Презентация на тему Биофизика, как наука. История и методология биофизики. Кинетика биологических процессов. Термодинамика биологических процессов

учеб. / А. Б. Рубин. - 3-е изд., испр.

и доп.. - М. : Изд-во МГУ : Наука. - (Классический университетский учебник). Т. 1 : Теоретическая биофизика. - 2004. - 448 с. : ил.
 
2) Рубин, Андрей БорисовичБиофизика [Текст] : учеб. / А. Б. Рубин. - 3-е изд., испр. и доп.. - М. : Изд-во МГУ : Наука. - (Классический университетский учебник). Т. 2 : Биофизика клеточных процессов. - 2004. - 469 с. : ил.
 
3) Ярмоненко, Самуил Петрович. Радиобиология человека и животных : учеб. пособие / С. П. Ярмоненко, А. А. Вайнсон. - М. : Высш. шк., 2004. - 549 с. : ил.
 
4) Нолтинг, Б. Новейшие методы исследования биосистем / Б. Нолтинг; пер. с анг. Н. Н. Хромова-Борисова. - М. : Техносфера, 2005. - 256 с.. - (Мир биологии и медицины)
 
5) Основы физики и биофизики : учеб. пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 310800 "Ветеринария" и 310700 "Зоотехния" / А.И. Журавлев, А.С. Белановский, В.Э. Новиков [и др.] ; под ред. засл. деят. науки РФ, д.б.н., проф
 
6) Бёккер, Ю. Спектроскопия [Электронный ресурс] / Бёккер Ю.. - Москва : РИЦ "Техносфера", 2009. - 528 с.. - (Мир химии) Полный текст находится в ЭБС "Университетская библиотека онлайн".

[Текст] : учеб. пособие / Е. В. Бигдай [и

др.] ; под peд. С. П. Вихрова, В. О. Самойлова. - М. : Горячая линия-Телеком, 2008 - . Т. 1 : Биоэнергетика, биомембранология и биологическая электродинамика. - 2008. - 493 с.. - (Учебн
 
2) Биофизика для инженеров [Текст] : учебник / Е. В. Бигдай [и др.]. - М. : Горячая линия-Телеком, 2008 - . Т. 2 : Биомеханика, информация и регулирование в живых системах. - 2008. - 456 с.. - (Учебное пособие для высших учебных заведений). - Библиогр.:
 
3) Беккер, Юрген. Спектроскопия / Ю. Беккер ; пep. с нем Л. Н. Казанцева. - М. : Техносфера, 2009. - 527 с.. - (Мир химии). - Библиогр.: с. 507-523
 
4) Практикум по радиобиологии : учеб. пособие / Н. П Лысенко [и др.]. - М. : КолосС, 2007. - 399 с.. - (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений)
 
5) Джаксон, Мейер Б. Молекулярная и клеточная биофизика [Текст] / М. Джаксон ; пер. с англ. под ред. д-ра хим. наук А. П. Савицкого и д-ра биол. наук А. И. Журавлева. - М. : Мир : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 551 с. : ил., табл. ; 25. - Библиогр.: с. 5
 
6) Ризниченко, Галина ЮрьевнаЛекции по математическим моделям в биологии [Текст] / Г. Ю. Ризниченко. - М. : НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика". Ч. 1 : Описание процессов в живых системах во времени. - 2002. - 232 с.
 
7) Сидоренко, Владимир Михайлович. Молекулярная спектроскопия биологических сред : учеб. пособие / В. М. Сидоренко. - М. : Высш. шк., 2004. - 191 с. : ил.. - Библиогр.: с. 190

науках / И. Тиноко, К. Зауэр, Д. Вэнг, Д.

Паглиси ; пep. Е. Р. Разумовой. - М. : Техносфера, 2005. - 743 с.. - Библиогр.: с. 742-743
 
9) Уэй, Том А.. Физические основы молекулярной биологии : учеб. пособие / Т. Уэй. - Долгопрудный : Изд. Дом Интеллект, 2010. - 363 с.
 
