|
Молекулярная биофизика изучает структуру биологически важ- ных молекул, физические процессы, лежащие в основе их функцио- нирования, связь структуры и свойств молекул с их биологической функцией [6]. Объектами изучения молекулярной биофизики явля- ются такие макромолекулы-биополимеры, как белки и нуклеиновые кислоты, поэтому молекулярную физику еще называют физикой белков и нуклеиновых кислот [7]. Белки и нуклеиновые кислоты – основа структурной организации живого организма.
Специфика полимерных молекул в отличие малых молекул за- ключается в их структуре. Они состоят из большого числа однотип- ных звеньев (мономеров), связанных линейной связью. Молекуляр- ная масса белков и нуклеиновых кислот составляет от 103 до 1010 а.е.м. Такие макромолекулы рассматриваются как макроскопиче- ская система, описание которой осуществляется с помощью стати- стических характеристик, таких как средние значения размера, формы, степени и свернутости макромолекулы.
Все биологические макромолекулы являются динамичными си- стемами. Тепловое движение входящих в полимеры атомов и атом- ных групп, повороты и вращение их вокруг единичных связей обу- славливает наличие большого числа степеней свободы, в результате чего макромолекула имеет огромное число конформаций. При этом химические связи между атомами и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций, таким образом конформации не являются равновероятными.
Важной задачей молекулярной биофизики является изучение фи- зических основ стабилизации макромолекул, нахождения их в наиболее компактном состоянии в пространстве.
Белки – высокомолекулярные органические соединения, относя- щиеся к непериодическим полимерам, состоящие из остатков α-ами- нокислот. В состав белков входят углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, со- держащими фосфор, железо, цинк и медь. Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространствен- ной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически не- выгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, по- этому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая опре- деленную трехмерную структуру, или конформацию.
Белки входят в состав всех живых организмов, их функции уни- версальны, а именно: строительная, транспортная, регуляторная, за- щитная, двигательная, сигнальная, запасающая, энергетическая, ка- талитическая (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Виды белков по выполняемым функциям
Другая важная разновидность биополимеров – нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты наряду с белками играют наиваж- нейшую роль в клетках живых организмов, а именно отвечают за хранение, передачу и реализацию наследственной информации. Мо- номерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Существуют два основных типа нуклеиновых кислот – ДНК (дезоксирибонукле- иновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) (рис. 2.2). В со- ставе РНК сахар представлен рибозой, а в ДНК – дезоксирибозой.
Рис. 2.2. ДНК и РНК
Молекулярная биофизика использует физическую теорию строе- ния и свойств молекул, дополненную методами экспериментального изучения. Данный раздел биофизики описывает физические меха- низмы, которые отвечают за биологическую активность молекул. Для исследования макромолекул используют множество физиче- ских методов: рентгеноструктурный анализ, ЯМР- и ЭПР-спектро- скопию, спектрофотометрию, ИК-спектроскопию и др. В последнее время, благодаря появлению высокопроизводительных компьютер- ных систем, для изучения структуры макромолекул широко исполь- зуются вычислительные методы, позволяющие рассчитать наиболее выгодные конформации с учетом заложенных внешних условий, со- ответствующие минимуму потенциальной энергии молекулы.
Достижения в молекулярной физике дают возможность меди- цине рассматривать заболевания на молекулярном уровне, что поз- воляет обнаруживать молекулярные аномалии, лежащие в основе за- болевания.
Do'stlaringiz bilan baham: |
