1.Биофизика клетки.
Биологические мембраны.
Строение мембран. Понятие о липидном матриксе. Ориентация липидов при формировании бислоя. Формы движения молекул липидов в бислое: вращение,
латеральная диффузия, переход по типу «Флип-Флоп». Зависимость динамики липидов от температуры. Виды липидов. Гидрофобные и гидрофильные участки молекул липидов. Холестерин биологических мембран. Представление о «липидных плотиках».
Белки клеточных мембран, их функции. Теории строения мембран: теория Сэндвича,
теория Ковра, Мозаично-динамическая теория.
Физиологические функции клеточных мембран.
Транспорт веществ через клеточные мембраны
Пассивный и активный транспорт веществ, движущие силы.
Виды пассивного транспорта: Простая диффузия, Диффузия через каналы, Облегченная диффузия..
Молекулярные механизмы Простой диффузии.
Особенности транспорта молекул через ионные каналы. Виды ионных каналов в зависимости от способов активации «воротного» механизма. Механизмы обеспечения селективности ионных каналов. Блокаторы ионных каналов, их использование в медицинской практике. Биологические токсины – блокаторы ионных каналов.
Механизмы облегченной диффузии. Общие принципы строения молекул-переносчиков
(валиномицин, грамицидин).
Виды активного транспорта веществ через мембраны: Первичный активный транспорт, Вторичный активный транспорт. Понятие об АТФ-азной активности молекул переносчиков.
Принцип работы механизмов активного транспорта на примерах переноса ионов натрия, калия, кальция, протонов, глюкозы. Блокаторы активного транспорта веществ. Последствия блокады активного транспорта..
Биоэлектрогенез.
Понятие о возбудимых и невозбудимых тканях.
Механизм возникновения трансмембранной разности потенциалов. Роль ионных градиентов и ионоселективных свойств биологических мембран. Простейшие модели для изучения механизмов возникновения трансмембранной разности потенциалов. Уравнение Нернста. Потенциал покоя реальной возбудимой клетки. Понятие о равновесном потенциале. Натриевый и калиевый равновесные потенциалы. Токи «утечки» мембран.
Изменение потенциала покоя реальной клетки при изменениях содержания в среде ионов натрия, калия и хлора. Изменение потенциала покоя реальной клетки при блокировании натрий-калиевого насоса.
Механизм генерации и распространения потенциала действия. Роль натриевых каналов. Распределение натриевых каналов в мембранах миелинизированных и безмякотных аксонов. Особенности распространения возбуждения по миелинизированным и немиелинизированным нервным волокнам. Влияние блокаторов ионных каналов на проведение возбуждения. Механизм действия местных анастетиков.
Биофизика процесса передачи возбуждения с одной возбудимой клетки на другую. Понятие о синапсах.
Электрические и химические синапсы. Распространение в разных системах организма. Общие принципы работы.
Синапсы химического типа. Особенности передачи информации. История вопроса. Роль казанских физиологов в изучении процессов передачи возбуждения через синапсы химического типа. (, , ). Понятие об эргичности химических синапсов. «Классические» нейромедиаторы.
Строение синапса химического типа на примере периферического холинергического синапса. Синтез ацетилхолина в нервном окончании, субстраты и ферменты синтеза.
Квантово-везикулярная теория освобождения нейромедиаторов. Что такое «машина экзоцитоза», принципы ее работы. Роль ацетилхолиновых рецепторов постсинаптической мембраны. Механизм генерации возбуждающего постсинаптического потенциала. Понятие о «критической» величине возбуждающего постсинаптического потенциала на примере нервно-мышечного синапса.
Разрушение ацетилхолина в синаптической щели. Физиологическая роль ацетилхолинэстеразы. К чему ведет частичное и полное ингибирование ацетилхолинэстеразы.
Пластичность синапсов химического типа.
Понятие о синаптической пластичности. Пре - и постсинаптические механизмы обеспечения синаптической пластичности.
Пресинаптические механизмы: изменение квантового состава возбуждающих постсинаптических потенциалов (числа квантов, формирующих отдельный постсинаптический ответ), изменение размера кванта (числа молекул медиатора, формирующих квант), изменение кинетики выделения отдельных квантов, формирующих отдельный постсинаптический ответ.
Постсинаптические механизмы: изменение плотности холинорецепторов на постсинаптической мембране, изменение входного электрического сопротивления постсинаптической мембраны, изменения времени пребывания молекулы ацетилхолина в синаптической щели за счет изменения активности ацетилхолинэстеразы.
