А.Б.Рубин, О.Р.Кольс, Т.Е.Кренделева и др.
Теоретическаябиофизика изучает общие проблемы организации и регуляции живых систем разногоуровня организации на основе законов квантовой механики, кинетики итермодинамики. Основным методом теоретической биофизики является математическоеи компьютерное моделирование, которое все чаще становится инструментомисследования как общих закономерностей, так и особенностей организацииконкретных живых систем всех уровней, начиная от биомакромолекул и ихвзаимодействий, и кончая экологическими системами и биосферой в целом.
Универсальнойэлементарной ячейкой живой материи является биологическая клетка, в которойсконцентрированы все необходимые атрибуты феномена жизни. Одним изосновополагающих структурно-функциональных элементов живой клетки являетсямембрана, которая отделяет ее от внешнего мира. Мембрана представляет собойбислойную липидную оболочку, в которою встроены различные белковые молекулы ицелые макромолекулярные агрегаты. На поверхности мембраны протекаютразнообразные биохимические реакции, необходимые для поддержанияжизнедеятельности клетки.
Фундаментальнойособенностью живой клетки является то, что она представляет собой совершеннуюбиоэнергетическую машину. Растительные и некоторые бактериальные клеткиосуществляют процесс превращения световой энергии в электрическую — фотосинтез.Такие клетки можно назвать биологическими электростанциями, генерирующимиэнергоемкое соединение — аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), которая являетсяуниверсальным биологическим топливом. Создание трансмембранной разностипотенциалов сопряжено с процессом разделения зарядов, т.е. с переносом электронови протонов через мембрану. Перенос зарядов осуществляется не только в ходефотосинтеза и дыхания; в той или иной степени процесс переноса зарядов, главнымобразом электронов и протонов, представлен во многих биохимических реакциях.Изучение физических механизмов, благодаря которым осуществляется переносзарядов в макромолекулярных биологических системах, представляет актуальнуюзадачу современной биофизики.
Глубокоепонимание молекулярных механизмов различных биологических процессов невозможнобез широкого использования фундаментальных представлений современной физики, втом числе квантовой механики. Например, основу механизма элементарного актапереноса 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 электронпреодолеет энергетический барьер, не равна нулю, даже если его энергия меньшевысоты этого барьера. Описание физических свойств и динамики биологическихмолекул представляет собой весьма трудную. В этой связи в практику описаниябиологических систем и процессов все более широко внедряются современныхкомпьютерные методы численного моделирования. При описании молекулярныхпроцессов необходимо учитывать многие факторы, определяющие эффективностьбиологических процессов. К таким факторам в первую очередь относитсявнутримолекулярная конформационная динамика взаимодействующих молекул. Например,скорость и эффективность переноса электрона при первичном разделении зарядов вфотосинтезе существенно зависит от конформационной динамики молекулпереносчиков. Для компьютерного моделирования молекулярных процессовиспользуются различные методы квантовой механики, квантовой химии и молекулярнойдинамики. В настоящее время эти методы являются основными инструментамитеоретического изучения сложных молекулярных процессов.
Однимиз наиболее важных структурных факторов, определяющих строение иконформационную динамику биологических макромолекул, являются водородные связи(особый тип химической связи). Изучение роли водородных связей в конкретныхбиологических процессах представляет актуальную задачу, в решении которой такжепомогают методы компьютерного моделирования. С помощью этих методов можноисследовать динамические свойства молекулярных систем, которые недоступныпрямому наблюдению.
