Теоретическая биофизика

А.Б.Рубин, О.Р.Кольс, Т.Е.Кренделева и др.

Теоретическая биофизика изучает общие проблемы организации и регуляции живых систем разного уровня организации на основе законов квантовой механики, кинетики и термодинамики. Основным методом теоретической биофизики является математическое и компьютерное моделирование, которое все чаще становится инструментом исследования как общих закономерностей, так и особенностей организации конкретных живых систем всех уровней, начиная от биомакромолекул и их взаимодействий, и кончая экологическими системами и биосферой в целом.

Универсальной элементарной ячейкой живой материи является биологическая клетка, в которой сконцентрированы все необходимые атрибуты феномена жизни. Одним из основополагающих структурно-функциональных элементов живой клетки является мембрана, которая отделяет ее от внешнего мира. Мембрана представляет собой бислойную липидную оболочку, в которою встроены различные белковые молекулы и целые макромолекулярные агрегаты. На поверхности мембраны протекают разнообразные биохимические реакции, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки.

Фундаментальной особенностью живой клетки является то, что она представляет собой совершенную биоэнергетическую машину. Растительные и некоторые бактериальные клетки осуществляют процесс превращения световой энергии в электрическую — фотосинтез. Такие клетки можно назвать биологическими электростанциями, генерирующими энергоемкое соединение — аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), которая является универсальным биологическим топливом. Создание трансмембранной разности потенциалов сопряжено с процессом разделения зарядов, т.е. с переносом электронов и протонов через мембрану. Перенос зарядов осуществляется не только в ходе фотосинтеза и дыхания; в той или иной степени процесс переноса зарядов, главным образом электронов и протонов, представлен во многих биохимических реакциях. Изучение физических механизмов, благодаря которым осуществляется перенос зарядов в макромолекулярных биологических системах, представляет актуальную задачу современной биофизики.

Глубокое понимание молекулярных механизмов различных биологических процессов невозможно без широкого использования фундаментальных представлений современной физики, в том числе квантовой механики. Например, основу механизма элементарного акта переноса электрона в биологических структурах представляет туннельный эффект — чисто квантовое явление, не имеющее аналога в классической, т.е. не квантовой, механике. Суть его состоит в том, что в квантовом мире вероятность того, что электрон преодолеет энергетический барьер, не равна нулю, даже если его энергия меньше высоты этого барьера. Описание физических свойств и динамики биологических молекул представляет собой весьма трудную. В этой связи в практику описания биологических систем и процессов все более широко внедряются современных компьютерные методы численного моделирования. При описании молекулярных процессов необходимо учитывать многие факторы, определяющие эффективность биологических процессов. К таким факторам в первую очередь относится внутримолекулярная конформационная динамика взаимодействующих молекул. Например, скорость и эффективность переноса электрона при первичном разделении зарядов в фотосинтезе существенно зависит от конформационной динамики молекул переносчиков. Для компьютерного моделирования молекулярных процессов используются различные методы квантовой механики, квантовой химии и молекулярной динамики. В настоящее время эти методы являются основными инструментами теоретического изучения сложных молекулярных процессов.

Одним из наиболее важных структурных факторов, определяющих строение и конформационную динамику биологических макромолекул, являются водородные связи (особый тип химической связи). Изучение роли водородных связей в конкретных биологических процессах представляет актуальную задачу, в решении которой также помогают методы компьютерного моделирования. С помощью этих методов можно исследовать динамические свойства молекулярных систем, которые недоступны прямому наблюдению.

Молекулярные структуры с сильно развитой системой водородных связей — сеткой водородных связей — обладают способностью проводить электрический ток, причем носителем заряда является протон — ядро атома водорода. Перенос протона осуществляется по так называемому эстафетному механизму. В мембранах существуют специальные каналы, которые переносят протоны с одной стороны мембраны на другую, т.е. осуществляют протонный транспорт. Такой канал представляет собой специальную пору, в которой находится вытянутая цепочка молекул воды, связанных друг с другом водородными связями. Перенос протона через мембрану происходит таким образом, что один протон присоединяется к этой водной цепочке, например, со стороны цитоплазмы и инициирует сдвиг протонов в водородных связях этой цепочки. В результате этого с внешней поверхности мембраны от водной цепочки отщепляется протон, который находился на внешнем конце этой цепочки. Таким образом, перенос протона на расстояние, равное толщине мембраны, происходит в результате поэтапного смещения отдельных протонов на существенно меньшие (примерно в 200 раз) расстояния.

При изучении конкретных молекулярных процессов, протекающих в биосистемах, необходимо принимать во внимание все возможные факторы и взаимодействия, так как в молекулярных системах (впрочем, как и в нашей жизни) «все влияет на все». Рассмотрим, например, такой фактор