Logo UAB

Espectroscòpia de biomolècules

Codi: 100905 Crèdits: 6
2024/2025
Titulació Tipus Curs
2500252 Bioquímica OT 4

Professor/a de contacte

Nom:
Josep Bartomeu Cladera Cerdà
Correu electrònic:
josep.cladera@uab.cat

Equip docent

Josep Bartomeu Cladera Cerdà

Idiomes dels grups

Podeu consultar aquesta informació al final del document.


Prerequisits

Haver aprovat les assignatures: Tècniques Instrumentals Bàsiques i Tècniques Instrumentals Avançades


Objectius

Gran part del coneixement científic de la Natura està basat en l'estudi de diversos fenòmens d'absorció i d'emissió que es produeixen quan la radiació electromagnètica interacciona amb la matèria. En biociències es fan servir molt freqüentment tècniques espectroscòpiques, però malauradament molts professionals es limiten a aplicar com ususaris aquestes tècniques sense tenir coneixements científico-tècnics prou ben basats com per aprofitar totes les potencialitats de les diverses espectroscòpies. En aquesta assignatura es pretén fer un estudi aprofundit dels fonaments científics i tècnics de les principals tècniques espectrocòpiques d'interès per a la Bioquimica i Biologia Molecular: espectroscòpia d'absorció en la regió visible i ultraviolada; espectroscòpia de fluorescència i quimioluminescència; espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear; tomografia per emissió de positrons; espectroscòpia en la regió de l'infrarroig; dicroisme circular. En tots els casos s'estudiaran molt detalladament els instruments, i les aplicacions analítiques i estruturals, que aquestes tècniques tenen en diversos camps de les ciències de la vida.


Competències

  • Actuar amb responsabilitat ètica i amb respecte pels drets i deures fonamentals, la diversitat i els valors democràtics.
  • Aplicar les tècniques principals d'utilització en sistemes biològics: mètodes de separació i caracterització de biomolècules, cultius cel·lulars, tècniques de DNA i proteïnes recombinants, tècniques immunològiques, tècniques de microscòpia...
  • Col·laborar amb altres companys de treball.
  • Definir l'estructura i la funció de les proteïnes i descriure les bases bioquímiques i moleculars del seu plegament, el trànsit intracel·lular, la modificació posttraduccional i el recanvi.
  • Dissenyar experiments i comprendre les limitacions de l'aproximació experimental.
  • Gestionar la informació, organització i planificació del treball.
  • Identificar l'estructura molecular i explicar la reactivitat de les diferents biomolècules: carbohidrats, lípids, proteïnes i àcids nucleics.
  • Interpretar resultats experimentals i identificar elements consistents i inconsistents.
  • Introduir canvis en els mètodes i els processos de l'àmbit de coneixement per donar respostes innovadores a les necessitats i demandes de la societat.
  • Llegir textos especialitzats tant a llengua anglesa com a les llengües pròpies.
  • Pensar d'una forma integrada i abordar els problemes des de diferents perspectives.
  • Percebre clarament els avenços actuals i els possibles desenvolupaments futurs a partir de la revisió de la literatura científica i tècnica de l'àrea de bioquímica i biologia molecular.
  • Tenir i mantenir un coneixement actualitzat de l'estructura, l'organització, l'expressió, la regulació i l'evolució dels gens en els éssers vius.
  • Utilitzar les metodologies analítiques per a l'assaig de l'activitat biològica dels components cel·lulars, en especial enzims, tant in vitro com in vivo.

Resultats d'aprenentatge

  1. Actuar amb responsabilitat ètica i amb respecte pels drets i deures fonamentals, la diversitat i els valors democràtics.
  2. Aplicar les tècniques espectroscòpiques i microscòpiques que permeten localitzar molècules específiques a les cèl·lules i determinar l'activitat enzimàtica.
  3. Col·laborar amb altres companys de treball.
  4. Descriure amb profunditat els mètodes biofísics que permeten conèixer l'estructura i les propietats dinàmiques del DNA i de la cromatina.
  5. Descriure en profunditat les tècniques espectroscòpiques i de difracció que permeten establir l'estructura de les biomolècules i dels complexos supramoleculars de la matèria viva.
  6. Descriure les bases cientificotècniques en què es fonamenta el coneixement de l'estructura i les propietats químiques de les biomolècules.
  7. Dissenyar experiments i comprendre les limitacions de l'aproximació experimental.
  8. Explicar amb profunditat els mètodes biofísics que permeten conèixer l'estructura i les propietats dinàmiques de les proteïnes.
  9. Gestionar la informació, organització i planificació del treball.
  10. Identificar els avenços científics i tècnics en temes biofísics.
  11. Interpretar resultats experimentals i identificar elements consistents i inconsistents.
  12. Introduir canvis en els mètodes i els processos de l'àmbit de coneixement per donar respostes innovadores a les necessitats i demandes de la societat.
  13. Llegir textos especialitzats tant a llengua anglesa com a les llengües pròpies.
  14. Pensar d'una forma integrada i abordar els problemes des de diferents perspectives.

