БИОФИЗИКА

Содержание статьи

• Структурная биофизика.
• Молекулярные и клеточные системы.
• Компьютерный анализ и построение моделей.

БИОФИЗИКА, наука о физических основах живой материи. Она находится на стыке физики и биологии и использует физические, химические и математические методы для изучения строения и функций живых систем.

Структурная биофизика.

Для исследования клеточных структур и биомолекул широко применяются оптические и дифракционные методы. Такие виды микроскопии, как фазово-контрастная, флуоресцентная и конфокальная, позволяют визуализировать клеточные структуры в видимом свете; сканирующая и трансмиссионная микроскопия обеспечивают изучение структур при более высоком разрешении; электронно-дифракционная микроскопия применяется для структурного анализа образцов, имеющих упорядоченную структуру. Используя методы рентгеноструктурного анализа и дифракции нейтронов, определяют структуру кристаллов на уровне атомов. С помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изучают структуру молекул в растворе. Полезную информацию дают также различные спектроскопические методы: абсорбционная и флуоресцентная спектроскопия в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом свете, круговой дихроизм и дисперсия оптического вращения.

Структурные исследования уже дали впечатляющие результаты. Так, с помощью рентгеноструктурного анализа была определена структура целого ряда белков, в том числе: белка, ответственного за превращение нормальных клеток в раковые; фермента, участвующего в репликации вируса иммунодефицита (вируса СПИДа); некоторых специфических белков, связывающихся с ДНК; одного из ферментов, катализирующих синтез белков. Установлена структура вирусов, вызывающих полиомиелит и обычную простуду.

Молекулярные и клеточные системы.

Основной вопрос, который возникает при изучении любой биологической системы, состоит в следующем: как эта система работает? Биофизики сначала исследуют саму систему, затем строят модель, описывающую в каком-то приближении ее поведение, и далее проверяют и уточняют исходную модель. Обычно важную роль при построении модели играют кинетические и термодинамические параметры. Среди биологических процессов, которые можно исследовать биофизическими методами, – восприятие света и звука высшими организмами, мышечное сокращение, прохождение нервного импульса, работа мембранных каналов и рецепторов, превращение энергии в митохондриях (клеточных органеллах), функционирование белков, участвующих в регуляции экспрессии генов, механизм действия ферментов. Экспериментальные подходы к изучению всех этих процессов различаются, но в основе любого исследования лежит анализ энергетики процесса.

Компьютерный анализ и построение моделей.

С появлением компьютеров построение моделей биологических систем и применение математических методов в биофизике перешли на качественно иной уровень. Без компьютеров было бы невозможно быстро обрабатывать рентгеноструктурные и ЯМР-данные, создавать сложные модели, отвечающие всему комплексу экспериментальных данных. Для построения адекватных моделей часто приходится анализировать свойства больших ансамблей молекул и частиц или поведение неравновесных систем. Строятся модели таких сложных феноменов и процессов организменного уровня, как научение и память, восприятие света и звука, кровообращение, мышечное сокращение, распределение в организме продуктов метаболизма. Разрабатываются методы предсказания трехмерной структуры макромолекул и моделирования флуктуаций, происходящих в этих структурах за времена порядка пикосекунд (триллионных долей секунды). Биофизики участвуют также в анализе нуклеотидных последовательностей ДНК, проводящемся в рамках международной программы «Геном человека». См. также БИОЛОГИЯ; БИОХИМИЯ; БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО; КЛЕТКА; МЕТАБОЛИЗМ; НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ; НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ; СПЕКТРОСКОПИЯ; МОЛЕКУЛ СТРОЕНИЕ; ХИМИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ; ХИМИЯ.