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1、1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
2、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
3、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，
4、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
5、2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
6、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
7、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33.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
8、（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：细胞膜的分子模型流动镶
9、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43.3.3 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3.4
10、.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3.5.2.2 G 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
11、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4.2.3 n与激发态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54.
12、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（
13、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
14、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65.1.5 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）5.3.1 兴奋性5.3.2 脉冲刺激与生物效应5.3.3 SMC 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
15、.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
16、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76.2.2 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6.3.1.3 Goldman-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膜片钳实验6.5 视觉生物物理（了解）6.5.
