Биологический факультет СПбГУ

Кафедра Биофизики — научная деятельность



Кафедра биофизики ЛГУ им. А.А. Жданова (ныне СПбГУ) была создана в 1958 году, и является второй по счету кафедрой биофизики, появившейся в стране. 50-е годы прошлого века – период интенсивных исследований в области этой молодой тогда еще науки – биофизики, что, безусловно, нашло отражение в многообразии научных интересов, представленных на нашей кафедре. Среди научных направлений того времени можно отметить фундаментальные и прикладные исследования в области биофизики мембран, биофизики сенсорных систем (биофизика зрения и слуха), биоэнергетики, биокибернетики, электронной микроскопии и исследования реорганизации цитоскелета.

Одним из важнейших научных направлений было изучение биофизики мембранного транспорта, функциональной организации, биофизических и фармакологических характеристик ионных каналов клеток. Инженерами Кафедры были созданы оригинальные автоматизированные установки фиксации потенциала (voltage-clamp method) и локальной фиксации потенциала на мембране (patch-clamp method) – двух классических биофизических методов исследования активности ионных каналов. C использованием метода фиксации потенциала были изучены кинетические и фармакологические характеристики потенциал-зависимых Na+- и К+-каналов в мембране перехвата Ранвье лягушки. Впервые, на перехвате Ранвье лягушки, были зарегистрированы воротные токи (gating currents), связанные с активацией потенциал-зависимых Na+-каналов (Лонский А.В., Ильин В.И., Катина И.Е., Крутецкая З.И. Токи, связанные с активацией натриевых каналов мембраны перехвата Ранвье. ДАН СССР. 1975. Т. 222. N 6. С. 1450-1452). Выполнены пионерские работы по фармакологическому разделению и идентификации компонент воротного тока потенциал-зависимых Na+-каналов в мембране перехвата Ранвье лягушки (Krutetskaya Z.I., A.V. Lonskii, G.N. Mozhaeva, A.P. Naumov. Effect of aconitine on asymmetrical displacement currents of the Ranvier node membrane. Neurophysiology. 1977. V. 9. N 3. P. 249-251; Крутецкая З.И., Лонский А.В., Можаева Г.Н., Наумов А.П. Двухкомпонентность токов смещения в мембране нервного волокна: кинетический и фармакологический анализ. Цитология. 1978. Т. 20. N 11. С. 1269-1277). Кафедра биофизики ЛГУ также была одной из первых исследовательских групп в нашей стране, успешно освоившей и внедрившей метод локальной фиксации потенциала (patch-clamp method), с помощью которого нашими сотрудниками были исследованы биофизические характеристики и механизмы регуляции активности потенциал-зависимых К+-каналов в мембране перитонеальных макрофагов крысы.

В настоящее время на Кафедре продолжаются исследования в области биофизики клеточных процессов, механизмов внутриклеточной сигнализации и регуляции ионного транспорта в невозбудимых клетках.

Проводятся исследования по двум основным направлениям: 1. Исследование механизмов Са2+- сигнализации в невозбудимых клетках.

Са2+ является универсальным вторичным мессенджером в клетках животных, растений и микроорганизов. Изменения внутриклеточной концентрации Са2+ регулируют важнейшие клеточные процессы, включая активацию клеток, иммунный ответ, оплодотворение, перестройку цитоскелета и др. В связи с этим, изучение механизмов Са2+ сигнализации уже много лет не утрачивает актуальности.


Многие годы интерес исследователей кафедры биофизики прикован к особенностям процессов кальциевой сигнализации в важных иммунных клетках – макрофагах. С использованием флуоресцентных методов впервые проведено широкое комплексное исследование механизмов генерации и регуляции Ca2+-сигналов в перитонеальных макрофагах крысы. Показано участие многих сигнальных систем в генерации и поддержании Са2+-ответов, вызываемых разнообразными агентами. Изучается взаимосвязь и взаимовлияние процессов Са2+-сигнализации с другими универсальными регуляторными системами клетки. Так, показано влияние редокс-регулирующих агентов, например, дисульфидсодержащих иммуномодуляторов глутоксима и моликсана, на внутриклеточную концентрацию Са2+. Предложена комплексная модель редокс-регуляции процессов Са2+-сигнализации в макрофагах. В настоящее время особое внимание уделяется изучению участия уникальных молекулярных шаперонов, рецепторов сигма-1, в регуляции Са2+-ответов в макрофагах. Показано, что лиганды сигма-1 рецепторов, являющиеся лекарственными средствами, такими как нейролептики, антидепрессанты, анальгетики и противосудорожные препараты, модулируют Са2+-сигналы в макрофагах, либо сами вызывают увеличение внутриклеточной концентрации Са2+.

