1. Цели освоения дисциплины
| 1.1. | формировать у студентов представления: - о физических принципах строения и биофизических основах функционирования клеточных структур, тканей и органов; - механизмах транспорта веществ и генерации биопотенциалов; - о применении различных физические законы для описания происходящих в биологических системах процессов; - о построения математических моделей биологических процессов, а также приемам м навыкам обработки результатов биологических экспериментов с использованием современных компьютерных средств. |
|---|
2. Место дисциплины в структуре ООП
| Цикл (раздел) ООП: Б1.О.04 |
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
| ОПК-2 | Способен применять принципы структурно-функциональной организации, использовать физиологические, цитологические, биохимические, биофизические методы анализа для оценки и коррекции состояния живых объектов и мониторинга среды их обитания; |
| ОПК-2.1 | Знает принципы структурно-функциональной организации, основные системы жизнеобеспечения и гомеостатической регуляции жизненных функций живых организмов; ориентируется в современных методических подходах, концепциях и проблемах цитологии, анатомии, физиологии, биохимии, биофизики |
| ОПК-2.2 | Умеет осуществлять выбор методов, адекватных для решения исследовательских задач и выявлять связи физиологического состояния объекта с факторами окружающей среды |
| ОПК-2.3 | Владеет опытом применения методов для оценки состояния живых объектов |
| 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. - биофизической терминологией; |
| 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. |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | - опытом решения ситуационных задач, используя основные законы механики, электричества, электродинамики, физики волновых явлений; - опытом работы на технических устройствах, применяемых для медико-биологических исследований. |
4. Структура и содержание дисциплины
| 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 | 8 | 1 | Л2.1, Л1.2 | |
| 1.2. | История развития биофизики как науки. Связи биофизики с другими науками и с практической деятельностью человека. | Сам. работа | 8 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| Раздел 2. Кинетика биологических процессов | ||||||
| 2.1. | Основные понятия химической кинетики. Кинетика простейших ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Кооперативные свойства аллостерических ферментов. Уравнение Хилла. | Сам. работа | 8 | 1 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 2.2. | Влияние концентрации субстрата, ph и температуры на кинетику ферментативной реакции | Лабораторные | 8 | 4 | Л1.1, Л1.2 | |
| 2.3. | Математическое моделирование и анализ биопроцессов | Сам. работа | 8 | 2 | Л1.1 | |
| 2.4. | 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 | 8 | 2 | Л2.1, Л1.2 | |
| Раздел 3. Молекулярная биофизика | ||||||
| 3.1. | 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 | 8 | 1 | Л2.1, Л1.2 | |
| 3.2. | Вторичная, сверхвторичные, третичная и четвертичная структуры макромолекул. Предполагаемые механизмы формирования пространственной структуры биологических макромолекул. Значение молекулярного подхода для решения прикладных задач. | Сам. работа | 8 | 2 | Л2.1 | |
| Раздел 4. Квантовая биофизика | ||||||
| 4.1. | Биофизика фотобиологических процессов. Основные стадии фотобиологических процессов. Зависимость фотобиологических реакций от энергии квантов. Физические основы взаимодействия фотонов с макромолекулами. Потенции фотометрии. | Лекции | 8 | 1 | ||
| 4.2. | Методы световой микроскопии. Юстировка светового микроскопа. Определение линейных размеров био-объекта. | Сам. работа | 8 | 2 | Л1.1, Л1.2 | |
| 4.3. | 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 | 8 | 4 | Л1.2 | |
| Раздел 5. Биофизика мембран | ||||||
| 5.1. | 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/ | Сам. работа | 8 | 2 | Л1.2 | |
| 5.2. | Определение сухой массы клеток с интерференционным микроскопом | Сам. работа | 8 | 4 | Л1.1, Л1.2 | |
| 5.3. | 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 | 8 | 4 | ||
| Раздел 6. Транспорт веществ через биологические мембраны | ||||||
| 6.1. | 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 | 8 | 1 | ||
| 6.2. | Определение концентрации ионов в биообъектах с помощью пламенной фотометрии | Сам. работа | 8 | 6 | Л1.1 | |
| 6.3. | 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 | 8 | 5 | Л1.2 | |
| Раздел 7. Биоэлектрогенез | ||||||
| 7.1. | 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. | Сам. работа | 8 | 4 | Л2.1 | |
| 7.2. | Исследование потенциала покоя на растительных объектах | Лабораторные | 8 | 6 | Л1.1 | |
| 7.3. | 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 | 8 | 2 | Л1.1 | |
| Раздел 8. Первичные процессы лучевого поражения | ||||||
| 8.1. | 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. | Сам. работа | 8 | 4 | Л1.2 | |
| 8.2. | 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 | 8 | 5 | Л1.1 | |
| Раздел 9. Радиационная биофизика клетки | ||||||
| 9.1. | Первичные физико-химические процессы в облученной клетке. Репродуктивная и интерфазная гибель клеток. Восстановительные процессы при лучевом поражении клеток. | Лабораторные | 8 | 2 | ||
| 9.2. | Факторы, модифицирующие лучевое поражение: кислородный эффект, радиопротекторы и радиосенсибилизаторы, их химическая природа и биологическое действие. | Сам. работа | 8 | 6 | Л1.1, Л2.1 | |
| Раздел 10. Радиобиология | ||||||
| 10.1. | 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 | 8 | 2 | Л2.1 | |
| 10.2. | 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 | 8 | 6 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 10.3. | Экзамен | 8 | 27 | Л1.1, Л1.2 | ||
5. Фонд оценочных средств
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| см. Приложение ФОС |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| см. Приложение ФОС |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| см. Приложение ФОС |
| Приложения |
|
Приложение 1.
