А.Б.Рубин, О.Р.Кольс, Т.Е.Кренделева и др.
Теоретическая биофизика изучает общие проблемы организации и регуляции живых систем разного уровня организации на основе законов квантовой механики, кинетики и термодинамики. Основным методом теоретической биофизики является математическое и компьютерное моделирование, которое все чаще становится инструментом исследования как общих закономерностей, так и особенностей организации конкретных живых систем всех уровней, начиная от биомакромолекул и их взаимодействий, и кончая экологическими системами и биосферой в целом.
Универсальной элементарной ячейкой живой материи является биологическая клетка, в которой сконцентрированы все необходимые атрибуты феномена жизни. Одним из основополагающих структурно-функциональных элементов живой клетки является мембрана, которая отделяет ее от внешнего мира. Мембрана представляет собой бислойную липидную оболочку, в которою встроены различные белковые молекулы и целые макромолекулярные агрегаты. На поверхности мембраны протекают разнообразные биохимические реакции, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки.
Фундаментальной особенностью живой клетки является то, что она представляет собой совершенную биоэнергетическую машину. Растительные и некоторые бактериальные клетки осуществляют процесс превращения световой энергии в электрическую — фотосинтез. Такие клетки можно назвать биологическими электростанциями, генерирующими энергоемкое соединение — аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), которая является универсальным биологическим топливом. Создание трансмембранной разности потенциалов сопряжено с процессом разделения зарядов, т.е. с переносом электронов и протонов через мембрану. Перенос зарядов осуществляется не только в ходе фотосинтеза и дыхания; в той или иной степени процесс переноса зарядов, главным образом электронов и протонов, представлен во многих биохимических реакциях. Изучение физических механизмов, благодаря которым осуществляется перенос зарядов в макромолекулярных биологических системах, представляет актуальную задачу современной биофизики.
Глубокое понимание молекулярных механизмов различных биологических процессов невозможно без широкого использования фундаментальных представлений современной физики, в том числе квантовой механики. Например, основу механизма элементарного акта переноса 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 электрон преодолеет энергетический барьер, не равна нулю, даже если его энергия меньше высоты этого барьера. Описание физических свойств и динамики биологических молекул представляет собой весьма трудную. В этой связи в практику описания биологических систем и процессов все более широко внедряются современных компьютерные методы численного моделирования. При описании молекулярных процессов необходимо учитывать многие факторы, определяющие эффективность биологических процессов. К таким факторам в первую очередь относится внутримолекулярная конформационная динамика взаимодействующих молекул. Например, скорость и эффективность переноса электрона при первичном разделении зарядов в фотосинтезе существенно зависит от конформационной динамики молекул переносчиков. Для компьютерного моделирования молекулярных процессов используются различные методы квантовой механики, квантовой химии и молекулярной динамики. В настоящее время эти методы являются основными инструментами теоретического изучения сложных молекулярных процессов.
Одним из наиболее важных структурных факторов, определяющих строение и конформационную динамику биологических макромолекул, являются водородные связи (особый тип химической связи). Изучение роли водородных связей в конкретных биологических процессах представляет актуальную задачу, в решении которой также помогают методы компьютерного моделирования. С помощью этих методов можно исследовать динамические свойства молекулярных систем, которые недоступны прямому наблюдению.
Молекулярные структуры с сильно развитой системой водородных связей — сеткой водородных связей — обладают способностью проводить электрический ток, причем носителем заряда является протон — ядро атома водорода. Перенос протона осуществляется по так называемому эстафетному механизму. В мембранах существуют специальные каналы, которые переносят протоны с одной стороны мембраны на другую, т.е. осуществляют протонный транспорт. Такой канал представляет собой специальную пору, в которой находится вытянутая цепочка молекул воды, связанных друг с другом водородными связями. Перенос протона через мембрану происходит таким образом, что один протон присоединяется к этой водной цепочке, например, со стороны цитоплазмы и инициирует сдвиг протонов в водородных связях этой цепочки. В результате этого с внешней поверхности мембраны от водной цепочки отщепляется протон, который находился на внешнем конце этой цепочки. Таким образом, перенос протона на расстояние, равное толщине мембраны, происходит в результате поэтапного смещения отдельных протонов на существенно меньшие (примерно в 200 раз) расстояния.
