БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Биологический факультет
Кафедра биохимии
СОГЛАСОВАНО
Председатель учебно-методической
комиссии биологического факультета
Поликсенова В.Д.
СОГЛАСОВАНО
Декан
биологического факультета
Лысак В.В.
.
«
»
.
2013 г.
«
»
2013 г.
Регистрационный номер № УД-40
. .
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
Биофизика
для специальностей
1-31 01 01 Биология (по направлениям)
1-31 01 02 Биохимия
1-33 01 01 Биоэкология
Составитель: канд. биол. наук, доцент Новиков Д.А.
Рассмотрено и утверждено
на заседании
Научно-методического совета БГУ
«
»
протокол №
2013 г.
.
2
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Кафедра:
Кафедра
биотехнологии
и биоэкологи учреждения образования
«Белорусский государственный технологический университет»
Специалист:
Научный сотрудник ГНУ «Институт биоорганической химии НАН
Белоруссии», к.б.н. А. Янцевич
3
СОДЕРЖАНИЕ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
4
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
5
2. ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
5
3. КОНТРОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
6
Структура рейтинговой системы
6
Задания и тесты для самоконтроля
6
Темы рефератов
6
Вопросы для подготовки к экзамену
7
4. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ
11
Учебно-программные материалы
11
Список рекомендуемой литературы и Интернет-ресурсов
12
4
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Учебно-методический комплекс (УМК) по учебной дисциплине
«Биофизика» создан в соответствии с требованиями Положения об учебнометодическом комплексе на уровне высшего образования и предназначен для
студентов специальностей 1-31 01 01 Биология (по направлениям), 1-31 01 02
Биохимия и 1-33 01 01 Биоэкология. Содержание разделов УМК соответствует
образовательным стандартам высшего образования данных специальностей.
Главная цель УМК – оказание методической помощи студентам в
систематизации учебного материала в процессе подготовки к итоговой
аттестации по курсу «Биофизика».
Структура УМК включает:
1. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
1.1. Теоретический раздел (учебное издание для теоретического изучения
дисциплины в объеме, установленном типовым учебным планом по
специальности).
1.2. Практический раздел (материалы для проведения лабораторных
занятий по дисциплине в соответствии с учебным планом).
2. Контроль самостоятельной работы студентов (материалы текущей и
итоговой аттестации, позволяющие определить соответствие учебной
деятельности обучающихся требованиям образовательных стандартов высшего
образования и учебно-программной документации, в т.ч. вопросы для
подготовки к экзамену, задания, тесты, вопросы для самоконтроля, тематика
рефератов и др.).
3. Вспомогательный раздел.
3.1. Учебно-программные материалы (типовая учебная программа, учебные
программы (рабочий вариант) для студентов дневной и заочной форм получения
образования).
3.2. Информационно-аналитические материалы (список рекомендуемой
литературы, перечень электронных образовательных ресурсов и их адреса и др.).
Работа с УМК должна включать на первом этапе ознакомление с
тематическим планом дисциплины, представленным в типовой учебной
программе. С помощью рабочего варианта учебной программы по дисциплине
можно получить информацию о тематике лекций и лабораторных занятий,
перечнях рассматриваемых вопросов и рекомендуемой для их изучения
литературы. Для подготовки к лабораторным занятиям и промежуточным
зачетам необходимо, в первую очередь, использовать материалы,
представленные в разделе учебно-методическое обеспечение дисциплины, а
также материалы для текущего контроля самостоятельной работы. В ходе
подготовки к итоговой аттестации рекомендуется ознакомиться с требованиями
к компетенциям по дисциплине, изложенными в типовой учебной программе,
структурой рейтинговой системы, а также перечнем вопросов к экзамену. Для
написания рефератов могут быть использованы информационно-аналитические
материалы, указанные в соответствующем разделе УМК.
5
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
Учебное пособие для студентов биологических специальностей
учреждений, обеспечивающих получение высшего образования
Новиков Д.А., Филимонов М.М. Биофизика (курс лекций), часть 1
Термодинамика биологических процессов, Молекулярная биофизика /
учебное
пособие
для
студентов
биологических
специальностей
университетов. Мн.: Издательский центр БГУ, 2010. - 196 с.
