УТВЕРЖДАЮ
Директор института ИНК
___________
«____»_____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ
НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП
201000 БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ, ПРОГРАММА)
Биотехнические и медицинские аппараты и системы
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 2 СЕМЕСТР 4
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 6
ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б2.Б4
КОРЕКВИЗИТЫ
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции 36 час.
Практические занятия 18 час.
Лабораторные занятия 27 час.
час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 81 час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 54 час.
ИТОГО 135 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ экзамен
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра промышленной и
медицинской электроники Института неразрушающего контроля
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ_____________( )
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП _______________ ()
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ______________ ()
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины
Основываясь на современных физических и математических подходах к описанию биологических процессов, заложить теоретическую базу знаний у студентов о строении и функционировании организма в целом, отдельных органов и функциональных систем, а так же методах получения биофизических данных
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина Б3.Б7 “Биофизические основы живых систем” относится к базовой части профессионального цикла подготовки бакалавров ООП по направлению 201000 – “Биотехнические системы и технологии”.
Базовыми для этого курса являются дисциплины: «Физика», «Химия». При этом студент должен знать базовые понятия и концептуальные представления о функционировании живых систем; фундаментальные законы природы и основные физические законы в области механики, термодинамики, электричества, магнетизма и оптики; уметь применять математические методы, физические и химические законы для решения практических задач.
Дисциплина “Биофизические основы живых систем” закладывает знания необходимые для понимания и успешного усвоения таких курсов как: “Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий”, “Биотехнические системы медицинского назначения”, “Моделирование биологических процессов и систем”, “Конструирование электронных медицинских приборов и аппаратов” и других специальных дисциплин медико-технической подготовки бакалавров по направлению 201000 – “Биотехнические системы и технологии”.
3. Результаты освоения дисциплины
«В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать
- аспекты структурной организации и физические принципы функционирования биосистем.
- отличия и взаимоотношение между биологическими и физическими аспектами жизнедеятельности;
- термодинамические основы жизнедеятельности;
- физические основы строения и функционирования биосистем на молекулярном и клеточном уровне;
- электрофизиологические основы функционирования живых систем;
- особенностей организации и физические аспекты функционирования биологических систем на уровне органов;
- внутрисистемные механизмы взаимодействия, регуляции и передачи энергии на разных уровнях организации биоматерии;
- влияние различных физических факторов на биосистемы;
- основные принципы и методы биофизических измерений;
Уметь
- применять физические методы исследования к изучению биологических систем;
- обосновывать биологический и физический смысл происходящих в живой системе процессов и явлений с использованием физико-математического аппарата;
- ориентироваться в комплексе биофизических данных об объекте и анализировать полученную в ходе эксперимента информацию.
Владеть
- навыками работы со специальной литературой;
- приёмами работы с аппаратурой для проведения биофизических исследований;
- методами проведения биофизических исследований с учетом особенностей объекта исследования;
- методами анализа и обработки экспериментальных данных
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:
1.Универсальные (общекультурные):
- способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;
- способностью владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией;
2. Профессиональные:
- способность собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии;
- систем и технологий, проводить анализ патентной литературы;
- способность выполнять эксперименты и интерпретировать результаты по проверке корректности и эффективности решений;
- готовность к участию в проведении медико-биологических, экологических и научно-технических исследований с применением технических средств, информационных технологий и методов обработки результатов;
- готовность формировать презентации, научно-технические отчеты по результатам выполненной работы, оформлять результаты исследований в виде статей и докладов на научно-технических конференциях/
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Аннотированное содержание разделов дисциплины
4.1.1. Термодинамика и кинетика биологических процессов
Термодинамические системы. Классификация термодинамических систем. Стационарные состояния биологических систем. Первый и второй законы термодинамики в биологии. Изменение энтропии в открытых системах. Теорема Пригожина. Кинетика биопроцессов и биохимических реакций. Регулирование скорости реакции в организме. Особенности механизмов ферментативных реакций. Механизмы теплообразования и регуляции температуры в живых организмах.
4.1.2. Молекулярные основы биофизики
4.1.2.1. Структура и пространственная организация биополимеров. Пространственная конфигурация биополимеров. Объемные взаимодействия и переходы глобула-клубок в полимерах макромолекул. Типы взаимодействия в макромолекулах. Водородная связь. Внутренне вращение и Факторы стабилизации макромолекул.
