Биофизическая химия
Область исследования
Рибосома — это биологическая машина , которая использует динамику белков в наномасштабах для перевода РНК в белки.

Биофизическая химия — это физическая наука , которая использует концепции физики и физической химии для изучения биологических систем . [1] Наиболее распространенной чертой исследований в этой области является поиск объяснения различных явлений в биологических системах с точки зрения либо молекул, составляющих систему, либо надмолекулярной структуры этих систем. [2] Помимо биологических приложений, недавние исследования также продемонстрировали прогресс в области медицины. [3]

История

Двадцатый век

Германия

Старейшая концепция биофизической химии началась с любопытства Карла Фридриха Бонхёффера , физического химика, который хотел подойти к биологическим и физиологическим проблемам со знанием физики и химии. Одним из примеров его работы является изучение воздействия электрического тока на железо для имитации нервных возбуждений. [4] После создания фундаментальной биофизической химии в Гёттингене, Манфред Эйген , немецкий лауреат Нобелевской премии, развил ее дальше. В 1971 году он улучшил исследовательскую направленность, объединив два института, физическую химию и спектроскопию. [5] В настоящее время исследования в области биофизической химии в Гёттингене направлены на открытие жизненных процессов с использованием объединенных знаний науки.

Нидерланды

Известный ученый Герман Берендсен основал исследовательскую группу в Университете Гронингена, которая занимается использованием ЯМР для мониторинга воды и белка в биологических системах. [6] Исследование расширяет структурное понимание связей воды, что объясняет множество явлений. [7]

Современная история

Современные подходы к биофизическим исследованиям включают, помимо прочего, изучение ионных каналов , промоторов , стволовых клеток , а также обнаружение и анализ биомолекул . [8] [1]

Методы

Биофизические химики используют различные методы, используемые в физической химии, для исследования структуры биологических систем. Эти методы включают спектроскопические методы, такие как ядерный магнитный резонанс (ЯМР), и другие методы, такие как рентгеновская дифракция и криоэлектронная микроскопия . Примером исследования в области биофизической химии является работа, за которую была присуждена Нобелевская премия по химии 2009 года. Премия была основана на рентгеновских кристаллографических исследованиях рибосомы , которые помогли раскрыть физическую основу ее биологической функции как молекулярной машины, которая транслирует мРНК в полипептиды. [9] Другими областями, в которых занимаются биофизические химики, являются структура белка и функциональная структура клеточных мембран . Например, действие фермента можно объяснить с точки зрения формы кармана в молекуле белка, которая соответствует форме молекулы субстрата или ее модификации из-за связывания иона металла. Структуры многих крупных белковых ансамблей, таких как АТФ-синтаза , также демонстрируют динамику, подобную машинной, когда они действуют на свои субстраты. Аналогичным образом структуру и функцию биомембран можно понять посредством изучения модельных надмолекулярных структур, таких как липосомы или фосфолипидные везикулы различного состава и размеров.

Приложения

Существует несколько биологических и медицинских приложений, в которых знания биофизической химии применяются на благо человечества. [10]

Изучение клеточной мембраны

Липидная бислойная мембрана — это название для описания состава клеточной мембраны . С современными знаниями и развитием инструмента можно изучать свойства липидных бислоев, такие как вязкость . В исследовании применялась техника флуоресцентной спектроскопии для определения того, что даже если есть только одна фосфолипидная бислойная конструкция липосомы , мы все равно можем обнаружить другой уровень вязкости, существующий в мембране. [11]

Изучение белковых реакций

Несколько спектроскопических методов позволяют современным ученым идентифицировать кинетические компоненты белковых реакций в биологических системах. Более того, можно корректировать и проектировать биологические реакции, применяя к ним лазерное излучение. Например, мы можем вызвать процесс кристаллизации белка, используя технику, называемую « лазерным захватом ». [11]

Синтез гидрогеля

Рибофлавин , или обычно витамин B2, обладает способностью становиться реактивным видом, который может подвергаться различным реакциям при наличии света и кислорода. [12] Значительная реакция включала синтез гидрогеля. Гидрогель — это пористый материал, который может удерживать большое количество воды, сохраняя при этом свою форму. Применение гидрогеля включает доставку лекарств, искусственные мышцы, тканевую инженерию и т. д. [13]

Улучшение ферментов

Ферменты — это вещества, которые могут ускорять химические реакции. [14] Однако использование ферментов в реальных приложениях имеет множество ограничений, включая, помимо прочего, стабильность, совместимость и стоимость. Используя концепцию биофизической химии, можно улучшить эти ограничения, а также повысить производительность ферментов. [15]

Противораковые препараты

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — это молекула, которая является основой всех живых существ. Более того, она является основной целью противораковых препаратов. Изучение взаимодействия между препаратами и ДНК позволяет исследователю разрабатывать препараты, которые могли бы эффективно лечить рак. [16]

Институты

Старейшим известным институтом биофизической химии является Институт биофизической химии имени Макса Планка в Гёттингене . [17]

Журналы

Журналы по биофизической химии включают Biophysical Journal , Archives of Biochemistry and Biophysics (издательство Academic Press ), Biochemical and Biophysical Research Communications (издательство Academic Press), Biochimica et Biophysica Acta ( издательство Elsevier Science ), Biophysical Chemistry , An International Journal, посвященный физике и химии биологических явлений (издательство Elsevier), Journal of Biochemical and Biophysical Methods (издательство Elsevier), Journal of Biochemistry , Biology and Biophysics ( издательство Taylor & Francis ) и Journal de Chimie Physique , Physico-Chimie Biologique ( издательство EDP Sciences и Французское общество химии ).

