Примерный тематический план лекций

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Составлена в соответствии с
государственными образовательными стандартами по соответствующим направлениям высшего
профессионального образования
УТВЕРЖДАЮ:
руководитель Департамента
образовательных программ и
стандартов
профессионального образования
Минобразования России
Одобрено:
зам. Председателя УчебноМетодического Объединения
медицинских
и фармацевтических вузов
Минздрава России
Согласовано:
руководитель Департамента
образовательных
медицинских учреждений и
кадровой политики
Минздрава России
"_____" ____________2001 г.
Л. С. Гребнев
"_____" _____________2001 г.
И. Н. Денисов
"_____" ____________2001 г.
Н. Н. Володин
ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
"БИОФИЗИКА"
Для специальности № 040900 - Медицинская биофизика
Москва 2001
Программа по биофизике составлена сотрудниками кафедры биофизики медикобиологического факультета Российского государственного медицинского университета
Министерства Здравоохранения Российской Федерации: заведующим кафедрой
профессором, доктором биологических наук, академиком РАМН Ю. А. Владимировым,
профессорами Д. И. Рощупкиным, Г. И. Клебановым, А. Н. Осиповым, В. А. Петровым,
доцентами А. К. Аносовым, Е.А. Корепановой.
Рецензенты:
1. Заведующий кафедрой медицинской и биологической физики РГМУ,
профессор А. Я. Потапенко
2. Заведующий кафедрой медицинской и биологической физики ММА им.
И.М. Сеченова,
профессор В.Ф. Антонов
Рекомендована на заседании Методической комиссии и Ученого Совета РГМУ
 Министерство образования России, М., 2001
 Российский государственный медицинский университет, М., 2001
2
Объяснительная записка
Биофизика - наука, изучающая физические свойства биологических объектов и
физические процессы, лежащие в основе функционирования живых организмов. В
биофизике изучение биологических явлений осуществляется преимущественно методами,
пришедшими из теоретической и экспериментальной физики, которые, однако, претерпели
существенную трансформацию в связи с особенностями биологического объекта.
Биофизика представляет собой профилирующий предмет для студентов биофизических
отделений медико-биологических факультетов медицинских вузов, обучающихся по
специальности № 040900 – Медицинская биофизика. Изучение теоретических разделов
курса, прохождение практикума и выполнение дипломной работы дает выпускнику медикобиологического факультета возможность вести самостоятельную научную работу в области
медицинской биофизики в соответствии с присваиваемой квалификацией врач-биофизик.
Особенностью обучения студентов биофизике в медицинском вузе является не только более
подробное ознакомление с медицинскими приложениями биофизики по ходу изложения
этого предмета, но и наличие специального раздела "Физико-химические механизмы
патологии". Изучение этого раздела связывает биофизику с другими медицинскими
дисциплинами, такими, как общая патология и клинические дисциплины. В ходе
преподавания биофизики не следует упускать большого методологического значения этой
науки для биологии и медицины вообще.
Большой вклад в развитие отдельных областей биофизики сделали отечественные ученые,
включая сотрудников кафедры биофизики МБФ РГМУ, на что, естественно, обращается
внимание студентов.
В курсе изложения учебного материала последовательно рассматриваются различные
биологические объекты, их физические свойства и физические процессы, лежащие в основе
их функционирования. Отсюда такие понятия, как "биофизика макромолекул", "биофизика
клетки" и т.д. Именно такой способ преподавания положен в основу данной программы.
Целью преподавания биофизики для студентов, обучающихся по специальности №
040900 – Медицинская биофизика,
является подготовка высококвалифицированных
специалистов биофизиков для внедрения и эксплуатации современной медицинской
диагностической и физиотерапевтической техники, внедрения количественных методов
диагностики в практическое здравоохранение, для научно-исследовательской деятельности с
целью разработки и внедрения в медицинскую практику достижений медико-биологических
наук, а также для педагогической деятельности в медицинских вузах.
Преподавание биофизики предусмотрено в объеме 884 часов (общая трудоемкость) в 5, 6,
7, 8, 9 и 10 семестрах: 589 часов проводится в виде аудиторных занятий (лекционные -222
академических часа, лабораторные -367 академических часов); 295 часов - в виде
внеаудиторной учебной работы. Зачет предусмотрен в 5 и 10 семестрах, а во всех остальных
экзамены. В 6, 8 и 10 семестрах предусмотрено прохождение производственных практик
(лаборантская 3 недели; биофизическая, преддипломная по 4 недели каждая). В 11 семестре
проводятся занятия по дисциплинам по выбору (например, медицинская биофизика,
биофизика мембран, физико-химические методы исследования в биологии и медицине) в
объеме 510 академических часов из них аудиторная учебная работа составляет 420 часов (60
часов лекционные и 360 лабораторные занятия) и внеаудиторная – 90 часов.
Заключительный этап обучения в 12 семестре заканчивается выполнением дипломных работ.
Программа обеспечивает широкую фундаментальную биофизическую подготовку. Она
включает все современные разделы биофизики, в которых отражены физические и физикохимические основы биологических процессов на разных уровнях организации живых систем.
Предполагается широкое привлечение математического аппарата для количественного
описания биофизических процессов. Значительное место в программе отведено вопросам,
касающимся биофизических методов исследования. Изучение физических основ наиболее
важных методов предусматривается в лекционном курсе, а приобретение практических
навыков по использованию разнообразных методов на лабораторных занятиях. Наибольшее
внимание уделяется электрометрии, математического моделирования, методам, основанным
на регистрации эффектов взаимодействия различных видов излучений с организмом.
В программе широко представлены медицинские приложения достижений биофизики. Во
многие разделы фундаментальной биофизики включены вопросы биофизических
механизмов патогенеза заболеваний, научных основ способов лечения, основанных на
действии физических факторов, применения биофизических методов для диагностики
3
болезней. Программа содержит также специальный раздел по физико-химическим
механизмам патологических изменений клеток.
Ниже приводится распределение учебных часов по семестрам, примерный тематический
план лекций и примерный перечень лабораторных работ.
Распределение часов по учебному плану
Ч
Специальность
Общая
трудоемкость:
всего
часов.
884
с
ы
Аудиторные
Всего
№ 040900Медицинская
биофизика
а
589
Лекции
222
Внеаудиторные
Лабораторные
занятия
367
Всего
295
Распределение часов по семестрам
Всего часов лабораторных
занятий в семестре
Число академических часов
самостоятельной работы в
неделю
Всего академических часов
самостоятельной работы в
семестре
5-ый
4
4
80
(20 нед.)
6-ой
5
0
0
(17 нед.)
7-ой
5
2
36
(18 нед.)
8-ой
2
2
34
(17 нед.)
9-ый
14
2
38
(19 нед.)
10-ый
2
2
34
(17 нед.)
Всего:
222
Всего аудиторных часов:
Всего аудиторных часов и часов самостоятельной
работы:
Всего академических часов
лабораторных занятий в
неделю
Всего часов лекций в
семестре
Число академических часов
лекций в неделю
Семестр
Число академических часов
в неделю
Специальность - 040900 Медицинская биофизика
0
0
2
40
5
85
2
34
3
54
4
72
0
0
1
17
12
228
6
114
0
0
1
17
367
295
589
884
4
Распределение контрольных мероприятий по семестрам
Специальность
5 семестр
6 семестр
7 семестр
8 семестр
9 семестр
№040900 –
Медицинская
биофизика
Зачет
Экзамен
Экзамен
Экзамен
Экзамен
10
семестр
Зачет
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Т
е
м
Количество часов
Примерный тематический план лекций
а
ФОТОБИОФИЗИКА. Предмет и методы биофизики. Общие закономерности
фотобиологических процессов. Электронные переходы в биомолекулах при
поглощении света и люминесценции.
Количественные закономерности поглощения света биомолекулами. Особенности
поглощения света в биологических объектах: влияние неравномерного распределения
поглощающих свет молекул и светорассеяния.
Особенности поглощения света в биологических объектах: зависимость от ориентации
молекул.
Количественные закономерности фотолюминесценции в биологических системах.
Спектры люминесценции и спектры возбуждения люминесценции биомолекул.
Кинетический перенос энергии электронного возбуждения в биологических объектах.
Миграция энергии электронного возбуждения в биологических системах.
Хемилюминесценция биологических систем.
Кинетика фотохимических превращений биомолекул.
Спектры действия фотолиза биомолекул и фотобиологических процессов.
Механизм действия ультрафиолетового излучения на белки.
Механизм действия ультрафиолетового излучения на нуклеиновые кислоты.
Механизм действия ультрафиолетового излучения на липиды.
Биофизические механизмы фотобиологических процессов в коже. Механизм индукции
эритемы кожи ультрафиолетовым излучением.
Механизм фотоканцерогенеза в коже под действием ультрафиолетового излучения.
Механизм фотосинтеза витамина D3 в коже.
Механизм фотозагара, фотопревращения билирубина в коже при фототерапии желтухи
новорожденных.
Механизм фоторецепции.
Фотофизические стадии зрения у позвоночных, механизм фотосинтеза в галобактериях.
Сенсибилизированные фотобиологические процессы.
Кинетика фотопревращений псораленов. Реакции фотоприсоединения псораленов к
пиримидиновым основаниям. Механизм сенсибилизирующего действия псораленов при
фототерапии псориаза.
Начальные стадии фотосинтеза в зеленых растениях
II. МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА. Методы исследования биомакромолекул.
Физико-химические свойства сывороточного альбумина человека (САЧ). Структура и
функции САЧ. Конформационные перестройки САЧ, вызванные изменением
температуры и рН раствора.
Среднестатистические молекулярные массы, методы их определения.
Конформационная потенциальная энергия биомакромолекул: электростатические и
вандерваальсовы взаимодействия, водородные связи и стерические силы
взаимодействия.
Гидрофобные взаимодействия: структура льда и жидкой воды, структура ионных
растворов и растворов неполярных веществ.
5
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
2
2
2
4
4
2
4
4
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
49
50
51
52
53
Влияние электростатических и гидрофобных взаимодействий на вторичную структуру
белковых молекул.
Анализ вторичной структуры белка с помощью инфракрасной спектроскопии:
качественный и количественный анализ инфракрасных спектров белка, ИКдихроизм,
метод изотопного замещения.
Анализ вторичной структуры белков с помощью измерения их оптической активности.
Физические основы методов дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма
(ДОВ и КД). Определение степени спиральности биомакромолекул с помощью ДОВ и
КД.
Методы исследования третичной структуры белка и нуклеиновых кислот. Структура и
функция Н+-АТФ-азы. и Ca-АТФазы.
Равновесное связывание лигандов с биомакромолекулами.
Изучение динамической структуры белков с помощью флуоресцентных зондов.
Физические основы метода ФЗ.
Методы определения структуры белков и нуклеиновых кислот. Ядерный магнитный
резонанс высокого разрешения белковых молекул и нуклеиновых кислот. Физические
основы методов рентгеновской кристаллографии.
Электронный парамагнитный резонанс в исследовании белков. Физические основы
метода. Метод парамагнитных зондов и меток для определения структуры
биологического объекта.
III. БИОФИЗИКА КЛЕТКИ. Биологические мембраны. История изучения. Общие
принципы строения мембран. Функции мембран разных типов.
Строение липидного слоя мембран по данным рентгеноструктурного анализа.
Амфифильность мембранных липидов. Самосборка мембран. Поведение липидов на
границах раздела фаз. Свойства монослоев липидов.
Фазовые переходы липидов в мембранах.
Подвижность жирнокислотных цепей липидов. Методы ее изучения: спиновые зонды и
ЯМРспектроскопия.
Перенос ионов через мембраны. Электрохимический потенциал ионов. Классификация
типов ионного транспорта.
Механизмы активного транспорта ионов.
Количественное описание переноса ионов. Механизм диффузии. Проницаемость, роль
примембранных слоев воды.
Температурная зависимость диффузии ионов. Электродиффузия. Уравнение НернстаПланка.
Уравнение Гольдмана для потоков ионов через мембрану. Сопряженные ионные
потоки.
Механизмы генерации потенциалов покоя. Потенциалы Нернста, Доннана и ГольдманаХоджкина. Вклад электрогенной помпы.
