Курс общей биофизики
для студентов Биологического факультета МГУ

• Учебник А.Б. Рубина Биофизика

Лекции для студентов физиолого-биохимического отделения читает заведующий кафедрой биофизики Биологического факультета МГУ чл.-корр. РАН, профессор Андрей Борисович Рубин.

• Программа курса (Рубин А.Б.)

Лекции для студентов полевого отделения читают профессора кафедры биофизики Сергей Иосифович Погосян и Юрий Борисович Кудряшов.

• Программа курса (Погосян С.И.)

• Малый практикум

Программа-минимум для сдачи экзамена по курсу ?Общая биофизика?

Кинетика биологических процессов

• Реакции нулевого, первого и второго порядка; размерности констант этих реакций.
• Что называется переключением триггерного типа? Силовое и параметрическое переключение триггера.
• Что называется гистерезисными явлениями? Петля гистерезиса. Примеры.
• Что называется автоколебательным режимом? Понятие предельного цикла. Примеры.
• Что называется диссипативными структурами? Условия реализации стационарности в кинетике ферментативных процессов.
• Смысл константы Михаэлиса.
• Как экспериментально определить энергию активации реакции?
• Как отличить ферментативную реакцию от неферментативной?

Термодинамика биологических процессов

• Сформулируйте первый закон термодинамики.
• Как определить энергетический эффект реакции в биологических системах? (по редокс-потенциалу, понятие химического потенциала)
• Понятие энтропии.
• Сформулируйте второй закон термодинамики.
• Сформулируйте постулат Пригожина.
• Термодинамические условия осуществления стационарного состояния.
• Различие термодинамического и динамического равновесия.
• Динамическое равновесие и стационарное состояние.
• Что такое термодинамическое сопряжение реакций в биологических системах?
• Понятие обобщенных сил и обобщенных потоков. Примеры.
• Линейные соотношения и соотношения взаимности Онзагера.
• Формулировка теоремы Пригожина.
• Критерии устойчивости стационарных состояний.
• Как связаны энтропия и информация в биологических системах?

Молекулярная биофизика

• Что происходит при переходе глобула-белок?
• Что называют кооперативными свойствами макромолекул?
• Перечислите типы объемных взаимодействий молекул.
• Что называется конформационной подвижностью?
• Метод молекулярной динамики.
• Понятие о гидрофобных взаимодействиях.
• Энергетические условия стабилизация макромолекул.
• Иерархия амплитуд и времен релаксации конформационных движений.
• Какова роль воды в динамике белков?
• Принципы метода люминесцентных меток и зондов.
• Принципы метода ЭПР.
• Принципы метода гамма-резонансной спектроскопии.
• Принципы метода ЯМР высокого разрешения и импульсных методов ЯМР.
• Схема Яблонского.
• Принцип Франка-Кондона и законы флуоресценции.
• Что называется миграцией энергии и как доказать его существование.
• Тушение возбужденных состояний. Тушители возбужденных состояний.

Структура и функционирование биологических мембран

• Активные формы кислорода.
• Назовите механизмы генерации активных форм кислорода в организме.
• Какие реакции в организме могут протекать с участием активных форм кислорода?
• Какова роль ферментов, антиоксидантов и тушителей в защите от активных форм кислорода.
• Основные структуры биологических мембран.
• Перечислите свойства биологической мембраны.
• Что такое амфифильные молекулы?
• Перечислите свойства липидного бислоя.
• Чем обусловлена асимметрия липидного бислоя и плазматической мембраны.
• За счет чего формируется поверхностное натяжение липидного бислоя?
• Биологическое значение фазового перехода мембраны.
• Чем обусловлена механическая стабильность липидного бислоя (подвижность молекул, латеральная диффузия).
• Дайте определение понятию поверхностный заряд на мембране.
• Дайте определение понятию трансмембранный потенциал.

Проницаемость биологической мембраны

• Первый и второй закон Фика; облегченная диффузия.
• Устройства потенциалзависимых каналов (натриевый, кальциевый, калиевый каналы). Схема работы Na,K-АТРазы.
• Критерии активного транспорта.
• Что такое диффузный потенциал.
• Что такое активность, подвижность ионов?
• Как влияет подвижность ионов на установление потенциала в системе связанных объемов, заполненных одинаковыми электролитами с разной концентрацией.