Новиков Д.А., Филимонов М.М. Биофизика (курс лекций), часть 2
Фотофизические процессы в молекулах. Физические методы в биологии /
учебное
пособие
для
студентов
биологических
специальностей
университетов. Мн.: Издательский центр БГУ, 2012. - 180с.
доступно по адресу http://elib.bsu.by/handle/123456789/30407
В учебном пособии изложен широкий спектр вопросов, изучаемых
современной биофизикой: термодинамика, молекулярная биофизика, транспорт
веществ через биологические мембраны, биофизика нервного импульса,
кинетика биологических процессов, биофизика фотобиологических процессов.
Кратко описаны основные физические методы, применяемые для изучения
биологических объектов. Предназначено для студентов биологических
специальностей учреждений, обеспечивающих получение высшего образования.
Особое внимание уделено вопросам, имеющим непосредственное отношение к
практической и научной деятельности биологов.
2. ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
Учебно-методические пособия:
Проницаемость клеток и тканей: методические рекомендации к
лабораторным занятиям и контроль самостоятельной работы студентов / Авт.сост. Новиков Д.А., Филимонов. – Мн.: БГУ, 2006. – 50 с.
Доступно по адресу http://elib.bsu.by/handle/123456789/15410
В учебно-методическом пособии приводятся рекомендации по выполнению
лабораторных заданий по разделу «Проницаемость клеток и тканей», а также
формы контроля самостоятельной работы студентов.
Поверхностное натяжение биологических жидкостей: методические
рекомендации к лабораторным занятиям и контроль самостоятельной работы
студентов / Авт.-сост. Новиков Д.А., Филимонов. – Мн.: БГУ, 2007. – 50 с.
Доступно по адресу http://elib.bsu.by/handle/123456789/15405
В учебно-методическом пособии приводятся рекомендации по выполнению
лабораторных заданий по разделу «Поверхностное натяжение», а также формы
контроля самостоятельной работы студентов.
6
3. КОНТРОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Структура рейтинговой системы
Структура рейтинговой системы приведена в учебной программе (рабочий
вариант) по дисциплине «Биофизика» по специальностям 1-31 01 01 Биология
(по направлениям) и 1-33 01 01 Биоэкология для студентов дневной формы
обучения, которая доступна по адресу
http://elib.bsu.by/handle/123456789/17369
Задания и тесты для самоконтроля
Задания для контроля самостоятельной работы студентов доступно по
адресу http://elib.bsu.by/handle/123456789/
Темы рефератов
1. Биологические и физические процессы и закономерности в живых
системах.
2. Внутренняя энергия, теплота и работа, как термодинамические
функции.
3. Доказательства применимости второго закона термодинамики к
биосистемам.
4. Теорема И. Пригожина и направленность эволюции биосистем.
Энтропия и биологический прогресс.
5. Применение термодинамики в биологии: методы расчета стандартной и
реальной свободной энергии биохимических процессов.
6. Типы аккумуляции и пути расходования энергии в биосистемах.
7. Термодинамика полного окисления глюкозы. Расчет эффективности
(КПД) биологического окисления глюкозы.
8. Современное представление о строении и переносе электронов в
дыхательной цепи митохондрий.
9. Биофизика фотосинтеза: физическая и физико-химическая стадии,
квантовый выход, квантовый расход. Расчет КПД.
10. Принцип обратной связи и лимитирующего звена (определяющей
реакции) и их роль в регуляции скоростей протекания биологических процессов.
11. Кинетика ингибирования ферментативных реакций. Обратимое и
необратимое ингибирование. Типы обратимого ингибирования.
12. Физические модели НК. Методы изучения ДНК и РНК.
13. Осмотическое давление биологических жидкостей, его измерение и
биологическое значение.
14. Поверхностное натяжение воды и биологических жидкостей, его
измерение.
15. Развитие представлений о строении биомембран; типы моделей
мембран, их научное значение.
