кафедра медицинской биофизики

Биофизика

Вопросы к экзамену по биофизике (зимняя сессия 2018 год)

Электронные материалы находятся на странице факультета: учебный процесс - учебные материалы – биофизика

Содержание дисциплины "медицинская биофизика"

Раздел 1. Квантовая биофизика

1.1.             Характеристика светового излучения, энергия, частота, длина волны. Свойства фотона и электрона. Уравнение де Бройля. Уравнение Шредингера. Электронные ящики.

1.2.             Взаимодействие света с биологическими объектами. Поглощение света. Спектры поглощения. Оптическая плотность, пропускание. Основной закон светопоглощения и его вывод на основе теории мишеней. Отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера. Аддитивность оптической плотности. Спектрофотометрия. Приборы для измерения оптической плотности. Спектрофотометры и фотометры на основе волоконной оптики.

1.3.             Возбужденное состояние молекулы. Люминесценция. Виды люминесценции. Диаграмма Теренина-Льюиса. Спектры люминесценции. Основные законы и правила люминесценции (закон Стокса, правило Каши, правило Левшина, закон Вавилова). Энергетический и квантовый выход. Количественный люминесцентный анализ. Спектрофлуориметры.

1.4.             Применение люминесценции в биофизике и медицине. Флуоресцентные зонды и метки. Теория резонансного переноса энергии (теория Ферстера). Квантовые точки. Флуоресцентная, конфокальная и мультифотонная микроскопия.

1.5.             Хемилюминесценция, ее основные виды. Молекулярный механизм хемилюминесценции. Механизм свечения при реакциях цепного окисления липидов. Реакции, ответственные за собственное свечение тканей. Хемилюминесценция в реакциях с участием активных форм кислорода. Приборы для измерения хемилюминесценции. Собственная (неактивированная) хемилюминесценция и ее применение в медико-биологических исследованиях. Хемилюминесценция в реакциях с участием окиси азота. Активированная хемилюминесценция. Биолюминесценция.

1.6.             Фотобиологические процессы. Основные стадии фотобиологических процес-сов. Спектры поглощения и спектры действия. Одноударная фотохимическая реакция. Кинетика одноударной фотохимической реакции. Фотофизические процессы в белках и аминокислотах.

1.7.             Свободные радикалы. Электронная структура некоторых радикалов. Классификация радикалов. Радикалы в организме человека. Методы изучения свободных радикалов. Электронный парамагнитный резонанс. Биохимические методы изучения свободных радикалов. Биомаркеры. Диеновая конъюгация. Ингибиторный анализ. Активные формы кислорода. Перекисное окисление липидов. Антиоксиданты.

1.8.             Применение лазеров в медицине. Лазерная хирургия, лазерная терапия, фотодинамическая терапия. Основные механизмы терапевтического действия лазерного излучения: фотосенсибилизированная активация клеток, фотореактивация ферментов, фотодиссоциация комплексов моноксида азота. Лазеры как инструмент медико-биологических исследований. Наносекундная и пикосекундная спектроскопия. Доплеровская спектроскопия и ее применение.

Раздел 2. Молекулярная биофизика

2.1.         Первичная структура. Ионизационное равновесие в белках, полярность белковых аминокислотных остатков. Вторичная структура. Распространенность вторичных структур в белках, влияние электростатических сил и гидрофобных взаимодействий на стабильность вторичной структуры полипептидов и белков. Третичная структура. Термодинамическая модель структурной организации белков. Макромолекулярная организация глобулярных белков. "Капельная" модель Бреслера и Талмуда. "Сферическая" модель Фишера. Анализ третичной структуры белка по Фишеру. Плотность упаковки аминокислотных остатков в молекулах белка. Объем и плотность белков. Динамичность третичной структуры. Анализ и предсказание вторичной и третичной структуры белка по первичной. Физические принципы самоорганизации белковых молекул.

2.2.         Конформационная потенциальная энергия белковых макромолекул. Внутри- и межмолекулярные силы и взаимодействия биомакромолекул: кулоновское взаимодействие, иондипольные взаимодействия, вандерваальсовы силы, водородные силы, стерические силы (силы деформации и напряжения валентных связей и углов, силы заторможенности вращения пептидных групп вокруг простых связей . Гидрофобное взаимодействие. Уникальные (аномальные) физические свойства воды и их роль в биологических процессах. Модели структуры молекулы воды. Структура льда. Структура жидкой воды. Структура раствора неполярных молекул: гидрофобное взаимодействие.