Continguts

BLOC 1

1. Espectroscòpia i microscòpia d’infraroig

1.1 La interacció de la radiació infraroja amb les molècules. Modes vibracionals.

1.2. L’interferòmetre de Michelson. Principis, disseny experimental i transformada de Fourier. L’interferograma. L’apodització.

1.3 Aspectes pràctics: espectres en suspensió aquosa. Avantatges de l’espectroscòpia FTIR.

1.4 Tècniques matemàtiques de resolució de bandes: derivació, deconvolució i ajustament de bandes.

1.5 Proteïnes. Bandes vibracionals associades a l’enllaç amida i estructura secundària de les proteïnes. Espectroscòpia de diferència.

1.6 Lípids i membranes biològiques. Estudis termotròpics.

1.7 Microscopia d’infraroig i llum de sincrotró.

1.7.1 Estudis per microscòpia d’IR de cultius cel·lulars com a models de patologies humanes.

1.7.2 Estudis per microscòpia d’IR de teixits cerebrals en models animals de la malaltia d’Alzhimer.

1.7.3 Estudis per microscòpia d’IR de teixits cerebrals humans en la malaltia d’Alzheimer.

2. Dicroïsme circular (CD).

2.1 Principis. Activitat òptica. Elipticitat. L’espectre de dicroisme circular.

2.2 Instrumentació.

2.3 Estructura secundària de proteïnes. Exemples.

 

BLOC 2

3. Espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear (RMN)

3.1. Introducció. Bases físiques del fenomen de la ressonància: spin nuclear, condició de ressonància. Excitació amb puls de radiofreqüència, detecció del senyal de RMN (FID) i transformació de Fourier.

3.2. Disseny experimental, qüestions instrumentals: imant, bobines per a la pertorbació dels sistemes i la seva detecció. Quocient senyal/soroll.

3.3. Paràmetres que caracteritzen l'espectre de RMN d'una mostra biològica. Àrea de la ressonància. Desplaçament químic. Multiplicitat. Relaxació: temps de relaxació T2 i T1.

3.4. Imatge per ressonància magnètica (MRI). Fonaments. Gradients de camp magnètic i concepte d'excitació selectiva, concepte d'espai k, contrast a les imatges de IRM. Espectroscòpia de ressonància magnètica single/multivoxel i patrons metabòlics.

3.5. Aplicacions biomèdiques de la RMN. Informació accessible: anatomia morfològica i funcional. Aplicacions a estudis preclínics i clínics.

 

4. Tomografia per emissió de positrons (PET)

4.1. Principis físics. Radioactive Decay. Procès d’aniquilació. Detecció de fotons. Atenuació.

4.2. Disseny experimental. Sistema de Detecció. Reconstrucció de la imatge

4.3. Radiotraçadors per PET: Característiques dels radionuclis emissors de positrons. Propietats dels radiofàrmacs i activitat metabòlica. Ciclotró.

4.4. Aplicacions en oncologia, neurologia i cardiologia. Desenvolupament de compostos marcats que mesuren l’activitat de receptors específics.

 

BLOC 3

 

5. Espectroscòpia d'absorció en l'ultraviolat i visible

5.1. Principis físics i disseny experimental.

5.2. Espectrofotometria d'absorció.

5.3. Aplicacions: estudi de proteïnes, àcids nucleics i altres cromòfors bioquímics.

5.4. Influencia de l'entorn sobre l'espectre d'absorció: espectres de diferència i de derivades.

 

6. Espectroscòpia de fluorescència i quimioluminescència

6.1. Bases físiques: conversió interna, relaxació vibracional, relaxació emissiva i no emissiva.

6.2. Disseny experimental: problemàtica associada a les mesures de fluorescència, estratègies i components que permeten augmentar la sensibilitat.

6.3. Fluorescència resolta en el temps: temps de vida de l'estat excitat, instruments de mesura, aplicacions bioquímiques.

6.4 Fenòmens que poden afectar l'emissió fluorescent: efectes de l'embolcall i del dissolvent, quenching col·lisional de la fluorescència, polarització, formació de dímers excitats (excímers), transferència d'energia.

6.5. Aplicació a l'anàlisi estructural de sistemes macromoleculars: fluoròfors intrínsecs i extrínsecs, accessibilitat, difusió rotacional, mesurament de distàncies. Aplicacions a l'anàlisi Bioquímica, en Biologia Molecular i en Biologia Cel·lular.

