Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности Биофизика

(03.00.02)

ВВЕДЕНИЕ.

Предмет биофизики. Взаимоотношение биофизики с биологией, физикой, химией.

Методические проблемы биофизики. История развития биофизики.

ТЕРМОДИНАМИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ.

Биосистемы как термодинамические системы. Роль энергетических процессов. Основные

этапы преобразования энергии в биосфере. Первый закон термодинамики и его

применимость к биосистемам. Колориметрия как метод исследования биологических процессов. Интенсивность метаболизма. Теплообмен. Второй закон термодинамики и направление биологических процессов. Процессы обратимые и необратимые. Равновесное состояние. Свободная энергия и работа. Эффективность биоэнергетических процессов.

Энергетическое загрязнение окружающей среды. Статистический смысл энтропии.

Энтропия и упорядоченность. Антиэнтропийные свойства биологических система, их количественная оценка. Принцип устойчивого неравновесия Бауэра. Основные положения термодинамики необратимых процессов – постулаты Онзагера. Сопряженные процессы.

Стационарное состояние. Направление эволюции открытых систем – теорема Пригожина и попытки ее использования для описания развития биосистем. Проблема самоорганизации – возникновения высокоупорядоченных живых систем – с позиций линейной термодинамики. Нелинейные процессы и диссипативные системы. Понятие об устойчивости системы. Упорядоченность равновесная и динамическая, пространственная и временная.

БИОКИБЕРНЕТИКА.

Энергетическое и информационное взаимодействие. Биосистема как информационная система. Сигналы. Кодирование. Оптимальны коды. Универсальная схема связи, измерение количества информации. Энергетическая стоимость информационного процесса. Информация как мера упорядоченности биосистем. Связь информации и энтропии. Понятие о ценности информации. Неизбыточная информация как характеристика ее ценности. Значение рецептора информации. Проблема возникновения информации при самоорганизации живых систем. Структура информационных систем, их типы. Понятие обратной связи. Системы управления, их элементы и обобщенная структура, типы систем управления – внутренние и внешние, открытые и замкнутые.

Основные понятия теории управления. Функциональные системы организма. Специфика биологических систем управления. Сенсорные системы и их роль. Проблема распознавания образов. Моделирование биосистем. Логические модели управления – на клеточном, органном, организменном и экологическом уровнях. Понятие о математических моделях. Динамические системы. Принцип простоты. Качественные методы исследования систем. Физическое моделирование живых систем. АВМ и ЦВМ как универсальные физические модели. Проблемы искусственного интеллекта. Эвристическое моделирование мышления. Технические системы восприятия изображений роботами.

Перспективы робототехники. Нейробиологический подход к конструированию роботов и вычислительных систем.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА.

Теоретические основы формирования пространственной структуры макромолекул.

Физико-химические характеристики полимерных цепей. Молекулярная масса и молекулярно массовое распределение. Различные типы средней молекулярной массы.

Внутреннее вращение в полимерных цепях. Основные конформации макромолекул:

статистический клубок, жесткие спирали и глобулы. Моделирование пространственной структуры макромолекул. Основные результаты статистической теории полимерных цепей. Размеры, форма, плотность, гибкость (равновесная и кинетическая) полимерной цепи. Особенности растворов макромолекул. Энтропийный характер растворения, неидеальность растворов, влияние растворителя на конформацию макромолекулы.

Физические основы некоторых методов изучения размеров, формы, гибкости макромолекул в растворе (вязкость, диффузия, седиментация). Влияние невалентных взаимодействий на конформацию макромолекул (Н-связь, гидрофобные, электростатические взаимодействия). Конформационные особенности макромолекул полиэлектролитов.

Общие сведения о вторичной структуре биологических макромолекул (белков, нуклеиновых кислот). Особенности строения цепей биомакромолекул. Факторы, воздействующие на структуру биомакромолекул. Уровни структурной организации биологических макромолекул. Первичная структура белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Структурные формы молекул синтетических гомополипептидов в растворе ( спираль, -структура, клубок) и доказательства их существования в растворе методами рентгенографии, изотопного обмена. Вторичная структура ДНК и РНК. Различные (структуры) формы двойной спирали ДНК.

