Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

УТВЕРЖДАЮ

Декан ФМФ

В.К. Иванов

«_» _ _ г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Современные проблемы биофизики Кафедра-разработчик Биофизика Направление (специальность) подготовки 011200 Физика Наименование ООП Квалификация (степень) выпускника Магистр Образовательный стандарт Федеральный ГОС Форма обучения очная Соответствует ФГОС ВПО.

Утверждена протоколом заседания кафедры Биофизика № 2 от 17.05. Программу в соответствии с ФГОС ВПО разработали:

кхн О.А. Вострюхина 1. Цели и результаты изучения дисциплины 1.1. Цели изучения дисциплины Целью изучения дисциплины «Современные проблемы биофизики» является ознакомление студентов с новыми тенденциями и современными исследованиями в области физики и биофизики, структурной и молекулярной биологии, молекулярной медицины и новыми направлениями исследований в частности, возникшими в последние годы в ведущих научно-исследовательских академических и ведомственных институтах нашего Северо-Западного региона России Дисциплина «Современные проблемы биофизики» направлена на расширение кругозора будущих исследователей и оказания им помощи в выборе направления научной работы в постмагистратурной практике или аспирантуре.

1.2. Результаты обучения (компетенции) выпускника, в формирование которых вносит вклад освоение дисциплины Код Результат обучения (компетенция) выпускника ООП ОК- способностью демонстрировать углубленные знания в области математики и естественных наук ОК- способностью демонстрировать углубленные знания в области гуманитарных и экономических наук ОК- способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять свое научное мировоззрение ПК- способностью свободно владеть фундаментальными разделами физики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своей магистерской программой) ПК- способностью использовать знания современных проблем физики, новейших достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности ПК- способностью использовать свободное владение профессиональнопрофилированными знаниями в области информационных технологий, современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки 1.3. Планируемые результаты освоения дисциплины способность самостоятельно выполнять биофизические исследования при решении научно-исследовательских задач по теме магистерской программы;

-способность планировать, организовывать и проводить научно-исследовательские и производственно-технические работы по теме магистерской программы с применением современной аппаратуры, оборудования и компьютерных технологий;

-способность к самостоятельной научно-исследовательской работе и к обучению новым методам исследования и технологиям;

умение свободно ориентироваться в профессиональной области, использовать знания из разных разделов биофизики;

-способность использовать современные методы обработки и интерпретации биофизической информации при проведении научных исследований.

2. Место дисциплины в ООП Согласно ФГОС ВПО направления 011200 «Физика» (квалификация «магистр») дисциплина «Современные проблемы биофизики» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла М.2.

Дисциплину «Современные проблемы биофизики» студенты изучают в 11-м семестре (шестой год обучения).

Изучение дисциплины «Современные проблемы биофизики» опирается на знания в области биоорганической химии, молекулярной биологии клетки, физической биохимии, метаболической биохимии, экспериментальных методов биофизики, физики белка, освоенные студентами на предшествующих этапах обучения.

Результаты изучения дисциплины «Современные проблемы биофизики»

используются при выполнении НИРС и при подготовке магистерской диссертации.

Курс носит междисциплинарный характер и состоит из лекционного материала и практических занятий.

