Pracownia biofizyczna

Zajęcia rozpoczynają się od wykładu wprowadzającego, po wysłuchaniu którego uczniowie udają się do laboratoriów. W trakcie części eksperymentalnej uczestnicy zajęć pracują w grupach około 5-osobowych mając do dyspozycji wyposażenie Pracowni, w tym spektrofotometr (w niektórych przypadkach, dodatkowo, spektrofluorymetr czy układ do chromatografii), zestaw pipet i próbówek oraz dostosowane do ćwiczenia odczynniki chemiczne. Samodzielnie, pod okiem prowadzącego ćwiczenie, przygotowują próbki do badań i wykonują pomiary. Każda grupa realizuje jeden, ten sam temat wskazany przez nauczyciela. Do wyboru są ćwiczenia z listy poniżej. Podczas zajęć uczniowie znajdują się pod opieką nauczyciela, a prowadzą je pracownicy i doktoranci Wydziału Fizyki. Zajęcia odbywają się na Pracowni Biofizycznej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, ul Pasteura 5 we wtorki i czwartki w godz. 8.00 - 12.00. Na uczestników przedstawiciel pracowni będzie czekał w holu przy wejściu głównym do budynku.

Prowadzący zajęcia:

Mgr Katarzyna Giermasińska

Mgr Joanna Krasowska

Dr Krzysztof Krawiec

Dr Anna Modrak-Wojcik

Dr Marta Narczyk

Mgr Karolina Stachurska

Mgr Marek Warzecha

Dr hab. Beata Wielgus-Kutrowska

Mgr Kamil Ziemkiewicz

Fizyczne podstawy zjawiska barwy – długości fali i energie kwantu – malarze, poeci i kolorowe organizmy.

Wykład obejmuje następujące zagadnienia: - falowa i korpuskularna natura światła; - zjawisko dyspersji – pojęcie współczynnika załamania, pryzmat i tęcza - długości fali związane z poszczególnymi kolorami; - fizjologiczny mechanizm widzenia barwnego i związane z nim teorie kontrastu barwnego/barw dopełniających - koło barw, addytywne i substraktywne mieszanie barw; - zasada działania spektrofotometru i spektrofluorymetru - fizyczne mechanizmy powstawania zjawiska barwy: - absorpcja promieniowania widzialnego przez niektóre substancje – zwykłe barwniki; - emisja promieniowania widzialnego przez substancje chemiczne – barwniki fluorescencyjne - interferencyjne wzmacnianie wybranej długości fali – barwniki strukturalne - oraz przykłady występowania tych mechanizmów uzyskiwania barwy w naturze Podczas warsztatów uczniowie będą mogli wykonać widma absorpcyjne kilku barwników, a na ich podstawie zaobserwować związek absorpcji konkretnych długości fali z wrażeniem kolorystycznym odbieranym przez ludzkie oko. Dla kilku barwników fluorescencyjnych (zarówno syntetycznych, jak i pochodzenia naturalnego, np. kurkuminy z kurkumy lub białka zielonej fluorescencji (GFP) z meduzy Aequorea victoria) uczniowie będą mogli zaobserwować emisję barwnego światła pod wpływem wzbudzenia UV i zależność tej emisji (natężenia i koloru) od środowiska (np. zastosowanego rozpuszczalnika). Z kolei dzięki doświadczeniu Younga (w wersji z siatką dyfrakcyjną) wykonanego w powietrzu i wodzie uczniowie będą mogli samodzielnie wyznaczyć długość fali zielonego (lub czerwonego) światła, zaobserwować zmianę długości tej fali w wodzie, a na tej podstawie stwierdzić czy długość fali czy energia kwantu światła odpowiedzialna jest za efekt kolorystyczny obserwowany przez ludzkie oko.