10) Гросберг, Александр Юльевич. Полимеры и биополимеры с точки зрения физики / А. Ю. Гросберг, А. Р. Хохлов ; пep. А. А. Аэров. - Долгопрудный : Изд. Дом Интеллект, 2010. - 303 с.. - Библиогр.: с. 300-303
 
11) Нанобиотехнологии : практикум / ред. А. Б. Рубин. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 384 с. : ил.. - (Нанотехнологии). - Библиогр. в конце ч. и разд.
 
12) Иваницкий, Генрих Романович. Виражи закономерностей [Текст] : правило БИО - стержень науки / Г. Р. Иваницкий ; РАН, Ин-т теорет. и экспер. биофизики, Пущинский гос. ун-т. - М. : Наука, 2011. - 326, [1] с. : ил. - Библиогр. в примеч.
 
13) Динамические модели процессов в клетках и субклеточных наноструктурах / ред.: Г. Ю. Ризниченко, А. Б. Рубин. - М. ; Ижевск : Ин-т компьютерных исслед. : Регулярная и хаотическая динамика (R&C dynamics), 2010. - 447 с. : ил., табл.. - (Биофизика. Мате
 
14) Методы компьютерного моделирования для исследования полимеров и биополимеров : [сборник] / отв. ред. В. А. Иванов, А. Л. Рабинович, А. Р. Хохлов. - М. : URSS, 2010. - 662, XX , [4] л. цв. ил. с. + 24 см. - Библиогр. в конце гл.
 
15) Физические методы исследования неорганических веществ : учеб. пособие / Под ред. А. Б. Никольского. - М. : Академия, 2006. - 448 с.. - (Высшее профессиональное образование. Естественные науки)

for Biotechnology Information) [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. -

Режим доступа: http://www.ncbi.nlm.nih.gov. - Загл. с экрана.
 
2) EMBL-EBI (European Bioinformatics Institute) [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.ebi.ac.uk. - Загл. с экрана.
 
3) ExPASy (Expert Protein Analysis System) [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.brenda-enzyme.org. - Загл. с экрана.
 
4) MolviZ "Top 5" (The "Top 5" 3D Molecular Visualization Technologies) [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.umass.edu:80/microbio/chime/top5.htm. - Загл. с экрана.
 
5) NCBI Structure (Molecular Modelling Database) [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/structure/index.shtml. - Загл. с экрана.
 
6) CMS MBR (CMS Molecular Biology Resourse) [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://mbcf.dfci.harvard.edu/cmsmbr/. - Загл. с экрана.
 
7) Photobiological sciences online [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.photobiology.info. - Загл. с экрана.
 
8) The Bioluminescence Web Page [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biolum.eemb.ucsb.edu/. - Загл. с экрана.

9) Биофизика.ru Взгляд на живое глазами физиков [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.biophys.ru/. - Загл. с экрана.
 
10) Единое окно доступа к образовательным ресурсам [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://window.edu.ru. - Загл. с экрана.

дан. - Режим доступа: http://elibrary.ru/. - Загл. с экрана.
 
12)

Узденский А. Б. Биоэнергетические процессы: учебное пособие Ростов-н/Д: Издательство Южного федерального университета, 2011 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=241180&sr=1. - Загл. с экрана.
 
13) Бескровная Е. В. , Мосур Е. Ю. Количественный спектрофотометрический анализ. Лабораторный практикум Омск: Омский государственный университет, 2010 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=237627&sr=1. - Загл. с экрана.
 
14) Рубин А.Б. Биофизика [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.library.biophys.msu.ru/rubin/. - Загл. с экрана.
 
15) Полезные ссылки в области биофизики [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.biophys.msu.ru/rus/links/. - Загл. с экрана.
 
16) Кафедра биофизики Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.biophys.msu.ru/. - Загл. с экрана.
 
17) Биофизика. Часть 1. Молекулярная биофизика [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://bio-phys.narod.ru/. - Загл. с экрана.
 
18) Фундаменталные физические постоянные [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biophys.ru/reference/64-for-use/372-phys-constant. - Загл. с экрана.

19) Биофизика.ru Взгляд на живое глазами физиков [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biophys.ru/. - Загл. с экрана.
 
20) Финкельштейн А.В. Введение в физику белка [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://phys.protres.ru/lectures/protein_physics/. - Загл. с экрана.

ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://genphys.phys.msu.su/rus/edu/sc/karavaev.pdf. -

Загл. с экрана.
 
22) Новиков К. Н. , Котелевцев С. В. , Козлов Ю. П. Свободно-радикальные процессы в биологических системах при воздействии факторов окружающей среды М.: Российский университет дружбы народов, 2011 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=115740&sr=1. - Загл. с экрана.
 
23) Ерофеев Н. П. , Захарова Л. Б. , Парийская Е. Н. Физиология возбудимых мембран : практикум по физиологии для студентов медицинских факультетов университетов и вузов: учебное пособие СПб: СпецЛит, 2012 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=104910&sr=1. - Загл. с экрана.
 
24) Никиян А. , Давыдова О. Биофизика: конспект лекций Оренбург: ОГУ, 2013 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=259291&sr=1. - Загл. с экрана.
 
25) Самойлов В. О. Медицинская биофизика: учебник для вузов СПб: СпецЛит, 2013 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=253912&sr=1. - Загл. с экрана.
 
26) Современные проблемы биохимии : Методы исследований: учебное пособие Минск: Вышэйшая школа, 2013 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=235695&sr=1. - Загл. с экрана.
 
27) Ярышев Н. Г. , Панкратов Д. А. , Токарев М. И. , Камкин Н. Н. , Родякина С. Н. Физические методы исследования и их практическое применение в химическом анализе М.: Прометей, 2012 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=212909&sr=1. - Загл. с экрана.
 
28) Антонова Т. В. Практикум по спектрофотометрическому анализу: учебное пособие Омск: Омский государственный университет, 2008 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=237514&razdel=257. - Загл. с экрана.

и развитие биофизики в России
Методы биофизики
Применение и

современные направления развития биофизики

использовал в 19 веке Пирсон.
Биофизика – наука, изучающая

физические и физико-химические процессы, протекающие в биологических системах, а также влияние на них различных физических факторов.
Биофизика с помощью физических методов и подходов изучает живые организмы на различных уровнях организации.

с неживой природой.
Живой организм – это открытая, саморегулирующаяся,

самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, важнейшими функциональными веществами которой являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты.

самовоспроизведению
Способность к развитию в направлении усложнения организации
Раздражимость
Наличие обмена

веществ с окружающей средой
Способность к адаптации
Биопотенциалы

Характерные особенности живых систем:

и веществ, необходимых для роста и других

процессов жизнедеятельности.

Дыхание. В процессе дыхания происходит высвобождение энергии при
расщеплении высокоэнергетических соединений. Высвобождаемая
энергия запасается в молекулах АТФ.

Раздражимость. Живые существа способны реагировать на изменение
внешней и внутренней среды

Подвижность. Живые организмы способны перемещаться из одного места на другое.

Выделение. Это способность живых организмов к выведению из организма
конечных продуктов обмена веществ.

Размножение. Выживание определенного вида обеспечивается сохранением
главных признаков родителей у потомства путем бесполого
или полового размножения.

Рост. Объекты неживой природы растут за счет присоединения вещества
к наружной поверхности, а живые организмы – изнутри за счет
питательных веществ которые организм получает в процессе питания.

типов химических связей
единство мембранного типа строения субклеточных органелл

единство клеточного строения
единство строения многоклеточных организмов

циклов
единство дыхания
единство движения
единство наследования основных принципов

структуры и функций

популяций
биоценозов
экосистем

Биофизика исследует живые системы на уровне

механизмов их функционирования
Выяснение связей между структурой и функциональными свойствами

биополимеров и других биологически активных веществ
Выявление общих законов обмена веществ и энергии на уровне клетки и организма
Исследование молекулярных механизмов мембранного транспорта, дыхания, подвижности
Создание и теоретическое обоснование физ.-хим. методов исследования биообъектов

ЗАДАЧИ БИОФИЗИКИ

распространение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, зрение, фотосинтез и

др.)‏
Моделирование сложных систем и предсказание их поведения

активных соединений
Механизм работы биомолекул
Взаимодействия молекул и их превращения
Молекулярная биофизика

