Биофизика. Рабочая программа дисциплины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тверской государственный университет»
Биологический факультет
Кафедра биологии
УТВЕРЖДАЮ
Декан биологического факультета
______________С.М. Дементьева
«____»____________2013 г.
Рабочая программа дисциплины
БИОФИЗИКА
Для студентов 3-го курса
Направление подготовки
020400.62 Биология
Профили подготовки – «Общая биология», «Биоэкология»,
«Физиология человека и животных», «Ботаника»
Квалификация (степень)
Бакалавр
Форма обучения
Очная
Обсуждено на заседании кафедры
«___»__________________ 2013 г.
Составитель:
к. б. н., М.Н. Петушков
Протокол № __
Зав. кафедрой_________ А.В. Зиновьев
Тверь 2013
II. Аннотация
1. Цель курса – овладение студентом знаниями о биофизической сущности, организации и функционировании биологических объектов на различных
уровнях организации, а также формирование у студентов современного представления о применении физических методов при исследовании биологических
систем.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата – дисциплина
«Биофизика» (Б3.Б3.2) входит в базовую часть профессионального цикла и базируется на результатах, полученных в области физики, математики, физической химии,
цитологии, молекулярной биологии, поэтому теоретические положения курса
«Биофизики» разрабатывались с учетом знаний и умений, полученных в процессе
изучения вышеперечисленных дисциплин.
3. Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы (72
часа).
4. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Биофизика»:
использование в познавательной и профессиональной деятельности базовых
знаний в области математики и естественных наук, применение методов математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-6);
правильно ставит цели, проявляет настойчивость и выносливость в их достижении (ОК-15);
заботится о качестве выполняемой работы (ОК-16);
умеет работать самостоятельно и в команде (ОК-18);
демонстрация знания принципов клеточной организации биологических
объектов, биофизических и биохимических основ, мембранных процессов и
молекулярных механизмов жизнедеятельности (ПК-4);
способность применять современные экспериментальные методы работы с
биологическими объектами в полевых и лабораторных условиях, обладание
навыками работы с современной аппаратурой (ПК-5);
способен эксплуатировать современную аппаратуру и оборудование для выполнения научно-исследовательских полевых и лабораторных биологических работ (ПК-15).
В результате изучения дисциплины обучающиеся должны:
- знать основные понятия, теории и законы биологической физики, а
также классификацию, методы работы, свойства биофизических систем;
- уметь излагать и критически анализировать базовую общепрофессиональную информацию; планировать и самостоятельно выполнять лабораторные
исследования; применять теоретические знания для самостоятельной формулировки выводов;
- владеть навыками экспериментальной работы и соблюдения правил
техники безопасности; методами наблюдения и интерпретации экспериментальных данных.
5. Образовательные технологии.
В процессе освоения дисциплины используются лекция с элементами
мультимедиа, проблемная лекция, видео-лекции ведущих специалистов, коллоквиум, подготовка письменных аналитических работ, написание рефератов,
проектная деятельность, творческие задания, работа с учебными фильмами,
тестирование, информационные технологии.
Поскольку одной из задач курса является формирование у студентов навыков экспериментальной работы, то значительная часть аудиторных занятий
(50 %) проходит в виде самостоятельного (под контролем преподавателя) выполнения экспериментальных лабораторных работ с использованием различного лабораторного оборудования. Работы проходят в составе малых групп, с самостоятельным планированием эксперимента, расчетно-графическими работами, составлением таблиц, схем, протоколов исследования и формулированием
выводов и заключений.
Курс лекций составляет 30% от общего объема аудиторных занятий, занятия с использованием интерактивных технологий составляют не менее 40%.
Самостоятельная работа составляет 50% от общего количества часов.
6. Формы контроля. Студентам рекомендуется быть готовыми к тому,
что сформированность компетенций будет систематически проверяться посредством следующих видов контроля:
Текущий контроль – опросы, представление докладов, выполнение лабораторных работ.
Рубежный контроль – тестирование, выполнение контрольной работы;
Итоговой формой отчета является зачет.
III. Учебная программа.
Тема1. Введение. Предмет и задачи биофизики. Методологические вопросы биофизики. Уровни биофизических исследований. История развития
биофизики.
