1.2. Молекулярная биофизика и её задачи

БИОФИЗИКА - это область физики.

Исследование относится к биофизике, если задача его поставлена как физическая задача.

Задача биофизики:

познание явлений жизни,

основанное на общих принципах физики,

изучении атомно-молекулярной структуры вещества

(Волькенштейн).

Методы решения задач могут быть и нефизическими.

Молекулярная биофизика — физика белков и нуклеиновых кислот.

В молекулярной биофизике мы встречаемся

со специфическими свойствами

и строением очень сложных молекул,

определяющими явления жизни.

Однако, к изучению этих проблем можно и нужно подойти,

опираясь на хорошо разработанные молекулярные представления.

Тем самым, молекулярная биофизика должна служить основой

для рассмотрения процессов жизнедеятельности клеток и организмов

на всех уровнях структуры и функциональности.

От молекул переходят к надмолекулярным системам,

к клеткам и организмам.

Физическое истолкование явлений регуляции и развития требует

как молекулярно-физических,

так и общих феноменологических преставлений.

Молекулярная биофизика может быть определена,

как область перекрывания

1. молекулярной физики (в частности, физики макромолекул) и

2. молекулярной биологии.

Она является частью этих областей естествознания.

Она развивалась одновременно с молекулярной биологией и неотделима от неё.

Молекулы, которыми занимается биофизика, характеризуются особенностями,

которые отличают их от молекул неживой природы.

Будучи макромолекулами, белки и нуклеиновые кислоты

не являются статистическими системами,

в отличие от макромолекул синтетических полимеров

(с этим высказыванием Волькенштейна

не совсем согласен Рубин и ниже об этом будет сказано).

Это динамические системы,

своего рода машины,

поведение которых определяется положением

и функциональностью каждого элемента,

образующего молекулу.

Основная задача молекулярной биофизики состоит в исследовании

специфических особенностей, определяющих строение и свойства биомолекул.

Физическая теория, с которой приходится иметь дело

в молекулярной биофизике,

есть теория строения и физических свойств этих молекул

и одновременно теория методов исследования,

применяемых в эксперименте

(М.В. Волькенштейн

«Молекулярная биофизика»

Наука, М.1975г.).

Специфика полимерных молекул

в отличие от малых молекул определяется большим числом

однотипных звеньев (мономеров),

связанных в линейную цепь.

Тепловое движение

входящих в полимерную цепь атомов и атомных групп,

повороты и вращение их вокруг единичных связей

обуславливают большое число внутренних степеней свободы макромолекул.

Это заставляет рассматривать макромолекулы как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров, как размеры, форма, степень свёрнутости макромолекулы (но ведь и биомолекулы характеризуются такими параметрами, пишет Рубин). Вместе с тем, существующие между атомами связи (химические связи) и взаимодействие ближнего и дальнего порядка накладывают определённые ограничения на число возможных конформаций макромолекул.

Изменения конформации биополимеров, происходящие в процессах клеточного метаболизма и трансформации энергии, также носят вполне определённый характер и отражают внутримолекулярную динамическую организацию биополимеров. Таким образом, своеобразие биологической макромолекулы как физического объекта заключается в тесном сочетании статистических и детерминистских особенностей её поведения: с одной стороны, большое число взаимодействующих атомов и внутримолекулярных степеней свободы, и, как следствие, возможность осуществления огромного числа разных конформаций, с другой — определённый химический характер и конформационные изменения при функционировании биополимеров.

В макромолекулах происходят сложные процессы трансформации энергии,

включающие миграцию энергии электронного возбуждения и транспорт электронов.

В основе функционирования макромолекул

лежат электронно-конформационные взаимодействия (ЭКВ),

которые проявляются в самых различных процессах,

где участвуют биологически активные макромолекулярные комплексы.

Основная проблема заключается в том, чтобы раскрыть природу взаимодействий атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику биологических макромолекул, и на этой основе понять механизмы функционирования биополимеров в живых системах. Именно это и составляет предмет молекулярной биофизики (А.Б.Рубин «Биофизика», М.1987г.).

В данных определениях молекулярной биофизики, её предмета и задач, стоящих перед ней, вполне достаточно (для введения) освещены обсуждаемые нами сегодня вопросы. Более детально характеристика биополимеров (и полимеров вообще) будет дана буквально на первых же последующих лекциях.

Важнейшие классы биополимеров (белки, нуклеиновые кислоты – ДНК, тРНК, иРНК, рРНК, надмолекулярные комплексы) будут рассмотрены с привлечением важнейших экспериментальных данных и теоретических подходов к описанию их структурных особенностей, свойств и функционирования.