Учебно-научный центр
биомедицинской инженерии

Института биологического
приборостроения РАН

  

ПРОГРАММА вступительных экзаменов
в аспирантуру по специальности "биофизика"

1. Общая биофизика.
2. Физика биополимеров и надмолекулярных образований.
3. Термодинамика и кинетика биологических процессов.
4. Биологические мембраны.
5. Биоэнергетика.
6. Биофизика биологической подвижности.
7. Фотобиологические процессы.
8. Биофизика клетки и ткани.
9. Экспериментальные методы исследований в биофизике.

1. Общая биофизика.

Границы применимости классической и квантовой физики в изучении биологических систем - биополимеры как пограничные объекты между микро- и макромиром.

Термодинамика в биологии. Термодинамика неравновесных систем. Энтропия и информация в биологии.

Разнообразие жизни на Земле. Иерархия и систематика организмов. Уровни организации живого: от молекулярного до биосферного. Границы между живой и косной материей. Химические компоненты живого. Экологические связи: пищевые цепи, круговорот веществ и энергии. Геологическая роль живого вещества.

Основы общей генетики. Молекулярные основы наследственности. Хромосомы, гены, аллели. Кроссинговер, генотип и фенотип. Молекулярная организация, экспрессия и регуляция эукариотических генов. Путь от гена к признаку - молекулярные механизмы. Рекомбинантные ДНК.

Принципы биологической эволюции. Изменчивость, наследственность и естественный отбор. Мутации и рекомбинации как основа изменчивости. Физико-химические факторы эволюции.

Рекомендуемая литература:

• М.В. Волькенштейн. Общая биофизика. "Наука", М. 1978.
• Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор. Биология. В 3-х томах. "Мир", М. 1990
• Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф, Дж. Уотсон. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. "Мир", М. 1993.
• М. Сингер, П. Берг. Гены и геномы. В 2-х томах. "Мир", М. 1998.
• Э. Маршелл. Биофизическая химия. В двух томах. "Мир", М. 1981.
• А.Б. Рубин. Биофизика. В 2-х томах, "Высшая школа", М. 1987.
• С.Э. Шноль. Физико-химические факторы биологической эволюции. "Наука", М. 1979.

2. Физика биополимеров и надмолекулярных образований.

Химические связи и межмолекулярные взаимодействия. Виды ковалентных связей. Виды межмолекулярных взаимодействий. Ионная и водородная связь. Модельные потенциалы взаимодействия. Понятие о химической структуре, конфигурации и конформации молекул.

Структура жидкости, структура твердого тела. Особенности структуры и физико-химических свойств воды.

Структура белков и нуклеиновых кислот. Синтез белка (общие представления). Природа сил, обеспечивающих

стабильность структуры. Роль растворителя в стабилизации структуры (сольватация, ионная атмосфера). Основные термодинамические состояния белков и нуклеиновых кислот. Физические свойства в различных состояниях (тепловые, механические, электрические, оптические, динамические). Скачкообразные и непрерывные конформационные переходы.

Динамические свойства белков, нуклеиновых кислот и других биополимеров. Подвижность атомных групп. Статическая и динамическая доступность атомных групп растворителю.

Структура полисахаридов.

Липиды. Химическая структура липидной молекулы. Природа сил, обеспечивающих структуру липидных мембран. Полиморфизм и фазовые переходы в липидных мембранах. Сходство и различие в структуре и поведении между липидами и мицеллообразующими детергентами в водной среде.

Связь между физико-химическими особенностями классов биомолекул -нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и липидов - и биологической функцией каждого из этих классов.

Молекулярные машины. Общие физические особенности машин молекулярного размера. Фермент как молекулярная машина.

Принципы молекулярного узнавания. Стерическое соответствие: статическое ("ключ-замок") и динамическое ("рука-перчатка"). Роль констант связывания.

Специфичность ферментативного катализа, аллостерической регуляции.

Комплементарность азотистых оснований в нуклеиновых кислотах.

