Закреплена за кафедрой | Кафедра зоологии и физиологии |
---|---|
Направление подготовки | 06.03.01. Биология |
Форма обучения | Очная |
Общая трудоемкость | 3 ЗЕТ |
Учебный план | 06_03_01_Биология-4-2020 |
|
|
Распределение часов по семестрам
Курс (семестр) | 4 (7) | Итого | ||
---|---|---|---|---|
Недель | 15 | |||
Вид занятий | УП | РПД | УП | РПД |
Лекции | 18 | 20 | 18 | 20 |
Лабораторные | 24 | 24 | 24 | 24 |
Сам. работа | 39 | 37 | 39 | 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 2020-2021 учебном году на заседании
кафедры
Кафедра зоологии и физиологии
Протокол от 28.08.2020 г. № 1
Заведующий кафедрой Мацюра А.В.
1.1. | Сформировать 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. |
---|
Цикл (раздел) ООП: Б1.В.02 |
ОПК-5 | способностью применять знание принципов клеточной организации биологических объектов, биофизических и биохимических основ, мембранных процессов и молекулярных механизмов жизнедеятельности |
ПК-1 | способностью эксплуатировать современную аппаратуру и оборудование для выполнения научно-исследовательских полевых и лабораторных биологических работ |
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. |
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 освоенные биофизические методы изучения живых систем на практике. |
3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
3.3.1. | - биофизической терминологией; - навыками работы на современных приборах; - приемами построения простых математических моделей биологических процессов; навыками обработки результатов экспериментов. |
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-1 | Л2.1, Л1.1 |
1.2. | История развития биофизики как науки. Связи биофизики с другими науками и с практической деятельностью человека. | Сам. работа | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-1 | Л1.2, Л2.1, Л2.2, Л1.1 |
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-1 | 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-1 | Л1.2, Л2.1, Л2.2, Л1.1 |
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-1 | Л1.2, Л2.1, Л1.1 |
3.2. | Влияние концентрации субстрата, ph и температуры на кинетику ферментативной реакции | Лабораторные | 7 | 4 | ОПК-5, ПК-1 | Л1.2, Л2.2 |
3.3. | Математическое моделирование и анализ биопроцессов | Лабораторные | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-1 | 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-1 | Л2.1, Л2.2, Л1.1 |
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 | Л2.1, Л2.2 |
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 | Л2.1, Л2.2 |
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 | Л1.1 |
5.2. | Методы световой микроскопии. Юстировка светового микроскопа. Определение линейных размеров био-объекта. | Лабораторные | 7 | 2 | ОПК-5, ПК-1 | Л1.2, Л1.1 |
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-1 | Л1.1 |
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-1 | |
6.2. | Определение сухой массы клеток с интерференционным микроскопом | Лабораторные | 7 | 4 | ОПК-5, ПК-1 | Л1.2 |
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-1 | Л2.2, Л1.1 |
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-1 | |
7.2. | Определение концентрации ионов в биообъектах с помощью пламенной фотометрии | Лабораторные | 7 | 6 | ОПК-5, ПК-1 | 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-1 | Л2.2 |
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-1 | Л2.1, Л1.1 |
8.2. | Исследование потенциала покоя на растительных объектах | Лабораторные | 7 | 6 | ОПК-5, ПК-1 | Л1.2 |
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-1 | Л1.2, Л2.2 |
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 | |
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 | 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-1 | |
10.2. | Факторы, модифицирующие лучевое поражение: кислородный эффект, радиопротекторы и радиосенсибилизаторы, их химическая природа и биологическое действие. | Сам. работа | 7 | 6 | ОПК-5, ПК-1 | Л1.2, Л2.1, Л1.1 |
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-1 | Л2.1, Л1.1 |
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-1 | Л1.2, Л2.1, Л1.1 |
11.3. | Экзамен | 7 | 27 | ОПК-5, ПК-1 | Л1.2 |
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 |
6.1. Рекомендуемая литература | ||||
6.1.1. Основная литература | ||||
Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
Л1.1 | под ред. В. Г. Артюхова | Биофизика: учеб. для вузов | Академ. Проект, 2009 | |
Л1.2 | Минакова Н.Н., Устинов Г.Г. | Биофизика: пособие к практ. занятиям | Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2007 | 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 |
Л2.2 | Требухов А. В. | Практикум по биофизике: учеб.-метод. пособие | Барнаул: [Пять плюс], 2016 | 2 |
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
Название | Эл. адрес | |||
Э1 | Электронная база данных «Scopus» | www.scopus.com | ||
Э2 | Электронная библиотечная система Алтайского государственного университета | elibrary.asu.ru | ||
Э3 | Научная электронная библиотека elibrary | elibrary.ru | ||
Э4 | Курс на Moodle "Биофизика" | portal.edu.asu.ru | ||
6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
MS Word, MS Excel, MS PowerPoint. Microsoft Windows 7-Zip AcrobatReader | ||||
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) |
Аудитория | Назначение | Оборудование |
---|---|---|
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 |
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. |
Учебная аудитория | для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик | Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска) |
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. |