Oznaczenie zawartości substancji aktywnej w lekach

W łagodzeniu bólu czy w przypadku wystąpienia objawów przeziębienia i grypy sięgamy po powszechnie dostępne leki o działaniu przeciwbólowym i przeciwgorączkowym, zawierające najczęściej paracetamol, ibuprofen czy kwas acetylosalicylowy. Zapewniają one szybkie działanie, pomagają w przypadku wystąpienia nagłego bólu oraz nie wymagają recepty. Często są na tyle powszechne, że dochodzi do ich przedawkowania, co w konsekwencji może wywołać niebezpieczne dla zdrowia i życia objawy zatrucia. O tym czy dana substancja jest lekiem czy trucizną decyduje przyjęta dawka. W trakcie wykładu uczniowie zapoznają się z pojęciem leku oraz substancji leczniczej, dawki leczniczej oraz dawki toksycznej, metodami analizy ilościowej, a także dowiedzą się na czym polega zjawisko absorpcji promieniowania elektromagnetycznego. Podczas warsztatów uczniowie wykonają alkacymetryczne i spektrofotometryczne oznaczanie substancji aktywnej znajdującej się w leku i porównają z ilością deklarowaną przez producenta.

Wyznaczanie molowego współczynnika absorpcji wybranych barwników spożywczych

Barwniki spożywcze syntetyczne są powszechnie stosowanym dodatkiem do żywności np. do kolorowych napojów i słodyczy. Ich nadmierne spożycie może negatywnie wpłynąć na zdrowie człowieka np. wywoływać reakcję alergiczne, ataki astmy, nadpobudliwość. Celem ćwiczenia jest eksperymentalne wyznaczenie molowego współczynnika absorpcji trzech różnych barwników spożywczych żółcieni spożywczej, błękitu brylantynowego i czerwieni koszenilowej. Podczas wykładu zostaną omówione następujące zagadnienia: falowa natura światła, długości fali związane z poszczególnymi kolorami, absorpcja promieniowania przez substancje chemiczne, widma absorpcyjne i ich związek z barwą substancji oraz jej stężeniem, zasada działania spektrofotometru. Podczas warsztatów uczniowie zapoznają się z procedurą przygotowania odczynników do eksperymentu z wykorzystaniem drobnego sprzętu laboratoryjnego (precyzyjna waga laboratoryjna, pipety, mini wytrząsarka typu Vortex, mieszadło magnetyczne), budową oraz działaniem spektrofotometru oraz z rejestracją widm absorpcji. Na podstawie uzyskanych danych z widm oraz z wykorzystaniem prawa absorpcji Lamberta-Beera uczniowie samodzielnie wyznaczy wartość molowego współczynnika absorpcji barwników spożywczych syntetycznych. Uczniowie dodatkowo oznaczą stężenia barwników w przygotowanych roztworach oraz sprawdzą związek widma absorpcyjnego z wrażeniami wzrokowymi.

Oznaczanie zawartości cukru w napojach

Woda pełni ważną role w naszym organizmie, ponieważ dzięki niej możliwy jest transport substancji odżywczych. Niektórzy dostarczają do organizmu wodę pijąc popularne napoje, które niestety zawierają cukier. Zbyt duże spożycie cukru może powodować m.in. nadwagę, trudności z koncentracją i nauką, próchnicę, nowotwory. Wg WHO dzienna dawka spożycia cukru to 50 g przy diecie 2000 kalorii. Dlatego warto wiedzieć ile cukru zawierają spożywane przez nas popularne napoje- będzie to celem tych ćwiczeń. Na wykładzie uczniowie zapoznają się z następującymi pojęciami: właściwości promieniowania elektromagnetycznego, w szczególności światła widzialnego, zjawisko absorpcji, zależność koloru substancji od pochłanianej długości fali i budowy chemicznej. Przedstawiona zostanie również metoda wykrywania cukrów za pomocą barwnego odczynnika – kwasu dinitrosalicylowego (DNS) oraz sposób uzyskiwania glukozy z sacharozy. W części praktycznej młodzież wykona pomiary krzywej odniesienia dla próbek glukozy o znanym stężeniu i DNS, a następnie dla powszechnie dostępnych napojów wykonają reakcję rozkładu sacharozy i zmierzą zawartość glukozy odczytując wartość z krzywej odniesienia.