Потенциал действия и возбудимость

• Назовите фазы потенциала действия у животной и растительной клетки.
• Дайте определение локального потенциала.
• Дайте определение потенциала действия.
• Дайте определение следовой поляризации и гиперполяризации.
• Эквивалентная электрическая схема мембраны.
• Сформулируйте (запишите) кабельное уравнение.
• Уравнение Нернста.
• Как определить сопротивление и емкость мембраны.

Биофизика фотосинтеза

• Какова структурная организация фотосинтетического аппарата.
• Отличие индуктивно-резонансного и экситонного механизмов возбуждения.
• Механизм передачи энергии поглощенного кванта света в реакционный центр.
• За какое время и как происходит разделение зарядов в реакционном центре.
• Что называется электронно-конформационным взаимодействием.
• Каким образом происходит сопряжение окислительно-восстановительных реакций с трансмембранным переносом протона?
• Что называется фотохимическим и нефотохимическим тушением возбужденных состояний.
• Механизм фотоингибирования.
• К каким последствиям может привести ингибирование фотосинтетического транспорта электронов при интенсивном облучении растения?
• Изобразить спектр флуоресценции произвольного вещества при температуре 300К и 10К. Объясните различия.
• Чему равна эффективность миграции энергии, если расстояние между донором и акцептором равно радиусу Ферстера для данной пары донор-акцептор?
• Как изменится квантовый выход флуоресценции хлорофилла в составе ССК фотосистемы 2, если перенос по ЭТЦ электронов нарушен диуроном?
• Механизм нефотохимического тушения флуоресценции. Роль каротиоидов.

Фоторегуляторные и фотодеструктивные процессы

• Что называется спектром действия?
• Опишите механизмы первичных фотореакций.
• Какие изменения биополимеров может вызвать УФ-излучение?
• Что такое фотосенсибилизированные реакции?

Радиационная биофизика

• Виды ионизирующих излучений. Корпускулярные и электромагнитные ионизирующие излучения. Их основная физическая характеристика (заряд, масса, энергия, проникающая способность или пробег, линейная плотность ионизации). Граница между ионизирующим и неионизирующим электромагнитным излучением.
• Дозы ионизирующих излучений (экспозиционная, поглощенная, эквивалентная, эффективная) и их единицы (внесистемные и в Международной системе единиц). Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) разных видов излучения. Взвешивающие коэффициенты для разных видов излучения. Взвешивающие тканевые коэффициенты. Понятие мощности дозы.
• Основные радиационные факторы, определяющие радиобиологические эффекты: внешнее и внутреннее облучение, вид ионизирующего излучения, доза облучения (основные характеристики дозовой кривой гибели многоклеточных организмов), пространственное распределение дозы облучения в организме, временн?е распределение дозы облучения.
• Основные биологические факторы, определяющие радиобиологические эффекты: вид живого организма, возраст (стадия развития), пол. Понятие радиочувствительности. Ориентировочные значения полулетальных доз для различных биологических объектов. Радиочувствительность млекопитающих на разных стадиях внутриутробного развития.
• Дозовая зависимость продолжительности жизни млекопитающих при действии ионизирующего излучения. Понятие критических органов и тканей. Синдромы острого лучевого поражения, их основная характеристика, дозовые и временные диапазоны возникновения.
• Лучевая болезнь человека. Определение острой и хронической лучевой болезни. Периоды и фазы острой лучевой болезни. Классификация острой лучевой болезни. Отдаленные последствия облучения.
• Стохастические и детерминированные, генетические и соматические эффекты облучения, примеры.
• Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений. Эффект Дейла. Радиолиз воды. Основные продукты радиолиза воды. Основные реакции, ведущие к радиационному повреждения биомолекул продуктами радиолиза воды.
• Дозовые кривые выживаемости облученных клеток (основные количественные характеристики). Теория мишени (принцип попадания и принцип мишени). Особенности кривых выживаемости при действии различных видов излучения, а также при отсутствии или наличии репарационных процессов.
• Кислородный эффект в радиобиологии. Зависимость кислородного эффекта от величины линейной потери энергии (ЛПЭ) излучения. Зависимость кислородного эффекта от концентрации кислорода. Гипотеза Говарда-Фландерса и Альпер о механизме кислородного эффекта (гипотеза кислородной фиксации). Понятие о летальных и потенциально-летальных повреждениях. Значение кислородного эффекта при радиотерапии опухолей.
• Противолучевые химические средства. Классификация. Механизмы действия. Показатели эффективности. Фактор изменения дозы. Примеры. Понятие идеального радиопротектора.
• Активные формы кислорода и основные антиоксидантные системы, участвующие в их регуляции.