Тема 2. Кинетика биологических процессов. Зависимость скорости химических реакций от концентрации: молекулярность, порядок химической реакции. Принцип «узкого места». Математические модели. Влияние температуры на скорость химической реакции: кривая Максвелла-Больцмана, фактор
Больцмана, общий закон температурных воздействий Аррениуса. Температурный коэффициент Вант-Гоффа и его связь с энергией активации. Кинетика
ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Ингибирование ферментативных реакций. Множественность стационарных состояний: модели
триггерного типа, силовое и параметрическое переключение триггера, гистерезисные явления, колебательные процессы.
Тема 3. Термодинамика биологических систем. Классификация термодинамических систем. Первый закон термодинамики: основные положения, понятие энтальпии, доказательства справедливости первого закона термодинамики для живых систем, закон Гесса. Второй закон термодинамики: основные положения, понятие градиента, энтропия, свободная и связанная энергия, связь
между энтропией и термодинамической вероятностью. Изменение энтропии в
открытых системах: термодинамические условия существования стационарного
состояния, принцип Ле-Шателье. Устойчивость и неустойчивость стационарной
системы. Понятие обобщенных сил и потоков. Соотношение взаимности Онсагера. Теорема И.Пригожина.
Тема 4. Молекулярная биофизика. Макромолекула как основа организации биоструктур. Пространственная конфигурация биополимеров. Статистический характер организации биополимеров. Ковалентные и слабые связи:
энергия внутреннего вращения, водородные связи, силы Вандер-Ваальса, электростатическое взаимодействие. Состояние воды и гидрофобные взаимодействия. Роль гидрофобных взаимодействий в формировании структуры белков.
Фазовые переходы. Кооперативные свойства макромолекул.
Тема 5. Пассивный транспорт веществ через биомембраны. Транспорт
неэлектролитов: проницаемость мембран для воды, роль коллоидноосмотического давления плазмы в переносе воды, свободная диффузия. Облегченная диффузия. Транспорт электролитов. Электрохимический потенциал.
электродиффузионное уравнение Нернста-Планка. Ионное равновесие на границе мембрана-раствор. Равновесие Доннана. Каналы их строение и особенности функционирования. Переносчики.
Тема 6. Активный транспорт. Активный транспорт. Опыт Уссинга.
Принципы работы натрий-калиевой, кальциевой АТФ-аз и Н+-помпы. Сопряженный транспорт веществ, его биологическое значение.
Тема 7. Биоэлектрогенез. Потенциал покоя и его происхождение. Уравнение Нернста, Гольдмана, Томаса. Электрогенный транспорт ионов (опыт Уссинга и Церана). Участие АТФ-аз в формировании биопотенциалов. Потенциал
действия. Схемы работы натриевых каналов в возбудимой мембране (по Б.И.
Ходорову). Схема потоков ионов натрия и калия при возбуждении (по Ходжкину). Распространение возбуждения.
Тема 8. Биофизика сократительных систем. Основные типы сократительных и подвижных систем. Механо-химические процессы в полимерах. Молекулярные механизмы подвижности белковых компонентов сократительного
аппарата мышц (сокращение и расслабление мышц). Функционирование поперечнополосатой мышцы позвоночных: схема взаимодействия актина и миозина
по А.Хаксли, уравнение Хилла механики мышечного сокращения.
Тема 9. Биофизика фотобиологических процессов. Энергетические
уровни молекул. Поглощение света. Хемилюминесценция и ее диагностическое
значение. Миграция энергии: резонансная теория, экситонная теория. Действие
ультрафиолетового излучения на живые системы.
Всего
Аудиторные
занятия
(часов)
Лекции
Лабораторные
работы
Наименование разделов и тем
Теоретический курс (курс лекций)
1. Введение
2. Кинетика биологических процессов
3. Термодинамика биологических систем
4. Молекулярная биофизика
5. Пассивный транспорт веществ через
биомембраны
6. Активный транспорт
7. Биоэлектрогенез
8. Биофизика сократительных систем
9. Биофизика фотобиологических процессов.
Практический курс.
