кафедры Программа составлена в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального Зав. кафедрой биофизики образования по специальности 010400 В.А. Кратасюк______________ - «Физика», специализаций 010415 «___»_________________2002 г. «Биофизика» и 010432 - «Физическая экология» Одобрено на биофизики
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА БИОФИЗИКИ
заседании
УДК 577.3.001.57 Автор-составитель: А.В. Брильков
БИОФИЗИКА Рабочая программа дисциплины для специальности 010400 «Физика» специализаций 010415 «Биофизика» и 010432 «Физическая экология» очной формы обучения
Биофизика: Рабоч. программа дисциплины. Красноярск: РИО КрасГУ, 2002. - 6 с. (экспресс-издание). Предназначена для специальности 010400 «Физика», специализаций 010415 «Биофизика» и 010432 - «Физическая экология» очной формы обучения.
КрасГУ, 2002
Красноярск 2002
2
I. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Программа составлена в соответствии со стандартом специальности для специальности 010400 «Физика», специализаций 010415 «Биофизика» и 010432 «Физическая экология». Курс считается обязательным и читается на VII и VIII семестрах. Курс лекций по биофизике вместе с Большим двух семестровым лабораторным практикумом является основным для подготовки студентов этой специальности. Цель данного курса – дать студентам базовую систему знаний о физических принципах, механизмах и моделях функционирования биологических систем, прежде всего, на молекулярном, клеточном и организменном уровне. В программу не вошли следующие разделы, которые рассматриваются подробно в соответствующих спецкурсах: Физические основы действия ионизирующих излучений, Биофизические эффекты электромагнитных полей, Математическое моделирование биологических процессов, Физические основы реакции биологических систем на внешние воздействия, Биофизика фотосинтеза, Биофизика популяций и экосистем. II. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА Биофизика как наука. История и методология биофизики. Единство принципов структуры и функции живых организмов. Системный подход в изучении живой природы. Термодинамика биологических процессов. Изолированные, замкнутые, открытые термодинамические системы. 1 и 2 начала термодинамики. Калориметрия. Равновесная термодинамика. Термодинамические потенциалы. Уравнение Вант-Гоффа. Неравновесная термодинамика. Скорость продукции энтропии. Диссипативная функция. Соотношения Онзагера. Теорема Пригожина. Диссипативные структуры. Устойчивость стационарных состояний. Принцип Ле-Шателье. Автоволновые процессы. Физика биополимеров и надмолекулярных структур. Уровни структурной организации макромолекул. Конформации макромолекул. Силы, стабилизизующие пространственную структуру макромолекул. Электростатические и Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Водородные связи. Гидрофобные взаимодействия и структура воды. Уровни организации белковых молекул. Локальные конформации участков полипептидной цепи. @-спираль, b-складчатый лист. Домены и третичная структура белка. Динамика белковой структуры. Физика ферментативного катализа. Закон действующих масс. Классификация ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Принцип стационарности. Нестационарная кинетика. Переходные состояния. Влияние температуры на скорость ферментативных реакций. Уравнения Аррениуса и Эйринга. Теории активированного комплекса. Аллостерические ферменты. Модели Моно-Ваймана-Шанжё и Кошланда-Немети-Филмера. 3
Фермента-тивный катализ. Конформационные и электронные стадии. Физика элементарного акта ферментативного катализа. Физика биологических мембран. Молекулярная организация клеточных мембран. Динамика липидов в мембране. Мембранные белки. Жидкостномозаичная структура мембран. Мембранный транспорт. Ионная проницаемость мембран. Мембранный потенциал. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца. Условие Уссинга-Теорелла для пассивного транспорта. Механизмы преобразования энергии в процессах окислительного фосфорилирования и фотосинтеза. АТФ-цикл. Дыхательная цепь и фосфолирирование, сопряжение с переносом электронов. Транс-мембранная разность электрохимических потенциалов. Первичные и вторичные генераторы потенциалов. Электрохимический потенциал как источник энергии. Электрическая возбудимость клеток. Потенциал-зависимые ионные каналы. Потенциал действия. Распространение потенциала действия. Кабельная теория. Метод фиксации потенциала. Воротные токи. Уравнения Ходжкина-Хаксли. Свойства потенциал зависимых Na+, K+ и Ca++- каналов. Поверхностный потенциал клеток. Модель Гуи-Чэпмена. Межклеточные взаимодействия. Щелевые соединения. Синаптическая передача. Нервно-мышечная передача у позвоночных. Секреция нейромедиаторов и постсинаптические потенциалы. Эндокринная система. Гормональная регуляция. Механизм действия стероидных гормонов. Рецепторы плазматических мембран. Gs- и Gi- белки. Рецепторы плазматических мембран. Вторичные посредники. Ионы кальция в регуляции деятельности клетки. Кальмодулин. Механизмы биологической подвижности. Реснички и жгутики. Микротрубочки и микрофиламенты. Амебоидное движение. Мышечное сокращение. Строение и функция исчерченного мышечного волокна. Возбуждение и сокращение в исчерченных мышцах. Саркоплазматический ретикулум. Модели передачи возбуждения. Молекулярные механизмы мышечного сокращения. Модель скользящих нитей. Саркомер. Протофибриллы. Миозин и АТФ-азная реакция. Вспомогательные белки. Тропонины и тропомиозин. Сердечная мышца. Потенциалы миокарда. Неисчерченные (гладкие) мышцы. Сокращение неисчерченной мышцы. Нервная система организма. Клетки нервной системы. Нейроны, их строение. Передача сигналов с помощью потенциалов действия. Потенциал-зависимые и лигандзависимые ионные каналы. Нервно-мышечный синапс позвоночных. Главные медиаторы и ингибиторы синаптической передачи и их рецепторы. Обработка сигналов в центральной нервной системе. Рецепторы, не связанные с каналами. Нейропептиды. Основные классы наркотиков и причины наркозависимости. Сенсорные клетки органов слуха и зрения и механизмы преобразования сигналов. Пролиферация и дифференцировка клеток. Перманентные клетки. Стволовые клетки. Пролиферативные единицы. Система крови. Плюрипотентная кроветворная стволовая клетка, ВОЕ, КОЕ и схема гемопоэза. Эритропоэтин, интерлейкин-3 и колониестимулирующие факторы. 4
Иммунная система организма. Клеточная основа иммунитета. Лимфоидные органы и лимфоциты. Теория клональной селекции. Антигенные детерминанты. Иммунологическая толерантность. Антитела. Пространственная структура антител. Разнообразие антител. Соматическое гипермутирование. Система комплемента. Т-лимфоциты и клеточный иммунитет. Цитотоксические Т-лимфоциты, Т-хелперы, Т-супрессоры и их функции. Молекулы главного комплекса гистосовместимости класса I и II. Антигенпредставляющие клетки. Локальные химические медиаторы интерлейкины 1, 2, 4, 5, 6, интерферон и их роль в активации Т-хелперов, В-лимфоцитов, макрофагов. Молекулярные механизмы патогенности ВИЧ. Гоместаз и его регуляция. Характеристики внутренней среды организма. Гуморальные механизмы регуляции кровотока. Регуляция газового, осмотического и клеточного состава крови.
Биофизика Составитель: Брильков Анатолий Васильевич. Редактор И.А. Вейсик Корректура автора
III. ФОРМЫ КОНТРОЛЯ. Промежуточный контроль в форме: а) контрольно-самостоятельные работы (всего 8 за семестр); б) зачет по лабораторным работам. Итоговый контроль – экзамен (устный по билетам). IV. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА Список литературы Основная литература 1. Рубин А.Б. Биофизика. Кн. 1, 2. - М., 2000. 2. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. В 3-х т. - М.: Мир, 1994. 3. Биофизика/ Под ред. П.Г.Костюка.- Киев, 1988. 4. Романовский Ю.М., Степанова Н.В., Чернавский Д.С. Математические модели в биофизике.- М., 1985. Дополнительная литература 1. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. - М., 1990. 2. Биофизика/под ред. Тарусова Б.Н.- М., 1968. 3. Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики. – М.,1977. 5. Физиология человека/ под ред. Р.Шмидта и Г.Тевса. В 3-х томах. -М.: Мир, 1996. 6. Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функции белков. -М.: Высшая школа, 1996.- 335 с. 7. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран.-М.: Наука, 1989. 8. Дж.Уилсон, Т.Хант. Молекулярная биология клетки. Сб. задач. - М.: Мир, 1994.
5
Подписано в печать 19.11.2002 Тиражируется на электронных носителях Заказ 168 Дата выхода 25.11.2002 Адрес в Internet: www.lan.krasu.ru/studies/editions.asp Отдел информационных ресурсов управления информатизации КрасГУ 660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, ауд. 22-05, e-mail:
[email protected] Издательский центр Красноярского государственного университета 660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, e-mail:
[email protected]
6
