Биофизические процессы в биологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Белгородский государственный национальный исследовательский университет»
Рабочая программа дисциплины
«Биофизические процессы в биологии»
Направление подготовки
020400.68 Биология
Магистерская программа
Микробиология
Белгород, 2013
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению
подготовки
020400.68 Биология
Автор:
доцент кафедры анатомии и физиологии живых организмов, кандидат биологических
наук, доцент А.А. Присный
должность, ученая степень, ученое звание, инициалы и фамилия
Программа одобрена
кафедрой анатомии и физиологии живых организмов
Протокол заседания кафедры от
№
дата
Программа согласована
Протокол заседания
кафедры биотехнологии и микробиологии
от
дата
Реквизиты протоколов заседаний кафедр, на которых пересматривалась программа
Кафедра, за которой закреплена дисциплина
от
Выпускающая кафедра
№
от
№
№
от
№
№
от
дата
от
дата
от
дата
от
№
от
дата
от
№
дата
№
дата
№
дата
от
№
дата
1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
1.1. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Дисциплина «Биофизические процессы в биологии», входящая в математический и естественнонаучный цикл вариативной части (М2.В.ДВ.1.2)
федерального государственного образовательного стандарта по направлению
020400.68 Биология, предназначена для ознакомления будущих магистров с
физическими и физико-химическими процессами в биологических системах
на всех уровнях структурной организации от молекулярного до организменного. Построение курса направлено на формирование у обучающихся целостного естественнонаучного мировоззрения и приобретения ими специальных навыков использования физических методов в биологических исследованиях.
Приступая к изучению дисциплины «Биофизические процессы в биологии», магистрант должен знать основы цитологии и гистологии, физиологии человека и животных, изучаемых в курсе бакалавриата.
Освоение данной дисциплины необходимо как предшествующий этап
для научно-исследовательской практики; при подготовке магистерской диссертации.
По курсу «Биофизические процессы в биологии» предусмотрены лекционные (12 часов), практические (18 часов) занятия. На самостоятельное
изучение отводится 42 часа.
1.2.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Образовательные цели освоения дисциплины
Обеспечение профессионального образования, способствующего формированию способности к творчеству, системному мышлению, способности
к адаптации и повышению своего научного и культурного уровня познания.
Профессиональные цели освоения дисциплины
Подготовка магистранта к решению типовых задач с применением в
научной и производственно-технологической деятельности знаний фундаментальных и прикладных разделов специальных дисциплин магистерской
программы.
Задачи:
а) изучение способов, посредством которых клетки различных организмов осуществляют биоэлектрогенез;
б) анализ особенностей молекулярной биологии мембран клеток в связи с их способностью к генерации и проведению биопотенциоалов;
в) изучение возбудимости клеток в различных условиях среды;
3
г) изучение принципов построения математических моделей, способных описывать особенности функционирования возбудимых систем.
1.3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
1.3.1. Выпускник должен обладать следующими общекультурными
компетенциями (ОК):

способен самостоятельно приобретать с помощью информационных
технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со
сферой деятельности (ОК-6).
1.3.2. Выпускник должен обладать следующими профессиональными компетенциями (ПК):
 знает и использует основные теории, концепции и принципы в избранной области деятельности, способен к системному мышлению (ПК-2);
 творчески применяет современные компьютерные технологии при
сборе, хранении, обработке, анализе и передаче биологической информации
(ПК-6).