4.1.2.2. Биофизика белка. Структурные и энергетические факторы определяющие динамическую подвижность белков. Пространственная организация белка. Динамика фазовых переходов в белках. Роль конформационной подвижности в функционировании ферментов и транспортных белков.
4.1.2.3. Биофизика нуклеиновых кислот (НК). Структура и особенности пространственной организации НК. Конформационные свойства НК. Физический смысл генетического кода
4.1.3. Биофизика клеточных процессов
4.1.3.1. Структура и функционирование биологических мембран. Строение клетки и функции клеточных структур. Методы исследования. Состав и структура биомембран. Модельные мембранные системы. Особенности фазовых переходов в мембранных системах. Подвижность мембранных белков.
4.1.3.2. Биофизика процессов транспорта веществ через мембраны и биоэлектрогенез. Пассивный и активный транспорт веществ через мембрану. Транспорт через мембраны с участием переносчиков. Транспорт электролитов. Движущие силы переноса ионов при пассивном транспорте. Активный транспорт. Участие АТФаз в активном транспорте веществ через мембраны. Ионные каналы. Ионная селективность мембран.
4.1.4. Биоэлектрические явления
4.1.4.1. Электропроводность клеток и тканей. Электропроводность клеток и тканей для постоянного и переменного токов. Зависимость диэлектрических потерь от частоты. Особенности структуры живых клеток и тканей, лежащие в основе их электрических свойств. Суммарное сопротивление живых клеток и тканей.
4.1.4.2. Биоэлектрические потенциалы Возникновение биопотенциалов. Мембранный потенциал. Электрическая модель мембраны. Потенциал покоя, его происхождение. Потенциал действия. Роль ионов Na+ и K+ в генерации потенциала действия в нервных и мышечных волокнах. Кинетика изменения потоков ионов при возбуждении. Возбудимость. Законы раздражения..
4.1.4.3. Нервный импульс. Распространение нервного импульса. Проведение нервного импульса. Математические модели процесса распространения нервного импульса. Физико-химическмие процессы в нервных волокнах при прведении импульса. Синаптическая передача.
4.1.4.4. Электрокинетические явления. Классификация. Поверхностный заряд мембранных систем. Происхождение электрокинетического потенциала. Явление поляризации в мембранах. Физико-химические механизмы поляризационных явлений. Методы электрофореза и их применение.
4.1.5. Биофизика сенсорных систем
Сенсорная рецепция. Структура и функции рецепторных систем. Кодирование информации в рецепторах. Механизм зрительного восприятия. Структура зрительных рецепторов. Слуховой анализатор. Механизм восприятия звуковых колебаний. Общие закономерности механо-, термо-, и проприорецепции. Хеморецепция. Рецепция запаха и вкуса.
4.1.6. Биофизика мышечных сокращений
Основные типы сократительных и подвижных систем. Структура мышц и мышечных волокон. Молекулярные механизмы подвижности белковых компонентов сократительного аппарата мышцы. Термодинамические энергетические и мощностные характеристики сократительных систем. Нервно-мышечная передача.
4.1.7. Биофизика кровообращения
Анализ работы сердца. Гемодинамика. Движение крови по сосудам. Зависимость скорости кровотока от давления в сосудистом русле. Электрические методы измерения скорости кровотока.
4.1.8. Биофизика дыхания
Биомеханика вдоха и выдоха. Растяжимость легких. Сопротивление дыханию. Работа дыхания. Процессы газообмена в органах и тканях. Влияние давления среды на дыхательную деятельность. Системы обеспечения дыхания в критических условиях.
4.2. Темы лабораторных работ по дисциплине
4.2.1. Исследование слухового анализатора методом аудиометрии.
4.2.2. Исследование проведения возбуждения по нервно-мышечному волокну.
4.2.3. Исследование импеданса биоткани.
4.2.4. Исследование параметров дыхательной системы.
4.2.5. Исследование оптических свойств гемоглобина с помощью спектрофотометра.
4.2.6. Оценка основного энергообмена.
4.2.7. Определение активной концентрации ионов водорода в биологических жидкостях.
4.3. Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
Таблица 1.
Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС (час) | Колл, Контр. Р. | Итого | ||
Лекции | Практ./сем. Занятия | Лаб. зан. | ||||
1. Термодинамика и кинетика биологических процессов | 4 | 2 | 4 | 8 | Входн. контроль | 18 |
2. Молекулярные основы биофизики | 6 | 2 | 3 | 10 | КР1 | 21 |
3. Биофизика клеточных процессов | 6 | 2 | 4 | 10 | 22 | |
4. Биоэлектрические явления | 8 | 4 | 4 | 10 | КР2 | 26 |
5. Биофизика сенсорных систем | 4 | 2 | 2 | 8 | 16 | |
6. Биофизика мышечных сокращений | 2 | 2 | 2 | 4 | КР3 | 10 |
7. Биофизика кровообращения | 4 | 2 | 4 | 4 | 14 | |
8. Биофизика дыхания | 2 | 2 | 4 | 6 | КР4 | 14 |
Итого | 36 | 18 | 27 | 54 | 135 |
5. Образовательные технологии
В первой половине семестра основная аудиторная нагрузка приходится на лекции. При чтении лекций используется презентационное оборудование. На лекциях поддерживается постоянный контакт с аудиторией в вопросно-ответной форме, обращается внимание на особенности практического применения знаний. Практические работы направлены на освоение методик расчета и анализа биофизических процессов.
Лабораторные работы начинаются во второй половине семестра, когда большая часть лекционного материала уже прочитана и студенты обладают необходимой теоретической базой для выполнения лабораторных исследований и интерпретации их результатов. При подготовке к лабораторным работам студенты используют конспекты лекций и методические указания.
Часть теоретического материала дается на самостоятельное обучение. Контроль осуществляется путем устных или письменных вопросов, на которые студент должен ответить в контрольной работе. Представление результатов индивидуальных заданий (реферата) производится публично с использованием компьютерной презентации. Оценивается как качество материала реферата, так и само выступление, и ответы на вопросы аудитории.
В течение семестра предусмотрены две конференц-недели (на 32 и 41 неделях). Первая конференц-неделя нацелена на развитие коммуникативной составляющей общекультурных компетенций, вторая – призвана подвести итоги по данной дисциплине в семестре (отчетная, контролирующая функции).
В конце семестра студенты проходят компьютерное тестирование, которое является допуском к сдаче экзамена. Тест включает вопросы по всем разделам изученного материала (50 вопросов).
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
6.1. Программа самостоятельной работы студентов.
Внеаудиторная самостоятельная работа включает в себя следующие формы учебной деятельности:
- проработка лекций;
- самостоятельное изучение дополнительного тематического материала курса;
- изучение основного и дополнительного теоретического материала по учебникам, пособиям, монографиям, периодической литературе;
- подготовка к лабораторным работам и практическим занятиям;
- выполнение индивидуальных заданий;
- подготовка к контрольным занятиям;
- подготовка к выступлению с докладом по теме индивидуальных заданий;
- подготовка к сдаче экзамена.
В процессе изучения курса “Биофизические основы живых систем” студентам даются на самостоятельную проработку несколько тем, дополняющих лекционный курс. При выполнении индивидуальных заданий (рефератов) студенты должны найти и изучить дополнительную литературу, периодические издания, электронные источники в сети Internet, в том числе на иностранном языке. На основе найденного материала, по согласованию с преподавателем, готовиться реферат, компьютерная презентация и доклад для публичного представления. В ходе обучения в семестре проводятся контрольные работы по основным разделам курса и итоговый компьютерный тест. По окончании семестра студенты должны подготовиться к экзамену, на котором каждому студенту выдается индивидуальный билет, включающий теоретические вопросы и практическое задание (задача)
6.2. Перечень тем для индивидуальных заданий (рефератов)
1. Фотобиологические процессы.
- Биохимические основы и механизмы фоторецепции. Кинетика фотобиологических процессов.
- Биохемолюминесценция биологических объектов Хемолюминесцентные методы в биологии
- Действие оптического излучения на биологические объекты
- Действие УФ излучения на белки и нуклеиновые кислоты. Молекулярные механизмы повреждения ДНК при действии УФ излучения.
2. Экологическая биофизика
- Адаптация устойчивость и надежность биологических систем разного уровня организации клеток организмов популяций
- Молекулярные механизмы адаптации живых организмов к экстремальным факторам внешней среды (температурам, освещению, засолению, действию ксенобиотиков, гипоксии, и гипероксии
- Окислительный стресс. Молекулярные механизмы повреждающего действия кислорода. Роль свободнорадикального кислорода
- Молекулярные факторы адаптации живых организмов к экстремальным факторам внешней среды (температуре, освещению, засолению, действию ксенобиотиков, гипоксии и гипероксии).