ФОС Биофизика.docx
|
6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
| 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 | Требухов А. В. | Практикум по биофизике: учеб.-метод. пособие | Барнаул: [Пять плюс], 2016 | 2 |
| 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 |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | Научная электронная библиотека elibrary | elibrary.ru | ||
| Э2 | Электронная библиотечная система Алтайского государственного университета | elibrary.asu.ru | ||
| Э3 | Курс на Moodle "Биофизика" | portal.edu.asu.ru | ||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| Microsoft Office 2010 (Office 2010 Professional, № 4065231 от 08.12.2010), (бессрочно); Microsoft Windows 7 (Windows 7 Professional, № 61834699 от 22.04.2013), (бессрочно); Chrome (http://www.chromium.org/chromium-os/licenses ), (бессрочно); 7-Zip (http://www.7-zip.org/license.txt ), (бессрочно); AcrobatReader (http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf), (бессрочно); ASTRA LINUX SPECIAL EDITION (https://astralinux.ru/products/astra-linux-special-edition/), (бессрочно); LibreOffice (https://ru.libreoffice.org/), (бессрочно); Веб-браузер Chromium (https://www.chromium.org/Home/), (бессрочно); Антивирус Касперский (https://www.kaspersky.ru/), (до 23 июня 2024); Архиватор Ark (https://apps.kde.org/ark/), (бессрочно); Okular (https://okular.kde.org/ru/download/), (бессрочно); Редактор изображений Gimp (https://www.gimp.org/), (бессрочно) Microsoft Office 2010 (Office 2010 Professional, № 4065231 от 08.12.2010), (бессрочно); Microsoft Windows 7 (Windows 7 Professional, № 61834699 от 22.04.2013), (бессрочно); Chrome (http://www.chromium.org/chromium-os/licenses), (бессрочно); 7-Zip (http://www.7-zip.org/license.txt), (бессрочно); AcrobatReader (http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf), (бессрочно); ASTRA LINUX SPECIAL EDITION (https://astralinux.ru/products/astra-linux-special-edition/), (бессрочно); LibreOffice (https://ru.libreoffice.org/), (бессрочно); Веб-браузер Chromium (https://www.chromium.org/Home/), (бессрочно); Антивирус Касперский (https://www.kaspersky.ru/), (до 23 июня 2024); Архиватор Ark (https://apps.kde.org/ark/), (бессрочно); Okular (https://okular.kde.org/ru/download/), (бессрочно); Редактор изображений Gimp (https://www.gimp.org/), (бессрочно) | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
| 1. Электронная база данных «Scopus» (http://www.scopus.com); 2. Электронная библиотечная система Алтайского государственного университета (http://elibrary.asu.ru); 3. Научная электронная библиотека elibrary (http://elibrary.ru) | ||||
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
| Аудитория | Назначение | Оборудование |
|---|---|---|
| 227Л | лаборатория физиологии - учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа; занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Учебная мебель на 15 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска меловая 1 шт.; лабораторные столы – 8 шт.; весовой стол; химической посуды; реактивы; 2 раковины; компьютер: марка Aquarius модель Pro P30 S46 - 1 единица; стационарный проектор: марка Casio XJ модель M140 - 1 единица; стационарный экран: марка Digis Optimal-C 1:1 111" (200*200) модель MW DSOC-1103 - 1 единица; монитор: марка Acer модель AL 1917; шкаф вытяжной ЛАБ-900 ШВ-Н ЛОиП; сухожаровой шкаф; весы электронные ВСП-0,5/0,1-1; термометры автоматические и водные; автоматический гематологический анализатор в комплекте Mythic 22; глюкометр ONE TOUCH ULTRA; коагулометр автоматический MaxmatPL Coag с принадлежностями; анализатор оценки баланса водных секторов организма МЕДАСС; капнометр ультразвуковой КП-01 ЕЛАМЕД; электрокардиограф ЭК1Т-07; индикатор глазного давления; динамометр кистевой ДК-100; спирометр сухой портативный; тазомер акушерский; ростомер электронный РЭП; термометр Checktemp; тонометр OMRON М6 Comfort с адаптером; холодильник «Саратов»; спиртовые горелки; дозаторы автоматические 0,5*5 мл, 1-10 мкл, 10-100 мкл, 100-1000 мкл; камера УФ-бактерицидная КВ-02-«Я»-ФП; облучатель-рециркулятор УФ-бактерицидный «СИБЭСТ-20»; полка ультравиола-ультрафиолет; тонометры МТ-20; штатив Rekam QPod S-500; комплект лабораторной посуды и реактивы для проведения лабораторных работ по физиологии. |
| 119Л | абонемент и читальный зал научной литературы фен – помещение для самостоятельной работы | Учебная мебель на 44 посадочных места; компьютер; ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ |
8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
| 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 ОПК-5, ПК-1. 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 квантовой биофизики и 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 шестого раздела необходимо усвоить основные законы и понятия радиационной биофизики. Изучить первичные физико-химические процессы в облученной клетке. Последствия действия радиации на клетку: 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 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. |