МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» Биологический факультет Кафедра биотехнологии УТВЕРЖДЕНО Председатель учебно-методической комиссии _________________________ УТВЕРЖДАЮ Декан биологического факультета ______________________ (подпись) (подпись) «____» ________________2012 г. «____»_____________2012г. М. П. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Биофизика клеточных и мембранных процессов по научной специальности 03.01.02- Биофизика Форма обучения: очная Семестр: 2 Год обучения: 2 Вид отчетности: экзамен Всего часов – 288. Из них (согласно учебному плану): аудиторных - 144: лекционных - 72; практических – 72; Самостоятельная работа – 144. Составитель рабочей программы профессор кафедры ФИО Ревин В.В. Рабочая программа утверждена на заседании кафедры «____»_____________2012г. протокол № _________ Заведующий кафедрой ФИО_Ревин В.В._______ ____________________ (подпись) Саранск 2012 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «Биофизика клеточных и мембранных процессов» 1.Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе Целями освоения учебной дисциплины являются: ознакомление с основными достижениями биофизики на современном этапе ее развития, формирование у аспирантов представлений о биофизических механизмах мембранных процессов и молекулярных механизмах процессов энергетического сопряжения. В основные задачи курса входит: -изучение на молекулярном уровне структуры субклеточных образований и механизмов их функционирования; - выявление общих законов (закономерностей) обмена веществ и энергии на клеточном и организменном уровнях; - изучение механизмов транспорта ионов и молекул через биологические мембраны; - изучение молекулярных механизмов дыхания, подвижности; В результате изучения дисциплины аспирант должен: Знать: Элементарные и фундаментальные взаимодействия и превращения ионов, молекул, надмолекулярных комплексов, лежащих в основе физиологических процессов и биологических явлений. Уметь: - определять концентрацию ионов Са2+, Na+ и К+ с помощью пламенного фотометра; - рассчитывать скорость проведения возбуждения по нервным волокнам; определять кинетические характеристики на примере мембраносвязанного фермента Na, K – АТФазы; - выделять общие липиды и фосфолипиды; - проводить количественное определение фосфолипидов; - определять продукты перекисного окисления липидов. Владеть: - методами математического анализа; - основными методами работы с прикладными программными средствами; - хроматографическими методами. 2. Содержание дисциплины а) Темы занятий теоретического курса и количество часов на каждую тему: 1. Введение в биофизику. Общая структурная организация клетки– 4 ч. 2. Структура и функционирование биологических мембран - 12 ч. 3. Биофизика процессов транспорта веществ через биомембраны и биоэлектрогенез– 18 ч. 4. Молекулярные механизмы процессов энергетического сопряжения – 12 ч. 5. Биофизика сократительных систем – 12 ч. 6. Биофизика рецепции – 14 ч. б) Темы практических занятий и количество часов на каждую тему: Практические занятия Работа № 1. Экстракция липидов. Выделение общих липидов и фосфолипидов – 9 ч. Работа №2. Микротонкослойная хроматография липидов – 9 ч. Работа №3. Газожидкостная хроматография жирных кислот – 9 ч. Работа №4. Количественное определение фосфолипидов – 9 ч. Работа № 5. Количественное определение белка – 9 ч. Работа № 6. Регистрация потенциала действия – 9 ч. Работа № 7. Определение активности фосфолипазы А2 – 9 ч. Работа № 8. Определение продуктов перекисного окисления липидов – 9 ч. 3. Контрольные вопросы по курсу 1. Предмет, проблемы и задачи биофизики. 2. Общая структурная организация клетки. 3. Сократительные системы клетки. 4. Основные физические характеристики клетки и методы их изучения: размер (микроскопия, седиментация); форма (микроскопия); объем (проточная коултеровская кондуктометрия); заряд поверхности клетки (электрофорез, заряженные зонды). 5. Состояние внутриклеточной свободной и структурированной воды. 6. Радиоспектроскопия в исследованиях свойств клеток и тканей. 7. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). 8. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). 9. Состояние воды в различных органах и тканях, его влияние на сигналы ЯМР, принципы диагностики методом ЯМР-томографии. 10. Происхождение электрокинетического потенциала мембранных систем. 11. Явление поляризации в мембранах. 12. Дисперсия электропроводности, емкости, диэлектрической проницаемости. 13. Зависимость диэлектрических потерь от частоты. 14. Особенности структуры живых клеток и тканей, лежащие в основе их электрических свойств. 15. Пассивный и активный транспорт веществ через биомембраны. 16. Транспорт неэлектролитов. Проницаемость мембран для воды. 17. Простая диффузия. Ограниченная диффузия. Связь проницаемости мембран с растворимостью проникающих веществ в липидах. Облегченная диффузия. 18. Транспорт сахаров и аминокислот через мембраны с участием переносчиков. Пиноцитоз. 