1.4. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ,
СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ОПРЕДЕЛЕННЫМ КОМПЕТЕНЦИЯМ
В результате освоения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующие результаты образования:
Знать:
Индекс
Индекс
образовательного
Образовательный результат
компетенции
результата
ОК-6
3-1
Имеет представление об информационных технологиях
3-2
Знает, как использовать в практической деятельности
знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности
ПК-2
3-1
Знает и использует основные теории, концепции и
принципы в избранной области деятельности, способен к системному мышлению
ПК-6
3-1
Знает, как применять современные компьютерные
технологии при сборе, хранении, обработке, анализе
и передаче биологической информации
3-2
Имеет базовые знания о готовности применять современные компьютерные технологии при сборе,
хранении, обработке, анализе и передаче биологической информации
4
Уметь:
Индекс
Индекс
образовательного
Образовательный результат
компетенции
результата
ОК-6
У-1
Умеет самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий новые знания и умения, в
том числе в новых областях знаний, непосредственно
не связанных со сферой деятельности
У-2
Умеет использовать в практической деятельности
новые знания и умения, в том числе в новых областях
знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности
ПК-2
У-1
Умеет применять основные теории и принципы, а
также методики для обеспечения качества работы в
избранной области деятельности, способен к системному мышлению
ПК-6
У-1
Умеет использовать современные компьютерные
технологии при сборе, хранении, обработке, анализе
и передаче биологической информации
Владеть:
Индекс
Индекс
образовательного
Образовательный результат
компетенции
результата
ОК-6
В-1
Владеет информационными технологиями и использует в практической деятельности новые знания и
умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности
ПК-2
В-1
Владеет основными теориями, концепциями и принципами в избранной области деятельности
В-2
Владеет способностью к системному мышлению
ПК-6
В-1
Владеет способностью использовать современные
компьютерные технологии при сборе, хранении, обработке, анализе и передаче биологической информации
2. ОБЪЕМ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.
Форма обучения
Очная
Семестр № 3
Всего часов по дисциплине: 72
Вид учебной работы
Кол-во часов на вид учебной работы:
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
30
5
Лекций
Практических
Самостоятельная работа студента (СРС)
(всего)
12
18
42
В том числе:
Проработка конспектов лекций
Работа с литературой
Промежуточная аттестация
22
20
Зачет
(З)
Экзамен (Э)
З
Всего:
72
3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
3.1. СОДЕРЖАНИЕ ТЕМ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
№
п/п
1
1.
2.
Наименование темы
Содержание раздела темы
учебной дисциплины
в дидактических единицах
2
3
Тема 1. Кинетика биоло- Основные особенности кинетики биологических
гических процессов
процессов. Описание динамики биологических процессов на языке химической кинетики. Математические модели. Задачи математического моделирования в биологии. Общие принципы построения математических моделей биологических систем. Динамические модели биологических процессов. Линейные и нелинейные процессы. Временная иерархия и принцип "узкого места" в биологических системах. Управляющие параметры. Быстрые и медленные переменные. Способы математического
описания пространственно неоднородных систем.
Стационарные состояния биологических систем.
Множественность стационарных состояний. Устойчивость стационарных состояний. Колебательные
процессы в биологии. Автоколебательные режимы.
Представления о пространственно неоднородных
стационарных состояниях (диссипативных структурах) и условиях их образования. Кинетика ферментативных процессов. Особенности механизмов
ферментативных реакций. Понятие о физике ферментативного катализа. Влияние температуры на
скорость реакций в биологических системах. Взаимосвязь кинетических и термодинамических параметров. Роль конформационных свойств биополимеров.
Тема 2. Термодинамика Классификация термодинамических систем. Пербиологических процес- вый и второй законы термодинамики в биологии.
сов
Изменение энтропии в открытых системах. Термо6
3.
4.
динамические условия осуществления стационарного состояния. Связь между величинами химического сродства и скоростями реакций. Термодинамическое сопряжение реакций и тепловые эффекты в
биологических системах. Применение линейной
термодинамики в биологии. Термодинамические
характеристики молекулярно-энергетических процессов в биосистемах. Нелинейная термодинамика.
Общие критерии устойчивости стационарных состояний и перехода к ним вблизи и вдали от равновесия. Связь энтропии и информации в биологических системах.
Тема 3. Основы молеку- Гетерогенность всех уровней биологической оргалярной биофизики
низации. Информационные биомолекулы. Связь
высокого уровня химической и структурной индивидуализации с биологической функциональностью. Хиральность биологических молекул, обладающих определенными оптически-активными
конфигурациями. Типы хиральности: центральная,
аксиальная, планарная, спиральная.Электронноконформационные взаимодействия в биологических
молекулярных и надмолекулярных системах. Молекулярное узнавание как основное свойство регулируемой и регулирующей системы. Обучающиеся и
не обучающиеся узнающие системы. Комплементарное связывание нуклеотидов, как вариант молекулярного узнавания. Ферментативное узнавание
при биосинтезе белка. Взаимодействие, определяющее узнавание субстрата или ингибитора белком.