Потенциал действия. Кинетика ионных токов при фиксированном напряжении на
мембране.
Математическое описание кинетики ионных токов. Уравнения Ходжкина.
Строение и работа ионных каналов.
Распространение потенциала действия по нервному волокну. Телеграфное уравнение.
БИОФИЗИКА ОРГАНОВ И СИСТЕМ. МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА.
Электрические поля тканей и органов. Электрическое поле токового унипольного и
дипольного генераторов.
Электрическое поле сердца на поверхности тела. Эквивалентный электрический диполь
сердца. Векторная электрокардиография.
Клеточные основы генеза ЭКГ. Компьютерный расчет ЭКГ.
Электрическое поле головного мозга. Токовые дипольные генераторы в пирамидных
нейронах новой коры. Статистические характеристики ЭЭГ.
Роль синхронизации электрической активности нейронов и их ориентации в генезе
ЭЭГ. Формулы для дисперсии ЭЭГ.
Механизм генеза ритмических ЭЭГ. Особенности электрического поля гиппокампа.
Пассивные механические свойства тканей. Механические характеристики упругих тел и
жидкостей. Механические и электрические аналогии.
Механические свойства мышц, костей. Механические явления в легких.
6
2
4
4
2
2
4
4
4
2
4
2
4
2
4
4
2
2
4
2
2
2
2
4
4
2
4
2
2
4
4
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
Упругие свойства оболочек полых органов, уравнение Лапласа.
Механические свойства крови.
Гемодинамические процессы. Статическое механическое состояние кровеносных
сосудов. Уравнения деформации кровеносных сосудов.
Общие закономерности течения крови по упругому сосуду. Гемодинамические
параметры сосуда с кровью.
Гемодинамические телеграфные уравнения. Уравнение пульсовой волны. Фазовая
скорость пульсовой волны, формула Моенса Кортевега.
Интегральные гемодинамические характеристики большого круга кровообращения;
гемодинамическая формула для систолического выброса крови.
Кардиогенные смещения тела. Определение систолического выброса крови с помощью
низкочастотной баллистокардиографии.
Механические процессы при сокращении скелетных мышц.
Механизм мышечного сокращения.
Трансэпителиальный транспорт веществ в кишечнике и нефронах. Механизм
осмотического концентрирования мочи в нефронах.
V. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПАТОЛОГИИ. Нарушение
функциональных систем клетки и клеточное повреждение.
Физико-химические факторы, вызывающие повреждение клетки.
Роль нарушений структуры и функций биологических мембран в клеточной патологии.
Изменение фазового состояния липидов и его роль в патологии. Осмотические
повреждения мембран.
Нарушение свойств мембран при гипоксии. Действие Са2+ на мембраны митохондрий.
Роль фосфолипаз в клеточной патологии. Нарушение структуры и функции мембран
при тканевой гипоксии.
Свободные радикалы, их источники в живых клетках.
Активные формы кислорода, свойства и метаболизм. Защитные ферменты.
Роль активированных форм кислорода в клеточной патологии.
Цепное (перекисное) окисление липидов, механизм основных реакций.
Методы изучения свободнорадикальных реакций: спиновые ловушки и
хемилюминесценция.
Кинетика цепного окисления липидов. Математическое моделирование кинетики..
Действие перекисного окисления на свойства липидного слоя мембран и
липопротеидов.
Роль ПОЛ в развитии различных патологических процессов.
Электрическая стабильность мембран. Её нарушение в патологии.
Роль повреждения мембран митохондрий в развитии некроза и апоптоза.
VI. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА В БИОФИЗИКЕ. Применение при работе с
документами, библиографией и в лабораторных исследованиях по биофизике.
Персональный компьютер IBM PC. Операционные системы MS DOS, MS Windows.
Работа с файлами. Работа в сети. Архивация данных. Организации коллективной
работы на ПК.
Основные программные средства обработки данных и подготовки документов.
Текстовые редакторы; подготовка презентаций и графиков; базы данных. Работа в
Internet. Сбор, хранение и обработка данных литературы по биофизике. Базы данных
учебных и научных материалов по биофизике в Internet.
Программное обеспечение для компьютеров Макинтош: интегрированные пакеты и
офисные программы, текстовые процессоры, базы данных, программы для обработки
изображений, трехмерное моделирование, программы для обучения, издательские
системы, системы проектирования, программы для создания собственных программ,
развлекательные и общеобразовательные программы, утилиты.
Аппаратное обеспечение компьютеров Макинтош: настольные, портативные
компьютеры, аксессуары, специальное оборудование. Сетевое обеспечение, серверы,
модемы.
Интегрированная программа Claris Work.
Система сбора, обработки и представления данных MacLab. Аппаратное обеспечение
MacLab. Применение FrontEnd. Программа Chart. Другое программное обеспечение.
2
2
2
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
7
Количество часов
Примерный перечень лабораторных работ
№
п/п
Т
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
е
м
а
ФОТОБИОФИЗИКА. Дифференциальная и производная спектрофотометрия.
Спектрофотометрия мутных объектов на примере эритроцитарных суспензий.
Спектрофотометрия сухих пленок.
Микроспектрофотометрия.
Изучение фотолиза белков и ароматических аминокислот.
Изучение спектров возбуждения флуоресценции ароматических аминокислот и белков.
Хемилюминесценция биологических объектов.
Спектры флуоресценции белков и ароматических аминокислот.
II. МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА. Исследование количества и состояния заряженных
групп белков трипсина и сывороточного альбумина человека методом
потенциометрического титрования.
Изучение гидрофобных и электростатических взаимодействий белковых и липидных
молекул методом светорассеяния.
Изучение взаимодействия биологически активных веществ с сывороточным альбумином
человека методом флуоресцентных зондов.
Определение размера молекул белков сыворотки человека, рибонуклеазы методом
поляризованной флуоресценции.
Исследование взаимодействия нуклеиновых кислот с мутагенным красителем акридиновым
оранжевым методом дифференциальной спектрофотометрии.
Изучение размеров и формы белков и нуклеиновых кислот методом вискозиметрии.
Исследование гидрофобных и электростатических взаимодействий между белковыми
молекулами методом электрофореза в полиакриламидном геле.
Определение молекулярного веса белков до и после ферментного гидролиза методом
гельфильтрации.
Определение влияния поверхностно-активных веществ на поверхностное натяжение
физиологического раствора.
Определение стандартных свободных энергий реакций связывания лигандов с
биомолекулами.
III, V. БИОФИЗИКА КЛЕТКИ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
ПАТОЛОГИИ. Микрофлуориметрия клеток.
Изучение свободных радикалов и количественное определение гемопротеидов методом
регистрации хемилюминесценции люминола. Исследование хемилюминесценции плазмы
крови и гомогенатов печени.
Техника изготовления стеклянных микроэлектродов. Измерение потенциала покоя
мышечных клеток с использованием микроэлектродов.
Измерение поверхностного заряда эритроцитов методом электрофореза.
Изучение транспорта ионов кальция в митохондриях печени крыс методом рН-метрии.
Изучение дыхания митохондрий печени крыс методом полярографии.
Исследование электрических параметров и свойств бимолекулярных липидных мембран.
Изучение пассивной проницаемости биологических и искусственных липидных мембран
методом турбидиметрии.
Исследование активного транспорта ионов в коже лягушки методом короткозамкнутого
тока.
Исследование пассивных электрических свойств биологических суспензий и тканей.
Изучение проведения нервного импульса.
Исследование внешнего электрического поля изолированного сердца лягушки.
8
10
10
5
10
10
10
10
10
12
6
12
12
12
6
12
12
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
Измерение потенциала пробоя мембран эритроцитов.
IV. БИОФИЗИКА ОРГАНОВ И СИСТЕМ. МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА.
Биофизические основы измерения электрокардиограмм при разных отведениях.
Ультразвуковое допплеровское измерение скорости кровотока.
Биофизические основы измерения векторэлектрокардиограмм.
Биофизические основы определения сердечного индекса методом импедансной реографии.
Анализ сокращения мышцы в организме методом регистрации ее звуковой активности.
Хемилюминесцентное исследование вредных примесей в питьевой воде.
Исследование агрегационного взаимодействия клеток и его роли в изменении агрегатного
состояния крови
Инструментальное исследование эритемной реакции кожи.
Определение активных зон кожи методом регистрации электропроводности.
VI. КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ БИОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ. Электрические свойства
бислойных липидных мембран (БЛМ).
Определение активности ПАВ методом капиллярных волн.
Импедансомемтрический метод определения объема клеток.
Регистрация кожной перспирации (насыщения водой) кондуктометрическим методом.
Определение вязкости цельной крови ротационным методом.
Термометрия биохимических рекций (определение теплового выхода и активности
ферментов).
Электрохимический метод определения концентрации кислорода в биологических объектах.
Хемилюминесцентный метод изучения реакций ПОЛ, определения активности
фагоцитарных клеток.
Регистрация фотохимической активности растений потенциометрическим методом
(корнелистовой потенциал).
6
6
Изучение взаимодействия холестерина и пенициллина с сывороточным альбумином крови
человека методом флуоресцентных зондов.
Спирометрическое изучение функции внешнего дыхания человека.
Изучение механических свойств кожи и мягких тканей человека (упругость, скорость
проведения поверхностных акустических колебаний).
Электрокардиография (ЭКГ).
Реография.
Тахоосциллография.
Сфигмография (пьезоэлектрический датчик пульса, анализ вариабельности пульса, фазовое
представление сфигмограммы).
4
9
6
6
6
6
6
6
6
6
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
Введение
Предмет биофизики, основные разделы биофизики. История развития биофизики. Методы
биофизики. Взаимоотношения биофизики с другими биологическими дисциплинами. Биофизика
и медицина.
I. Фотобиофизика
1. Поглощение света в биологических системах
Основные фотобиологические процессы. Стадии фотобиологических процессов.
Фотобиологические явления, используемые в фотомедицине. Электронные переходы в
биомолекулах при поглощении света и люминесценции. Пути растраты энергии электронного
возбуждения в биомолекулах.
Количественные
закономерности
поглощения
света.
Закон
Бугера-Ламберта-Бера.
Количественные показатели поглощения света. Спектры поглощения биомолекул. Особенности
поглощения света в биологических системах: влияние неравномерного распределения молекул и
светорассеяния, влияние ориентации молекул. Дифференциальная и производная
спектрофотометрия многокомпонентных биологических объектов. Области применения
спектрофотометрии в биологии и медицине.
2. Люминесценция в биологических системах
Зависимость потока и интенсивности фотолюминесценции от концентрации. Квантовый
выход
фотолюминесценции.
Влияние
экранирующих
соединений
на
поток
фотолюминесценции. Спектры фотолюминесценции и спектры ее возбуждения.
Люминесцирующие биомолекулы.
Перенос энергии электронного возбуждения в биологических системах. Кинетическая схема
процессов, происходящих при поглощении света и люминесценции. Теория кинетического
переноса энергии электронного возбуждения. Уравнение Штерна-Фольмера. Миграция энергии
электронного возбуждения в биологических системах. Миграция энергии в фотосинтетической
единице. Механизмы миграции энергии электронного возбуждения в биологических системах:
индуктивно-резонансная миграция энергии по синглетным уровням и обменно-резонансная
миграция энергии по триплетным уровням.
Хемилюминесценция
в
биологических
системах.
Основные
характеристики
хемилюминесценции: поток излучения, квантовый выход, спектр излучения. Физические и
химические активаторы хемилюминесценции. Биолюминесценция и биохемилюминесценция.
Свободные радикалы и их свойства. Роль свободных радикалов в генерации
биохемилюминесценции. Биохемилюминесценция при перекисном окислении липидов, ее
количественные
закономерности,
роль
перекисных
свободных
радикалов.
Биохемилюминесценция при активации фагоцитов: реакции, приводящие к генерации активных
форм кислорода и свободных радикалов, спектр свечения. Использование хемилюминесцентных
методов в биологии и медицине. Биолюминесценция светляков: схема основных превращений
люциферина и генерации возбужденного продукта, квантовый выход свечения и спектр
излучения. Биолюминесценция бактерий.
