fizicheskie_processy_v_zhivyh_sistemah-mag

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Биологический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе
_________________ Е.Г. Елина
"____" ______________ 2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Физические процессы в живых системах
Направление подготовки
020400 Биология
Магистерская программа
Общая биология
Квалификация выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов,
2011
1
1. Цели освоения дисциплины.
Цель освоения дисциплины: Рассмотрение основных физических и физико-химических
закономерностей, лежащих в основе функционирования биологических объектов, функций
живого организма, механизмов получения информации о состоянии внутренней и внешней
среды, характеристик медико-биологических параметров, определяющих состояние организма
и его адаптацию к меняющимся условиям внешней и внутренней среды.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры:
Цикл Б.2, вариативная часть. Дисциплина изучается во 2 семестре.
Для успешного освоения курса необходимы знания по физике, биофизике,
органической и биологической химии. Дисциплина опирается на основные закономерности,
преподаваемые в рамках дисциплин: математика, биофизика, физиология человека и
животных, физиология растений и микробиология.
В программе данной дисциплины рассматриваются основные вопросы кинетики
биологических процессов, построение физических и математических моделей биологических
систем. Выявляет особенности ферментативных реакций. Знания, полученные в ходе освоения
дисциплины «Физические процессы в живых системах» необходимы для изучения дисциплин
«Современные направления исследований физиологии растений и животных», «Молекулярногенетические основы коммуникации организмов», «Проблемы геномики, протеомики,
гликомики».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины.
В процессе освоения дисциплины формируются общекультурные и профессиональные
компетенции ОК-1, ПК-1, ПК-2, ПК-10, СК-2, СК-3.
ОК-1: способен к творчеству (креативность) и системному мышлению;
ПК-1: понимает современные проблемы биологии и использует фундаментальные
биологические представления в сфере профессиональной деятельности для постановки и
решения новых задач.
ПК-2: знает и использует основные теории, концепции и принципы в избранной
области деятельности, способен к системному мышлению.
ПК-10: глубоко понимает и творчески использует в научной и производственнотехнологической деятельности знания фундаментальных и прикладных разделов специальных
дисциплин магистерской программы.
СК-3: владеет современными методами общей биологии и эффективно использует их
для решения практических задач биомедицины, сельского хозяйства, биотехнологии, охраны
природы и образования;
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: физические принципы строения и биофизические основы, функционирования
клеточных структур, клеток, органов и систем организма; основные физические и
физико-химические законы, лежащие в основе функционирования биологических
систем; об основные проблемы, современное состояние и перспективы развития
физики биологических систем; правила организации и проведения биофизических
наблюдений и опытов основные наглядные пособия, приборы и ТСО физики
биологических систем; охрану труда и технику безопасности при выполнении
2
практических работ по всем разделам дисциплины, а также общие требования по
технике безопасности в лабораториях.
Уметь: применять полученные знания из области биофизики для углубленного освоения
смежных дисциплин: вскрывать физические и главным образом физико-химические
механизмы; жизнедеятельности и закономерности функционирования биологических
объектов и систем; применять законы механики, оптики, акустики, термодинамики,
гидродинамики для описания происходящих в биологических системах процессов
осуществлять кинетический и аналитический подход к изучению сложных систем и
предсказание их поведения; применять методические приемы проведения
биофизических исследований; работать лабораторными приборами и материалами;
оформлять результаты наблюдений (таблицы, графики, схемы);
Владеть: навыками осмысленного применения физических и биофизических методов
исследования состояния биологических объектов, диагностики состояния и управления
им при использовании энергетических, вещественных и информационных воздействий;
навыками организации и проведения основных биофизических опытов и наблюдений;
навыками усвоения научно-исследовательских методик и их адаптирования под
конкретные условия; навыками групповой и индивидуальной работы в ходе учебного,
научно-исследовательского и профессионально-педагогического процессов; навыками
самостоятельной работы с литературой, и навыками работы с электронными
средствами информации.
4. Структура и содержание дисциплины.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единиц 108 часов.
1
2
3
4
5
6
7
Самост. раб.
Семи-ары
Лаб. раб.
Виды учебной работы, включая
самостоятельную работу студентов и
трудоемкость (в часах)
Лекции
Раздел дисциплины
Неделя семестра
№
п/п
Семестр
4.1. Структура дисциплины.
Формы текущего
контроля успеваемости
(по неделям семестра)
Формы промежуточной
аттестации (по
семестрам)
Основные особенности
кинетики биологических
процессов
Общие принципы
построения
математических моделей
биологических систем.
Способы математического
описания пространственно
неоднородных систем
Колебательные процессы в
биологии
Кинетика ферментативных
процессов
Понятие о физике
ферментативного катализа
2
1, 2
2
4
10
Устный опрос
2
2, 3,
4
2
4
5
Устный опрос,
рефераты
2
3, 5,
6
2
4
5
Устный опрос,
рефераты
2
2
4
5
Устный опрос
2
4
5
2
4
5
Устный опрос,
рефераты
Устный опрос,
рефераты
Принципы анализа
2
4, 7,
8
5, 9,
10
6,
11,
12,
7,
2
6
5
2
2
Устный опрос
3
сложных ферментативных
реакций.
