Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла учебного плана.
Трудоемкость дисциплины (по очной форме обучения)
| Виды учебной работы, формы контроля | Всего, час. | Учебный семестр |
| Аудиторные занятия, час. | ||
| Лекции, час. | ||
| Практические занятия,час. | ||
| Лабораторные работы,час. | ||
| Самостоятельная работа студентов, час. | ||
| Вид промежуточного контроля | экзамен | экзамен |
| Общая трудоемкость по учебному плану, час. | ||
| Общая трудоемкость по учебному плану, з.е. |
Краткое описание дисциплины
Дисциплина «Биофизические основы живых систем» посвящена изучению биофизических основ функционирования живых систем, включая все уровни организации живой материи – молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный и биосферный.
Дисциплина рассматривает строение и физико-химические свойства биологически функциональных молекул, прежде всего биополимеров – белков и нуклеиновых кислот, строение и функциональность клеточных и тканевых систем, включая изучение генерации и распространения нервного импульса, механохимических процессов, фотобиологических явлений, а также обращается к общетеоретическим вопросам термодинамики и кинетики биологических процессов.
Задачи дисциплины – установить связь между особенностями строения биообъекта и функциональными свойствами, с одной стороны, и соответствующими физико-химическими параметрами, с другой.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
| Код разделов и тем | Раздел, тема дисциплины* | Содержание |
| Р1 | Современные проблемы биофизики | Введение. Исторические аспекты. История развития биофизики. Физика и биология. Живая и неживая природа. Жизнь с точки зрения физики. Биологическая индивидуальность. Разделы и методы биофизики. |
| Р2 | Молекулярная биофизика | Химия и биология. Основные особенности химии биологических молекул. Физическая иерархия биосистем. Молекулярный состав живых систем. Аминокислоты. Нуклеиновые кислоты. Углеводы и липиды. Кофакторы. Витамины. Гормоны. Пространственная организация биополимеров. Статистический характер организации биополимеров. Свободно-сочлененная цепь. Функция распределения вектора расстояний между сегментами цепи. Статистические характеристики свободного состояния цепи. Гибкость биополимеров. Объёмное взаимодействие: Переходы глобула - клубок в биополимерах. Условия существования клубка и глобулы. Различные типы взаимодействия в макромолекулах. Сильные и слабые взаимодействия. Ван-дер-ваальсовые силы. Ориентационное взаимодействие. Индукционное взаимодействие. Дисперсионное взаимодействие. Водородная связь. Ионная связь. Ион-дипольные взаимодействия. Гидрофобные взаимодействия и структура воды. Элементы биофизики белка. Уровни организации белковой структуры. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Гидрофобные взаимодействия и структуры белков. Связывание лигандов с макромолекулами. Кооперативное связывание лигандов. Денатурация и спонтанная самоорганизация белка. «Парадокс Левинталя». Расплавленная глобула. Примеры функционирования белков. ДНК-связывающие белки. Аллостерическая регуляция. Конформационные изменения молекулы гемоглобина при оксигенации. Гемоглобинопатии. |
| Р3 | Биофизика биологических мембран | Структура и строение биологических мембран. Трансформация представлений о строении мембран: мономолекулярная модель и бимолекулярная модели. Приближение электрического конденсатора. «Бутербродная модель». Жидкостно-мозаичная модель биомембран. Мембранные липиды. Мембранные белки. Функции биомембран. Методы исследования мембран. Флюоресцентный анализ. Электронный парамагнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс. Динамика мембран. Подвижность фосфолипидных молекул в биомембранах. Латеральная диффузия. Флип-флоп. Физическое состояние и фазовые переходы липидов в мембранах. Расположение молекул в аморфном и жидкокристаллическом состояниях. Переход липидов в гель-состояние и обратно. Модельные липидные мембраны. Липосомы. однослойные липидные мембраны. Плоские бислойные липидные мембраны. Транспорт веществ через биологические мембраны. Электрохимический потенциал. Пассивный перенос веществ через мембрану. Уравнение Нернста-Планка. Классификация видов пассивного транспорта. Простая диффузия. Коэффициент проницаемости мембраны. Теория кинков. Облегченная диффузия. Отличия облегченной диффузии от простой. Фильтрация. Осмос. Активный транспорт веществ. Опыт Уссинга. Электрогенные ионные насосы. Натрий-калиевый насос. Вторичный активный транспорт ионов. Молекулярная рецепция. Принципы организации клеточных рецепторов. Рецепция запаха. Вкусовая рецепция. |
