Аннотация рабочей программы дисциплины «ОБЩАЯ

Аннотация рабочей программы дисциплины
«Общая биофизика, медицинская биофизика, биофизические основы функциональной диагностики»
по направлению (специальности) подготовки 060602 «Медицинская биофизика»
(квалификация «специалист»)
Цель дисциплины: подготовить квалифицированного специалиста, умеющего
выполнять профессиональную деятельность в научно-исследовательских учреждений,
функционально-диагностических и клинических лабораторных диагностических центрах,
лабораториях, отделах, отделениях лечебно-профилактических учреждений, знающего
основные разделы общей и медицинской биофизики, основы функциональной диагностики, умеющего анализировать и исследовать биофизические процессы в норме и при патологических процессах организма человека, владеющего современными научными методами исследования и диагностики, умеющего разрабатывать новые методы диагностики и
лечения.
Задачи дисциплины:
 приобретение студентами знаний по общей биофизике, включая те биофизические принципы, которые лежат в основе функционирования клеток, органов и тканей организма человека;
 обучение студентов важнейшим методам биофизического исследования;
позволяющим проводить раннюю диагностику патологических состояний на
молекулярно-клеточном уровне;
 обучение студентов навыкам работы на современном исследовательском и
диагностическом биофизическим оборудованием;
 обучение студентов статистическим методам обработки результатов биофизических измерений;
 приобретение студентами научного кругозора; умения вести активный диалог по научным вопросам; умений представлять получаемые результаты в
форме письменных (научная статья) и устных сообщений (доклады).
Место дисциплины в структуре ООП ВПО: Учебная дисциплина (модуль) «Общая
биофизика, медицинская биофизика, биофизические основы функциональной диагностики» относится к профессиональному циклу.
Для изучения данной учебной дисциплины (модуля) необходимы следующие знания, умения и навыки, формируемые предшествующими дисциплинами: все дисциплины
математического и естественнонаучного цикла.
Знания: законов физических процессов, протекающих в живых организмов, методов математического описания этих законов, знание законов химической кинетики, биохимических основ метаболизма, основ патогенеза заболеваний, анатомии и физиологии человека.
Умения: планирование и проведение биофизических измерений, анализ полученного результата и его математическая обработка.
Владения: работой на современном биофизическом оборудовании, приготовлением растворов, проведением экспериментальной работы, работой с компьютерами.
Содержание дисциплины: Дисциплина «Общая биофизика, медицинская биофизика,
биофизические основы функциональной диагностики» состоит из 3 разделов. Изучение
осуществляется в 5, 6,7, 8, 9, 10 семестрах.
I.
«Общая биофизика» .
1. « Фотобиофизика». Предмет и методы биофизики. Курс посвящен биофизическим основам биологических процессов, протекающих под действием света или в ходе
2
которых генерируется свет. Рассматриваются количественные закономерности поглощения света биологическими объектами и внутримолекулярные и межмолекулярные механизмы трансформации энергии поглощенных фотонов. Излагаются принципы оптических
методов исследования, применяемых в биологии и медицине. Значительное внимание
уделяется биофизическим механизмам биохемилюминесценции и биолюминесценции и
применению хемилюминесцентных методов исследования в биологии и медицине. Дается
анализ физических и физико-химических механизмов начальных стадий фотопревращений молекул-рецепторов, запускающих фотобиологические процессы, включая фототерапевтические. Раскрываются молекулярно-клеточные механизмы важнейших фотобиологических процессов у животных и человека: эритема и фотосинтез витамина D3 в коже,
канцерогенез, зрение и др.
2. «Молекулярная биофизика». История развития. Вклад отечественных ученых в развитие молекулярной биофизики. «Международная белковая база данных». Работа с базой.
Программы визуализации структуры белков. Принципы работы с программой RasTop.
Сывороточный альбумин человека (САЧ) и его модификации при болезнях человека. Содержание САЧ в крови, основные функции этого белка. Основные физико-химические
свойства САЧ. Методы исследования САЧ. Структура Функции САЧ. Конформационные
перестройки САЧ, вызванные изменением температуры и рН раствора. Механизм токсичности медных комплексов сывороточного альбумина; роль тиоловой группы и жирных
кислот. Принципы метода рентгеноструктурного анализа белков. Получение белковых
кристаллов. Схема рентгеновского дифрактометра. Теория метода РСА. Миллеровы плоскости отражения рентгеновских лучей. Закон Брегга-Вульфа. Понятие обратной кристаллической решетки, векторная форма уравнения Брегга-Вульфа. Дифрация лучей на периодической системе атомов. Сфера отражений Эвальда. Ограничения Лауэ. Понятие об обратной кристаллической решетке. Структурный фактор. Проблема фаз и метод изоморфного замещения. Определение структурных факторов, вычисление электронной плотности. Создание пространственной модели белков. Свойства пептидной связи. Конформационная подвижность пептидов. Потенциальная энергия белковых макромолекул. Свойства
пептидной связи. Структура воды и водородные связи. Внутри- и межмолекулярные силы
и взаимодействия биомакромолекул: кулоновское взаимодействие, ион-дипольные взаимодействия, силы Вандервальса, водородные связи. Уникальные (аномальные) физические свойства воды и их роль в биологических процессах. Структура льда. Структура
жидкой воды. Модели структуры жидкой воды. Структура воды в растворах. Гидрофобные взаимодействия. Ионные растворы. Кинетический и термодинамический подходы для
описания сольватации ионов в растворах. Общая модель структуры воды в ионных растворах. Структура раствора неполярных молекул. Гидрофобное взаимодействие. Структура льда и жидкой воды, структура ионных растворов и растворов неполярных веществ.
