生物物理学 课程大纲 2010

生物物理学课程编码：3043009511课程名称：生物物理学总学分：2总学时：32课程英文名称：Biophysics先修课程：物理学、化学、生物化学适用专业：生命科学领域的所有专业一、课程性质、地位和任务生命活动的所有规律都遵守物理学和化学的基本规律，是物理与化学规律在生命系统中的具体体现。生物物理学与生物化学是孪生姊妹，它们分别从物理和化学角度认识与阐明生命活动的规律。生命体系其实是物质转换、能量转换与信息流动的有机体系，物质转换主要由生物化学研究，而能量转换与信息流动则是生物物理学的研究范畴。现代生命科学已经从宏观研究转入分子特别是原子水平的研究，从静态的解剖式研究转入动态的实时无损伤研究，在这些认识转换中必需依靠生物物理学理论与技术方法才能实现。因此，生物物理学与生物化学一样是生命科学的基础学科之一。为了给生命科学学习的大学生与研究生塑造科学完整的生命科学知识体系，应该像生物化学等生命科学基础学科一样进行生物物理学讲授。正因为生物物理学是从物理学角度认识与阐明生命活动规律，所以生物物理学应该结合物理学、化学和生物化学来学习。在掌握了物理学、化学与生物化学基本专业知识后，可以更好更系统地学习生物物理学。在生物物理学讲授中，将从能量与信息的角度阐明生命体系的科学性。以生命体系中能量转换是物质转换的基础，物质转换是能量转换的特例；生命体系中的信息流动决定着生命活动的方向性、有序性与准确性为主线贯穿始终。二、课程基本要求生物物理学内容广、研究精深，且不断与其它生命学科互相促进而飞速发展。比较重要的有研究蛋白质和DNA结构与功能的分子生物物理学，有研究二维空间（生物膜）生命活动规律的膜生物物理学，有研究光能量转换的光合作用和光与生命活动相互作用的光生物物理学，有研究生命活动中信息传递与控制的神经生物物理学，有研究环境物理因子对生命活动影响规律的环境生物物理学，还有从相关物理性质角度研究生命活动的生物力学、生物能学、生物流变学、生物电学等。生物物理学的重要特色还包括各种现代物理学技术方法在研究生命活动中的应用，如X射线晶体衍射、核磁共振、电子显微镜等结构分析技术，振动光谱如红外、拉曼光谱等，电子光谱如圆二色、荧光与吸收光谱等。分子生物物理学与膜生物物理学是生物物理学比较重要的基础，涉及到生命体系分子水平一维、二维与三维空间的物理学规律，应该重点讲授，重点掌握，使得学生能够运用这些生物物理学基本专业知识分析相关生命问题。光合作用与光生物物理学涉及到农作物的二个基本过程，一是将太阳能转化为生物可利用能源，二是控制农作物发育的光敏色素与蓝光受体，所以农学和林学专业的学生需要重点学习与掌握。神经生物物理学主要涉及动物神经活动的物理学规律，论述动物活动信息传导与控制规律，所以畜牧业专业的学生需要认真学习、认真领悟。现代生物物理学技术方法是我们认识生命活动规律的有力武器，应该认真学习，使得学生知道这些生物物理学技术方法的特点和具体应用方法，能够应用这些技术方法分析相关生物学过程。三、理论教学内容及安排10 第一章绪论（1学时）主要教学内容：介绍生物物理学定义，生物物理学的发展史，生物物理学的研究内容及其分支领域，我国生物物理学的发展与现状。教学重点、难点：生物物理学定义，生物物理学的发展史，生物物理学的研究内容及其分支领域。1.1概述（了解）1.1.1什么是生物物理学1.1.2生物物理学的研究对象1.2物理学和其他学科之间的关系（了解）1.2.1生物物理学与生物学之间的关系1.2.2与物理学之间的关系1.2.3与化学、数学等学科之间的关系1.3生物物理学研究的发展方向（了解）1.3.1生物物理学的发展概述1.3.2生物物理学研究的发展方向第二章分子生物物理学（3学时）教学目标：从分子结构角度讲解生物大分子的物理规律，使学生具有扎实的分子领悟。重点、难点：蛋白质分子和核酸分子的结构与功能，生物大分子一级结构与高级结构的关系，蛋白质折叠的热力学制约和动力学的驱动和控制，蛋白质工程中的定点突变技术。