| Р4 | Биоэлектрические потенциалы | Методы измерения. Мембранные процессы, определяющие электрический потенциал на мембране. Эквивалентная схема биологической мембраны. Потенциал покоя живой клетки. Формула Нернста для равновесного мембранного потенциала. Уравнение Гольдмана. Потенциал действия. Характерные свойства потенциала действия. Эквивалентная электрическая схема возбудимой мембраны. Опыты с фиксацией напряжения. Механизм развития потенциала действия. Вещества, блокирующие проводимость ионных каналов. Распространение нервного импульса вдоль возбудимого волокна. Локальные токи. Зависимость деполяризующего потенциала от расстояния. Ионные каналы клеточных мембран. Селективность. Независимость работы отдельных каналов. Дискретный характер проводимости. Зависимость параметров канала от мембранного потенциала. Структура ионного канала. Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита. Процессы происходящие при формировании ПД кардиомиоцита. Межклеточный перенос ПД. Синапс. Типы синапсов. Медиаторы. Прямо-хемоуправляемый канал. Косвенно-хемоуправляемый канал. |
| Р5 | Биологическая подвижность | Внутриклеточная механохимия. Цитоскелет. Микрофиламенты. Микротрубочки. Промежуточные филаменты. Биофизика мышечного сокращения. Структура поперечно-полосатой мышцы. Модель скользящих нитей. Биомеханика мышцы. Пассивное растяжение. Активное сокращение. Изометрический и изотонический режимы. Уравнение Хилла. Мощность одиночного сокращения. Зависимость мощности мышцы от нагрузки. Электромеханическое сопряжение в мышцах. Механорецепция. Тельце Пачини. Слуховая рецепция. Схема уха человека. Механизм преобразования звуковой волны в нервные импульсы. |
| Р6 | Термодинамика биологических процессов | Энергетическая система живой клетки. Основы биоэнергетики. Протонный и натриевые потенциалы. Пути превращения энергии внутри клетки. Примеры энергетики. – бактерии, растительные и животные клетки. Виды систем. Превращение энергии в живой клетке. Основные формы энергии в биосистемах. Свободная энергия и электрохимический потенциал. Термодинамика необратимых процессов в биологических системах вблизи равновесия. Применение основных законов термодинамики в биологии. Изменение энтропии в открытых системах. Особенности организмов как термодинамических систем. Стационарное состояние. Соотношение Онзагера. Теорема Пригожина. Термодинамика систем вдали от равновесия. Информация и энтропия. Смысл биологической упорядоченности. |
| Р7 | Кинетика биологических процессов | Моделирование. Основные этапы моделирования. Типы моделей. Модель естественного роста численности популяции (модель Мальтуса). Модель изменения численности популяции с учетом конкуренции между особями (модель Ферхюльста). Простейшая модель открытой системы. Принцип узкого места. Типы динамического поведения биологических систем. Модель "хищник-жертва" (модель Вольтерра). Колебания в гликолизе. Биологические часы. Распределенные биологические системы. Фармакокинетическая модель. |
| Р8 | Элементы радиационной биофизики | Виды ионизирующих излучений. Линейная передача энергии излучения. Активность радионуклида. Экспозиционная доза. Поглощенная доза. Принцип Гроттгуса. «Энергетический парадокс» в радиобиологии. Относительная биологическая эффективность. Зависимости «доза-эффект». Первичные процессы при действии ИИ на биообъекты. Действие ИИ на клетку. |
| Р9 | Физические методы исследования биологических объектов |
* Дисциплина может содержать деление только на разделы, без указания тем
3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ
(по очной форме обучения)