Экзаменационные билеты
(весенняя сессия, май 2014)

Билет ? 1

1. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Методы определения К_м и V_max. Конкурентное и неконкурентное ингибирование. 
2. Прямое и непрямое действие ионизирующих излучений. Радиолиз воды. Антиокислительные системы, участвующие в регуляции активных форм кислорода. 
3. Применение  методов адсорбционной спектроскопии для исследования биологических объектов в ультрафиолетовой и видимой области.

Билет ? 2

1. Поверхностный заряд мембраны. Двойной электрический слой; происхождение электрокинетического потенциала. Влияние рН и ионного состава среды на поверхностный потенциал.  
2. Свободно радикальные состояния в биологических системах. Активные формы кислорода. 
3. Флуоресцентные методы исследования фотосинтетических процессов.

Билет ? 3

1. Пассивный транспорт; движущие силы переноса ионов. Электродиффузионное уравнение Нернста-Планка. Уравнения постоянного поля для потенциала и ионного тока. Проницаемость и проводимость. Соотношение односторонних потоков (соотношение Уссинга).  
2. Принцип Франка-Кондона. Флуоресценция.  Квантовый выход и время жизни возбужденного состояния. 
3. ЭПР-спектроскопия в исследовании биологических мембран.

Билет ? 4

1. Линейные и нелинейные уравнения в математических моделях биологических процессов.
2. Разделение зарядов и перенос электрона в первичных стадиях процессах фотосинтеза. Роль электронно-конформационных взаимодействий. 
3. Исследование состояния фотосинтетической электрон-транспортной цепи методом длительного послесвечения хлорофилла.

Билет ? 5

1. Фотосенсибилизаторы. Фотодинамическое действие. 
2. Первый и второй законы термодинамики в биологии. Характеристические функции и их использование в анализе биологических процессов. Расчеты энергетических эффектов реакций в биологических системах. 
3. Методы исследования электрических свойств бислойных липидных мембран и липосом.

Билет ? 6

1. Структурная организация биологической мембраны. Характеристика мембранных белков и липидов.  Фазовый переход. Латеральная подвижность и флип-флоп переходы. 
2. Виды ионизирующих излучений. Общая физическая характеристика. Граница между ионизирующим и неионизирующим электромагнитным излучением. 
3. Метод ЭПР в исследовании внутримолекулярной подвижности.

Билет ? 7

1. Типы объемных взаимодействий. Критерии устойчивости макромолекул. 
2. Транспорт электролитов. Электрохимический потенциал. Ионное равновесие на границе мембрана-раствор. Профили потенциала и концентрации ионов в двойном электрическом слое. 
3. ЯМР-спектроскопия в исследовании внутримолекулярной подвижности.

Билет ? 8

1. Ионные каналы; теория однорядного транспорта. Ионофоры: переносчики и каналообразующие агенты. Ионная селективность мембран. 
2. Основные положения теории Митчела; электрохимический градиент протонов; энергизированное состояние мембран; мембранный потенциал митохондрий, хлоропластов и хроматофоров бактерий; роль Н+-АТФазы. 
3. Люминесцентные методы в исследовании внутримолекулярной подвижности.

Билет ? 9

1. Временная иерархия и принцип ?узкого места? в биологических системах. Примеры. Управляющие параметры. Быстрые и медленные переменные. 
2. Основные радиационные факторы, определяющие радиобиологические эффекты 
3. Применение  методов адсорбционной спектроскопии для исследования биологических объектов в ультрафиолетовой и видимой области.

