Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики




НазваниеЛекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики
страница1/6
Дата публикации24.02.2013
Размер0.56 Mb.
ТипЛекция
uchebilka.ru > Физика > Лекция
  1   2   3   4   5   6




Лекция 1. Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики.
Биофизика – или биологическая физика – наука, образовавшаяся на стыке двух наук. Биология – это наука о живой природе, объекты которой неизмеримо сложнее неживых. Физика – это наука, изучающая строение и свойства конкретных видов материи – вещества и поля – и формы существования материи – пространство и время. В этом определении нет разграничения живой и неживой природы. Оно не означает сведение всего естествознания к физике, но из него следует, что конечные теоретические основы любой области естествознания имеют физический характер. Поэтому биофизику можно определить как физику явлений жизни, изучаемых на всех уровнях, начиная с молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом. Итак, биофизика – это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, которые протекают в биологических системах на разных уровнях организации и являются основой физиологических процессов. То есть биофизика – не вспомогательная область физики или, с другой стороны, биологии и физиологии. Она не сводится к использованию физических методов или приборов в биологических экспериментах. Медицинский термометр, электрокардиограф, томограф микроскоп – физические приборы, но биолог или врач, использующие эти устройства, не занимаются биофизикой. Биофизические исследования начинаются с физической постановки задачи, относящейся к живой природе и должны формулироваться исходя из общих законов физики и атомно-молекулярного строения вещества.

Формулировка биофизических задач сегодня возможна в ограниченном числе случаев, поскольку живая природа настолько сложна, что биологические знания большей частью недостаточны для реализации физических подходов. Задачи биофизики те же, что и биологии. Они состоят в познании явлений жизни. В настоящее время нет строго определения – что же такое жизнь. Но можно перечислить основные признаки живой материи, которые отличают ее от неживой материи.

^ Есть такое определение живого организма как открытой, саморегулируюшейся, самовоспроизводящей и развивающейся гетерогенной (неоднородной) системы, важнейшими функциональными веществами которой являются биологические полимеры – белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярного строения.

Биологи задают вопрос «Для чего?», а физики – «Почему?». Второй вопрос более научен, т.к. наука, и естествознание в целом, ищет причины явлений. Все методы исследования в биофизике должны давать количественные результаты. Поэтому выделяют несколько основных задач биофизики:

  1. Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических основ жизни.

  2. Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития, саморегуляции и самовоспроизведения.

  3. Выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополимеров и других биологически активных веществ.

  4. Создание и теоретическое обоснование физико-химических методов исследования биообъектов.

  5. Физическое истолкование всего комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.)

Биофизика условно подразделяется на такие основные области:

  1. Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические свойства, биофизику молекул.

  2. Биофизика клетки изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем.

  3. Биофизика органов исследует молекулярные механизмы рецепции, процессы преобразования энергии внешних воздействий в специфические реакции нервных клеток и механизмов кодирования информации в органах чувств.

  4. Биофизика сложных систем изучает кинетику биопроцессов, поведение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и термодинамику биосистем.

Молекулярная биофизика – часть биологической физики, основными объектами изучения которой являются биологические полимеры – белки и нуклеиновые кислоты, а также их компоненты. Методами современной физики молекулярная биофизика исследует физические свойства этих соединений. Прежде всего исследуются: 1) сложнейшая структура биологических полимеров; 2) условия стабильности пространственной структуры; 3) природа сил, ответственных как за устойчивость биополимеров, так и определяющих их удивительную конформационную подвижность и 4) условия, в которых существуют стабильные формы и происходят различные структурные изменения биополимеров. Важным является изучение взаимодействия биополимеров с малыми молекулами и ионами, а также взаимодействия биополимеров друг с другом. Именно процессы взаимодействия определяют все превращения в биологических системах: хранение и передача наследственной информации, синтез и распад биополимеров, процессы обмена на всех уровнях организации: от клетки до целого организма и многие другие. Для осуществления всех перечисленных процессов необходимо создание определенных, биологически функциональных или нативных структур, устойчивость их в определенных диапазонах условий (температура, концентрации ионов, состав растворителя и уровень влажности, наличие малых биологически активных молекул, различных внешних воздействий – УФ-облучение, радиация, сверхвысокие частоты и т.д.). Все эти вопросы являются предметами молекулярной биофизики.

