МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Биофизика

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра зоологии и физиологии
Направление подготовки06.03.01. Биология
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость3 ЗЕТ
Учебный план06_03_01_Биология-4-2020
Часов по учебному плану 108
в том числе:
аудиторные занятия 42
самостоятельная работа 39
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 7

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 4 (7) Итого
Недель 15
Вид занятий УПРПДУПРПД
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

Программу составил(и):
к.б.н., доцент, Требухов А.В.

Рецензент(ы):
к.б.н., доцент, Воронина И.Ю.

Рабочая программа дисциплины
Биофизика

разработана в соответствии с ФГОС:
ФГОС ВО по направлению подготовки 06.03.01 Биология (уровень бакалавриата), утвержденный приказом Министерства образования и науки РФ «07» августа 2014 г. № 944.

составлена на основании учебного плана:
06.03.01 Биология
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра зоологии и физиологии

Протокол от 28.08.2020 г. № 1
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
Мацюра А.В.


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. Цели освоения дисциплины

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.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.02

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

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.

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 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. 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

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

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)

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

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)

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.