3. Распределение трудомкости освоения дисциплины по видам учебной работы 3.1. Виды учебной работы в том числе творческая проблемно-ориентированная самостоятельная – работа Общая трудоемкость освоения дисциплины в академических часах: 3.2. Формы контроля 4. Содержание и результаты обучения 4.1. Разделы дисциплины и виды учебной работы Современные проблемы физики и биофизики 1.1. Физические основы методов диагностики твердотельных микрои наноструктур и их применение к исследованию биообъектов 1.2. Принципы работы оптического твизера и его применение в 1.3. Принципы масс-спектрометрии и ее использование для решения задач современной нанобиофизики и биохимии 1.4. Роль ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в определении трехмерной структуры биомакромолекул и получении изображений в Современные проблемы молекулярной биологии и генетики Ионные каналы клеточных мембран: общие принципы организации и методы исследования Современные проблемы молекулярной физиологии и медицины физиологических и биохимических исследованиях 3.4. Моделирование нейродегенеративных заболеваний человека в 2 2 Drosophila melanogaster 4.2. Содержание разделов и результаты изучения дисциплины 1. Современные проблемы физики и биофизики 1.1. 1.1. Физические основы методов диагностики твердотельных микро- и наноструктур и их применение к исследованию биообъектов Курс знакомит с новейшими техниками диагностики поверхностных структур, такими как конфокальная оптическая микроскопия, электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, основанная на сканировании образца чрезвычайно острым (практически атомарных размеров) зондом. Кроме того, в курсе рассмотрены основы методов дифракции рентгеновских лучей, электронов, рассеяния нейтронов. Если оптическая, электронная микроскопия, рентгеновские исследования расширяют наши возможности в получении визуальной информации, то сканирующая зондовая микроскопия аналогична чувству осязания, причем при решении конкретной задачи конструкция и свойства зонда-щупа могут быть выбраны исследователем. Курс иллюстрируется на примерах применений техник в биологии.

1.2. 1.2. Принципы работы оптического твизера и его применение в биологии Оптические твизеры (иначе – «лазерный пинцет») используются для измерения небольших значений сил, порядка пиконьютонов и перемещений объектов микронного и субмикронного размера. С помощью твизера возможно исследование межмолекулярных взаимодействий, при этом предполагается работа с отдельными молекулами или объектами, например исследование связи рецептор-лиганд, взаимодействий молекулярных моторов с филаментами, антиген-антитело, клетки с поверхностью и т.д. Кроме измерения сил, возможно также исследование эластических свойств биомембран, полимеров, сворачивание и разворачивание белков.

Оптические твизеры могут быть использованы в биологии для манипулирования клетками, органеллами, биомолекулами, при этом манипулирование не приводит к видимым повреждениям объектов. Принцип действия оптического твизера основан на световом давлении. С помощью сфокусированного луча лазера создается оптическая ловушка, в которую и захватывается исследуемый объект.

1.3. 1.3. Принципы масс-спектрометрии и Представление о принципах массспектрометрического анализа, методах ее использование для решения задач современной нанобиофизики и биохимии ионизации биополимеров, основных особенностях современных массспектрометров. Умение использовать массМасс-спектрометрия является одним из наиболее мощных аналитических методов анализа структуры биополимеров, определения состава сложных смесей биоорганических веществ и идентификации отдельных веществ в этих смесях. Курс лекций предполагает ознакомление студентов с принципами массспектрометрического анализа, методами ионизации биополимеров, основными особенностями современных массспектрометров и масс-спектрометрических методик, а также причинами погрешностей и ошибок при использовании массспектрометрических методов исследований.

Методы первичной и вторичной обработки масс-спектральной информации. Анализ сверхслабых сигналов, выделение сигнала из фона, алгоритмы разделения мультиплетов масс в масс-спектрах, анализ формы линии.

Современные приборные комплексы: ГХМС, ХЖ-МС, МС-МС, ЭлФ-МС с различными масс-анализаторами, методики масс-спектрометрического анализа изомеров. Сочетание приборных массспектрометрических комплексов с другими приборными методами on line и of line.

1.4. 1.4. Роль ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в определении трехмерной структуры биомакромолекул и получении изображений в медицине История открытия явления магнитного резонанса. Классическое описание ЯМР.

Квантовомеханическое описание ЯМР.

Перенос поляризации РЧ импульсами.

Многомерный ЯМР. 2D-спектроскопия. Nмерная спектроскопия. (N>2) ЯМР и 3хмерные структуры белков. Магнитно резонансная томография и получение изображений в медицине. Томографические методы. Техника МРТ, магнитные поля и градиенты полей. Понятие контраста, разрешения и чувствительности.

