25 Біофізика розділ 6. Елементи молекулярнОї біофізики та біофізики мембранних процесів в клітинах

“Быть может, эти электроны –

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Ещё, быть может, каждый атом –

Вселенная, где сто планет;

Там всё, что здесь, в объёме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.”

Валерий Брюсов

Бiофiзика – наука про явища живої природи, якi вивчаються на всiх рiвнях, починаючи з молекул i клiтин та закiнчуючи бiосферою в цiлому, на основi загальних законiв фiзики i, перш за все, на основi уявлень про атомно-молекулярну будову речовини.

Бiофiзику умовно роздiляють на три роздiли: молекулярну бiофiзику, бiофiзику клiтин і бiофiзику складних систем.

Молекулярна бiофiзика вивчає будову i фiзико-хiмiчнi властивостi бiологiчно функцiональних молекул, перш за все бiополiмерiв – бiлкiв i нуклеїнових кислот. Задача молекулярної бiофiзики – розкрити фiзичнi механiзми, що вiдповiдають за бiологiчнi функцiї молекул. Це найбiльш розвинений роздiл бiофiзики, тому що легше вивчати атоми і молекули, нiж клiтини i органiзми.

Біофізика клітинних процесів займається, в основному, вивченням структурно-функціональної організації клітин, зокрема молекулярної організації клітинних мембран, процесів транспорту речовини крізь мембранні структури, електрогенезу та біоенергетики клітин, механізмів міжклі­тинної взаємодії тощо.

Біофізика складних систем вивчає моделі біологічних процесів, зокрема різноманітні сенсорні системи, проблеми біологічного розвитку, принципи регуляції внутрішнього середовища організму та інші проблеми.

Всі ці розділи тісно зв’язані з біологічними і хімічними дисциплінами (бiохiмiєю, молекулярною бiологiєю, бiоорга­нiч­ною та бiонеорганiчною хiмiєю тощо), але методологiя молекулярної бiофiзики та iнших роздiлiв біофізики – це математичний апарат i експериментальнi методи фiзики. Математичнi i теоретичнi основи сучасної бiофiзики спираються перш за все на термодинамiку і статистичну фiзику, молекулярну фізику i квантову механiку тощо.

Iнодi задачi бiофiзики розумiють спрощено i зводять до застосування фiзичних приладів у медико-бiологiчних дослiдженнях. Звичайно, це не так. Коли лiкар дослiджує хворого за допомогою електрокардiографа або вимiрює температуру його тiла термометром, це зовсiм не означає, що вiн займається бiофiзикою. Бiофiзичне дослiдження базується на фiзичнiй постановцi задачi, на загальних законах фiзики i, в першу чергу, на атомно-молекулярнiй будовi речовини.

Оскільки жива природа дуже складна, то постановка послiдовних медико-бiологiчних задач i їх розв’язок можливi поки що лише в обмеженiй кiлькостi випадкiв. Зараз бiофiзика переживає пору розквiту (багато таланови­тих людей присвячують все бiльше свого часу i зусиль роботi в цiй областi). З цiєю важливою обставиною, а також з успiхами сумiжних наук (фiзики, хiмiї, бiологiї, комп’ю­тер­ної техніки тощо) пов’язанi значнi досягнення в сучаснiй бiофiзицi. Перерахуємо їх стисло:

1) вивчена будова i властивiсть бiологiчно функцiональ­них молекул (бiлкiв i нуклеїнових кислот);

2) дослiдженi властивостi i створенi надiйнi молекуляр­нi моделi функцiонування клiтинних структур;

3) успiшно розвиваються фiзико-математичнi моделi склад­них бiологiчних процесiв (зокрема тих процесiв, що вiдбуваються в органiзмi людини). Для вивчення цих процесів великого значення набувають ідеї і методи термоди­наміки відкритих біологічних систем і синергетики.

Зараз ні у кого немає сумнівів відносно того, що ХХІ століття пройде під знаком видатних досягнень молекулярної біології та біофізики. Цей процес буде, з одного боку, характеризуватися все більшою інтеграцією з фундамент­альними природничими науками (перш за все фізикою, хімією та іншими), а з другого боку – мати дивовижні практичні втілення в медицину.

У цій главі ми зупинимося на перших двох розділах біофізики, а саме: розглянемо основні питання, що мають безпосереднє відношення до молекулярної біофізики та до біофізики клітин; точніше кажучи, до проблем міжмоле­кулярної взаємодії та структури біополімерів – білків і нуклеїнових кислот, а також до проблем, пов’язаних з мембранними структурами клітин. Третє коло питань, що стосуються біофізики складних систем (зокрема, термоди­наміки відкритих біологічних систем та синерге­тики), буде розглянуте в наступній главі.