7
16. Искусственные мембраны, их строение, классификация, теоретическое и
практическое значение. Отличие от природных мембран.
17. Проблема проницаемости и транспорта веществ через биомембраны.
Методы исследования проницаемости.
18. Активный транспорт молекул и ионов через биомембраны, его
характеристика, свойства и функции.
19. Проницаемость клеток для воды, электролитов и неэлектролитов.
Физиологическая роль и практическое значение диффузии.
20. Сходства и отличия активного транспорта и облегченной диффузии
веществ через биомембраны.
21. Биоэлектрические явления: общая характеристика, классификация.
22. Электрокинетический потенциал: возникновение, измерение и факторы,
определяющие его величину.
23. Биофизическая
характеристика
мышечных
и
немышечных
сократительных белков.
24. Молекулярные механизмы мышечного сокращения, его регуляция.
25. Основные особенности строения немышечных сократительных систем.
Молекулярный механизм их подвижности.
Вопросы для подготовки к экзамену
1. Биофизика, как самостоятельная научная дисциплина. Предмет и задачи
современной биофизики.
2. Биологические и физические процессы и закономерности в живых
системах. Редукционизм и антиредукционизм. Принцип качественной
несводимости.
3. Основные направления развития современной биофизики. Уровни
биофизических исследований.
4. Термодинамика, как ядро современной биофизики. Предмет и задачи
биологической термодинамики. Практическое значение термодинамики в
биофизических исследованиях.
5. Классификация термодинамических систем; особенности живых
организмов, как термодинамических систем.
6. Характеристика термодинамических функций, применяемых для
анализа биологических процессов.
7. Внутренняя энергия, теплота и работа, как термодинамические
функции.
8. Первый закон термодинамики в биологии; доказательства его
применимости к живым системам. Своеобразие проявления первого закона
термодинамики в биосистемах.
9. Характеристика энтальпии системы как функция состояния. Тепловой
эффект процесса.
10. Закон Гесса, его применимость к биопроцессам. Следствие закона Гесса,
его практическое значение.
8
11. Формулировка второго закона термодинамики. Своеобразие проявления
второго закона термодинамики в биосистемах.
12. Энтропия как функция состояния системы. Связь энтропии с
термодинамической вероятностью состояния системы.
13. Уравнение второго закона термодинамики. Понятие свободной и
связанной энергии.
14. Доказательства применимости второго закона термодинамики к
биосистемам.
15. Теория Онзагера. Гетерогенность энтропии в биосистемах. Уравнение
второго закона термодинамики для открытых систем.
16. Стационарное состояние живых термодинамических систем, его
отличия от термодинамического равновесия; баланс энтропии и свободной
энергии. Условия перехода живых систем на новый стационарный уровень.
17. Теорема И. Пригожина и направленность эволюции биосистем.
Энтропия и биологический прогресс.
18. Организм и клетка как химическая машина. Химический потенциал
живой системы.
19. Критерии спонтанности, самопроизвольности протекания процессов в
термодинамических системах.
20. Применение термодинамики в биологии: методы расчета стандартной и
реальной свободной энергии биохимических процессов. Свободная энергия
Гиббса и Гельмгольца.
21. Потенциал переноса атомных группировок в различных трансферазных
реакциях.
22. Понятие о макроэргической связи. Характеристика АТФ как
универсального аккумулятора энергии в биосистемах.
23. Причины высоких значений потенциала переноса при гидролизе ди- и
полифосфатов. Разнообразие макроэргических соединений в биосистемах.
24. Типы энергетического обмена в биосистемах.
25. Типы аккумуляции и пути расходования энергии в биосистемах.
Термодинамическое сопряжение экзэргонической и эндэргонической стадий
биопроцессов; привести примеры.
26. Термодинамическая характеристика анаэробного распада глюкозы.
Расчет КПД.
27. Термодинамическая характеристика окисления пировиноградной
кислоты в цикле Кребса. Расчет КПД.
28. Термодинамика полного окисления глюкозы. Расчет эффективности
(КПД) биологического окисления глюкозы.