Контрастирующие вещества. Способы возбуждения когерентности и выбора среза, скорости сканирования. Последовательности спин-эхо и градиентного эхо. Области применения магнитного резонанса в биологических исследованиях и медицине 2. Современные проблемы молекулярной биологии и генетики 2.1. Ионные каналы клеточных мембран: Понятие о методах измерения концентрации общие принципы организации и методы ионов в клетках флуоресцентными зондами.

исследования Изучение молекулярных основ транспорта Понимание проблемы заболеваний, ионов через плазматическую мембрану представляет одно из фундаментальных направлений клеточной биологии. В курсе анализа ионных каналов.

освещаются следующие проблемы.

Применение метода патч-кламп для исследования ионных каналов в клетках.

Методы измерения концентрации ионов в клетках флуоресцентными зондами.

Введение в статистический анализ записей тока через одиночные каналы. Общие принципы организации и функционирования ионных каналов. Ионные механизмы клеточной сигнализации. Особое внимание уделяется проблеме заболеваний, связанных с патологией ионных каналов. Каналопатии.

Наследственная патология ионных каналов.

Патология Са2+-каналов скелетных мышц.

Патология Са2+-каналов нервных клеток.

Роль депо-зависимого входа Са2+ в различных патологических процессах.

Патология рианодинового рецептора.

Муковисцидоз – «болезнь» хлорного канала.

Ионные каналы в фармакологической индустрии. Новые подходы. Применение микрочипов для экспресс анализа ионных каналов..

2.2. Внутриклеточная сигнализация и везикулярный транспорт Основные принципы организации проведения внешних сигналов, получаемых и каскадной организации передачи сигнала.

клетками в организме и приводящих к реализации клеточных программ пролиферации, дифференцировки, апоптоза, процессов и развитии патологий.

а также с основами пространственной компартментализации таких сигналов. Курс включает в себя углубленное рассмотрение как принципов доменного устройства сигнальных рецепторов и белков и каскадной организации передачи сигнала, так и общие принципы регуляции локализации и сортировки белков и липидов в определенных компартментах клетки.

Особое внимание отводится роли везикулярного транспорта в локализации и инициации сигнальных процессов и развитии патологий. Рассматриваются синдромы, связанные с нарушениями механизмов сортировки (липидозы, или болезни накопления; синдром ХерманскиПудлака); заболевания, вызываемые нарушениями в функционировании компонентов Rab-системы (синдромы Грисцелли, Х-связанной ментальной ретардации, хороидермия); эндоцитоз – путь попадания в клетку многих вирусов и бактерий; фагоцитоз и бактериальные инфекции; стратегии, используемые бактериями для подавления их доставки в лизосомы; судьба холерного токсина после попадания в эндосомы, токсин ботулизма и синаптические SNARE.

2.3. Эволюционный подход к цвету Системы цветового зрения животных чрезвычайно разнообразны и большей частью отличаются от человеческой.

Вероятно также, что и зрительные задачи, для решения которых используется цветовое наконец, в сознании.

зрение, могут быть весьма различны.

Природа цвета не может быть понята без понимания проблем, решаемых цветовым зрением, и учета всего разнообразия способов их решения. Рассмотрение принципиальных способов решения задач цветоразличения в технических устройствах и в природе приводит как минимум к четырем различным определениям понятия «цвет», по мере продвижения от физических свойств объекта к их представлению в зрительной системе и, наконец, в сознании.

Смешение этих определений (а чаще всего отсутствие какого-либо ясного определения) является основным источником возникающих философских проблем.

