биофизика

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)

К. Н. БОЛСУНОВ, Е. В. САДЫКОВА, Б. И. ЧИГИРЕВ

БИОФИЗИКА

Учебно-методический комплекс

Санкт – Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2011

УДК 577.35

ББКЕ071я73

Б79

Болсунов К. Н., Садыкова Е. В., Чигирев Б. И.

Б79 Биофизика: Учеб.-метод. комплекс. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 192 с.

Учебно-методический комплекс предназначен для подготовки магистров по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Нанотехнологии для систем безопасности».

УДК 577.35

ББК Е071я73

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Примерная рабочая программа дисциплины "Биофизика" .............................................	5
Конспект лекций по дисциплине "Биофизика" ................................................................	15
Учебно-методические материалы для лабораторных занятий по дисциплине
"Биофизика" .........................................................................................................................	131
Дидактические материалы по дисциплине "Биофизика" ................................................	181

3

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)

БИОФИЗИКА

Примерная рабочая программа

Санкт – Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2011

АННОТАЦИЯ ДИСЦИПЛИНЫ:

Дисциплина включает следующие разделы: основы молекулярной биофизики, биофизика клетки, основы биофизики органов чувств. В первом разделе рассматриваются свойства биополимеров, сильные и слабые взаимодействия в биологических макромолекулах. Раздел биофизика клетки посвящен изучению клеточных структур и физических свойств клетки; электробиологии – определению электрического сопротивления клеток вытянутой формы, находящихся в электролите, измерению электрического сопротивления клеточных структур, явлениям поляризации, частотным свойствам биологических тканей, механизмам формирования мембранных потенциалов, генерации потенциалов покоя и действия, распространению возбуждения, синаптической передаче возбуждения. В этом же разделе рассматривается механизм мышечного сокращения и вопросы термодинамики процессов жизнедеятельности. В третьем разделе представлены механизмы восприятия внешних стимулов и кодирование информации в органах зрения, слуха, кожном и двигательном анализаторах, вкусовом и обонятельном анализаторах; представлены элементы колориметрии.

6

Цель и задачи дисциплины:

Целью и задачами преподавания дисциплины является изучение биофизических процессов в биосистемах и их структурных элементах наноуровня, ознакомление с соответствующей терминологией, литературой, биофизическими методами исследований проявлений жизнедеятельности для применения полученных знаний в медикотехнической области. Освоение дисциплины формирует вклад в следующие компетенции:

способен использовать знания фундаментальных и прикладных дисциплин магистерской программы (ОНК-1);

способен осознать основные проблемы своей предметной области, определить методы и средства их решения (ОНК- 5);

способен идентифицировать новые области исследований, новые проблемы

вобласти нанотехнологии (НИД-1);

способен анализировать состояние научно-технической проблемы, систематизировать и обобщать научно-техническую информацию по теме исследований в области нанотехнологии (НИД-2);

способен оценивать научную значимость и перспективы прикладного использования результатов исследований в области нанотехнологии (НИД-8);

способен обеспечивать экологическую безопасность производства на предприятиях, работающих в области нанотехнологии (ПТД-5);

7

Требования к уровню освоения дисциплины

В результате изучения дисциплины студенты должны:

знать:

биологические и физические принципы организации биосистем;

биофизические основы функционирования клеток и клеточных структур, тканей, органов и систем организма;

механизмы преобразования и кодирования информации в биологических

системах;

термины и определения, используемые в биофизике;

уметь:

обосновывать модельные представления о биологических объектах при изучении биофизических процессов;

использовать соответствующий математический аппарат при описании биофизических явлений;

иметь представление:

о методиках проведения биофизических исследований, о проблемах и перспективах развития биофизики.

8

Содержание рабочей программы

Введение.

Биофизические процессы в биосистемах. Предмет курса и его задачи. Структура, содержание курса, его связь с другими дисциплинами и место в подготовке специалиста.