8
Взаимосвязь кинетических
и термодинамических
параметров.
Промежуточная аттестация
Итого
2
2
13,
14,
15
8,
16,
17
17
2
16
4
8
Контрольная
работа
34
10
58
Зачёт
Зачет
4.2. Содержание учебной дисциплины.
Тема 1. Основные особенности кинетики биологических процессов. Описание
динамики биологических процессов на языке химической кинетики. Математические модели.
Задачи математического моделирования в биологии.
Тема 2. Общие принципы построения математических моделей биологических систем.
Понятие адекватности модели реальному объекту. Динамические модели биологических
процессов. Линейные и нелинейные процессы. Методы качественной теории
дифференциальных уравнений в анализе динамических свойств биологических процессов.
Понятие о фазовой плоскости и фазовом портрете системы. Временная иерархия и принцип
"узкого места" в биологических системах. Управляющие параметры. Быстрые и медленные
переменные.
Тема 3. Способы математического описания пространственно неоднородных систем.
Стационарные состояния биологических систем. Множественность стационарных состояний.
Устойчивость стационарных состояний. Модели триггерного типа. Примеры. Силовое и
параметрическое переключение триггера. Гистерезисные явления.
Тема 4. Колебательные процессы в биологии. Автоколебательные режимы. Предельные
циклы и их устойчивость. Примеры. Представления о пространственно неоднородных
стационарных состояниях (диссипативных структурах) и условиях их образования
Тема 5. Кинетика ферментативных процессов. Особенности механизмов
ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Влияние модификаторов на
кинетику ферментативных реакций.
Тема 6. Понятие о физике ферментативного катализа. Кинетика простейших
ферментативных реакций. Условия реализации стационарности. Применение метода графов
для исследования стационарной кинетики ферментативных реакций.
Тема 7. Общие принципы анализа более сложных ферментативных реакций. Влияние
температуры и других факторов на кинетические характеристики работы ферментов в
биологических системах.
Тема 8. Взаимосвязь кинетических
конформационных свойств биополимеров.
и
термодинамических
параметров.
Роль
Темы семинарских занятий
1. Энергетический профиль химической реакции. Энергия активации.
2. Правило Ван-Гоффа и уравнение Аррениуса.
3. Кривые Максвелла-Больцмана, химические реакции 1 и 2 порядка.
4
4. Константа Михаэлиса ее смысл и определение величины, вывод через график ЛайнуивераБерка.
5. Биологические примеры параллельных, циклических и цепных реакций.
6. Энергия и энтропия активации ферментативных реакций. Уравнение Эйринга.
7. Динамическая модель ферментативного катализа Д. Кошланда.
8. Моделирование как биофизический метод исследования.
5. Образовательные технологии.
В ходе реализации программы дисциплины будут использованы следующие
образовательные технологии:
 интерактивное обучение — диалоговое обучение, в ходе которого осуществляется
взаимодействие преподавателя и обучаемого; вовлечение в процесс познания,
максимального количества учащихся, в атмосфере доброжелательности и взаимной
поддержки. Для этого на лекциях предполагается использовать систему презентации с
демонстрацией отдельных задач виртуального практикума;
 на лекциях и семинарах использовать образовательные технологии: «Ролевая игра»,
Тестирование, «Мини-лекция», мастер-классы с привлечением специалистов по
реализации инструментальных методов анализа; разработка «Проекта (схемы)
исследования»; приобретение навыков работы на приборах; экскурсии в центры
коллективного пользования для знакомства с уникальным оборудованием;
 подготовка рецензий на рефераты и доклады на семинарах, научные статьи;
 привлечение студентов к научной работе на кафедре.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации
по итогам освоения дисциплины.
Темы рефератов и устных сообщений
1. Энтропия и информация в живых системах
2. Физическая интерпретация биологических законов.
3. Химические процессы и молекулярная самоорганизация.
4. Термодинамические особенности живых систем.
5. Физические принципы воспроизводства и развития живых систем.
6. Энтропия и ее роль в построении современной картины мира.
7. Физические модели в биологии.
8. Конформационная энергия и пространственная организация биополимеров.
9. Механизмы ферментативного катализа.
10. Состояние хаоса и его роль в биологических системах
Вопросы для текущего контроля и промежуточной аттестации
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Стационарное состояние на примере физической модели
Особенности кинетики биологических процессов
Характеристика последовательных и параллельных реакций
Циклические, автокаталитические и цепные реакции
Способы определения энергии активации реакции
Что такое константа Михаэлиса
Влияние температуры на скорость химических реакций.
