Волгоградский государственный университет
УТВЕРЖДЕНО __ ________201_ г. Директор института Естественных наук _______ (подпись) ________ () | РЕКОМЕНДОВАНО КАФЕДРОЙ ______________ Протокол №_____ __ ______ 201_ г. Заведующий кафедрой Биоинженерии и биоинформатики ________ (подпись) ______ () |
ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ
по дисциплине
«Биофизика»
Направление подготовки специалистов
Код 06.05.01- биоинженерия и биоинформатика ОП
Составитель ФОС по дисциплине
., к. б.н,, доц.
Волгоград 2015 г.
1. Перечень компетенций с указанием этапов (уровней) их формирования.
Шифр компетенции: ОПК-2: способностью анализировать основные этапы и закономерности исторического развития общества для формирования гражданской позиции | |
Знать: | |
Уровень 1: | Теоретическую и практическую значимость биофизики |
Уровень 2: | Биоэнергетические закономерности протекания биологических процессов в организме |
Уровень 3: | Основные биосенсорные системы организма |
Уметь: | |
Уровень 1: | Применять знания для обьяснения важнейших жизненных процессов в норме и при патологии |
Уровень 2: | Использовать биофизические закономерности в биологии |
Уровень 3: | Использовать методы биофизики в экспериментальной биологии |
Владеть: | |
Уровень 1: | Единством и разнообразием клеточных типов, воспроизведением и специализацией |
Уровень 2: | Структурой и функцией биомембран |
Уровень 3: | Принципами регуляции метаболизма |
Шифр компетенции: ОПК-5: способностью к коммуникации в устной и письменной формах на русском и иностранном языках для решения задач межличностного и межкультурного взаимодействия | |
Знать: | |
Уровень 1: | Теоретическую и практическую значимость биофизики с другими естественными науками |
Уровень 2: | Особенности реляции механизмов получения и передачи информации |
Уровень 3: | Основные принципы функционирования биосенсорных систем организма |
Уметь: | |
Уровень 1: | Изучать ферментативную активность клеток |
Уровень 2: | Проводить световую микроскопию |
Уровень 3: | Применять клеточные тест-системы |
Владеть: | |
Уровень 1: | Методами световой микроскопии, культур клеток и тканей |
Уровень 2: | Приемами изучения ферментативной активности |
Уровень 3: | Методологией применения клеточных тест-систем для анализа состояния природной среды |
2. Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных этапах их формирования, описание шкал оценивания.
Уровень освоения компетенции1 | Планируемые результаты обучения (в соотв. с уровнем освоения компетенции)2 | Критерии оценивания результатов обучения | ||||
13 | 24 | 35 | 46 | 57 | ||
(Шифр компетении)-уровень8 | Знать: | Отсутствие знаний, см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | см. соотв. сноску |
Уметь: | Отсутствие умений, см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | |
Владеть: | Отсутствие навыков, см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | см. соотв. сноску | |
3. Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для оценки знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующих этапы формирования компетенций в процессе освоения образовательной программы.
3.1. Задания для оценивания результатов обучения в виде знаний.
типы контроля:
- индивидуальное собеседование,
- письменные ответы на вопросы.
перечень вопросов:
1.Предмет и задачи биофизики. ((ОПК-2)-1.З)
2.Биологические и физические процессы и закономерности в живых системах. ((ОПК-2)-3.З)
3.Методологические вопросы биофизики. ((ОПК-5)-2.З)
4. История развития отечественной биофизики. ((ОПК-5)-1.З)
5. Задачи биофизики в практике народного хозяйства. ((ОПК-5)-3.З)
6. Потенциал действия. ((ОПК-5)-2.З)
7. Механизмы активации и инактивации каналов. ((ОПК-5)-1.З)
8. Сенсорная рецепция. ((ОПК-2)-3З.)