Odkrywamy funkcje białek

Białka pełnią podstawową rolę w budowie i funkcjonowaniu organizmu. Są niezbędne w procesach tworzenia i rozwoju komórek. Aby scharakteryzować dane białko a jego opis umieścić w podręczniku szkolnym lub akademickim, potrzebne jest zastosowanie różnych metod badawczych, dzięki którym poznajemy jego strukturę, zasadę działania oraz charakterystyczne procesy w których uczestniczy. Na wykładzie omówimy zagadnienia dotyczące budowy i biologicznych funkcji białek oraz metody badawcze, w szczególności spektroskopowe, stosowane w badaniach tych cząsteczek. W części eksperymentalnej uczniowie samodzielnie przeprowadzą doświadczenia, które udowodnią obecność specyficznych białek w „białku” jaja kurzego, odpowiedzialnych za wiązanie ryboflawiny (witaminy B2) i żelaza. Sprawdzą jak zmienią się właściwości spektralne przygotowanych roztworów wodnych białek po związaniu ryboflawiny lub żelaza oraz jaki wpływ na nie będzie miało zniszczenie aktywnej biologicznie struktury białek za pomocą mocznika lub innego czynnika denaturującego.

GFP, czyli białko zielonej fluorescencji

GFP (ang. green fluorescent protein), czyli białko zielonej fluorescencji, jest białkiem pochodzącym z meduzy Aquorea victoria. Białko to wraz z akworyną tworzy układ sprawiający, że meduza świeci. GFP wykazuje jaskrawo zieloną fluorescencję przy ekspozycji na światło z zakresu niebieskiego do ultrafioletu. Ze względu na niską toksyczność, znajduje szerokie zastosowanie w biologii molekularnej, może być między innymi wykorzystywane do wizualizacji a także doskonale sprawdza się jako cząsteczka reporterowa. Denaturacja białek, jest procesem polegającym na zmianach w strukturze II, III I IV-rzędowej białek, prowadzącym do utraty ich aktywności biologicznej. Białko GFP w wyniku denaturacji przestaje wykazywać fluorescencję. W trakcie wykładu zostaną omówione następujące zagadnienia: białka, ich budowa, pełnione przez nie funkcje, białko GFP, spektroskopia, promieniowanie elektromagnetyczne, absorpcja, Prawo absorpcji Lamberta – Beera, fluorescencja, pH, denaturacja, renaturacja. Na warsztatach uczniowie wykonają widma absorpcji roztworów białka GFP za pomocą spektrofotometru, wyznaczą jego stężenie z wykorzystaniem prawa absorpcji Lamberta - Beera, wykonają widma fluorescencji za pomocą spektrofluorymetru, przeprowadzą denaturację białka GFP z wykorzystaniem wysokiej temperatury (termoblok) oraz wybranych odczynników chemicznych: chlorowodór (kwas), wodorotlenek sodu (zasada) oraz 96% etanol (alkohol). Określą za pomocą pH-metru oraz papierków wskaźnikowych wartości pH wykorzystywanych odczynników chemicznych i zidentyfikują je na podstawie określonego odczynu. Sprawdzą skuteczność przeprowadzonej denaturacji z wykorzystaniem latarek UV. Zaobserwują procesu renaturacji białka GFP.