Характеристика распределения Максвелла-Больцмана
Объяснение уравнения Аррениуса
5
10. Современное представление о механизме действия ферментов
11. Электронно-релаксационная теория ферментативного катализа
12. Особенности нелинейной термодинамики
13. Описание биологического триггера
14. Характеристика автоволновых процессов
15. Примеры диссипативных структур
16. Точка бифуркации
17. Характеристика предельного цикла
18. Гистерезисные явления
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля)
а) Основная литература:
1. Рубин А.Б. Биофизика в 2-х тт.-М.: изд-во МГУ, 2004.- 464с
2. Артюхов В.Г. и др. Биофизика: Учебник для вузов.- М.: Деловая книга, 2009.-294с
б) Дополнительная литература:
1. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика М.-ФАИР-Пресс, 1999,720с
2. Ризниченко Г.Ю. Лекции по математическим моделям в биологии М.-Ижевск, 2002,
323с
3. Рубин А.Б. Биофизика т.1 Теоретическая биофизика М.Наука, МГУ, 2004, 464с
4. Келети Т. Основы ферментативной кинетики М. Мир, 1990, 348с
5. Волобуев А.Н. Курс медицинской и биологической физики Самара, Самар. Дом печати,
2002, 432с.
6. Корниш-Боуден Э. Основы ферментативной кинетики. М.: Мир, 1979.- 280с
7. Березин И.В., Мартинек К.А. Основы физической химии ферментативного катализа. М.
Высшая школа, 1977. - 280с
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Мультимедийное оборудование, компьютеры, слайды, таблицы.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций
и Примерной ООП ВПО по направлению 020400-Биология.
Автор:
Доцент кафедры биохимии
и биофизики, к.б.н
._________________________ И.К. Миронова
Программа одобрена на заседании кафедры биохимии и биофизики от 07.02.2011года,
протокол № 165
Подписи:
Зав. кафедрой биохимии
и биофизики, д.б.н., профессор
__________________________ С.А. Коннова
екан биологического факультета.
д.б.н., профессор
__________________________ Г.В. Шляхтин
6
Приложение 1.
Оценка качества освоения студентами
учебной дисциплины «Физические процессы в живых системах»
в соответствии с бально-рейтинговой системой
Ведущий преподаватель: доцент кафедры биохимии и биофизики И.К.Миронова.
Качество освоения студентами учебной дисциплины «Физические процессы в живых
системах» определяется суммой баллов, набранных в ходе
- текущей аттестации – 80 баллов,
- промежуточной аттестации (экзамен) – 20 баллов.
Аттестация по данной дисциплине включает:
Текущая аттестация
Коэффициент Максимальное
количество
баллов
0
0
Тестовые задания
Самостоятельная аудиторная работа :
Письменный и устный контроль знаний на семинарских
(практических) занятиях*
Контрольная работа
Самостоятельная внеаудиторная работа:
Подготовка реферата **
Научно-исследовательская деятельность:
Отчет о выполнении практических (лабораторных)
работ ***
Промежуточная аттестация (зачет)
0,6
100
0,1
60
40
100
0,1
100
0,2
100
Примечание:
* Результаты письменного и устного контроля знаний на семинарских (практических) занятиях оцениваются
следующим образом: средняя итоговая оценка по пятибалльной системе умножается на 12 (Например, оценка «5»
5 х 12= 60 баллов; «4,5» 4,5 х 12 = 54; «4» 4 х 12 = 48 и т.д.).
** Рабочей программой дисциплины предусмотрена подготовка студентом одного доклада. Максимальная оценка
– 100 баллов.
*** Максимальная оценка в 100 баллов выставляется при условии своевременного предоставления правильных
отчетов о выполнении всех практических (лабораторных) работ.
Пересчет в итоговую оценку суммы баллов, полученной студентом по всем видам
текущего и промежуточного контроля, производится в соответствии со следующей шкалой:
Сумма баллов, набранных
студентом по итогам изучения
дисциплины
Зачет
0-55
«не зачтено»
56-70
71-85
85-100
«зачтено»
Темы рефератов представлены в тексте программы, контрольные работы в Приложении
2.
7
Приложение 2.
Контрольная работа
по теме «Физические модели биологических систем» для магистров
Вопросы к контрольной работе:
1. Понятие физического моделирования
2. Моделирование как средство экспериментального исследования
3. Моделирование как категория.
4 Понятие модели
5 Биологические модели
Литература
1. Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики. М. Наука, 1977, 286с
2. Штоф В.А. Моделирование и философия. М, Наука, 1966.
3. Брода Э. Эволюция биоэнергетических процессов. М. Мир, 1978, 304с
4. Гладышев Г.П. Термодинамика и микрокинетика природных иерархических процессов. М.
Наука, 1988, 186с
5 ЛурьеД., Вагенсберг Х Термодинамика и регуляция биологических процессов, М. Наука,
2000 334с
8