Лекция Введение в биофизику
жүктеу/скачать 22,72 Kb.
|
Лекция 1
|
Лекция 1. Введение в биофизику Биофизика — наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических процессов. Теоретическое построение и модели биофизики основаны на физических понятиях энергии, силы, типов взаимодействия, на общих понятиях физической и формальной кинетики, термодинамики, теории информации. В центре внимания биофизики как биологической науки лежат биологические процессы и явления. Основная тенденция современной биофизики — проникновение в самые глубокие, элементарные уровни, составляющие молекулярную основу структурной организации живого. На современном этапе развития биофизики произошли принципиальные сдвиги, связанные, прежде всего с бурным развитием биофизики сложных систем и молекулярной биофизики. Для анализа конкретных биологических процессов используются теоретические модели, разрабатываемые в таких разделах, как кинетика, термодинамика, теория регуляции биологических систем, строение биополимеров и их электронные и конформационные свойства. Биофизика - пограничная наука, стоящая на стыке биологии, физики, химии и математики. Уже на начальных этапах развития биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики. В начале XX в. к анализу некоторых биологических процессов применили физико-химическую теорию растворов электролитов, принципов химической кинетики, представления коллоидной химии. С развитием биофизики в биологию проникли и точные экспериментальные методы исследований (спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические). Основной итог начального периода развития биофизики — это вывод о принципиальной приложимости в области биологии основных законов физики как фундаментальной естественной науки о законах движения материи. Важное общеметодологическое научное значение для развития разных областей биологии имеют полученные в этот период экспериментальные доказательства закона сохранения энергии (первый закон термодинамики), утверждение принципов химической кинетики как основы динамического поведения биологических систем, концепции открытых систем и второго закона термодинамики в биологических системах, наконец, вывод об отсутствии каких-либо особых «живых» форм энергии. Все это во многом повлияло на развитие биологии, способствовало формированию ведущего современного направления экспериментальной биологической науки — физико-химической биологии, — в котором биофизика занимает важное место. Идеи и методы биофизики не только находят широкое применение при изучении биологических процессов на макромолекулярном и клеточном уровнях, но и распространяются, особенно в последние годы, на популяционный и экосистемный уровни организации живой природы. Важнейшее содержание биофизики составляют: нахождение общих принципов биологически значимых взаимодействий на молекулярном уровне, раскрытие их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики, разработка на основе этого исходных обобщенных понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям. Специфика биологических закономерностей, полностью раскрывающихся на высших уровнях организации развитой биологической системы, тем не менее проявляется уже на низших молекулярных уровнях живого. Поэтому модели в биофизике должны быть основаны на непосредственных, полученных в прямых экспериментах, сведениях о реальных молекулярных свойствах биологического объекта, а не представлять собой результат простого перенесения из физики в биологию готовых схем похожих внешне процессов. Отсюда вытекает принципиальная роль новых методов в биофизике: различные оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопия, γ-резонансная спектроскопия, различные электрометрические методы, микроэлектродная техника, методы хемилюминесценции, лазерной спектроскопии, метод меченых атомов и др. Результаты биофизического исследования приобретают важное биологическое значение, когда параметры первичных молекулярных механизмов удается непосредственно связать с особенностями конкретных биологических процессов и явлений. Этим определяется плодотворность неразрывной традиционной связи биофизики с фундаментальными биологическими дисциплинами, прежде всего физиологией и биохимией, а также с экологией и генетикой. Современная биофизика вносит достойный вклад в решение целого ряда важнейших проблем современной биологии: регуляции биологических систем и управления ими; молекулярной динамики и механизмов функционирования биополимеров (ферментативный катализ); трансформации энергии в биоструктурах; мембранных транспортных процессов; мышечного сокращения; биоконверсии солнечной энергии. В области молекулярной биофизики основу для понимания механизмов функционирования макромолекул составляют современные представления об электронно-конформационных взаимодействиях (ЭКВ) (М. В. Волькенштейн). Трансформация энергии и появление продуктов реакции в комплексах достигается в результате внутримолекулярных взаимодействий отдельных частей макромолекулы. В настоящее время интенсивно разрабатываются физические модели внутримолекулярной подвижности белка. Концепция ЭКВ успешно развивается и в современных моделях туннельного переноса электронов, тесно сопряженного с колебательными и конформационными степенями свободы. Макромолекулы можно рассматривать как своего рода молекулярные машины, служащие для преобразования одного вида энергии в другой. Характерной чертой таких «машин» является трансформация различных видов энергии результате взаимодействий в пределах одной макромолекулы. Так, функционирование реакционного центра фотосинтеза сопровождается конформационными изменениями его макромолекулярных компонентов — дает начало цепи переходов энергии электронного возбуждения в энергию разделенных зарядов и энергию поляризации белковой части, а также в энергию трансмембранного электрохимического потенциала и энергию химических связей АТФ. Принцип ЭКВ позволяет с единых общенаучных позиций рассмотреть функционирование различных молекулярных машин, казалось бы, далеких друг от друга по своей биологической роли. Между первичными фотобиологическими превращениями в хромопротеине и внутримолекулярными превращениями в фермент-субстратных комплексах нет принципиальной разницы. Концепция внутримолекулярных ЭКВ привлекается сейчас и для объяснения молекулярных механизмов работы АТФ-синтетазы, а также переноса ионов через биологические мембраны. Это еще раз иллюстрирует плодотворность биофизического метода анализа и построения обобщенных моделей физических взаимодействий, которые лежат в основе явлений, разных в биологическом отношении, но родственных между собой по глубинным молекулярным механизмам. Современный этап развития биофизики характеризуется тем, что на первый план выступает проблема формулировки исходных теоретических понятий, отражающих фундаментальные механизмы взаимодействий в биологических системах на молекулярном уровне. Вместе с тем специфика биологических систем проявляется в своеобразии физических механизмов молекулярных процессов. Принципиальная особенность заключается в том, что характерные параметры элементарных взаимодействий могут изменяться в зависимости от условий их протекания в организме. Например, эффективность скоростей отдельных элементарных актов переноса электрона в реакционном центре фотосинтеза не только изменяется направленно в течение жизненного цикла развития, но и различна у сортов растений, отличающихся по физиолого-биохимическим показателям и продуктивности. Это означает, что молекулярные процессы и механизмы взаимодействий не только зависят от локального окружения в биологических системах, но и сами являются объектом направленного физиолого-биохимического регулирования. Здесь видна определяющая роль биологических закономерностей, проявляющаяся уже на низших уровнях организации живого. Одновременно это создает неразрывную связь между молекулярными взаимодействиями и характером биологических явлений, развивающихся на их основе. Именно поэтому изучение глубоких биофизических механизмов в связи с физиолого-биохимическими особенностями биологических объектов создает базу и для практического применения результатов биофизических исследований. Изложенные выше соображения приводят к выводу, что построение и расположение разделов биофизической науки должны отражать связь между исходными теоретическими понятиями в биофизике и областью их применения в биологии. жүктеу/скачать 22,72 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|