3. Первичные и начальные стадии фотопревращений
биомолекул
Основные характеристики фотопревращений биомолекул, различные виды квантовых
выходов фотопревращений. Кинетика необратимых однофотонных фотопревращений
биомолекул, поперечное сечение фотолиза молекул. Кинетика обратимых однофотонных
фотопревращений биомолекул. Спектры действия фотопревращений биомолекул.
Характеристики солнечного ультрафиолетового излучения за пределами атомосферы и на
поверхности Земли. Спектр пропускания солнечного излучения кислородом и озоном
10
атмосферы Земли. Изменение ультрафиолетового излучения в результате истощения озонового
слоя Земли. Различные диапазоны биологически активного ультрафиолетового излучения.
Инактивирующее действие УФ-излучения на белки. Кинетика фотоинактивации белков.
Теория фотоинактивации молекул белков при фотолизе аминокислотных остатков. Спектры
дейстия фотоинактивации белков. Первичные фотопревращения аминокислотных остатков в
белках под действием УФ-излучения.
Фотодимеризация пиримидиновых оснований в нуклеиновых кислотах, роль в этом процессе
триплетных состояний. Фотогидратация цитозина и урацила. Роль димеризации тимина в
инактивации ДНК под действием УФ-излучения. Использование фотоповреждений ДНК при
медицинском применении УФ-излучения. Механизм мутагенного действия ультрафиолетового
излучения на клетки. Фотореактивация фотохимических повреждений ДНК.
Индукция ультрафиолетовым излучением перекисного окисления ненасыщенных липидов.
Схема элементарных реакций перекисного фотоокисления липидов. Роль фотолиза
антиоксидантов и фотопревращений гидроперекисей жирных кислот в свободные радикалы в
развитии перекисного фотоокисления липидов в биомембранах. Общая формула для оценки
концентрации перекисных радикалов и скорости изменения концентрации гидроперекисей.
Кинетика перекисного фотоокисления липидов при обрыве цепей на антиоксиданте.
Модификация свойств биомембран при перекисном фотоокислении их липидов.
4. Механизмы фотобиологических процессов при действии
ультрафиолетового излучения
Спектры действия фотобиологических процессов, задачи их исследования. Теория спектров
действия фотобиологических процессов при постоянной дозе облучения, формулы для
слабопоглощающих и сильнопоглощающих объектов. Теория спектров действия
фотобиологических процессов при постоянной величине фотобиологического эффекта. Спектры
действия фотобиологических процессов, определяемых скоростью превращения активных
молекул.
Общие закономерности эритемы, индуцированной УФ-излучением. Дозовые зависимости и
спектры действия эритемы. Влияние экранирующих неактивных слоёв кожи на форму спектра
действия эритемы, теория спектра действия эритемы. Роль фотостимуляции темнового
перекисного окисления липидов в развитии эритемы.
Пигментация кожи под действием ультрафиолетового и видимого света. Спектры действия
прямой и непрямой пигментации кожи. Молекулярный механизм образования меланина при
непрямой пигментации.
Канцерогенное действие ультрафиолетового излучения на кожу при высоких суммарных
дозах облучения. Спектр канцерогенного действия ультрафиолетового излучения.
Фотохимические основы канцерогенного действия ультрафиолетового излучения.
Лечебное действие ультрафиолетового излучения на организм животных и человека.
Антирахитический эффект при облучении кожи ультрафиолетовым излучением. Спектр
антирахитического действия ультрафиолетовго излучения. Зависимость формы этого спектра от
особенностей образования витамина D3. Молекулярный механизм фотохимического
образования превитамина D3, витамина D3 и других продуктов фотопревращения 7дегидрохолестерина. Теория дозовой зависимости фотосинтеза превитамина и витамина D 3.
Механизм фотоизомеризации и окислительных фотопревращений билирубина в коже при
фототерапии желтухи новорождённых ультрафиолетовым и видимым светом.
5. Фотофизические и фотохимические стадии зрения у
позвоночных и фотосинтеза в галобактериях
Спектры действия скотопического и фотопического зрения, кривая видности.
Биофизические основы системы эффективных световых величин. Спектры поглощения
родопсина и иодопсинов, палочек и колбочек. Механизм сдвига спектра поглощения остатка
ретиналя при образовании родопсина. Цепь фотопревращений родопсина. Спектральные и
кинетические характеристики продуктов фотопревращения родопсина. Метод импульсного
фотолиза и кинетической спектрофотометрии в исследованиях быстрых фотопревращений
зрительных пигментов. Механизм фотопревращения родопсина в батородопсин. Энергетика
фотоизомеризации родопсина и батородопсина.
11
Спектры
поглощения
бактериородопсина.
Механизм
цис-транс-фотоизомеризации
бактериородопсина. Циклы фотопревращений бактериородопсина. Спектральные и
кинетические характеристики продуктов и кинетика фотопревращений бактериородопсина.
6. Механизм сенсибилизированных фотобиологических
процессов
Типы фотосенсибилизированных процессов повреждения биологических объектов.
Фотодинамическое действие. Механизм фотосенсибилизированного окисления биомолекул.
Роль синглетного кислорода в фотодинамическом действии. Кинетика сенсибилизированного
фотоокисления биомолекул с участием синглетного кислорода. Механизм сенсибилизированной
порфиринами и другими сенсибилизаторами фотодеструкции опухолей.
Фотосенсибилизированные реакции, независящие от кислорода. Фотоповреждение молекул
нуклеиновых кислот в присутствии псораленов. Реакции фотоприсоединения псораленов к
пиримидиновым основаниям. Механизм сенсибилизирующего действия псораленов при
фототерапии псориаза.
Общая схема начальных стадий фотосинтеза в растениях. Механизм фотопереноса электрона
в окислительно-восстановительных реакциях хлорофилла "а".
7. Применение лазерного излучения в медицине
Применение лазеров в медицине. Лазерная хирургия, лазерная терапия, фотодинамическая
терапия. Основные механизмы терапевтического действия лазерного излучения:
фотосенсибилизированная активация клеток, фотореактивация ферментов, фотодиссоциация
комплексов моноксида азота.
Лазеры как инструмент медико-биологических исследований. Наносекундная и пикосекундная
спектроскопия. Доплеровская спектроскопия и ее применение.
II. Молекулярная биофизика
1. Введение
Предмет и методы молекулярной биофизики. История развития. Вклад отечественных
ученых в развитие молекулярной биофизики. Сывороточный альбумин человека (САЧ):
содержание в крови, основные функции. Этапы транспортной функции белка. Основные
физико-химические
свойства
САЧ:
растворимость,
молекулярная
масса,
заряд,
изоэлектрическая точка, коэффициент диффузии, вязкость, форма. Структура САЧ.
2. Молекулярные массы макромолекул
Среднечисленная
молекулярная
масса.
Средневесовая
молекулярная
масса.
Средневискозиметрическая молекулярная масса. Причина невозможности использования
методов криоскопии и эбулиоскопии для измерения молекулярных масс макромолекул.
Методы определения молекулярных масс биомакромолекул: осмометрия, гельхроматография,
электрофорез в полиакриламидном геле, рассеяние света, вискозиметрия.
3. Конформация основных биологических макромолекул
Конформационная потенциальная энергия белковых макромолекул. Внутри- и
межмолекулярные силы и взаимодействия биомакромолекул: кулоновское взаимодействие,
иондипольные взаимодействия, вандерваальсовы силы, водородные силы, стерические силы
(силы деформации и напряжения валентных связей и углов, силы заторможенности вращения
пептидных групп вокруг простых связей . Гидрофобное взаимодействие. Уникальные
(аномальные) физические свойства воды и их роль в биологических процессах. Модели
структуры молекулы воды. Структура льда. Структура жидкой воды. Модели структуры жидкой
воды: микрокристаллическая, квазикристаллическая (континуальная) и ассоциативная гипотезы.
Структура воды в растворах. 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.
12
4. Структура белковых молекул
Первичная структура. Ионизационное равновесие в белках, полярность белковых
аминокислотных остатков.
Вторичная структура. Распространенность вторичных структур в белках, влияние
электростатических сил и гидрофобных взаимодействий на стабильность вторичной структуры
полипептидов и белков.
Третичная структура. Термодинамическая модель структурной организации белков.
Макромолекулярная организация глобулярных белков. "Капельная" модель Бреслера и Талмуда.
"Сферическая" модель Фишера. Анализ третичной структуры белка по Фишеру. Плотность
упаковки аминокислотных остатков в молекулах белка. Объем и плотность белков.
Динамичность третичной структуры. Анализ и предсказание вторичной и третичной структуры
белка по первичной. Физические принципы самоорганизации белковых молекул.
"Термодинамическая гипотеза самоорганизации" и экспериментальное подтверждение ее.
Стадии самосборки белковых молекул по Птицыну О.Б. Связь между структурным и
функциональным подобием. Вырожденность конфигурационной информации. Физическая
теория структурной организациии белков. Основные положения физической теории. Метод
теоретического конформационного анализа. Количественный метод теоретического
конформационного анализа пептидов.
Четвертичная структура. Анализ числа субъединиц и их взаимного расположения.
Стабильность четвертичной структуры белков. Методы предсказания структуры белков,
построение молекулярных моделей с помощью ЭВМ.
5. Структура нуклеиновых кислот
Конформационный анализ. Углы вращения остова нуклеиновой кислоты и стерические
ограничения. Взаимодействия первого и второго порядка. Силы, стабилизирующие
упорядоченные конформации. Типы спаривания оснований в кристаллах и в растворе. Стэкинг
оснований. Основные силы, обеспечивающие стэкингвзаимодействия. Третичная структура
нуклеиновых кислот. Структура хроматина.
6. Методы исследования структуры основных
биомакромолекул
Инфракрасная спектроскопия (ИКС) полипептидов и белков. Физические основы ИКС.
Основные типы колебания атомов в молекулах. Характеристические частоты колебания атомов
пептидной группы белков. Анализ спектров поглощения белков в ИК диапазоне. ИК-дихроизм.
Метод дейтерообмена. Анализ вторичной структуры белка методом ИК спектроскопии.
Экспериментальное исследование оптической активности полипептидов и белков: ДОВ и
КД. Физические основы оптической активности макромолекул. Метод ДОВ. Оценка степени
спиральности белков методом ДОВ: метод Друде, метод Моффита. Метод КД. Оценка степени
спиральности белков методом КД "изодихроичный метод"
Рентгеноструктурный анализ белков. Рентгеноструктурный анализ глобулярных белков.
Миллеровы плоскости отражения рентгеновских лучей. Закон Брегга-Вульфа. Понятие обратной
кристаллической решетки, векторная форма уравнения Брегга-Вульфа. Структурный фактор.
Проблема фаз и метод изоморфного замещения. Определение структурных факторов,
вычисление электронной плотности. Создание пространственной модели белков. Анализ
третичной структуры миоглобина, гемоглобина, лизоцима, рибонуклеазы, карбоксипептидазы.
Анализ структуры и функции полипептидов и белков с помощью метода флуоресцентных
зондов. Принцип метода. Основные типы флуоресцентных зондов. Параметры поглощения и
флуоресценции зондов: положения максимумов поглощения и флуоресценции, полуширина
максимума, интенсивность максимума флуоресценции, квантовый выход, время жизни
возбужденного состояния, степень поляризации, анизотропия флуоресценции. Применение
метода ИРПЭ флуоресценции для оценки расстояний между парами зондов, связанных с
биообъектом.
Исследование структуры белков и нуклеиновых кислот. Изучение белок-липидных
пространственных взаимоотношений в мембранах с помощью ИРПЭ флуоресценции. Методы
определения вращательной и латеральной диффузии молекул.
Резонансные методы исследования структуры и функции полипептидов и белков: ЯМР,
ЭПР.
13
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) высокого разрешения полипептидов белков. Параметры
спектров ЯМР: интенсивность, полуширина, химический сдвиг. Отнесение сигналов в спектре
ЯМР белка к определенным аминокислотным остаткам полипептидной цепи. Связь параметров
спектра ЯМР с физическими характеристиками молекул.
ЯМР-спектроскопия биологических систем. 1H, 13C, 31P - ЯМР-спектры белков. Спектры ЯМР
нуклеиновых кислот.
Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Физические основы метода.