молекулами и ионами: хранение и передача наследственной информации, синтез

и распад биополимеров, процессы обмена на всех уровнях организации

Репликация
ДНК

Схема процесса репликации
(1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3) ДНК полимераза (Polα), (4) ДНК лигаза, (5) РНК праймер, (6) ДНК праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК полимераза (Polδ), (9) хеликаза,
(10) одиночная нить со связанными белками, (11) топоизомераза

100 000 пар
нуклеотидов
в минуту

клетки»
«Большой, важный и очень часто обсуждаемый вопрос заключается

в следующем: как физика и химия могут объяснить те явления в пространстве и времени, которые происходят внутри живого организма?»
«Наиболее существенную часть живой клетки – хромосомную нить – можно с полным основанием назвать апериодическим кристаллом»
«…периодические кристаллы… Они составляют одну из наиболее очаровательных и сложных структур, которыми неодушевленная природа приводит в замешательство интеллект физика. Однако по сравнению с апериодическим кристаллом они кажутся несколько элементарными и скучными».

собой законы природы, дополнительные к тем, которые пригодны для

объяснения свойств неодушевленных тел».

Нильс Бор
«Свет и жизнь»

и роль в них внутриклеточных, особенно, мембранных структур.

Биофизика

сократительных систем
Биофизика проводимости
Биофизика органов чувств

том числе методом математического моделирования

середина XVIII вв.
накопление отдельных фактов, использование законов физики и

метода аналогий для объяснения наблюдаемых явлений
II этап - середина XVIII – середина XX вв.
проведение экспериментов и определение физико-химических параметров живых организмов; использование законов физики и химии для объяснения сложных биологических явлений
III этап – середина XX в. до настоящего времени
разработка сложных биофизических методов исследования, выделение разделов биофизики, формирование терминов; для объяснения биологических процессов и явлений привлекают не только законы физики и химии, но и математики и биологии

Гарвей (1578-1657) провел прямые наблюдения на людях и использовал

учение о гидродинамике для исследования кровообращения
1637 г. - Р. Декарт дал описание устройства глаза как оптического прибора и механизма формирования зрительного восприятия
А. ван Левенгук (1632-1723) – создал линзы с 160-кратным увеличением, которые были использованы для изучения простейших организмов
Р. Гук (1635-1703) – усовершенствование микроскопа, установил клеточное строение растительной ткани
Л. Эйлер (1707-1783) – учение о движении крови
М.В. Ломоносов (1711-1765) – работы по термодинамике и цветному зрению

I этап – начало XVII – середина XVIII вв.

равнозначно окислению и горению веществ
1785 г. - Ш. Кулон

исследовал действие электрических зарядов на человека и животных
Л. Гальвани (1737- 1798) и А. Вольта (1745-1827) исследовали электрические явления у животных

I этап – начало XVII – середина XVIII вв.

- обосновали клеточную теорию
Ю. Либих (1803-1873), М. Рубнер (1854-1932)

– установили применимость 1 закона термодинамики к живым организмам
У. Этуотер и Ф. Бенедикт в 1892-1897 гг. провели калориметрические исследования на животных и человеке
Т. Юнг (1773-1829) – теория цветного зрения
Ю.Р. Майер (1814-1878) – обосновал закон хранения энергии в живых организмах
К. Матеуччи (1837 г.), Э.Г. Дюбуа-Реймон (1818-1896), Г. Гельмгольц, Ю. Бернштейн (1912) исследовали электрические явления в тканях живых организмов
Л. Герман (1838-1914) высказал гипотезу об электрической природе распространения нервного импульса

II этап - середина XVIII – середина XX вв.

- предложили мембранную гипотезу
Р. Овертон (1902 г.) - сформулировал

основные правила проникновения веществ в клетку
Ж. Леб (1859-1924) - основоположник физико-химической биологии, исследовал роль различных ионов в биологических процессах
Х. Шаде (1912) – работа о роли физико-химических явлений в различных заболеваниях
В. Нернст (1864-1941) – ионная теория биоэлектрических явлений
А. Хилл (1886-1977) – термодинамика мышечных сокращений
А. Ходжкин, Дж. Эклс, А.Ф. Хаксли (1914 г.) - мембранная теория биоэлектрогенеза

II этап - середина XVIII – середина XX вв.

