Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of RAS
ru ИТЭБ (en)

1. Цели и задачи.

Целью освоения дисциплин модуля «Биофизика» являются:
- формирование фундаментальных представлений о физических основах биологических процессов;
- накопление систематических знаний по специальности «Биофизика» на базе новейших достижений науки,
- повышение квалификации аспиранта, как исследователя в области биологических наук, знакомство с современными биофизическими методами исследования биологических объектов,
- подготовка к сдаче кандидатского экзамена по специальности.

 

Для достижения этих целей ставятся следующие задачи:
- дать представление о структуре и свойствах биологически важных соединений, молекулярных механизмах внутриклеточных процессов ;
- познакомить с возможностями современных методов биофизических экспериментов;
- изучить термодинамику и кинетику биологических процессов;
- изучить структуру, свойства и функции биологических мембран
- познакомить с принципами биологической подвижности,
- изучить физико-химические механизмы действия радиации на биологические объекты
- подготовить аспирантов к самостоятельной работе и применению полученных знаний при осуществлении конкретного исследования;
- научить слушателей анализировать литературные и собственные экспериментальные данные и использовать теоретические знания для формирования новых идей.

 

2. Место модуля «Биофизика» в структуре образовательной программы аспирантуры.

Дисциплины модуля «Биофизика» составляют вариативную часть программы аспирантуры и их освоение проходит в 3,4 и 5 семестрах после освоения дисциплин базовой части программы. Необходимой основой для успешного изучения дисциплин модуля являются знания в объёме программ магистратуры и бакалавриата по направлению «Биология» основных образовательных программ высшего образования. Важным моментом для усвоения материала разделов модуля является активная научно-исследовательская работа в научном коллективе.

 

3. Требования к результатам освоения модуля и компетенции.

 В результате освоения модуля обучающийся должен:

Знать:

  • низкомолекулярные компоненты клетки, биологически важные гетероциклические соединения их структуру, свойства и биологическую роль,
  • принципы строения макромолекул, их основные свойства и биологические функции,
  • основные закономерности биологической подвижности,
  • принципы молекулярного узнавания,
  • механизмы функционирования ионных каналов,
  • молекулярные основы внутриклеточной и межклеточной сигнализации,
  • радиационные и экологические аспекты биофизики,

Уметь:

  • обобщать, систематизировать и анализировать усвоенный материал, выявлять взаимосвязь между строением клеточных структур и их биологической функцией,
  • самостоятельно анализировать современные экспериментальные научные данные, использовать теоретические знания для формирования новых идей,
  • корректно применять полученные знания в ходе научных исследований в лаборатории.

Владеть:

  • навыком самостоятельного освоения биофизической информации, в том числе с использованием современных информационных технологий.

Демонстрировать следующие компетенции:

Организация освоения дисциплин модуля «Биофизика» и используемые образовательные технологии направлены на развитие и закрепление следующих универсальных компетенций:

  • способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях (УК-1);
  • способность проектировать и осуществлять комплексные исследования, в том числе междисциплинарные, на основе целостного системного научного мировоззрения с использованием знаний в области истории и философии науки (УК-2);
  • готовность участвовать в работе российских и международных исследовательских коллективов по решению научных и научно-образовательных задач (УК-3);
  • готовность использовать современные методы и технологии научной коммуникации на государственном и иностранном языках (УК-4);
  • способность планировать и решать задачи собственного профессионального и личностного развития (УК-5);

У выпускника аспирантуры по специальности «Биофизика» вырабатываются следующие общепрофессиональные компетенции:

  • способность самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области (Биофизика) с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий (ОПК-1)
  • готовность к преподавательской деятельности по основным образовательным программам высшего образования биологической направленности (ОПК-2).

