| Закреплена за кафедрой | Кафедра зоологии и физиологии |
|---|---|
| Направление подготовки | 06.03.01. Биология |
| Профиль | Физиология |
| Форма обучения | Очная |
| Общая трудоемкость | 3 ЗЕТ |
| Учебный план | 06_03_01_Биология-34-2017 |
|
|
||||||||||||||
Распределение часов по семестрам
| Курс (семестр) | 4 (7) | Итого | ||
|---|---|---|---|---|
| Недель | 19 | |||
| Вид занятий | УП | РПД | УП | РПД |
| Лекции | 20 | 20 | 20 | 20 |
| Лабораторные | 24 | 24 | 24 | 24 |
| Сам. работа | 37 | 37 | 37 | 37 |
| Часы на контроль | 27 | 27 | 27 | 27 |
| Итого | 108 | 108 | 108 | 108 |
Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году
Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2017-2018 учебном году на заседании
кафедры
Кафедра зоологии и физиологии
Протокол от 01.06.2017 г. № 17
Заведующий кафедрой Мацюра А.В.
| 1.1. | расширить кругозор студентов и углубить их значения по смежным биологическим дисциплинам: физиологии, биохимии, микробиологии, биотехнологии и др. уметь анализировать биологические явления с использованием знаний приобретенных при изучении курса "Биофизика"; уметь применять на практике при выполнении курсовой, дипломной и другой научной работы знания, приобретенные при изучении кинетики, механизмов транспортных процессов; уметь практически относиться к публикациям в прессе по вопросам биологического действия радиации и выработать собственное мнение по проблемам развития энергетики; уметь применять знания, полученные на практических занятиях с использованием различных оптических приборов, на практике в дальнейшей научной работе и в лабораториях различного профиля деятельности. |
|---|
| Цикл (раздел) ООП: Б1.В |
| ОПК-5 | способностью применять знание принципов клеточной организации биологических объектов, биофизических и биохимических основ, мембранных процессов и молекулярных механизмов жизнедеятельности |
| ПК-2 | способностью применять на практике приемы составления научно-технических отчетов, обзоров, аналитических карт и пояснительных записок, излагать и критически анализировать получаемую информацию и представлять результаты полевых и лабораторных биологических исследований |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | - физические принципы строения и биофизические основы функционирования клеточных структур; - механизмы транспорта веществ; механизмы генерации биопотенциалов; - молекулярные механизмы транспорта веществ, дыхания, обмена веществ и энергии; ионные механизмы генерации биопотенциалов; физические основы дыхания, кровообращения, пищеварения и выделения; - методы естественнонаучных наук, необходимые для решения различных задач в профессиональной и социальной деятельности ; - способы работы с информацией, возможные пути ее получения, правила оформления научных статей, отчетов, патентов; - современные методы оформления научных результатов с применением математической статистики. |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | - применять различные физические законы для описания происходящих в биологических системах процессов; - использовать принципы клеточной организации для объяснения механизмов жизнедеятельности; - применять законы механики, оптики, акустики, термодинамики, гидродинамики для описания происходящих в биологических системах процессов; - применять освоенные биофизические методы; - использовать современные математические методы для решения биологических задач; - самостоятельно получать достоверную информацию из различных источников и оформлять документы, защищающие интеллектуальную собственность. |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | - биофизической терминологией; - опытом решения ситуационных задач, используя основные законы механики, электричества, электродинамики, физики волновых явлений; - опытом работы на технических устройствах, применяемых для медико-биологических исследований; - навыками работы на современных приборах; - приемами построения простых математических моделей биологических процессов; - современными математическими методами для решения биологических задач. |
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Введение | ||||||
| 1.1. | Биофизика как наука. Цели и задачи дисциплины. Физические и физико-химические закономерности и процессы в живых системах. Методические проблемы биофизики. Методы выделения и исследования субклеточных структур. Практикумы. | Лекции | 7 | 0 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.3, Л2.4, Л1.2, Л2.1 |
| 1.2. | История развития биофизики как науки. Связи биофизики с другими науками и с практической деятельностью человека. | Сам. работа | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л2.5, Л1.2, Л2.1 |
