litceysel.ru
добавить свой файл
  1 2 3 4

Тема 7. Биофизика фотобиологических процессов

Механизмы трансформации энергии в первичных фотобиологических процессах. Взаимодействие квантов с молекулами. Первичные фотохимические реакции. Основные стадии фотобиологического процесса. Механизмы фотобиологических и фотохимических стадий. Кинетика фотобиологических процессов. Проблемы разделения зарядов и переноса электрона в первичном фотобиологическом процессе. Роль электронно-конформационных взаимодействий.

Биофизика фотосинтеза. Структурная организация и функционирование фотосинтетических мембран. Два типа пигментных систем и две световые реакции. Организация и функционирование фотореакционных центров. Проблемы первичного акта фотосинтеза. Электронно-конформационные взаимодействия. Фотоинформационный переход. Кинетика и физические механизмы переноса электрона в электрон-транспортных цепях при фотосинтезе. Механизмы сопряжения окислительно-восстановительных реакций с трансмембранным переносом протона. Особенности и механизмы фотоэнергетических реакций бакте-риородопсина и зрительного пигмента родопсина.

Фоторегуляторные и фотодеструктивные процессы. Основные типы фоторегуляторных реакций растительных и микробных организмов: фотоморфогенез, фототропизм, фототаксис, фотоиндуцированный каротиногенез. Спектры действия, природа фоторецепторных систем, механизмы первичных фотореакций. Фитохром как фоторецепторная система регуляции метаболизма растений. Молекулярные свойства и спектральные характеристики фитохрома. Понятие о фотохромных молекулах и фотохромном механизме фотоактивации ферментов.

Фотохимические реакции в белках, липидах и нуклеиновых кислотах. ДНК как основная внутриклеточная мишень при летальном и мутагенном действии ультрафиолетового света. Фотосенсибилизированные и двухквантовые реакции при повреждении ДНК. Механизмы фотодинамических процессов. Защита ДНК некоторыми химическими соединениями. Эффекты фоторепарации и фотозащиты. Ферментативный характер и молекулярный механизм фотореактивации. Роль фотоиндуцированного синтеза биологически активных соединений в процессе фотозащиты.

Тема 8. Радиационная биофизика

Электромагнитные излучения и поля в природе, технике и жизни человека. Общая физическая характеристика ионизирующих и неионизирующих излучений. Гамма- и рентгеновские лучи. Рентгеноструктурный анализ, лучевая ультрамикрометрия, радиационно-химические методы. Ультрафиолетовое и видимое излучения. Спектроскопия в УФ и видимой области. Лазерная спектроскопия, исследования электронно-вращательных спектров, фотохимические методы исследования. Инфракрасное излучение, инфракрасная спектроскопия. Радиочастоты: СВЧ, УВЧ, ВЧ НЧ. Микроволновая спектроскопия, спектроскопия ЭПР, ЯМР, диэлектрическая спектроскопия, методы электропроводности.


Использование различных видов излучений в медицине, технике и сельском хозяйстве. Специфика первичных (физических) механизмов действия различных видов излучений на молекулы. Поглощение и размен энергии. Конечный биологический эффект при действии ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты и системы.

Биологическое действие ионизирующих излучений. Первичные и начальные биологические процессы поглощения энергии ионизирующих излучений. Механизмы поглощения рентгеновских и гамма-излучений, нейтронов, заряженных частиц. Экспозиционные и поглощенные дозы излучений. Единицы активности радионуклидов. Единицы доз ионизирующих излучений. Фактор изменения дозы облучения. Зависимость относительной биологической эффективности от линейных потерь энергии излучений. "Малые" и "большие" дозы радиации. Стохастические и статистические эффекты.

Инактивация молекул в результате прямого и непрямого действия ионизирующих излучений. Дозовые зависимости. Прямое действие радиации на ферменты, белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы. Первичные процессы, приводящие к инактивации макромолекул при прямом действии радиации. Радиочувствительность молекул. Радиолиз воды и липидов. Взаимодействие растворенных молекул с продуктами радиолиза растворителей. Эффект Дейла. Образование возбужденных молекул, ионов и радикалов. Количественная характеристика непрямого действия радиации в растворах. Роль модификаторов в радиолизе молекул.

Радиационная биофизика клетки. Количественные характеристики гибели облученных клеток. Репродуктивная и интерфазная гибель клеток. Апоптоз. Принцип попадания, концепция мишени. Эволюция этих понятий. Основы микродозиметрии ионизирующих излучений. Первичные физико-химические процессы в облученной клетке. Роль молекулярных механизмов репарации ДНК и репарационных ферментов в лучевом поражении клетки. Роль повреждения биологических мембран в радиационных нарушениях клетки. Окислительные процессы в липидах и антиокислительные системы, участвующие в первичных биофизических и последующих лучевых реакциях.

Радиационная биофизика сложных систем. Временные и дозовые эффекты радиации. Сравнительная радиочувствительность биологических объектов и систем. Действие малых доз и хронического облучения. Особенности действия разных видов облучения организмов разными типами радиации.

Этапы ответных реакций на острое облучение: физический, биофизический и общебиологический. Синдромы острого лучевого поражения: костно-мозговой, кишечный и церебральный. Критические процессы лучевого поражения. Лучевой токсический эффект. Роль биофизических исследований сложных систем в анализе первичных и последующих лучевых процессов. Проблема риска. Факторы, модифицирующие лучевое поражение: радиопротекторы и радиосенсибилизаторы, их химическая природа и биологическое действие. Эндогенный фон радиорезистентности. Лучевые реакции и стресс. Кислородный эффект и механизмы его проявления.



3.2 Темы семинарских занятий

Семинарских занятий по данному курсу учебным планом не предусмотрено. В соответствии с программой дисциплины по основным разделам курса проводятся лабораторные работы:

Лабораторная работа 1. Кинетика биологических процессов - 4 часа

Моделирование биологических процессов с помощью компьютерных программ:


  • Динамика численности популяций;

  • Модель Вольтера;

  • Игра «Жизнь»

  • Лабораторная работа 2. Молекулярная биофизика – 6 часов

  • Измерение импеданса.

  • Электрофоретическая подвижность биомолекул в зависимости от электродинамических параметров

Лабораторная работа 3. Биофизика мембран – 4 часа

  • Определение сопротивления кожи.

Лабораторная работа 4. Биофизика фотобиологических процессов – 4 часа

  • Применение закона Ламберата-Бугера-Бэра для определения концентрации веществ в растворе.


3.3 Тематика заданий для самостоятельной работы

Углубление знаний по курсу осуществляется за счет организации самостоятельной работы студентов по разделам, установленных программой дисциплины. На самостоятельное освоение курса отводится 50 % от общего объема нагрузки - 61 час.

  1. Значение биофизики для медицины, сельского хозяйства, экологии, космических исследований.

  2. Разделы биофизики – биофизика сложных систем, биофизика клетки, молекулярная биофизика.

  3. Биофизические методы исследования - спектральные, электрические, радиоизотопные, физико-химические, микрохимические.

  4. Простейшие кинетические модели биологических процессов

  5. Исследование стационарного состояния систем.

  6. Сравнительные особенности классической термодинамики и термодинамики необратимых процессов.
  7. Проблема нелинейности в термодинамике биологических систем.


  8. Общие закономерности формирования макромолекул.

  9. Ковалентные и слабые связи (кулоновские взаимодействия, водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса, дисперсные силы).

  10. Развитие представлений о структурной организации мембран: липидная теория, модель «сэндвич», теория «унитарной мембраны».

  11. История открытия и изучения биоэлектрических явлений.

  12. Электродные и ионные потенциалы.

  13. Современное представление о механизме генерации потенциалов покоя и действия.

  14. Методы биофизических исследований структуры и свойств молекул с использованием электромагнитного излучения: рентгеноструктурный анализ, лучевая ультрамикрометрия, различные виды спектроскопии, лазерная спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

  15. Механизмы поглощения и излучения квантов биомолекулами.

  16. Образование свободных радикалов при взаимодействии ионизирующей радиации с веществом.

  17. Единицы дозы (рентген, фэр, рад, бэр), энергии (электрон-вольт) и активности (кюри). Системные и внесистемные единицы измерений.



3.4 Примерный список вопросов к экзамену

  1. Биофизика: объект исследования, цели, задачи, методы. Основные исторические этапы становления и развития дисциплины.

  2. Термодинамика, как наука, изучающая общие закономерности обмена и превращения энергии. Классификация термодинамических систем. Первый закон термодинамики и его применимость к биологическим системам.

  3. Второй закон термодинамики. Изменение энтропии открытых систем. Термодинамические условия осуществления стационарного состояния.

  4. Изменение свободной энергии химических реакций. Термодинамическое сопряжение реакций. Тепловые эффекты в биологических системах.
  5. Соотношение между значениями движущих сил и скоростей процессов. Соотношение взаимности Онзагера.


  6. Термодинамические критерии достижения стационарных состояний и их устойчивости. Теорема Пригожина. Принцип Ле-Шателье.

  7. Статистическое истолкование энтропии. Формула Больцмана. Энтропия и информация.

  8. Основные особенности кинетики биологических процессов на языке химической кинетики.

  9. Типы химических реакций. Порядок реакции. Линейные и разветвленные цепи реакций.

  10. Зависимость скорости химической реакции от температуры. Уравнение Аррениуса. Энергия активации. Коэффициент Вант - Гоффа.

  11. Кинетика ферментных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментан.

  12. Методы исследования кинетики сложных систем. Определение устойчивости системы по Ляпунову.

  13. Математическое моделирование в биологии. Качественное исследование простейших моделей биологических процессов. Упрощенная модель культиватора.

  14. Методы качественной теории дифференциальных уравнений в анализе динамических свойств биологических процессов. Понятие фазовой плоскости.