прикладной биофизики
1982 г. - первый Всесоюзный биофизический съезд в

Москве

III этап – середина XX в. до настоящего времени

(ПетрI)‏
Л. Эйлер: движение крови по сосудам, ход лучей в

глазу, теория слуха
М.В. Ломоносов: сформулировал трехкомпонентную теорию цветного зрения, классификация вкусовых веществ, действие электрического тока на живые системы, предположение о воздушном питании растений
И.М. Сеченов (1829-1905) исследовал растворимость газов в крови, природу биоэлектрических явлений
Н.Е. Введенский (1852-1922) установил предельные ритмы возбудимых сред (нервов, мышц, ЦНС)‏

3. Становление и развитие биофизики в России

явлений
1919-1922 гг.– создан Институт биофизики (Москва) под руководством П.П.

Лазарева
П.П. Вавилов – изучение квантовой природы света (воздействие на глаз человека)‏
С.В. Кравков, Б.Ф. Дерягин и др. - биофизика зрения
П.П. Лазарев, П.Н. Беликов и др. – биофизика слуха
М.Н. Шатерников – энергетический баланс человека, построил камеру для изучения обмена веществ и энергии
А.А. Красновский (1913-1993), работая в Институте биохимии АН СССР (Москва), исследовал первичные механизмы и стадии фотосинтеза

Становление и развитие биофизики в России

Франк), в 1967 г. переведен в г. Пущино.
Исследования в

области:
молекулярной биофизики,
биофизики клетки,
радиобиологии,
фотобиологии,
радиоспектроскопии,
электронной микроскопии,
рентгеноструктурному анализу биополимеров,
проблем регулирования и управления в биологических системах

Ленинград – научная школа по фотохимии и фотобиологии
Красноярск – Институт физики и биофизика АН СССР
1953 г. - проф. Б.Н. Тарусов организовал кафедру биофизики на биологическом факультете МГУ
Кафедры биофизики созданы в университетах Ленинграда, Воронежа, Красноярска, Нижнего Новгорода, Саратова

рентгеновских прямая информация о пространственной структуре
лучей (расположении всех атомов

в пространстве).
(рентгеноструктурный Необходимы гомогенные, хорошо очищенные,
анализ) кристаллические препараты вещества


Непрямые методы исследования структуры и свойств

(позволяют изучать биомолекулы в растворе в условиях, когда их состояние и поведение приближено к нативному состоянию молекул в клетке)‏

электронная микроскопия форма и размер макромолекул, упаковка
субъединиц, расположение субъединиц в
ассоциатах

электрофорез, чистота препарата, субъединичный состав,
седиментационный форма и размер макромолекул,
анализ, молекулярная масса
хроматография

4. МЕТОДЫ БИОФИЗИКИ

макромолекул
спектрофотометрия

Инфракрасная вторичная структура макромолекул
спектроскопия изменение структуры макромолекул
(ИК-спектроскопия)‏

Круговой дихроизм вторичная структура, связывание с

лигандами
(КД-спектроскопия)‏

Спектроскопия конформационные изменения макромолекул
комбинационного
рассеяния

изменения структуры
(ядерный магнитный
резонанс)‏

ЭПР конформация макромолекул, подвижность групп
(электронный
парамагнитный
резонанс)‏

Масс-спектрометрия выявление и идентификация биомолекул,
исследование

структуры биомолекул

микроскопия

(fluorescence in situ hybridization, FISH)

высокой степени интегрированные устройства, включающие мембрану (не обязательно), биологический

(ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК) или биомиметический чувствительный элемент (рецептор или систему распознавания), первичный преобразователь сигнала и его усилитель.

Отвечают требованиям современного анализа – высокая чувствительность, избирательность, дешевизна, простота и экспрессность, миниатюрный размер.

– субстрат
фермент – ингибитор
фермент – кофактор

рецептор

– гормон
транспортные белки – лиганды
антитело – антиген

одноцеп. ДНК – компл. одноцеп. ДНК
одноцеп. ДНК – мРНК