Большой объём самостоятельной работы над материалами дисциплин модуля в сочетании с научными исследованиями биофизической направленности в лаборатории ведут к укреплению важных профессиональных компетенций. После освоения модуля «Биофизика» обучающийся:

  • знает и использует в научных исследованиях основные биологические теории и принципы (ПК-1);
  • знаком с основами математического описания биологических объектов и процессов и их моделированием (ПК-2);
  • имеет представление о молекулярных структурах и физико-химических свойствах низкомолекулярных соединений и биополимеров, входящих в состав биологических объектов (ПК-3);
  • обладает знаниями о механизмах преобразования энергии и веществ в биологических системах (ПК-4)
  • творчески применяет современные методы исследования, демонстрирует ответственность за качество проведенных экспериментов и научную достоверность результатов (ПК-5);
  • имеет навык применения современных компьютерных технологий при сборе, хранении и анализе биологической информации (ПК-6);
  • профессионально оформляет и докладывает результаты научных исследований, знает правила подготовки научных публикации в отечественных и зарубежных изданиях биологической направленности (ПК-7);

 

4. Структура модуля и виды учебной работы

бъем учебного времени, необходимого для освоения модуля – 17 зачетных единиц, что составляет 612 учебных часов, в том числе самостоятельная работа в объеме не более 528 часов.

Виды учебной работы: установочные лекции и семинары.

Самостоятельная работа: изучение рекомендованной литературы, подготовка к семинарам, зачетам, экзамену.

 

Структура модуля

№ п/п Раздел (дисциплины) Семестр Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) Форма промежуточной аттестации (по семестрам)
      Всего Установочные лекции Сам.работа  
1 Физика биополимеров и надмолекулярных структур 3 144 20 124 Диф. зачет
2 Структура и динамика биомолекул: радиоспектроскопия, термодинамика, кинетика 3 108 15 93 Диф. зачет
3 Биофизика клеточных и мембранных процессов 4 144 20 124 Диф. зачет
4 Структурные и функциональные особенности поперечно-полосатых и гладких мышц 5 108 15 93 зачет
5 Радиационная и экологическая биофизика 5 108 15 93 зачет

   Формы текущего контроля: устный опрос на семинарах.

   Форма промежуточной аттестации –дифференциальный зачет, зачет в конце семестра.

 

5. Содержание разделов модуля

1. Физика биополимеров и надмолекулярных структур

№ п/п Содержание Контактные занятия
Установочные лекции Семинары
1 Биомакромолекулы и физические\математические методы их исследования 2 2
2 Структура биомакромолекул и методы определения этой структуры 2 2
3 Фазовые и структурные переходы в белках. 2 2
4 Биомакромолекулы как молекулярные машины 2  

2. Структура и динамика биомолекул: радиоспектроскопия, термодинамика, кинетика

№ п/п Содержание Контактные занятия
Установочные лекции Семинары
1 Что такое радиоспектроскопия? Основные разновидности метода ЯМР. Основная задача ЯМР высокого разрешения 3  
2 ЯМР интроскопия - новый метод исследования в биологии и медицине. 3  
3 Снятие спектра ЯМР   2
4 Термодинамика, как раздел физики. Непрямые и основные прямые методы получения термодинамических данных при исследовании биологических объектов 2  
5 Особенности изучения белков с помощью сканирующей калориметрии. Изотермическая калориметрия 2 1
6 Кинетический подход для изучения биообъектов. Связь термодинамики и кинетики. 2  

3. Биофизика клеточных и мембранных процессов

№ п/п Содержание Контактные занятия
Установочные лекции Семинары
1 Основные объекты исследования биофизики клеточных и мембранных процессов 2  
2 Структура и функционирование биологических мембран 2 2
3 Биофизика процессов транспорта веществ через биологические мембраны и биоэлектрогенез. 2 2
4 Молекулярные механизмы процессов энергетического сопряжения 2 2
5 Биофизика сократительных систем 2 2
6 Биофизика рецепции 2  

4. Структурные и функциональные особенности поперечно-полосатых и гладких мышц

№ п/п Содержание Контактные занятия
Установочные лекции Семинары
1 Типы мышц и их функциональные особенности. Каналы, мембраны, саркоплазматический ретикулум; Электромеханическое сопряжение.

Строение молекул миозина, актина, тропомиозина, тропонинов, тайтина, и их локализация в миозиновых и актиновых нитях в саркомере.

