Биофизика

Биофизика (биологическая физика) — наука о физических и физико-химических механизмах взаимодействий, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Её возникновение было стимулировано и подготовлено физиологией и биохимией, а само становление и развитие проходило при тесном взаимодействии биологии с физикой, физической химией и математикой.

Цель данного курса лекций заключается в обучении слушателей пониманию сути ряда результатов использования методов и понятий физики, химии и математики в биологии клетки, что позволит лучше представить механизмы функционирования целого организма. Действительно, возникновение биофизики во многом связано с конкретными вопросами, поставленными физиологией. Физиология исследует функции органов, место и роль этих функций в обеспечении жизнедеятельности, в то время как биофизика изучает первичные механизмы, лежащие в основе этих физиологических функций.

Надеемся, что данный курс лекций позволит слушателям не только выучить основные понятия и методы биофизики, но и использовать полученные знания в своей будущей профессии как в области оригинальных научных исследований, так и в области нанобиотехнологии, медицинского и научного приборостроения, фармакологии, психологии и экологии.

Форма обучения заочная (дистанционная).

Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видеолекций и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов.

Важным элементом изучения дисциплины является написание творческих работ в формате сочинения-рассуждения по заданным темам, которое должно содержать полные, развернутые ответы, подкреплённые примерами из лекций и/или личного опыта, знаний или наблюдений.

Раздел 1. Молекулярная биофизика.

Лекция № 1.

• Часть 1. Специфика биологических молекул. Явления гравитации и инерции для биологических молекул.
• Часть 2. Специфика биологических молекул. Взаимодействие атомов и молекул.
• Часть 3. Термодинамика биосистем.

Лекция № 2.

• Часть 1. Физические взаимодействия в биологических молекулах (ковалентные и не ковалентные взаимодействия, водородные связи, гидрофобные взаимодействия.
• Часть 2. Водородные связи. Роль молекул воды для функционирования биологических молекул.

Лекция № 3.

• Часть 1. Аминокислоты, классификация аминокислот.
• Часть 2. Белки - первичная структура; вторичная структура белка; третичная структура белка; четвертичная структура белка. Фолдинг молекулы белка.
• Часть 3. Фолдинг и денатурация белка.

Лекция № 4.

• Часть 1. Нуклеиновые кислоты, структура и функции 1.
• Часть 2. Нуклеиновые кислоты, структура и функции 2.

Лекция № 5. Сахара, углеводы, структура и функции.

Лекция № 6.

• Часть 1. Биофизические механизмы ферментативного катализа.
• Часть 2. Электронно-конформационные взаимодействия молекул белка при ферментативном катализе.
• Часть 3. Стабилизация ферментами переходного состояния химических реакций. Первичные механизмы ферментативных реакций.
• Часть 4. Кинетика ферментативных реакций; регуляция ферментативной активности (температура, рН).
• Часть 5. Регуляция ферментативных реакций.

Лекция № 7.

• Часть 1. Биофизика трансформации энергии: митохондрии и хлоропласты. Клеточное дыхание.
• Часть 2. Митохондрии.
• Часть 3. Биофизика трансформации энергии: митохондрии и хлоропласты. Клеточное дыхание.
• Часть 4. Фотосинтез; фотосистемы и компоненты цепи переноса электронов в митохондрии.

Раздел 2. Биофизика клетки.

Лекция № 8. 

• Потенциал покоя и потенциал действия в клетках. Мембрана. Состав и свойства. Методы исследования мембран.

Лекция № 9. Биофизика транспорта ионов. Электро-химическим потенциал. Пассивный и активный транспорт ионов; Возбудимые и не возбудимые мембраны. Распространение возбуждения в клетках.

Лекция № 10.

• Часть 1. Биоэлектрические потенциалы. Уравнение Нернста и уравнение постоянного поля Гольдмана-Ходжкина-Катца. Пассивные свойства мембраны.
• Часть 2. Потенциал покоя и потенциал действия в клетках.

Раздел 3. Биофизика сложных систем.

Лекция № 11.

• Часть 1. Молекулярные механизмы сокращения мышцы.
• Часть 2. Строение и свойства актина и миозина. Механизмы регуляции мышечного сокращения. Миозиновый и актиновый механизм регуляции мышечного сокращения
• Часть 3. Электромеханическое сопряжение в мышцах. Механика мышечного сокращения.

Лекция № 12.

• Часть 1. Биофизика рецепции. Передача сигнала в фоторецепторных клетках.
• Часть 2. Биофизика транспорта макромолекул. Свободнорадикальные процессы.
• Часть 3. Воздействие электромагнитных излучений. Действие радиации 1.
• Часть 4. Воздействие электромагнитных излучений. Действие радиации 2.

По итогам обучения слушатели курсов должны:
а) в предметной области:

• знать основные физико-химические принципы формирования и функционирования биологических молекул (нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы);
•  знать основы функционирования биологических молекул в клеточных процессах (мембранология, биоэнергетика, генерация клеточного возбуждения и сокращения, рецепция);
• знать основы функционирования биологических молекул в процессах биосенсорики (зрение, слух) и действия факторов внешней среды (электромагнитные поля, радиация);

б) в методической области:

• знать методы исследования физико-химических изменений в биологических молекулах (электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, спектрофотометрия, флуоресценция, спектроскопия комбинационного рассеяния, инфракрасная спектроскопия и т.д.);
• знать методы исследования физико-химических превращений биологических молекул в функционирующей клетке (микроэлектродные методы, изотопные методы, микроскопия: атомно-силовая микроскопия, электронная микроскопия, конфокальная микроскопия, лазерно-интерференционная микроскопия и т.д.);
• знать параметры и молекулярные механизмы действия электромагнитного излучения, радиации и экстремальных факторов ( температура, гравитация и т.д.);
• знать основные понятия цитологии клеток, методы их культивирования и диагностики для разработки биофизических основ нанобиотехнологии;

в) в личностной области:

• понимать роль биофизики в исследовании молекулярных аспектов жизни человека и окружающей среды, использовать достижения биофизики в развитии научного и медицинского приборостроения, фармакологии и экологии.