РОЗДІЛ 4. ЕЛЕМЕНТИ МОЛЕКУЛЯРНОЇ БІОФІЗИКИ ТА БІОФІЗИКИ МЕМБРАННИХ ПРОЦЕСІВ У КЛІТИНАХ

"Быть может, эти электроны — Миры, где пять материков, Искусства, знанья, войны, троны И память сорока веков! Ещё, быть может, каждый атом -Вселенная, где сто планет; Там всё, что здесь, в объёме сжатом, Но также то, чего здесь нет. "

Валерий Брюсов

Біофізика - наука про явища живої природи, які вивчають на всіх рівнях, починаючи з молекул і клітин та закінчуючи біосферою в цілому, на підставі загальних законів фізики і насамперед на уявленні про атомно-молекулярну будову речовини.

Біофізику умовно поділяють на три розділи: молекулярну біофізику, біофізику клітин і біофізику складних систем.

Молекулярна біофізика вивчає будову і фізико-хімічні властивості біологічно функціональних молекул, передусім біополімерів - білків і нуклеїнових кислот. Завдання молекулярної біофізики - розкрити фізичні механізми, що відповідають за біологічні функції молекул. Це найбільш розвинений розділ біофізики, тому що легше вивчати атоми і молекули, ніж клітини і організми.

Біофізика клітинних процесів займається в основному вивченням структурно-функціональної організації клітин, зокрема молекулярної організації клітинних мембран, процесів транспорту речовини крізь мембранні структури, електрогенезу та біоенергетики клітин, механізмів міжклі­тинної взаємодії тощо.

Біофізика складних систем вивчає моделі біологічних процесів, зокрема різноманітні сенсорні системи, проблеми

біологічного розвитку, принципи регуляції внутрішнього середовища організму та інші проблеми.

Всі ці розділи тісно пов'язані з біологічними і хімічними дисциплінами (біохімією, молекулярною біологією, біоорганічною та біонеорганічною хімією тощо), але методологія молекулярної біофізики та інших розділів біофізики - це математичний апарат і експериментальні методи фізики. Математичні і теоретичні основи сучасної біофізики спираються насамперед на термодинаміку і статистичну фізику, молекулярну фізику і квантову механіку тощо.

Іноді задачі біофізики розуміють спрощено і зводять до застосування фізичних приладів у медико-біологічних дослідженнях. Звичайно, це не так. Коли лікар досліджує хворого за допомогою електрокардіографа або вимірює температуру його тіла термометром, це зовсім не означає, що він займається біофізикою. Біофізичне дослідження базується на фізичній постановці задачі, на загальних законах фізики і передусім на атомно-молекулярній будові речовини.

Оскільки жива природа дуже складна, то постановка послідовних медико-біологічних задач і їх вирішення можливі поки що лише в обмеженій кількості випадків. Нині біофізика перебуває у розквіті (багато талановитих людей присвячують дедалі більше свого часу і зусиль роботі в цій галузі). З цією важливою обставиною, а також з успіхами суміжних наук (фізики, хімії, біології, комп'ютер­ної техніки тощо) пов'язані значні досягнення в сучасній біофізиці, а саме:

1) вивчена будова і властивість біологічно функціональ­них молекул (білків і нуклеїнових кислот);

2) досліджені властивості і створені надійні молекуляр­ні моделі функціонування клітинних структур;

3) успішно розвиваються фізико-математичні моделі складних біологічних процесів (зокрема, тих процесів, що відбуваються в організмі людини). Для вивчення цих процесів великого значення набувають ідеї і методи термодинаміки відкритих біологічних систем і синергетики.

Нині ні у кого немає сумнівів стосовно того, що XXI століття ознаменується видатними досягненнями молеку­лярної біології та біологічної фізики. Цей процес буде, з одного боку, характеризуватися все більшою інтеграцією з фундаментальними природничими науками (насамперед фізикою, хімією та іншими), а з другого боку, - мати дивовижні практичні втілення в медицину.

У цій главі ми зупинимося на перших двох розділах біофізики, а саме: розглянемо основні питання, що мають безпосереднє відношення до молекулярної біофізики та до біофізики клітин; точніше кажучи, до проблем міжмоле­кулярної взаємодії та структури біополімерів - білків і нуклеїнових кислот, а також до проблем, пов'язаних з мембранними структурами клітин. Третє коло питань, що стосуються біофізики складних систем (зокрема, термоди­наміки відкритих біологічних систем та синергетики), буде розглянуте в наступній главі.