9. Молекулярная организация фоторецепторной мембраны; динамика молекулы зрительного пигмента в мембране. ((ОПК-2)-2.З)
10. Механорецепторы органов чувств: органы боковой линии, вестибулярный аппарат, кортиев орган внутреннего уха. ((ОПК-2)-1.З)
11. Хеморецепция. Обоняние. ((ОПК-2)-3.З)
12. Восприятие запахов: пороги, классификация запахов. ((ОПК-2)-2.З)
13. Строение вкусовых клеток. Проблема вкусовых рецепторных белков. ((ОПК-2)-1.З)
3.2. Задания для оценивания результатов обучения в виде умений и владений.
1. Основные особенности кинетики биологических процессов. ((ОПК-5)-1.В)
2. Описание динамики биологических процессов на языке химической кинетики. ((ОПК-5)-3.У)
3. Макромолекула как основа организации биоструктур. ((ОПК-2)-2.В)
4. Пространственная конфигурация биополимеров. Статистический характер конформации биополимеров. ((ОПК-5)-1.В)
5. Мембрана как универсальный компонент биологических систем. Белок-липидные взаимодействия. ((ОПК-2)-3.У)
6. Развитие представлений о структурной организации мембран. Характеристика мембранных белков. ((ОПК-5)-2.У)
7. Характеристика мембранных липидов. Динамика структурных элементов мембраны. ((ОПК-5)-1.В)
8. Вода как составной элемент биомембран. ((ОПК-5)-2.У)
9. Роль ионов Na и K в генерации потенциала действия в нервных и мышечных волокнах; роль ионов Ca и Cl в генерации потенциала действия у других объектов. ((ОПК-5)-3.В)
10. Кинетика изменений потоков ионов при возбуждении. ((ОПК-2)-1.У)
11. Проблема сопряжения между первичным взаимодействием внешнего стимула с рецпторным субстратом и генерацией рецепторного (генераторного) потенциала. ((ОПК-2)-1.У)
12. Общие представления о структуре и функции рецепторных клеток. ((ОПК-5)-2.В)
13. Фоторецепция. ((ОПК-5)-1.В)
14. Строение зрительной клетки. ((ОПК-2)-3.В)
15. Механорецепция. ((ОПК-5)-.В)
16. Рецепторные окончания кожи, проприорецепторы. ((ОПК-2)-2.У)
17.Общие представления о работе органа слуха. ((ОПК-5)-1.В)
18. Современные представления о механизмах механорецепции; генераторный потенциал. ((ОПК-2)-2.У)
19.Электрорецепция. ((ОПК-5)-3.В)
20. Вкус. Вкусовые качества. ((ОПК-5)-1.В)
21. Рецепция медиаторов и гормонов. ((ОПК-2)-2.У)
22.Проблема клеточного узнавания. ((ОПК-5)-3.В)
23. Механизмы взаимодействия клеточных поверхностей. ((ОПК-2)-1.У)
4. Процедуры оценивания знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующих этапы формирования компетенций.
4.1. Методика формирования результирующей оценки по дисциплине.
7-10 баллов заслуживает студент, который:
- демонстрирует полное изложение основных положений предложенных вопросов, обнаруживает знание основных точек зрения на теоретические проблемы, рассматриваемые в вопросах контрольной работы, логично строит ответ, делает обоснованные выводы и обобщения, демонстрирует знание и понимание определений предложенных терминов.
4-6 баллов заслуживает студент, который:
- демонстрирует частичное изложение основных положений предложенных вопросов,
- допускает ошибки при изложении точек зрения на теоретические проблемы, рассматриваемые в вопросах контрольной работы, испытывает затруднения при составлении выводов и обобщений, демонстрирует частичное знание и понимание определений предложенных терминов.
1-3 балла заслуживает студент, который:
- демонстрирует незнание либо отрывочные представления по по вопросам контрольной работы,
- предлагает ошибочные определения предложенных терминов.
4.2. Типовые модульные работы и критерии их оценивания.
