benemérita universidad autónoma de puebla vicerrectoría de...

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Vicerrectoría de Docencia

Dirección General de Educación Superior Facultad de Biología

Biofísica

1

PLAN DE ESTUDIOS (PE): Licenciatura en Biología

ÁREA: Morfofisiología Experimental

ASIGNATURA: Biofísica

CÓDIGO: BIOM-412

CRÉDITOS: 7

FECHA: Fecha de diseño



Biofísica

2

1. DATOS GENERALES

Nivel Educativo: Licenciatura

Nombre del Plan de Estudios:

Licenciatura en Biología

Modalidad Académica:

Presencial

Nombre de la Asignatura:

Biofísica

Ubicación:

Nivel formativo

Correlación:

Asignaturas Precedentes: Genética General, Fisiología Vegetal, Morfología Animal

Asignaturas Consecuentes: Nivel Formativo

Conocimientos, habilidades, actitudes y valores previos:

Contar con los conocimientos básicos de química, fisiología y matemáticas.

2. CARGA HORARIA DEL ESTUDIANTE

Concepto Horas por periodo Total de

horas por periodo

Número de créditos Teoría Práctica

Horas teoría y práctica: 2 sesiones teóricas y una sesión de prácticas (16 horas = 1 crédito)

64 48 112 7

Total 64 48 112 7



Biofísica

3

3. REVISIONES Y ACTUALIZACIONES:

Autores: Arturo Reyes Lazalde, Salvador Galicia Isasmendi, María Eugenia Pérez Bonilla, Montserrat Vázquez Balbuena.

Fecha de diseño:

Fecha de la última actualización: 29 de febrero de 2016

Fecha de aprobación por parte de la academia de área

Fecha de aprobación por parte de CDESC-UA

Fecha de revisión del Secretario Académico

Revisores: N/A

Sinopsis de la revisión y/o actualización:

Se actualizo el programa en sus contenidos, objetivos y referencias bibliográficas. Se modificaron las unidades y su contenido.

4. PERFIL DESEABLE DEL PROFESOR (A) PARA IMPARTIR LA ASIGNATURA:

Disciplina profesional: Fisiólogo, neurocientífico, biofísico, bioelectrónico, físico aplicado, matemáticas aplicadas y áreas afines.

Nivel académico: Ideal Doctorado, mínimo Maestría

Experiencia docente: 0 (para profesores con un posgrado reconocido por

CONACyT), 6 meses en otro caso.

Experiencia profesional: 0 (para profesores con un posgrado reconocido por

CONACyT), 6 meses en otro caso.

5. OBJETIVO GENERAL: El alumno desarrollará las herramientas disciplinarias, conceptuales,

metodológicas, técnicas, informáticas y analíticas básicas para investigar los mecanismos biofísicos

de las cuatro funciones biológicas principales tratadas aquí, que favorezcan el entendimiento, la

capacidad de abstracción, reducción y análisis de los sistemas vivientes para potencializar la

aplicación, generación e innovación del conocimiento en el sector laboral público, privado o científico.



Biofísica

4

6. CONTENIDO

Unidad Objetivo

Específico Contenido Temático Referencias

Biofísica de la

neurona

Desarrollará circuitos eléctricos equivalentes de la membrana celular, células isopotenciales, axón, árbol dendrítico y sinapsis.

Investigará mediante modelos la respuesta electrofisiológica de la neurona.

Evaluará su funcionamiento según diversos protocolos de investigación.

Derivará modelos matemáticos a partir de circuitos eléctricos equivalentes.

Resolverá modelos matemáticos básicos de algunos de los procesos más fundamentales en la neurona.

Medirá y correlacionará variables que explique un proceso neuronal determinado.

Discutirá los resultados obtenidos en los diversos experimentos computacionales.

Parte 1. 1. Introducción a la neuroanatomía funcional su relevancia pasada, presente y futura. Parte 2. 1. Introducción a los circuitos eléctricos resistivos en serie y en paralelo. 2. El circuito eléctrico RC en paralelo como modelo de membrana celular y célula isopotencial. 3. Derivación de modelo matemático de membrana y célula isopotencial. 4. Solución analítica del modelo matemático. 5. Concepto de constante de tiempo y su medición gráfica y matemática. 6. Ley de Ohm y medición de corriente, voltaje y resistencia en un circuito eléctrico. Parte 3. 1. El potencial de membrana. a. Diferencia de concentraciones iónicas en la célula. b. El canal iónico. c. Corriente iónica. d. Equilibrio termodinámico. e. Concepto de estado estable.