2.1蛋白质分子的结构和功能（掌握）  2.1.1蛋白质的化学组成  2.1.2蛋白质的基本结构单位¾¾氨基酸  2.1.3蛋白质的性质  2.1.4蛋白质的空间构象  2.1.5蛋白质结构与功能的关系2.2核酸分子的结构及其空间构象（掌握）（1学时）  2.2.1核酸的基本化学组成  2.2.2核酸的基本结构单元¾¾核苷酸  2.2.3核酸的空间构象  2.2.4核酸的性质2.3生物大分子的相互作用（了解）（1学时）  2.3.1强相互作用  2.3.2弱相互作用  2.3.3稳定生物大分子三维结构的作用力2.3.4核酸与蛋白质的相互作用1.螺旋-转折-螺旋结构2.锌指结构3.亮氨酸拉链结构2.4蛋白质的折叠（理解）2.4.1蛋白质高级结构的决定因素2.4.2分子动力学：球蛋白分子运动的研究方法10 2.4.3蛋白质折叠的热力学1.经典热力学假说2.熔球中间态模型2.4.4蛋白质定点突变对折叠的影响2.5大分子中的平衡配体反应（理解）（1学时）2.5.1单分子可逆反应1.单分子可逆反应的定义2.结合常数和解离常数2.5.2微观平衡常数和宏观平衡常数2.5.3平衡反应的基本类型1.一个分子结合一个配体2.一个分子结合多个配体2.5.4协同结合与协同相互作用1.协同作用的Hill曲线2.协同作用的模型2.5.5大分子平衡配体反应的偶联自由能1.平衡配体反应的偶联自由能的定义2.偶联自由能对平衡配体反应性质的判断第三章膜与细胞生物物理学（4学时）教学目标：从细胞膜的二维空间性对生物活动规划的角度，讲解细胞膜在生命活动中的功能，使学生对细胞静态与动态活动关系有深刻理解。重点、难点：细胞膜的分子模型¾¾流动镶嵌模型的特点，膜脂质分子和膜蛋白的运动特性，跨细胞膜的物质运输。易化扩散，次级主动运输，生物膜上的信息传递：细胞识别，激素作用。3.1生物膜的组成及其性质（了解）3.1.1膜脂3.1.2膜蛋白3.1.3膜糖类3.2生物膜的分子结构和功能（掌握）（1学时）  3.2.1生物膜的结构模型  3.2.2生物膜的流动性  3.2.3膜融合  3.2.4生物膜的功能  3.2.5脂质体3.3物质的跨膜运输（了解）（1学时）  3.3.1被动运输  3.3.2主动运输  3.3.3协同运输  3.3.4内吞作用与外排作用3.4细胞表面（了解）（1学时）3.4.1细胞表面结构、表面特性和表面活性10 3.4.2细胞表面电荷和离子结合3.4.3细胞粘附3.5细胞信号转导（掌握）（1学时）3.5.1细胞信号转导3.5.1.1细胞信号的主要种类3.5.1.2激素、胞内信使3.5.1.3蛋白质的可逆磷酸化及其对基因表达的调控3.5.2细胞表面受体与跨膜信号转换3.5.2.1激动剂控制的离子通道型受体3.5.2.2G蛋白偶联型受体3.5.2.3具有酶活性的受体第四章光生物物理学与光合作用（7学时）教学目标：从光的信息与能量角度，讲解生命活动如何利用光进行生物信息与能量转换，使得学生对生命活动的能量与信息规律的认识得到强化。重点、难点：光生物学过程的特征，激发与激发态，紫外光对生物大分子的作用，光合作用的原初过程，荧光，超微弱发光。激发态及各种弛豫过程，溶剂与溶质对荧光的影响，光合作用的原初过程。4.1什么是光生物物理学（了解）4.1.1光生物物理学的研究对象4.1.2研究的主要内容4.1.3光生物学的范围4.1.4光生物学过程的特征4.2激发与激发态（了解）（1学时）4.2.1激发态及各种弛豫过程4.2.2单线态与三重态4.2.3np*与pp*激发态4.3荧光的一些特性（理解）4.3.1光谱红移4.3.2荧光激发光谱4.3.3荧光淬灭4.3.4荧光量子效率4.3.5荧光寿命4.4荧光探针和能量的转移（掌握）（1学时）4.4.1探针 4.4.2生命体系中的能量传递  4.4.3能量传递的Foerster机理  4.4.4生物大分子中能量传递的应用4.5生物发光与化学发光（了解）（1学时）4.5.1生物发光4.5.2低水平发光或超微溺暗化学发光10 4.5.3化学发光中的激发态4.6紫外光对生物大分子的作用和光敏化作用（了解）（1学时）4.6.1蛋白质的激发态4.6.2紫外光对蛋白质与核酸作用的光化学4.6.3光敏化作用4.6.4光动力作用4.7自由基和活性氧（了解）4.7.1自由基性质4.7.2自由基反应4.7.3活性氧产生4.7.4活性氧清除4.7.5活性氧毒性4.8自由基与活性氧的生理功能（了解）（1学时）4.8.1吞噬作用4.8.2在生物合成中的作用4.8.3解毒作用4.8.4其它方面4.9光合作用（掌握）（1学时）4.9.1光合作用的进化与多样性4.9.2光合作用的能量传递4.9.3光合作用的电子传递4.9.4光合作用的能量转换4.10光敏色素与发育（掌握）（1学时）4.10.1光敏色素的光致结构变化4.10.2光敏色素结构变化与磷酸激酶的偶联第五章生物电学和生物磁学（2学时）教学目标：讲授细胞的电磁学性质，使得学生对生命体系复杂性得到新的了解。