Модуль 1
Введение в биофизику. Цель, задачи и хаpактеpистика пpедмета. Биофизика как наука. Основные pазделы биофизики. Взаимоотношение с дpугими дисциплинами. Истоpия pазвития биофизики. Структура молекулярной биофизики. Модели стохастического клубка. Пространственная организация биополимеров. Условия существования клубка и глобулы. Плотность звеньев. Радиус корреляции, размеры клубка и глобулы. Набухание биополимеров. Зависимость энергии от плотности звеньев. Фазовые переходы. Расплавленная глобула. Конформационная подвижность полипептидов, роль стерических ограничений. Стерические контурные диаграммы Рамачандрана. Конформационная потенциальная энергия биомакромолекул. Торсионный потенциал. Биофизические методы исследования свойств биополимеров. Взаимодействие энергии различных частотных диапазонов и вещества. Поглощение энергии, естественная ширина линии. Спектры поглощения биомакромолекул, гипохромный и гиперхромный эффекты. Фотолюминесценция, квантовый выход и время жизни флуоресценции. Собственная флуоресценция аминокислот и белков. Флуоресценция биологически важных молекул. Флуоресцентные метки и зонды, использование в биологических, биомедицинских и прикладных исследованиях. Поглощение биомакромолекулами энергии инфракрасного диапазона. Спектры кругового дихроизма полипептидов и белков. Электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс в исследовании биополимеров.
Модуль 2
Динамические модели биологических систем. Точечные и распределенные системы. Фазовое пространство. Устойчивые и неустойчивые стационарные состояния. Иерархия времен в биологических системах, лимитирующие стадии процессов. Критерий устойчивости стационарного состояния Ляпунова. Модель культиватора. Бифуркционная диаграмма. Устойчивые и неустойчивые ветви бифуркационной диаграммы. Гистерезис, триггерные свойства биологических систем. Модели Лотки и Вольтера. Фазовая плоскость. Особые точки фазовой плоскости. Устойчивость стационарных состояний систем двух взаимозависимых переменных. Шесть типов поведения системы. Распределенные системы. Тьюринговы и нетьюринговы системы. Условия эволюции диссипативных структур на примере брюсселятора. Анализ свойств сложных систем с привлечением теории хаоса. Законы термодинамики и биологические системы. Связь между энтропией и информацией. Изменение энтропии в необратимых реакциях. Условия эволюции в открытой системе. Изменение энтропии и теплопродукция. Сопряжение процессов. Предельная скорость сопряженного процесса. Соотношения Онзагера для сопряженных процессов. Коэффициент сопряжения. Условия устойчивости стационарного состояния в открытых системах, теорема Пригожина.
Модуль 3
Основные функции биологических мембран. Структура биологических мембран. Типы белок-липидных взаимодействий. Молекулярная организация липидного компонента биологических мембран. Вода в составе мембран. Моноламеллярные и мультиламеллярные липосомы. Упругие и электрические свойства мембран. Подвижность липидов в мембранах. Фазовые переходы и методы изучения фазовых переходов в мембранах. Кооперативность переходов. Транспорт веществ через липидный бислой. Диффузионный механизм транспорта частиц через мембрану. Перенос частиц в электрическом поле. Зависимость проницаемости мембран от размера и заряда иона. Формирование потенциала на границе раздела двух фаз. Механизм формирования потенциала покоя. Переносчики ионов и каналы. Каналообразующие агенты. Типы переносчиков. Лимитируующие барьеры. Насыщение каналов. Молекулярная организация ионных каналов. Механизмы активного транспорта ионов через мембрану. Основные фотобиологические явления. Стадии фотобиологических процессов. Общие закономерности фотохимических превращений. Кинетика однофотонных необратимых превращений. Поперечное сечение фотолиза. Обратимые фотопревращения. Зависимость от интенсивности облучения. Спектры действия фотобиологических процессов. Характер связи между первичным фотохимическим процессом и биологическим действием. Связь между дозой облучения и свойствами акцептора. Особенности регистрации спектров действия для многокомпонентных образцов. Фотобиологические эффекты, зависящие от скорости образования фотохимического продукта. Механизмы повреждения белков, нуклеиновых кислот и липидов под действием ультрафиолета. Характеристики солнечного ультрафиолетового излучения. Диапазоны биологически активного ультрафиолетового излучения. Спектры действия и кинетика фотоинактивации белков. Биофизика фотопревращений азотистых оснований, нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Фотосенсибилизированные процессы в биологических системах. Фотодинамические реакции I и II типа.