Параметры спектров ЭПР: интенсивность, полуширина. Сверхтонкое взаимодействие.
Контактное взаимодействие. Анизотропное сверхтонкое расщепление. ЭПР-спектроскопия
металлсодержащих белков.
Метод спиновых меток и зондов. Время корреляции вращательной диффузии, параметр
упорядоченности, параметр гидрофобности.
7. Динамическое поведение биологических макромолекул в
растворах
Взаимодействие биомакромолекул с лигандами в условиях равновесия. Равновесное
связывание лигандов с макромолекулами. Типы связывания. Взаимодействие между центрами
связывания.
Кооперативное связывание кислорода гемоглобином. Кривая оксигенации. Анализ
равновесия связывания кислорода. Константа Хилла и энергия взаимодействия гем-гем. Эффект
Бора. Взаимодействие двуокиси углерода с гемоглобином. Связь между структурой и
механизмом функционирования гемоглобина.
Конформационное равновесие в полипептидах и белках: переход спиральклубок.
Конформационная стабильность и конформационные изменения. Термодинамическое описание
перехода. Анализ конформационного равновесия простых линейных цепей с помощью
статистических сумм. Методы и правила нахождения статистической суммы. Модель перехода
спираль–клубок типа "застежка–молния". Описание перехода спираль–клубок и сравнение с
экспериментальными данными.
Конформационное равновесие в полипептидах и белках: равновесное сворачивание–
разворачивание.
Исследования процесса сворачивания белков. Процесс денатурации белков.
Клеточные механизмы контроля за укладкой полипептидной цепи во вновь синтезируемых
белках. Участие белков теплового шока (шаперонов) в репарации структуры денатурированных
белков. Механизмы удаления поврежденных белков; протеосомы, их строение и пути
активации.
Структурные переходы в нуклеиновых кислотах. Структура и стабильность одноцепочечных
нуклеиновых кислот. Равновесие между одно- и двухцепочечными структурами. Температура
плавления и стабильность. Влияние рН на структуру полинуклеотидов. Гидродинамические
исследования плавления двойной спирали. Влияние ионной силы на термостабильность
двойной спирали и на плавление полинуклеотидов. Плавление ДНК. Ренатурация
комплементарных цепей. Связывание нуклеиновых кислот с лигандами. Основные механизмы
связывания.
8. Моделирование структуры белков с использованием
вычислительной техники.
Термодинамическая модель самоорганизации белковой молекулы. Нелинейная
неравновесная термодинамика И. Пригожина: теория диссипативных систем, теория
бифуркаций. Феноменологическая бифуркационная модель самосборки белка.
Физическая теория структурной организации белка. Ближние, средние, дальние
внутримолекулярные невалентные взаимодействия. Количественная оценка энергии всех видов
взаимодействий белка.
Фрагментарный метод теоретического конформационного анализа пептидов и белков.
Расчет трехмерной структуры бычьего панкреотическоготрипсинового ингибитора.
14
III. Биофизика клетки
1. Основные физические характеристики клетки
Ультраструктура клетки. Физические методы изучения структуры и функций клетки.
Электрические свойства клеток. Механические свойства клетки и цитоплазмы. Состояние воды
и электролитов в клетке. Свободная и структурированная клеточная вода.
2. Молекулярная организация и биофизические свойства
мембранных структур
История изучения строения биологических мембран: жидкостно-мозаичная модель
мембраны, модель Давсона-Даниэлли, Робертсона, мозаичная модель Грина. Современные
представления о структуре мембран.
Физико-химические свойства мембранных липидов. Свойства фосфолипидных монослоев;
влияние на эти свойства жирнокислотного состава фосфолипидов, холестерина, температуры,
белков, неорганических ионов. Модельные бислойные липидные мембраны: липосомы и
плоские бимолекулярные липидные мембраны (БЛМ). Методы изучения физических свойств и
состояния липидов в бислое: рентгеноструктурный анализ, спектроскопия ядерного магнитного
резонанса,
методы
спиновых
и
флуоресцентных
зондов,
дифференциальная
микрокалориметрия. Лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния. Фазовые переходы в
фосфолипидном бислое. Понятие о кооперативной единице. Разделение фаз. Зависимость
температуры фазового перехода от химической структуры цепей жирных кислот и
характеристических групп фосфолипидов, от содержания холестерина. Латеральная диффузия
молекул белков и липидов в липидных бислоях. Трансмембранный переход фосфолипидов и
проблема асимметрии бислоя. Влияние фазового состояния липидов на активность ферментов в
биомембранах.
Особенности строения различных биомембран, связь их структурной организации с
выполняемой функцией. Молекулярная структура мембран миелиновых оболочек нервных
волокон: сопоставление данных электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.
Особенности молекулярной организации мембран эритроцитов и цитоплазматических мембран
других клеток. Внутренняя мембрана митохондрий: основные функции, молекулярная
организация системы транспорта электронов. Эндоплазматический ретикулум клеток печени:
молекулярная организация, свободнорадикальные стадии гидроксилирования гормонов,
ксенобиотиков. Молекулярная организация саркоплазматическкого ретикулума: механизм
функционирования кальцийтранспортной АТФазы.
3. Транспорт вещества
Количественные законы переноса веществ через мембраны (классификация процессов
переноса ионов (веществ) через мембраны). Поток и плотность потока ионов и вещества. Закон
диффузии, уравнение Фика, электрофорез, основные уравнения. Основное уравнение
электродиффузии (уравнение Нернста-Планка).
Проницаемость биологических и модельных мембран; методы ее исследования.
Коэффициент проницаемости биомембран, зависимость его от величины растворимости
вещества в липидах. Электрофорез ионов через мембраны, проводимость мембран для
постоянного тока. Емкость мембран и импеданс. Методы изучения импеданса. Зависимость
импеданса от частоты тока.
Решение уравнения электродиффузии в приближении постоянного поля. Связь уравнения
Гольдмана для потока с законами Фика и Ома.
Транспорт веществ через мембраны путем облегченной диффузии. Переносчики веществ и
ионов. Поры в биомембранах, методы оценки эффективного размера пор. Динамические поры и
механизм их формирования.
Сопряженные ионные потоки через мембраны везикулярных структур. Уравнение Онзагера
для сопряженных потоков. Связь проницаемости биомембран для различных веществ с фазовым
состоянием липидов.
15
Активный транспорт веществ в живой клетке, его энергетика. Роль К+, Nа+ активируемой
АТФазы в активном транспорте неорганических ионов. Молекулярный механизм работы К +, Са+
АТФазы. Транспорт неорганических ионов через кожу лягушки, стенки мочевого пузыря и
почечных канальцев. Опыты Усинга по измерению ионных потоков через многоклеточные
системы. Связь транспорта воды с движением других веществ. Осмотическое сжатие и
набухание клеток.
Хемиосмотическая теория окислительного фосфорилирования в митохондриях: основные
постулаты Митчела и их экспериментальные доказательства. Биофизический механизм действия
разобщителей окислительного фосфорилирования. Электрофоретический транспорт ионов через
мембраны митохондрий, его биологическое значение.
4. Биофизические механизмы генерации мембранных
потенциалов
Распределение ионов между водной и липидной фазами; межфазный потенциал. Энергия
ионов в липидной фазе. Поверхностные заряды и поверхностный потенциал. Распределение
плотности зарядов у границы раздела фаз: мембрана-вода.
Стационарные потенциалы в живой клетке: потенциалы покоя и потенциалы действия. Методы
измерения биопотенциалов: микроэлектродная техника, характеристики микроэлектродов.
Особенности входных цепей усилителей при работе с микроэлектродами.
Ионная природа потенциалов покоя и действия. Равновесные потенциалы Нернста-Доннана.
Стационарный потенциал: уравнение Ходжкина-Гольдмана для расчета значений потенциалов
покоя и действия.
Связь величины потенциалов покоя и действия с клеточным метаболизмом. Роль активного
транспорта ионов в генерации потенциалов покоя. Электрогенный насос. Потенциалы покоя
клеток печени, почек, сердечной, скелетной и гладкой мышц, нервной ткани в норме и
патологии.
Биофизический механизм генерации потенциала действия. Метод фиксации напряжения на
мембране. Изменения потоков ионов калия и натрия во времени при генерации потенциала
действия. Современные методы изучения природы натриевых и калиевых каналов.
Селективность ионных каналов, регуляция работы ионных каналов. Воротные токи. Механизм
действия биологически активных соединений на ионные каналы. Роль ионов кальция в
генерации потенциала действия в нервном волокне и нервной клетке. Кабельные свойства
нервных волокон. Скорость проведения нервного импульса; телеграфное уравнение.
Особенности проведения нервного импульса в миелизированных нервных волокнах.
Проведение нервного импульса через синаптические мембраны. Электрические и химические
синапсы. Ионная проницаемость синаптических мембран и природа синаптического
потенциала.
5. Биофизика рецепции
Синаптические мембраны. Методы изучения холинорецепторов. Молекулярная организация
и
механизм
действия
холинорецептора.
Кинетика
взаимодействия
веществ
с
холинорецепторами. Оценка ответа клетки при действии медиатора. Механизмы
десенситизации. Механизм изменения проницаемости холинорецептивной мембраны.
Физико-химическая модель взаимодействия ацетилхолина и его аналогов с рецептором.
Рецепторные мембраны, содержащие аденилатциклазу: биофизические аспекты их
функционирования. Биофизические механизмы действия циклической АМФ, роль ионов
кальция в действии цАМФ. Биофизические механизмы функционирования хеморецепторов.
6. Биофизика межклеточных взаимодействий
Физико-химические характеристики клеточной поверхности, методы их изучения.
Клеточные контакты: типы, электрические свойства, механическая прочность. Методы изучения
адгезии клеток. Моделирование межклеточных контактов. Механизм нарушения межклеточных
взаимодействий в патологии.
16
IV. Биофизика органов и систем. Медицинская биофизика
1. Внешние электрические поля тканей и органов
Электрограммы и пространственное распределение потенциала как основные
характеристики внешних электрических полей тканей и органов. Задачи исследования
электрограмм. Токовая природа внешних электрических полей тканей и органов. Клетки как
токовые электрические генераторы. Пассивные электрические свойства тканей и органов.
Эквивалентные электрические схемы тканей и органов. Электрический импеданс тканей, его
частотная зависимость.
Описание электрической активности клеток и тканей токовым двухполюсным (дипольным)
генератором. Точечный и конечный токовый дипольный генератор; его дипольный момент.
Потенциал токового унипольного генератора, находящегося в объемной проводящей среде.
Потенциал конечного токового двухполюсного генератора в неограниченной среде и его
мультипольное разложение. Влияние непроводящей поверхности (ограничения проводящей
среды) на потенциал внешнего электрического поля тканей и органов.
Физические основы регистрации электрокардиограмм при различных отведениях.
Длительный мониторинг электрокардиограмм в целях диагностики функционального состояния
сердца.Электрическое поле сердца, регистрируемое на поверхности тела; дипольный характер
этого поля. Электрический вектор сердца как дипольный момент эквивалентного
электрического
диполя
миокарда.
Пространственные
и
плоские
векторные
электрокардиограммы и методы их измерения. Мультипольный характер электрического поля
сердца на небольшом удалении от миокарда. Клеточный механизм генеза ЭКГ; определение
дипольных моментов различных участков миокарда по данным проведения возбуждения и
потенциалов действия его клеток. Компьютерный расчет ЭКГ в норме и при патологических
состояниях в различных отведениях.
Электрическая активность пирамидных нейронов новой коры как источник генеза
электроэнцефалограмм. Импульсная и градуальная электрическая активность пирамидных
нейронов новой коры. Формирование токовых двухполюсных и четырехполюсных
(квадрупольных) генераторов в пирамидных нейронах. Структура экстраклеточного
электрического поля пирамидных нейронов при различных видах электрической активности.
Элементы теории случайных процессов (случайных функций) и ее использование для описания
генеза ЭЭГ. Статистические характеристики фоновых ЭЭГ. Автокорреляционная функция ЭЭГ.