重点、难点：细胞电学模型，生物大分子与细胞的介电性质，电磁场与生物大分子和组织的相互作用，生物组织的电特性测量技术。5.1生物物质的导电特性（了解）  5.1.1物质导电性的基本概念  5.1.2细胞电学模型  5.1.3并联电导模型  5.1.4中心导体模型  5.1.5生物组织的阻抗特性5.2生物物质的介电特性（理解）  5.2.1生物大分子的介电特性  5.2.2生物水的介电特性  5.2.3生物组织的介电特性5.3电刺激与组织兴奋性（了解）（1学时）10 5.3.1兴奋性5.3.2脉冲刺激与生物效应5.3.3SMC刺激与生物效应5.3.4电致生长与修复5.3.5静电生物效应5.4生物磁现象（了解）5.4.1生物材料的磁性5.4.2人体磁场5.4.3磁场对生物水和细胞的作用5.4.4磁场与生物体相互作用因子5.4.5磁场对生物体内水的作用5.4.6磁场对组织细胞的作用5.5磁场的生物效应（了解）5.5.1磁致放大效应5.5.2磁致遗传效应5.5.3磁致生长(死亡)效应5.5.4磁致生理生化效应  5.5.5生物和人体磁场  5.5.6地磁场与生命活动5.6生物组织的电特性测量（了解）（1学时）  5.6.1微电极技术  5.6.2电压钳技术  5.6.3膜片钳技术  5.6.4传输线测量方法第六章神经与感官生物物理学（3学时）教学目标：讲解生命体系神经与感官受体传感信号的物理基础，加深学生对相关传感规律的认识。重点、难点：突触，生物电信号，神经递质，受体与离子通道。化学突触内已确定能发生的主要化学变化，G-蛋白偶联受体介导的神经信号的跨膜传导，感受细胞的换能作用，视觉传导路。6.1神经生物物理学及其主要内容（了解）6.1.1什么是神经生物学6.1.2神经科学和生物物理学的关系6.2神经系统与神经细胞，突触和神经递质（了解）6.2.1神经系统6.2.2神经元的类型与胶质6.2.3神经元与突触6.2.4神经递质与神经周质6.3膜的电学特性（了解）（1学时）6.3.1静息电位6.3.1.1静息电位的离子基础6.3.1.2离子平衡电位10 6.3.1.3Goldman-Hodgkin-Kalz方程6.3.2动作电位6.3.2.1动作电位的特征6.3.2.2动作电位与Hodgkin-Huxley方程6.3.2.3动作电位的离子机制6.3.3兴奋的传导6.3.3.1局部兴奋6.3.3.2神经元的结构6.3.3.3突触传递6.4受体与离子通道（了解）（1学时）  6.4.1受体  6.4.2离子通道6.4.3离子单通道测量技术¾¾膜片钳实验6.5视觉生物物理（了解）  6.5.1视网膜的结构与功能  6.5.2感受器电位  6.5.3视觉信息初步  6.5.4视觉计算理论6.6听觉生物物理（了解）（1学时）  6.6.1耳的结构与功能  6.6.2耳蜗电位  6.6.3听觉的神经机制第七章辐射生物物理学（3学时）教学目标：讲解高能辐射的重要生物效应，使得学生认识了解物理育种技术。重点、难点：放射性核素的基础知识，辐射能量转移（吸收）的原发过程。靶学说，生物大分子和细胞存活曲线模型。自由基的研究方法，生物体内活性氧的产生、毒性及清除，自由基与抗氧化干预对疾病的发生及预防的关系。