Биофизика

Кинезин использует динамику белковых доменов на наномасштабе, чтобы «ходить» по микротрубочкам .

Биофизика — междисциплинарная наука, применяющая традиционно используемые в физике подходы и методы для изучения биологических явлений. Биофизика охватывает все уровни биологической организации : от молекулярного до организменного и популяционного . Биофизические исследования в значительной степени пересекаются с биохимией , молекулярной биологией , физической химией , физиологией , нанотехнологиями , биоинженерией , вычислительной биологией , биомеханикой , биологией развития и системной биологией .

Термин «биофизика» был впервые введен Карлом Пирсоном в 1892 году. Термин «биофизика» также регулярно используется в научных кругах для обозначения изучения физических величин (например, электрического тока , температуры , напряжения , энтропии ) 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 физическую основу биомолекулярных явлений. Ученые в этой области проводят исследования, направленные на понимание взаимодействий между различными системами клетки, включая взаимодействие между ДНК , РНК и биосинтезом белка , а также то, как эти взаимодействия регулируются. Для ответа на эти вопросы используются самые разнообразные методы.

Рибосома . — это биологическая машина , которая использует динамику белков

методы флуоресцентной визуализации, а также электронная микроскопия , рентгеновская кристаллография , ЯМР-спектроскопия , атомно-силовая микроскопия (АСМ) и малоугловое рассеяние (SAS) как с рентгеновскими лучами , так и с нейтронами Для визуализации структур часто используются (SAXS/SANS). биологического значения. Динамику белка можно наблюдать с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха . Конформационные изменения в структуре можно измерить с помощью таких методов, как интерферометрия двойной поляризации , круговой дихроизм , SAXS и SANS . Прямые манипуляции с молекулами с помощью оптического пинцета или АСМ также можно использовать для мониторинга биологических событий, когда силы и расстояния находятся на наноуровне. Молекулярные биофизики часто рассматривают сложные биологические явления как системы взаимодействующих объектов, которые можно понять, например, с помощью статистической механики , термодинамики и химической кинетики . Черпая знания и экспериментальные методы из самых разных дисциплин, биофизики часто могут напрямую наблюдать, моделировать или даже манипулировать структурами и взаимодействиями отдельных организмов. молекулы или комплексы молекул.

В дополнение к традиционным (т.е. молекулярным и клеточным) биофизическим темам, таким как структурная биология или кинетика ферментов , современная биофизика охватывает чрезвычайно широкий диапазон исследований, от биоэлектроники до квантовой биологии, включающей как экспериментальные, так и теоретические инструменты. Биофизики все чаще применяют модели и экспериментальные методы, полученные из физики , а также математики и статистики , к более крупным системам, таким как ткани , органы , население и экосистемы . Биофизические модели широко используются при изучении электрической проводимости в отдельных нейронах , а также при анализе нейронных цепей как в тканях, так и в целом мозге.

Медицинская физика , раздел биофизики, представляет собой любое применение физики в медицине или здравоохранении , от радиологии до микроскопии и наномедицины . Например, физик Ричард Фейнман высказал теорию о будущем наномедицины . Он писал об идее медицинского использования биологических машин (см. наномашины ). Фейнман и Альберт Хиббс предположили, что однажды некоторые ремонтные машины могут быть уменьшены в размерах до такой степени, что можно будет (по выражению Фейнмана) « проглотить доктора ». Эта идея обсуждалась в эссе Фейнмана 1959 года «Там внизу много места» .

История

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

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

Популярность этой области возросла после выхода книги « Что такое жизнь?» Эрвина Шредингера была опубликована. С 1957 года биофизики объединились в Биофизическое общество , которое сейчас насчитывает около 9000 членов по всему миру.

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

Фокус как подполе

В то время как в некоторых колледжах и университетах есть специальные кафедры биофизики, обычно на уровне аспирантов, во многих нет кафедр биофизики университетского уровня, вместо этого есть группы на смежных факультетах, таких как биохимия , клеточная биология , химия , информатика , инженерия , математика , медицина. , молекулярная биология , нейронауки , фармакология , физика и физиология . В зависимости от сильных сторон кафедры университета различное внимание будет уделяться областям биофизики. Ниже приводится список примеров того, как каждое кафедра прилагает свои усилия к изучению биофизики. Этот список вряд ли является полным. При этом каждый предмет исследования не принадлежит исключительно какой-либо конкретной кафедре. Каждое академическое учреждение устанавливает свои собственные правила, и между факультетами во многом совпадают.