4.3. Типовые экзаменационные материалы (в случае наличия экзамена).
Экзамен по дисциплине не предусмотрен учебным планом. Вопросы для текущего контроля формируются на основе содержания отдельных тем.
1. Водородная связь. Ее роль в формировании структуры белка.
2. Особенности структуры воды и ее свойства.
3. Что происходит при растворении в воде неполярных молекул?
4. Энергия перехода неполярных молекул из гидрофобной в водную фазу.
5. Как можно количественно выразить гидрофобность данного вещества.
6. Перечислите основные методы получения макромолекул в лабораторных условиях.
7. Какие молекулы называют амфифильными?
8. Какие молекулы называют гидрофильными?
9. Какие молекулы называют гидрофобными?
10. Опишите условия, необходимые для образования обращенных сферических мицелл.
11. Какое агрегатное состояние применимо для описания полимеров?
12. Какие физические методы используют для исследования строения вещества?
13. Какие физические методы используют для исследования подвижности молекул вещества?
14. Оцените коэффициент распределения К между водной (е1≈81) и неполярной фазой (е2≈3) фа-
зами для иона (r≈0,2нм), используя формулу Борна? (Т≈27Со)
15. Оцените величину равновесного потенциала для клетки сердечной мышцы для ионов Nа+ , ес-
ли концентрации ионов Сi=15 ммоль/л и Со=145 ммоль/л.
16. Оценить величину давления в мембране, находящейся под действием разности потенциалов ϕ∼0,5В, если h=4нм и удельная электроемкость CM=0,6мкф/см2?
17. Оценить критический радиус и критическую энергию поры в "замороженной" мембране, для которой у≈5,5∼10-3Н/м и г≈10∼10-12Н.
18. Определить отношение длин экранирования в водной (е1≈81) и липидной (е2≈3) фазах, если С1в 1000 раз больше, чем С2.
19. Оценить критический радиус и критическую энергию поры в мембране толщиной 10 нм, находящейся в поле Е=107В/м (е=2,у≈__________1∼10-3Н/м и г≈10∼10-12Н).
20. Оцените концентрацию ионов Cl - внутри клетки мышцы лягушки, если Со=120ммоль/л и ϕCl0=-87мВ.
21. Удельная электрическая емкость мембраны аксона, измеренная внутриклеточным микроэлектродом, оказалась равной 0,5мкФ/см2.По формуле плоского конденсатора оцените толщину гидрофобного слоя мембраны с диэлектрической проницаемостью 2.
22. Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 с в результате латеральной диффузии? Коэффициент латеральной диффузии принять равным 10-12 м2/с. Сравните с окружностью эритроцита диаметром 8 мкм.
23. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится напряженность электрического поля в мембране?
24. Вокруг каких связей в полипептидной цепи происходит вращение?
25. Нековалентные взаимодействия между атомами. Их природа и сила.
26. Что это такое дипольные взаимодействия, как их можно рассчитать?
27. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны?
28. С помощью спин-меченных молекул фосфолипидов установлен градиент вязкости по толщине мембраны. Опишите эксперимент.
29. С помощью спин-меченных молекул фосфолипидов установлен градиент вязкости по толщине мембраны. Определите, где вязкость выше: у поверхности мембраны или в ее центре?
30. Критический радиус липидной поры в мембране зависит от краевого натяжения поры, поверхностного натяжения мембраны и мембранного потенциала. Выведите формулу для критического радиуса поры.
31. Критический радиус липидной поры в мембране зависит от краевого натяжения поры, поверхностного натяжения мембраны и мембранного потенциала. Выведите формулу для критического радиуса поры в присутствии электрического поля.
32. Критический радиус липидной поры в мембране зависит от краевого натяжения поры, поверхностного натяжения мембраны и мембранного потенциала. Рассчитайте критический радиус поры при отсутствии мембранного потенциала. Принять раевое натяжение поры 10-11 Н, поверхностное натяжение липидного бислоя 0,3 мН/м.
33. Как изменится облегченная диффузия ионов калия с участием молекулы валиномицина после фазового перехода мембранных липидов из жидкокристаллического состояния в гель?