29. Этапы унификации энергетических субстратов в процессах
катаболизма.
30. Энергетическая сущность явления окислительного фосфорилирования.
Коэффициент фосфорилированияф (Р/О).
31. Современное представление о строении и переносе электронов в
дыхательной цепи митохондрий.
9
32. Современные представления о механизме сопряжения окисления и
фосфорилирования в биосистемах.
33. Разнообразие механизмов образования АТФ и их вклад в энергетику
клетки.
34. Различные типы электронтранспортных путей в живых организмах. Их
роль в биоэнергетике клетки.
35. Биофизика фотосинтеза: физическая и физико-химическая стадии,
квантовый выход, квантовый расход. Расчет КПД.
36. Элементарные кинетические уравнения. Скорость реакции. Константа
равновесия обратимой реакции.
37. Факторы, определяющие скорость реакций биологических процессов.
38. Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ.
Молекулярность реакций. Порядок реакций.
39. Различия скоростей превращения вещества в реакциях различного
порядка.
40. Особенности
кинетики
биологических
процессов.
Кинетика
последовательно- и параллельно-протекающих реакций в многостадийном
процессе.
41. Принцип обратной связи и лимитирующего звена (определяющей
реакции) и их роль в регуляции скоростей протекания биологических процессов.
42. Зависимость скорости процесса от температуры. Анализ уравнения
Аррениуса.
43. Энергия
активации
реакции
(процесса).
Экспериментальной
определение величины энергии активации.
44. Особенности кинетики ферментативных реакций. Понятие об
активности ферментов. Единицы измерения активности и количества фермента.
45. Основные положения теории ферментативной кинетики и общей теории
механизма действия ферментов.
46. Вывод и анализ уравнения Михаэлиса-Ментен для односубстратной
ферментативной реакции.
47. Графический анализ результатов кинетического исследования
ферментативной реакции (V0, число “оборотов”, Vmax, Km).
48. Физический
смысл
основных
кинетических
характеристик
ферментативной реакции (Vmax, Km).
49. Использование уравнения Лайнуивера-Берка для определения
кинетических характеристик ферментативной реакции.
50. Кинетика ингибирования ферментативных реакций. Обратимое и
необратимое ингибирование. Типы обратимого ингибирования.
51. Графический анализ конкурентного ингибирования по уравнению
Лайнуивера-Берка.
52. Графический анализ неконкурентного ингибирования по уравнению
Лайнуивера-Берка.
53. Определение и физический смысл константы ингибирования (Ki)
ферментативных реакций.
10
54. Предмет и задачи молекулярной биофизики. Методы исследования.
55. Биополимеры как основа организации биоструктур; особенности
строения, функции биологических макромолекул.
56. Типы
взаимодействия
в
биополимерах,
их
биофизическая
характеристика.
57. Факторы стабильности пространственной структуры биологических
макромолекул.
58. Биофизика белков: строение полипептидной цепи, разнообразие типов
пространственной структуры молекул.
59. Физические свойства белков. Денатурация и ренатурация: механизм,
качественная и количественная характеристика, биологическая роль.
60. Биофизика нуклеиновых кислот (НК): строение полипептидной цепи,
особенности пространственной структуры.
61. Физические модели НК. Методы изучения ДНК и РНК.
62. Физические свойства НК. Денатурация и ренатурация: механизм,
качественная и количественная характеристика, биологическая роль. Метод
молекулярной гибридизации НК.
63. Осмотическое давление биологических жидкостей, его измерение и
биологическое значение.
64. Поверхностное натяжение воды и биологических жидкостей, его
измерение; влияние поверхностно активных веществ на величину
поверхностного натяжения; биологическая роль.
65. Развитие представлений о строении биомембран; типы моделей
мембран, их научное значение.
66. Биофизическая характеристика молекулярных компонентов мембран:
белков, липидов, углеводов и их комплексов.
67. Вода как составной компонент биомембран: структура, свойства,
биологическая роль.