2. Ecuación de Nernst. a. Concepto de potencial de equilibrio de un ión. b. Concepto de movilidad térmica. c. Concepto de movilidad eléctrica. 3. Ecuación de Goldman-

Ramón Latorre et al. (1996) Biofísica y Fisiología Celular.

Universidad de Sevilla, España.

Koch, C. (1999).

Biophysics of computation. Oxford

University Press. U.S.A. Cap. 1-6.

Johnston D. (1997).

Foundations of cellular neurophysiology. The

MIT Press. UK. Cap. 2-7.

Nelson P. (2015). Biological Physics. W. H. Freeman and Co. U.S.A.

Izhikevich M.E. (2007) Dynamical Systems in Neurosciencias. MIT

Press. Cap. 2.

Keener J y Sneyd J. (2009). Mathematical

Physiology. 2da. Edición, Springer Science, pp.

175-223

Sterling P. y Laughlin S. (2015). Principles of Neural Design. MIT, USA, pp. 155-294.

Páginas Web.



Biofísica

5

Unidad Objetivo


Hodgkin y Katz Parte 4. 1. La sinapsis química y el modelo eléctrico equivalente de una sinápsis química rápida. 2. El potencial postsináptico excitatorio (EPSP) e inhibitorio (IPSP). 3. Modelo matemático de entrada sináptica excitatoria (NMDA y No-NMDA). 4. Modelo matemático de entrada sináptica inhibitoria (GABA). Parte 5. 1. Propiedades pasivas en el axón 2. Teoría de cable. a. Concepto de constante de longitud (espacio). b. Determinación gráfica de la constante de longitud. c. Determinación matemática de la constante de longitud Parte 6. 1. Integración neuronal. a. Sumación espacio temporal. Parte 7. 1. El registro intracelular 2. Potencial de acción 3. Modelo eléctrico de Hodgkin y Huxley. a. Derivación del modelo matemático de Hodgkin y. b. Corrientes iónicas que subyacen al potencial de acción en el axón. 4. La técnica de fijación de voltaje. a. Determinación de conductancias iónicas en el



Biofísica

6

Unidad Objetivo


axón. 5. Umbral de disparo y su determinación. 6. Periodo refractario relativo y absoluto y su determinación. 7. Potenciales de acción en neuronas del sistema nervioso central (por ejemplo. Disparo en ráfagas y disparo sostenido) y corrientes iónicas subyacentes.

Biofísica muscular

Identificará los procesos estocásticos en la placa neuromuscular.

Analizará el modelo de Hill y relacionarlo con estructuras biológicas correspondientes.

Parte 1. 1. 1. La vía final común. La

Importancia del sistema muscular como el medio último de contacto con nuestro entorno.

2. 2. Tipos de Fibras Musculares. Parte 2. 1. Derivación matemática del Potencial de Placa Motora. 2. Potenciales Miniatura y la hipótesis de la liberación cuántica. 3. Acople Excitación Contracción. 4. Cinética de activación de los canales de DHP. 5. Calcio Excitador-Calcio Liberador. Parte3. 1. Modelo de Hill; Relaciones: Deformación-Carga, Velocidad-Fuerza, Carga-Velocidad. 2. Contracción isotónica e isométrica.

Andronache Z et al. (2009). Proc Natl Acad Sci USA 106(11): 4531-

6.

Brown RH et al. (2013). Cap. 14. Disease of the nerve and Motor Unit.

En: Principles of neural science. Editor: Kandel E. Mc Graw Hill New

York EUA. pp. 307-330.

Craig R y Woodhead JL (2006). Curr Opin Struct

Biol 16(2):204-12.

Daune (1999). Capítulo 7. Brownian Motion. En :

Molecular Biophysics, structure in motion.

Oxford University Press. New York, EUA. pp. 155-

163.

Enoka RM y Pearson KG (2013). Cap. 34. The

Motor Unit and Muscle Action. En: Principles of neural science. Editor: Kandel E. Mc Graw Hill

New York EUA. pp. 768-774.



Biofísica

7

Unidad Objetivo


Enderle J, Bronzino J (2011). Introduction to

Biomedical Engineering, Third Edition 3rd Edición.

Academic Press EUA. 1272 pp.