Спектр мощности ЭЭГ. Общая формула для дисперсии ЭЭГ; коэффициент взаимной попарной
корреляции электрической активности нейронов. Значение ориентации пирамидных нейронов в
новой коре и синхронизации их электрической активности для генеза ЭЭГ. Формулы
зависимости дисперсии ЭЭГ при скоррелированной и нескоррелированной электрической
активности нейронов. Особенности электрического поля гиппокампа: пространственная
зависимость знака и амплитуды его ритмических электрограмм. Формула пространственного
распределения потенциала электрического поля гиппокампа с учетом его кривизны. Генез
ритмических ЭЭГ в нейронных сетях с возвратным торможением. Значение афферентной
импульсации в генезе ритмических ЭЭГ.
2. Пассивные механические явления в тканях и органах
Упругие и пластические деформации тканей и органов; силы, противодействующие
деформации. Нормальная и касательная деформация тканей; модуль упругости, коэффициент
Пуассона тканей. Ньютоновские жидкости, закон внутреннего трения Ньютона. Скорость сдвига
в жидкостях. Вязко-упругие свойства тканей и органов. Релаксация напряжения и ползучесть
при деформации тканей; гистерезис механических характеристик тканей. Механические модели
тканей и их аналоговые электрические цепи. Вязко-упругие свойства биологических жидкостей.
Статическая деформация растяжения мягких тканей; их тангенциальный модуль упругости.
Динамическая деформация тканей, динамический модуль упругости. Механические свойства
мышц и костей. Термодинамический анализ деформации мягких тканей.
Упругие свойства оболочек полых органов. Уравнение Лапласа для статического состояния
тонких упругих оболочек. Статическое состояние упругого кровеносного сосуда, уравнение
Ламе. Деформация кровеносного сосуда при изменении внутрисосудистого давления; полные и
упрощенные уравнения этой деформации. Методы исследования деформации кровеносных
сосудов.
Механические свойства крови. Неньютоновское течение крови при не высоких скоростях
сдвига, уравнение Кессона и уравнение Захарченко. Молекулярно-клеточный механизм
17
неньютоновских свойств крови, роль агрегации (межклеточных взаимодействий) эритроцитов.
Оптические и электрические методы исследования межклеточных взаимодействий и
агрегатного состояния крови.
Механические явления в легких. Диаграммы растяжения легких в условиях заполнения
средами с разным поверхностным натяжением. Вклад поверхностного натяжения в альвеолах и
упругих сил альвеолярной ткани в работу выдоха. Статическое механическое состояние
альвеолы, уравнение Лапласа. Механическая нестабильность альвеол. Роль упругих сил и
изменения поверхностного натяжения в механической стабилизации альвеол. Роль сурфактанта
в изменении поверхностного натяжения в альвеолах.
Значение поверхностных явлений при отеке легких.
3. Гемодинамика
Линейная и объемная скорость кровотока. Линейная скорость течения крови в различных
участках кровеносного сосуда. Методы измерения скорости движения крови, ультразвуковой
способ определения скорости движения клеток в крови. Градиент скорости течения крови в
различных участках кровеносной системы и его значение в развитии патологических состояний.
Общие закономерности течения крови по упругому сосуду: учет инерции крови, вязкостного
сопротивления и деформации сосуда. Пульс как механическая волна деформации кровеносных
сосудов. Гемодинамические и электрические аналогии. Вязкостное сопротивление,
гидродинамическая емкость и гидродинамическая индуктивность сосуда с кровью.
Гемодинамические телеграфные уравнения и их решение при изменении градиента давления во
времени по гармоническому закону. Фомула Моенса-Кортевега для фазовой скорости
распространения пульсовой волны. Определение упругих свойств сосудов путем измерения
скорости пульсовой волны.
Гемодинамические процессы в системе микроциркуляции, резистивный (вязкостный)
характер сопротивления мелких сосудов. Общее сопротивление системы сосудов, соединенных
последовательно
или
параллельно.
Формула
гемодинамического
переферического
сопротивления. Механизмы регуляции гемодинамического периферического сопротивления.
Систолический и минутный объем крови как показатели производиительности работы
сердца. Эталонные методы определения минутного объема (индекса) крови. Роль изменения
производительности сердца и гемодинамического периферического сопротивления в развитии
различных видов гипертензии. Особенности гемодинамики при сердечной недостаточности.
Анализ кровотока в большом круге кровообращения как в системе объединенных сосудов,
состоящей из эквивалентного деформирующегося упругого сосуда и эквивалентного
вязкостного сосуда (система сосудов с сосредоточенными параметрами). Уравнение баланса
потока крови в этой системе. Гемодинамическая формула для систолического выброса крови и
использование этой формулы на основе данных измерения характеристик пульсовой волны.
Вариации электрического импеданса тканей в результате изменения кровенаполнения их
сосудов. Применение гемодинамического анализа объединенной системы сосудов для
количественного описания вариаций импеданса. Метод импедансной реографии для
определения систолического выброса крови; электродные системы, применяемые в
импедансной реографии.
Кардиогенное смещение тела. Баллистокардиограммы. Определение систолического выброса
крови по данным измерения низко-частотной баллистокардиограммы.
4. Механические явления при сокращении мышц
Различные виды мышечного сокращения. Теплопродукция при укорочении исчерченных
мышц. Зависимость общей мощности мышцы от нагрузки. Зависимость скорости
изотонического сокращения мышцы от нагрузки, уравнение Хилла. Зависимость механической
работы мышцы от нагрузки.
Молекулярная организация сократительного аппарата мышечного волокна. Зависимость
напряжения, генерируемого мышечным волокном при изометрическом сокращении, от его
длины. Скольжение тонких и толстых нитей относительно друг друга при сокращении
мышечного волокна. Общие закономерности работы поперечных мостиков саркомера.
Генерация звука при сокращении мышечного волокна. Кинетическая теория сокращения
мышечного волокна. Различные состояния поперечных мостиков. Кинетическое уравнение
переходов поперечных мостиков между различными состояниями и уравнение Ньютона для
сокращения мышечного волокна. Теоретическое уравнение зависимости скорости
18
изотонического укорочения мышечного волокна от нагрузки в стационарном состоянии и его
соответствие уравнению Хилла.
Кинетика изменения механического напряжения при быстром переходе возбужденного
мышечного волокна между двумя изометрическими состояниями. Вязко-упругие свойства
поперечноых мостиков в замкнутом состоянии в мышечном волокне.
5. Транспорт веществ через эпителий
Векторная организация структуры эпителия в кишечнике и нефронах.
Транспорт сахаров и аминокислот в тонкой кишке в комплексе с переносчиком: кинетика
процесса и сопряжение с активным транспортом ионов натрия. Генерация трансэпителиальной
азности потенциалов при активном транспорте ионов натрия; метод короткозамкнутого тока
Уссинга для исследования активного трнаспорта ионов.
Трансэпителиальный транспорт воды в кишечнике и нефронах. Механизм осмотического
концентрирования мочи в нефронах. Клеточный механизм действия нефротропных
диуретических веществ.
Кинетика оксигенации крови в альвеолах. Значение скорости диффузии и величины
площади дыхательных мембран альвеол в насыщении крови кислородом.
6. Биофизика органов чувств
Природа прозрачности роговицы и хрусталика. Механизм светорассеяния в хрусталике при
катаракте.
Спектры поглощения зрительных клеток и их пигментов. Механизм и кинетические
характеристики изомеризации родопсина. Электрический ответ фоторецепторной клетки.
Система трансдукции сигнала в фоторецепторной клетке. Связь чувствительности зрительного
анализатора с шумами в фоторецепторных клетках.
Основные свойства пахучих и вкусовых веществ. Особенности молекулярно-клеточной
организации обонятельных и вкусовых клеток. Кинетические характеристики взаимодействия
пахучих стимулов с хеморецепторами. Трансдукция сигнала в обонятельной и вкусовой
рецепторных клетках. Кодирование качества запаха на уровне обонятельного анализатора и
рецепторной клетки.
Физическая природа звука. Частотная зависимость чувствительности уха. Механические
свойства барабанной перепонки и базилярной мембраны улитки. Методы исследования
колебаний базилярной мембраны. Рецепция колебаний базилярной мембраны волосковыми
клетками. Механизм распознования чистых тонов.
V. Физико-химические механизмы патологии
1. Роль повреждения различных структур клетки в ее патологии
Взаимосвязь патологических изменений на уровне клетки и организма. Повреждающие
агенты: температура, видимое, ультрафиолетовое и ионизирующее излучения, химические
соединения, изменение ионного состава среды, рН, осмотическое давление. Функциональные
системы клетки; их значение для сохранения жизнеспособности клетки.
Роль нарушения ионного гомеостаза, систем биоэнергетики и систем биосинтезов в развитии
клеточной патологии. Порочный цикл в клеточной патологии.
Роль повреждения мембран в развитии клеточной патологии. Последствия для клетки
повреждения плазматической мембраны, мембран митохондрий, лизосом, ядерной мембраны.
Основные физико-химические причины нарушения барьерных свойств мембран: перекисное
окисление липидов, ферментативное расщепление липидов и белков, изменение заряда и
конформации белков, адсорбция инородных белков, осмотическое растяжение мембран.
Активация катаболитических систем клетки при развитии патологического процесса:
ферментов лизосом, перекисного окисления липидов, нуклеаз. Связь между изменениями
ионного баланса, структурой цитоскелета, клеточной подвижностью и работой систем
биосинтезов.
19
2. Фосфолипазное повреждение мембран
Распространение связанных с мембраной фосфолипаз. Фосфолипазы, входящие в состав
экзотоксинов. Роль активации фосфолипаз в повреждении клеток при тканевой гипоксии.
Трансформация физической структуры и проницаемости мембран в результате действия
фосфолипаз.
Фосфолипазы митохондрий. Методы изучения нарушений функций митохондрий:
изменение дыхания, ионных потоков, объема органелл, кальций-транспортной функции
митохондрий. Роль активации фосфолипаз в повреждении митохондрий при тканевой гипоксии.
Биофизические механизмы влияния фармакологических препаратов на активность фосфолипаз.
Клеточные механизмы восстановления структуры и функций мембран после действия
фосфолипаз.
3. Перекисное окисление мембранных липидов
Перекисное окисление липидов как фундаментальный механизм мембранной патологии.
Общая схема реакций цепного окисления органических соединений. Работы А.Н.Баха,
Н.Н.Семенова, Н.М. Эммунуэля.
Методы изучения перекисного окисления липидов: анализ потребления кислорода и
накопления различных продуктов перекисного окисления, измерение хемилюминесценции.
Инициирование цепного окисления; роль активированного кислорода и ионов железа в этом
процессе. Реакция продолжения цепей, ее зависимость от вязкости мембран и концентрации
кислорода. Реакции разветвления цепей, роль ионов железа. Перекисное окисление липидов под
действием УФ облучения. Реакции обрыва цепей; роль ионов железа и липидных
антиоксидантов в этом процессе. Математическое моделирование кинетики перекисного
окисления; триггерная роль ионов Fe(II). Определение констант скоростей реакций перекисного
окисления липидов.
Условие возникновения и активации перекисного окисления в клетке. Генерация свободных
радикалов в цепях переноса электрона. Роль ионов железа в генерации свободных радикалов.
Супероксидный и гидроксильный радикалы, методы их обнаружения. Синглетный кислород и
его действие на клеточные структуры.
Механизмы дезактивации инициаторов перекисного окисления липидов: роль
супероксиддисмутазы, каталазы, каратиноидов, фосфолипазы, глутатионпероксидазы.
Критерий, определяющий роль перекисного окисления в развитии данного типа
патологического процесса: увеличение уровня продуктов перекисного окисления; изменение
уровня тиолов, хемилюминесценции, антиоксидантов; влияние антиоксидантов на развитие
патологического процесса.
Основные типы патологических процессов, связанные с перекисным окислением липидов:
авитаминозы, недостаток селена в пище, интоксикации, действие ионизирующей радиации,
действие УФлучей, воспаление, катаракта и другие глазные болезни, болезни иммунной
системы, атеросклероз. Роль свободнорадикальных процессов в канцерогенезе.
Свободнорадикальные процессы и тканевая гипоксия. Проблема перекисного окисления при
консервировании органов и тканей. Перекисное окисление и старение.
Физико-химические механизмы действия перекисного окисления липидов на структуру и
функции мембран: разрушение функциональных групп белков, в частности, иоловых групп,
модификация физических свойств липидного бислоя, увеличение проницаемости для ионов,
снижение электрической прочности мембран.
4. Осмотическое нарушение структуры и функции клеток
Причины нарушения осмотического равновесия между клеткой и средой, между клеткой и
клеточными органеллами, выключение клеточных "насосов", сдвиги в ионной проницаемости
мембран.
Последствия нарушения осмотического равновесия: изменение объема клетки и изменение
проницаемости тканевых барьеров, изменение объема и нарушение функций митохондрий.
Модификация молекулярной организации мембран при их осмотическом растяжении.
Механизмы
восстановления
осмотических
нарушений
в
клетке.
Действие
фармакологических препаратов (диуретики, сердечные гликозиды, антибиотики) на
осмотическое равновесие.
20
5. Электрический пробой как механизм нарушения
барьерной функции мембран в патологии
Явление электрического пробоя мембран. Методы изучения электрического пробоя. Теории
электрического пробоя мембран. Электрический пробой искусственных (БЛМ, липосомы) и
природных мембран (эритроциты, митохондрии) ионным диффузионным потенциалом.
Снижение электрической прочности мембран (потенциала пробоя) при перекисном
окислении липидов, действии фосфолипаз, осмотическом растяжении мембран, адсорбции
белков.
Гипотеза о роли электрического пробоя мембран в нарушении барьерной функции мембран в
патологии.
6. Нарушение структуры и функций мембран
при адсорбции белков и изменении состояния липопротеидов
Изменение молекулярной организации мембран при действии мембранотоксинов,
взаимодействии вирусов и антител с цитоплазматическими мембранами, антигенов с
иммунокомпетентными клетками. Сдвиги в ионной проницаемости мембран и их физикохимический механизм при адсорбции белков и изменении конформации мембранных белков.
Нарушение функционирования мембран при изменении микровязкости и поверхностного
заряда мембран. Механизм действия холестерина. Влияние изменений степени ненасыщенности
жирных кислот, роль ионов двухвалентных металлов в изменении физических свойств мембран.
Влияние антибиотиков и других фармакологических препаратов на структурное состояние
мембранных липидов.
Роль мембранного холестерина в развитии атеросклероза. Методы физико-химической
медицины для лечения холестеринозов и интоксикаций: гемосорбция, энтеросорбция,
электрохимическое окисление.
7. Нарушение клеточной поверхности и межклеточных
взаимодействий
Модификация межмембранных и межклеточных взаимодействий при изменении физикохимических параметров поверхности клеток.
Контактное торможение деления клеток, его физико-химические механизмы. Нарушение
контактного торможения при канцерогенной трансформации клеток.
Рецепторы на поверхности клеток. Примеры заболеваний, связанных с нарушением функций
рецепторов.
8. Механизмы повреждения нуклеиновых кислот
Изменение физико-химических свойств хромосомного аппарата при действии на клетку
физических факторов: ионизирующего и светового излучения, ультразвука.
Физико-химические механизмы взаимодействия алкилирующих агентов, канцерогенных
углеводородов, мутагенных красителей, антибиотиков и других веществ с нуклеиновыми
кислотами.
Нарушения структуры и функций нуклеиновых кислот при изменении рН и ионной силы.
Биофизические основы репарации повреждений ДНК в клетке.
VI. Вычислительная техника в биофизике.
I. Персональные компьютеры типа IBM
Устройство компьютера: процессор, периферийные устройства: память, жесткий диск,
видео- и звуковая карты, модем. Внешние периферийные устройства: сканеры,
принтеры, плоттеры.
2. Операционные системы: DOS, Windows 95-98.
3. Программное обеспечение:
а) текстовые редакторы – Word-97, WordPerfect;
1.
21
б) графические редакторы - Excel-97 (электронные таблицы), Grapher;
в) программа управления базами данных - Access-97;
г) презентационные программы - PowerPoint-97;
д) пакет программ MS Office-97;
е) программы-броузеры Internet - Netscape Navigator & Internet Explorer;
ж) программы для работы с библиографической информацией - Reference Managere & EndNote;
з) базы данных библиографической информации - Medline, Current Contents, Science Citation
Index.
II. Персональные компьютеры типа Макинтош (Macintosh).
1. Операционная система компьютеров Macintosh
Графический интерфейс компьютеров Macintosh. Преимущества программного аппаратного
обеспечения Макинтоша.
Удаление файлов. Технология "drug and drop". Совместимость с другими платформами: MS
DOS Windows, UNIX.
Встроенная поддержка мультимедиа. Quick Time 2.0 расширение операционной для
воспроизведения фильмов в окне размером 320*240 точек при скорости 30 кадров в минуту на
любом компьютере на 68040 процессоре, встроенная поддержка аппаратного сжатия данных по
формату MPEG, новый формат записи звука. Quick Time VR расширение операционной для
воспроизведения сцен "виртуальной реальности".
Применение "горячих клавиш": открыть файл (папку), скопировать файл (папку), расставить
выбранное, расставить по именам, выбрать икону по имени, выбрать следующую по алфавиту,
выбрать предыдущую, выбрать стоящую рядом, перейти на стол, закрыть все окна, передвинуть
неактивное окно, показать выпадающее меню, показать вышестоящую папку, закрыть папку при
открытии файла, раскрыть окно на весь экран, захват экрана, очистить корзину без уведомления,
изменить параметр сортировки, раскрыть содержимое на первом уровне, закрыть содержимое на
первом уровне, раскрыть содержимое до конца, закрыть содержимое до конца.
Новая версия операционной системы System 7.5. Расширение для поиска подходящих программ
для файлов, создатель которого не найден. Это применимо и для дискет MS DOS. Новый SCSI
менеджер. Расширение для работы с протоколом ТСР/IP.Более удобная программа поиска
файлов. "Лончер" для быстрого запуска программ. Иерархическое меню реквизитов.
Свертывание окон до заголовков. Расширенный набор текстур стола. Технология "drag and drop"
для редактирования, печати и рассылки документов. Перестройка базы данных десктоп.
Стирание содержимого энергонезависимой памяти. Запуск без расширений.
2. Програмное обеспечение для компьютеров Macintosh
Интегрированные пакеты и офисные программы. Claris Works 3.0. Microsoft Works 4.0.
Текстовые процессоры. WordPerfect 3.1.
Органайзеры (показ календаря по месяцам, неделям и дням с назначенными событиями,
просмотр списка дел) и программы для планирования. Now UptoDate 2.1.1 календарь и
органайзер. In Controle 3.0 календарь с органайзером, упрощенный менеджер проектов.
DateBook & TouchBase Pro Bundle 4.0 календарь и органайзер. Claris Organizer календарь и
органайзер. Microsoft Project 3.0 полнофункциональный менеджер проектов, АСТ 2.0 база
данных контактов, обеспечивающий учет звонков, систематизирующий почту, автодозвон,
обеспечивающий связь назначенного контакта с информацией о клиенте.
Программы для презентаций и программы деловой графики. Microsoft PowerPoint 4.0 программа
для проведения презентаций, позволяющая использовать программу проверки орфографии,
поставляется с редактором математических формул Equation 2.0 и программой построения
графиков Graph 5.0, позволяет запускать не выходя из нее программы Word, Excel, Mail,
FoxPro,Progect. Позволяет обмениваться данными на базе OLE. Имеет графическую библиотеку
Clip Art Collection (занимает 12МБ).
Aldus Persuasion 3.0. ClarisImpact 1.0.
Программы для обработки изображений: Adobe Photoshop 3.0.1, Live Picture 1.5, Painter 3.0.
Программы для создания художественной графики: FreeHand 4.0, Adobe Dimensions 2.0, Adobe
Illustrator 5.5.
Трехмерное моделирование: Alias Sketch! 2.0, Ray Dream Desiner 3.1, StudioPro 1.5.
22
Мультимедийные программы: Digital Chisel 1.2, Apple Media Tool 1.1, After Effects 2.0, Vivace,
Movie Trilogy 1.1.1, состоящий из 5 программ пакет: DeskTopMovie проигрывающая фильмы с
разными скоростями, позволяющая добавлять звук к записанному фильму, может записывать
синтезированную речь; DeskTopText, позволяющая записывать бегущую строку; DeskTopTV,
позволяющая записывать фильмы, воспроизводить изображение с видео входа в окне, работает
только с компьютерами АV серии; ScreenMovie, записывающая изображение с экрана
компьютера как фильм, звуковое сопровождение записывается с микрофона; QuickMovie,
позволяющая записывать и и воспроизводить звук в MIDI формате; SoundEffect 0.9,
позволяющая записывать, редактировать и применять различные фильтры; LinksWare 3.0.4,
позволяющая создавать презентации из неподвижных картин, фильмов, текста и звука, путем
создания гипертекстовых, гиперграфических ссылок на данные.
Программы для обучения.
Издательские системы.
Системы проектирования (черчение). ArchiCAD 4.5: 2х и 3х мерное моделирование, выбор
текстур, получение 3хмерных картин и мультфильмов "облета", удобный обмен файлами с
AutoCAD и другими программами, поддержка баз данных элементов проекта (PowerMacCD).
MiniCAD: 5.0 2х и 3х мерное моделирование, выбор текстур, получение мультфильмов "облета",
поддержка баз данных элементов проекта, удобство конфигурирования интерфейса и
архитектура PlugIn (PowerMacCD).
Программы для математической обработки; основные области применения: математическая
статистика, символьная математика, визуализация данных. Wolfram Mathematica 2.2.1: удобный
интерфейс, широкий выбор функций, создание собственных функций, работа в сети,
визуализация и аудиолизация данных; сложность языка и описания (PowerMacCD). MATLAB
4.1: высокая точность, широкий выбор функций, создание собственных функций, хорошая
документация по существующим функциям, ориентированна на работу с матрицами. Maple V
2.0.1: мощная, хорошие графические возможности, хорошая документация; высокие требования
к объему памяти. Spyglass: мощная, простая в применении, мощная графика для визуализации,
может использоваться вместе с Mathematica. HiQ: наиболее удобна для построения моделей.
MathCAD: проста в использовании. STATISTICA/Mac: специальная программа для
статистического анализа данных, широкие графические возможности, имеет версию для PC и
полностью с ней совместима.
Мультимедийные развлекательные и общеообразовательные программы. Flying Colors:
программа для рисования с помощью 11 готовых сцен и 100 готовых штампов.
Утилиты. Утилиты резервного копирования. DiskFitPro 1.1: программа для резервного
копирования для одной машины, позволяет выполнять резервное копирование автоматически, в
заданное время. RetrospectRemote 2.1: программа для резервного копирования в сети из
большого количества машин, позволяет полностью автоматизировать копирование в сети.
Настольные компьютеры Macintosh и Power Macintosh.
Портативные компьютеры.
Мониторы и аксессуары.
Включения второго монитора.
Выбор клавиатур.
Однокнопочная мышь.
Принтеры и сканеры. Персональные струйные принтеры. Сетевые лазерные принтеры.
Растровые процессоры. Инженерные плоттеры. Сканеры.
Графический планшет.
Специальное мультимедийное оборудование. Устройства ввода-вывода, видео. Цифровая
камера. Видеокамера для проведения видеоконференций. Активные громкоговорители.
Внешние накопители. Внешние двухскоростные дисководы компактдисков. Внешние
дисководы жестких дисков. Быстрые и надежные внешние накопители на сменных дисках.
Быстрые внешние накопители на сменных дисках системы Бернулли. Медленные внешние
накопители на магнитнооптических дисках для больших объемов информации. Внешний
накопитель на магнитной ленте (кассете) для очень больших объемов.
Сетевое обеспечение, серверы, модемы. Встроенный последовательный порт. Модемы.
Внешний факсмодем. Сетевой модемный комплекс для рассылки/приема факсов/электронной
почты.
Широкий выбор серверов.
23
Перечень практических навыков по биофизике
Выпускник по специальности № 040900 – Медицинская биофизика должен обладать
следующими практическими навыками:
1. Владеть методом спектрофотометрии, в том числе:
а) уметь проводить качественный и количественный фотометрический анализ;
б) уметь регистрировать производные и дифференциальные спектры;
в) знать артефакты при спектрофотометрии суспензий биочастиц, уметь их учитывать и
устранять;
г) уметь фотометрически определять количество вещества в неоднородном объекте;
д) уметь проводить микроспектрофотометрию.