Сигнатура молекулы.
Межклеточные взаимодействия. Динамический характер межклеточных взаимодействий. Опыты Уилсона (1907). Химическая сигнализация между клетками при межклеточных взаимодействиях. Гипотеза
Эдельмана.
Тема 4. Транспорт ве- Пассивный и активный транспорт веществ через
ществ через биологиче- биомембраны. Транспорт неэлектролитов. Прониские мембраны
цаемость мембран для воды. Простая диффузия.
Ограниченная диффузия. Связь проницаемости
мембран с растворимостью проникающих веществ в
липидах. Облегченная диффузия. Транспорт сахаров и аминокислот через мембраны с участием переносчиков. Пиноцитоз. Транспорт электролитов.
Электрохимический потенциал. Ионное равновесие
на границе мембрана-раствор. Профили потенциала
и концентрации ионов в двойном электрическом
слое. Пассивный транспорт; движущие силы переноса ионов. Электродиффузионное уравнение
Нернста-Планка. Активный транспорт веществ.
Опыт Уссинга. Уравнение Уссинга-Теорелла. Электрогенные ионные насосы. Молекулярный меха7
5.
6.
низм работы ионных АТФаз. Вторичный ионный
транспорт: унипорт, антипорт, симпорт. Липидные
поры. Модель критической поры. Температурный
фазовый переход мембранных липидов. Липидные
поры и проницаемость мембран
Тема 5. Биоэлектриче- Потенциал покоя, его происхождение. Ионные каские потенциалы
налы; теория однорядного транспорта. Ионофоры:
переносчики и каналообразующие агенты. Ионная
селективность мембран (термодинамический и кинетический подходы). Модель параллельно функционирующих пассивных и активных путей переноса ионов. Потенциал действия. Роль ионов Nа и К в
генерации потенциала действия в нервных и мышечных волокнах; роль ионов Са и Cl в генерации
потенциала действия у других объектов. Кинетика
изменений потоков ионов при возбуждении. Механизмы активации и инактивации каналов. Описание
ионных токов в модели Ходжкина-Хаксли. Воротные токи. Математическая модель нелинейных процессов мембранного транспорта. Флутуакции
напряжения и проводимости в модельных и биологических мембранах. Распространение возбуждения. Кабельные свойства нервных волокон. Проведение импульса по немиелиновым и миелиновым
волокнам. Математические модели процесса распространения
нервного
импульса.
Физикохимические процессы в нервных волокнах при проведении рядов импульсов (ритмическое возбуждение). Энергообеспечение процессов распространения возбуждения.
Тема 6. Биофизика со- Основные типы сократительных и подвижных сикратительных систем
стем. Молекулярные механизмы подвижности белковых компонентов сократительного аппарата
мышц. Принципы преобразования энергии в механохимических системах. Термодинамические, энергетические и мощностные характеристики сократительных систем. Функционирование поперечнополосатой мышцы позвоночных. Модели Хаксли, Дещеревского, Хилла. Молекулярные механизмы немышечной подвижности.
3.2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ИЛИ ПРАКТИКУМ
№
Наименование раздела учебНаименование лабораторп/
ной дисциплины
ных (практических) работ
п
1
2
3
1. Тема 4. Транспорт веществ через Электрогенез в клетках. Побиологические мембраны
тенциал покоя, потенциал
действия
2. Тема 4. Транспорт веществ через Модель внутриклеточных ко8
Всего часов
4
2
2
3.
4.
биологические мембраны
Тема 4. Транспорт веществ через
биологические мембраны
Тема 5. Биоэлектрические потенциалы
5.
Тема 5. Биофизика сократительных систем
6.
Тема 5. Биофизика сократительных систем
7.
Тема 6. Биофизика сократительных систем
Тема 6. Биофизика сократительных систем
Тема 6. Биофизика сократительных систем
ИТОГО:
8.
9.