Enzymy – katalizatory zaprogramowane przez naturę

Enzymy to makrocząsteczki (najczęściej białka) pełniące rolę katalizatorów niemal wszystkich reakcji chemicznych zachodzących w komórkach organizmów żywych. Enzymy są ściśle wyspecjalizowane – prowadzą tylko określoną reakcję, np.: inwertaza hydrolizuje sacharozę, a dehydrogenaza alkoholowa metabolizuje etanol. Podczas wykładu zostaną omówione następujące zagadnienia: i) budowa i mechanizm działania enzymów, ii) metody stosowane do badania reakcji enzymatycznych, iii) zjawisko absorpcji promieniowania elektromagnetycznego oraz zasada działania spektrofotometru. Podczas warsztatów uczniowie zbadają reakcję hydrolizy sacharozy katalizowaną przez inwertazę. Przebieg reakcji będą śledzić wykorzystując metodę spektroskopową. Sprawdzą jaki wpływ na szybkość hydrolizy mają różne parametry środowiska (stężenie substratu i ilość dodanego enzymu, temperatura, pH). Dowiedzą się w jaki sposób można zahamować pracę enzymu.

Na tropie enzymów

Enzymy nieustannie przeprowadzają reakcje chemiczne, aby podtrzymywać nasze komórki przy życiu, dlatego możemy spotkać je dosłownie wszędzie. Nie możemy zobaczyć ich gołym okiem, ale wiedząc jak działają możemy wytropić ich obecność. W ramach wykładu poznamy świat enzymów (czym są, jakie są ich rodzaje, jak są zbudowane, w jaki sposób działają i jaką rolę mogą pełnić). Przyjrzymy się bliżej kilku powszechnie znanym enzymom oraz tym, z którymi spotkamy się wykonując eksperymenty. Zapoznamy się również z podstawami spektroskopii UV-Vis, za pomocą której można śledzić niektóre reakcje chemiczne katalizowane przez enzymy. Następnie przeprowadzimy kilka eksperymentów pokazujących działanie enzymów występujących naturalnie w dostępnych produktach spożywczych. Ponadto przeprowadzimy pomiar kinetyki reakcji przy użyciu spektrofotometru.

Chromatografia cienkowarstwowa – czyli jakie barwniki występują w roślinach?

Dlaczego liście są zielone? Czy występują w nich tylko zielone barwniki? Jakie barwniki występują w żółtych liściach, płatkach kwiatów? A jakie w czerwonych? W czasie zajęć uczniowie wyekstrahują barwniki z wybranych roślin, nałożą uzyskany ekstrakt na płytkę do chromatografii cienkowarstwowej. Ta metoda pozwala rozdzielić na poszczególne składniki mieszaniny związków różniących się polarnością, a barwniki roślinne różnią się polarnością, więc na płytce zobaczymy kolorowe prążki odpowiadające poszczególnym barwnikom. A może chcielibyście zobaczyć jakie barwniki są w Waszych ulubionych roślinach? Spróbujemy je wyekstrahować i rozdzielić. Ważne jest aby elementy roślin, które przyniesiecie były miękkie, żeby dały się łatwo rozetrzeć na papkę (miękkie liście, płatki kwiatów).

Identyfikacja związków biologicznie czynnych

Aktywność biologiczna określana jest jako wpływ danej substancji lub leku na organizm. W ostatnich latach obserwowany jest wzrost zainteresowania związkami biologicznie czynnymi związany z potencjalnymi możliwościami wykorzystania ich jako środków farmaceutycznych, dodatków do żywności czy kosmetyków. Celem zajęć jest identyfikacja związków chemicznych za pomocą metod spektroskopowych i reakcji charakterystycznych. Podczas wykładu uczniowie zapoznają się z możliwościami chemicznej analizy jakościowej, pojęciem aktywności biologicznej, podziałem substancji o znaczeniu biologicznym, reakcjami charakterystycznymi dla danej grupy związków chemicznych, a także zjawiskiem fluorescencji. W trakcie zajęć laboratoryjnych uczniowie przeprowadzą analizę substancji chemicznych pozwalającą na ich identyfikację w oparciu o metody biofizyczne i chemiczne, a także zaznajomią się z charakterystycznymi reakcjami pewnych grup związków m.in. aminokwasów, alkaloidów, sacharydów czy witamin.