• Биология и молекулярная биология - Регуляция генов отдельных , динамика белков , биоэнергетика , фиксация патчей , биомеханика , вирофизика .
• Структурная биология - структуры белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и их комплексов с ангстремным разрешением.
• Биохимия и химия – биомолекулярная структура, миРНК, структура нуклеиновой кислоты, взаимосвязь структура-активность.
• Информатика – Нейронные сети , базы данных биомолекул и лекарств.
• Вычислительная химия - моделирование молекулярной динамики , молекулярный стыковка , квантовая химия.
• Биоинформатика – выравнивание последовательностей , структурное выравнивание , предсказание структуры белков.
• Математика – теория графов/сетей, популяционное моделирование, динамические системы, филогенетика .
• Медицина – биофизические исследования, в которых упор делается на медицину. Медицинская биофизика — область, тесно связанная с физиологией. Он объясняет различные аспекты и системы организма с физической и математической точки зрения. Примерами являются гидродинамика кровотока, газовая физика дыхания, радиация в диагностике/лечении и многое другое. Биофизика преподается как доклинический предмет во многих медицинских школах , главным образом в Европе.
• Нейронаука – изучение нейронных сетей экспериментально (срезы мозга), а также теоретически (компьютерные модели), диэлектрическая проницаемость мембран .
• Фармакология и физиология – каналомика , электрофизиология , биомолекулярные взаимодействия, клеточные мембраны, поликетиды .
• Физика – негэнтропия , случайные процессы , разработка новых физических методов и приборов , а также их применение.
• Квантовая биология . Область квантовой биологии применяет квантовую механику к биологическим объектам и проблемам. Декогеризованные изомеры с получением зависящих от времени замен оснований. Эти исследования предполагают применение в квантовых вычислениях.
• Агрономия и сельское хозяйство

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

См. также

• Биофизическое общество
• Указатель статей по биофизике
• Список публикаций по биологии – Биофизика
• Список публикаций по физике – Биофизика
• Список биофизиков
• Очерк биофизики
• Биофизическая химия
• Ассоциация европейских биофизических обществ
• Математическая и теоретическая биология
• Медицинская биофизика
• Мембранная биофизика
• Молекулярная биофизика
• Нейрофизика
• Физиомика
• Вирофизика
• Одночастичная траектория

Ссылки

Источники

• Перуц М.Ф. (1962). Белки и нуклеиновые кислоты: структура и функции . Амстердам: Эльзевир. АСИН   B000TS8P4G .
• Перуц М.Ф. (май 1969 г.). «Крунианская лекция, 1968. Молекула гемоглобина». Труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 173 (1031): 113–40. Бибкод : 1969РСПСБ.173..113П . дои : 10.1098/rspb.1969.0043 . ПМИД   4389425 . S2CID   22104752 .
• Догонадзе Р.Р., Урушадзе З.Д. (1971). «Полуклассический метод расчета скоростей химических реакций, протекающих в полярных жидкостях». J Электроанальная химия . 32 (2): 235–245. дои : 10.1016/S0022-0728(71)80189-4 .
• Волькенштейн М.В., Догонадзе Р., Мадумаров А.К., Урушадзе З.Д., Харкац Ю.И. (1972). «Теория ферментативного катализа». Молекулярная биология . 6 (3). Москва: 431–439. ПМИД   4645409 . На русском языке, аннотация на английском языке. Доступны переводы на итальянский, испанский, английский, французский языки.
• Родни М. Дж. Коттерилл (2002). Биофизика: Введение . Уайли . ISBN  978-0-471-48538-4 .
• Снеппен К., Зокки Г (17 октября 2005 г.). Физика в молекулярной биологии (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета . ISBN  978-0-521-84419-2 .
• Глейзер Р. (23 ноября 2004 г.). Биофизика: Введение (Исправленная ред.). Спрингер. ISBN  978-3-540-67088-9 .
• Хобби РК, Рот Би Джей (2006). Промежуточная физика для медицины и биологии (4-е изд.). Спрингер. ISBN  978-0-387-30942-2 .
• Купер РГ (август 2009 г.). «Доказательства квантовой обработки транскриптазы подразумевают запутывание и декогеренцию состояний суперпозиции протонов». Биосистемы . 97 (2): 73–89. doi : 10.1016/j.biosystems.2009.04.010 . ПМИД   19427355 .
• Cooper WG (декабрь 2009 г.). «Необходимость квантовой когерентности для объяснения спектра зависящих от времени мутаций, проявляемых бактериофагом Т4». Биохимическая генетика . 47 (11–12): 892–910. дои : 10.1007/s10528-009-9293-8 . ПМИД   19882244 . S2CID   19325354 .
• Гольдфарб Д (2010). Биофизика демистифицирована . МакГроу-Хилл. ISBN  978-0-07-163365-9 .

Внешние ссылки

• Биофизическое общество
• Журнал физиологии: виртуальный выпуск 2012 г. «Биофизика и не только»
• биофизика-вики
• Ссылка на архив учебных ресурсов для студентов: biophysika.de (60% английский, 40% немецкий)