Рекомендуемая литература:

• А.Б. Рубин, Биофизика. В 2-х томах. "Высшая школа", М. 1987.
• Л.А. Блюменфельд. Проблемы биологической физики. "Наука", М. 1977.
• М.В. Волькенштейн. Молекулярная биофизика. "Наука", М.1975.
• Ч. Кантор, И. Шиммел. Биофизическая химия. "Мир", М. 1984.
• А. Ленинджер. Основы биохимии. В 3-х томах. "Мир", М. 1985.
• Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф, Дж. Уотсон, Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. "Мир", М. 1993.
• Л. Страйер. Биохимия. В 3-х томах. "Мир" М. 1985.
• Г. Шульц, Р. Ширмер. Принципы структурной организации белков. "Мир". М. 1982.

3. Термодинамика и кинетика биологических процессов.

Закрытые и открытые системы. Первый закон термодинамики. Теплота, энергия, работа. Второй закон термодинамики. Энтропия, энтальпия, свободная энергия Гиббса, свободная энергия Гельмгольца, термодинамические потенциалы. Независимые переменные. Уравнение состояния. Экстенсивные и интенсивные величины. Кинетическая теория газов и газовые законы.

Химический потенциал. Направление самопроизвольного процесса. Химическое равновесие, константа равновесия. Концентрация, активность, коэффициент активности. Ионизационные равновесия, понятие о рН и рК.

Проточная система. Кинетика цепочки реакций. Понятие и лимитирующей стадии.

Понятие и колебательных и автоволновых процессов. Примеры из химии, биохимии, биофизики мембран, популяционной биологии.

Рекомендуемая литература:

• А.Б. Рубин. Биофизика. В 2-х томах, "Высшая школа", М. 1987.
• А. Ленинджер. Основы биохимии. В 3-х томах. "Мир", М. 1985
• Дж.А. Кемпбел. Почему происходят химические реакции? "Мир", М. 1967
• С. Бенсон. Основы химической кинетики. "Мир". М. 1964.
• Ч. Кантор, П. Шиммел. Биофизическая химия. "Мир". М. 1984
• Е.А. Мелвин-Хьюз. Физическая химия. В 2-х томах, ИЛ. М. 1962.
• Е.А. Мелвин-Хьюз. Равновесие и кинетика реакций в растворах. "Химия". М. 1975.
• Э. Маршелл. Биофизическая химия. В 2-х томах. "Мир", М. 1981.
• Н.М. Эмануэль, Д.Г. Кнорре. Курс химической кинетики. "Высшая школа" М. 1969.
• Дж. Эдсолл, Х. Гатфренд. Биотермодинамика. "Мир" М. 1986.
• М. Диксон, Э. Уэбб. Ферменты. В 3-х томах. "Мир" М. 1982.

4. Биологические мембраны.

Роль мембран в клетке. Молекулярный состав и структура мембран. Функции молекулярных компонентов. Различие между мембранами животных и растительных клеток.

Проницаемость мембран. Ионная избирательность. Ионные каналы. Трансмембранный ионный градиент. Потенциал

Нернста. Доннановское равновесие. Уравнение для потенциала покоя. Эквивалентная электрическая схема.

Электрические свойства и возбудимость. Возникновение и распространение нервного импульса. Потенциал действия как автоволна. Активация и инактивация натриевой проводимости. Синаптическая передача.

Мембраны клетки. Пассивный и активный транспорт. Молекулы-переносчики. Виды активного транспорта и молекулярные механизмы. Мембранные АТФ-азы.

Рекомендуемая литература:

• Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф, Дж. Уотсон. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. "Мир". М. 1993.
• А.Б. Рубин. Биофизика. В 2-х томах. "Высшая школа". М. 1987.
• В.П. Скулачев. Энергетика биологических мембран. "Наука". М. 1989.
• В.Г. Ивков, Г.Н. Берестовский. Динамическая структура липидного бислоя. "Наука" М. 1981.
• В.Г. Ивков, Г.Н. Берестовский, Липидный бислой биологических мембран. "Наука" М. 1982.
• В.Ф. Антонов, Е.Ю. Смирнова, Е.В. Шевченко, Липидные мембраны при фазовых превращениях. "Наука". М. 1992.
• А. Ленинджер, Основы биохимии. В 3-х томах, "Мир". М.1985

5. Биоэнергетика

Понятие о макроэргической химической связи. Физические основы макроэргичности. Виды макроэргических соединений.