Чем занимается биология и чем физика? Физик и химик изучают атомы, молекулы и т.д. Биолог, идя им навстречу, интересуется органами, тканями, клетками. Пересекаются ли области интересов физика и биолога, или только соприкасаются, или между ними лежит пропасть? Вопрос острый – ведь если пропасть, то нам никогда не понять как следует, что такое жизнь. Оказывается, что именно биополимеры со своими тремя иерархическими уровнями структуры – первичной, вторичной и третичной – имеют все основания претендовать на роль моста через пропасть: с одной стороны, биополимерная цепь – это просто молекула, и вопрос о ее свойствах можно поставить как чисто физический, с другой стороны, свойства биополимерной макромолекулы если не обладают тем, что можно назвать биологической спецификой, то во всяком случае тесно с ней связаны.

Действительно, в чем с точки зрения физика специфика любого биологического объекта, от слона до микроба? Одна из главных особенностей – наличие конструкции, приданной от рождения и сохраняемой до смерти. Но этим свойством, пусть в простейшей форме, обладает и цепь биополимера – при синтезе она получает первичную структуру и сохраняет ее до распада. Академик Лифшиц И.М., выдвинувший изложенные соображения в 1968 г., назвал это свойство биополимеров линейной памятью: можно сказать, что молекулярная цепь «помнит» возникшую при синтезе линейную структуру. Получается, что, анализируя физику систем с линейной памятью, можно надеяться вплотную подойти к тайнам биологии.

Чисто словесное описание структуры биополимеров – иерархической структуры и каких-то их физико-химических свойств – дает довольно поверхностное представление о них. Необходимо привлечь математику для получения строгих моделей процессов, в которых участвуют биополимеры. Но реальные системы очень сложны, при их полном описании надо учитывать огромное число факторов, и при этом задача построения точной теории безнадежна. Теоретическому анализу доступны только упрощенные модели реальности, ухватывающие ее основные черты и игнорирующие второстепенные. Но зато математическое описание модели дает более глубокое понимание ее свойств, которое позволяет совсем иначе смотреть на реальность.

Cпецифика полимерных молекул в отличие от малых молекул определяется большим числом однотипных звеньев - мономеров, связанных в линейную цепь. Тепловое движение входящих в полимерную цепь атомов и атомных групп, повороты и вращения их вокруг единичных связей обуславливают большое число внутренних степеней свободы макромолекулы. Это заставляет рассматривать макромолекулы как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров как масса, размеры, степень свернутости макромолекулы. Вместе с тем существующие между атомами химические связи и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций биополимеров. Изменение конформации биомакромолекул, происходящее в процессах клеточного метаболизма и переноса (трансформации) энергии, так же носят вполне определенный характер и отражают внутримолекулярную динамическую организацию биополимеров. Таким образом, своеобразие биомакромолекулы как физического объекта состоит в тесном сочетании статистических и детерминистских (механических) особенностей ее поведения. С одной стороны, большое число взаимодействующих атомов и внутримолекулярных степеней свободы и, как следствие, возможность осуществления огромного числа различных конформаций, а с другой - определенный химический характер и конформационные изменения при функционировании биополимеров.

Основная проблема состоит в том, чтобы раскрыть природу взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику биомакромолекул, механизмы взаимодействия электронных и конформационных переходов, и на этой основе понять механизмы функционирования биополимеров в живых системах. Именно это и составляет предмет молекулярной биофизики в целом, и физики биополимеров, в частности.