34. Какова связь коэффициента диффузии с вязкостью среды?
35. Выведите уравнение потока молекул через мембрану.
36. Какова связь проницаемости с вязкостью вещества мембраны. Приведите все необходимые уравнения и объясните их физический смысл.
37. Какова связь между проницаемостью мембраны и проницаемостью примембранных слоев воды. Выведите необходимые уравнения и объясните их физический смысл.
38. Для каких молекул или ионов основным барьером служит липидный бислой и почему?
39. Осмотический эффект в живых клетках сопровождается их набуханием в гипотоническом растворе и сжатием в гипертоническом. Будет ли наблюдаться осмотический эффект при накоплении ионов натрия по схеме антипорта?
40. Осмотический эффект в живых клетках сопровождается их набуханием в гипотоническом растворе и сжатием в гипертоническом. Будет ли наблюдаться осмотический эффект при накоплении ионов натрия по схеме симпорта?
41. Показать, что уравнение Нернста-Планка сводится к уравнению Фика для диффузии незаряженных частиц.
42. Фермент Na+-K+-АТФаза в плазматической мембране эритроцита совершил шесть циклов. Какое количество ионов натрия и калия при этом было активно транспортировано?
43. Фермент Na+-K+-АТФаза в плазматической мембране эритроцита совершил шесть циклов. Какое количество энергии при этом было израсходовано, если гидролиз одного моля АТФ сопровождается освобождением 33,6 кДж? Эффективность процесса энергетического сопряжения считать 100%.
44. В клеточных мембранах известны три ионных насоса: Na+-K+-насос, протонный насос и кальциевый насос. Каким образом осуществляется при этом активный транспорт сахаров?
45. В клеточных мембранах известны три ионных насоса: Na+-K+-насос, протонный насос и кальциевый насос. Каким образом осуществляется при этом активный транспорт аминокислот?
46. Возможен ли одновременный транспортный перенос ионов калия и натрия по схеме симпорта?
47. Возможен ли одновременный транспортный перенос ионов калия и натрия по схеме антипорта?
48. Возможен ли одновременный транспортный перенос ионов калия и натрия по схеме унипорта?
49. Какой транспорт ионов создает мембранную разность потенциалов: пассивный или активный?
50. Что больше: скорость распространения электрического сигнала по проводам морского телеграфа или скорость распространения нервного импульса по мембране аксона? Почему?
Примеры экзаменационных билетов.
Билет №1.
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.
Билет № 6.
1. Принцип работы ИФА-анализатора.
2. Понятие о «конформационных болезнях».
3. Природа злокачественной трансформации клеток.
Билет № 10.
1. Физическая упаковке ДНК внутри клеточного ядра.
2. Эпигенетический код.
3. Возможен ли одновременный транспортный перенос ионов калия и натрия по схеме антипорта?
1 В соотв. с п.1 и рабочей программой
2 В соотв. с п.1 и рабочей программой.
3 Результат «1» - неудовлитворительная оценка результатов обучения. Отсутствие знаний, умений, навыков. Данный результат указывает на несформированность порогового (входного) уровня знаний, умений, навыков.
4 Результат «2»- неудовлетворительная оценка результатов обучения. Фрагментарные знания, умения навыки.
5 Результат «3» - удовлетворительная оценка результатов обучения. В целом успешное, но не систематическое применение навыков (для категории «владеть»), несистематическое использование знаний (для категории «уметь»), неполные представления о чем-либо (для категории «знать»)
6 Результат «4» - удовлетворительная оценка результатов обучения. В целом успешное, но содержащее определенные пробелы применения навыков (для категории «владеть»), определенные пробелы в умении использовать соотв. знания (для категории «уметь»), определенные пробелы в знаниях (для категории «знать»).
7 Результат «5» - удовлетворительная оценка результатов обучения. Успешное и систематическое применение навыков (для категории «владеть»), сформированное умение использовать полученные знания (для категории «уметь»), сформированные систематические представления о... (для категории «знать»).
8 Напр., «(ОК-1)-I» (уровень рекомендуется указывать римскими цифрами)