лебаний кальция
Автоволны в активных средах
2
Моделирование кинетики
кровотока в эластичном сосуде (модель Франка)
Резистивная модель гемодинамики при изменениях просвета сосудов
Модель фильтрационнореабсорбционных процессов в
капиллярах
Защита от лазерного излучения
Защита от ультрафиолетового
излучения
Исследование сопротивления
тела человека
2
2
2
2
2
2
18
4. БАЛЛЬНО-РЕЙТИНГОВАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ – не применяется.
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
№
п/п
1.
2.
Наименование
Автор(ы)
Год и место издания
Физика и биофизика:
Учебник: [Электронный ресурс]
В.Ф. Антонов, Е.К.
Козлова, А.М. Черныш
Москва: ГЭОТАР- Медиа, 2010. –
480 с. Режим доступа:
http://www.studentlibrary.ru/book/IS
BN9785970416440.html
Москва:ГЭОТАР-Медиа, 2012. 336 с. –Режим доступа:
http://www.studentlibrary.ru/book/IS
BN9785970421468.html
Физика и биофизика: В.Ф. Антонов, А.М.
Практикум:
Черныш, Е.К. КозУчебное пособие:
лова и др.
[Электронный ресурс]
5.2. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
№
п/
п
1.
2.
Наименование
Биофизика: Учебник
Биофизика: Учебное
пособие
Автор(ы)
под ред.
В.Ф. Антонова
М.В. Волькенштейн
9
Год и место издания
М.:ВЛАДОС,2006.-288 с.
СПб.: Лань,2008.-596 с.
3.
Биофизика: в 2 т.
[Электронный ресурс]
А.Б. Рубин
Москва: МГУ: Наука, 2004. - Т.1.448 с. : ил. Режим доступа: 10
http://www.studentlibrary.ru/book/IS
BN5211061101.html
5.3. ПЕРЕЧЕНЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ, ИНФОРМАЦИОННЫХ СПРАВОЧНЫХ СИСТЕМ И РЕСУРСОВ
ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ «ИНТЕРНЕТ»,
НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ.
Образовательную деятельность обеспечивают электронные версии
учебников и учебно-методических пособий, аудио-, видео-, интерактивные
материалы, тестовые задания электронно-библиотечных систем «РУКОНТ»,
«Университетская
библиотека
online»,
«Консультант
студента»,
«Grebennikon»», а также диссертации и авторефераты диссертаций Российской государственной библиотеки, отечественные базы данных Научная
электронная библиотека eLIBRARY.RU, Президентская б-ка им.
Б.Н.Ельцина, СПС ГАРАНТ, СПС Консультант плюс; зарубежные базы данных EBSCO Рublishing, Springer Journals; библиографические и полнотекстовые ресурсы свободного доступа, отражаемые в каталоге Интернет-ресурсов,
электронная библиотека и электронный архив открытого доступа НИУ БелГУ.
5.4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ
РАБОТЫ ОБУЧАЮЩИХСЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ (МОДУЛЮ)
Самостоятельная работа проводится с целью:
 систематизации и закрепления полученных теоретических знаний и
практических умений студентов;
 углубления и расширения теоретических знаний;
 формирования умений использовать нормативную, справочную документацию и специальную литературу;
 развития познавательных способностей и активности студентов,
творческой инициативы, ответственности и организованности;
 формирования самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации;
 развития исследовательских умений.
При выполнении самостоятельной работы студент должен
использовать основную и дополнительную литературу по курсу, а также
активно пользоваться электронными поисковыми системами, базами данных
и Интернет-ресурсами.
Самостоятельная работа включает в себя:
10
 Систематическую проработку конспектов лекций, учебной и специальной литературы;
 Подготовку к практическим работам;
 Проработка теоретического материала для подготовки к ответам на
устные вопросы по материалам лекций.
Рекомендации для закрепления и систематизации знаний:
 работа с конспектом лекции (обработка текста);
 повторная работа над учебным материалом (учебника, первоисточника, дополнительной литературы);
 составление таблиц для систематизации учебного материала;
 ответы на вопросы по пройденному материалу.
Изучение дисциплины следует начинать с проработки тематического
плана лекций, уделяя особое внимание структуре и содержанию темы и основных понятий. Необходимо отметить материал конспекта лекций, который
вызывает затруднения для понимания и попытаться найти ответы на затруднительные вопросы, используя предлагаемую литературу.