3. Радиационная биофизика
- Электромагнитные поля в природе технике и жизни человека.
- Излучения как инструмент исследования структуры и свойств молекул.
- Биофизические механизмы действия ионизирующей радиации.
- Химическая защита от лучевого поражения.
- Биологическое значение малых доз радиации.
- Использование различных видов излучения в медицине, технике и сельском хозяйстве.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
В начале изучения дисциплины “Биофизические основы живых систем” проводится тестирование остаточных знаний студентов по курсу «Биология человека и животных».
Текущий контроль производится путем проведения контрольных работ (КР), оценки качества выполненных рефератов (РФ) и публичного выступления по теме реферата (защита реферата – РФЗ). Итоги выполнения лабораторных работ оформляются студентами в виде отчетов. Защита лабораторных работ (ЛРЗ) проводится после окончания лабораторной работы или после выполнения всех лабораторных работ в беседе с преподавателем. Контрольная работа представляет собою перечень вопросов по тематике изученного раздела, на который студенты отвечают письменно. Вопросы для контрольных работ предоставляются студентам заранее. По результатам текущего контроля студент получает баллы в соответствии с принятой рейтинговой системой оценки текущей успеваемости.
По дисциплине проводится четыре контрольных работы. Текущий индивидуальный рейтинг студента к любому моменту времени подсчитывается как сумма баллов, полученных студентом за контрольные работы, индивидуальные домашние задания и лабораторные работы к этому времени.
По дисциплине учебным планом предусмотрен экзамен в 4 семестре, которые сдают все студенты вне зависимости от рейтинга по результатам текущего контроля. К экзамену допускаются студенты, выполнившие и защитившие все лабораторные работы, индивидуальные домашние задания (реферат) и успешно прошедшие компьютерный тест по курсу “Биофизические основы живых систем”. Экзамен проводится в письменной форме. Примеры экзаменационных билетов прилагаются. Студентам доступен перечень вопросов и задач, включаемых в экзаменационные билеты.
Примеры экзаменационных билетов по дисциплине “Биофизические основы живых систем”
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №1
1 Предмет и задачи биофизики. Биологические и физиологические процессы и закономерности в живых системах. Принципы автоматической регуляции в живых системах.
2 Модельные мембранные системы. Особенности фазовых переходов в мембранных системах Подвижность фосфолипидов в мембранах, флип-флоп переходы. Подвижность мембранных белков.
3 Определите расход энергии человека в состоянии мышечного покоя, если за 10 мин он выдыхает 60л воздуха, в котором содержится 15% кислорода и 5% углекислого газа. В атмосферном воздухе содержится 21% - О2, 0,03% - СО2.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №2
4 Основные особенности кинетики биологических процессов. Описание динамики биологических процессов на языке химической кинетики.
5 Транспорт веществ через мембраны. Биофизические механизмы трансмембранного переноса. Пассивный и активный транспорт.
6 Спортсмен, пробегая дистанцию, выделяет за 1 мин 90 л воздуха, в котором содержится 12% кислорода и 8% углекислого газа. Каков расход энергии спортсмена за 5 мин дистанции?
Примеры контрольных вопросов по тематическим разделам курса “Биофизические основы живых систем”
Б3-1
1. Классификация биомембран по структуре и расположению в клетках.
2. Как располагаются фосфолипиды и белки в биомембранах?
3. Что влияет на температуру фазового перехода в мембранах?
4. Диффузия веществ. Закон Фика.
5. Фильтрация.
6. Напишите и поясните механизм ферментативной реакции К+-Na+ переноса при активном транспорте.
7. Какой транспорт ионов создает мембранную разность потенциалов: пассивный или активный?
8. Физическая природа возникновения потенциала действия. Как доказать?
9. Какой процесс вызывает реполяризацию мембраны в процессе развития потенциала действия?
Б3-2
1. Функции биомембран.
2. Фазовое состояние липидов в биомембранах.
3. Искусственные мембраны, способы получения.
4. Какие условия накладывают на мембраны при описании транспорта через них?
5. Осмос.
6. Вторичный активный транспорт. Виды вторичного активного транспорта. Источник энергии для процесса.
7. Уравнение мембранного потенциала с учетом основных участвующих в данном процессе ионов.
8. Как изменяется проницаемость для ионов при возбуждении мембраны?
9. Как можно доказать влияние К+ и Na+ ионных каналов на возникновение потенциала действия?
