Биофизика

Кинезин использует динамику белкового домена на наноскалах , чтобы «ходить» вдоль микротрубочки .

Биофизика - это междисциплинарная наука, которая применяет подходы и методы, традиционно используемые в физике для изучения биологических явлений. Биофизика охватывает все масштабы биологической организации , от молекулярной до организма и населения . Биофизические исследования разделяют значительное совпадение с биохимией , молекулярной биологией , физической химией , физиологией , нанотехнологией , биоинженерией , вычислительной биологией , биомеханикой , биологией развития и системной биологией .

Термин «биофизика» был первоначально введен Карлом Пирсоном в 1892 году. Термин биофизика также регулярно используется в научных кругах, чтобы указать изучение физических величин (например, электрический ток , температура , стресс , энтропия ) в биологических системах. Другие биологические науки также проводят исследования биофизических свойств живых организмов, включая молекулярную биологию , клеточную биологию , химическую биологию и биохимию .

Обзор

Молекулярная биофизика обычно решает биологические вопросы, аналогичные вопросам биохимии и молекулярной биологии , стремясь найти физические основы биомолекулярных явлений. Ученые в этом полевом исследовании, посвященные исследованию, связаны с пониманием взаимодействия между различными системами клетки, включая взаимодействие между ДНК , РНК и биосинтезом белка , а также то, как регулируются эти взаимодействия. Большое разнообразие методов используется для ответа на эти вопросы.

Рибосома , - это биологическая машина которая использует динамику белка

Методы флуоресцентной визуализации, а также электронная микроскопия , рентгеновская кристаллография , ЯМР-спектроскопия , атомная силовая микроскопия (AFM) и небольшое рассеяние (SAS) как с помощью рентгеновских лучей , так и нейтронов (SAXS/SAN) часто используются для визуализации структур биологическое значение. Динамика белка может наблюдаться с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха . Конформационные изменения в структуре могут быть измерены с использованием таких методов, как двойная поляризационная интерферометрия , круговой дихроизм , SAXS и SANS . Прямая манипуляция с молекулами с использованием оптических пинцетов или AFM может также использоваться для мониторинга биологических событий, где силы и расстояния находятся на наноразмерных. Молекулярные биофизики часто рассматривают сложные биологические события как системы взаимодействующих сущностей, которые можно понять, например, посредством статистической механики , термодинамики и химической кинетики . Исходя из знаний и экспериментальных методов из широкого спектра дисциплин, биофизики часто способны напрямую наблюдать, моделировать или даже манипулировать структурами и взаимодействиями индивидуальных молекулы или комплексы молекул.

В дополнение к традиционным (т.е. молекулярным и клеточным) биофизическим темам, таким как структурная биология или кинетика фермента , современная биофизика охватывает чрезвычайно широкий спектр исследований, от биоэлектроники до квантовой биологии, включающей как экспериментальные, так и теоретические инструменты. Биофизики становится все более распространенными применением моделей и экспериментальных методов, полученных из физики , а также математики и статистики , к более крупным системам, таким как ткани, органы, органы, органы, органы , органы , органы . популяции и экосистемы . Биофизические модели широко используются при изучении электрической проводимости в отдельных нейронах , а также в анализе нейронных цепей как в ткани, так и в целом мозге.

Медицинская физика , филиал биофизики, представляет собой любое применение физики к медицине или здравоохранению , от радиологии до микроскопии и наномедицины . Например, физик Ричард Фейнман предположил о будущем наномедицины . Он писал об идее медицинского использования для биологических машин (см. Наномашины ). Фейнман и Альберт Хиббс предположили, что некоторые ремонтные машины могут однажды уменьшить в размере до такой степени, что можно было бы (как выразился Фейнман) « проглотить врача ». Идея обсуждалась в эссе Фейнмана 1959 года . Внизу много места .

История

Исследования Луиджи Гальвани (1737–1798) заложили основу для более поздней области биофизики. Некоторые из предыдущих исследований по биофизике были проведены в 1840 -х годах группой, известной как Берлинская школа физиологов. Среди его членов были такие пионеры, как Герман фон Хельмгольц , Эрнст Генрих Вебер , Карл Ф.В. Людвиг и Йоханнес Питер Мюллер .

Уильям Т. Бови (1882–1958) считается лидером дальнейшего развития поля в середине 20-го века. Он был лидером в развитии электрохирургии .

Популярность поля поднялась, когда книга Что такое жизнь? Эрвин Шредёнгер был опубликован. С 1957 года биофизики организовали себя в биофизическое общество , в котором в настоящее время насчитывается около 9 000 членов по всему миру.

Некоторые авторы, такие как Роберт Розен, критикуют биофизику на том основании, что биофизический метод не учитывает специфичность биологических явлений.

Сосредоточиться на подполе

В то время как некоторые колледжи и университеты имеют выделенные отделы биофизики, обычно на уровне выпускников, у многих нет отделов биофизики на уровне университета, вместо этого имеющиеся группы в связанных отделениях, таких как биохимия , клеточная биология , химия , компьютерная наука , инженерия , математика , медицина , молекулярная биология , нейронаука , фармакология , физика и физиология . В зависимости от сильных сторон кафедры в университете, различный акцент будет уделено областям биофизики. Далее следует список примеров того, как каждый отдел применяет свои усилия к изучению биофизики. Этот список вряд ли все включено. Каждый предмет исследования не принадлежит исключительно какому -либо конкретному отделу. Каждое академическое учреждение составляет свои собственные правила, и между департаментами много совпадает.

• Биология и молекулярная биология - регуляция генов одиночного , динамика белка , биоэнергетика , заживание пластыря , биомеханика , вирофизика .
• Структурная биология -ÅNGSTROM РАЗРЕШЕНИЯ Структуры белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и их комплексов.
• Биохимия и химия -биомолекулярная структура, миРНК, структура нуклеиновой кислоты, структурно-активность.
• Компьютерная наука - нейронные сети , биомолекулярные и лекарственные базы данных.
• Вычислительная химия - моделирование молекулярной динамики , молекулярная стыковка , квантовая химия
• Биоинформатика - выравнивание последовательностей , структурное выравнивание , прогноз структуры белка
• Математика - теория графика/сети, моделирование популяции, динамические системы, филогенетика .
• Медицина - биофизические исследования, которые подчеркивают медицину. Медицинская биофизика - это поле, тесно связанное с физиологией. Это объясняет различные аспекты и системы тела с физической и математической точки зрения. Примерами являются жидкость динамики кровотока, физика дыхания газа, радиация в диагностике/лечении и многое другое. Биофизика преподается как доклинический предмет во многих медицинских школах , в основном в Европе.
• Нейронаука - изучение нейронных сетей экспериментально (нарезание мозга), а также теоретически (компьютерные модели), мембранная диэлектрическая диэлектрическая проницаемость .
• Фармакология и физиология - канала , электрофизиология , биомолекулярные взаимодействия, клеточные мембраны, поликетиды .
• Физика - негатропия , стохастические процессы и разработка новых физических методов и инструментов , а также их применение.
• Квантовая биология - область квантовой биологии применяет квантовую механику к биологическим объектам и проблемам. Декорированные изомеры для получения зависимых от времени базовых замен. Эти исследования подразумевают приложения в квантовых вычислениях.
• Агрономия и сельское хозяйство

Многие биофизические методы уникальны для этой области. Исследовательские усилия по биофизике часто инициируются учеными, которые были биологами, химиками или физиками по обучению.

Смотрите также

• Биофизическое общество
• Индекс статей биофизики
• Список публикаций в области биологии - биофизика
• Список публикаций в области физики - биофизика
• Список биофизиков
• Схема биофизики
• Биофизическая химия
• Ассоциация европейских биофизических обществ
• Математическая и теоретическая биология
• Медицинская биофизика
• Мембранная биофизика
• Молекулярная биофизика
• Нейрофизика
• Физическая физика
• Вирусная
• Траектория одночастичной

Ссылки

Источники

• Перутц М.Ф. (1962). Белки и нуклеиновые кислоты: структура и функция . Амстердам: Elsevier. ASIN   B000TS8P4G .
• Перутц МФ (май 1969). «Лекция Круня, 1968. Молекула гемоглобина». Труды Королевского общества Лондона. Серия B, биологические науки . 173 (1031): 113–40. Bibcode : 1969rspsb.173..113p . doi : 10.1098/rspb.1969.0043 . PMID   4389425 . S2CID   22104752 .
• Dogonadze RR, Urushadze ZD (1971). «Полуклассический метод расчета скоростей химических реакций, действующих в полярных жидкостях». J Электроанал Хим . 32 (2): 235–245. doi : 10.1016/s0022-0728 (71) 80189-4 .
• Volkenshtein MV, Dogonadze R, Madumarov AK, Urushadze ZD, Kharkats Yi (1972). «Теория ферментного катализа». Molekuliarnaia Biologiia . 6 (3). Москва: 431–439. PMID   4645409 . На русском языке английское резюме. Доступные переводы на итальянском, испанском, английском, французском
• Родни М.Дж. Коттерилл (2002). Биофизика: введение . Уайли . ISBN  978-0-471-48538-4 .
• Sneppen K, Zocchi G (2005-10-17). Физика в молекулярной биологии (1 изд.). Издательство Кембриджского университета . ISBN  978-0-521-84419-2 .
• Glaser R (2004-11-23). Биофизика: введение (исправлено изд.). Спрингер. ISBN  978-3-540-67088-9 .
• Хобби Р.К., Рот Б.Дж. (2006). Промежуточная физика для медицины и биологии (4 -е изд.). Спрингер. ISBN  978-0-387-30942-2 .
• Купер WG (август 2009 г.). «Доказательства транскриптазы квантовой обработки подразумевают запутанность и декогерентность состояний протонов суперпозиции». Биосистемы . 97 (2): 73–89. doi : 10.1016/j.biosystems.2009.04.010 . PMID   19427355 .
• Купер WG (декабрь 2009 г.). «Необходимость квантовой когерентности для учета спектра зависимых от времени мутаций, демонстрируемых бактериофагом T4». Биохимическая генетика . 47 (11–12): 892–910. doi : 10.1007/s10528-009-9293-8 . PMID   19882244 . S2CID   19325354 .
• Goldfarb D (2010). Биофизика демистифицирована . МакГроу-Хилл. ISBN  978-0-07-163365-9 .

Внешние ссылки

• Биофизическое общество
• Журнал физиологии: биофизика виртуальной выпуска 2012 года и за его пределами
• Биофизика-Вики
• Архив ссылок учебных ресурсов для студентов: Biophysika.de (60% английского, 40% немецкого)