2.3.         Протеомика и методы протеомного анализа: высокоэффективная жидкостная хроматография, гель-электрофорез, принципы масс-спектрометрии. Молекулярный масс-спектрометрический анализ: MALDI, ESI, DART-ионизация. Масс-спектрометрическое картирование.

2.4.         Рентгеновские спектры. Классификация спектров. Механизм возникновения характеристических и непрерывных спектров. Закон Мозли. Источники излучения. Монохроматизация излучения. Закон Брегга-Вульфа. Рентгеновская дифрактометрия. Принципиальная схема дифрактометра. Получение белковых кристаллов. Белковые базы данных, PDB. Элементарные ячейки кристалла. Параметры элементарной ячейки. Уравнение электромагнитной волны. Описание рентгеновских волн в виде векторов на комплексной плоскости. Разность хода рентгеновских лучей. Рассеяние рентгеновской волны электроном. Построение вектора рассеяния. Сфера Эвальда. Интерференция рассеянных волн, условия Лауэ. Геометрическая интерпретация условий Лауэ. Обратное пространство. Свойства обратной решетки. Кристаллическая решетка и отражающие плоскости. Миллеровы плоскости отражения. Вектор рассеяния. Структурный фактор: определение. Структурный фактор электрона. Структурный фактор атома. Структурный фактор как вектор на комплексной плоскости, амплитуда и фаза структурного фактора. Структурный фактор и электронная плотность. Расчет электронной плотности по структурным факторам рефлексов. Проблема фаз в белковой кристаллографии. Метод изоморфного замещения. Нахождение структурного фактора с использованием данных по анализу рентгенограмм изоморфно замещенных кристаллов (построение Харкера).

2.5.         Магнитный момент электрона, g-фактор, эффект Зеемана, явление ЭПР, устройство ЭПР спектрометра. Основные характеристики спектров ЭПР: интен-сивность, g-фактор, ширина линии, сверхтонкое взаимодействие. Естественные сигналы ЭПР тканей. Метод спинового зонда. Метод спиновой метки. Метод спиновых ловушек. Основы ЯМР спектроскопии: сходства и различия с методом ЭПР. Основные характеристики спектров ЯМР. Применение ЯМР спектроскопии в медико-биологических исследованиях.

2.6.         Сканирующая зондовая микроскопия: туннельная, атомно-силовая, оптическая ближнепольная. Принципы, приборы и возможности для биологии и медицины. Электронная микроскопия: характеристики (полезное разрешение, глубина резкости), просвечивающая и сканирующая микроскопия. Механизмы формирования контраста. Длина волны электрона. Принципиальная схема микроскопа. Пробоподготовка биологических объектов.

2.7.         Механизм работы ферментов. Каталаза. Перенос электронов в дыхательной цепи митохондрий. Молекулярная биоэлектроника и нанотехнологии.

Раздел 3. Биофизика клетки

3.1.        Биологические мембраны. Модели строения мембран (Даниэли-Давсона, Сиге-ра-Николсона). Состав мембран. Методы изучения мембран. Химическое строение фосфолипида, мембранные белки. Структура липидного бислоя. Модельные мембранные структуры. Липосомы и везикулы, плоские бислои, монослои. Весы Ленгмюра. Кивая «площадь-давление» в монослоях липидов. Плавление липидных монослоев при заданном давлении. Роль поверхностного натяжения.

3.2.        Виды работ в живой клетке: химическая, осмотическая, электрическая. Электрохимический потенциал. Фазовые переходы в мембранах. Кривые плавления. Методы изучения фазовых переходов: флуоресцентные зонды, дифференциальная сканирующая калориметрия. Фазовый переход как кооперативный процесс. Роль холестерина.

3.3.        Перенос веществ через мембраны. Поток ионов, активный и пассивный транспорт, диффузия и электрофорез, насыщаемый и ненасыщаемый транспорт. Механизм простой диффузии. Диффузия. Коэффициент диффузии. Роль примембранных слоев воды. Профиль потенциала в мембране. Теория электродиффузии. Безразмерный потенциал. Активный транспорт. Облегченный транспорт.

3.4.        Взаимодействие биомакромолекул с лигандами в условиях равновесия. Равновесное связывание лигандов с макромолекулами. Типы связывания. Взаимодействие между центрами связывания. Уравнения связывания. Константа связывания. Кооперативное связывание.