Гликолиз. Цикл Кребса. Субстратное фосфорилирование. Окислительно -восстановительный потенциал. Электрохимический потенциал. Строение и свойства митохондрий. Цепь переноса электрона и окислительное фосфорилирование в митохондриальных и в тилакоидных мембранах. Концепция Митчела о хемиосмотическом сопряжении. Митохондриальная АТФ-аза как вращающийся мотор живой клетки.

Рекомендуемая литература:

• В.П. Скулачев. Энергетика биологических мембран. "Наука". М. 1989.
• Л.А. Блюменфельд. Проблемы биологической физики. "Наука". М. 1977.
• А. Ленинджер. Основы биохимии. В 3-х томах. "Мир". М. 1985.
• А.Н.Тихонов. Вращающиеся моторы живой клетки. Соросовский образовательный журнал N 6, 1999, стр.8-16.
• Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис. М. Рэфф. Дж. Уотсон. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. "Мир". М. 1993.
• Дж. Николс, Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию. "Мир". М. 1985.
• Л. Страйер. Биохимия. В 3-х томах. "Мир". М. 1985.

6. Биологическая подвижность

Структура мышцы и мышечных белков. Биохимия и механика мышцы. Понятие о механохимическом сопряжении. Механизм превращения химической энергии в механическую работу в мышцах. Модель скользящих нитей. Строение тонких и толстых нитей мышечного волокна. Элементарный акт мышечного сокращения. Роль кальция в мышечном сокращении. Уравнение Хилла. Виды механохимических процессов в биологии.

Рекомендуемая литература:

• М.В. Волькенштейн Общая биофизика. "Наука". М. 1978.
• А.Н. Тихонов, Молекулярные основы биологической подвижности. Соросовский образовательный журнал N 6, 1999, стр.17-24.
• А. Ленинджер. Основы биохимии. В 3-х томах. "Мир". М. 1985.
• А.Б. Рубин. Биофизика, в 2-х томах, "Высшая школа". М. 1987.
• Л. Страйер. Биохимия. В 3-х томах. "Мир". М. 1985.
• Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис. М. Рэфф. Дж. Уотсон. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. "Мир". М. 1993.

7. Фотобиологические процессы.

Рекомендуемая литература:

• М.В. Волькенштейн. Общая биофизика. "Наука". М. 1978.
• Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис. М. Рэфф. Дж. Уотсон. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. "Мир". М. 1993.
• А.Б. Рубин. Биофизика. В 2-х томах. "Высшая школа". М. 1987.

8. Биофизика клетки и ткани

Морфология клетки. Функциональная роль структурных компонентов.

Система транспорта белков в клетке.

Клеточный цикл. Митоз. Мейоз.

Механизмы ионно-осмотического гомеостаза клеток.

Типы межклеточных взаимодействий в тканях животных и растений. Межклеточные взаимодействия и их роль в основных тканевых процессах (рост и дифференцировка тканей, метаболическая и энергетическая кооперация клеток).

Типы тканей. Примеры автоволновых процессов в тканях.

Молекулярные и клеточные основы иммунитета. Основные молекулярные факторы (антиген, антитело, комплемент), клеточные факторы (В-лимфоциты, Т-лимфоциты, макрофаги) и ткани, участвующие в иммунном ответе. Их функциональная роль.

Понятие о толерантности и теории клонов.

Принципы биологической рецепции. Виды рецепции (хемо-,механо-,фото-,термо-, электрорецепция. Клеточные и молекулярные механизмы. Роль внутриклеточных вторичных мессенджеров.

Рекомендуемая литература:

• Н. Грин, Д. Тейлор Биология. В 3-х темах. "Мир". М. 1990.
• К. Вилли, В. Детье, Биология. "Мир". М. 1974.
• Б. Альбертс, Л. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф, Дж. Уотсон. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. "Мир". М. 1993.
• В.И. Скулачев. Энергетика биологических мембран. "Наука". М. 1989.
• А. Ройт, Дж. Бростофф, Д. Мейл. Иммунология. "Мир". М. 2000.

9. Экспериментальные методы исследований в биофизике.