Возникает вопрос: можем ли мы применять законы физики, используемые для изучения относительно более простых систем неживой природы, к объектам более сложным, являющимся основой жизни. Вопрос этот во многом и философский. Он стоял перед исследователями всегда, еще в античности, и позже, по мере развития знания о строении живого организма были предложения о рассмотрении живого организма как высокоупорядоченной машины – механистическая теория, возникшая после таких открытий, как описание Гарвеем системы кровообращения. Одновременно существовала и виталистическое воззрение – об уникальности живого, непознаваемости его на уровне физики и химии, существование некой «живой» силы, определяющей свойства живого «быть живым» - т.е. воспроизводится во времени и пространстве, создавать себе подобные в целом, но уникальные в частностях живые организмы. Позже он обсуждался такими серьезными физиками как Бор, Шредингер. Наиболее серьезно к нему подошел Нильс Бор в 20-30-х годах прошлого века. В 1927 г. Он сформулировал принцип неопределенности, основанный на новых взглядах на природу и ее познание, возникшее по мере развития квантовой механики и атомной физики, но имевший более общий, общефилософский смысл. Применительно к квантовой механике этот принцип звучит так: «Чтобы наиболее адекватно описать физический объект, относящийся к микромиру, его нужно описывать во взаимоисключающих, дополнительных системах описания, например, и как волну, и как частицу, учитывать непрерывность и атомизм световых явлений». Применимость такого принципа к познанию живого, самой жизни Бор понимал так: «Мы вынуждены принять, что собственно биологические закономерности представляют собой законы природы, дополнительные к тем, которые пригодны для объяснения свойств неодушевленных тел». При этом он высказывается так, что свойства неживых объектов лучше объяснять свойствами входящих в них частей, а свойства живого объекта – законами существования целого. Эти представления наиболее полно были высказаны им на Международном конгрессе по световой терапии в Дании (Копенгаген) в 1932 г. - лекция «Свет и жизнь». Позже, в 1958 г. он опубликовал всю подборку материалов о связи проблем живых организмов и процессов, в них происходящих, с современной физикой (сборник «Атомная физика и человеческое познание»). По этим материалам видно, что Бор создал своего рода методологический подход, который приводил в соответствие возможность применимости законов микромира – физических и химических – к изучению биологических объектов на молекулярном уровне – на низшей ступени иерархии живого организма, чтобы применять полученные знания для анализа и изучения живого организма как целого. Это возможно, поскольку в конечном итоге живой организм на молекулярном уровне – это атомы, специфически организованные в молекулы живого. Он ввел и понятие жизни как элементарного кванта – т.е. жизнь как квант – или она есть, или ее полностью нет. Вся биология умещается в кванте жизни, как состояние атомов умещаются в квантах действия, открытых Планком. Но вирус – это живое или неживое – фактически кристалл большую часть времени своего существования, и делящаяся частица в короткий промежуток времени при попадании в клетку хозяина.

Несколько позже (1943-44 гг.) Шредингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика» популяризировал и развил идеи Тимофеева-Ресовского и Дельбрюка о связи биологии, точнее, генетики и той области биологии, которую позже назовут «молекулярной биологией», с квантовой механикой. Эти идеи родились как раз после лекций Бора и привели Тимофеева-Ресовского, Циммера и Дельбрюка к идее о том, что– ген – это «квант» - т.е. неделимая, дискретная единица наследственности. Они смогли выделить такой «квант» - оценить его размеры. Вопрос, который стоял в эти времена перед наукой: как физика и химия могут объяснить те явления в пространстве и времени, которые происходят в живом организме? Возникает такой вопрос неслучайно. Действительно, расположение и взаимодействие атомов в биологических молекулах коренным образом отличается от того расположения, с которыми физики и химики имеют дело в экспериментальных и теоретических исследованиях неживой природы. В физике объектом является так называемый периодический кристалл, когда говорят об определении структуры вещества на молекулярном и атомном уровнях. Самые же существенные молекулы живых организмов – биополимеры – «с полным основанием можно назвать апериодическим кристаллом». Для физиков периодические кристаллы являются очень интересными и сложными объектами исследований (рис. Кристалла). «Они составляют одну из наиболее очаровательных и сложных структур, которыми неодушевленная природа приводит в замешательство интеллект физика. Однако по сравнению с апериодическим кристаллом они кажутся несколько элементарными и скучными». (рис. ДНК и белка).

Интересно заметить, что биологическая индивидуальность, проявляющаяся в форме всеобщего закона и являющаяся неотъемлемым качеством всего живого, выражается прежде всего в бесконечном разнообразии «архитектуры» биологических объектов. Имеется в виду их структура и строение, а применительно к биополимерам, и конформация макромолекул. При этом симметрия и упорядоченность у организмов и у кристаллов радикально различаются. У организмов многое определяется скоростью роста в разные моменты и в разных направлениях, а не только геометрией трехмерной решетки, т.е. законами пространственной упаковки. Биополимеры – это начальная, низшая ступень симметрии живого. Их полимерные цепи строятся по химическим законам, которые весьма своеобразны. Например, все натуральные полипептиды содержат только левые изомеры аминокислот, тогда как правые изомеры, химически вполне равнозначные, природой отвергаются. Причина этого пока не установлена, но структурное своеобразие биополимеров выявляется четко.

Далее, биологические полимеры сворачиваются в уникальные и по-своему всегда симметричные трехмерные системы, которые в свою очередь определяют строение клеточных органелл, самих клеток и образованных из них тканей. Поскольку структуры и конформации всех биополимеров строго генетически детерминированы, генетически заданными окажутся и все более сложные «архитектурные» формы живого. Нельзя при этом забывать, что окончательный вид высших биологических структур, начиная с клетки, зависит также и от времени (хронологически детерминирован), так как в процессе индивидуального развития – онтогенеза – в различных клетках в разное время работают далеко не все и далеко не одинаковые гены (явление клеточной дифференцировки).