| Раздел 2. Термодинамика биологических процессов | ||||||
| 2.1. | Основные понятия классической термодинамики. Первый закон термодинамики. Доказательства применимости первого закона в биологии. Закон Гесса и его использование в биологии. Формулировки и математическое выражение второго закона термодинамики. Вероятностно-статистический смысл энтропии. Уравнение Больцмана. Свободная энергия Гиббса и Гельмгольца, их использование в биологии. | Лекции | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.3, Л2.4, Л1.2, Л2.1 |
| 2.2. | Термодинамика открытых систем. Поведение энтропии в открытых системах. Термодинамические условия осуществления стационарного состояния. Термодинамическое сопряжение реакций в биологических системах. Диссипативная функция и диссипативные системы. Понятие обобщенных сил и потоков. Линейные феноменологические уравнения и соотношения взаимности Онзагера. Теорема Пригожина о минимуме внутреннего производства энтропии при стационарном состоянии открытых систем. Критерий устойчивости стационорного состояния. Связь внутреннего производства энтропии с теплопродукцией. | Сам. работа | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л2.5, Л1.2, Л2.1 |
| Раздел 3. Кинетика биологических процессов | ||||||
| 3.1. | Основные понятия химической кинетики. Кинетика простейших ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Кооперативные свойства аллостерических ферментов. Уравнение Хилла. | Лекции | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л1.2, Л2.1 |
| 3.2. | Влияние концентрации субстрата, ph и температуры на кинетику ферментативной реакции | Лабораторные | 7 | 4 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л1.2 |
| 3.3. | Математическое моделирование и анализ биопроцессов | Лабораторные | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л1.2 |
| 3.4. | Кинетика последовательных реакций и принцип "узкого места" в биохимических реакциях. Особенности кинетики биохимических реакций в открытых системах. Кинетика параллельных биохимических реакций. Принцип Хиншельвуда. Циклические, аутокаталитические, цепные и автоколебательные процессы в живых системах. Влияние температуры на скорость биологических процессов. Температурный коэффициент Вант-Гоффа. Уравнение Арениуса. Определение энергии активации различных биологических процессов.Приемы изучения ферментативной активности, изотопный анализ. | Сам. работа | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.3, Л2.4, Л2.5, Л1.2, Л2.1 |
| Раздел 4. Молекулярная биофизика | ||||||
| 4.1. | Основные задачи молекулярной биофизики. Пространственная организация биополимеров. Типы взаимодействий в биологических макромолекулах. Характеристика сил слабого и сильного взаимодействия. Взаимодействия макромолекул с растворителем. Состояние воды и гидрофобные взаимодействия в биоструктурах. Участие гидрофобных взаимодействий в формировании пространственной структуры биологических макромолекул. | Лекции | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.3, Л2.4, Л1.2, Л2.1 |
| 4.2. | Вторичная, сверхвторичные, третичная и четвертичная структуры макромолекул. Предполагаемые механизмы формирования пространственной структуры биологических макромолекул. Значение молекулярного подхода для решения прикладных задач. | Сам. работа | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.4, Л2.5, Л1.2, Л2.1 |
| Раздел 5. Квантовая биофизика | ||||||
| 5.1. | Биофизика фотобиологических процессов. Основные стадии фотобиологических процессов. Зависимость фотобиологических реакций от энергии квантов. Физические основы взаимодействия фотонов с макромолекулами. Потенции фотометрии. | Лекции | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.3, Л2.4, Л1.2 |
| 5.2. | Методы световой микроскопии. Юстировка светового микроскопа. Определение линейных размеров био-объекта. | Лабораторные | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4 |
| 5.3. | Пути реализации энергии возбужденного состояния: люминесценция, внутримолекулярная конверсия, фотохимические реакции, миграция энергии. Механизмы миграции энергии. Поглощение света веществом. Спектры поглощения и спектры излучения. | Сам. работа | 7 | 4 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.4, Л2.5, Л1.2 |
| Раздел 6. Структура и функции биологических мембран | ||||||
| 6.1. | Культуры клеток и тканей, выделения и исследования субклеточных структур. Структура и функции биологических мембран: барьерная, транспортная, катализаторная, регуляторная. Участие первичных и вторичных мессенджеров в передаче сигнала внутрь клетки. Развитие представлений о структурной организации мембран. Различные модели строения мембран. Характеристика мембранных липидов. Основные и минорные липиды мембран. Структура фосфоглицеролипидов и сфинголипидов. /Лек/ | Лекции | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.4, Л2.5, Л1.2 |
