Кафедра биофизики

1. Основные физические характеристики клетки

Ультраструктура клетки. Физические методы изучения структуры и функций клетки. Электрические свойства клеток. Механические свойства клетки и цитоплазмы. Состояние воды и электролитов в клетке. Свободная и структурированная клеточная вода.

2. Молекулярная организация и биофизические свойства
мембранных структур

История изучения строения биологических мембран: жидкостно-мозаичная модель мембраны, модель Давсона-Даниэлли, Робертсона, мозаичная модель Грина. Современные представления о структуре мембран.

Физико-химические свойства мембранных липидов. Свойства фосфолипидных монослоев; влияние на эти свойства жирнокислотного состава фосфолипидов, холестерина, температуры, белков, неорганических ионов. Модельные бислойные липидные мембраны: липосомы и плоские бимолекулярные липидные мембраны (БЛМ). Методы изучения физических свойств и состояния липидов в бислое: рентгеноструктурный анализ, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, методы спиновых и флуоресцентных зондов, дифференциальная микрокалориметрия. Лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния. Фазовые переходы в фосфолипидном бислое. Понятие о кооперативной единице. Разделение фаз. Зависимость температуры фазового перехода от химической структуры цепей жирных кислот и характеристических групп фосфолипидов, от содержания холестерина. Латеральная диффузия молекул белков и липидов в липидных бислоях. Трансмембранный переход фосфолипидов и проблема асимметрии бислоя. Влияние фазового состояния липидов на активность ферментов в биомембранах.

Особенности строения различных биомембран, связь их структурной организации с выполняемой функцией. Молекулярная структура мембран миелиновых оболочек нервных волокон: сопоставление данных электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Особенности молекулярной организации мембран эритроцитов и цитоплазматических мембран других клеток. Внутренняя мембрана митохондрий: основные функции, молекулярная организация системы транспорта электронов. Эндоплазматический ретикулум клеток печени: молекулярная организация, свободнорадикальные стадии гидроксилирования гормонов, ксенобиотиков. Молекулярная организация саркоплазматическкого ретикулума: механизм функционирования кальцийтранспортной АТФазы.

3. Транспорт вещества

Количественные законы переноса веществ через мембраны (классификация процессов переноса ионов (веществ) через мембраны). Поток и плотность потока ионов и вещества. Закон диффузии, уравнение Фика, электрофорез, основные уравнения. Основное уравнение электродиффузии (уравнение Нернста-Планка).

Проницаемость биологических и модельных мембран; методы ее исследования. Коэффициент проницаемости биомембран, зависимость его от величины растворимости вещества в липидах. Электрофорез ионов через мембраны, проводимость мембран для постоянного тока. Емкость мембран и импеданс. Методы изучения импеданса. Зависимость импеданса от частоты тока.

Решение уравнения электродиффузии в приближении постоянного поля. Связь уравнения Гольдмана для потока с законами Фика и Ома.

Транспорт веществ через мембраны путем облегченной диффузии. Переносчики веществ и ионов. Поры в биомембранах, методы оценки эффективного размера пор. Динамические поры и механизм их формирования.

Сопряженные ионные потоки через мембраны везикулярных структур. Уравнение Онзагера для сопряженных потоков. Связь проницаемости биомембран для различных веществ с фазовым состоянием липидов.

Активный транспорт веществ в живой клетке, его энергетика. Роль К+, Nа+ активируемой АТФазы в активном транспорте неорганических ионов. Молекулярный механизм работы К⁺, Са⁺ АТФазы. Транспорт неорганических ионов через кожу лягушки, стенки мочевого пузыря и почечных канальцев. Опыты Усинга по измерению ионных потоков через многоклеточные системы. Связь транспорта воды с движением других веществ. Осмотическое сжатие и набухание клеток.

Хемиосмотическая теория окислительного фосфорилирования в митохондриях: основные постулаты Митчела и их экспериментальные доказательства. Биофизический механизм действия разобщителей окислительного фосфорилирования. Электрофоретический транспорт ионов через мембраны митохондрий, его биологическое значение.

4. Биофизические механизмы генерации мембранных потенциалов

Распределение ионов между водной и липидной фазами; межфазный потенциал. Энергия ионов в липидной фазе. Поверхностные заряды и поверхностный потенциал. Распределение плотности зарядов у границы раздела фаз: мембрана-вода.

Стационарные потенциалы в живой клетке: потенциалы покоя и потенциалы действия. Методы измерения биопотенциалов: микроэлектродная техника, характеристики микроэлектродов. Особенности входных цепей усилителей при работе с микроэлектродами.

Ионная природа потенциалов покоя и действия. Равновесные потенциалы Нернста-Доннана. Стационарный потенциал: уравнение Ходжкина-Гольдмана для расчета значений потенциалов покоя и действия.

Связь величины потенциалов покоя и действия с клеточным метаболизмом. Роль активного транспорта ионов в генерации потенциалов покоя. Электрогенный насос. Потенциалы покоя клеток печени, почек, сердечной, скелетной и гладкой мышц, нервной ткани в норме и патологии.

Биофизический механизм генерации потенциала действия. Метод фиксации напряжения на мембране. Изменения потоков ионов калия и натрия во времени при генерации потенциала действия. Современные методы изучения природы натриевых и калиевых каналов. Селективность ионных каналов, регуляция работы ионных каналов. Воротные токи. Механизм действия биологически активных соединений на ионные каналы. Роль ионов кальция в генерации потенциала действия в нервном волокне и нервной клетке. Кабельные свойства нервных волокон. Скорость проведения нервного импульса; телеграфное уравнение. Особенности проведения нервного импульса в миелизированных нервных волокнах.

Проведение нервного импульса через синаптические мембраны. Электрические и химические синапсы. Ионная проницаемость синаптических мембран и природа синаптического потенциала.

5. Биофизика рецепции

Синаптические мембраны. Методы изучения холинорецепторов. Молекулярная организация и механизм действия холинорецептора. Кинетика взаимодействия веществ с холинорецепторами. Оценка ответа клетки при действии медиатора. Механизмы десенситизации. Механизм изменения проницаемости холинорецептивной мембраны.

Физико-химическая модель взаимодействия ацетилхолина и его аналогов с рецептором. Рецепторные мембраны, содержащие аденилатциклазу: биофизические аспекты их функционирования. Биофизические механизмы действия циклической АМФ, роль ионов кальция в действии цАМФ. Биофизические механизмы функционирования хеморецепторов.

6. Биофизика межклеточных взаимодействий

Физико-химические характеристики клеточной поверхности, методы их изучения. Клеточные контакты: типы, электрические свойства, механическая прочность. Методы изучения адгезии клеток. Моделирование межклеточных контактов. Механизм нарушения межклеточных взаимодействий в патологии.