Поэтому совершенно очевидным является утверждение, что как бы велика ни казалась дистанция от атомов и молекул до интегрированной системы клетки, включающей многие тысячи атомов и молекул, в клетках как элементарных биологических системах не содержится ничего другого, кроме атомов и молекул, специфическое взаимодействие которых и приводит ко всем особенностям биологического функционирования, называемого жизнью. Именно поэтому изучение специфических взаимодействий атомов и молекул, имеющих место в биологических системах, представляется необходимой конечной целью любого исследования, ставящего задачу выяснения молекулярных механизмов любых биологических процессов.

Весь опыт развития биофизики в целом, и молекулярной биофизики в частности, показывает, что поскольку в основе жизнедеятельности любого организма в конечном итоге лежат процессы, происходящие на молекулярном уровне, то все законы физики и химии применимы к молекулам, участвующим в этих процессах. Правда, эти молекулы – биополимеры - отличаются по сложности от органических соединений или синтетических полимеров. Тем не менее, можно сделать основной вывод: не может быть сомнения, что все своеобразие живых организмов, отличающее их от тел неживой природы, возникает в результате особой организации сложных молекулярных систем, в основе которых лежат те же закономерности, которые определяют свойства атомов и молекул и построенных из них тел неживой природы.

Методы молекулярной биологии, основанные на убеждении, что путь к пониманию сложного лежит в расчленении этого сложного на все более и более простые составные части и изучение их природы и свойств, оказывается совершенно незаменимым, особенно при анализе структурной изменчивости сложных биологических систем. Такой путь исследования, приводящий в конце концов к установлению исходных взаимообусловленных связей, позволяет открыть важные стороны связи части и целого как в биологических макромолекулах, так и в более сложных биологических системах. При этом в биологических системах связывание практически никогда не выражается в простой сумме связываемых единиц. При изучении биополимеров возникает возможность выяснить роль тех или иных связей и их влияние на взаимодействующие части, не расчленяя макромолекулы на составные единицы. Исследование переходов порядок-беспорядок в биополимерах позволяет получить количественные характеристики поведения отдельных частей макромолекулы непосредственно в комплексе.

Молекулярная биофизика решает те же проблемы по отношению к биологическим молекулам, что и молекулярная физика по отношению к атомам и молекулам тел неживой природы. Какие же это проблемы?

Молекулярная физика изучает физические явления, существенным образом зависящие от атомно-молекулярной природы вещества. Молекулярная физика дает информацию, во-первых, о строении вещества, т.е. о строении молекул на основании изучения их физических свойств. Во-вторых, она дает информацию о природе физических и физико-химических процессов в веществе исходя из его строения. Можно представить, исходя из этого, три основные группы задач молекулярной физики.
  1   2   3   4   5   6

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики iconСтатья является обобщением собственного опыта авторов по использованию...
Настоящая статья является первой из серии запланированных. В ней освещаются вопросы патогенеза аддиктивных расстройств и синдрома...

Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики iconСпецкурс “Современные проблемы молекулярной биологии”
Молекулярная биология –это наука о механизмах хранения, воспроизведения, передачи и реализации генетической информации, о межмолекулярных...

Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики iconТема урока: «Решение задач по молекулярной биологии. Практическая...
Ие умения и навыки решения упражнений и задач по молекулярной биологии; научить учащихся использовать теоретические знаний в практической...

Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики iconСписок вопросов к экзамену по физической и коллоидной химии
Предмет химической термодинамики. Основные положения химической термодинамики. Основные понятия термодинамики: система, процесс,...

Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики iconОсновы молекулярной физики и термодинамики Статистический и термодинамический...
Статистический и термодинамический методы исследования. Молекулярная фи­зика и термодинамика — разделы физики, в которых изучаются...

Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики iconДонецкий национальный университет
...

Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики iconУрок конференция Биомолекулярный состав живого. Практическая работа...
Тема урока: Биомолекулярный состав живого. Практическая работа «Решение задач и упражнений по молекулярной биологии»

Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики iconИндивидуальных научно-исследовательских заданий по молекулярной биологии...
Уровни структурной организации белков. Глобулярные и фибриллярные белки. Основные биологические функции белков

Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики iconНаправление в лабораторию молекулярной диагностики

Лекция Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики iconВопросы на зачет по молекулярной биологии


Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


don