Примеры вопросов к компьютерному тесту по курсу
“Биофизические основы живых систем”
Предметом исследования молекулярной биофизики являются:
+Белки
+Нуклеиновые кислоты
Органические кислоты и альдегиды
К слабым взаимодействиям относятся:
Ковалентные связи
+Водородные связи
+Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия
+Гидрофобные взаимодействия
Ориентационные взаимодействия возможны в том случае, если:
+Обе молекулы обладают постоянным дипольным моментом
Одна из молекул обладает постоянным дипольным моментом
Ни одна из молекул не обладает постоянным дипольным моментом
Ван-дерВаальсовы взаимодействия являются:
взаимодействиями электрических зарядов
+взаимодействиями электрических диполей
гидрофобными взаимодействиями
Водородные связи образуются между атомом водорода и:
+Кислорода
+Азота
Углерода
Железа
Природа гидрофобных взаимодействий связана:
С взаимным притяжением неполярных групп
С отталкиванием полярных и неполярных групп
+С отталкиванием молекул воды неполярными группами
8. Рейтинг качества освоения модуля (дисциплины)
Качество освоения дисциплины оценивается согласно кредитно-рейтинговой системе организации учебного процесса в Институте неразрушающего контроля.
Рейтинг-план рассчитывается из 100 баллов на текущую успеваемость: 60 баллов выделяется на выполнение обязательных видов занятий (лабораторные работы, практические занятия); 40 баллов – на рубежный контроль (контрольные работы). Студент, выполнивший и защитивший курсовой проект, выполнивший обязательные пункты рейтинг-плана и набравший по итогам текущей успеваемости не менее 51 балла, допускается к экзамену.
Промежуточная аттестация (в конце семестра) предусматривает экзамен. Экзаменационный билет включает два теоретических вопроса и одну задачу. Оценка по результатам экзамена выставляется по 100-балльной и по 5-балльной системе.
Рейтинг-план дисциплины приведен в отдельном файле.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Биофизика. Под ред. .–2-е изд., испр. и доп. М.: Владос, 2003.
2. Самойлов биофизика. С-Пб: Спецлит, 2004. – 495 с.
3. Ремизов и биологическая физика. М.: Высшая школа, 2003.
4. и др. : Высшая школа, 1983.
5. Руководство к лабораторным работам по медицинской биологической физике. и др., М.: Высшая школа, 1987.
Дополнительные источники
6. Рубин /в 2-х книгах/ М.: Высшая школа, 2000.
7. Биофизика и др. Киев, Высшая школа, 1989.
8. Волькенштейн . М., Наука, 1981.
9. журнал Биофизика.
10. Руководство по физиологии: Физиология кровообращения. Физиология сердца. Л., Наука, 1980.
11. Принцип структурной организации белков. М., 1982
12. Рыбин по биофизике. Свердловск, 1990.
13. Ясуо Кагава. Биомембраны. М., Высшая школа, 1985.
14. Справочник "Биофизики России" http://www. bpr. biophys. msu. ru/
15. Щукин биофизики. Часть 1. Учебное пособие. МГТУ, 1998. – Режим доступа: http://www. rl7.bmstu. ru/rus/Library/Biophys/
16. Рубин по биофизике, 1998. – Режим доступа: http://www. library. biophys. msu. ru/lectures/
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекции проводятся в аудитории, оснащенной персональным компьютером и проектором. Лабораторные работы выполняются в специализированной лаборатории кафедры промышленной и медицинской электроники. Оборудование для проведения лабораторных работ по курсу “Биофизические основы живых систем” включает:
Комплекс диагностический КТД 8 2
Ультразвуковой индикатор потока крови ИП-1 2
Спектрофотометр ПЭ-5400В 1
Микроскоп Микомед-1 1
Ионометр ЭВ-74 1
Осциллограф GDS-620 1
Генератор Г6-26 1
Компьютерный спирометр фирмы “Валента”
Миограф фирмы “Нейрософт” 1
Лабораторные макеты
– для оценки импеданса биоткани компл.
– для оценки основного энергообмена компл.
– для проведения электрофореза компл.
Весы лабораторные электронные 1
Лабораторная посуда компл.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки 201000 БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
Программа одобрена на заседании
Кафедры промышленной и медицинской электроники ИНК
(протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.).
Автор к. т.н., доцент,
Рецензент(ы) __________________________