7.1辐射的物理基础（了解）  7.1.1辐射量的概念和单位7.1.2电离辐射与非电离辐射7.1.3粒子与物质的相互作用7.2电离辐射生物学作用机制（了解）（1学时）  7.2.1靶学说  7.2.2直接作用和间接作用  7.2.3辐射作用的原初过程  7.2.4辐射作用的时间进程  7.2.5影响辐射生物学作用的因素7.3水的辐射化学（了解）7.3.1水的辐射分解与水自由基7.3.2水自由基的特性及其在细胞中的行为10 7.3.3水自由基与生物分子的主要反应7.4生物大分子和细胞存活曲线模型（1学时）7.4.l剂量效应曲线（理解）7.4.2哺乳动物细胞存活曲线及其数学模型7.4.3辐射作用的分子理论7.4.4双元辐射作用理论7.4.5辐射生物物理模型的发展7.5重离子辐射对生物体的作用（了解）（1学时）  7.5.1辐射损伤方式  7.5.2辐射损伤效应  7.5.3重离子束的物理学与生物学特性  7.5.4重离子辐射对生物体的作用基础  7.5.5重离子束在生物医学中的应用第八章液流变物理（2学时）教学目标：讲授生命体系中流体介质的重要功能，使得学生能更完整地认识生命体系的流体动态规律。重点、难点：生物流体在管形组织和细胞中的特性及其生物效应。8.1流变物理的基本概念（理解）  8.1.1牛顿黏滞定律  8.1.2牛顿型流体与非牛顿型流体  8.1.3圆管内的定常流动  8.1.4层流与湍流8.1.5细胞内拥挤效应8.2血液的流变性质（理解）（1学时）  8.2.1血液的非牛顿性  8.2.2血液的黏度  8.2.3Casson方程与屈服应力  8.2.4Fahraeus-Lindqvist效应  8.2.5血液的触变性和黏弹性8.3红细胞的流变性质（了解）（1学时）  8.3.1红细胞的形态结构  8.3.2红细胞的变形性  8.3.3红细胞的聚集性  8.3.4红细胞变形性与聚集性的关系  8.3.5红细胞变形的力学行为第九章生物物理技术（7学时）教学目标：讲授现代物理技术在生命科学中广泛而深入的运用，对生命科学发展所起的巨大推动作用，使得学生能跟上生命科学中不断发展与更新的现代技术进步。10 重点、难点：电子光谱与振动光谱分析生物大分子结构，磁共振技术分析分子结构特征，测定生物大分子结构的物理方法，显微技术及其与荧光探针的结合，时间分辨光谱捕获生物分子动态变化，差示扫描量热技术在生物物理分析中的特别用途。9.1光谱分析技术（掌握并运用）（1学时）  9.1.1光谱分析的基本概念  9.1.2紫外-可见吸收光谱  9.1.3荧光光谱  9.1.4红外和拉曼光谱分析技术  9.1.5旋光色散及圆二色技术9.2磁共振技术（了解）（1学时）  9.2.1磁共振的基本原理  9.2.2磁共振的几个主要参数  9.2.3核磁共振仪  9.2.4磁核共振在生物学上的应用  9.2.5电子自旋共振9.3蛋白质晶体结构解析（了解）（1学时）9.3.1蛋白质结构测定的基本步骤9.3.2结晶9.3.3数据收集9.3.4相位测定9.3.5相位改善及扩展9.3.6电子密度图的解释与修正9.3.7数据库信息9.4显微技术（了解）（1学时）9.4.1蛋白质的二维结晶及结构重建9.4.2蛋白质晶体的类型9.4.3蛋白质的二维结晶化9.4.4膜蛋白二维晶体形成的机制及条件9.4.5电镜观察与三维结构重建  9.4.6扫描隧道显微镜  9.4.7原子力显微镜9.5穆斯堡尔谱（了解）（1学时）9.5.1穆斯堡尔效应的基本原理9.5.2穆斯堡尔谱和穆斯堡尔谱仪9.5.3穆斯堡尔谱的主要参量9.5.4穆斯堡尔谱在生命科学研究中的应用9.6时间分辨光谱（了解）（1学时）9.6.1基本原理9.6.2时间分辨光谱的数据处理10 9.6.3时间分辨光谱技术在生物科学中的应用举例9.7差示扫描量热技术（了解）（1学时）9.7.1原理9.7.2差示扫描量热仪结构和影响测量结果的一些因素9.7.3从DSC获得的信息与主要参量9.7.4DSC在生物系统的应用举例四、教学方式及考核方式教学方式：绝大部分教师讲授+少许讨论考核方式：期终考试+平时作业成绩评定：百分制五、教材及主要参考文献[1]赵南明、周海梦，生物物理学，第1版，北京，高等教育出版社，2000年；[2]丘冠英、彭银祥，生物物理学，第1版，武汉，武汉大学出版社，2000年；[3]菲利普.纳尔逊著，黎明、戴陆如译，生物物理学：能量、信息、生命，第1版，上海科学技术出版社，2006；[4]BiophysicalJ.生物物理学权威期刊。http://www.cell.com/biophysj/。撰稿人：赵开弘10