| 6.2. | Определение сухой массы клеток с интерференционным микроскопом | Лабораторные | 7 | 4 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4 |
| 6.3. | Развитие представлений о структурной организации мембран. Различные модели строения мембран. Характеристика мембранных липидов. Основные и минорные липиды мембран. Структура фосфоглицеролипидов и сфинголипидов. Мембранные стероиды. Фазовое состояние липидов мембран. Латеральная и вращательная подвижность липидов. Переходы типа флип-флоп. Влияние внешних (экологических) факторов на структурно-функциональные характеристики липидного бимолекулярного слоя мембран. | Сам. работа | 7 | 4 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.4, Л2.5, Л1.2 |
| Раздел 7. Транспорт веществ через биологические мембраны | ||||||
| 7.1. | Общая характеристика процессов транспорта веществ через биомембраны. Основные понятия, терминология. Принципы регуляции метаболизма.Пассивный транспорт веществ. Простая (ограниченная) диффузия веществ. Связь проницаемости мембран с растворимостью проникших веществ в липидах. Пути проникновения различных веществ через биологические мембраны. Селективная избирательность каналов. Регуляция работы каналов. | Лекции | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.4, Л2.2, Л1.2 |
| 7.2. | Определение концентрации ионов в биообъектах с помощью пламенной фотометрии | Лабораторные | 7 | 6 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л2.5, Л1.2 |
| 7.3. | Облегченная диффузия ионов и молекул через мембрану. Концепция транспортных молекул-переносчиков. Природные и искусственные ионофоры-переносчики и каналоформеры. Сходство кинетики облегченной диффузии и ферментативного катализа. Активный транспорт веществ. Первично-активный транспорт ионов через клеточные мембраны, первые экспериментальные доказательства его существования. Типы транспортных АТФаз. Источники энергии для первично-активного транспорта. Модели первично-активного транспорта. Вторично-активный транспорт углеводов и аминокислот. Доказательства его существования. Источники энергии. Распространенность в живой природе. Эндо- и экзоцитоз - два противоположно направленных механизма транспорта крупных молекул и их комплексов с другими веществами. | Сам. работа | 7 | 4 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.4, Л2.5, Л1.2 |
| Раздел 8. Биоэлектрогенез | ||||||
| 8.1. | Физико-химические основы происхождения биоэлектрических потенциалов. Доннановское равновесие и потенциал Доннана. Современные представления о происхождении потенциала покоя. Электрогенный активный транспорт ионов. Пассивная утечка ионов по электрохимическому градиенту. Уравнение Гольдмана-Ходжкина. Различия в проницаемости мембраны для отдельных ионов в состоянии покоя. | Лекции | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.4, Л2.2, Л1.2, Л2.1 |
| 8.2. | Исследование потенциала покоя на растительных объектах | Лабораторные | 7 | 6 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4 |
| 8.3. | Потенциал действия. Роль изменения пассивной проницаемости мембраны для ионов калия и натрия в генерации потенциала действия в нервных и мышечных волокнах. Механизмы активации и инактивации ионных каналов. Распространение возбуждения. Кабельные свойства нервных волокон. Проведение возбуждения по безмякотным и мякотным нервным волокнам. Особенности генерации потенциалов покоя и действия у растений. | Сам. работа | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л2.5, Л1.2 |
| Раздел 9. Первичные процессы лучевого поражения | ||||||
| 9.1. | Радиобиология. Общая характеристика ионизирующих излучений. Источники ионизирующей радиации. Электромагнитные и корпускулярные излучения. Поглощение рентгеновских и гамма-излучений, нейтронов, заряженных частиц высоких энергий. Экспозиционная и поглощенная доза радиации. Относительная биологическая эффективность различных видов ионизирующей радиации. | Лекции | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.4, Л2.2, Л1.2 |
| 9.2. | Зависимость поражающего действия излучений от линейных потерь энергии. Непрямое действие радиации на биологические макромолекулы в результате образования активных продуктов радиолиза воды. Первичные продукты, образующиеся при прямом действии радиации на органические молекулы. | Сам. работа | 7 | 5 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л2.5, Л2.2, Л1.2 |
| Раздел 10. Радиационная биофизика клетки | ||||||