Роль процессов синаптической пластичности в обеспечении фундаментальных физиологических процессов в мозге, обеспечивающих обучение, память, сознание, мышление.
Неквантовое выделение нейромедиаторов
Представление о со-существовании процессов квантовой и неквантовой нейросекреции.
Ацетилхолин нейронального и не-нейронального происхождения. Особенности синтеза и метаболизма. Последствия нарушения неквантового освобождения ацетилхолина из двигательных нервных окончаний: изменение потенциала покоя мышечного волокна в синаптической области, изменение плотности распределения ацетилхолиновых рецепторов на постсинаптической мембране и увеличение зоны ацетилхолиновой чувствительности на поверхности мышечного волокна.
Механизм неквантового выделения ацетилхолина : роль различных транспортных систем нервного окончания. Неквантовая секреция в патогенезе отравления ингибиторами ацетилхолинэстеразы.
2. Биофизика органов и систем
Гемодинамика. Мембраны.
Основные понятия гемодинамики Биофизические особенности кровеносных сосудов разного типа (капилляры, вены, аорта, артериолы). Модели кровообращения. Биологические мембраны и их физические свойства. Виды пассивного транспорта. Уравнения простой диффузии. Электродиффузия. Уравнение Нернста-Планка. Активный транспорт через биологические мембраны. Потенциал покоя биологической мембраны. Равновесный потенциал Нернста. Проницаемость мембран для ионов. Понятие об активном транспорте ионов через биологические мембраны. Механизмы формирования потенциала действия на мембранах нервных и мышечных клеток.Электрические и магнитные свойства тканей организма.
Электрические свойства тканей.
1. Ионная проводимость биотканей. Проводимость цитозоля и межклеточной жидкости. Электропроводность целых органов и тканей: кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, мышечная ткань, кожа, кости и т. д.
2. Диэлектрическая проницаемость биотканей. Дисперсия электрических свойств тканей, поляризация тканей.
Физические характеристики электромагнитных полей.
1. Вектор Пойнтинга.
2. Частотные диапазоны электромагнитных полей. Длина волны. Проникающая способность электромагнитного излучения.
Частотная зависимость удельной проводимости и диэлектрической проницаемости биотканей. б, в, г – дисперсии. Использование дисперсии в диагностике. Электрические модели тканей. Токи проводимости, токи смещения.
Взаимодействия электромагнитных полей с организмом. Удельная поглощенная мощность.
Магнитные свойства живых тканей.
Контактные методы воздействия электромагнитных полей на живой организм.
Постоянный ток и импульсный электрический ток.
1. Постоянный ток. Явления, происходящие в организме при прохождении постоянного электрического тока. Лечебное применение (гальванизация, электрофорез).
2. Импульсы низкой частоты. Электростимуляция. Характеристики импульсов. Закон возбуждения Дюбуа-Реймона. Кривая закона Вейса-Лапика.
3. Электродиагностика.
Терапия импульсными токами.
Диадинамические токи.
Короткоимпульсная электроанальгезия.
Переменный ток (лечебное применение)
1. Амплипульстерапия.
2. Интерференцтерапия.
3. Флюктуоризация.
4. Дарсонвализация.
Неконтактные методы воздействия электрического поля на живой организм
1. Электрическое постоянное поле и его действие.
2. Ультравысокочастотный диапазон переменного электрического поля. Медицинское (лечебное) действие переменного поля УВЧ диапазона. Осцилляторный и тепловой компоненты. Тепловой эффект в тканях-диэлектриках и тканях проводниках.
3. Электромагнитные излучении дециметрового и сантиметрового диапазонов и их действия на молекулы.
4. Крайне высокочастотные излучения
Магнитное поле
1. Воздействие постоянного магнитного поля на организм. Влияние магнитных полей на синглет-триплетные переходы в радикальных парах биомолекул.
2. Импульсная и низкочастотная магнитотерапия.
3. Действие магнитного поля на ткани-проводники.
Высокочастотная магнитотерапия (тепловой, нетепловой компонент действия).
3. Квантовая биофизика
Фотобиологические процессы. Способы их изучения:
молекулярная спектроскопия, теория люминесценции, фотохимия
Характеристики светового излучения. Электронные переходы в биомолекулах. Поглощение монохроматического света молекулами в растворах. Спектры пропускания и поглощения.
