Биофизика - Biophysics

Кинезин использует динамику белкового домена на наноуровне, чтобы пройти по микротрубочке .

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 организменной и популяционной . Биофизические исследования во многом пересекаются с биохимией , молекулярной биологией , физической химией , физиологией , нанотехнологиями , 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 академических кругах для обозначения изучения физических величин (например, электрического тока , температуры , стресса , 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 обращается к биологическим вопросам, аналогичным вопросам биохимии и молекулярной биологии , стремясь найти физические основы биомолекулярных явлений. Ученые в этой области проводят исследования, связанные с пониманием взаимодействий между различными системами клетки, включая взаимодействия между ДНК , РНК и биосинтезом белка , а также того, как эти взаимодействия регулируются. Чтобы ответить на эти вопросы, используются самые разные методы.

Рибосомой является биологической машиной , которая использует динамики белков

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

В дополнение к традиционным (то есть молекулярным и клеточным) биофизическим темам, таким как структурная биология или кинетика ферментов , современная биофизика охватывает чрезвычайно широкий спектр исследований, от биоэлектроники до квантовой биологии, включая экспериментальные 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 , популяции и экосистемы . Биофизические модели широко используются при изучении электропроводности отдельных нейронов , а также при анализе нейронных цепей как в тканях, так и в мозге в целом.

Медицинская физика , раздел биофизики, - это любое приложение физики к медицине или здравоохранению , от радиологии до микроскопии и наномедицины . Например, физик Ричард Фейнман теоретизировал о будущем наномедицины . Он написал об идее медицинского использования биологических машин (см. Наномашины ). Фейнман и Альберт Хиббс предположили, что некоторые ремонтные машины однажды могут быть уменьшены в размерах до такой степени, что можно будет (как выразился Фейнман) « проглотить доктора ». Эта идея обсуждалась в эссе Фейнмана 1959 года . Внизу много места .

История

Некоторые из более ранних исследований в области биофизики проводились в 1840-х годах группой, известной как Берлинская школа физиологов. Среди ее членов были такие пионеры, как Герман фон Гельмгольц , Эрнст Генрих Вебер , Карл Ф. В. Людвиг и Иоганнес Петер Мюллер . Биофизику можно даже рассматривать как восходящую к исследованиям Луиджи Гальвани .

Популярность этого направления возросла после выхода книги « Что такое жизнь?». по Эрвин Шрёдингер был опубликован. 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 принимает во внимание специфику биологических явлений.

Фокус как подполе

В то время как в некоторых колледжах и университетах есть специальные отделы биофизики, обычно на уровне выпускников, во многих нет отделов биофизики университетского уровня, вместо этого есть группы в смежных отделах, таких как биохимия , клеточная биология , химия , информатика , инженерия , математика , медицина. , молекулярная биология , нейробиология , фармакология , физика и физиология . В зависимости от сильных сторон кафедры в университете разное внимание будет уделяться областям биофизики. Ниже приводится список примеров того, как каждый отдел прилагает свои усилия к изучению биофизики. Этот список не исчерпывающий. Также не каждый предмет обучения принадлежит исключительно какому-либо определенному отделу. Каждое учебное заведение устанавливает свои собственные правила, и между факультетами существует много общего.

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

Смотрите также

использованная литература

Источники

Библиотечные ресурсы по
биофизике
  • Перуц М.Ф. (1962). Белки и нуклеиновые кислоты: структура и функции . Амстердам: Эльзевир. ASIN  B000TS8P4G .
  • Перуц М.Ф. (май 1969 г.). «Крооновская лекция, 1968. Молекула гемоглобина». Труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 173 (1031): 113–40. Bibcode : 1969RSPSB.173..113P . DOI : 10,1098 / rspb.1969.0043 . PMID  4389425 . S2CID  22104752 .
  • Догонадзе Р.Р., Урушадзе З.Д. (1971). «Полуклассический метод расчета скорости химических реакций, протекающих в полярных жидкостях». J. Electroanal Chem . 32 (2): 235–245. DOI : 10.1016 / S0022-0728 (71) 80189-4 .
  • Волькенштейн М.В., Догонадзе Р., Мадумаров А.К., Урушадзе З.Д., Харкац Ю.И. (1972). «Теория ферментного катализа». Молекулярная биология . Москва. 6 : 431–439. На русском, аннотация на английском. Доступны переводы на итальянский, испанский, английский, французский
  • Родни М.Дж. Коттерилл (2002). Биофизика: Введение . Вайли . ISBN 978-0-471-48538-4.
  • Снеппен К., Зоччи Г. (17 октября 2005 г.). Физика в молекулярной биологии (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-84419-2.
  • Glaser R (23 ноября 2004 г.). Биофизика: Введение (Скорректированная ред.). Springer. ISBN 978-3-540-67088-9.
  • Хобби РК, Рот Би Джей (2006). Физика среднего уровня для медицины и биологии (4-е изд.). Springer. ISBN 978-0-387-30942-2.
  • Cooper WG (август 2009 г.). «Доказательства квантовой обработки транскриптазы подразумевают запутанность и декогеренцию суперпозиционных состояний протонов». Биосистемы . 97 (2): 73–89. DOI : 10.1016 / j.biosystems.2009.04.010 . PMID  19427355 .
  • Cooper WG (декабрь 2009 г.). «Необходимость квантовой когерентности для учета спектра зависимых от времени мутаций, проявляемых бактериофагом Т4». Биохимическая генетика . 47 (11–12): 892–910. DOI : 10.1007 / s10528-009-9293-8 . PMID  19882244 . S2CID  19325354 .
  • Гольдфарб Д (2010). Демистификация биофизики . Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-163365-9.

внешние ссылки