Лабораторный практикум
Вводное занятие (ознакомление с методиками и правилами техники безопасности)
Занятие 1. Кинетика биологических процессов
Занятие 2. Исследование структуры веществ по показателю преломления.
Занятие 3. Исследование спектральных
характеристик белков
Итоговое занятие
ИТОГО:
Самостоятельная
работа
IV. Рабочая учебная программа.
18
1
2
4
2
2
30
2
2
2
1
2
6
6
2
24
2
2
6
4
18
6
4
72
18
4
2
4
2
4
2
2
18
36
V. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации но итогам освоения дисциплины и учебно-методическое
обеспечение самостоятельной работы студентов.
Для текущего и промежуточного контроля используются следующие образовательные технологии: опрос в виде беседы, дискуссии, решения конкретных задач, тестирование.
Контрольные вопросы
1. Что в термодинамике называют системой? Какие вы знаете термодинамические системы?
2. Основные положения первого закона термодинамики. За счет чего /в
энергетическом смысле/ совершается работа в живой системе?
3. Доказательства справедливости первого закона термодинамики для биологии. Закон Гесса.
4. Основные положения второго закона термодинамики. Понятие градиента.
Какую роль играют градиенты в живых системах?
5. Энтропия как функция состояния системы. В каких случаях, энтропия
растет, а в каких уменьшается? Как она связана с градиентами? Что такое
положительная и отрицательная энтропия?
6. Понятие свободной и связанной энергии. Что является мерой связанной
энергии?
7. Что такое термодинамическая вероятность? О чем говорит увеличение
термодинамической вероятности? Связь термодинамической вероятности
и энтропии.
8. Какое состояние называется стационарным? Сходство и различие стационарного состояния и состояния термодинамического равновесия.
9. Принцип Ле-Шателье-Брауна. За счет каких механизмов осуществляется
этот принцип? Привести примеры.
10.Сравнительная характеристика устойчивого и неустойчивого стационарного состояния.
11.Что отражают коэффициенты взаимности Онзагера, какое существует
между ними соотношение? Что показывает соотношение взаимности Онзагера?
12.Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.
13.Молекулярность химических реакций.
14.Зависимость скорости реакции от температуры. Кривая МаксвеллаБольцмана.
15.Температурный коэффициент Вант-Гоффа, его роль в определении природы процесса.
16.Уравнение Михаэлиса-Ментен.
17.Что отражает константа Михаэлиса?
18.Роль ингибирования ферментативных реакций. Виды ингибирования.
19.Какую биологическую систему называют триггерной? Способы переключения триггера. Какое свойство триггерной системы называют гистерезисом
20.Стереоспецифичность аминокислот и ее значение. Первичная, вторичная,
третичная и четвертичная структуры белка.
21.Состояние воды. Чем обеспечивается высокая теплоемкость воды?
22.Роль гидрофобных взаимодействий в формировании белковой глобулы.
23.Механизм кооперативного эффекта связывания гемоглобином кислорода.
24.Роль коллоидно-осмотического ив и гидростатического давления в переносе воды через стенку кровеносного капилляра.
25.Облегченная катализируемая диффузия, ее сходство и различие со свободной диффузией и активным транспортом.
26.Потенциал покоя и его происхождение. От концентрации каких ионов зависит величина потенциала покоя?
27.Активный транспорт: электрогенный транспорт ионов, участие АТФ-аз в
активном транспорте ионов через биологические мембраны.
28.Как возникает потенциал действия? Строение натриевого канала, функционирование активационных и инактивационных ворот при развитии
потенциала действия.
29.Способы распространения возбуждения по нервным волокнам.
30.Последовательность событий при сокращении и расслаблении мышцы.
31.Зависимость скорости изотонического сокращения мышцы от величины
нагрузки.
32.Из каких составляющих складываются общее изменение энергии при
мышечном сокращении.
33.Левые и правые аминокислотные остатки. Влияние асимметрии на ход
биохимических реакций.
34.Назовите признаки, определяющие первичную, вторичную, третичную,
четвертичную структуру белка.
35.Валентные и невалентные связи в макромолекуле.
36.Строение ион-транспортного канала.