Регуляция сокращения на уровне актин-содержащих и миозин-содержащих нитей (актиновый, миозиновый и смешанный типы регуляции; регуляторные белки – легкие цепи миозина, тропомиозин и тропонины).
  2ч    
2 Регуляция сокращения на уровне актин-содержащих и миозин-содержащих нитей (актиновый, миозиновый и смешанный типы регуляции; регуляторные белки – легкие цепи миозина, тропомиозин и тропонины).

Механические свойства мышц. Энергетика мышц. Ферменты энергетического метаболизма в мышечных клетках, локализация и функция. Ферменты в структуре сократительных нитей
2 ч
3 Адаптационные процессы в мышцах при гибернации, гипотермии и невесомости.

Дистрофия Дюшена, Беккера, синдром «ригидного человека» и другие миопатии. Молекулярные основы. Подходы к диагностике. Лечение.

Роль саркомерных цитоскелетных белков (тайтина, небулина и других тайтин-подобных белков) в адаптационных и патологических процессах в мышце. Участие этих белков в передаче клеточных сигналов; патологические сдвиги.
 
4 Кардиомиопатии (гипертрофическая, дилатационная, алкогольная), клапанные пороки.

Изменения структурно-функциональных свойств саркомерных белков и их вклад в развитие кардиомиопатий; диагностика и подходы к лечению. Белки-маркеры патологических изменений.
 
5 Амилоидозы. Современные представления об амилоидных отложениях в мышечных тканях при миокардитах и миозитах.

Амилоидные свойства мышечных белков, их участие в возникновении и развитии мышечных амилоидозов.
2ч    
6 Методы изучения гигантских мышечных белков. Вестерн-блоттинг.
Методы выделения и очистки мышечных белков. ПЦР
Основы электронной микроскопии мышечных белков
  3 ч.

5. Радиационная и экологическая биофизика

№ п/п Содержание Контактные занятия
Установочные лекции Семинары
1 Радиоактивность. Законы радиоактивных превращений. Ядерные реакции и искусственная радиоактивность. Характеристика ионизирующих излучений. Единицы активности радионуклидов и доз радиации. Естественный радиационный фон. Техногенные изменения естественного радиационного фона  
2 Дозиметрия ионизирующих излучений. Единицы экспозиционных и поглощенных доз излучений. Мощность доз излучений. Индивидуальные и стационарные дозиметры. Организация работ с радиоактивными веществами в радиоизотопном блоке 2 ч
3 Биологическое действие излучений. Принцип попадания, концепция мишени. Первичные и начальные механизмы действия ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками.  
4 Радиационные повреждения клеточных макромолекул. Повреждение и репарации ДНК. Генетические и эпигенетические нарушения. Радиочувствительность организмов. 2
5 Радиационное поражение человека зависимое от дозы. Ретроспективные методы оценки лучевых поражений у человека. Использование радиопротекторов и радиомитигаторов 2ч    

6. Образовательные технологии.

Занятия проходят в основном в виде установочных лекций, на которых обсуждается содержание дисциплин, их значимость и взаимосвязь. Преподаватель обращает внимание аспирантов на подходящие источники информации в литературе и Интернете, рекомендует учебники и монографии по теме разделов модуля «Биофизика».

 

7. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения модуля.

Самостоятельная работа студентов предусматривает изучение рекомендованной основной и дополнительной литературы, конспектов установочных лекций, использование доступа к Интернет-ресурсам и электронным библиотеками, работу в лаборатории и общение с научным руководителем и коллегами.

Оценочные средства для контроля текущей успеваемости включают в себя устный опрос на семинарах по ключевым и трудно усваиваемым темам. Имеется список вопросов, упражнений и задач для контроля усвоения всего материала по каждой дисциплине модуля на зачете.

По итогам освоения модуля согласно учебному плану предусмотрена экзамен по кандидатскому минимуму специальности Биофизика.

8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля.