Основы некоторых методов изучения структуры биологических макромолекул и их моделей Использование ИК-спектроскопии для изучения вторичной структуры полипептидов и белков (спектры поглощения и дихроизм в ИК-области). УФспектроскопия полипептидов, белков и нуклеиновых кислот как метод исследования конформации. Гиперхронизм ДНК и белков и его использование для определения степени спиральности. Оптическая активность как метод изучения конформационных переходов спираль-клубок в полипептидах и ДНК. Применение метода для определения степени спиральности белков. Дисперсия оптической активности (ДОА) и круговой дихроизм (КД). Использование ДОА для изучения переходов спираль-клубок в полипептидах и определение степени спиральности белков. Спектры КД и определение трех структурных форм в белках и двойной спирали ДНК. Изучение подвижности в биологических молекулах и их моделях методами ЯМР, ЭПР и люминесценции.

Пространственная структура белков. Макромолекулярные свойства ДНК.

Денатурация ДНК. Влияние различных факторов (нуклеотидного состава, ионной силы, рН) на плавление ДНК. Денатурация ДНК и полинуклеотидов. Нативная и денатурированная ДНК как полиэлектролит. Дезоксирибонуклеопротеидные комплексы (ДНП). Состав ДНП и конформации его компонентов (ДНК и гистонов). Данные о конформации ДНП в растворе.

ФОТОБИОЛОГИЯ.

Основные фотобиологические процессы и их общая характеристика. Основные биопигменты, их структура, спектры поглощения в связи со структурой молекул. Спектры действия и определение фоторецептора. Возбужденное состояние пигмента и пути его дезактивации. Естественное время жизни возбужденного состояния и его связь с эффективностью поглощения. Пути растраты энергии возбужденного состояния.

Квантовый выход, его определение. Люминесценция, ее законы и роль в фотопроцессах.

Флуоресценция и фосфоресценция. Фотохимические процессы – фотовосстановление, фотоокисление, фотоизомеризация, фоторазложение. Фотосенсибилизация.

Фотодинамическое действие. Действие УФ на белки и НК. Фотоактивация биологических систем. Ферментативная фотоактивация. Биофизические аспекты фотосинтеза – состав и структура фотосинтетической единицы. Сопряжение процессов фотовозбужедения с последующими звеньями фотосинтеза. Полимодальность хромофоров, пути миграции энергии в фотосинтетической единице, первичная стабилизация энергии возбуждения, состав и механизмы функционирования электрон-транспортной цепи, роль мембранных структур. Начальные этапы взаимодействия кванта света с родопсином зрительных фоторецепторов и бактериородопсином. Молекулярные механизмы фототропизма, фотопериодизма, фототаксиса, биолюминесценции.

ДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ.

Действие ионизирующей радиации. Первичные процессы поглощения ионизирующих излучений. Относительная биологическая эффективность различных видов излучений.

Первичные физико-химические процессы, приводящие к инактивации молекул. Прямое и непрямое действие. Действие излучений на клетку. Концепция мишени. Радиопротекторы.

Электромагнитные поля, их основные характеристики. Действие электромагнитных полей на субклеточные структуры, клетки и организмы, возможные механизмы действия.

Магнитное поле и его действие на организм. Возможные механизмы рецепции магнитного поля. Температура и ее влияние на биологические процессы. Высокое давление и механизмы его влияния на биообъекты. Ультразвук, его характеристики. Действующие факторы ультразвукового поля. Ультразвуковая эхолокация.

БИОМЕХАНИКА.

Основные понятия сплошных сред. Пассивные механические характеристики биологических тканей, их специфика. Молекулярная структура сократительного аппарата мышечных волокон. Феноменология и термодинамика мышечного сокращения. Теория скользящих нитей и ее экспериментальное обоснование. Кинетическая теория мышечного сокращения. Немышечные формы подвижности и их молекулярные основы. Динамика кровообращения. Реология крови. Сосудистое русло как гидравлическая сеть. Общие физико-математические закономерности движения крови по кровеносному руслу.

Проявление реологических особенностей крови в различных отделах системы кровообращения. Модели кровеносной системы. Ходьба и бег. Гидродинамика плавания и аэродинамика полета. Энергетика локомоции. Способы повышения эффективности локомоции в живых системах.

БИОФИЗИКА МЕМБРАН.

Структурная организация и состав биологических мембран. Мембранные липиды.

Химические свойства. Состав липидов бактерий. Липиды эукариотов. Липиды вирусов.

Жирнокислотный состав мембранных липидов. Липиды мембран опухолевых клеток.

Поведение липидов в воде. Взаимная упаковка холестерина и фосфолипидов. Состав и структура мембранных белков.