Програма зі спеціальності Біофізика

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ПРОГРАМА для абітурієнтів в аспірантуру зі спеціальності 091 – біологія спеціалізація «біофізика»

ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

Предмет і задачі біофізики, як науки, що використовує фізичні підходи для пізнання живих систем. Основні розділи сучасної біофізики. Методи біофізичних досліджень. Етапи розвитку біофізики. Вплив сучасних досягнень фізики, хімії, математики, обчислювальної техніки і інформатики на розвиток біології і формування біофізики. Внесок українських вчених в розвиток біофізичних знань (В.Ю. Чаговець, Д.С. Воронцов, П.Г. Костюк, М.Ф. Шуба, В.І. Скок та інші). Застосування точних і чутливих методів дослідження біологічних процесів.

ОСНОВИ БІОЛОГІЧНОЇ ТЕРМОДИНАМІКИ

Перший та другий закони термодинаміки та їх застосування в біології. Термодинамічні потенціали. Біологічні системи, як термодинамічно відкриті системи. Зміна ентропії у відкритих системах. Швидкість продукції ентропії і дисипативна функція. Основні положення лінійної нерівноважної термодинаміки. Співвідношення взаємності Онзагера. Теорема Пригожина. Кінетика біологічних процесів. Стаціонарні стани та їх види. Критерії сталості стаціонарних станів. Біфуркації та дисипативні структури у моделюванні біологічних процесів.

МОЛЕКУЛЯРНА БІОФІЗИКА

Типи біологічних макромолекул. Види внутрішньомолекулярних взаємодій, що стабілізують структуру біомакромолекул. Первинна і вторинна структура білків. Моделювання вторинної структури білків. Надвторинна, третинна і четвертинна будова білків. Динаміка білкової макромолекули та методи її дослідження. Молекулярні механізми взаємодії ферменту з субстратом. Конформаційні перебудови ферментів при взаємодії з субстратами. Структура аллостеричних ферментів. Кооперативна кінетика реакцій з участю аллостеричних ферментів. Рівняння Хілла. Швидкість і константа швидкості реакції. Реакції нульового і першого порядку. Вплив температури на швидкість хімічної реакції. Рівняння Арреніуса. Енергія активації та її визначення. Теорія абсолютних швидкостей реакцій (теорія перехідного стану). Рівняння Ейрінга. Кінетика взаємодії ферменту і субстрату. Рівняння Міхаеліса-Ментен. Конкурентне і неконкурентне пригнічення ферментативних реакцій. Первинна структура ДНК. Вторинна структура ДНК. Внутрішньомолекулярні взаємодії, які стабілізують структуру ДНК. Типи РНК. Третинна структура РНК. Денатурація і ренатурація ДНК. Гібридизація ДНК-РНК. Клонування ДНК

БІОФІЗИКА КЛІТИННИХ ПРОЦЕСІВ

Прокаріоти і еукаріоти. Різноманіття структури та рухливості прокаріот. Метаболізм прокаріот – гліколіз, дихання, фотосинтез. Компартменталізація та цитоскелетна організація евкаріотичних клітин. Органели евкаріотичних клітин. Мітохондрії, як енергетичні станції евкаріотичних клітин. Будова мітохондрій. Структурна організація електронно-транспортних ланцюгів в мембранах мітохондрій. Окисно-відновні потенціали переносників електронів. Основні положення теорії Мітчела. Генерація електрохімічного (протонного) потенціалу електрон-транспортними ланцюгами. Спеціалізація та кооперація клітин вищих організмів. Електрозбудливі та незбудливі клітини. Типи міжклітинних взаємодій. Щілинні контакти, синапси. Кальцієвий гомеостаз клітин, субклітинні та молекулярні структури, задіяні в його регуляції. Міжклітинна та внутрішньоклітинна сигналізація. Автокринна, паракринна та ендокринна сигналізація. Типи зовнішньоклітинних сигнальних молекул та їх рецепторів. Поняття про G-білок-спряжені рецептори та внутрішньоклітинні сигнальні шляхи з ними пов'язані. Будова нейрона. Передача електричного збудження по нервовому волокну. Нейромедіатори і міжнейронна комунікація. Збудження та гальмування. Роль іонів Са2+ в міжнейронній комунікації. Типи м'язових клітин та відмінності в їх структурі. Спряження між збудженням і скороченням в різних типах м'язових клітин. Роль іонів Са2+ в активації скорочення. Саркоплазматичний ретикулум. Механізми вивільнення Са2+ із саркоплазматичного ретикулуму. Механіка скорочення скелетного м'язу. Скоротливі білки м’язу. Структурна організація тонкої і товстої протофібрили. Модель ковзання протофібрил. Регуляція взаємодії товстих і тонких протофібрил. Тропоміозин і тропонін. Енергетика м’язового скорочення.