3.5.        Распределение ионов между водной и липидной фазами; межфазный потенциал. Транспортные потенциалы в живой клетке: потенциалы покоя и потенциалы действия. Ионная природа потенциалов покоя и действия. Равновесные потенциалы Нернста, Доннана. Стационарный потенциал: уравнение Ходжкина-Гольдмана для расчета значений потенциалов покоя и действия. Биофизический механизм генерации потенциала действия. Кабельные свойства нервных волокон. Скорость проведения нервного импульса; телеграфное уравнение. Особенности проведения нервного импульса в миелизированных нервных волокнах.

3.6.        Строение митохондрии, строение дыхательной цепи. Перенос электронов в дыхательной цепи. Стандартные восстановительные потенциалы участников цепи переноса электронов митохондрий. Биоэнергетические функции митохондрий. Окислительное фосфорилирование. Синтез АТФ по механизму хемоосмотического сопряжения. Функциональные состояния митохондрий. Нарушение функции митохондрий при гипоксии. Изменение флуоресценции митохондрий, окрашенных тетрациклином, в ответ на поглощение и выход ионов кальция. Набухание митохондрий. Спонтанное набухание митохондрий. Действие набухания митохондрий на скорость их дыхания. Кальций и повреждение митохондрий. Повреждение митохондрий при анаэробной и аэробной инкубации.

3.7.        Явление электрического пробоя мембран. Методы изучения электрического пробоя. Теории электрического пробоя мембран. Электрический пробой искусственных (БЛМ, липосомы) и природных мембран (эритроциты, митохондрии) ионным диффузионным потенциалом. Снижение электрической прочности мембран (потенциала пробоя) при перекисном окислении липидов, действии фосфолипаз, осмотическом растяжении мембран, адсорбции белков. Гипотеза о роли электрического пробоя мембран в нарушении барьерной функции мембран в патологии. Поры и каналы. Механизм действия антибиотиков.

3.8.        Кинетика реакций цепного окисления липидов. Уравнения реакций цепного окисления липидов. Упрощение схемы химических реакций. Алгоритм расчета кривых кинетики реакции на ЭВМ. Аналитическое решение уравнений кинетики ПОЛ. Понятие "критической концентрации" железа. Триггерная функция Fe2+. Железо как про- и антиоксидант. Механизмы действия антиоксидантов.

3.9.        Клеточная смерть: апоптоз и некроз. Внешний путь инициирования: лиганды и рецепторы смерти, DISC-комплекс, каспазный каскад. Роль цитохрома с в апоптозе. Выход цитохрома с из митохондрии и образование апоптосомы. Митохондриальный (внутренний) путь развития апоптоза. Роль свободных радикалов. Цитохром с как пероксидаза, перекисное окисление липидов митохондриальной мембраны.

Раздел 4. Биофизика сложных систем

4.1.        Электрические явления в сердце. Электрические заряды и токи в сердце. Токо-вый и электростатический униполи, потенциал токового диполя. Возбуждение клетки сердца, распространение возбуждения. Интегральный вектор сердца. Принцип метода электрокардиографии. Электрокардиограмма. Отведения ЭКГ. Современные методы исследования сердечно-сосудистой системы.

4.2.        Гидродинамика. Теорема о неразрывности струи. Линейная и объемная ско-рость кровотока. Вязкость. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Вязкие свойства крови. Ламинарное и турбулентное течение. Число Рейнольдса. Формула Пуазейля. Гемодинамическое сопротивление в разных отделах сосу-дистого артериального русла. Движение тел в жидкостях: формула Стокса. Расчет скорости оседания эритроцитов. Виды упругих деформаций и их характеристики. Модуль Юнга. Эластические свойства сосудов. Пульсовая волна.

4.3.        Механизм зрительной рецепции. Зрительная клетка, зрительный пигмент, хромофорная группа. Механизм фототрансдукции. Цикл превращения родопсина. Регенерация зрительного пигмента. Спектры поглощения зрительных клеток и их пигментов. Механизм и кинетические характеристики изомеризации родопсина. Электрический ответ фоторецепторной клетки. Система трансдукции сигнала в фоторецепторной клетке. Связь чувствительности зрительного анализатора с шумами в фоторецепторных клетках.

Рекомендуемая литература 

А. Основная литература:

Б. Дополнительная литература