68. Типы межмолекулярных взаимодействий в мембранах, их природа и
роль в стабилизации мембранных структур.
69. Физические свойства биомембран. Подвижность компонентов
мембраны (вращательное движение, латеральная и вертикальная диффузия).
70. Фазовые переходы в мембранах; факторы, инициирующие фазовые
переходы мембран. Жидкие кристаллы в структуре мембран, их свойства.
71. Биофизическая характеристика мембранных липидов: строение,
свойства, классификация
72. Искусственные мембраны, их строение, классификация, теоретическое и
практическое значение. Отличие от природных мембран.
73. Монослой на границе раздела фаз. Липосомы и протеолипосомы.
Бислойные липидные мембраны.
74. Проблема проницаемости и транспорта веществ через биомембраны.
Методы исследования проницаемости.
75. Классификация и краткая характеристика типов транспорта веществ
через биомембраны.
11
76. Диффузия как тип транспорта веществ через биомембраны; скорость и
движущие силы диффузии. Закон Фика.
77. Проницаемость клеток для воды, электролитов и неэлектролитов.
Физиологическая роль и практическое значение диффузии.
78. Облегченная диффузия и транслокация радикалов как типы транспорта
веществ через биомембраны; движущие силы, механизмы, биологическая роль.
79. Активный транспорт молекул и ионов через биомембраны, его
характеристика, свойства и функции.
80. Сходства и отличия активного транспорта и облегченной диффузии
веществ через биомембраны. Доказательства наличия активного транспора в
условиях in vitro.
81. Транспортные АТФ-азы, их классификация и роль в активном
транспорте ионов. Представление о бионасосах.
82. Транспорт ионов кальция через биомембраны, его механизмы,
регуляция и биологическая роль.
83. Биоэлектрические явления: общая характеристика, классификация.
84. Механизм возникновения электродных и ионных биопотенциалов, их
измерение. Формула Нернста.
85. Мембранный потенциал и факторы, определяющие его величину.
Передача нервного импульса по миелиновым и немиелиновым нервным
волокнам.
86. Электрокинетический потенциал: возникновение, измерение и факторы,
определяющие его величину. Примеры электрокинетических явлений, их
характеристика и научно-практическое значение.
87. Общая характеристика механохимических процессов. Основные типы
сократительных и подвижных систем.
88. Биофизическая
характеристика
мышечных
и
немышечных
сократительных белков.
89. Основные характеристики поперечно полосатой мышцы как
механического преобразователя энергии; структура саркомеров, ее изменение
при мышечном сокращении.
90. Молекулярные механизмы мышечного сокращения, его регуляция.
Основные особенности строения немышечных сократительных систем.
4. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ
Учебно-программные материалы
Типовая учебная программа по дисциплине «Биофизика» для учреждений
высшего образования по специальностям 1-31 01 01 Биология (по направлениям)
и 1-33 01 01 Биоэкология доступна по адресу
http://elib.bsu.by/handle/123456789/14987
12
Типовая учебная программа по дисциплине «Биофизика» для учреждений
высшего образования по специальности 1-31 01 02 Биохимия доступна по адресу
http://elib.bsu.by/handle/123456789/14987
Учебная программа (рабочий вариант) по дисциплине «Биофизика» по
специальностям 1-31 01 01 Биология (по направлениям) и 1-33 01 01
Биоэкология для студентов дневной формы обучения доступна по адресу
http://elib.bsu.by/handle/123456789/17369
Учебная программа (рабочий вариант) по дисциплине «Биофизика» по
специальностям 1-31 01 01 Биология (по направлениям) и 1-33 01 01
Биоэкология для студентов заочной формы обучения доступна по адресу
http://elib.bsu.by/handle/123456789/17369
Список рекомендуемой литературы и Интернет-ресурсов
Список рекомендуемой литературы и Интернет-ресурсов приведен в
учебных программах (рабочий вариант) по дисциплине «Биофизика» для
студентов дневной и заочной форм обучения, которые доступны по адресам:
http://elib.bsu.by/handle/123456789/14987
http://elib.bsu.by/handle/123456789/17369