При изучении конкретных молекулярных процессов, протекающих в биосистемах, необходимо принимать во внимание все возможные факторы и взаимодействия, так как в молекулярных системах (впрочем, как и в нашей жизни) «все влияет на все». Рассмотрим, например, такой фактор, как температура среды. Всем известно, что температура человеческого организма должна быть порядка 36 — 37°С. Возникает вопрос, какими особенностями биологических структур определяется такое значение температуры? Что происходит при нарушении нормального функционирования организма из-за увеличения или понижения внутренней температуры тела человека? Этот вопрос относится и к любым другим живым системам, хотя температурный диапазон может немного варьировать.
Изучение температурной зависимости эффективности электронного переноса в конкретных молекулярных процессах позволяет находить ответы или делать те или иные предположения о механизмах влияния температуры на свойства белковых молекул. В этом случае процесс электронного транспорта является зондирующим процессом, с помощью которого тестируются гипотезы о возможных изменениях в конформационном состоянии молекул, участвующих в электрон-транспортном процессе. Использование процесса электронного транспорта в качестве инструмента для изучения микро- и макроконформационных состояний макромолекул, а также тех релаксационных процессов, которые ответственны за структурную перестройку молекулярной системы, является весьма эффективным. Особое значение приобретают методы компьютерного моделирования, с помощью которых можно рассчитывать конфигурации молекул, соответствующие минимуму энергии системы, т.е. такие конфигурации, которые в реальных структурах реализуются с наибольшей вероятностью.
Теоретические работы кафедры направлены на решение вопроса о том, каким образом свойства элементов системы и механизмы их взаимодействия определяют поведение целостной системы. Это — классический научный подход системного анализа и математического моделирования. Биологические системы — сложные многоуровневые системы, протекающие в них процессы имеют сложную пространственно-временную иерархию. Для того, чтобы понять, как компоненты системы нижнего (например, молекулярного) уровня и их взаимодействия определяют процессы на верхнем (например, клеточном) уровне, полезно строить математические или компьютерные модели, которые формализуют и интегрируют наши представления о компонентах системы и их взаимодействиях.
Качественное (а иногда и количественное) представление о ходе процессов во времени и пространстве можно получить с помощью кинетических моделей, которые представляют собой системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы во времени и пространстве.
Динамику биомакромолекул, изменение их пространственной структуры и локальные электрические взаимодействия невозможно описать только с помощью традиционных дифференциальных уравнений. Здесь используются имитационные подходы, которые мы называем прямым многочастичным моделированием. Этот тип моделирования стал возможным недавно в связи с развитием компьютерной техники. Мы начали его использовать для описания наиболее хорошо изученных процессов в биомембранах. Он также применим и для описания других процессов в живой клетке, лишь бы мы располагали достаточными сведениями о свойствах отдельных элементов системы и их взаимодействиях. Сюда относятся как структурные данные о биомолекулах, мембранах и других субклеточных наноструктурах, так и физические законы их взаимодействия. Постановка задачи моделирования, формулировка модели и идентификация параметров — предмет совместной работы специалистов в области биологии, физики, математики, программирования и собственно моделирования. В настоящее время на кафедре ведутся работы по кинетическому и компьютерному моделированию процессов в растительной клетке на молекулярном, субклеточном и клеточном уровне.
Кинетические модели процессов в фотосинтетической мембране описывают с помощью дифференциальных уравнений процессы переноса электрона и трансмембранного переноса ионов. Модели отражают представления о механизмах процессов и о скоростях отдельных реакций, описывают кинетику окислительно- восстановительных превращений компонентов электрон- транспортной цепи (ЭТЦ). Результаты численных экспериментов численно воспроизводят кривые индукции флуоресценции и кинетику электрического потенциала, наблюдаемые в эксперименте на суспензиях хлоропластов и клеток водорослей, а также на листьях зеленых растений. Анализ экспериментальных кривых для разных условий в эксперименте и в природе позволяет сделать выводы о том, как меняются внутренние параметры фотосинтетического аппарата при изменении светового режима, при серном и азотном голодании, голодании, в присутствии токсичных агентов.