Молекулярныеструктуры с сильно развитой системой водородных связей — сеткой водородныхсвязей — обладают способностью проводить электрический ток, причем носителемзаряда является протон — ядро атома водорода. Перенос протона осуществляется потак называемому эстафетному механизму. В мембранах существуют специальныеканалы, которые переносят протоны с одной стороны мембраны на другую, т.е.осуществляют протонный транспорт. Такой канал представляет собой специальнуюпору, в которой находится вытянутая цепочка молекул воды, связанных друг сдругом водородными связями. Перенос протона через мембрану происходит такимобразом, что один протон присоединяется к этой водной цепочке, например, состороны цитоплазмы и инициирует сдвиг протонов в водородных связях этойцепочки. В результате этого с внешней поверхности мембраны от водной цепочкиотщепляется протон, который находился на внешнем конце этой цепочки. Такимобразом, перенос протона на расстояние, равное толщине мембраны, происходит врезультате поэтапного смещения отдельных протонов на существенно меньшие(примерно в 200 раз) расстояния.
Приизучении конкретных молекулярных процессов, протекающих в биосистемах, необходимопринимать во внимание все возможные факторы и взаимодействия, так как вмолекулярных системах (впрочем, как и в нашей жизни) «все влияет на все».Рассмотрим, например, такой фактор, как температура среды. Всем известно, чтотемпература человеческого организма должна быть порядка 36 — 37°С. Возникаетвопрос, какими особенностями биологических структур определяется такое значениетемпературы? Что происходит при нарушении нормального функционированияорганизма из-за увеличения или понижения внутренней температуры тела человека?Этот вопрос относится и к любым другим живым системам, хотя температурныйдиапазон может немного варьировать.
Изучениетемпературной зависимости эффективности электронного переноса в конкретныхмолекулярных процессах позволяет находить ответы или делать те или иныепредположения о механизмах влияния температуры на свойства белковых молекул. Вэтом случае процесс электронного транспорта является зондирующим процессом, спомощью которого тестируются гипотезы о возможных изменениях в конформационномсостоянии молекул, участвующих в электрон-транспортном процессе. Использованиепроцесса электронного транспорта в качестве инструмента для изучения микро- имакроконформационных состояний макромолекул, а также тех релаксационныхпроцессов, которые ответственны за структурную перестройку молекулярной системы,является весьма эффективным. Особое значение приобретают методы компьютерногомоделирования, с помощью которых можно рассчитывать конфигурации молекул, соответствующиеминимуму энергии системы, т.е. такие конфигурации, которые в реальныхструктурах реализуются с наибольшей вероятностью.
Теоретическиеработы кафедры направлены на решение вопроса о том, каким образом свойстваэлементов системы и механизмы их взаимодействия определяют поведение целостнойсистемы. Это — классический научный подход системного анализа и математическогомоделирования. Биологические системы — сложные многоуровневые системы, протекающиев них процессы имеют сложную пространственно-временную иерархию. Для того, чтобыпонять, как компоненты системы нижнего (например, молекулярного) уровня и ихвзаимодействия определяют процессы на верхнем (например, клеточном) уровне, полезностроить математические или компьютерные модели, которые формализуют иинтегрируют наши представления о компонентах системы и их взаимодействиях.
Качественное(а иногда и количественное) представление о ходе процессов во времени ипространстве можно получить с помощью кинетических моделей, которыепредставляют собой системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы вовремени и пространстве.
Динамикубиомакромолекул, изменение их пространственной структуры и локальныеэлектрические взаимодействия невозможно описать только с помощью традиционныхдифференциальных уравнений. Здесь используются имитационные подходы, которые мыназываем прямым многочастичным моделированием. Этот тип моделирования сталвозможным недавно в связи с развитием компьютерной техники. Мы начали егоиспользовать для описания наиболее хорошо изученных процессов в биомембранах.Он также применим и для описания других процессов в живой клетке, лишь бы мырасполагали достаточными сведениями о свойствах отдельных элементов системы иих взаимодействиях. Сюда относятся как структурные данные о биомолекулах, мембранахи других субклеточных наноструктурах, так и физические законы ихвзаимодействия. Постановка задачи моделирования, формулировка модели иидентификация параметров — предмет совместной работы специалистов в областибиологии, физики, математики, программирования и собственно моделирования. Внастоящее время на кафедре ведутся работы по кинетическому и компьютерномумоделированию процессов в растительной клетке на молекулярном, субклеточном иклеточном уровне.
