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 демонстрирует:
- способность применять в научных исследованиях основные физические и биологические теории и принципы (ПК-1);
- готовность применять методы математического описания и моделирования биологических объектов и процессов;(ПК-2);
- умение анализировать молекулярные структуры и физико-химические свойства низкомолекулярных соединений и биополимеров, входящих в состав биологических объектов (ПК-3);
- готовность использовать в научных исследованиях знания о механизмах преобразования энергии и веществ в биологических системах (ПК-4)
- готовность творчески применять современные методы исследования, способность нести ответственность за качество проведенных экспериментов и научную достоверность результатов (ПК-5);
- готовность применять современные компьютерные технологии при сборе, хранении и анализе биологической информации (ПК-6);
- способность профессионально оформлять и докладывать результаты научных исследований, готовить научные публикации в отечественных и зарубежных изданиях (ПК-7);
4. Структура модуля и виды учебной работы
Объем 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 | зачет |
| 2 | Структура и динамика биомолекул: радиоспектроскопия, термодинамика, кинетика | 3 | 108 | 15 | 93 | зачет |
| 3 | Биофизика клеточных и мембранных процессов | 4 | 144 | 20 | 124 | 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 |
Форма промежуточной аттестации – 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 | |
| № 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 |
2ч | 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. |
2ч | |
| 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. |
2ч | |
| 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. | |
| № 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 | 2ч | |
| 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 | 2ч | 2 ч |
| 3 | Биологическое действие излучений. Принцип попадания, концепция мишени. Первичные и начальные механизмы действия ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками. | 2ч | |
| 4 | Радиационные повреждения клеточных макромолекул. Повреждение и репарации ДНК. Генетические и эпигенетические нарушения. Радиочувствительность организмов. | 2ч | 2 |
| 5 | Радиационное поражение человека зависимое от дозы. Ретроспективные методы оценки лучевых поражений у человека. Использование радиопротекторов и радиомитигаторов | 2ч | |
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
- А.Б. Рубин. Биофизика: в 2 т. 3-е изд. испр. и доп. Изд-во МГУ, 2004
- Биофизика: Для межвузовского использования (под ред. В. Ф. Антонова), 2-е изд., М., 1996
- Б. Албертс, Д. Брей, Дж- Льюис, М. Рэфф, К. Робертс, .Дж- Уотсон. Молекулярная биология клетки. "Мир", М, 1994, т.т. 1-3.
- Биофизика: для межвузовского использования (под ред. В. Ф. Антонова), 2-е изд., М., 1996
- Л.А- Блюменфельд, Проблемы биологической физики. "Наука", М., 1977.
- С.Э. Шноль. Физико-химические факторы биологической эволюции. "Наука". М., 1979.
- Ю.А. Пентин, Л.В. Вилков. Физические методы исследования в химии. // М.: Мир, 2003.
- М.В. Волькенштейн. Молекулярная биофизика. Наука, М., 1975.
- Ч. Кантор, П. Шиммел. Биофизическая химия. Мир, М., 1984.
- Дж-А. Кемпбел. Почему проходят химические реакции? Мир, М, 1967.
- С. Бенсон. Основы химической кинетики. Мир, М., 1964.
- В.П. Скулачев. Энергетика биологических мембран. Наука, М., 1989.
- В.Г. Ивков, Г.Н. Берестовский. Липидный бислой биологических мембран. М., 1982.
- В.Ф. Антонов. Е.Ю. Смирнова, Е.В. Шевченко. Липидные мембраны при фазовых превращениях. Наука, М. 1992.
- Д Дж. Николс. Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию. Мир, М., 1985.
- О.А. Барсуков, К.А. Барсуков. Радиационная экология. М. Научный мир, 2003
- Д.А. Белоус. Радиация, биосфера, технология. СПб, изд-во ДЕАН, 2004.
- B.Н. Бинги. Магнитобиология. Эксперименты и модели. М., Милта, 2002.
- Ю.А. Владимиров, А.Я. Потапенко. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М., Высш. шк., 1989.
2.Дополнительная литература
- Э.А. Мелвин-Хьюз. Физическая химия. В 2-х томах, ИЛ, М., 1962.
- А.Н.Тихонов. Вращающиес моторы живой клетки. Соровский образовательный журнал № 6, 1999, стр.8-16.
- Т. Уэй. Физические основы молекулярной биологии. Изд. дом «Интеллект». Долгопрудный, 2010.
- Л. Хенч, Д. Джонс. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей. М.:Техносфера, 2007.
- Ю.В. Шаталин. Комплексы флавоноидов с металлами переменной валентности. // Пущино: Фотон-Век, 2010
- Д.И. Рощупкин, Е.Е. Фесенко, В.И. Новоселов. Биофизика органов, Наука, М, 2001
- Б. Глик, Дж. Пастернак. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М. Мир, 2002г.
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 03.06.01 «Физика и астрономия».
Составила д.ф.-м.н. Цыганкова И.