1.Основная литература

  1. А.Б. Рубин. Биофизика: в 2 т. 3-е изд. испр. и доп. Изд-во МГУ, 2004
  2. Биофизика: Для межвузовского использования (под ред. В. Ф. Антонова), 2-е изд., М., 1996
  3. Н. Грин, У. Стауг, Д. Тейлор, Биология. В 3-х томах. "Mиp", М., 1990.
  4. Б. Албертс, Д. Брей, Дж- Льюис, М. Рэфф, К. Робертс, .Дж- Уотсон. Молекулярная биология клетки. "Мир", М, 1994, т.т. 1-3.
  5. Биофизика: для межвузовского использования (под ред. В. Ф. Антонова), 2-е изд., М., 1996
  6. Л.А- Блюменфельд, Проблемы биологической физики. "Наука", М., 1977.
  7. С.Э. Шноль. Физико-химические факторы биологической эволюции. "Наука". М., 1979.
  8. Ю.А. Пентин, Л.В. Вилков. Физические методы исследования в химии. // М.: Мир, 2003.
  9. М.В. Волькенштейн. Молекулярная биофизика. Наука, М.,
  10. Ч. Кантор, П. Шиммел.   Биофизическая химия. Мир, М., 1984.
  11. Л. Страйер. Биохимия, в 3-х томах. Мир, М., 1984, 1985.
  12. Дж-А. Кемпбел.  Почему проходят химические реакции? Мир, М, 1967.
  13.  С. Бенсон. Основы химической кинетики. Мир, М., 1964.
  14. В.П. Скулачев. Энергетика биологических мембран. Наука, М., 1989.
  15. В.Г. Ивков, Г.Н. Берестовский. Липидный бислой биологических мембран. М., 1982.
  16. В.Ф. Антонов. Е.Ю. Смирнова, Е.В. Шевченко. Липидные мембраны при фазовых превращениях. Наука, М.. 1992.
  17. Д Дж. Николс.  Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию. Мир, М., 1985.
  18. О.А. Барсуков, К.А. Барсуков. Радиационная экология. М. Научный мир, 2003
  19. Д.А.  Белоус.  Радиация, биосфера, технология. СПб, изд-во ДЕАН, 2004.
  20. B.Н. Бинги. Магнитобиология. Эксперименты и модели. М., Милта, 2002.
  21. Ю.А. Владимиров, А.Я. Потапенко. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М., Высш. шк., 1989.

 2.Дополнительная литература

  1. А. Ленинджер.   Основы биохимии. В 3-х томах. Мир, М, 1985.
  2. Э.А. Мелвин-Хьюз. Физическая химия. В 2-х томах, ИЛ, М., 1962.
  3. Л. Страйер. Биохимия, в 3-х томах. Мир, М., 1984, 1985.
  4. А.Н.Тихонов.  Вращающиес моторы живой клетки. Соровский образовательный журнал № 6, 1999, стр.8-16.
  5. Т. Уэй. Физические основы молекулярной биологии. Изд. дом «Интеллект».  Долгопрудный, 2010.
  6. Л. Хенч, Д. Джонс. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей. М.:Техносфера, 2007.
  7. Ю.В. Шаталин.  Комплексы флавоноидов с металлами переменной валентности. // Пущино: Фотон-Век, 2010
  8. А.Ройт. Основы иммунологии, "Мир", 1991.
  9. Д.И. Рощупкин, Е.Е. Фесенко, В.И. Новоселов. Биофизика органов, Наука, М, 2001
  10. Б. Глик, Дж. Пастернак.  Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М. Мир, 2002г.
  11. В.Б. Розен Основы эндокринологии. Изд. Высшая школа. 1984г.

9. Материально-техническое обеспечение модуля.

Материально-техническое обеспечение модуля состоит из учебного класса, оснащенного компьютерным проектором. Аспиранты могут пользоваться книжным, журнальным и другими фондами, а также Интернет ресурсами через компьютеры Пущинского филиала научной библиотеки по естественным наукам РАН.

 

   Программа модуля  «Биофизика»  составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направлению подготовки «Биологические науки».

Составила   д.ф.-м.н. Цыганкова И.Г.