Биофизика - раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом; это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности. Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности функционирования физических законов на биологическом уровне организации вещества. Биофизика - наука междисциплинарная и для работы в ней требуются знания физики, биологии, химии и медицины. Поэтому биофизически ориентированные исследования проводятся не только в специализированных институтах, но также и в биологических, химических, фармакологических и медицинских. В биофизике выделяют следующие разделы: кинетика биологических процессов; термодинамика биологических процессов: преобразования энергии в живых структурах; молекулярная биофизика; биофизика мембранных процессов: свойства биологических мембран и их частей; биофизика фотобиологических процессов; радиационная биофизика; математическая биофизика и др.
Биологические объекты, как правило, очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики, электродинамики, квантовой и классической механики. С помощью соотношения физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание процессов в исследуемом биологическом объекте.
2. Структурные основы цитоплазматической мембраны её биологическое значение.
Живая клетка – элементарная живая система, являющаяся основой строения всех животных и растений.
Важнейшими условиями существования клетки являются:
1) Автономность по отношению к окружающей среде (вещество клетки не должно смешиваться с веществом окружения);
2) Постоянный, регулируемый обмен веществом и энергией с окружающей средой. Эти 2 условия обеспечиваются нормальным функционированием биологических мембран.
С точки зрения структуры мембрана представляет собой матрицу для мембранных ферментов, рецепторов и других компонентов, создающих барьерную функцию. Молекулы фосфолипидов состоят из полярной головки (П), в состав которой входит одно из полярных соединений (холин, этаноламин и др.) и неполярного хвоста (Г), который содержит глицерин, жирные кислоты, фосфорную кислоту. Фосфолипидные молекулы обладают свойством амфильности: полярная головка гидрофильна, т.е. смачивается водой, а «хвост» является гидрофобным, т.е. не смачивается водой. По форме молекулы фосфолипидов представляют сплющенные цилиндры, ¼ которых гидрофильна, а ¾ гидрофобны. В водных растворах такие молекулы самособираются, стараясь спрятать от воды гидрофобные хвосты, и образуют двойной фосфолипидный слой – собственно основу мембраны. В этот слой встраиваются поверхностные (ПБ) и интегральные (ИБ) белки. Поверхностные белки удерживаются электростатическими силами, а интегральные – прочными гидрофобными взаимодействиями. Также в состав мембраны могут входить белки 3-го типа – эти белки насквозь пронизывают мембрану. Белки 4-го типа образуют белковые каналы. Фосфолипидные молекулы могут быть лишены одно из хвостов, в таком случае они перестраиваются и образуют поры а мембране, что нарушает барьерную функцию мембраны. Такая модель мембраны получила название жидкостно-мозаичной и является общепринятой.
Выделяют 3 основные функции биологических мембран:
1) Барьерная – обеспечивает селективный, регулируемый активный и пассивный обмен веществом с окружающей средой;
2) Матричная – обеспечивает определённое взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие;
3) Механическая - обеспечивает прочность и автономность клетки и внутриклеточных структур.
Кроме этого выделяют другие функции:
1) Энергетическая – синтез АТФ на внутренней мембране митохондрий;
2) Генерация и проведение биопотенциалов;
3) Рецепторная (большое кол-во рецепторов на наружной поверхности мембраны).
Широкое внедрение физических методов исследования в биологию позволило Изучать биологические явления на молекулярном уровне. Блестящими работами биохимиков, физиологов, биофизиков и кристаллографов установлены молекулярные структуры ряда важнейших биологических объектов. Например, выяснена структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) - основного носителя наследственной информации, структура молекул миоглобина, запасающих кислород в мышцах животных, структура молекул гемоглобина, входящих в состав красных кровяных телец и переносящих кислород из легких к тканям, строение поперечнополосатых мышц и белковых молекул, входящих в их состав, структура некоторых ферментов, витаминов и ряда других важных биологических молекул.
Новые экспериментальные данные, полученные при исследовании биологических процессов на молекулярном уровне, поставили на повестку дня вопрос об их интерпретации. Поскольку все живые организмы построены из молекул и атомов, выяснение на молекулярном уровне механизма биопроцессов возможно только с помощью квантовой теории, успешно описывающей движение электронов и ядер, из которых состоят молекулы и атомы.
Тесная связь биологии и физики проявилась уже на ранних этапах развития естествознания. Однако наряду с материалистическим пониманием связи между физикой и биологией долгое время существовала глубоко ошибочная, антинаучная точка зрения, получившая название «витализм». Виталисты утверждали, что живое якобы отделено от неживого непроходимой пропастью и подчинено не природным закономерностям, а «жизненной силе» и поэтому непостижимо для человека.
Представления виталистов давно отвергнуты наукой. В настоящее время никто не сомневается в том, что жизнь есть особое
проявление физических и химических процессов, протекающих в сложных молекулярных системах, взаимодействующих с другими системами путем обмена энергией и веществом. Однако и сейчас некоторые ученые придерживаются мнения, что сложность биологических систем исключает возможность их истолкования на молекулярном уровне.
Следует, конечно, иметь в виду, что биологические объекты обладают рядом весьма своеобразных особенностей, отличающих их от тел неживой природы. К этим особенностям прежде всего относится самовоспроизводство и адаптация к изменяющимся внешним условиям, тончайшая регуляция и самосогласованис всех биологических процессов, происходящих в живых системах и обеспечивающих их жизнедеятельность.
Молекулы, входящие в состав живых организмов, необычайно велики, многообразны и сложны. Самыми сложными и разнообразными из всех молекул, входящих в состав клеток, являются белковые молекулы. Их молекулярные массы варьируют от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов.
Величайшее разнообразие биологических организмов не означает чрезвычайного многообразия химических единиц, из которых они построены. Это разнообразие определяется многочисленными комбинациями одних и тех же соединений и атомных групп. Например, все белки состоят в основном из 20 остатков аминокислот. Молекулы ДНК строятся из четырех типов нуклеотидов.
При изучении тел неживой природы было установлено, что по мере усложнения атомных систем появляются новые качества. Понятия температуры, энтропии, звуковых волн и других элементарных коллективных возбуждений применимы к системе атомов и молекул, но неприменимы к одному атому.
Не может быть сомнения в том, 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 элементарные законы, которые определяют свойства атомов и молекул и построенных из них тел неживой природы.
Рост, развитие и воспроизведение живых организмов связаны с разнообразными химическими реакциями. В их изучение значительный вклад внесла биохимия. Однако в биохимии главное внимание уделялось исследованию взаимодействия между атомами при непосредственном их соприкосновении. Как писал в 1957 г. лауреат Нобелевской премии Сент-Дьердьи }