Кинетическиемодели процессов в фотосинтетической мембране описывают с помощьюдифференциальных уравнений процессы переноса электрона и трансмембранногопереноса ионов. Модели отражают представления о механизмах процессов и оскоростях отдельных реакций, описывают кинетику окислительно- восстановительныхпревращений компонентов электрон- транспортной цепи (ЭТЦ). Результаты численныхэкспериментов численно воспроизводят кривые индукции флуоресценции и кинетикуэлектрического потенциала, наблюдаемые в эксперименте на суспензияххлоропластов и клеток водорослей, а также на листьях зеленых растений. Анализэкспериментальных кривых для разных условий в эксперименте и в природепозволяет сделать выводы о том, как меняются внутренние параметрыфотосинтетического аппарата при изменении светового режима, при серном иазотном голодании, голодании, в присутствии токсичных агентов.
Мыразрабатываем также модели, описывающие связь фотосинтетического электронноготранспорта с метаболическими процессами в растительной клетке. Моделированиевлияния различных регулирующих факторов позволяет установить, к какимизменениям фотосинтетического аппарата приводят изменения внешней среды(голодание, тепловой шок, ингибиторы). Целью такого рассмотрения являетсясоздание своеобразного «определителя», позволяющего оценить места регуляциисистемы первичных процессов, затронутые тем или иным воздействием.
Прямыемногочастичные модели взаимодействия белков призваны ответить на вопрос, какхарактеристики отдельных молекул (структура, форма, распределение локальныхзарядов) и молекулярных комплексов, взаимодействуя в ансамбле in vitro или всложном интерьере клетки, проявляются в виде «макропоказателей», которые мырегистрируем биохимическими или спектральными методами. Речь идет в первуюочередь о кинетике процесса — то есть об изменении концентрацийвзаимодействующих молекул.
Сиспользованием баз данных по белкам строятся модели, учитывающиепространственную структуру белков и их электрические заряды (эквипотенциальныеповерхности). На компьютере имитируется броуновское движение нескольких сотенмолекул белков в растворе, изучается процесс докинга — образования комплексадвух белков, предшествующее акту реакции (например, приокислительно-восстановительной реакции — переносу электрона с реакционногоцентра одной молекулы на реакционный центр другой). В отличие от молекулярнойдинамики, где моделируется отдельная молекула или молекулярный комплекс, впрямых многочастичных моделях мы рассматриваем ансамбли взаимодействующихмолекул. На вероятность их взаимодействия влияет не только структура и формамолекул, их локальные заряды, но и свойства (например, вязкость) среды, геометрияобъема, в котором происходит взаимодействие.
Изучаютсядетали электростатического взаимодействия отдельных белков-переносчиков. Белкипредставлены в виде твердых тел с пространственно фиксированными зарядами.Поступательное и вращательное движение белков являетя результатомвзаимодействия броуновских и электростатических сил. Для пространственногоописания электростатического потенциала, генерируемого вокруг белков, используетсяформализм Пуассона-Больцмана. На основании представлений о механизмахединичного акта докинга и законах движения молекул модель позволяет понять, откаких биофизических величин зависит величина константы скорости реакции, котороймы привыкли оперировать в экспериментальных исследованиях и кинетическихмоделях. Знания о деталях взаимодействия отдельных белков и их влиянии на общуюскорость реакции важны для биомедицинских исследований, биоинженерии, биоэнергетики.Прямое моделирование фотосинтетичеких процессов позволяет выявить рольструктурной организации в формировании кинетических сигналов, регистрируемых вбиофизических экспериментах (флуорометрия, ЭПР и др.), и исследовать процессы впространстве и времени на субклеточном уровне.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio-cat.ru/