Herzog (2000). Skeletal

Muscle Mechanics: From Mechanisms to Function. John Wiley & Sons Inc.

Irving M et al. (2000).

Nat Struct Biol 7(6):482-5.

Ma J et al. (1996). J Gen Physiol 108(3):221-32. Nigg BM y Herzog W

(2007). Biomechanics of the Musculo-Skeletal System. 3ra. Edición, Wiley and Sons Ltd.

England.

Phillips R, Kondev J, Theriot J, García H

(2012). Physical Biology of the Cell. Garland Science. Inglaterra.

Reedy MC (2000). J Cell Sci 113 ( Pt 20):3551-62.

Biofísica

respiratoria

Comprenderá las capacidades de reserva de un sistema vital.

Formulará y analizará modelos compartamentales de un proceso biológico vital.

Derivará las ecuaciones

Parte 1. 1. La respiración como sistema vital, anatomía funcional del aparato respiratorio. a. mecánica de la respiración b. volúmenes respiratorios. c. relación ventilación perfusión. d. Presión parcial de los gases a diferentes alturas. d. Difusión de oxígeno. e. Saturación de la hemoglobina

Keener J y Sneyd J. (2009). Mathematical

Physiology. 2da. Edición, Springer Science, pp.

683-714.



Biofísica

8

Unidad Objetivo


diferenciales de un sistema compartamentalizado.

Comparará el efecto de cambio de valor de variables en diversas condiciones.

y tiempo de tránsito. f. Difusión del bióxido de carbono. e. Control respiratorio del pH sanguíneo (como un ejemplo de homeostasis). Parte 2. 1. La respiración vista como un sistema compartamental. a. Derivación de ecuaciones diferenciales del sistema. b. La constante de difusión. c. Primera ley de la difusión de Fick.

Biofísica cardiovascular

Ilustrará el sistema cardiovascular.

Analizará la relación estructura función.

Investigará la interacción entre variables.

Relacionará las corrientes iónicas con los potenciales de acción cardiacos.

Relacionará las canalopatias con alteraciones del ritmo cardiaco.

Relacionará cambios estructurales con alteraciones de flujo sanguíneo.

Comparará el sistema circulatorio de invertebrados y mamíferos.

Parte 1. 1. La función vital del sistema cardiocirculatorio, anatomía funcional del aparato circulatorio. (estructura del corazón, árbol arterial y venoso). a. El corazón como bomba. b. Canalopatias. c. Sistema de conducción cardiaca. d. Trastornos del ritmo cardiaco y la muerte súbita. Parte 2. 1. El potencial de acción en el nodo sinusal como marcapaso cardiaco y las corrientes iónicas que lo generan. 2. La corriente “funny” como ejemplo de corriente activada con pulsos hiperpolarizantes. 3. El potencial de acción a lo largo del sistema de conducción y las corrientes iónicas que lo generan.

Herráez y Delegido, (2013). Elementos de física aplicada y biofísica. 2da. Edición, Universidad de Valencia, España. Pp. 25-53. D’alessandro (2006). Biofísica y Fisiología de la Circulación Sanguínea Periférica. Universidad Central de Venezuela, Vol. 1. Keener J y Sneyd J. (2009). Mathematical Physiology. 2da. Edición, Springer Science, pp. 471-521.



Biofísica

9

Unidad Objetivo


Parte 3. 1. La importancia de la compartimentalización del corazón (derecho vs izquierdo). a. Acople en serie de la circulación menor y mayor. Parte 4. 1. Tipos de fluidos. Número de Reynolds. 2. Diferencia de presiones en el sistema circulatorio y la direccionalidad del flujo circulatorio. a. Estenosis circulatoria y sus implicaciones en las presiones. Parte 5. 1. Modulación de la resistencia de los árboles vasculares por efecto del Sistema Nervioso Autónomo. Parte 6. 1. Diferencia en la eficiencia de difusión, resistencia vascular, flujo, etc. entre un sistema circulatorio abierto (invertebrados) y un sistema circulatorio cerrado de bomba simple (peces) y doble (mamíferos).



Biofísica

10

7. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ASIGNATURA:



Biofísica

11

8. ORIENTACIÓN DIDÁCTICA

Estrategias/Técnicas didácticas Recursos didácticos

Implementación de aprendizaje activo mediante el uso de simuladores.

Implementación de aprendizaje por descubrimiento mediante cambios en el valor de variables, su relación y el efecto en el sistema.