МЕМБРАННА БІОФІЗИКА

Ліпідний бішар, як основа структурної організації біомембран. Типи та характеристика мембранних ліпідів. Рідкокристалічний стан мембрани. Білки мембран. Модель клітинної мембрани Даніелі-Давсона. Міжмолекулярні взаємодії в мембрані (ліпід-ліпідні, білок-ліпідні, білок-білкові). Фазові переходи в мембранах (ліотропний і термотропний поліморфізм ліпідів). Динаміка ліпідного бішару. Фазові переходи в мембранах. Фізико-хімічні властивості біомембран (опір, ємність). Пасивний та активний транспорт речовин через біомембрани. Вторинний активний транспорт. Полегшена дифузія, білки-переносники. Моделювання іонної проникності з використанням штучних мембран. Транспортні антибіотики. Асиметричний розподіл іонів по обидва боки клітинних мембрани та механізми його підтримання. Рівновага Гіббса-Доннана. Na+-К+ насос і його фізико-хімічні характеристики. Клітинні системи активного транспорту Са2+. Природа виникнення електричного потенціалу на клітинній мембрані. Рівняння Нернста. Кількісна характеристика проникності мембрани до різних іонів. Теорія постійного поля та рівняння Голдмана-Ходжкіна-Каца. Поняття про іонні канали. Механізми керування іонними каналами та різноманіття їх воротніх структур. Гідратація іонів у водному середовищі. Селективність іонних каналів та механізми її забезпечення. Потенціал спокою і потенціал дії. Роль іонів Na+ і K+ в генерації потенціалів дії. Модель Ходжкіна-Хакслі опису процесу електричної збудливості. Розповсюдження збудження. Кабельна теорія. Константа довжини кабелю. Опір і ємність мембрани. Синаптична передача. Постсинаптичні потенціали. Іонні каналию як мішені терапевтичного втручання при захворюваннях людини. Поняття про каналопатології.

ПЕРЕДАЧА ІНФОРМАЦІЇ В СЕНСОРНИХ СИСТЕМАХ

Клітинні та молекулярні типи рецепторів. Трансформація подразнень у рецепторних клітинах. Механізми сприйняття зорової інформації. Механізми сприйняття больових та термічних стимулів. Клітинні та молекулярні основи механорецепції. Механізми сприйняття смаку та запаху. Передача і переробка інформації в нервових центрах.

РЕГУЛЯЦІЯ ВНУТРІШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА ОРГАНІЗМУ

Регуляція об'єму клітин при сталій і змінній тонічності середовища. Регуляція кровообігу. Регуляція газового складу крові. Регуляція концентрації метаболітів у крові. Регуляція температури крові. Регуляція осмотичного тиску крові.

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

Основна:

• Біофізика: підручник / П.Г. Костюк, В.Л. Зима, І.С. Магура, М.С. Мірошніченко, М.Ф. Шуба – Київ, Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет", 2008, – 567 с.

Допоміжна:

• Основи молекулярної фізіології іонних каналів: навчальний посібник / Я.М. Шуба – Київ, "Наукова думка", 2010, – 447 с.
• Внутрішньоклітинна кальцієва сигналізація: структури і функції / П.Г. Костюк, О.П. Костюк, О.О. Лук'янець – Київ, "Наукова думка", 2010, – 175 с.
• Биофизика одиночного синапса / Н.С. Веселовский, С.А. Федулова, П.Г. Костюк – Киев, "Наукова думка", 2004, – 118 с.
• Ion channels of excitable membranes / B. Hille – Sunderland, MA USA, "Sinauer Associates, Inc.", 2001, – 814 p.