光光度计以及如何将其应用于生物学研究。

 

7 圆二色光谱(杜海宁教授主讲)

本章主要讲授圆二色光谱的基本原理、发展历史及其在生物大分子(蛋白质、核酸等)结构研究中的应用,并延伸介绍固体圆二色光谱的方法和应用。本章内容涵盖:(1) 手性分子与圆二色光谱的关系;(2) 偏振光和圆二色性的基本概念及椭圆率的计算方法;(3) 圆二色光谱仪的工作原理和仪器的基本构造、配件的使用方法;(4) 固体圆二色谱等小节,最后通过实例介绍圆二色光谱在生物学研究中的应用,包括测定蛋白质的光学活性、分析蛋白质的二级结构和三级构象,特别是分析不同条件下蛋白质聚集构象变化。本章主要强调学生掌握如何在科学研究中合理选择和使用圆二色光谱法对生物大分子的结构进行研究和验证。

 

8 荧光光谱(自学)

处于电子激发态的分子回到基态时发射的光称为荧光。荧光光谱包括激发谱和发射谱两种谱。荧光光谱法灵敏度高、选择性强、生物样品用量少、方法简便,已广泛应用于生物大分子构象的研究。本章主要讲授荧光产生的原理、荧光光谱主要谱参量、天然荧光生色团和荧光探针等小节,最后通过实例介绍荧光光谱在生物学研究中的应用,包括运用荧光共振能量转移法测定生物大分子相互作用距离,运用荧光相图法和荧光偏振法研究蛋白质折叠/去折叠。

 

9 红外与拉曼光谱(梁毅教授主讲)

红外光谱是现代生物学仪器分析中的四大谱之一。分子振动光谱,包括红外光谱与拉曼光谱,得到的是有关生物样品分子振动能级的信息,其中红外光谱是样品分子吸收红外光引起的是振动能级之间的跃迁,是吸收光谱,而拉曼光谱所得到的振动能级的信息来自样品对光的散射,是散射光谱。本章内容涵盖:(1) 红外与拉曼光谱的原理;(2) 红外与拉曼光谱的优缺点(3) 傅里叶变换红外光谱仪和拉曼光谱仪的工作原理(4) 红外与拉曼光谱生物样品的制备;(5) 红外与拉曼光谱的参数与数据分析,最后通过实例介绍红外与拉曼光谱在生物学研究中的应用,包括运用红外与拉曼光谱测定蛋白质二级结构和研究核酸构象,运用傅里叶变换红外光谱法研究蛋白质错误折叠。

 

10 质谱技术(郭林教授主讲)

质谱是现代生物学仪器分析中的四大谱之一。质谱技术是一种将样品分子离子化后,根据不同离子间的质荷比(m/z)的差异来分离样品分子并鉴定其分子量的技术。质谱仪一般由进样装置、离子化源、质量分析器、离子检测器和数据分析系统5个部分组成。20世纪80年代末出现了两种新的离子化技术-基质辅助的激光解吸/离子化(MALDI)和电喷雾离子化(ESI)-和新的质谱分析技术如飞行时间TOF,使得质谱技术成为蛋白质组学研究的核心工具。本章内容涵盖:(1) 质谱的原理;(2) 蛋白质与蛋白质组(3) 质谱测肽序列,包括肽质量指纹谱PMF和串联质谱MS/MS(4) 肽质量指纹谱和串联质谱的优缺点;(5) 质谱的参数与数据分析,最后通过实例介绍质谱在生物学研究中的应用,包括在蛋白质组学和蛋白质修饰组学中的应用。

 

11 基因组技术(付向东教授主讲)

随着第二代(新一代)基因组高通量测序技术(Next-Gen High Throughput Sequencing Technologies)的飞速发展(2005104 kbp到现在超过1014 kbp),DNA测序成本的降低程度难以置信,这使得对一个物种的转录组和基因组进行细致全貌的分析成为可能。本章主要讲授基因组高通量测序技术的发展历史、原理和类型,介绍基因组高通量测序技术在生物医学研究中的应用。本章内容涵盖:(1) 基因组高通量测序技术的概述;(2) 基因组高通量测序技术的原理和类型,包括Solexa/Illumina Sequencing by SynthesisPacBio: Real-time imagingFRET-based Nanomachine(3) 数据的分析;(4) 该技术在生物医学研究中的应用实例,包括在De novo and target-specific sequencingChIP-seq for protein-DNA /RNA interactions的应用,这些应用有助于寻找重大疾病诊断及治疗的靶点。