Тема 1. Основы молекулярной биофизики.

Макромолекулы, их физические свойства. Состав и структуры белковых молекул, сильные и слабые взаимодействия, связь между первичной и пространственной структурами белка. Нуклеиновые кислоты, генетический код, биосинтез белка. Мутации. Проблемы молекулярной биофизики.

Тема 2. Биофизика клетки.

Функции клеток и клеточных структур, мембранный транспорт веществ. Физические свойства клеток Клетка как структурная и функциональная единица живого организма. Единые принципы строения клеток. Клеточные мембраны, их структура, конформационные свойства и роль в жизнедеятельности клеток. Искусственные мембраны и их роль в изучении свойств биомембран. Диффузия и уравнения диффузии. Электрохимический градиент. Фильтрация и осмос, осмотическое и онкотическое давления, водный обмен. Активный транспорт веществ, его роль в поддержании ионных градиентов. Основные биофизические методы определения физических свойств клеток.

Тема 3. Биоэлектрические явления.

Пассивные электрические свойства биотканей и электрическая активность биообъектов. Электрическое сопротивление клеток, и тканей, сопротивление нервного волокна, находящегося в электролите. Поляризация, частотные свойства биообъектов. Активные биоэлектрические явления. Механизм возникновения биоэлектрических потенциалов. Доннановский равновесный потенциал. Расчет мембранной разности потенциалов. Потенциал покоя клеток, его физиологические функции. Особенности регистрации биопотенциалов. Потенциал действия. Энергия раздражения и возбуждения, порог раздражения. Проницаемость мембраны при раздражении. Рефрактерные периоды, реобаза, хронаксия. Представление о модели Ходжкина-Хаксли. Распространение нервного импульса. Миелиновая оболочка нервного волокна, сальтаторная передача возбуждения. Моделирование процессов нервного возбуждения. Синаптическая передача,

9

химический и электрический механизмы передачи информации в синапсах. Постсинаптический потенциал, трансформация ритма в синапсах. Высокопроницаемые контакты клеточных мембран.

Тема 4. Теплообразование в организме животных.

Места теплообразования в организме теплокровных животных. Условия передачи тепла из организма в окружающую среду. Регулирование температуры в живых организмах.

Тема 5. Мышечное сокращение.

Структура мышц и мышечных белков. Механизм мышечного сокращения, роль кальция. Связь между силой сокращения и удлинением саркомера. Теплота активации и теплота укорочения мышечного волокна.

Тема 6. Основы биофизики сенсорных систем.

Зрительный анализатор. Строение глаза как оптической системы. Системы саморегулирования в зрительном анализаторе. Фоторецепторная система глаза. Передача информации от фоторецепторных клеток. Фотохимические теории световой и темновой адаптаций. Закон Вебера-Фехнера. Разрешающая способность глаза. Спектральная чувствительность. Субъективные и физические характеристики цвета. Субъективные эффекты при цветовых ощущениях. Трехкомпонентная теория цветового зрения, векторное представление цвета. Понятие о колориметрических системах. Кодирование информации в органе зрения.

Слуховой анализатор. Восприятие звука. Механорецепция. Этапы преобразования сигнала в органе слуха, микрофонный потенциал. Кодирование информации в органе слуха. Вестибулярный аппарат, его строение и функции.

Рецепция запаха и вкуса. Рецепция запаха и молекулярное узнавание. Стереохимическая теория восприятия запаха. Экспериментальные исследования рецепции запаха. Вкусовой анализатор, рецепторы вкусовых сосочков. Вкусовая адаптация. Химическое строение вещества и его вкус.

Кожный анализатор. Тактильная, болевая и температурная рецепции. Кожные рецепторы. Дифференцированная возбудимость кожного анализатора. Кожные системы связи. Рецепторы мышц и суставов. Электрорецепторы. Преобразование информации в электрорецепторах.

10