2. Владеть методом флуоресценции, в том числе:
а) уметь проводить качественный и количественный флуориметрический анализ;
б) знать влияние микроокружения на параметры флуоресценции;
в) уметь оценивать структурные перестройки в белках методом флуориметрии;
г) уметь регистрировать низкотемпературную люминесценцию, знать физическую природу
эффекта Шпольского, уметь применять этот эффект для качественного и количественного
люминесцентного анализа;
д) уметь регистрировать хемилюминесценцию, уметь характеризовать параметры изучаемой
системы по кинетическим кривым хемилюминесценции.
3. С помощью метода потенциометрического титрования должен уметь определять:
а) значения констант диссоциации слабых кислот, аминокислот;
б) количество и состояние ионогенных групп белков;
в) изоэлектрическую точку белков.
4. С помощью метода светорассеяния должен уметь:
а) проводить турбидиметрическое титрование раствора различных белков;
б) определять изоэлектрическую точку белков;
г) устанавливать роль гидрофобных и электростатических взаимодействий в агрегации
белковых молекул;
д) определять устойчивость искусственных и биологических мембран к действию детергентов.
5. С помощью метода флуоресцентных зондов должны уметь определять:
а) константу связывания с флуоресцентным зондом;
б) свободную энергию связывания зонда;
в) относительное сродство зонда к жирным кислотам, белкам и другим биологически важным
соединениям;
г) размеры молекул белков с помощью измерения поляризованной флуоресценции.
6. С помощью метода дифференциальной спектрофотометрии должны уметь определять:
а) величины рКа поглощающих соединений;
б) константу димеризации поглощающих соединений в воде;
в) число изобестических точек в комплексах поглощающих соединений.
7. С помощью метода вискозиметрии должны уметь определять:
а) набухание глобулярных белков и декстраносульфатов;
б) влияние мочевины на конформацию белка;
в) коэффициенты К и а в уравнении, связывающем характеристическую вязкость с
молекулярной массой макромолекул;
г) роль электростатических и гидрофобных взаимодействий в связывании белков с
макромолекулами.
8. С помощью электрофореза в ПААГ должны уметь:
а) разделять белки на фракции;
б) определять степень агрегации белков.
9. С помощью метода гельфильтрации должны уметь:
а) отделять низкомолекулярные вещества от высокомолекулярных;
б) определять молекулярные массы глобулярных белков.
10. Должны уметь проводить измерение импеданса различных биологических объектов и
исследовать пассивные электрические свойства биологических систем. Уметь определять
объемный индекс суспензий биологических частиц методом импедансометрии.
11. Иметь навыки технологии изготовления микроэлектродов, контроля их характеристик с
целью отбраковки и выбора наиболее оптимальных микроэлектродов для исследовательских
целей. Уметь примененять микроэлектроды для изучения потенциала покоя исследуемых
мышечных клеток.
12. Владеть методом турбидиметрии.
24
13.Уметь исследовать транспорт воды, ионов, неэлектролитов через мембраны липосом,
эритроцитов, митохондрий, изучать гемолитические процессы в эритроцитах.
15. Уметь работать на персональных компьютерах типа IBM и Macintosh, использовать
основные пакеты программ, в том числе по обработке данных биофизического анализа.
Основная литература к разделу I, III, V.
Владимиров Ю.А., Рощупкин Д.И., Потапенко А.Д., Деев А.И., Биофизика. М.,
Медицина, 1983.
2. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических
процессов. М., Высшая школа, 1989.
3. Владимиров Ю.А. Физико-химические основы патологии клетки (10 лекций on line по
адресу: biophysics.lgg.ru
4. Владимиров Ю.А. Биофизика клетки (8 лекций on line по адресу: biophysics.lgg.ru).
5. Волькенштейн М.В., Биофизика, М., Наука, 1981.
6. Геннис Р., Биомембраны, М., Мир, 1997.
7. Жадин М.Н. Биофизические механизмы формирования электроэнцефалограммы. М.,
Наука, 1984, (раздел V.2).
8. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. М., Мир, 1981, (раздел
V.3, V.5).
9. Конев С.В., Вольтовский И.Д. Фотобиология. Минск, Издательство БГУ, 1979,(раздел I).
10. Рубин А.Б. Биофизика. М., Высшая школа, 1987.
1.
Дополнительная литература
11. Дещеревский В.И. Математические модели мышечного сокращения. М., Наука,
1977,(раздел V.6).
12. Левтов В.А., Регигер С.А., Шадрина Н.Х. Реология крови. М., Медицина, 1982, (раздел
V.3).
13. Титомир Л.И. Электрический генератор сердца. М., Наука, 1980, (раздел V.1, V.2).
Основная литература к разделу II, IV, VI
1.
2.
3.
4.
5.
Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия, 1,2,3 тома. М., Мир, 1985.
Владимиров Ю.А., Добрецов Г.Е. Флуоресцентные зонды в исследовании биологических
мембран. М., Наука, 1980.
Владимиров Ю.А. и другие. Биофизика. М., Медицина, 1983.
Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических
процессов. М., Высшая школа, 1989.
Кушнер В.П. Конформационная изменчивость и денатурация биополимеров. Л., Наука,
1977.
Дополнительная литература
1.
2.
Волькенштейн М.В. Биофизика. М., Наука, 1981.
Волькенштейн М.В. Общая биофизика. М., Наука, 1978.
25
Приложение
Примерный перечень спецкурсов
СПЕЦКУРС I. "Физико-химическая медицина. Некоторые
проблемные вопросы и методические подходы"
Аннотация
Спецкурс посвящен проблемам физико-химичесокой медицины, в первую очередь, применению
биофизических методов и подходов для решений задач теоретической и практической
медицины.
Курс состоит из четырех разделов:
Первый из них (ответственный Ю.А. Владимиров) посвящен проблемам методологии научноисследовательской и педагогической работы в области биофизики. Рассматриваются такие
вопросы как: состояние и перспективы развития медицинской биофизики; компьютерные
технологии в современной науке и преподавании; сбор научной информации; анализ
литературных данных; подготовка и обработка экспериментального материала; написание
научных статей; (структура, правила работы над текстом и т. д.); презентация научного
материала; подготовка слайдов; требования, предъявляемые к устному научному сообщению;
требования к докладчику.
Особо рассматриваются вопросы об использовании статистических критериев при обработке
биомедицинских данных и оформлении дипломной работы.
Второй раздел касается проблемы роли свободных радикалов в патогенезе болезней человека
(Ответственные А. Н. Осипов и А. И. Деев). Рассматривается классификация свободных
радикалов, реакции образования и превращения радикалов; взаимодействие радикалов с
основными биологически важными соединениями. Отдельно представлены системы защиты от
поражающего действия радикалов (антиоксиданты; механизмы их действия и др.). Обсуждается
роль радикалов в патогенезе некоторых болезней: при развитии атеросклероза, катаракты, при
воспалении и ишемии. Рассматриваются актуальные проблемы современной геронтологии.
В третьем разделе спецкурса (ответственные Е. А. Корепанова и Ю. М. Петренко) обсуждается
роль липидного бислоя в модуляции структуры и функции мембранных белков, роль
электростатических и гидрофобных взаимодействий в этом процессе, механизмы действия на
мембраны биологически-активных пептидов.
Рассматриваются проблемы нарушения метаболизма эритроцитов и их роль в развитии
гемолитической анемии. Рассмотрена проблема цепного окисления гемоглобина в эритроцитах;
источники и метаболизм перекиси водорода, механизмы метгемоглобинообразования,
изменение свойств мембраны эритроцитов и их роль в нарушении формы клеток.
Четвертый раздел спецкурса посвящен обсуждению некоторых биофизических методов,
используемых в целях диагностики и оценки состояния человека в зависимости от возраста. В
том числе методы оценки помутнения хрусталика; анализ слёзной жидкости, некоторые
принципы анализа и обработки изображений, другие неинвазивные методы. Подробно
рассмотрено применение в медицине синхротронного излучения, включая использование
метода разрешенной во времени флуоресцентной спектроскопии (и их применение для
исследования биомакромолекул); малоуглового рассеяния нейтронов двухлучевой ангиографии
и др.
Примерный тематический план занятий на спецкурсе "Физикохимическая медицина. Некоторые проблемные вопросы и
методические подходы".
№
пп
1
2
3
Тема
Состояние и перспективы развития медицинской биофизики
Научно-исследовательская работа в области биофизики. Тема 1. Компьютерные
технологии в современной науке и преподавании.
Научно-исследовательская работа в области биофизики. Тема 2. Сбор научной
26
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
информации.
Научно-исследовательская работа в области биофизики. Тема 3. Анализ
литературных данных.
Научно-исследовательская работа в области биофизики. Тема 4. Подготовка и
обработка экспериментального материала.
Научно-исследовательская работа в области биофизики. Тема 5. Как писать научную
статью. Структура статьи.
Научно-исследовательская работа в области биофизики. Тема 6. Как писать научную
статью. Правила работы над текстом.
Презентация научного материала в области биофизики. Тема 1. Компьютерные
презентационные программы.
Презентация научного материала в области биофизики. Тема 2. Подготовка слайдов.
Презентация научного материала в области биофизики. Тема 3. Требования,
предъявляемые к научному сообщению.
Доклад и лекция. Тема 4. Требования к докладчику.
Дипломная работа. Структура. Основные требования.
Классификация свободных радикалов. Основные реакции образования и
превращения свободных радикалов.
Взаимодействие свободных радикалов с основными биологически важными
соединениями.
Антиоксиданты. Основные механизмы действия антиоксидантов.
Образование свободных радикалов в клетках и тканях в норме и патологии.
Роль свободных радикалов в воспалении
Роль свободных радикалов при ишемии.
Роль свободных радикалов в патогенезе атеросклероза.
Роль свободных радикалов в патогенезе катаракты
Структурные последствия свободнорадикального повреждения биоструктур.
Нарушение метаболизма эритроцитов и гемолитическая анемия, обусловленная
гемоглобинопатиями и энзимопатиями. Цепное перекисное окисление гемоглобина
в эритроцитах.
Источники и метаболизм перекиси водорода в эритроцитах. Возможная
метаболичекая функция эритроцитов в организме.
Механизмы метгемоглобинообразования в эритроцитах. Изменение свойств
мембраны эритроцитов.
Теоретические представления о формообразующих факторах для эритроцитов.
Теоретические подходы, объясняющие феномен образования специфической
дискоцитной формы эритроцитов и причин ее модификации).
Анализ формы клеток, методические подходы. Суть подхода построения
геометрического профиля эритроцитов по данным растровой электронной
микроскопии.
Методы визуализации формы эритроцитов и других клеток. Процедурные
технологические особенности приготовления образцов для контроля формы клеток.
Активная роль липидного бислоя в модуляции структуры и функции мембранных
белков.
Положительно заряженные белки и поликатионные пептиды как факторы
неспецифической защиты различных видов животных. Губительные последствия
электростатического взаимодействия пептидных токсинов с мембранами.
30
Изучение механизма ионофорного действия некоторых поликатионных пептидных
антибиотиков с использованием модельных липидных мембран.
31
Физико-химические аспекты катарактогенеза.
32
Методы оценки помутнения хрусталика.
33
Использование слёзной жидкости в диагностике.
34
Принципы анализа и обработки изображений
35
Неинвазивные методы оценки старения человека.
36
Работа с электронными таблицами Quattro Pro и Excel.
37
Актуальные проблемы современной геронтологии.
27
38
39
40
41
42
43
Синхротронное излучение. Источники, характеристики, применение в биологии и
медицине
Разрешенная во времени флуоресцентная спектроскопия. Проведение измерений.
Анализ данных при измерении затухания интенсивности и анизотропии
флуоресценции. Применение для исследования биомакромолекул.
Безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения. Применение в
молекулярной биофизике.
Малоугловое рассеяние нейтронов.
Использование статистических критериев при обработке биомедицинских данных.
Заключительная лекция Ю.А.Владимирова: О форумах ученых и их значении.