Первичная структура белков и их физические свойства. Ионизационное равновесие в белках, полярность белковых аминокислотных остатков. Вторичная структура белков. Роль
водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Распространенность вторичных
структур в белках. Влияние электростатических и гидрофобных взаимодействий на вторичную структуру белковых молекул. Методы изучения вторичной структуры. Инфракрасная спектроскопия (ИКС) полипептидов и белков. Основные типы колебания атомов в
молекулах. Характеристические частоты колебания атомов пептидной группы белков.
Анализ вторичной структуры белка методом ИК спектроскопии. Метод изотопного замещения. ИК-дихроизм. Анализ вторичной структуры белков с помощью измерения их оптической активности. Физические основы методов дисперсии оптического вращения и
кругового дихроизма (ДОВ и КД). Экспериментальное исследование оптической активности полипептидов и белков: ДОВ и КД. Оценка степени спиральности белков методом
ДОВ: метод Друде, метод Моффита. Метод КД. Оценка степени спиральности белков методом КД "изодихроичный метод". Моделирование структуры белков с использованием
вычислительной техники. Термодинамическая модель самоорганизации белковой молеку2
3
лы. Нелинейная неравновесная термодинамика И. Пригожина: теория диссипативных систем, теория бифуркаций. Феноменологическая бифуркационная модель самосборки белка. Физическая теория структурной организации белка. Количественная оценка энергии
всех видов взаимодействий белка. Фрагментарный метод теоретического конформационного анализа пептидов и белков. Расчет трехмерной структуры бычьего панкреотическоготрипсинового ингибитора. Молекулярные механизмы ферментативного катализа. Проблемы кинетики и термодинамики ферментного катализа. Изучение связывания субстратов и ингибиторов ферментов методом РСА. Механизм работы гидролитических ферментов. Белковые комплексы, их структура и функция. Четвертичная структура белков. Анализ числа субъединиц и их взаимного расположения. Методы исследования подвижности
субъединиц и взаимодействия между ними. Стабильность четвертичной структуры белков. Механизм работы белковых комплексов на примере транспортных АТФаз и мембранных рецепторов. Механизм переноса электронов в белковых система». Проблема переноса энергии и электронов в белках; несостоятельность полупроводниковой теории.
Индуктовно-резонансный механизм переноса энергии электронного возбуждения. Диффузионный механизм переноса электрона между доменами белковых переносчиков. Туннельный механизм переноса электронов в белках. Анализ связывания лигандов с макромолекулами. Гетерогенность и кооперативность связывания. Роль гидрофобных взаимодействий в структуре белков в норме и патологии. Шапероны, их роль в формировании
пространственной структуры белков и транспорте белков через мембраны.
3. «Биофизика клетки». История изучения и современные представления о строении
биологических мембран. Функции мембран в клетке. Снижение размерности диффузии в
мембранных структурах. Мембраны и возникновение жизни. Модели биологических мембран. Монослои. Бислойные липидные мембраны (БЛМ). Роль эффективной формы молекул фосфолипидов в формировании устойчивого липидного бислоя. Липосомы. Использование моделей биомембран в биологии и медицине. Динамическая структура мембран.