| 10.1. | Первичные физико-химические процессы в облученной клетке. Репродуктивная и интерфазная гибель клеток. Восстановительные процессы при лучевом поражении клеток. | Лекции | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.4, Л2.2, Л1.2 |
| 10.2. | Факторы, модифицирующие лучевое поражение: кислородный эффект, радиопротекторы и радиосенсибилизаторы, их химическая природа и биологическое действие. | Сам. работа | 7 | 6 | ОПК-5 | Л1.1, Л2.4, Л2.2, Л2.1 |
| Раздел 11. Радиационная биофизика многоклеточных организмов | ||||||
| 11.1. | Временные и дозовые эффекты действия радиации на сложные организмы. Сравнительная радиочувствительность биологических объектов и систем. Острое облучение. Синдромы острого лучевого поражения: костно-мозговой, кишечный, церебральный. | Лекции | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-2 | Л2.3, Л2.4, Л1.2, Л2.1 |
| 11.2. | Стадии развития острой лучевой болезни. Отдаленные последствия острого лучевого поражения. Действие малых доз радиации на организм. Теоретические представления о механизмах биологического действия ионизирующей радиации. Практическое значение радиационной биофизики. Изотопный анализ. | Сам. работа | 7 | 4 | ОПК-5, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л2.5, Л2.2, Л1.2, Л2.1 |
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| Контрольные вопросы по курсу 1. Первый закон термодинамики и его применимость к биологическим системам. 2. Критерии определения направления самопроизвольного развития процессов. 3. Сопряжение процессов в живых системах. 4. Кинетика ферментативных реакций в биологических системах. 5. Влияние температуры на скорость реакций в живых системах. 6. Характеристика сил, определяющих пространственную структуру биологических макромолекул. 7. Механизмы и последовательность процессов формирования пространственной структуры белков. 8. Характеристика биологического действия света. 9. Биологическое действие ионизирующей радиации. 10. Радиочувствительность различных организмов и стадии развития острого лучевого поражения многоклеточных организмов. 11. Характеристика факторов, модифицирующих лучевое поражение живых объектов. 12. Общая характеристика структуры и функций биологических мембран. 13. Характеристика процессов пассивного транспорта в биологических мембранах. 14. Характеристика движущих сил первично и вторично-активного транспорта веществ в биологических системах. 15. Электродиффузионная теория происхождения биоэлектрических потенциалов покоя. 16. Происхождение потенциалов действия в клетках животных и растений, их распространение. |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| Рефераты: Значение законов термодинамики для понимания направленности процессов эволюции живых систем. Свободная энергия Гиббса и Гельмгольца, их использование в биологии. Кооперативные свойства аллостерических ферментов Современные приемы и методы изучения активности ферментов. Значение молекулярного подхода для решения прикладных задач в биофизике. Физические основы взаимодействия фотонов с макромолекулами. История развите представлений о моделях строения мембран. |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| Рабочая программа дисциплины обеспечена фондом оценочных средств для проведения входного, текущего контроля и промежуточной аттестации. Фонд включает типовые задания, индивидуальные домашние задания, написание реферата, составление презентаций, составление опорного конспекта, задания для собеседования, вопросы к экзамену. Используемые формы текущего контроля: аудиторные самостоятельные и контрольные работы; устный опрос; устное сообщение; выступление с докладом. |
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | Минакова Н.Н., Устинов Г.Г. | Биофизика: пособие к практ. занятиям | Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2007 | 2 |
| Л1.2 | под ред. В. Г. Артюхова | Биофизика: учеб. для вузов | Екатеринбург : Деловая книга, 2009 | biblioclub.ru |
| 6.1.2. Дополнительная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л2.1 | Устинов Г.Г., Поляков В.В. | Медицинская физика: Физические процессы в организме человека: учеб. пособие | Барнаул : Изд-во АГУ, 2001 | 36 |
| Л2.2 | Антонов В.Ф. | Биофизика: учеб. для вузов | М. : Гуманит. издат. центр ВЛАДОС, 2000 | |
| Л2.3 | М. В. Волькенштейн | Биофизика: учеб. пособие | СПб.: Лань, 2008 | e.lanbook.com |
| Л2.4 | Рубин А.Б. | Биофизика: учеб. пособие для вузов | М.: Изд-во МГУ, М.: Наука., , 2004 | 1 |
| Л2.5 | Идиатулин В.С. | Основные понятия физики и биофизики: учеб. пособие для вузов | СПб.: Лань, 2008 | 1 |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | Биофизика / Под ред. Антонова В.Ф. – М.: ВЛАДОС, 2000. – 288с. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://sci-lib.com/search.php | |||