Билет ? 10

1. Модели распределенных систем в биологии (уравнение диффузии). 
2. Дозы ионизирующих излучений (экспозиционная, поглощенная, эквивалентная, эффективная) и их единицы. Мощность дозы.
3. Метод регистрации токов  ионных каналов  (?пэтч-кламп? метод).

Билет ? 11

1. Транспорт неэлектролитов. Простая  и ограниченная диффузия. Законы Фика. Связь проницаемости мембран с растворимостью проникающих веществ в липидах. Облегченная диффузия. 
2. Биологические триггеры. Силовое и параметрическое переключение триггера. Гистерезисные явления. Примеры. 
3. ЭПР-спектроскопия в исследовании биологических мембран.

Билет ? 12

1. Потенциал действия. Роль ионов Na, Са и K в генерации потенциала действия в нервных и мышечных клетках; роль ионов Ca и Cl в генерации потенциала действия в клетках водоросли. Кинетика изменений потоков ионов при потенциале действия. Описание ионных потоков в модели Ходжкина-Хаксли. 
2. Механизмы переноса электрона при фотосинтезе. Зависимость от температуры. 
3. Метод хемолюминесценции в исследовании генерации активных форм кислорода и перекисного окисления липидов.

Билет ? 13

1. Ионные токи в модели Ходжкина-Хаксли. Воротные токи. 
2. Основные биологические факторы, определяющие радиобиологические эффекты. Понятие радиочувствительности. 
3. Метод флуоресцентных зондов в исследованиях состояния клеточных мембран и молекул. Примеры.

Билет ? 14

1. Структурная организация и функционирование фотосинтетических мембран. Фотосинтетическая единица. 
2. Временные характеристики динамической подвижности белков. 
3. Люминесцентные методы в исследовании внутримолекулярной подвижности.

Билет  ? 15 

1. Основные фазы потенциала действия (локальный ответ, ПД, следовые потенциалы). Роль локального потенциала в генерации потенциала действия, рецепторного и синаптического потенциала. 
2. Окислительный стресс. Активные формы кислорода и пути их образования. 
3. Применение метода спиновых зондов и меток в биологических исследованиях.

Билет ? 16

1. Кинетика простейших ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Влияние ингибиторов на кинетику ферментативных реакций.
2. Два типа фотодинамических реакций.
3. Метод хемолюминесценции в исследовании генерации активных форм кислорода и перекисного окисления липидов.

Билет ? 17

1. Физико-химические механизмы стабилизации мембран. Особенности фазовых переходов в мембранных системах. Вращательная и трансляционная подвижность фосфолипидов, флип-флоп переходы. Латеральная диффузия мембранных липидов. 
2. Кислородный эффект в радиобиологии и его механизмы. 
3. Модели хаотических процессов в биологии.

Билет ? 18

1. Изменение энтропии в открытых системах. Постулат Пригожина. Термодинамические условия осуществления стационарного состояния. Примеры. 
2. Модельные мембранные системы. Монослой на границе раздела фаз. Бислойные мембраны. Протеолипосомы. 
3. Флуоресцентные методы исследования фотосинтетических процессов.

Билет ? 19

1. Конформационная подвижность белков. Иерархия амплитуд и времен конформационных движений. Связь характеристик конформационной подвижности белков с их функциональными свойствами. 
2. Молекулярные механизмы повреждающего действия кислорода. Роль свободно-радикальных реакций и синглетного кислорода.
3. Методы регистрации мембранного потенциала и ионных токов. 

Билет ? 20

1. Механизмы ферментативного катализа. Электронно-конформационные взаимодействия в фермент-субстратном комплексе. 
2. Потенциал покоя, его происхождение и интерпретация на основе эквивалентной электрической схемы мембраны. Равновесные потенциалы для ионов К и Na. 
3. Флуоресцентные методы исследования внутриклеточного рН и рСа.

Билет ? 21

1. Принцип Франка - Кондона и законы флуоресценции. Люминесценция биологически важных молекул. 
2. Ионный транспорт в каналах. Молекулярное строение канала. Модели ?поры? и кластера.
3. Методы обнаружения свободно радикальных состояний.

