Основные объекты исследования молекулярной биофизики и биофизики клетки

Разделы биофизики:

• Квантовая биофизика изучает структуру электронных энергетических уровней атомов, ионов, молекул, их донорно-акцепторные свойства, электронные переходы при поглощении квантов света и пути дезактивации поглощенной энергии, химические превращения электронно-возбужденных молекул, образование фотопродуктов и молекулярные взаимодействия, лежащие в основе фотобиологических процессов и явлений.
• Молекулярная биофизика изучает пространственную структуру биополимеров, исследует механизмы функционирования макромолекул.
• Биофизика клетки изучает структуру и функции биологических мембран, процессы транспорта веществ через мембрану, биоэлектрические процессы, электропроводность

Разделы биофизики:

• Биофизика сложных систем изучает термодинамику и кинетику биологических процессов.
• Кинетика биологических процессов рассматривает скорости и механизмы протекания биохимических реакций, их взаимосвязь; биохимические реакции, лежащие в основе физиологических процессов и биологических явлений.
• Фотобиология исследует влияние видимого и ультрафиолетового излучений на биообъекты, начиная от биополимеров и кончая растительными и животными организмами.
• Радиационная биофизика исследует процессы взаимодействия ионизирующего излучения с биовеществом, размен энергии ионизирующего излучения на радиационно- химические реакции, развитие и исходы лучевого поражения как на уровне молекул и субклеточных образований, так и на уровне организма.

Основные объекты молекулярной биофизики:

• Белки и нуклеиновые кислоты (информационные макромолекулы, кодирование информации в которых осуществляется аминокислотным или нуклеотидным алфавитом).
• полисахариды и липиды.

Молекулярная физика изучает физические явления, существенным образом зависящие от атомно-молекулярной природы вещества.
Молекулярная биофизика дает информацию:

• о строении молекул на основании изучения их физических свойств;
• о природе физико-химических процессов в веществе исходя из его строения.

Основная задача молекулярной биофизики – выяснение связи физической структуры и свойств биологически важных молекул (прежде всего белков и нуклеиновых кислот) с выполняемой ими в организме функцией.
Молекулярная биофизика исследует условия равновесия молекулярных биологических процессов, изменения их течения во времени, термодинамику биологических процессов, изменчивость структуры молекул в зависимости от параметров среды: температуры, ионной силы, рН, наличия определенных ионов.
Живой организм - открытая, саморегулируюшаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная (неоднородная) система, важнейшими функциональными веществами которой являются биологические полимеры – белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярного строения.
Основные задачи биофизики:

• Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических основ жизни.
• Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития, саморегуляции и самовоспроизведения.
• Выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополимеров и других биологически активных веществ.
• Создание и теоретическое обоснование физико-химических методов исследования биообъектов.
• Физическое истолкование всего комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.)

Биологи задают вопрос «Для чего?», а физики – «Почему?»
В молекулярной биофизике характеристика молекулы включает в себя:

• структурную химическую формулу,
• длины всех связей и углы между связями,
• распределение зарядов на поверхности,
• подвижность отдельных участков

Основная проблема заключается в том, чтобы раскрыть природу взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику биологических макромолекул, механизмы взаимодействия электронных и конформационных переходов и этой основе понять механизм функционирования биополимеров в живых системах.

,
В настоящее время приоритетными считаются следующие вопросы:
1) Изучение структуры и механизмов выражения генов;
2) Разнообразные аспекты клеточной биологии (в том числе хромосомно-генетические исследования, проблемы клеточной дифференцировки и межклеточных взаимодействий);
3) Изучение структуры биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и их комплексов друг с другом и низкомолекулярными лигандами).
Все виды взаимодействий между атомами независимо от их физической природы при формировании различных макромолекулярных связей можно разделить на 2 основных типа:

• взаимодействия ближнего порядка между атомами соседних звеньев;
• дальние взаимодействия между атомами, которые хотя и отстоят по цепи далеко друг от друга, но случайно встретились в пространстве в результате изгибов цепи.

Типы объемных взаимодействий в белковых макромолекулах
Если бы молекулы только притягивались друг к другу, это привело бы к их слиянию. Но на очень малых расстояниях их электронные оболочки начинают отталкиваться. Энергия отталкивания дается выражением
E = + k / rn,, где k - постоянная отталкивания, n принимает различные целые значения. Силы межмолекулярного отталкивания действуют на малых расстояниях.
Общее уравнение межмолекулярного взаимодействия при постоянной температуре (уравнение Леннарда-Джонсона) в большинстве случаев имеет вид
EM = − a / r6 + b / r12
и носит название "потенциала 6-12", поскольку энергия притяжения пропорциональна 1 / r6, а энергия отталкивания - 1 / r12.
Химическое соединение образуется из отдельных атомов только в том случае, если это энергетически выгодно. Если силы притяжения преобладают над силами отталкивания, потенциальная энергия взаимодействующих атомов понижается, в противном случае − повышается. На некотором расстоянии (равном длине связи r0) эта энергия минимальна
Таким образом, при образовании химической связи энергия выделяется, при ее разрыве − поглощается. Энергия E0, необходимая для того, чтобы разъединить атомы и удалить их друг от друга на расстояние, на котором они не взаимодействуют, называется энергией связи.

Связь	Длина (пм)	Связь	Длина (пм)
С−С	154	С−О	143
С=С	133	С=О	123
С≡С	131	С≡O	113

Связь	Энергия (кДж/моль)	Связь	Энергия (кДж/моль)
С-С	343	С-О	351
С=С	615	С=О	711
С≡С	812	С≡O	1096