2.4. Эпигенетический код Фундаментальным вопросом современной биологии является то, каким образом каждая современных методов биофизики, генетики, из клеток организма человека получает, хранит и передает информацию о режиме работы индивидуальных генов в организме. исследователями для разгадки Ответ кроется в физической упаковке ДНК биологических основ эпигенетического кода внутри клеточного ядра. Упаковочный материал, состоящий из гистонов H2A, H2B, H3 и H4, отвечает не только за компактное хранение генетического материала, но и определяет, каким генам в той или иной клетке молчать, а каким – экспрессироваться. Это достигается не только пассивным путем, через ограничения доступа ДНК-связывающих факторов к генам, но и активным путем с помощью привлечения и обмена факторов, связывающихся с самими гистонами. В последнем случае специализированные ферменты химически модифицируют определенные аминокислоты в составе гистонов, генерируя т.н. эпигенетический код. Он-то и передает информацию об экспрессии генов из одного поколения в другое. В лекциях будет дан обзор различных современных методов биофизики, генетики, биохимии, молекулярной биологии и информатики, привлекаемых исследователями для разгадки биологических основ эпигенетического кода.

3. Современные проблемы молекулярной физиологии и медицины 3.1... Современные биофизические методы, используемые в физиологических возможностях современной биологии.

и биохимических исследованиях Для биологических исследований последних изображений. Умение работы на ИФАдесятилетий характерен комплексный анализаторе.

подход с привлечением широкого спектра методик, позволяющих рассмотреть изучаемое явление с разных сторон и проследить функции живых организмов от молекулярных процессов до организма в целом. В настоящее время традиционные физиологические и биохимические исследования успешно дополняются современными методическими возможностями, что позволяет изучать процессы на молекулярно-генетическом, цитологическом, тканевом и организменном уровнях. Для этого необходимо оборудование международного класса для работы с клетками в культуре, цитологических и иммунологических исследований, а также парк современного компьютерного оборудования и программы для анализа изображений; проведение научных исследований на клетках и тканях с использованием культур как первичных, так и перевиваемых клеточных линий, иммунологических методов исследования, освоение современных цитологических и гистологических методик, изучение внутриклеточного ионного метаболизма и анализ результатов биологических экспериментов с помощью компьютерного анализа изображений как одного из современных средств извлечения информации. Будут показаны блоки культивирования клеток, иммуноферментного анализа, компьютерного анализа изображений и работа установки для изучения внутриклеточного содержания ионов. Будет продемонстрирована работа ИФАанализатора, компьютерных программ анализа изображений и примеры их использования для решения конкретных биологических задач. Показ видеороликов продемонстрирует сокращение миотрубок скелетных мышц в культуре, работу сократительной вакуоли у амебы, прорастание спор грибов, подвижность и взаимоотношение тетрахимен и др..

3.2. Молекулярная физиология почки Современное состояние физиологии.

Важность молекулярного подхода к физиологическим процессам.

Моделирование и создание новых лекарств. реабсорбции и секреции в почке. Знание Патологии и генная терапия. Жидкости молекулярных механизмов гипертензии.

внутренней среды организма и основные принципы регуляции их состава.

Структурные и функциональные особенности отдельных сегментов нефрона.

Молекулярные механизмы фильтрации, реабсорбции и секреции в почке.

Механизмы осмотического концентрирования. Антидиуретический гормон: структура, процессинг, регуляция секреции, осморецепторы и волюморецепторы. Клеточный механизм действия антидиуретического гормона.

Семейство аквапоринов. Молекулярная природа несахарного диабета.

Молекулярные механизмы модуляции эффекта антидиуретического гормона в почке. Простагландины, типы их рецепторов и механизм действия. Оксид азота и молекулярный механизм его действия в почке. Молекулярная физиология регуляции реабсорбции натрия. Альдостерон и предсердный натрийуретический фактор.

Молекулярные механизмы гипертензии.

3.3. Некоторые проблемы онкологии В данном разделе кратко анализируются молекулярные и клеточные основы различных характеристик , сопровождающих возникновение злокачественных опухолей. Они включают: подходах к лечению онкологических а) нарушение регуляции клеточного цикла; заболеваний.

