zabika.ru 1




Составитель:

Д.Л. Коваленко
— доцент кафедры оптики УО «ГГУ им. Ф. Скорины»,

кандидат физико-математических наук.


Рецензенты:


А.А. Бойко
— кандидат физико-математических наук, проректор по научной работе ГГТУ им. П.О. Сухого;

А.В. Семченко — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиофизики и электроники «ГГУ им. Ф. Скорины»

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:
Кафедрой оптики УО «ГГУ им. Ф. Скорины»
(протокол № __ от ____ _____________ 200__);
Методическим советом физического факультета

УО «ГГУ им. Ф. Скорины»
(протокол № __ от ____ _____________ 200__);


Ответственный за редакцию: Д.Л. Коваленко

Пояснительная записка
Дисциплина «Физика биосистем» представляет собой логически связанный набор проблем теоретической и экспериментальной биофизики. В дисциплине "Физика биосистем" рассматриваются физические основы организации и функционирования очень обширного класса материальных объектов - живых систем. Программа дисциплины включает рассмотрение следующих блоков: физические основы формирования живых систем; структурная организация молекулярных компонентов, мембран и клеток; динамика и энергетика процессов в живых системах; молекулярные механизмы процессов в клетках и тканях.

Цель дисциплины - усвоение студентами основных представлений о молекулярных основах строения живых систем, физических основах функционирования клеток и организмов, подготовка к чтению специальной литературы. Изложение дисциплины «Физика биосистем» построено таким образом, чтобы у студентов сформировалось понимание закономерностей мира живых систем. Они должны овладеть основными представлениями молекулярного и клеточного строения биосистем и уметь использовать их для постановки и решения конкретных физических проблем, связанных со строением, свойствами и функционированием объектов живой природы. Излагая конкретные проблемы Наук о Жизни, особое внимание следует уделять разъяснению физической сущности рассматриваемых явлений, современной интерпретации сути биологических явлений и процессов, а также методов экспериментальных исследований биосистем.


Задачами дисциплины являются:

- ознакомление с основными физическими понятиями, используемых для характеристики биосистем;

- усвоение основных законов термодинамики их применение при описании устойчивых и квазиустойчивых состояний биосистем, энтропии;


  • овладение основами физико-химических процессов в биополимерах;

  • формирование умений и навыков экспериментального наблюдения и теоретического изучения основных явлений в физике биосистем;

Материал дисциплины основан на знаниях, полученных студентами при изучении таких дисциплин, как «Механика», «Молекулярная физика», «Электричество и магнетизм», «Квантовая механика», «Термодинамика».

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать:

  • основные понятия молекулярной и клеточной биофизики;

  • основные свойства биомолекул - белков, нуклеиновых кислот, липидов и углеводов, липидных биослоев, клеточных мембран;

  • основные механизмы хранения и обработки информации в клетках.

уметь:

  • - объяснять физико-химические свойства биомакромолекул, строение мембран и клеток, строение ионных каналов, механизмы ряда явлений, в том числе механизмы возникновения мембранного потенциала.

Дисциплина «Физика биосистем» изучается студентами 4 курса специальности 1-31 04 01 Физика (по направлениям) 1-31 04 01 02 Физика (производственная деятельность).

Общее количество часов – 44; аудиторное количество часов – 36, из них: лекции – 36. Самостоятельная управляемая работа студентов (СУРС) – 12 часов. Форма отчётности – экзамен.

Примерный тематический план




пп

Название темы


Всего

часов

В том числе

лек-ции

практич. занятия

Лабор.

заня-

тия

СУРС

1

Введение Предмет биофизики.

Структура и свойства воды

2

2










2

Mежмолекулярные взаимодействия

2

2










3

Строение, функции и свойства клеток.

2

2










4

Структура и свойства белков.

Физика ферментов

2

2










5

Строение, функции нуклеиновых кислот

2

2








6

Свойства нуклеиновых кислот

2










2

7

Строение и свойства углеводов. Липиды и липидные структуры

2

2










8

Строение мембран клеток.