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Питер Джомо Уолла (8 июля 2014 г.). Современная биофизическая химия: обнаружение и анализ биомолекул. Wiley. стр. 1–. ISBN 978-3-527-68354-3.
  2. ^ Болл, Винсент; Мейхлинг, Кларисс (28 июля 2009 г.). «Изотермическая микрокалориметрия для исследования неспецифических взаимодействий в биофизической химии». Международный журнал молекулярных наук . 10 (8): 3283– 3315. doi : 10.3390/ijms10083283 . ISSN  1422-0067. PMC 2812836. PMID 20111693  . 
  3. ^ Хмуд Алотаиби, Саад; Абдалла Момен, Авад (2020-02-19), А.А. Халид, Мохаммед (ред.), «Взаимодействие противораковых препаратов с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК)», Biophysical Chemistry - Advance Applications , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.85794 , ISBN 978-1-78984-047-6, получено 2023-04-02
  4. ^ Бонхёффер, К.Ф. (1948-09-20). «АКТИВАЦИЯ ПАССИВНОГО ЖЕЛЕЗА КАК МОДЕЛЬ ВОЗБУЖДЕНИЯ НЕРВА». Журнал общей физиологии . 32 (1): 69– 91. doi :10.1085/jgp.32.1.69. ISSN  1540-7748. PMC 2213747. PMID 18885679  . 
  5. ^ "Манфред Эйген". www.mpinat.mpg.de . Проверено 2 апреля 2023 г.
  6. ^ Хемминга, Маркус А. (2023-03-16). «Биофизическая химия в Гронингене – личная заметка». The Protein Journal . 42 (3): 162– 164. doi :10.1007/s10930-023-10097-6. ​​ISSN  1875-8355.
  7. ^ Берендсен, Герман Дж. К. (1962-06-15). «Исследование гидратации коллагена методом ядерного магнитного резонанса». Журнал химической физики . 36 (12): 3297– 3305. Bibcode : 1962JChPh..36.3297B. doi : 10.1063/1.1732460. hdl : 1721.1/4425 . ISSN  0021-9606.
  8. ^ "Бывший кафедра биофизической химии". www.biophys.mpg.de . Получено 15.04.2023 .
  9. ^ Нобелевская премия по химии 2009 года - Пресс-релиз
  10. ^ Халид, Мохаммед AA (2020-02-19). aa Халид, Мохаммед (ред.). Биофизическая химия - Передовые приложения. doi :10.5772/intechopen.73426. ISBN 978-1-78984-048-3.
  11. ^ ab Iwata, Koichi; Terazima, Masahide; Masuhara, Hiroshi (2018-02-01). "Новые подходы физической химии в биофизических исследованиях с передовым применением лазеров: обнаружение и манипуляция". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Общие предметы . Биофизическое исследование динамического упорядочения биомолекулярных систем. 1862 (2): 335– 357. doi :10.1016/j.bbagen.2017.11.003. ISSN  0304-4165. PMID  29108958.
  12. ^ Ионита, Габриэла; Матей, Юлия (2020-02-19), AA Халид, Мохаммед (ред.), «Применение фотохимических свойств рибофлавина в синтезе гидрогеля», Биофизическая химия - Передовые приложения , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.88855 , ISBN 978-1-78984-047-6, получено 2023-04-02
  13. ^ Fu, Jun; in het Panhuis, Marc (2019). «Свойства и применение гидрогелей». Journal of Materials Chemistry B. 7 ( 10): 1523– 1525. doi : 10.1039/C9TB90023C. ISSN  2050-750X. PMID  32254899.
  14. ^ Берг, Джереми М. (2002). Биохимия. Джон Л. Тимочко, Любер Страйер, Любер Страйер (5-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 0-7167-3051-0. OCLC  48055706.
  15. ^ Osbon, Yauheniya; Kumar, Manish (2020-02-19), AA Khalid, Mohammed (ред.), "Биокатализ и стратегии улучшения ферментов", Biophysical Chemistry - Advance Applications , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.85018 , ISBN 978-1-78984-047-6, получено 2023-04-02
  16. ^ Хмуд Алотаиби, Саад; Абдалла Момен, Авад (2020-02-19), А.А. Халид, Мохаммед (ред.), «Взаимодействие противораковых препаратов с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК)», Biophysical Chemistry - Advance Applications , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.85794 , ISBN 978-1-78984-047-6, получено 2023-04-02
  17. ^ "Основание и история института". www.mpinat.mpg.de . Получено 01.04.2023 .

Библиография

  • Кантор, Чарльз Р.; Шиммель , Пол Р. (1980). Биофизическая химия - Часть I: Конформация биологических макромолекул (1-е изд.). WH Freeman & Co Ltd. ISBN 0716711885.
  • Кантор, Чарльз Р.; Шиммель , Пол Р. (1980). Биофизическая химия - Часть II: Методы изучения биологической структуры и функции (1-е изд.). WH Freeman & Co Ltd. ISBN 0716711907.
  • Кантор, Чарльз Р.; Шиммель , Пол Р. (1980). Биофизическая химия - Часть III: Поведение биологических макромолекул (1-е изд.). WH Freeman & Co Ltd. ISBN 0716711923.
  • Брюс, Мартин, Р. Введение в биофизическую химию. Журнал медицинского образования: сентябрь 1964 г. — Том 39 — Выпуск 9 — стр. 867 .{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  • Купер, Алан (2015-11-09). Биофизическая химия. Королевское химическое общество. ISBN 978-1-78262-510-0.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Биофизическая_химия&oldid=1228469872"