Подвижность и конформация жирнокислотных цепей в мембранах. Кинки. Флип-флоп и
вращательная диффузия фосфолипидов. Латеральная диффузия фосфолипидов и белков,
её значение и регуляция в клетке. Фазовые переходы липидов в мембранах. Влияние состава фосфолипидов и холестерина на фазовые переходы. Необычные мембраны. Монослои липопротеидов. Мембраны архебактерий и сложных вирусов. Мембраны рогового
слоя кожи. Изменения структуры мембран под действием высоких давлений. Явление переноса в физиологии клетки. Основные количественные характеристики переноса. Виды
диффузии. Осмос. Первичный активный транспорт. Виды ионных насосов и их биологическая функция. Вторичный активный транспорт. Трансмембранная диффузия в отсутствие электрического поля. Особенности взаимодействия переносимого вещества с веществом мембраны. Дискретный подход. Первый закон Фика. Второй закон Фика. Роль примембранных слоев жидкости в переносе частиц через мембрану. Электродиффузия. Профиль электрического потенциала в мембране в приближении Гольдмана. Влияние мембранного потенциала на на профиль свободной энергии иона в мембране. Уравнение
электродиффузии в толще мембраны. Электродиффузия через 3-х барьерную мембрану с
пренебрежимо малыми потенциальными барьерами на границах. Вывод основного уравнения диффузии с использованием дискретного подхода. Вывод основного уравнения
диффузии в сплошной среде. Решение основного уравнения электродиффузии в приближении постоянного электрического поля (уравнение Гольдмана для потока ионов). Соотношение Уссинга–Теорелла. Вольт–амперные характеристики мембраны. Связь между
потоком ионов и электрическим током. Скорость перемещения ионов в электрическом поле. Основные физические постулаты теории дискретного движения ионов в каналах. Ионный поток в 3-х барьерном канале. Блокировка и насыщение тока в канале. Вольтамперные характеристики 3-х барьерного канала. Эффективная форма молекул фосфолипидов и проницаемость мембран. Методы изучения функционирующих ионных каналов.
Получаемая информация. Типы ионных каналов. Каналы и лекарства. Каналы в биотехно3
4
логиях. Равновесные мембранные потенциалы. Условия возникновения, вывод и анализ
уравнения межфазного потенциала. Условия возникновения, вывод потенциала НернстаДоннана. Границы применимости уравнения Нернста-Доннана. Почему расчетный потенциал отличается от измеряемого потенциала покоящейся клетки. Равновесие Гиббса_–
Доннана. Вывод уравнения потенциала Доннана. Анализ уравнения Доннана. Стационарные потенциалы. Уравнение Гольдмана для мембранного потенциала. Эквивалентная
электрическая схема мембраны. Уравнение Ходжкина-Горовица. Потенциал при работе
электрогенной помпы. Модель электрогенного насоса с утечкой. Генерация нервного импульса. Условия возникновения и регистрации потенциала действия. Эквивалентная электрическая схема возбужденной мембраны. Ионные токи в возбудимой мембране при генерации потенциала действия. Количественная реконструкция потенциала действия. Ионная
селективность каналов. Распространение электрического импульса по волокну. Вывод телеграфного уравнения с использованием эквивалентной электрической схемы мембраны.
Постоянная длины волокна. Роль подпороговых электрических сигналов в механизме взаимодействия нервных клеток.
II. «Медицинская биофизика»:.
Теория повреждения клеток. История биоэнергетики. Функции митохондрий. Роль
ионов Са2+ в работе митохондрий. Работа митохондрий при гипоксии. Классификация
свободных радикалов. Активные формы кислорода. Оксид азота. Перекисное окисление
липидов. Схема реакций ПОЛ и способы ее упрощения. Электрический пробой. Антиоксиданты. Митохондрии и апоптоз. АФК и апоптоз. Свободнорадикальные механизмы старения. Болезни, вызываемые свободными радикалами. Врожденные и приобретенные заболевания, возникающие при нарушении структуры и функции ионных каналов. Чужеродные каналы как способ жизнеобеспечения внутриклеточных патогенов.
III. «Биофизические основы функциональной диагностики»:
материал курса включает биофизические процессы и свойства, касающиеся органов и
их систем, биофизическое обоснование методов функциональной диагностики. Излагаются биофизические клеточные механизмы генеза электрических биопотенциалов органов.
Рассматриваются биофизические основы регистрации электрокардиограмм и электроэнцефалограмм и количественные показатели, получаемые на основе математического анализа электрограмм, функционального состояния сердца и головного мозга. Раскрываются
особенности биомеханических явлений деформации тканей и течения жидкостей. Демонстрируется значение деформационных характеристик и показателей вязкости для анализа
состояния тканей и органов: кровь, легкие, кожа, кровеносные сосуды, система хрусталика и цилиарной мышцы и др. Даются количественный анализ генерации и распространения пульса и гемодинамическое обоснование применения скорости распространения
пульса для оценки состояния артериальных сосудов. Значительное внимание уделяется
исследованию состояния центрального и регионального кровотока путем математического
анализа кардиогенных изменений ряда показателей: сфигмограмма, импедансная реограмма, реактивное смещение тела и др. Излагаются биофизические законы теплопродукции и укорочения скелетной мышцы при разных силовых нагрузках, объясняется связь
генерации звука мышцей с работой сократительного аппарата мышечных волокон.
Общая трудоёмкость дисциплины: Общая трудоемкость дисциплины составляет 24 зачетные единицы (864 учебных часов).
4