2

2










9

Физические свойства мембран клеток.

2

2










10

Применение термодинамики в биологии

2

2










11

Движущие силы биологических процессов с позиций энергодинамики.

2

2










12

Описание процессов преобразования энергии в биосистемах

2

2










13

Транспорт веществ в клетках

2










2

14

Внутриклеточная сигнализация

2

2










15

Ультразвук в биологических средах, его физические и энергетические параметры

2










2

16

Источники ультразвука. Применение ультразвука в биологии

2










2

17

Свойства лазерного излучения и влияние его на биологические системы

2











2

18

Способы применения лазерного излучения

2










2




ВСЕГО часов

36

24







12

Содержание учебного материала



Тема 1 Введение. Предмет физики живых систем. Структура и свойства воды.

Физика биосистем как наука. Основные разделы физики биосистем. Основные общие понятия физики биосистем. Объекты живой и неживой природы. Квантовая природа мутагенеза. Точка зрения Н. Бора, Э. Шреденгера и др. на проблему исследования биосистем. Живые организмы – открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система. Понятия «биофизика», "живая система", «Науки о Жизни» и другие (понятия). Современные представления о структуре воды. Водные растворы. рН и ионная сила раствора. Термодинамические свойства растворов. Свободная и связанная вода в биосистемах.
Тема 2 Межмолекулярные взаимодействия.

Парные потенциалы взаимодействия между двумя молекулами. Разделение межмолекулярных взаимодействий по типам. Взаимодействия Ван-дер-Вальса: ориентационные, индукционные, дисперсионные взаимодействия. Водородная связь. Электростатические взаимодействия.
Тема 3 Строение, функции и свойства клеток.

Формы и размеры клеток. Химический состав клеток. Строение клеток и некоторых ее подсистем. Содержимое живой клетки. Функции клеток: деление, обмен веществ, Раздражимость. Роль органических соединений в осуществлении функций клетки.

Тема 4Структура, свойства и функции белков. Физика ферментов.

Аминокислоты. Полипептидная цепь. Пространственная структура белка. Физические свойства белка. Динамика белка. Фазовые переходы в белках. Оптические свойства белков. Свойства гемоглобина и ряда других белков. Функции белков. Ферментативный катализ. Химическая кинетика. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Взаимодействие антиген-антитело.
Тема 5 Строение и функции нуклеиновых кислот.

Описание нуклеиновых кислот. Структура ДНК и РНК. Моносахариды (пентоза) нуклеиновых кислот – рибоза и дезоксирибоза. Реализация генетической информации в биосистемах.
Тема 6 Свойства нуклеиновых кислот.

Репликация и транскрипция. Трансляция нуклеиновых кислот в белки. Генетический код.
Тема 7 Строение и свойства углеводов. Липиды и липидные структуры.

Строение и свойства. Молекулярное узнавание. Обработка и хранение информации с участием углеводов. Полиморфизм липидных структур. Фазовые переходы в липидных структурах.

Тема 8 Строение мембран клеток.

Активный транспорт через мембраны. Окислительное фосфорилирование и фотосинтез. Унитарная модель структуры мембран.
Тема 9 Физические свойства мембран клеток.

Молекулярные свойства липидов. Жидкокристаллические (жидкостные) свойства мембран. Физические свойства белков в мембранах. Белок-липидные взаимодействия в мембранах. Конформационные переходы в мембранах.
Тема 10 Применение термодинамики в биологии.

Термодинамика открытых систем. Энтропия, информация и биологическая упорядоченность. Детерминированный хаос в биосистемах. Основы термодинамики неравновесных процессов. Второе начало термодинамики и энтропия неравновесных систем. Энтропия и информация. Особенности термодинамики биологических систем.
Тема 11 Движущие силы биологических процессов с позиций энергодинамики.

Нахождение движущих сил биологических процессов. Нахождение обобщенных скоростей биологических процессов с позиций энергодинамики. Нахождение уравнений «пассивного транспорта» в биосистемах.