| Э2 | ЭУМКД "Биофизика" [электронный ресурс].Режим доступа http://portal.edu.asu.ru/ | |||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| - MS Word, MS Excel, MS PowerPoint. | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
| ИБС "Лань" ИБС "Университетская библиотека on-line" Научная электронная библиотека http://www.e-library.ru. | ||||
| Микроскопы "Биолам", "Микромед" Поляризационно-интерференционный микроскоп "Biolar" Пламенный фотометр ФП-2 Иономер И-115 Оборудование: вытяжной шкаф, пламенный фотометр, центрифуги, ФЭК, рН-метр, весы технические, весы торсионные, магнитная мешалка с подогревом, термостат, сушильный шкаф, водяная баня, дистиллятор, бинокуляр, микроскопы. Инструменты: пинцеты, шпатели, предметные и покровные стекла, спиртовки, компьютер (IBM-совместимый), программное обеспечение (математические модели численности популяция). Посуда: капельницы, стаканы, колбы, пробирки, пипетки, чашки Петри. Реактивы и расходные материалы: уксусная кислота, соляная кислота, ацетон, этиловый спирт, едкий нарт, едкий калий, натрий хлористый, калий хлористый, иммерсионное масло. |
Целью дисциплины является формирование представлений о теоретических основах и основных методах биофизики, применение полученных знаний и навыков в решении профессиональных задач. Требования к уровню освоения содержания курса: в процессе освоения дисциплины формируются компетенции профиля «Биофизика» и компетенции ОК-18, ПК-4, ПК-5. При изучении первого раздела студентам необходимо усвоить базовые представления об особенностях кинетики биологических процессов; особенности кинетики ферментативных реакций; фермент-субстратные комплексы, влияние различных факторов на кинетику ферментативных реакций (ингибиторы, активаторы, рН среды, ионы металлов); современная иерархия и принцип «узкого места»; колебательные процессы в биологии; пространственная организация и саморегуляция биологических систем. При изучении второго раздела раздела студентам необходимо усвоить базовые представления Термодинамика биологических систем. Законы термодинамики, изменения энтропии в открытых системах; термодинамические условия существования и устойчивости стационарного состояния; понятие обобщенных сил и потоков; границы применимости линейной термодинамики в биологии; нелинейная термодинамика; связь энтропии и информации в биологических системах. При изучении третьего раздела необходимо усвоить базовые понятия молекулярной биофизики - пространственное строение и функции белков, связь между структурой и функцией белков в организме; динамические свойства глобулярных белков, структура биополимеров, особенности взаимодействия белков с субстратом; биофизика нуклеиновых кислот. При изучении третьего раздела необходимо усвоить базовые понятия биофизики фотобиологических процессов. Стадии фотобиологических процессов. Физические основы взаимодействия фотонов с макромолекулами. Понятие о спектрах поглощения и спектрах излучения биомолекул. Четвертый раздел посвящен биофизики клетки, где студентам необходимо усвоить следующие базовые понятия и представления: современные представления о структурно-функциональной организации клеточных мембран. Механизмы транспорта веществ через биомембраны, и их характеристика. Пятый раздел – биоэлектрогенез, мхенизмах возникновения ПД и ПП, передачи возбуждения по НВ. Здесь необходимо обратить внимание на механизмы участия первичных и вторичных мессенджеров в передаче сигнала внутрь клетки. При изучении третьего раздела необходимо усвоить основные понятия радиационной биофизики клетки. Первичные физико-химические процессы в облученной клетке. Репродуктивная и интерфазная гибель клеток. Восстановительные процессы при лучевом поражении клеток. Факторы, модифицирующие лучевое поражение: кислородный эффект, радиопротекторы и радиосенсибилизаторы, их химическая природа и биологическое действие. В преподавании курса «Общая и медицинская биофизика» используются следующие инновации, ориентированные на развитие у студентов мотивации к самостоятельной учебно-познавательной деятельности, творческой инициативности: 1. компьютерная презентация лекций; 2. тестовый самоконтроль знаний студентов в компьютерных классах; 3. самостоятельная работа студентов на занятиях, а также работа в парах и группах; 3. научно-исследовательская работа студентов; 4. совместное решение естественнонаучных задач, дискуссии, мини-конференции; 5. мультимедийные учебные пособия; 6. индивидуальная работа студентов по написанию рефератов; 7. метод вопросов и ответов; 8. использование критериев бально-рейтинговой системы по принципу накопительной системы баллов в оценки знаний студентов. |