Примеры тестовых заданий
Состояние живой системы близкое к точке равновесия отражают коэффициенты взаимности Онзагера:
L11=L22
L21=L12
L22=L22
L22=L21
Биологические процессы за счет поглощения теплоты протекать
Не могут
Могут
Могут при низких температурах
Функцией состояния системы является
Теплота
Работа
Внутренняя энергия
Осмотическое давление
Биофизика - это наука
физическая
биологическая
химическая
Число молекул воды, окружающих центральную в тетраэдрической структуре
воды, составляет
три
четыре
пять
две
При увеличении градиента энтропия
увеличивается
уменьшается
не изменяется
Учебным планом предусмотрено самостоятельная работа студентов
общим объемом 36 часов. В том числе самостоятельное освоение части теоретического материала (30 часов) и самостоятельная подготовка к лабораторным
занятиям (6 часов).
На самостоятельное изучение студентов выносится следующие вопросы:
1. Кинетика биологических процессов:
 кинетика ферментативных реакций;
 ингибирование ферментативных реакций.
2. Термодинамика биологических систем:
 первый закон термодинамики;
 второй закон термодинамики.
3. Молекулярная биофизика.
 стериоспецифичность аминокислот;
 первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура белка;
 ковалентная связь и слабые связи (кулоновское взаимодействие,
водородные связи, ионное взаимодействие, дипольное взаимодействие, наведенные диполи, лондоновские или дисперсионные силы).
4. Пассивный транспорт веществ через биомембраны:
 простая диффузия;
 роль коллоидно-осмотического давления плазмы в переносе воды;
 электродиффузионное уравнение Нернста-Планка.
5. Активный транспорт веществ через биомембраны:
 строение и общий принцип функционирования АТФ-аз
6. Биоэлектрогенез:
 равновесный потенциал Нернста;
 стационарный потенциал Гольдмана;
 участие АТФ-аз в формировании биопотенциалов (уравнение Томаса).
7. Биофизика сократительных систем
 ультраструктура мышечного волокна;
 биополимеры мышцы;
 химия и физика мышцы.
8. Биофизика фотобиологических процессов.
 действие ультрафиолетового излучения на живые системы;
 энергетические уровни молекул.
Формой отчетности по самостоятельной работе является подготовка и
защита проектов и аналитических работ. Работы готовятся индивидуально и в
малых группах.
Кроме самостоятельного овладения знаниями предусмотрена самостоятельная подготовка и проведение (под контролем преподавателя) лабораторных занятий в составе малых групп. Методические рекомендации по организации самостоятельной подготовки студентов к лабораторным занятиям представлены в учебно-методическом пособии:
Чапоров В.Н. Лабораторные занятия по биофизике. Тверь, 2006.
VI. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
Основная литература
1. Волькенштейн М. В. Биофизика, М.: Лань, 2012. (Лань).
2. Медицинская и биологическая физика / В.Г. Лещенко, Г.К. Ильич и др.;
Под ред. В.Г. Лещенко - М.: НИЦ ИНФРА-М; Мн.: Нов. знание, 2013
(ZNANIUM.COM )
Дополнительная литература
3. Биофизика: учебник для студентов вузов / под ред.В. Ф. Антонова. М.,
2006.
4. Биофизика: методические рекомендации для самостоятельной подготовки
студентов к госэкзаменам по биологии / [сост. к.б.н. М. Н. Петушков]. Тверь: ТвГУ, 2012.
5. Чапоров В.Н. Лабораторные занятия по биофизике. Методические рекомендации к малому практикуму для студентов 4 курса. Тверь, 2006.
Программное обеспечение и Интернет-ресурсы.
1. Справочник «Биофизики России» (http://www.library.biophys.msu.ru);
2. Каталог образовательных ресурсов на портале www.edu.ru;
3. Сайты института биофизики клетки РАН (www.icb.psn.ru), института белка РАН (www.protres.ru), Пущинского государственного университета
(www.pu
4. shgu.ru);
5. Имеется коллекция видеозаписей лекций ведущих специалистов института биофизики клетки, института белка и Пущинского государственного
университета.
VII. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
На кафедре имеется учебная лаборатория биофизики, оснащенная необходимым оборудованием. Имеется мультимедийная техника для проведения лекций,
защиты проектов и демонстрации учебных фильмов.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки