28. Общая биофизика, медицинская биофизика, биофизические

Аннотация рабочей программы дисциплины
«Общая биофизика, медицинская биофизика, биофизические основы
функциональной диагностики»
по направлению подготовки «Медицинская биофизика»
Цель дисциплины: подготовить квалифицированного специалиста, умеющего выполнять профессиональную деятельность в научно-исследовательских учреждений, функционально-диагностических и клинических лабораторных диагностических центрах, лабораториях, отделах, отделениях лечебно-профилактических учреждений, знающего основные
разделы общей и медицинской биофизики, основы функциональной диагностики, умеющего анализировать и исследовать биофизические процессы в норме и при патологических процессах организма человека, владеющего современными научными методами исследования и диагностики, умеющего разрабатывать новые методы диагностики и лечения.
Задачи дисциплины: приобретение студентами знаний по общей биофизике, включая те
биофизические принципы, которые лежат в основе функционирования клеток, органов и
тканей организма человека; обучение студентов важнейшим методам биофизического исследования; позволяющим проводить раннюю диагностику патологических состояний на
молекулярно-клеточном уровне; обучение студентов навыкам работы на современном исследовательском и диагностическом биофизическим оборудованием; обучение студентов
статистическим методам обработки результатов биофизических измерений; приобретение
студентами научного кругозора; умения вести активный диалог по научным вопросам;
умений представлять получаемые результаты в форме письменных (научная статья) и
устных сообщений (доклады).
Место дисциплины в структуре ООП ВПО: дисциплина «Общая биофизика, медицинская биофизика, биофизические основы функциональной диагностики» относится к базовой части профессионального цикла дисциплин (С.3) ООП ВПО подготовки специалиста
по направлению подготовки «Медицинская биофизика».
Содержание дисциплины: «Общая биофизика» .1. «Фотобиофизика». Предмет и методы
биофизики. Курс посвящен биофизическим основам биологических процессов, протекающих под действием света или в ходе которых генерируется свет. Рассматриваются количественные закономерности поглощения света биологическими объектами и внутримолекулярные и межмолекулярные механизмы трансформации энергии поглощенных фотонов.
Излагаются принципы оптических методов исследования, применяемых в биологии и медицине. Значительное внимание уделяется биофизическим механизмам биохемилюминесценции и биолюминесценции и применению хемилюминесцентных методов исследования
в биологии и медицине. Дается анализ физических и физико-химических механизмов
начальных стадий фотопревращений молекул-рецепторов, запускающих фотобиологические процессы, включая фототерапевтические. Раскрываются молекулярно-клеточные
механизмы важнейших фотобиологических процессов у животных и человека: эритема и
фотосинтез витамина D3 в коже, канцерогенез, зрение и др. 2. «Молекулярная биофизика».
История развития. Вклад отечественных ученых в развитие молекулярной биофизики.
«Международная белковая база данных». Работа с базой. Программы визуализации структуры белков. Принципы работы с программой RasTop. Сывороточный альбумин человека
(САЧ) и его модификации при болезнях человека. Содержание САЧ в крови, основные
функции этого белка. Основные физико-химические свойства САЧ. Методы исследования
САЧ. Структура Функции САЧ. Конформационные перестройки САЧ, вызванные изменением температуры и рН раствора. Механизм токсичности медных комплексов сывороточного альбумина; роль тиоловой группы и жирных кислот. Принципы метода рентгеноструктурного анализа белков. Получение белковых кристаллов. Схема рентгеновского
дифрактометра. Теория метода РСА. Миллеровы плоскости отражения рентгеновских лучей. Закон Брегга-Вульфа. Понятие обратной кристаллической решетки, векторная форма
1
2
уравнения Брегга-Вульфа. Дифрация лучей на периодической системе атомов. Сфера отражений Эвальда. Ограничения Лауэ. Понятие об обратной кристаллической решетке.
Структурный фактор. Проблема фаз и метод изоморфного замещения. Определение
структурных факторов, вычисление электронной плотности. Создание пространственной
модели белков. Свойства пептидной связи. Конформационная подвижность пептидов. Потенциальная энергия белковых макромолекул. Свойства пептидной связи. Структура воды
и водородные связи. Внутри- и межмолекулярные силы и взаимодействия биомакромолекул: кулоновское взаимодействие, ион-дипольные взаимодействия, силы Вандервальса,
водородные связи. Уникальные (аномальные) физические свойства воды и их роль в биологических процессах. Структура льда. Структура жидкой воды. Модели структуры жидкой воды. Структура воды в растворах. Гидрофобные взаимодействия. Ионные растворы.