б) сбой в программе дифференцировки клеток; в) изменения в механизмах восприятия внеклеточных и проведения внутриклеточных сигналов; г) приобретение способности к метастазированию и инвазивному росту; д) стимулирующее влияние на процессы ангиогенеза; е) метаболические изменения и их регуляция;

ж) дестабилизация генетического материала;

з) изменения в экспрессии многочисленного набора онкогенов и антионкогенов; и) сбои в реализации программы самоуничтожения – апоптоза; к) уход от контролирующего надзора иммунной системы; л) преодоление ограничений, накладываемых клеточным старением. На конкретных примерах проиллюстрированы приведенные выше положения общего взгляда на природу злокачественной трансформации клеток и даны примеры новых подходов к лечению онкологических заболеваний.

3.4. Моделирование нейродегенеративных Понятие о «конформационных болезнях».

заболеваний человека в Drosophila melanogaster Накопление внутриклеточных или экстраклеточных белковых агрегатов, отмеченное при различных нейродегенеративных заболеваниях человека, позволило выделить их в особый класс заболеваний, получивших название «конформационные болезни». К ним относятся, в первую очередь, такие широко распространенные заболевания как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Гентингтона, прионные болезни, фронтотемпоральная деменция, различные формы амилоидозов. Одним из наиболее интересных подходов к исследованию генетических форм конформационных болезней явилось моделирование заболеваний на плодовой мушке Drosophila melanogaster. Использование моделей Drosophila позволяет избежать таких ограничений, возникающих в работе с человеческим материалом, как неполные родословные, генетическая гетерогенность популяции, длительность сбора образцов.

Расшифровка геномов человека и дрозофилы показала, что более 50% генов Drosophila melanogaster имеют гомологов у человека, и в то же время не менее 60%-70% генов наследственных болезней человека имеют своих двойников у Drosophila. Поэтому при работе с различными моделями заболеваний в Drosophila прямое исследование мутантного белка может в значительной степени характеризовать его участие в патогенезе заболевания у человека. Более того, использование трансгенной технологии позволяет создавать линии, несущие гены человека, и использовать их для модуляции конкретных физиологических механизмов. С другой стороны, генетические эксперименты с выключением генов могут быть основой для определения неизвестных клеточных функций белков, вовлеченных в развитие патологического процесса.

5. Образовательные технологии В преподавании дисциплины «Современные методы биофизики» используются преимущественно традиционные образовательные технологии:

- лекции, - практические занятия.

Семинары по дисциплине «Современные методы биофизики» осуществляются в рамках общей программы дисциплины «Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации» (9-й, 10-й и 11-й семестр).

Объм лекционных занятий составляет 50% общего объма аудиторных занятий, что соответствует предельному нормативу, установленному ФГОС ВПО для ООП.

Занятия в активной и интерактивной формах Интерактивные проблемные лекции (по разделу " Эпигенетический код») Интерактивные лекции консультации (по разделу " Эволюционный подход к цвету") 6. Лабораторный практикум Не предусмотрен.

7. Практические занятия Семинары по дисциплине «Современные проблемы биофизики» осуществляются в рамках общей программы дисциплины «Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации» (9-й, 10-й и 11-й семестр).

8. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Самостоятельная работа студентов направлена на закрепление и углубление освоения учебного материала, развитие практических умений. Самостоятельная работа студентов в рамках дисциплины «Современные проблемы биофизики» включает следующие виды самостоятельной работы:

- работу с лекционным материалом и с рекомендованной учебной литературой;

- подготовку к экзамену;

- опережающую самостоятельную работу с использованием электронных ресурсов, в частности сайта http://univertv.ru/, раздел Биология.

- изучение подраздела дисциплины «Некоторые проблемы онкологии», вынесенного на самостоятельную работу.

Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа в рамках дисциплины «Современные проблемы биофизики» включает в себя:

- поиск, обработку и презентацию информации по печатным изданиям и электронным источникам информации по заданной проблеме в рамках общей программы дисциплины «Иностранный язык в сфере профессиональной коммуникации» (10-й семестр);

- выступление на указанном выше семинаре;

Методы контроля самостоятельной работы студентов включают написание проверочных работ, выступление на семинаре. Учебные и методические пособия, рекомендуемые для использования при самостоятельной работе, указаны ниже в разделе 9.2.