Тема 12 Преобразование энергии в биосистемах.

Специфика процессов преобразования энергии в биосистемах. Описание процессов преобразования энергии в биосистемах.
Тема 13 Транспорт веществ в клетках.

Вода как проводник веществ. Прохождение воды сквозь мембрану. Транспортные явления в мембранах и организмах. Общая характеристика клеточных мембран. Диффузия веществ в растворе и через мембрану. Осмос. Типы проникновения веществ в клетку через мембраны. Перенос ионов через мембраны. Эндоцитоз и экзоцитоз.
Тема 14 Внутриклеточная сигнализация.

Экстраклеточные сигналы. Проблема молекулярного узнавания в биосистемах. Вазоактивные агенты. Трансдукция сигналов в клетках. Механизмы хранения и обработки информации в клетках. Органы и ткани как эндокринные железы. Связывание лигандов с рецепторами.
Тема 15 Ультразвук в биологических средах, его физические и энергетические параметры.

Физические параметры ультразвука. Энергетические параметры ультразвука. Амплитуда смещения, колебательная скорость и коэффициент затухания ультразвуковой волны. Механический резонанс. Скорость распространения ультразвуковой энергии в среде.
Тема 16 Источники ультразвука. Применение ультразвука в биологии.

Ультразвуковой свисток Гальтона с резонансной полостью. Современные ультразвуковые сирены. Применение ультразвука в медицине в диагностических и лечебных целях. Применение ультразвука в биологии.
Тема 17 Свойство лазерного излучения и влияние его на биологические системы.

Свойства лазерного излучения. Монохромотичность, пространственная когерентность, поляризованность. Типы низкоэнергетических лазеров. Фотобиологические эффекты воздействия лазерного излучения.
Тема 18 Способы применения лазерного излучения.

Биологическое использование лазеров. Способы применения лазерного излучения (дистанционный, контактный, контактный с компрессией, контактно-зеркальный, внутрисосудистый, внутриорганный, внутриполостной, способ введения излучателя, экстракорпоральный).


Информационно-методическая часть

Рекомендуемые формы контроля знаний

Коллоквиум

Рекомендуемые темы коллоквиумов


  1. Разделы, связанные с молекулярными основами строения клеток.

  2. Разделы, связанные со строением клеток.

  3. Разделы, связанные с физико-химическими свойствами.

  4. Разделы, связанные с механизмами транспорта веществ.

  5. Разделы, связанные с информационными процессами в клетках.



РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная

  1. Рубин, А.Б. Биофизика. Т.1. /Рубин А.Б. М.: Высшая школа, 1988

  2. Рубин А.Б. Биофизика. Т.2. /Рубин А.Б. М.: Высшая школа, 1989

  3. Черенкевич, С.Н. Транспорт веществ через биологические мембраны. /Черенкевич С.Н., Хмельницкий А.И. Минск.: БГУ, 2007; и соответствующие Презентации

  4. Черенкевич, С.Н. Физика биологических мембран. Электронный конспект лекций и Презентации. /Черенкевич С.Н. Минск.: БГУ, 2007.

  5. Волькенштейн, М.В. Биофизика. /Волькенштейн М.В. М.: Наука, 1981.

  6. Шредингер, Э. Что такое жизнь с точки зрения физики.

/Шредингер Э. М.: Иностранная литература, 1972.

  1. Костюк, П.Г. Биофизика. /Костюк П.Г. Киев.: КГУ,1988.


Дополнительная


  1. Рубин, А.Б. Лекции по биофизике. /Рубин А.Б. М.: МГУ, 1994.

  2. Оглезнева, Н.Я. Медицинская и биологическая биофизика. /Оглезнева Н.Я. Омск, 1994.

  3. Рубин, Ф.Б. Биофизика. Т.1. Теоретическая биофизика. / Рубин Ф.Б. М.: Книжный дом «Университет», 1999.

  4. Мари, З. Биохимия человека. /Марри З. Москва.: Мир, 2001.