19. Транспорт электролитов. Электрохимический потенциал. 20. Ионное равновесие на границе мембрана-раствор. Равновесие Доннана. 21. Пассивный транспорт; движущие силы переноса ионов. 22. Электродиффузионное уравнение Нернста-Планка. 23. Уравнения постоянного поля для потенциала и ионного тока. 24. Проницаемость и проводимость. Соотношение односторонних потоков (соотношение Уссинга). 25. Потенциал покоя, его происхождение. 26. Активный транспорт. Электрогенный транспорт ионов. Участие АТФаз в активном транспорте ионов через биологические мембраны. 27. Ионные каналы; теория однорядного транспорта. 28. Ионофоры: переносчики и каналообразующие агенты. 29. Потенциал действия. 30.Роль ионов натрия и калия в генерации потенциала действия в нервных и мышечных волокнах; роль ионов кальция и хлора в генерации потенциала действия у других объектов. 31. Кинетика изменений потоков ионов при возбуждении. 32. Механизмы активации и инактивации каналов. 33. Описание ионных токов в модели Ходжкина-Хаксли. 34. Воротные токи. Флуктуации напряжения и проводимости в модельных и биологических мембранах. 35. Формирование клеточных и тканевых источников электричества в организме при генезе потенциалов органов. 36. Основные характеристики клеточных источников электричества. 37. Распространение возбуждения. Кабельные свойства нервных волокон. 38. Проведение импульса по немиелиновым и миелиновым волокнам. 39. Математические модели процесса распространения нервного импульса. 40. Физико-химические процессы в нервных волокнах при проведении рядов импульсов (ритмическое возбуждение). 41.Энергообеспечение процессов распространения возбуждения. 42. Основные понятия теории возбудимых сред. 43. Связь транспорта ионов и процесса переноса электрона в хлоропластах и митохондриях. 44. Локализация электронтранспортных цепей в мембране; структурные аспекты функционирования связанных с мембраной переносчиков; асимметрия мембраны. 45. Основные положения теории Митчелла; электрохимический градиент протонов; энергизированное состояние мембран. 46. Сопрягающие комплексы, их локализация в мембране; функции отдельных субъединиц; конформационные перестройки в процессе образования макроэрга. 47. Основные типы сократительных и подвижных систем. 48. Молекулярные механизмы подвижности белковых компонентов сократительного аппарата мышц. 49. Принципы преобразования энергии в механохимических системах. 50. Термодинамические, энергетические и мощностные характеристики сократительных систем. 51. Функционирование поперечных мостиков в мышечном волокне. 52. Теории Хаксли, Дещеревского, Хилла. 53. Молекулярные механизмы немышечной подвижности. 54. Гормональная рецепция. Общие закономерности взаимодействия лигандов в рецепторами; равновесное связывание гормонов. 55. Роль структуры плазматической мембраны в процессе передачи гормонального сигнала. 56. Рецептор-опосредованный внутриклеточный транспорт. 57.Методы исследования гормональных рецепторов. 58. Сенсорная рецепция. Проблема сопряжения между первичным взаимодействием внешнего стимула с рецепторным субстратом и генерацией рецепторного (генераторного) потенциала. 59. Общие представления о структуре и функции рецепторных клеток. 60.Фоторецепция. 61. Биофизика слуха. 62.Механорецепция. 63.Вкус. Вкусовые качества. Строение вкусовых клеток. проблема вкусовых рецепторных белков. 4. Рекомендуемая литература Основная литература: 1. Биофизика /Под ред.Антонов В.А..- М.: Владос, 2000. 2. Рубин А.Б. Биофизика.М.:Кн.дом «Университет», 1999-2000. 3. Практикум по биофизике /В.А.Антонов и др.-М.:Владос, 2001. 4. Ремизов А.Н. Сборник задач по мед. и биолог. физике. – М.:Дрофа, 2001. 5. Волькенштейн М. В. Биофизика: учеб. пособие. – 3-е изд., стер. – М. : Лань, 2008. 6. Джаксон М. Б. Молекулярная и клеточная биофизика. – М. : Мир : Бином : Лаборатория знаний, 2009. 7. Камкин А.Г., Каменский А.А. (Редакторы). Фундаментальная и клиническая физиология. – М.: ACADEMIA, 2004. 8. Ревин В. В. Биофизика : учебник. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2002. 9. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика : учеб. для вузов. – 4-е изд., испр. и доп. – М. : Дрофа, 2003. 10. Рощупкин Д.И., Фесенко Е.Е., Новоселов В.И. Биофизика органов (Учебное пособие).- М.: Наука, 2000. 11. Самойлов В.О.(Редактор). Медицинская биофизика. СанктПетербург, 2004. Дополнительная литература: 1. Беляева О. Б. Светозависимый биосинтез хлорофилла. – М. : Бином : Лаборатория знаний, 2009. 2. Владимиров Ю. А. Физико-химические основы патологии клетки : Курс лекций. – М. : Изд-во Моск. ун-та, 2007. 3. Волобуев А. Н. Биофизические принципы гемодинамики (гидродинамика течения крови). – Самара : Самар. дом печати, 2009. 4. Комов В. П. Биохимия : учеб. для вузов. – М. : Дрофа, 2004. 5. Орлов Ю.И., Щукин С. И. Электроды для измерения биоэлектрических потенциалов.Учебное пособие. Издательство: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.