Многие данные, полученные на кафедре, имеют практическое значение для медицины и фармакологии, поскольку уточняют тонкие клеточные и молекулярные механизмы действия лекарственных средств, а также дают рекомендации по целесообразности совместного применения исследованных препаратов в клинической практике.


    Избранные публикации по теме:

    • Крутецкая З.И., Лебедев О.Е., Крутецкая Н.И. Механизмы Ca2+-сигнализации в перитонеальных макрофагах. Рос. Физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2000. Т. 86. N 8. С. 1030-1048.
    • A.O. Simonyan, Z.I. Krutetskaya, L.S. Milenina, A.V. Melnitskaya, N.I. Krutetskaya, V.G. Antonov. Sigma-1 receptor antagonist chlorpromazine inhibits Ca2+ responses induced by glutoxim and molixan in peritoneal macrophages. FEBS Open Bio. V. 9. (Supplement 1) (FEBS Press and John Wiley & Sons Ltd.). 2019. P. 172-173. P. 13-005. DOI: 10.1002/2211-5463.12675
    • Л.С. Миленина, З.И. Крутецкая, В.Г. Антонов, Н.И. Крутецкая. Влияние 2-аминоэтоксидифенил-бората на депозависимый вход Са2+ в перитонеальных макрофагах. Цитология. 2019. Т.61.N 11. С. 895-901. DOI: 10.1134/S0041377119110063
    • Krutetskaya Z.I., Milenina L.S., Antonov V.G., Nozdrachev A.D. Neuroleptic chlorpromazine modulates Ca2+ responses in macrophages. Doklady Biochemistry and Biophysics. 2020. Vol. 490. P. 25 - 28. DOI 10.1134/S160767292001010X 
    • L.S. Milenina, Z.I. Krutetskaya, V.G. Antonov, N.I. Krutetskaya. The sigma-1 receptor ligand chlorpromazine attenuates store-dependent Ca2+ entry in peritoneal macrophages. Biophysics. 2021. Vol. 66. No. 1. pp. 77–83. DOI: 10.1134/S0006350921010115
    • A.O. Simonyan, Z.I. Krutetskaya, L.S. Milenina, A.V. Melnitskaya, N.I. Krutetskaya, V.G. Antonov. Sigma-1 receptor ligand trifluoperazine attenuates Ca2+ responses induced by immunomodulators glutoxim and molixan in macrophages . FEBS Open Bio. V. 11. (Supplement 1) (FEBS Press and John Wiley & Sons Ltd.). 2021. P. 215. DOI: 10.1002/2211-5463.13205
    • L. S. Milenina, Z. I. Krutetskaya, V. G. Antonov, N. I. Krutetskaya. Pyrazole derivative attenuates store-dependent Ca2+ entry in rat peritoneal macrophages. Cell and Tissue Biology. V. 15. N. 3. 2021. P. 181-188. DOI: 10.1134/S1990519X21030068
    • L. S. Milenina, Z. I. Krutetskaya, V. G. Antonov, N. I. Krutetskaya. Sigma-1 receptor ligands chlorpromazine and trifluoperazine attenuate Ca2+ responses in rat peritoneal macrophages. Cell and Tissue Biology. V. 16. N. 3. 2022. P. 233- 244. DOI: 10.1134/S1990519X22030075
    • A. Simonyan, Z. Krutetskaya, L. Milenina, A. Melnitskaya, N. Krutetskaya, V. Antonov. Pyrazole derivative, immunosuppressant YM-58483, inhibits store-operated Ca2+ entry in peritoneal macrophages. FEBS Open Bio. V. 12. (Supplement 1) (FEBS Press and John Wiley & Sons Ltd.). 2022. P. 194. ISSN 2211-5463. DOI:10.1002/2211-5463.13440

      2.Исследование механизмов регуляции трансэпителиального транспорта ионов и активности ионных каналов. 
      Исследование механизмов трансэпителиального транспорта ионов является одним из интенсивно развивающихся направлений современной биофизики, физиологии и медицины. К настоящему времени нами накоплен большой объем знаний о структурно-функциональной организации и механизмах регуляции транспорта Na+ в классическом модельном объекте для исследования механизмов транспорта ионов через биологические мембраны – эпителии кожи лягушки. С использованием метода фиксации потенциала исследована роль многих ключевых сигнальных систем и элементов цитоскелета в регуляции транспорта Na+ и активности Na+ - транспортирующих белков.