Кинетический и термодинамический подходы для описания сольватации ионов в растворах. Общая модель структуры воды в ионных растворах. Структура раствора неполярных
молекул. Гидрофобное взаимодействие. Структура льда и жидкой воды, структура ионных
растворов и растворов неполярных веществ. Первичная структура белков и их физические
свойства. Ионизационное равновесие в белках, полярность белковых аминокислотных
остатков. Вторичная структура белков. Роль водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Распространенность вторичных структур в белках. Влияние электростатических
и гидрофобных взаимодействий на вторичную структуру белковых молекул. Методы изучения вторичной структуры. Инфракрасная спектроскопия (ИКС) полипептидов и белков.
Основные типы колебания атомов в молекулах. Характеристические частоты колебания
атомов пептидной группы белков. Анализ вторичной структуры белка методом ИК спектроскопии. Метод изотопного замещения. ИК-дихроизм. Анализ вторичной структуры
белков с помощью измерения их оптической активности. Физические основы методов
дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма (ДОВ и КД). Экспериментальное
исследование оптической активности полипептидов и белков: ДОВ и КД. Оценка степени
спиральности белков методом ДОВ: метод Друде, метод Моффита. Метод КД. Оценка
степени спиральности белков методом КД "изодихроичный метод". Моделирование
структуры белков с использованием вычислительной техники. Термодинамическая модель самоорганизации белковой молекулы. Нелинейная неравновесная термодинамика И.
Пригожина: теория диссипативных систем, теория бифуркаций. Феноменологическая бифуркационная модель самосборки белка. Физическая теория структурной организации
белка. Количественная оценка энергии всех видов взаимодействий белка. Фрагментарный
метод теоретического конформационного анализа пептидов и белков. Расчет трехмерной
структуры бычьего панкреотическоготрипсинового ингибитора. Молекулярные механизмы ферментативного катализа. Проблемы кинетики и термодинамики ферментного катализа. Изучение связывания субстратов и ингибиторов ферментов методом РСА. Механизм работы гидролитических ферментов. Белковые комплексы, их структура и функция.
Четвертичная структура белков. Анализ числа субъединиц и их взаимного расположения.
Методы исследования подвижности субъединиц и взаимодействия между ними. Стабильность четвертичной структуры белков. Механизм работы белковых комплексов на примере транспортных АТФаз и мембранных рецепторов. Механизм переноса электронов в белковых система». Проблема переноса энергии и электронов в белках; несостоятельность
полупроводниковой теории. Индуктовно-резонансный механизм переноса энергии электронного возбуждения. Диффузионный механизм переноса электрона между доменами
белковых переносчиков. Туннельный механизм переноса электронов в белках. Анализ
связывания лигандов с макромолекулами. Гетерогенность и кооперативность связывания.
Роль гидрофобных взаимодействий в структуре белков в норме и патологии. Шапероны,
их роль в формировании пространственной структуры белков и транспорте белков через
мембраны. 3. «Биофизика клетки». История изучения и современные представления о
строении биологических мембран. Функции мембран в клетке. Снижение размерности
диффузии в мембранных структурах. Мембраны и возникновение жизни. Модели биоло2
3
гических мембран. Монослои. Бислойные липидные мембраны (БЛМ). Роль эффективной
формы молекул фосфолипидов в формировании устойчивого липидного бислоя. Липосомы. Использование моделей биомембран в биологии и медицине. Динамическая структура
мембран. Подвижность и конформация жирнокислотных цепей в мембранах. Кинки.
Флип-флоп и вращательная диффузия фосфолипидов. Латеральная диффузия фосфолипидов и белков, её значение и регуляция в клетке. Фазовые переходы липидов в мембранах.
Влияние состава фосфолипидов и холестерина на фазовые переходы. Необычные мембраны. Монослои липопротеидов. Мембраны архебактерий и сложных вирусов. Мембраны
рогового слоя кожи. Изменения структуры мембран под действием высоких давлений.
Явление переноса в физиологии клетки. Основные количественные характеристики переноса. Виды диффузии. Осмос. Первичный активный транспорт. Виды ионных насосов и
их биологическая функция. Вторичный активный транспорт. Трансмембранная диффузия
в отсутствие электрического поля. Особенности взаимодействия переносимого вещества с
веществом мембраны. Дискретный подход. Первый закон Фика. Второй закон Фика. Роль
примембранных слоев жидкости в переносе частиц через мембрану. Электродиффузия.
