Методы биофизики

Природа и живые организмы являются многоуровневыми сложными системами. Большие и маленькие молекулы, клетки, ткани, органы, живые организмы, популяции, биоценозы, биосфера – это уровни, которыми занимаются биология и биофизика.

Разделы биофизики

Биофизику условно делят на три области:

• молекулярную биофизику;
• биофизику клетки;
• биофизику сложных систем.

Данное деление не является строгим, но оно часто используется.

Молекулярная биофизика рассматривает строение и физико-химические свойства молекул, в особенности белков и нуклеиновых кислот. Задачей молекулярной физики является раскрытие физических механизмов, которые отвечают за биологическую жизнеспособность молекул.

Так как молекулярная биофизика исследует структуру и функциональность молекул, то рассматриваются равновесные свойства молекул. Соответственно теоретическим аппаратом молекулярной биофизики можно считать равновесную термодинамику, статистическую механику, квантовую механику.

За молекулярной биофизикой следует биофизика клетки. Данная дисциплина изучает строение и функционирование клеточных и тканевых систем. Биофизика клетки – самый старый и традиционный раздел науки. Главные задачи дисциплины связаны с рассмотрением физики биологических мембран и биоэнергетических процессов. Биофизика клетки исследует механизм генерации и распространения нервного импульса, механохимические процессы, например, сокращение мышц, фитобиологические явления, например, фотосинтез.

Биофизикой сложных систем называют преимущественно теоретическую часть биофизики, которая посвящается общим физико-биологическим проблемам и физико-математическому моделированию биологических процессов.

К основным разделам теоретической биофизики относят:

1. Общую теорию диссипативных нелинейных динамических систем (термодинамика необратимых процессов и кинетическое моделирование).
2. Теорию возбудимых сред (составной частью является теория биологических колебаний.
3. Общую теорию биоэнергетических явлений.
4. Общую теорию и моделирование процессов биологического развития (эволюция, онтогенез, канцерогенез, иммунитет).

Методы молекулярной биофизики

С целью эмпирического исследования молекул в молекулярной биофизике применяют множество физических методов. В первую очередь это приемы, которые физика использует для определения молекулярных масс, размеров молекул и их формы, например, рассеяние света, рассеяние рентгеновских лучей в растворах изучаемых веществ. Структуры молекул изучаются при помощи методов, основанных на взаимодействии вещества и света, вещества и рентгеновских лучей, вещества и радиочастотного излучения.

Перечислим основные методы, которые использует биофизика для получения информации о биологических макромолекулах.

1. Дифракция рентгеновских лучей. При помощи данного метода ученые исследуют пространственную структуру макромолекул, ориентацию элементов вторичной структуры. Получают информацию о форме и размерах молекул.
2. Дифракция нейтронов. Получаемая информация: пространственное расположение доменов в макромолекуле и субъединиц в молекулярных ассоциатах.
3. Электронная микроскопия дает сведения о форме и размерах макромолекул.
4. Спектрофотометрия – метод получения информации о вторичной структуре молекул, ионизации отдельных групп.
5. Дифференциальная спектрофотомерия информирует о доступности для молекул растворителя хромофорных групп в макромолекуле, конформационных состояниях молекул.
6. ИК – спектроскопия позволяет судить о вторичной структуре и колебательной динамике макромолекул.
7. Раман-спектроскопия информирует о конформационных изменениях макромолекул в растворах, дает сведения о вторичной структуре макромолекул.
8. Круговой дихроизм и дисперсия оптического вращения приносит данные о вторичной структуре макромолекулы, степени связывания с лигандами.
9. Флуоресценция – это метод, при помощи которого можно получить информацию о конформационных состояниях макромолекул, подвижности хромофорных групп и динамики молекул.
10. С помощью метода миграции энергии возбуждения определяют расстояния между хромофорами в макромолекуле.
11. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) дает информацию о конформации макромолекул и отдельных групп, динамических свойствах, степени связывания лигандов, доступности боковых групп и их окружении.
12. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) позволяет сделать выводы о конформации макромолекул, локальной подвижности структуры и гидратной оболочки.
13. Вискозиметрия предоставляет информацию о молекулярной массе и гибкости макромолекул.
14. Диффузиметрия и седиментационный анализ информируют о молекулярной массе и форме молекул.
15. Метод квазиупругого рассеяния света позволяет определить коэффициенты диффузии, молекулярную массу и размеры молекул.

Методы биофизики клетки

При изучении клетки исследователи часто могут применять методы, описанные в предыдущем разделе. Но есть и специфические исследования. Приведем примеры.

При изучении клетки ученый сталкивается с проблемой адекватного ее увеличения. Многие части изучаемого объекта мельче, чем разрешающая сила светового микроскопа. Необходимой в таких условиях высокой разрешающей способностью обладает электронный микроскоп, в котором вместо пучка света применяют поток электронов.

Метод фиксации потенциала дает возможность регистрировать ионные токи, которые проходят через мембрану, если известен уровень мембранного потенциала. Метод заключается в том, что мембранный потенциал на локализованном участке мембраны смещают до новой величины и фиксируют его на заданном уровне при помощи электронной схемы с реализованной обратной связью.

Метод моделирования

Биофизика, как практически любая наука имеет дело с моделями. Часто полное описание объекта не является необходимым, требуется выявление общих закономерностей и свойств, которые относятся к исследуемому объекту.

Для описания поведения биологических систем в режиме непрерывного времени применяют дифференциальные уравнения вида:

$\frac{dx_i}{dt}=F_i\left(x_1,x_2,…,x_n\right)\left(i=1,2,…,n\right)\left(1\right),$

где $F_i\left(x_1,x_2,…,x_n\right)$ – нелинейные функции динамических переменных $ x_i$.

В различных биологических системах переменными могут быть разные измеряемые величины, например, в биохимии – концентрации, в микробиологии - число микроорганизмов или их общая масса, в экологии – биомассы видов и т.д.

Процессы, которые реализуются в биологических системах обычно нелинейные, следовательно, нелинейными будут соответствующие им модели.