2. Спектральные приборы. Однолучевые и двухлучевые спектрофотометры. Монохроматоры. Спектрометры. Автоматически управляемые спектральные приборы.
3. Качественный и количественный спектрофотометрический анализ.
4. Явление фотолюминесценции. Электронные переходы в возбужденных молекулах. Основные законы люминесценции.
5. Люминесцентный анализ. Регистрация люминесценции. Флуориметры. Способы регистрации люминесценции.
6. Флуоресцентные зонды и метки.
7. Время жизни возбужденного состояния молекул. Квантовый выход люминесценции. Связь квантового выхода и время жизни возбужденного состояния.
8. Статическое и динамическое тушение флуоресценции. Поляризация люминесценции.
9. Фосфоресценция.
Первичные стадии фотобиологических процессов.
1. Фотобиологические процессы.
Стадии и характеристики фотобиологических процессов. Фотохимический спектр действия.
2. Изменение свойств молекул в электронно-возбужденном состоянии.
3. Фотохимические повреждения нуклеиновых кислот, белков и липидов биомембран. Действие УФ излучения на нуклеиновые кислоты. УФ повреждения белков и аминокислот. Цепное свободнорадикальное окисление липидов.
4. Фотосенсибилизирующее окисление.
Фотобиологические процессы в коже.
1. Фототоксические и фотоаллергические в фотомедицине.
2. Эритема.
3. Фотомеланогенез.
4. Фотоканцерогенез.
5. Фотоаллергия.
6. Фототерапия.
Биофизические основы зрения.
Хемилюминесценция в биологических системах.
1. Молекулярные механизмы образования возбужденных молекул.
2. Хемилюминесценция, сопровождающая образование активных форм кислорода.
3. Хемилюминесценция при активации фагоцитов.
4. Хемилюминесценция при перекисном окислении липидов.
5. Биолюминесценция.
5. Молекулярная биофизика.
1. Экстенсивные и интенсивные параметры состояния макроскопических (термодинамических) систем (термодинамические величины). Три типа систем. Равновесные и неравновесные состояния. Уравнение состояния. Термодинамический подход. Законы термодинамики.
2. Понятие энтропии, и ее физический смысл. Формула Больцмана. Представления (подход) статистической физики. Статистическая энтропия и информационная энтропия.
3. Термодинамические функции. Распределение Гиббса. Каноническое распределение. Статистическая сумма. Вычисление термодинамических функций.
4. Типы взаимодействий в биомолекулах. Сильные связи. Слабые силы. Виды слабых взаимодействий в биологических молекулах. Силы Ван-дер-Ваальса. Водородные связи: физическая природа, величина энергии, свободно-энергетический выигрыш Н-связей в белке.
5. Гидрофобные взаимодействия, их физическая природа, энтропийный эффект. Распределение по «фазам». Понятие «гидрфобной связи» и ее роль в биосистемах.
6. Электростатические взаимодействия в среде неоднородной диэлектрической проницаемостью. Эффективная диэлектрическая проницаемость. Примеры расчета взаимодействия зарядов с учетом поверхности раздела сред с разной диэлектрической проницаемостью.
7. Конформационные превращения. «Континуальные» и «фазовые» превращения. Фазовые переходы первого и второго рода. Кинетика конформационных превращений. Свободно-энергетический барьер. Понятия теории переходных состояний. Уравнение Аррениуса. Термодинамика нуклеации.
8. Вторичные структуры полипептидных цепей. Альфа спирали, бета структуры.
9. Свободная энергия инициации и элонгации альфа спирали. Переход спираль-клубок. Образование бета структуры как фазовый переход первого рода. Скорость образования бета структуры и альфа спирали.
10. Фибриллярные белки, их периодичные структуры. Амилоды. Мембранные белки, особенности их строения и функции. Примеры. Глобулярные белки. Бета слои, их продольная и перпендикулярная упаковка. «Популярные» мотивы.
6. Инструментальные методы диагностики
Часть 1.
1. Физические основы ЯМР. Магнитные свойства ядер.
2. Явление ЯМР. Квантово-механическое объяснение.
3. Явление ЯМР. Классическое рассмотрение.
4. Магнитные диполь - дипольные взаимодействия.
5. Вывод уравнения Блоха для продольной намагниченности. Понятие решетки.
6. Уравнение Блоха для поперечной намагниченности. Сигнал ССИ. Понятие Т2* . Эффект неоднородности магнитного поля.
