А.Б.Рубін, О.Р.Кольс, Т.Е.Кренделева та ін
Теоретичнабіофізика вивчає загальні проблеми організації і регуляції живих систем різногорівня організації на основі законів квантової механіки, кінетики татермодинаміки. Основним методом теоретичної біофізики є математичнеі комп'ютерне моделювання, яке все частіше стає інструментомдослідження як загальних закономірностей, так і особливостей організаціїконкретних живих систем всіх рівнів, починаючи від біомакромолекул і їхвзаємодій, і кінчаючи екологічними системами і біосферою в цілому.
Універсальноїелементарної осередком живої матерії є біологічна клітина, в якійсконцентровані всі необхідні атрибути феномена життя. Одним зосновоположних структурно-функціональних елементів живої клітини ємембрана, яка відокремлює її від зовнішнього світу. Мембрана являє собоюбіслойной ліпідну оболонку, у которою вбудовані різні білкові молекули іцілі макромолекулярні агрегати. На поверхні мембрани протікаютьрізноманітні біохімічні реакції, необхідні для підтримкижиттєдіяльності клітини.
Фундаментальноюособливістю живої клітини є те, що вона являє собою досконалубіоенергетичну машину. Рослинні і деякі бактеріальні клітиниздійснюють процес перетворення світлової енергії в електричну - фотосинтез.Такі клітини можна назвати біологічними електростанціями, генеруючимиенергоємне з'єднання - аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ), яка єуніверсальним біологічним паливом. Створення трансмембранного різниціпотенціалів пов'язане з процесом поділу зарядів, тобто з перенесенням електроніві протонів через мембрану. Перенесення зарядів здійснюється не тільки в ходіфотосинтезу і дихання; в тій чи іншій мірі процес переносу зарядів, головнимчином електронів і протонів, представлений у багатьох біохімічних реакціях.Вивчення фізичних механізмів, завдяки яким здійснюється переносзарядів в макромолекулярних біологічних системах, представляє актуальнузадачу сучасної біофізики.
Глибокерозуміння молекулярних механізмів різних біологічних процесів неможливобез широкого використання фундаментальних уявлень сучасної фізики, втому числі квантової механіки. Наприклад, основу механізму елементарного актупереносу електрона в біологічних структурах представляє тунельний ефект -чисто квантове явище, яке не має аналога в класичній, тобто не квантовою, механіці.Суть його полягає в тому, що в квантовому світі ймовірність того, що електронподолає енергетичний бар'єр, не дорівнює нулю, навіть якщо його енергія меншевисоти цього бар'єру. Опис фізичних властивостей і динаміки біологічнихмолекул являє собою досить важку. У цьому зв'язку в практику описубіологічних систем і процесів все більш широко впроваджуються сучаснихкомп'ютерні методи чисельного моделювання. При описі молекулярнихпроцесів необхідно враховувати багато факторів, що визначають ефективністьбіологічних процесів. До таких факторів у першу чергу відноситьсявнутримолекулярная конформационная динаміка взаємодіючих молекул. Наприклад,швидкість і ефективність переносу електрона при первинному поділі зарядів вфотосинтезі істотно залежить від конформаційної динаміки молекулпереносників. Для комп'ютерного моделювання молекулярних процесіввикористовуються різні методи квантової механіки, квантової хімії та молекулярноїдинаміки. В даний час ці методи є основними інструментамитеоретичного вивчення складних молекулярних процесів.
Однимз найбільш важливих структурних факторів, що визначають будову таконформаційну динаміку біологічних макромолекул, є водневі зв'язки(Особливий тип хімічного зв'язку). Вивчення ролі водневих зв'язків в конкретнихбіологічних процесах представляє актуальну задачу, у вирішенні якої такождопомагають методи комп'ютерного моделювання. За допомогою цих методів можнадосліджувати динамічні властивості молекулярних систем, які недоступніпрямому спостереженню.