СПЕЦКУРС II. "Фотобиология и фотомедицина"
Аннотация
Предлагаемый курс является одним из старейших курсов по выбору кафедры биофизики и
читается на медико-биологическом факультете уже свыше 20 лет. За время существования
данного спецкурса его программа неоднократно изменялась, и каждый раз в ней отражались
наиболее современные достижения в тех областях, освещению которых посвящен данный курс.
В настоящее время программа состоит из двух частей. В первой части курса рассматриваются
биофизические основы применения оптического излучения различных спектральных
диапазонов в медицине. Особое внимание уделено таким вопросам, как природа
фотохимических и фотобиологических реакций, определяющих лечебное и лечебнопрофилактическое действие излучения, конкретные технологические особенности
терапевтического использования излучения, техническое обеспечение такого применения.
Подробно рассматриваются конкретные способы применения оптического излучения для
лечения заболеваний человека.
Вторая часть курса посвящена рассмотрению новых оптических методов исследования функций
биологических объектов. Особое внимание уделено группе методов, основанных на анализе
изменений в рассеивании излучения исследуемым объектом. Студентам предлагается как
теоретическое описание рассматриваемых методов, так и изложение возможностей этих
методов при их использовании. Анализируются также типичные ошибки и артефакты,
наблюдающиеся при использовании оптических методов в биологии и медицине.
Лекционный курс дополняется практическими занятиями, в ходе которых студенты
приобретают практические навыки общения со спектральным оборудованием.
Чтение лекций и проведение практических занятий на курсе по выбору “Биофизические основы
фотомедицины и спектральные методы исследования в биологии” осуществляют профессора.
Примерный тематический план занятий на спецкурсе "Фотобиология и
фотомедицина
№
пп
1
2
3
4
5
6
7
8
Тема
Энергетические и эффективные характеристики оптического излучения. Источники
оптического излучения
Дозиметрия оптического излучения. Оптическая аппаратура для биологических и
медицинских исследований. Фототерапевтические методы в медицине.
Сенсибилизированные фотобиологические процессы. Виды фотосенсибилизаторов.
Количественные закономерности сенсибилизированных фотохимических превращений
биомолекул.
Фотодинамическое повреждение биомембран.
Физико-химические основы фототерапии кожных болезней при прямом действии
оптического излучения.
Физико-химические основы ПУФА-терапии кожных болезней
Физико-химические основы фотодинамической терапии солидных опухолей: свойства
28
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
применяемых фотосенсибилизаторов.
Физико-химические основы фотодинамической терапии солидных опухолей:
молекулярно-клеточные механизмы некроза опухолевой ткани.
Физико-химические основы фототерапии гипербилирубинемии новорождённых.
Фотогемотерапия как метод лечения. Аппаратура для фотогемотерапии.
Модификация функций клеток крови и компонентов плазмы при УФ-облучении.
Фотохимические процессы, протекающие в крови при УФ-облучении.
Эритемотерапия. Достоинства метода, применяемая аппаратура.
Молекулярно-клеточные механизмы УФ- индуцированной эритемы. Типы эритемной
реакции. Спектры действия эритемы. Методы исследования эритемного ответа.
Механизм терапии красным лазерным излучением.
Механизм канцерогенного действия ультрафиолетового излучения.
Рассеяие света биологическими объектами, общие закономерности. Излучение
индуцированных диполей.
Индикатрисса рассеяня света на мелких частицах. Рассчёт потока оптического излучения,
рассеянного на мелких частицах во всех направлениях. Нефелометрическое определение
мутности.
Рассеивание света на частицах среднего размера. Общая теория Релея-Ганса.
Геометрический фактор рассеивания света для частицы среднего размера сферической и
дисковидной формы. Индикатриссы рассеивания света на различных клетках.
Формулы интенсивности рассеивания света под малыми углами. Зависимость
интенсивности рассеивания света от агрегации и набухания частиц среднего размера.
Определение объёма биочастиц методом нефелометрии под малыми углами. Метод
двойной экстраполяции Цимма при нефелометрическом определении молекулярной массы
биополимеров.
Рассеивание света на крупных частицах: механизм процесса. Теория рассеивания света на
крупных сферических частицах Ва де Хюлста. Приборы для нефелометрии и
турбидиметрии.
Турбодиметрический метод исследования распределения клеток по размерам. Теория
светопропускания при оседании клеток.
Турбодиметрический метод изучения агрегации тромбоцитов и эритроцитов.
Нефелометрический метод исследования размеров клеток крови.
Нефелометрический способ исследования начальной агрегации тромбоцитов
Нефелометрический и турбрдиметрический способы исследования трансформации формы
клеток.
Эффект Допплера при рассеивании света на движущихся частицах. Спектры рассеивания
света на диффундирующих частицах.
Рассеивание света при поступательном движении частиц. Определение коэффициентов
диффузии биомакромолекул и клеток методом допплеровской спектроскопии.
Спектроскопия Мессбауэра. Исследование колебаний базилярной мембраны улитки уха.
Спектроскопия диффузного отражения света, его основные характеристики и механизмы.
Вывод фундаментальных уравнений Кубелка-Мунка
Решение фундаментальных уравнений Кубелка-Мунка. Функция вторичного излучения.
Аппаратура для спектроскопии диффузного отражения.
Спектры отражения света от кожи. Определение в коже гемоглобина и оксигемоглобина.
Исследование глаза методом спектроскопии диффузного отражения света. Лазерная
отражательная фотометрия в исследованиях колебаний базиллярной мембраны уха.
Комбинационное рассеивание света. Аппаратура спектроскопии комбинационного
рассеивания света. Теория происхождения спектров комбинационного рассеивания света.
Спектры комбинационного рассеивания света на молекулах белков, липидов и
нуклеиновых кислот. Исследование структуры биомембран с помощью спектроскопии
комбинационного рассеивания света
Фотоакустический эффект. Аппаратура для фотоакустической спектроскопии. Теория
фотоакустического эффекта Герша-Розенквейга для случая генерации звука в системе
твёрдое тело-газ. Теория фотоакустического эффекта в жидких объектах
Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине
Методология научных исследований. Планирование исследований в области биофизики.
Работа с реферативными журналами
Научные публикации. Работа над текстом научных статей
29
42
43
44
Работа над текстами дипломов
Работа над текстами научных докладов по биофизике
Методика подготовки лекций по биофизике
СПЕЦКУРС III."Медицинская мембранология"
Аннотация
Основной целью спец. курса по выбору “ Медицинская мембранология” является ознакомление
студентов VI курса МБФ с последними достижениями современной науки в области
медицинской мембранологии. Спец. курс по выбору включает в себя 2 основных раздела:
Мембранные механизмы патогенеза (1) и Мембранно-клеточные механизмы действия
физических факторов (2):(физиотерапия) на примере влияния низкоинтенсивного лазерного
излучения (НИЛИ, лазеротерапия, фотодинамическая терапия опухолей) и электромагнитных
излучений (ЭМИ, КВЧ-терапия и магнитотерапия).
В первом разделе рассматриваются современные методы исследования структуры и функции
мембран. Особое внимание уделяется применению флуоресцентных зондов и спиновых зондов
и меток в исследовании клеточных мембран и плазменных элементов крови (сывороточного
альбумина и липопротеинов плазмы человека) в норме и при развитии патологических
нарушений.
Приводится подробная классификация свободных радикалов и их свойств.
Рассматриваются методы обнаружения активных форм кислорода и изучения их роли в
развитии воспалительных заболеваний.
Представлены современные методы исследования реакции перекисного окисления липидов
(ПОЛ) в клеточных мембранах и липопротеинах.
Дается классификация антиоксидантов, рассматриваются свойства антиоксидантов, их
применение в медицине. Обсуждаются методы исследования антиокислительной активности
лекарственных препаратов и других биологически-активных соединений; методы
исследования антиокислительной активности плазмы крови человека.
Описываются эндогенные антиоксидантные системы и их изменения при патологии, а также
влияние ПОЛ на структурно-функциональные свойства мембран и липопротеидов; взаимосвязь
ПОЛ и гиперхолестеринемии.
Второй раздел спецкурса посвящен действию низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ),
электромагнитного излучения (ЭМИ) и некоторых других физических факторов на биообъекты.
Рассматриваются основные свойства и характеристики лазерного излучения; характеристики
лазеров, применяемых в клинической практике; клинические и патофизиологические эффекты
НИЛИ, ЭМИ и некоторых других физических факторов.
Обсуждаются основные гипотезы механизмов стимулирующего и поражающего действия
низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ, лазеротерапия и фотодинамическая терапия
опухолей): мембранные механизмы действия НИЛИ и ЭМИ на лейкоциты, фибробласты,
эндотелиоциты и др. клетки. Особое внимание уделяется роли NO и цитокинов в реализации
стимулирующих эффектов НИЛИ и ЭМИ.
Представлены результаты лазеротерапии ряда конкретных заболеваний; фотодинамической
терапии ряда онкологических образований
Обсуждаются принципы использования НИЛИ при ФДТ - новой перспективной технологии
медицины XXI века: теоретические основы ФДТ, фотофизические процессы, фармакокинетика
фотосенсибилизаторов; практические ( методические ) подходы проведения ФДТ при
различных заболеваниях.
30
Примерный тематический план занятий на спецкурсе "Медицинская
мембранология"
№
пп
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Тема
Введение. Мембранные механизмы патологических процессов и действия физических
факторов.
Современные методы исследования структуры и функции мембран в норме и
патологии. Обзор методов.
Применение флуоресцентных зондов в исследовании нарушений строения и функции
биологических мембран.
Применение флуоресцентных зондов в исследовании нарушений строения и функции
липопротеинов плазмы крови человека.
Применение флуоресцентных зондов в изучении свойств сывороточного альбумина и
их изменения в патологии.
Метод спиновых зондов и меток при изучении нарушений физических свойств
биологических мембран, липопротеинов и альбумина.
Свободные радикалы, их свойства и классификация.
Методы обнаружения и изучения активных форм кислорода.
Роль активных форм кислорода при воспалительных заболеваниях.
Современные методы исследования реакции перекисного окисления липидов (ПОЛ) в
клеточных мембранах и липопротеинах.
Антиоксиданты. Классификация и свойства. Применение в медицине.
Методы исследования антиокислительной активности лекарственных препаратов и
других биологически-активных соединений
Методы исследования антиокислительной активности плазмы крови человека.
Эндогенные антиоксидантные системы. Изменения антиокислительной активности
при патологии.
Влияние ПОЛ на структурно-функциональные свойства мембран и липопротеидов.
Взаимосвязь ПОЛ и гиперхолестеринемии.
Основные свойства и характеристики лазерного излучения. Когерентность и
поляризация лазерного излучения. Интерференция и дифракция.
Некоторые характеристики лазеров, применяемых в клинической практике. Средства
доставки лазерного излучения.
Клинические и патофизиологические эффекты низкоинтенсивного лазерного
излучения (НИЛИ).
Фотосенсибилизированные реакции. Участие фотосенсибилизаторов в инициации
свободнорадикальных реакций.
Фотохимия порфиринов и других фотосенсибилизаторов.
Основные гипотезы механизмов стимулирующего действия НИЛИ.
Лазер-индуцированный прайминг лейкоцитов Пролонгированный прайминг
мононуклеарных лейкоцитов.
Свободнорадикальные механизмы пролиферации лейкоцитов. Участие NO и
цитокинов в регуляции микроциркуляции крови.
Лазеротерапия (ЛТ) артритов-артрозов
Лазерная терапия в лечении ран.
ФДТ – новая перспективная технология медицины XXI века. Введение и современные
представления о принципах использования НИЛИ при ФДТ.
Теоретические основы ФДТ, фотофизические процессы, фармакокинетика
фотосенсибилизаторов. Практические (методические) подходы проведения ФДТ при
различных заболеваниях.
Основные характеристики электромагнитных излучений (ЭМИ). Способы их доставки
Особенности взаимодействия ЭМИ с биологическими объектами.
Основные патофизиологические эффекты действия ЭМИ
Влияние ЭМИ на клеточные структуры. Особенности действия магнитных полей на
структурно-функциональные свойства клеточных мембран
31