7. Импульсные последовательности. Метод Хана (метод спинового эхо). Многоимпульсная последовательность Карр-Парселла. Последовательность КПМГ. Методы измерения продольной релаксации.
8. Метод импульсного градиента магнитного поля (Стейскал-Таннер) измерения самодиффузии.
9. Механизмы ядерно-магнитной релаксации. Диполь - дипольное взаимодействие. Релаксация через парамагнитные центры. Спиновая диффузия и др. Связь ширины линии с временами релаксации. Эффект молекулярного движения.
10. Понятие «фаза». ЯМР - релаксация в многофазных системах. Анализ спадов поперечной релаксации в гетерогенных образцах.
11. Основы ЯМР - спектроскопии. Диамагнитное экранирование ядер. Химический сдвиг. Косвенное спин-спиновое взаимодействие.
12. Спектр высокого разрешения. Связь функции формы линии спектра и функции релаксации. Понятие двумерной и трехмерной ЯМР - спектроскопии.
Часть 2.
1. Основы МРТ. Градиенты магнитного поля. Локализация спинов с помощью градиентов магнитного поля. Частотное кодирование. Выбор среза. Воксел, пиксел.
2. Градиент фазового кодирования. Томография с применением преобразования Фурье.
3. Основные методы МР-томографии. Спин-эхо томография. Инверсия-восстановление. Томография по сигналам градиентного эха.
4. Контраст изображения. Основные факторы, влияющие на контраст. Импульсные последовательности, изменяющие контраст: насыщение-восстановление, инверсия восстановление (Т1 - взвешенные томограммы), спиновое эхо (Т2 - взвешенные томограммы).
5. Химсдвиговое томографирование. Модифицированная последовательность инверсия-восстановление STIR. Кросс-релаксация (химический обмен). Контраст по коэффициенту самодиффузии.
6. Контрастирующие агенты: химические вещества изменяющие содержание воды в тканях; магнитные ядра отличные от протонов; парамагнитные катализаторы времен релаксации. Диагностические применения парамагнитных и ферромагнитных контрастирующих веществ.
7. Современные методы исследований в биофизике
1. Основы метода рентгеноструктурного анализа биомакромолекул. Рассеяние рентгеновских лучей. Вектор рассеяния. Структурный фактор. Электронная плотность и обратное преобразование Фурье.
2. Интенсивность рассеяния. Определение структурного фактора. Проблема фаз.
3. Брегговское рассеяние. Обоснование формулы Вульфа-Бреггов. Дифракция рентгеновских лучей. Условия Лауэ. Понятие обратного пространства.
4. Получение макромолекулярных кристаллов. Миллеровы плоскости отражения и индексы. Рефлексы. Метод изоморфного замещения. Основные этапы расшифровки пространственной структуры макромолекул. Примеры анализа пространственной структуры белков по данным рентгеновской дифракции. Современная шестимерная рентгеновская томография.
5. Методы электронной микроскопии. Классификация видов электронной микроскопии. Основы просвечивающей электронной микроскопии. Электромагнитная линза. Сканирующая электронная микроскопия. Электронно-зондовый микроанализ.
6. Методики приготовления образцов для электронной микроскопии. Метод реплик. Криоэлектронная микроскопия.
7. Дифракция электронов. Электронография. Математическое описание дифракции электрона. Полнятие локального потенциала.
8. Нейтронографические методы исследования. Упругое и неупругое рассеивание нейтронов. Дифракция нейтронов и обратное Фурье-преобразование. Источники нейтронов. Нейтронные спектрометры. Малоугловое рассеяние нейтронов. Квазиупругое рассеяние нейтронов и диффузия. Сравнение нейтронного и рентгеновского рассеяний.
9. Методы конфокальной микроскопии. Идеальное оптическое разрешение микроскопа. Функция рассеяния точки. Аксиальное разрешение. Принципы конфокальной микроскопии. Лазерный сканирующий конфокальный микроскоп (ЛСКМ). Спектральный ЛСКМ. Получение оптических срезов. Исследование динамических процессов с помощью ЛСКМ. Мультифотонная микроскопия.
Биофлюоресцентный метод – GFP.
10. Хроматография. Виды хроматографии. Писание движение молекулы в хроматографической колонке. Физическая и химическая адсорбция. Устройство хроматографа. Масс-спектрометрическое детектирование. Принцип и схема магнитного масс-спектрометра. Разделение пучка ионов в магнитном поле. Хроматомасс-спектрометр. Представление масс-спектров.