Примерное распределение времени самостоятельной работы студентов работа с лекционным материалом, с учебной литературой подготовка к контрольным работам, коллоквиумам, зачтам 9. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 9.1. Адрес сайта курса РПД размещается по адресу http://biophysics.spbstu.ru/399_01w.html.

9.2. Рекомендуемая литература Основная литература Автор, название, место издания, издательство, год (годы) Год К-во Место 2. Медицинская биофизика. учебник для вузов по направлению 2007 50 Библиотека подготовки "Техн. физика", по программам "Мед. и биоинженер. физика". / В. О. Самойлов — СПб. СпецЛит, 1. Биофизика. учебное пособие. / М. В. Волькенштейн — СПб. Библиотека Лань, Дополнительная литература 1. Введение в клеточную биологию. учеб. для ун-тов по направл. 510600 "Биология" и биол. спец.. / Ю. С. Ченцов — М. Академкнига, 9.3. Технические средства обеспечения дисциплины http://univertv.ru/, разделы Химия, Физика, Биология;

http://www.humbio.ru/, база знаний по биологии человека;

http://www.bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/ Интернет-портал «Легендарный Физтех».htm 10. Материально-техническое обеспечение дисциплины Аудиторный класс, наличие проектора для демонстрации наглядных пособий и экрана.

Компьютерный класс, лицензионное программное обеспечение, Internet.

Наличие в библиотечном фонде отечественной и зарубежной научно-популярной литературы по направлению подготовки (физика, химия, молекулярная биология).

Наличие подборки научно-популярных и обзорных статей, рассчитанных на широкий круг читателей, по направлению подготовки как базового материала для подготовки выступлений студентов.

11. Критерии оценивания и оценочные средства 11.1. Критерии оценивания Качество освоения дисциплины "Современные проблемы биофизики" оценивается при проведении экзамена (одиннадцатый семестр).

Итоговая отметка на экзамене выставляется по результатам устного ответа на вопросы экзаменационного билета (примеры экзаменационных билетов приведены в разделе 11.2).

В отдельных случаях на экзамене студентам предлагается письменное тестирования по материалам всего курса дисциплины.

При выставлении итоговой отметки принимается во внимание активность студента на семинарских занятиях и на занятиях, проводимых в интерактивной форме, учитывается качество выполненной в рамках семинарских занятий курсовой работы и качество представления данных в виде доклада на семинаре.

11.2. Оценочные средства Примеры экзаменационных билетов.

1. Методы дифракции рентгеновских лучей, электронов, рассеяния нейтронов и их отличие от сканирующей зондовой микроскопии.

2. Системы цветового зрения человека и животных.

3. Молекулярные механизмы фильтрации, реабсорбции и секреции в почке.

1. Принцип работы ИФА-анализатора.

2. Понятие о «конформационных болезнях».

3. Природа злокачественной трансформации клеток.

1. Физическая упаковке ДНК внутри клеточного ядра.

2. Эпигенетический код.

3. Принцип действия оптического твизера и использование его в биологии 12. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины "Современные проблемы биофизики" является междисциплинарным курсом. Он представляет собой единый курс, разрабатываемый и читаемый коллективом ведущих ученых – специалистов в различных областях современной физики, либо набор отдельных коротких курсов. Для успешного освоения этой дисциплины необходимы знания с одной стороны в области физики и химии, с другой стороны в области биологических наук.

Изложение этого материала в некоторой степени является повторением ранее изученного в рамках других дисциплин, в частности «Биоорганическая химия», «Физическая биохимия», «Молекулярная биология клетки», «Физика макромолекул», «Экспериментальные методы биофизики», Современные методы биофизики.

Рекомендуется часть занятий по этим разделам курса проводить в интерактивной форме.

Подраздел "Некоторые проблемы онкологии" рекомендуется вынести на самостоятельную работу. Рекомендуется также использовать электронные ресурсы, в частности ресурсы Интернета, для получения более наглядного представления о современных проблемах биофизики.