      Впервые получены данные о чувствительности транспорта Na+ в коже лягушки к изменению окислительно-восстановительного статуса клетки. Показано, что транспорт Na+ в эпителии кожи лягушки представляет собой сложную, многокомпонентную систему, в работе которой принимают участие различные Na+ - транспортирующие белки и сигнальные каскады, локализованные в различных мембранах клетки, которые являются мишенью для действия внутри - и внеклеточных окисляющих и восстанавливающих агентов. В настоящее время исследования сфокусированы на выявлении механизмов действия фармакологических препаратов, влияющих на окислительно-восстановительное состояние клетки, на процессы транспорта Na+ и активность ключевых Na+ - транспортирующих белков в эпителии кожи лягушки. Исследования в данной области представляются весьма актуальными, поскольку позволяют не только выяснить механизмы клеточного действия фармакологических агентов, но и вносят большой вклад в понимание редокс-регуляции процессов ионного транспорта.

        Избранные публикации по теме:

        • Мельницкая А.В., Крутецкая З.И., Лебедев О.Е. Структурно-функциональная организация транспорта Na+ в эпителиальных системах. I. Эпителиальные Na+-каналы. Цитология. 2006. Т. 48. N 10. С. 817-840.
        • Krutetskaya Z.I., Lebedev O.E., Melnitskaya A.V., Nozdrachev A.D. The role of the actin cytoskeleton in the regulation of Na+ transport by phosphatidylinositol kinases in the frog skin. Doklady Biological Sciences. 2006. Vol. 410. P. 367-369. DOI:10.1134/S001249660605005X
        • Krutetskaya Z.I., Lebedev O.E., Melnitskaya A.V., Antonov V.G., Nozdrachev A.D. Effect of disulfide-containing agents on the Na+ transport in the frog skin. Doklady Biological Sciences. 2008. Vol. 421. P. 235-238. DOI: 10.1134/s0012496608040042
        • Melnitskaya A.V., Krutetskaya Z.I., Lebedev O.E., Antonov V.G., Butov S.N. Involvement of tyrosine and phosphatidylinositol kinases in oxidized glutathione and glutoxim regulation of Na+ transport in frog skin. Cell and Tissue Biology. 2010. V. 4. N 3. P. 273-279. https://doi.org/10.1134/S1990519X10030090
        • Melnitskaya A.V., Krutetskaya Z.I., Lebedev O.E., Butov S.N., Krutetskaya N.I., Antonov V.G. The effect of glutoxim on Na+ transport in frog skin: the role of cytoskeleton.Cell and Tissue Biology. 2012. V. 6. N 3. P. 248-253. PMID: 22590927
        • Krutetskaya Z.I., Melnitskaya A.V., Antonov V.G., Nozdrachev A.D. The inhibitors of Arp2/3 complex and WASP proteins modulate the effect of glutoxim on Na+ transport in frog skin. Doklady Biochemistry and Biophysics. 2016. Vol. 467. P. 102-104. DOI: 10.1134/S1607672916020071
        • Krutetskaya Z.I., Melnitskaya A.V., Antonov V.G., Nozdrachev A.D. Lipoxygenases modulate the effect of glutoxim on Na+ transport in the frog skin epithelium. Doklady Biochemistry and Biophysics. 2017. Vol. 474 (1). P. 193- 195. DOI 10.1134/S1607672917030073
        • Melnitskaya A.V. Krutetskaya Z.I., Melnitskaya A.V., Antonov V.G., Nozdrachev A.D. Sigma-1 receptor antagonists haloperidol and chlorpromazine modulate the effect of glutoxim on Na+ transport in frog skin. Doklady Biochemistry and Biophysics. 2019. Vol. 484. P. 63 - 65.
        • A.V. Melnitskaya, Z.I. Krutetskaya, V.G. Antonov, N.I. Krutetskaya. The sigma-1 receptor ligands chlorpromazine and trifluoperazine inhibit Na+ transport in frog skin epithelium. Biophysics. 2020. Vol. 65. No. 5. pp. 784–787. DOI: 10.1134/S0006350920050115

        По итогам многолетних научных исследований, проведенных на Кафедре биофизики, опубликованы многочисленные монографии и учебные пособия, которые используются, в том числе, и в учебном процессе. 

        Избранные монографии:

        • Крутецкая З.И., Лебедев О.Е. Роль тирозинового фосфорилирования в регуляции активности ионных каналов клеточных мембран. Санкт-Петербург. Изд. "Айю". 1998. 244 с. 
        • Крутецкая З.И., Лебедев О.Е., Курилова Л.С. Механизмы внутриклеточной сигнализации. Санкт-Петербург. Изд. СПбГУ. 2003. 208 с.
        • Крутецкая З.И., Курилова Л.С., Наумова А.А. 2012. Молекулярные участники экзоцитоза. СПб. Изд. ИП ПРТ. 117 с. 
        • Krutetskaya Z.I., Milenina L.S., Melnitskaya A.V., Naumova A.A., Antonov V.G. Redox modulation of Ca2+ and Na+ transport in nonexcitable cells. Saint-Petersburg State Polytechnical University Publishing House. 2014. 171 p. 