6.6. Bases físiques i aplicacions d'altres fenòmens emissius: quimioluminescència i bioluminescència.


Activitats formatives i Metodologia

Títol Hores ECTS Resultats d'aprenentatge
Tipus: Dirigides      
Classes teòriques 36 1,44 2, 4, 5, 6, 8, 10, 11, 13, 14
Tipus: Supervisades      
Presentació en grup d'una exposició pública de problemes/treballs científics 6 0,24 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9
Pràctiques 9 0,36 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Tutoria 6 0,24 2, 4, 5, 6, 8, 10, 14
Tipus: Autònomes      
Estudi personal 55,5 2,22 2, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 13, 14
Preparació de problemes/treballs científics 30 1,2 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 13, 14

Teoria. Els professors explicaran gran part del contingut del temari amb el suport de material audiovisual que estarà a disposició dels estudiants al Campus Virtual (CV) de l'assignatura amb antelació a l'inici de cadascun dels temes del curs. Per poder seguir bé les explicacions, els estudiants han de portar el material del CV a classe. Aquestes sessions tractaran de les parts més conceptuals de l'assignatura. Altres parts de l'assignatura hauran d'ésser estudiades de manera autònoma per part dels alumnes. Els professors indicaran exactament quins temes s'han d'estudiar d'aquesta manera i el material docent que cal fer servir.

Els continguts de l’assignatura s’impartiran en tres blocs: Bloc 1- Espectroscòpia/Microscòpia d’Infrarroig, Dicroisme Circular ; Bloc 2- Ressonància Magnètica Nuclear, Tomografia d’Emissió de Positrons (PET); Bloc 3-Espectroscòpia UV/VIS, Fluorescència, quimioluminiscència .

Problemes. Els professors proposaran problemes/treballs científics relacionats amb temes d'espectroscòpia de biomolècules. La manera concreta de desenvolupar cada tipus de problema/treball científic s'ndicarà a classe o al CV. Els alumnes faran petits grups per resoldre i fer exposicions orals i escrites dels problemes/treballs científics proposats.

Pràctiques. Per tal d'adquirir coneixements tècnics sobre els equipaments actuals relacionats amb l'especctroscòpia es faran sessions de pràctiques en diversos Serveis Científico-Tècnics i Laboratoris de la UAB: Laboratori de Luminescència i Espectroscòpia de Biomolècules; Servei de Microscòpia; Servei de Ressonància Magnètica; Laboratori de Biofísica.  

 

 

Nota: es reservaran 15 minuts d'una classe, dins del calendari establert pel centre/titulació, per a la complementació per part de l'alumnat de les enquestes d'avaluació de l'actuació del professorat i d'avaluació de l'assignatura/mòdul.


Avaluació

Activitats d'avaluació continuada

Títol Pes Hores ECTS Resultats d'aprenentatge
Avaluació assitència/participació classes contingut teòric 20% 1,5 0,06 1, 7, 9, 10, 11, 12, 14
Avaluació de problemes/treballs científics 10% 0,75 0,03 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14
Avaluació de pràctiques 10% 0,75 0,03 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
Avaluació presentació de problemes/treballs científics 10% 0,75 0,03 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
Avaluació prova final 50% 3,75 0,15 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14 

 

S'avaluarà:

(1) L’exposició pública de problemes/treballs científics a classe (avaluació grupal) i/o el lliurament d'informes de problemes/treballs científics (avaluació grupal): màxim 2 punts (20%).

(2) Avaluació de la participació en pràctiques: màxim 1 punt (10%)

(3) Avaluació de la participació en les classes de contingut teòric: màxim 2 punts (20%)         

(4) Prova de continguts teòrics: màxim 5 punts (50%)

Es faran dues proves parcials de contingut teòric:

1era prova parcial: Bloc 1

2a prova parcial: Blocs 2 i 3

Cada bloc de l’assignatura (1- Infraroig, CD; 2- RMN/PET  3- UV/VIS, Fluorescència, quimmioluminiscència) s’avaluarà independentment segons els 5 elements anteriors. Es considerarà el bloc aprovat sempre que la nota sigui de 5 punts o superior (sobre 10). Per aprovar l’assignatura s’ha d’aprovar cada bloc per separat.

La nota de l’assignatura, si s’aproven els tres blocs, serà la mitjana de les qualificacions dels 3 blocs.

Les dates de revisió de les proves s'indicarà amb antelació mínima de 2 dies.

L'alumnat que no hagi superat l'assignatura (qualificació inferior a 5 punts sobre 10 en algun dels tres blocs), s’ha de presentar a la recuperació dels blocs no superats. Per a poder-s’hi presentar ha d'haver estat prèviament avaluat en un conjunt d'activitats el pes de les quals equivalgui a un mínim de dues terceres parts de la qualificació total de l'assignatura. Per tant, l'alumnat obtindrà la qualificació de "No Avaluable" quan les activitats d'avaluació realitzades tinguinuna ponderació inferior al 67% en la qualificació final. La nota de la recuperació serà la de l’examen teòric ponderada per la dels altres elements d’avaluació.