  15. Типы динамического поведения биологических структур. Понятие о биологических триггерах, колебательных процессах. Модель Вальтера.

  16. Статистический характер организации полимеров. Объемные взаимодействия и переходы глобула-клубок в полимерных макромолекулах.

  17. Типы взаимодействия в макромолекулах. Силы Ван-дер-Ваальса, водородная связь, электростатические взаимодействия, внутреннее вращение и поворотная изомерия.

  18. Конформационная энергия полипептидной цепи. Пространственная организация белков и нуклеиновых кислот.

  19. Состояние воды и гидрофобные взаимодействия в биоструктурах.

  20. Динамика фазовых переходов в макромолекулах. Кооперативный характер перехода спираль-клубок.

  21. Конформационная подвижность белков по данным различных методов (методы изотопного обмена, оптической и резонансной спектроскопии).
  22. Принцип Франка- Кондона и законы флюоресценции


  23. Квантово-механические представления о строении атомов и молекул. Уравнение Шредингера. Квантовые уровни энергии и квантовые числа.

  24. Образование молекулярных орбиталей. Природа и типы химической связи. Природа связи. Электронные переходы в молекуле.

  25. Взаимодействия света с молекулами. Принцип Франка-Кондона.

  26. Поглощение света молекулами. Спектры поглощения. Полосы поглощения. Коэффициенты поглощения. Спектры действия.

  27. Электронные спектры биополимеров.

  28. Современные представления о механизмах ферментативного катализа. Электроннно-конформационные взаимодействия в фермент-субстратном комплексе.

  29. Структура и функции биологических мембран.

  30. Поверхностный заряд мембранных систем, происхождение электрокинетического потенциала.

  31. Методы электрофореза и их применение в биологии.

  32. Пассивные электрические характеристики биологических тканей.

  33. Пассивный и активный транспорт веществ через мембраны. Транспорт неэлектролитов.

  34. Транспорт ионов через мембраны. Электрохимический потенциал.

  35. Ионные равновесия на границе раздела фаз. Уравнение Нернста

  36. Уравнение электродиффузии Нернста-Планка.

  37. Диффузные потенциалы в растворе. Уравнение Гендерсона

  38. Мембранный диффузный потенциал. Уравнение Гольдмана.

  39. Соотношение Уссинга-Теорелла.

  40. Перенос электронов и трансформация энергии в биомембранах.

  41. Виды ионизирующих излучений.

  42. Взаимодействие рентгеновского и гамма излучений со средой.

  43. Взаимодействие нейтронного излучения со средой.

  44. Поглощение энергии ускоренных заряженных частиц. Модель Дертингера, Юнга.

  45. Методы регистрации ионизирующих излучений.
  46. Количественное описание радиационных эффектов. Поглощенная доза, ЛПЭ, ОБЭ.


  47. Эквивалентная доза. Весовой множитель Wр. Эффективная доза. Тканевый весовой множитель Wв. Экспозиционная доза. Коллективная доза.

  48. Эффекты воздействия ионизирующих излучений на живые организмы. Принцип попадания. Концепция мишени.

  49. Общие закономерности радиолиза. Радиолиз воды, белков, ДНК. Восстановительные процессы при облучении.

  50. Последствия облучения. Относительная значимость риска различных радиационных эффектов.



4. ФОРМЫ ПРОМЕЖУТОЧНОГО И ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ:

Цель контроля: определение уровня подготовки студентов по дисциплине.

Текущий контроль проводится для оценки степени усвоения студентами учебных материалов, обозначенных в учебной рабочей программе, и осуществляется в виде непрерывного и рубежного контроля. К непрерывному контролю относятся систематические проверки знаний и навыков студентов в форме устного опроса, решения расчетных задач и рефератов. Текущий контроль осуществляется на этапе защиты лабораторных работ индивидуально каждым студентом. Рубежный контроль охватывает содержание части курса и проводится в середине семестра. Форма рубежного контроля - тестирование.

Итоговый контроль - экзамен (5 семестр). К экзамену допускаются студенты, выполнившие в полном объеме аудиторную нагрузку, самостоятельную работу и успешно сдавшие две промежуточные аттестации.

Студенты, имеющие задолженность, должны выполнить все обязательные виды деятельности, и только затем допускаются к сдаче экзамена.

Критерии оценки: ответ полный, раскрывающий историю рассматриваемой проблемы, основных акторов проблемы, теоретические положения проблемы, пути их решения.

Формально: оценивается достижение целей образовательного стандарта высшего профессионального образования и соответствия фактического уровня развития личности профессионала проектируемому.


5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА

Интернет-источники


  1. http://www.protein.bio.msu.ru/biokhimiya/index.htm - Интернет версия международного журнала по биохимии и биохимическим аспектам молекулярной биологии, биоорганичемской химии, микробиологии, иммунологии, физиологии и биомедицинских иссследований. Статьи в pdf-формате.


<< предыдущая страница   следующая страница >>