Билет ? 22

1. Обобщенные силы и потоки. Соотношения  Онзагера. Термодинамика транспортных процессов.
2. Перенос электрона в электрон-транспортных цепях  и  физические модели переноса электрона. Туннельный эффект. 
3. Метод регистрации токов  ионных каналов  (?пэтч-кламп? метод). 

Билет ? 23

1. Роль конформационной подвижности в функционировании белков. Электронно-конформационные взаимодействия. Роль воды в динамике белков.
2. Проницаемость мембран для воды. Закон Вант-Гоффа. Осмотические свойства клеток и органелл. Движущие силы транспорта воды. 
3. Модели хаотических процессов в биологии.

Билет ? 24

1. Молекулярные моторы. Н⁺-АТФаза. 
2. Дозовые кривые выживаемости облученных клеток (основные характеристики). Теория мишени.
3. Принцип метода моделирования молекулярной динамики белков.

Билет ? 25

1. Фотохимические реакции повреждения белков и нуклеиновых кислот. 
2. Физико-химические процессы в нервных волокнах при проведении потенциала действия и ритмического возбуждения. Теплопродукция и светорассеяние белков и липидов при генерации потенциала действия. 
3. ЭПР - спектроскопия при исследовании биологических мембран.

Билет ? 26

1. Молекулярная организация биологических мембран. Состав, строение, образование. Термодинамика процессов формирования и устойчивости мембран. Белок-липидные взаимодействия. Фазовый переход. 
2. Механизмы миграции энергии в фотосинтетической системе. Реакционные центры фотосинтеза. 
3. Метод регистрации токов  ионных каналов  (?пэтч-кламп? метод).

Билет ? 27

1. Активный транспорт натрия, калия и кальция. Транспорт протонов.
2. Острая лучевая болезнь человека. Стохастические и детерминированные, генетические и соматические эффекты облучения, примеры. 
3. Принцип метода моделирования молекулярной динамики белков. 

Билет ? 28

1. Активный транспорт. Электрогенный транспорт ионов.
2. Противолучевые химические средства. Классификация. Механизмы действия. Показатели эффективности. Фактор изменения дозы. Примеры. Понятие идеального радиопротектора. 
3. Флуоресцентные методы исследования состояния фотосинтетического аппарата растений.

Билет ? 29

1. Связь энтропии и информации в биологических системах. 
2. Типы объемных взаимодействий в белковых макромолекулах. Водородные связи: силы Ван-дер-Ваальса; электростатические взаимодействия; поворотная изомерия и энергия внутреннего вращения. Общая конформационная энергия биополимеров. 
3. Модели хаотических процессов в биологии.

Билет ? 30

1. Автоколебательные режимы. Колебания в гликолизе. 
2. Физико-химические процессы в нервном волокне при возбуждении (теплопродукция, светорассеяние, энергообеспечение). Состояние мембраны, ионный транспорт. 
3. ЯМР-спектроскопия в исследовании внутримолекулярной подвижности.

Билет ? 31

1. Механизмы фотоингибирования в фотосинтезе.
2. Транспорт ионов. Ионное равновесие; электрохимический потенциал; профили потенциала и концентрации у границы раздела фаз; коэффициент распределения; двойной электрический слой.
3. Флуоресцентные методы исследования состояния фотосинтетического аппарата растений.

Билет ? 32

1. Стационарное состояние и условия минимума скорости прироста энтропии. Теорема Пригожина.
2. Электродиффузионная теория транспорта ионов через мембрану. Электрохимический потенциал и его компоненты. Взаимодействие ионов с растворителем. Диффузионный потенциал. Уравнения для ионных потоков и мембранного потенциала.
3. Принцип метода моделирования молекулярной динамики белков.

Билет ? 33

1. Механизмы миграции энергии
2. Представления о пространственно неоднородных стационарных состояниях (диссипативных структурах) и условиях их образования.
3. Люминесцентные методы в исследовании внутримолекулярной подвижности.

Билет ? 34

1. Распределенные динамические модели.
2. Молекулярные механизмы повреждающего действия кислорода. Роль свободно-радикальных реакций и синглетного кислорода.
3. Методы регистрации мембранного потенциала и ионных токов.