L'assistència a les sessions pràctiques és obligatòria. L'alumnat obtindrà la qualificació de "No Avaluable" quan l'absència sigui superior al 20% de les sessions programades.

 

Avaluació única

L’avaluació única consistirà en una única prova de síntesi en la que s’avaluaran els continguts de tot el programa de teoria de l'assignatura. La prova constarà de preguntes de tipus test i/o per desenvolupar. La nota obtinguda en aquesta  prova de síntesi suposarà el 70% de la nota final de l’assignatura.

L’avaluació de les activitats de practiques i l’exposició pública de problemes/treballs científics a classe (avaluació grupal) i/o el lliurament d'informes de problemes/treballs científics (avaluació grupal) seguiran el mateix procés de l’avaluació continuada. L’avaluació de la participació en les practiques suposarà el 10% de la nota final de l’assignatura i l’exposició pública de problemes/treballs científics a classe (avaluació grupal) i/o el lliurament d'informes de problemes/treballs científics (avaluació grupal) un 20%.

La prova d’avaluació única es farà coincidint amb la mateixa data fixada en calendari per a la darrera prova d’avaluació continuada i s’aplicarà el mateix sistema de recuperació que per l’avaluació continuada.

Per aprovar l’assignatura cal obtenir una nota final global mínima de 5,0 punts.

Els estudiants que nohagin superat l'assignatura per mitjà de l'avaluació única es podran presentar a un examen final de recuperació que tindrà les mateixes característiques que l’examen de recuperació de l’avaluació continuada.

 


Bibliografia

1.    An Introduction to Spectroscopy for Biochemists. S.B. Brown, 1980. Academic Press.

2.    Principles of Fluorescence Spectroscopy. J.R. Lakowicz, 1983. Plenum Press.

3.    Biological Spectroscopy. I.D. Campbell i R.D. Dwek, 1984. Benjamin-Cummings.

4.    NMR of Proteins and Nucleic Acids. K. Wüthrich, 1986. Wiley.

5.    NMR in Medicine and Biology. Structure Determination, Tomography, in vivo Spectroscopy. K.H. Hausser i H.R. Kalbitzer, 1989. Springer-Verlag.

6.    Espectroscopía in vivo por Resonancia Magnética Nuclear. J.M. García Segura, 1991. Eudema Universidad.

7.    Fluorescence Spectroscopy. New Methods and Applications. O.S. Wolfbeis, 1993. Springer Verlag.

8.    Biomolecular NMR Spectroscopy. J.N.S. Evans, 1995. Oxford University Press.

9.    NMR and its Applications to Living Systems, 2nd Edition. D.G. Gadian, 1995. Oxford University Press.

10.  Infrared Spectroscopy of Biomolecules. H.H. Mantsch i D. Chapman, 1996, Wiley-Liss.

11.  Técnicas Instrumentales de Análisis en Bioquímica. J-M. García Segura y col., 1999, Editorial Síntesis, Madrid

12.  Fluorescent and Luminiscent Probes for Biological Activity. W.T. Mason, 1999. Academic Press

13.  Magnetic Resonance in Chemistry and Medicine. Ray Freeman, 2003. Oxford University Press.

14.  Optical Spectroscopy in Chemistry and Life Sciences. Werner Schmidt, 2005.Wiley-VCH.

15.  Spectroscopy for the Biological Sciences. Gordon G. Hammes, 2005. Wiley-Interscience.

16.  Physical principles and techniques of protein chemistry. Sydney J. Leach Ed., 1973. Academic Press.

17.  In vivo NMR Spectroscopy. Principles and Techniques. 2nd Edition. Robin A. de Graff, 2007. Wiley.

18.  Fluorescence Applications in Biotechnology and Life Sciences. Ewa M. Goldys Ed., 2009. Wiley-Blackwell.

Durant el curs s'indicaran articles científics originals i enllaços web.


Programari

Software 'Paravision' per anàlisi de dades de imatge per ressonància magnètica (MRI)

Software 'Topspin' per a anàlisi de dades de ressonància magnètica nuclear (RMN)

Software 'Quasar' per a anàlisi de dades de microscòpia i espectroscòpia d'infrarroig.


Llista d'idiomes

Nom Grup Idioma Semestre Torn
(PAUL) Pràctiques d'aula 341 Català/Espanyol primer quadrimestre matí-mixt
(PLAB) Pràctiques de laboratori 341 Català/Espanyol primer quadrimestre tarda
(TE) Teoria 34 Català/Espanyol primer quadrimestre matí-mixt