 

12 等温滴定量热技术(梁毅教授主讲)

等温滴定量热技术是近年来发展起来的一种研究生物热力学与生物动力学的重要方法,它通过高灵敏度、高自动化的等温滴定量热仪连续和准确地监测和记录一个变化过程的量热曲线,原位、在线和无损伤地同时提供热力学和动力学信息。本章以生物大分子(蛋白质、核酸等)相互作用为主线,以等温滴定量热技术为基础,讲授等温滴定量热技术在分析生物大分子相互作用中所发挥的重要作用。本章内容涵盖:(1) 等温滴定量热技术的原理;(2) 该技术的重要热力学参数、用途以及应用范围;(3) 等温滴定量热技术的优点和局限性;(4) 新的等温滴定量热替代法,最后通过实例介绍等温滴定量热技术在生物学研究中的应用,包括运用等温滴定量热技术研究蛋白质相互作用、蛋白质折叠/去折叠和蛋白质聚集。

 

13 激光扫描共聚焦显微技术(吴燕教授主讲)

本章主要讲授荧光显微镜的基本组成与成像原理、激光扫描共聚焦显微镜的基本结构与成像原理,介绍现代显微成像技术的特点与应用。主要内容涵盖:(1) 显微镜的种类及其应用范畴;(2) 荧光显微镜的结构与工作原理、荧光滤色镜组的组成与工作原理;(3) 激光扫描共聚焦显微的构造、工作原理、操作与使用方法及其注意事项;(4) 几种常用的现代荧光成像技术的工作原理与应用前景等小节包括激光扫描共聚焦显微技术和超高分辨率荧光显微技术。本章还讲述如何结合研究内容去选择荧光显微成像的方法,达到解决科学问题的目的,并举例说明激光扫描共聚焦显微技术在生物医学研究中的应用,进而激发学生的科研兴趣。

 

14 流式细胞技术(黄赞教授主讲)

流式细胞技术是一项以流式细胞仪为检测手段能快速精确地对单个细胞理化特性进行多参数定量分析和分选的新技术,具有速度快、精度高、准确性好等优点,已成为当代最先进的细胞定量分析技术。它能在保持细胞及细胞器或微粒的结构及功能不被破坏的状态下,通过荧光探针的协助,从分子水平上获取多种信号对细胞进行定量分析或纯化分选。本章内容涵盖:(1) 流式细胞技术的发展史;(2) 流式细胞技术的工作原理及主要技术指标,散射光的测定及荧光测量,荧光补偿及细胞分选原理(3) 数据的显示与分析;(4) 设门分析技术(5) 流式细胞仪免疫分析的技术要求等小节,包括样品准备、标记染色以及质量控制,最后通过实例介绍了流式细胞技术在生物医学研究中的应用。

 

现代生物学仪器分析讲座(外单位相关学科的著名专家教授,梁毅教授主持)

清华大学吴嘉炜教授和中国科学院物理数学所唐淳研究员等专家做现代生物学仪器分析相关讲座。

 

成绩考评

期末考核(50%)+ 小考(16%)+ 平时作业(24%)+ 自学笔记(10%)

 

 

指定教材

 

结构生物学(第二版),科学出版社,梁毅 主编,2010(普通高等教育十一五国家级规划教材)

 

参考书目

现代仪器分析(第二版),高等教育出版社,刘约权主编,2006

 

生物物理学,高等教育出版社,赵南明,周海梦编著2000

 

流式细胞术,科学出版社,陈朱波,曹雪涛编著,2010

 

激光扫描共聚焦显微镜技术教程,袁兰主编,北京大学医学出版社,2004

 

蛋白质组学:从序列到功能,科学出版社,Pennington S.R. and Dunn M.J.编著,钱小红等译,2002

 

Brian K. Kobilka et al. Crystal structure of the human b2 adrenergic G-protein-coupled receptor. Nature 450, 383-387, 2007

 

Elaine R. Mardis. A decade’s perspective on DNA sequencing technology. Nature 470, 198-203, 2011

网上资源

在教学网站中有本课程的教学大纲、3多媒体课件、授课录像、习题等大量教学资源和课程信息,还有生物世界、学科信息等栏目,以及相关网站链接等大量扩充性教学资源, 供学生随时在网上自主学习,拓展学生学习的空间。

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