Если самостоятельно не удалось разобраться в материале, нужно сформулировать вопросы и обратиться за консультацией к преподавателю.
Каждую неделю необходимо отводить время для изучения одной темы
из рабочей программы дисциплины и повторения пройденного материала.
Большое значение для усвоения материала имеет его наглядность, поэтому
при повторении теоретического материала нужно одновременно внимательно
отнестись к тем рисункам и опорным схемам, которые имеются в конспектах
лекций, в учебнике.
5.5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ОБУЧАЮЩИХСЯ
ПО ОСВОЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ).
 Формирование и усвоение содержания конспекта лекций на базе рекомендованной преподавателем учебной литературы, включая информационные образовательные ресурсы (электронные учебники, электронные библиотеки и др.);
 Посещение всех теоретических и практических занятий;
 Владение основной терминологией изучаемой дисциплины;
 Умение обучающихся применять теоретические знания при выполнении
практических задач;
 Подготовка к зачету в конце семестра по пройденному материалу.
5.6. ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ОБУЧАЮЩИХСЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ (МОДУЛЮ).
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ ЗАЧЕТА:
11
1.
Биологическая кинетика.
2.
Принцип узкого места.
3.
Типы динамического поведения биологических систем. Модель
Вольтерра «хищник-жертва».
4.
Колебательные процессы. Колебания в гликолизе.
5.
Распределенные биологические системы.
6.
Термодинамика и диссипативные системы.
7.
Первый и второй законы термодинамики.
8.
Превращение энергии в живой клетке.
9.
Свободная энергия и электрохимический потенциал.
10. Второй закон термодинамики, условие равновесия и живые организмы.
11. Особенности организмов как термодинамических систем.
12. Молекулярное узнавание.
13. Биофизика межклеточных взаимодействий.
14. Пространственная организация биополимеров. Клубок и глобула.
15. Типы объемных взаимодействий.
16. Состояние воды в биополимерах.
17. Особенности пространственной организации нуклеиновых кислот.
18. Механизмы ферментативного катализа.
19. Химический состав биологических мембран.
20. Структура биологических мембран.
21. Динамика биологических мембран.
22. Физическое состояние и фазовые переходы липидов в мембранах.
23. Модельные липидные мембраны.
24. Пассивный перенос веществ через мембрану.
25. Активный транспорт веществ.
26. Электрогенные ионные насосы.
27. Липидные поры.
28. Потенциал покоя в клетках.
29. Потенциал действия.
30. Модель Ходжкина и Хаксли.
31. Ионные каналы клеточных мембран.
32. Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита.
33. Структура поперечно-полосатого мышечного волокна. Модель
скользящих нитей.
34. Биомеханика мышцы.
35. Кинетические свойства мышцы.
36. Электромеханическое сопряжение в мышцах.
37. Механохимические системы.
Критерии оценки:
12
Оценка «зачтено» ставится, если выполнены все требования к раскрытию вопроса: обозначена проблема и обоснована её актуальность, логично
изложена собственная позиция, сформулированы выводы, тема раскрыта
полностью, даны правильные ответы на дополнительные вопросы.
Оценка «незачтено» ставится, если допущены грубые неточности в ответе или вопрос не раскрыт полностью; грубые неточности в понятийном
аппарате при изложении материала; отсутствует логическая последовательность в суждениях; на дополнительные вопросы даны неверные ответы.
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
(МОДУЛЯ)
1. Учебные аудитории.
2. Мультимедийная установка.
4. Презентации по всем разделам дисциплины (мультимедийное сопровождение лекций, лабораторных занятий, обеспечения самоподготовки).
13
Лист дополнений и изменений
к рабочей программе дисциплины «Биофизические процессы в биологии»
на 2014/2015 учебный год
направление подготовки 020400.68 Биология
магистерская программа Микробиология
форма обучения очная
В рабочую программу дисциплины «Биофизические процессы в биологии» изменения и дополнения не вносились.
Дополнения и изменения рассмотрены и утверждены на заседании кафедры анатомии и
физиологии живых организмов
протокол № __________ от ___________2014 г.
Заведующий кафедрой ________________ А.А. Присный
14