Implementación de aprendizaje colaborativo mediante la realización de experimentos conjuntos.

Presentaciones PowerPoint.

Videos ilustrativos.

Películas relacionadas con los temas.

Simuladores de experimentos virtuales.

Software de físico-matemáticas.

Software de graficado.

Simuladores de electrónica.

Antologías.

Apuntes.

Banco de preguntas.

9. CONTRIBUCIÓN DEL PROGRAMA DE ASIGNATURA AL PERFIL DE EGRESO

Asignatura

Perfil de egreso (anotar en las siguientes tres columnas, cómo contribuye la asignatura al

perfil de egreso )

Conocimientos Habilidades Actitudes y valores

Biofísica

El lenguaje simbólico

en la biofísica fundamentalmente en

la modelación matemática, es el medatizador por excelencia en el

proceso de aprendizaje de esta

disciplina. El educando tendrá dominio de este

lenguaje y será capaz de emplearlo

correctamente en la interpretación y

representación en diversas situaciones correspondientes a

esta ciencia, así

Aprenderá a realizar búsquedas en Internet de artículos científicos de los temas.

Aprenderá el manejo de programas computacionales de graficado y análisis de datos.

Aprenderá el manejo de software educativo.

Aprenderá a derivar modelos matemáticos de un proceso biológico.

Aprenderá a solucionar modelos matemáticos con software matemático.

Aprenderá a

Asistencia y puntualidad como un requisito del curso.

Responsabilidad en la entrega en tiempo y forma de las tareas y materiales solicitados.

Honradez en el uso de material y software prestado.

Acatamiento de las reglas del salón de cómputo.

Honestidad en las evaluaciones y autoevaluaciones



Biofísica

12

Asignatura

Perfil de egreso (anotar en las siguientes tres columnas, cómo contribuye la asignatura al

perfil de egreso )

Conocimientos Habilidades Actitudes y valores como operará con él

al enfrentar situaciones

problemáticas.

realizar trabajo en equipo.

10. EJES TRANSVERSALES

Eje (s) transversales Contribución con la asignatura

Formación Humana y Social Se utiliza en varios temas un aprendizaje colaborativo que contribuye a la interacción entre los alumnos.

Desarrollo de Habilidades en el uso de las Tecnologías de la Información y la Comunicación

Durante todo el curso el alumno utiliza páginas Web de los temas y software educativo para la realización de experimentos virtuales.

Desarrollo de Habilidades del Pensamiento Complejo

La biofísica empieza en la naturaleza de la física, las matemáticas, la computación, la biología, la medicina, la química, etc. Ya no se limita al cálculo numérico, genera conceptos sofisticados que se han desarrollado para construir un área muy amplia y variada del pensamiento humano, que va más allá de lo que encontramos en un típico temario escolar. La biofísica es una ciencia esencialmente cuantitativa que nos permite viajar por el interior de la mente que piensa numéricamente.

Lengua Extranjera Lectura de textos y artículos en inglés.

Innovación y Talento Universitario

Educación para la Investigación El curso está centrado en el aprendizaje por investigación.



Biofísica

13

11. CRITERIOS DE EVALUACIÓN:

Criterios Porcentaje

Exámenes 40% ajustado con equivalencia a 10

Habilidades: Tareas, Resolución de problemas, Integración de Información, Exposiciones y Simulaciones.

40%

Actitudes y Valores: Participación en clases, Asistencia, Trabajo en equipo, Discusión y Aporte de ideas.

20%

Total 100%

*Se trata de una materia que requiere de varias disciplinas. El orden de los temas está planeado, iniciando por los conceptos más fáciles y en forma secuencial se incrementa la complejidad. Para que el alumno logre un aprendizaje significativo debe de construirlo desde las partes más fundamentales a las más difíciles y complejas. Para que esto se logre es necesaria su presencia y participación.

12. REQUISITOS DE ACREDITACIÓN

Estar inscrito como alumno en la Unidad Académica en la BUAP

Asistir como mínimo al 80% de las sesiones

La calificación mínima para considerar un curso acreditado será de 6

Cumplir con las actividades académicas y cargas de estudio asignadas que señale el PE

13. Anexar (copia del acta de la Academia y de la CDESC- UA con el Vo. Bo. del Secretario Académico)

benemérita universidad autónoma de puebla vicerrectoría de...

Documents