Спектральные методы исследования стационарных свойств биологических систем. Абсорбционная спектроскопия. Спектроскопия линейного и кругового дихроизма. Дисперсия оптического вращения. Спектрополяриметры. Люминесцентная спектроскопия. Флуоресценция, поляризация флуоресценции. Фосфоресценция. Спектрофлуориметры. Спектроскопия комбинационного рассеяния.

Динамические спектральные методы исследования биологических систем. Методы импульсной спектроскопии. Лазерная спектроскопия. Пикосекундная абсорбционная и флуоресцентная спектроскопия.

Методы изучения ионной проницаемости биологических мембран. Микроэлектродные методы. Усилители биопотенциалов. Измерение мембранной проводимости. Техника стабилизации мембранного потенциала. Измерение токов ионных каналов методом микроотведения.

Калориметрические методы исследования биополимеров и мембранных систем. Дифференциальная сканирующая микрокалориметрия. Титрационная изотермическая микрокалориметрия. Дифференциальные адиабатные сканирующие и титрационные микрокалориметры.

Методы радиоспектроскопии. Методы электронного парамагнитного резонанса. Методы ядерного магнитного резонанса. Мессбауэровская спектроскопия.

Электронная микроскопия молекул и клеток.

Гидродинамические методы исследования макромолекул.

Ультрацентрифугирование. Скоростная седиментация. Равновесное центрифугирование.

Вискозиметрия.

Жидкостная хроматография. Молекулярные сита. Адсорбционная, распределительная, ионообменная, эксклюзивная хроматография. ВЭЖХ.

Электрофорез.

Электрохимические методы. Потенциометрия. рН-метрия. Кулонометрия. Вольтамперометрические методы.

Кондуктометрия.

Рентгеновская кристаллография. Определение структуры макромолекул. Рентгеновское рассеяние в растворе.

Нейтронное рассеяние.

Рассеяние света.

Масс-спектрометрия. Магнитные, квадрупольные и время-пролетные масс-спектрометры.

Использование вычислительной техники в биофизике. Современные алгоритмические языки.

Рекомендуемая литература:

• А.Б. Рубин. Биофизика. В 2-х томах. "Высшая школа", М. 1987.
• Современные методы биофизических исследований. Практикум по биофизике. Под ред. А.Б. Рубина. "Высшая школа", М. 1988.
• М.В. Волькенштейн, Молекулярная биофизика. "Наука", М. 1975.
• Ч. Кантор, И. Шиммел, Биофизическая химия. "Мир", М. 1984.
• Э. Маршелл Биофизическая химия. В двух томах. "Мир", М. 1981.
• Основы аналитической химии. Под ред. Ю.А. Золотова. "Высшая школа", М. 2000.
• Молекулярная биология. Т. 1. Итоги науки и техники. Физические методы в молекулярной биологии. Под ред. М.В. Волькенштейна. ВИНИТИ. М. 1973.
• Молекулярная биология. Т. 2. Итоги науки и техники. Физические методы в молекулярной биологии. Под ред. М.В. Волькенштейна. ВИНИТИ. М. 1973.
• Молекулярная биология. Т. 3. Итоги науки и техники. Физические методы в молекулярной биологии. Под ред. М.В. Волькенштейна. ВИНИТИ. М. 1973.
• Молекулярная биология. Т. 6. Итоги науки и техники. Физические методы в молекулярной биологии. Под ред. М.В. Волькенштейна. ВИНИТИ. М. 1975.
• Э.А. Бурштейн. Люминесценция белковых хромофоров (модельные исследования). Биофизика. Т. 6. Итоги науки и техники. ВИНИТИ. М. 1976.
• Э.А. Бурштейн. Собственная люминесценция белка (природа и применение). Биофизика. Т. 7. Итоги науки и техники. ВИНИТИ. М. 1977.
• Дж. Лакович. Основы флуоресцентной спектроскопии. "Мир". М. 1986.
• E.A. Permyakov. Luminescent spectroscopy of proteins. CRC Press. Boca Raton, Ann Arbor, London, Tokyo. 1993.
• Т.К. Докукина. Программирование и алгоритмические языки. "Машиностроение". М. 1992.