Молекулярная биофизика
Биофизика как наука требует молекулярного обоснования. Молекулярную биофизику можно назвать физикой белков и нуклеиновых кислот, поскольку эти биологические молекулы играют наиважнейшую роль во всех клеточных процессах. В настоящее время данная область биофизики считается наиболее развитой.
В молекулярной биофизике рассматривают специфические свойства и строение сложных молекул, которые определяют явления и процессы, происходящие в живой природе.
Молекулярная биофизика является основой исследования процессов жизнедеятельности клеток и систем всех уровней и их функций. От молекулы следует переходить к надмолекулярным системам, клеткам и организмам.
Молекулярную биофизику можно определить как область пересечения молекулярной физики, химии и молекулярной биологии.
Молекулы, которые исследует биофизика, существенно отличаются от молекул неживой природы. Самыми сложными из известных молекул на сегодняшний день являются белки. Белки и нуклеиновые кислоты – это динамические системы, поведение которых определяют положение и функционирование каждого структурного элемента этих макромолекул.
Задачи молекулярной биофизики
Основной задачей молекулярной биофизики считают изучение особенностей, которые определяют строение и свойства молекул в биологии.
Физическая теория, применяемая в молекулярной биофизике, это теория строения и физических свойств молекул в совокупности с теорией методов их экспериментального исследования.
К важнейшим задачам молекулярной биофизики относят исследование строения и физико- химических свойств биологически функциональных молекул. Данный раздел биофизики пытается описать физические механизмы, которые отвечают за биологическую активность молекул.
Под структурой молекулы понимают пространственное расположение всех ее атомов. В молекулярной биофизике структура молекулы описывается при помощи структурной химической формулы, длин всех связей и углов между связями, распределением зарядов на поверхности, величиной подвижности отдельных участков, изменчивостью структуры в зависимости от параметров, характеризующих внешнюю среду.
Исследования структурной организации макромолекул очень важная задача. Вопросы, которые ставятся в молекулярной биофизике в связи с этой задачей:
- Какова связь структуры молекулы и ее биологической функции?
- Какие особенности структуры молекулы требуются для реализации определённой функции молекулы?
- Каковы структурные изменения, происходящие в период функционирования биологических молекул?
Многообразие функций макромолекул в клетке в большой мере определено их пространственной организацией. Самой трудной задачей молекулярной биофизики, в этой связи, является определение физических основ, стабилизирующих молекулу. В результате стабилизации макромолекулы имеют наиболее компактную пространственную структуру, которая отличается тонкой организацией и большой спецификой. Биологическая активность молекулы чувствительна к изменениям в пространственной структуре.
Теоретический базис и методы молекулярной биофизики
Для изучения биологических макромолекул используют физические подходы и арсенал биофизических методов.
В молекулярной биофизике рассматривают свойства молекул, которые находятся в равновесии, следовательно, можно применять соответствующий физико- математический аппарат.
Основой для рассмотрения молекул в состоянии равновесия стали: равновесная термодинамика; статистическая механика; квантовая механика.
Для проведения эмпирических исследований в молекулярной биофизике используют широкий спектр физических методов исследования биологически функциональных молекул, например:
- седиментацию в ультрацентрифуге, рассеяние света в веществе, рассеяние рентгеновских лучей растворами. Эти методы используют для получения информации о молекулярных массах, размерах и формах макромолекул;
- методы исследования структуры молекул, которые основываются на взаимодействии света с веществом. При этом используют волны разной длины от рентгеновского излучения до радиоволн;
- методы оптики и спектроскопии (рентгеноструктурный анализ, $γ$ – резонансную спектроскопию, электронные и колебательные спектры;
- спектрополямитрию;
- методы калометрии, используемые для исследований превращений биологических макромолекул;
- электронную микроскопию.
Практическое применение молекулярной биофизики
Успехи молекулярной биофизики дали возможность медицине рассматривать некоторые патологии на молекулярном уровне. Такой подход позволил найти скрытые молекулярные аномалии, которые находятся в основе ряда заболеваний. Например, гемоглобинопатия.
Установлено, что нарушение работы гемоглобина происходит при:
- неправильном связывании гема аминокислотами, которые не дают образовываться координационным связям с железом конкурирующих с кислородом других лиганов (свободных аминокислот, воды, фосфата);
- дефекте конформации полипептидных цепей;
- нарушении $α_1 β_1-$ и $α_1 β_2$ – контактов между субъединицами, которое сопровождает изменение четвертичной структуры.
Замены аминокислот, которые ведут к жизни выше перечисленные нарушения Hb – это причины врождённых гемолитических анемий. На сегодняшний момент описано более 200 видов гемоглобина человека, которые имеют специфику в аминокислотных рядах.
Примером заболевания, которое вызвано нарушениями конформации полипептидной цепи, является серповидноклеточная анемия. При таком заболевании эритроциты обладают не круглой, а серпообразной или зазубренной формой, становятся жесткими. Молекулы объединяются, возникают квазикристаллические структуры, это объясняет аномальную форму и повышенную жесткость эритроцита. Видоизмененные клетки загораживают проход другим эритроцитам, которые тоже становятся серповидными, отдавая кислород. Происходит закупоривание мелких кровеносных сосудов. Понимание молекулярного механизма возникновения серповидноклеточной анемии дало возможность наметить пути лечения этого заболевания.