7. Механизмы транспорта веществ в живых системах. Диффузия. Механизмы патологии
1. Диффузия, самодиффузия, латеральная диффузия. Характеристики самодиффузии. Уравнение Эйнштейна. Коэффициент самодиффузии. Пропагатор. Связь самодиффузии и диффузии. Примеры диффузии в живых системах. Особенности осмоса.
2. Математическое описание диффузии. Диффузионный поток. Уравнения Фика. Коэффициент липофильности. Диффузия и проницаемость. Коэффициент проницаемости.
3. Электродиффузия. Электрохимический потенциал для двухкомпонентной системы. Ионное равновесие. Вывод уравнения Нернста. Решение уравнения электродиффузии в приближении постоянного поля. Уравнение Нернста-Планка. Вывод уравнения Гольдмана-Ходжкина-Катца для мембранного потенциала.
4. Диффузия в живых системах Газообмен как диффузионный процесс в легких человека. Диффузия в эритроцитах человека. Тканевый газообмен.
5. Механизмы переноса веществ через кожу человека.
6. Энтероцит человека. Диффузия в ЖКТ
7. Везикулярный транспорт
8. Диффузия через гематоэнцефалический барьер человека
9. Механизмы переноса через плаценту человека
10. Транспорт ионов. Мембранный потенциал. Диффузия в синапсе. Нейрон. Транспорт через белковые каналы.
11. Процессы переноса в почке. Гемодиализ и диффузия.
12. Транспорт лекарств. Дизайн переносчиков лекарственных веществ. Методы доставки в ткань.
8. Физические основы методов функциональной диагностики
1. Биофизика внешнего дыхания. Основные объемы и емкости легкого. Биомеханика дыхания. Основное уравнение биомеханики дыхания. Уравнение Родера. Роль сурфоктанта в эластическом сопротивлении дыханию. Работа дыхания. «Петля гистерезиса». Методы исследования внешнего дыхания. Показатели адекватности легочной вентиляции. Особенности спирографического метода.
2. Электрокардиография. Биофизика сокращения. Биофизика сердца. Миокард. Потенциал покоя кардиомиоцитов. Потенциал действия. Фазы потенциала действия рабочего миокарда. Электромеханическое сопряжение в миокарде. Механизмы автоматии. Особенности биомеханики миокарда. Алгоритмы исследования функции сердца методом электрокардиографии. Физические основы векторэлектрокардиографии.
3. Электроэнцефалография. Биофизические основы электрогенеза головного мозга. Биофизика исследования головного мозга методом электроэнцефалографии и регистрации вызванных потенциалов головного мозга. Способы отведения ЭЭГ – монополярный, биполярный. Схема наложения электродов для ЭЭГ. Структуры ЭЭГ: ритм, активность, синхронизация, десинхронизация, веретенообразный, депрессия ритма, пароксизмы. Ритмы на ЭЭГ. Функциональные пробы при ЭЭГ.
4. Эхография. Ультразвук в медицине. Источники и приемники ультразвука. Особенности распространения и характерные свойства ультразвука. Действие ультразвука на биологические объекты. Локационные методы. Эхограмма. В-scan. Сонография. Артефакты УЗ диагностики. Эхограммы органов.
5. Доплерография. Эффект Доплера. M-scan. Методы Измерения скорости кровотока. Эхотахокардиография.
9. Аппаратная физиотерапия и реабилитация
1. Неравновесная термодинамика живых систем.
2.Биофизические основы аппаратной физиотерапии и реабилитации. Стохастический резонанс. Гормезис.
3. Тепловые явления. Термотерапия и криотерапия. Рецепторы тепла и холода. Строение TRP-каналов. Механизм холодового шока. Реакции организма на тепловое воздействие.
4. Понятие магнитобиологии. Биологическое действие магнитного поля на организм человека. Модели могнитобиологического эффекта.. Проблема kT. Магниторецепция. «Молекулярный гироскоп».
5. Светолечение. Оптические свойства биологических тканей. Световые методы терапии. Фототерапия.(ИК, видимый свет, УФ). Основные биологические хромофоры. Лазеротерапия. Показания. Лечебные эффекты. Аппаратура.
6. Механолечение. Аппараты пассивного действия, аппараты активного действия, комбинированные и др. Показания.