Молекулярніструктури з сильно розвиненою системою водневих зв'язків - сіткою водневихзв'язків - мають здатність проводити електричний струм, причому носіємзаряду є протон - ядро ​​атома водню. Перенесення протона здійснюється затак званого естафетного механізму. У мембранах існують спеціальніканали, які переносять протони з одного боку мембрани на іншу, тобтоздійснюють протонний транспорт. Такий канал являє собою спеціальнупору, в якій знаходиться витягнута ланцюжок молекул води, зв'язаних один зодним водневими зв'язками. Перенесення протона через мембрану відбувається такимчином, що один протон приєднується до цієї водної ланцюжку, наприклад, зібоку цитоплазми і ініціює зсув протонів в водневих зв'язках цієїланцюжка. В результаті цього з зовнішньої поверхні мембрани від водної ланцюжкавідщеплюється протон, який знаходився на зовнішньому кінці цього ланцюжка. Такимчином, перенесення протона на відстань, рівну товщині мембрани, відбувається врезультаті поетапного зміщення окремих протонів на істотно менші(Приблизно в 200 разів) відстані.
Прививченні конкретних молекулярних процесів, що протікають в біосистемах, необхіднобрати до уваги всі можливі фактори і взаємодії, так як вмолекулярних системах (втім, як і в нашому житті) В«все впливає на всеВ».Розглянемо, наприклад, такий фактор, як температура середовища. Всім відомо, щотемпература людського організму повинна бути порядку 36 - 37 В° С. Виникаєпитання, якими особливостями біологічних структур визначається таке значеннятемператури? Що відбувається при порушенні нормального функціонуванняорганізму через збільшення або зниження внутрішньої температури тіла людини?Це питання відноситься і до будь-яким іншим живим системам, хоча температурнийдіапазон може трохи варіювати.
Вивченнятемпературної залежності ефективності електронного переносу в конкретнихмолекулярних процесах дозволяє знаходити відповіді або робити ті чи іншіприпущення про механізми впливу температури на властивості білкових молекул. Вцьому випадку процес електронного транспорту є зондирующим процесом, здопомогою якого тестуються гіпотези про можливі зміни в конформаційністані молекул, що беруть участь в електрон-транспортному процесі. Використанняпроцесу електронного транспорту в якості інструменту для вивчення мікро-імакроконформаціонних станів макромолекул, а також тих релаксаційнихпроцесів, які відповідальні за структурну перебудову молекулярної системи,є досить ефективним. Особливого значення набувають методи комп'ютерногомоделювання, за допомогою яких можна розраховувати конфігурації молекул, відповіднімінімуму енергії системи, тобто такі конфігурації, які в реальнихструктурах реалізуються з найбільшою ймовірністю.
Теоретичніроботи кафедри спрямовані на вирішення питання про те, яким чином властивостіелементів системи і механізми їх взаємодії визначають поведінку цілісноїсистеми. Це - класичний науковий підхід системного аналізу і математичногомоделювання. Біологічні системи - складні багаторівневі системи, що протікаютьв них процеси мають складну просторово-часову ієрархію. Для того, щобзрозуміти, як компоненти системи нижнього (наприклад, молекулярного) рівня і їхвзаємодії визначають процеси на верхньому (наприклад, клітинному) рівні, кориснобудувати математичні або комп'ютерні моделі, які формалізують іінтегрують наші уявлення про компоненти системи та їх взаємодіях.
Якісне(А іноді і кількісне) уявлення про хід процесів у часі тапросторі можна отримати за допомогою кінетичних моделей, якіявляють собою системи диференціальних рівнянь, що описують процеси учасі і просторі.
Динамікубіомакромолекул, зміна їх просторової структури та локальніелектричні взаємодії неможливо описати тільки за допомогою традиційнихдиференціальних рівнянь. Тут використовуються імітаційні підходи, які миназиваємо прямим Багаточасткові моделюванням. Цей тип моделювання ставможливим недавно в зв'язку з розвитком комп'ютерної техніки. Ми почали йоговикористовувати для опису найбільш добре вивчених процесів в біомембранами.Він також застосуємо і для опису інших процесів у живій клітині, лише б мирозташовували достатніми...