        Учебные пособия:

        • Крутецкая З.И., Лонский А.В. Биофизика мембран. Санкт-Петербург. Изд. СПбГУ. 1994. 288 с.
        • Крутецкий И.В., Крутецкая З.И. Физические основы современной механики. Новгород. Изд. НСХИ. 1993. 169 с.
        • Павленко В.К., Крутецкая З.И. Элементы термодинамики в биологической физике. Санкт-Петербург. Изд. СПбГУ. 2002. 72 с.
        • Крутецкая З.И., Лебедев О.Е. Структурно-функциональная организация и механизмы регуляции потенциал-зависимых натриевых и кальциевых каналов клеток. Санкт-Петербург. Изд. СПбГУ. 2000. 37 с.
        • Мельницкая А.В., Крутецкая З.И., Лебедев О.Е. Структурно-функциональная организация и механизмы регуляции эпителиальных Na+-каналов. Санкт-Петербург. Изд. СПбГУ. 2006. 58 с.
        • Ноздрачев А.Д., Бутов С.Н., Кравцов А.Б., Крутецкая З.И., Курилова Л.С., Лебедев О.Е., Мельницкая А.В. и др. Большой практикум по физиологии человека и животных. В 2 т. Т. 1. Физиология нервной, мышечной и сенсорных систем. Москва. Изд. Центр “Академия”. 2007. С. 161-186.
        • Крутецкая З.И., Курилова Л.С., Лебедев О.Е., Ласточкин В.В. Механизмы потемнения тканей растений: роль полифенолоксидаз. Санкт-Петербург. Изд. Политехн. Ун-та. 2011. 62 с. 4 п.л.
        • Курилова Л.С., Крутецкая З.И. Действие ионизирующей радиации на клетки. Санкт-Петербург. Изд. Политехн. Ун-та. 2012. 80 с. 5 п.л.
        • Курилова Л.С., Крутецкая З.И. Основы радиационной биофизики. Санкт-Петербург. Изд. ИП “ПРТ”. 2012. 188 с. 11,75 п.л.

        Достижения сотрудников Кафедры биофизики отмечены премиями и почетными званиями:

        • Премии на конкурсах научных работ ФНИИ им. А.А. Ухтомского
        • Премии Санкт-петербургского общества естествоиспытателей
        • Премии "За научные труды" Санкт-Петербургского госуниверситета


          Все годы своего существования, Кафедра биофизики пользуется несомненным и заслуженным научным авторитетом среди исследовательских и образовательных коллективов как нашей страны, так и ближнего и дальнего зарубежья. Многие годы Кафедра биофизики служила базой для трех Диссертационных советов: 

          • Диссертационный совет ВАК при СПбГУ Д.063.57.50 по защите докторских диссертаций по специальности 03.01.02 – Биофизика.
          • Диссертационный совет ВАК при СПбГУ Д.212.232.09 по защите докторских диссертаций по специальности 03.01.02 – Биофизика и 03.01.04. – Биохимия.
          • Диссертационный Совет ВАК при СПбГУ Д.212.232.10 при СПбГУ по защите диссертаций по специальностям 03.03.01 – Физиология, 03.01.04 – Биохимия и 03.01.02 – Биофизика. 

          В настоящее время Кафедра ведет активную экспертную деятельность. Ежегодно сотрудники Кафедры выступают в качестве официальных оппонентов и рецензентов кандидатских и докторских диссертаций по ряду специальностей: 1.5.2. – «Биофизика», 1.5.22. – «Клеточная биология», 1.5.5. – «Физиология человека и животных». Сегодня  Кафедра биофизики предоставляет руководство и возможности для выполнения кандидатских диссертаций по специальности 1.5.2. – «Биофизика».

          Сотрудники Кафедры активно участвуют во Всероссийских и международных конференциях. Многие годы являются участниками Съезда Биофизиков России, Съезда Физиологического общества им. И.П. Павлова, Съезда физиологов СНГ, Конгресса федерации европейских биохимических обществ (the FEBS Congress) и многих других научных мероприятий.

          Сотрудники Кафедры являлись руководителями и исполнителями Грантов РФФИ,  Грантов Министерства Образования РФ “Развитие научного потенциала высшей школы”, Грантов СПбГУ, Плановых тем СПбГУ, Договоров на выполнение научно-исследовательских работ. 

          В течение многих лет Кафедра сотрудничает с фармакологическими фирмами, проводится скрининг лекарственных препаратов, выяснение молекулярных механизмов их действия.



          © Биологический факультет СПбГУ, 2006-2011