Профиль электрического потенциала в мембране в приближении Гольдмана. Влияние
мембранного потенциала на на профиль свободной энергии иона в мембране. Уравнение
электродиффузии в толще мембраны. Электродиффузия через 3-х барьерную мембрану с
пренебрежимо малыми потенциальными барьерами на границах. Вывод основного уравнения диффузии с использованием дискретного подхода. Вывод основного уравнения
диффузии в сплошной среде. Решение основного уравнения электродиффузии в приближении постоянного электрического поля (уравнение Гольдмана для потока ионов). Соотношение Уссинга–Теорелла. Вольт–амперные характеристики мембраны. Связь между
потоком ионов и электрическим током. Скорость перемещения ионов в электрическом поле. Основные физические постулаты теории дискретного движения ионов в каналах. Ионный поток в 3-х барьерном канале. Блокировка и насыщение тока в канале. Вольтамперные характеристики 3-х барьерного канала. Эффективная форма молекул фосфолипидов и проницаемость мембран. Методы изучения функционирующих ионных каналов.
Получаемая информация. Типы ионных каналов. Каналы и лекарства. Каналы в биотехнологиях. Равновесные мембранные потенциалы. Условия возникновения, вывод и анализ
уравнения межфазного потенциала. Условия возникновения, вывод потенциала НернстаДоннана. Границы применимости уравнения Нернста-Доннана. Почему расчетный потенциал отличается от измеряемого потенциала покоящейся клетки. Равновесие Гиббса_–
Доннана. Вывод уравнения потенциала Доннана. Анализ уравнения Доннана. Стационарные потенциалы. Уравнение Гольдмана для мембранного потенциала. Эквивалентная
электрическая схема мембраны. Уравнение Ходжкина-Горовица. Потенциал при работе
электрогенной помпы. Модель электрогенного насоса с утечкой. Генерация нервного импульса. Условия возникновения и регистрации потенциала действия. Эквивалентная электрическая схема возбужденной мембраны. Ионные токи в возбудимой мембране при генерации потенциала действия. Количественная реконструкция потенциала действия. Ионная
селективность каналов. Распространение электрического импульса по волокну. Вывод телеграфного уравнения с использованием эквивалентной электрической схемы мембраны.
Постоянная длины волокна. Роль подпороговых электрических сигналов в механизме взаимодействия нервных клеток. II. «Медицинская биофизика»:. Теория повреждения клеток.
История биоэнергетики. Функции митохондрий. Роль ионов Са2+ в работе митохондрий.
Работа митохондрий при гипоксии. Классификация свободных радикалов. Активные формы кислорода. Оксид азота. Перекисное окисление липидов. Схема реакций ПОЛ и способы ее упрощения. Электрический пробой. Антиоксиданты. Митохондрии и апоптоз. АФК
и апоптоз. Свободнорадикальные механизмы старения. Болезни, вызываемые свободными
радикалами. Врожденные и приобретенные заболевания, возникающие при нарушении
структуры и функции ионных каналов. Чужеродные каналы как способ жизнеобеспечения
внутриклеточных патогенов. III. «Биофизические основы функциональной диагностики»:
3
4
материал курса включает биофизические процессы и свойства, касающиеся органов и их
систем, биофизическое обоснование методов функциональной диагностики. Излагаются
биофизические клеточные механизмы генеза электрических биопотенциалов органов. Рассматриваются биофизические основы регистрации электрокардиограмм и электроэнцефалограмм и количественные показатели, получаемые на основе математического анализа
электрограмм, функционального состояния сердца и головного мозга. Раскрываются особенности биомеханических явлений деформации тканей и течения жидкостей. Демонстрируется значение деформационных характеристик и показателей вязкости для анализа
состояния тканей и органов: кровь, легкие, кожа, кровеносные сосуды, система хрусталика и цилиарной мышцы и др. Даются количественный анализ генерации и распространения пульса и гемодинамическое обоснование применения скорости распространения
пульса для оценки состояния артериальных сосудов. Значительное внимание уделяется
исследованию состояния центрального и регионального кровотока путем математического
анализа кардиогенных изменений ряда показателей: сфигмограмма, импедансная реограмма, реактивное смещение тела и др. Излагаются биофизические законы теплопродукции и укорочения скелетной мышцы при разных силовых нагрузках, объясняется связь
генерации звука мышцей с работой сократительного аппарата мышечных волокон.
Общая трудоемкость освоения дисциплины составляет 24 зачетные единицы.
4