Что за наука биофизика?

Вообще, что за наука биофизика? «Биофизика - наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических процессов». Это общее определение, которое часто встречается, хотя есть и другие варианты. Например, одновременно биофизика утверждается как физика явлений жизни. Отчего биофизику считают физикой живой природы. Но физика, о чём эта наука? На самом деле, об энергии! Следовательно, она и о биоэнергии.

Интересно, аспектом многообразия живых форм занимаются такие науки, как анатомия, морфология, гистология, цитология. А вот жизненные процессы, в том числе их энергообеспечение, изучают физиология, биохимия и биофизика. Однако если физиология осуществляет исследование функций органов, то биофизика направлена на изучение первичных механизмов, которые лежат в основе уже физиологических функций. «У разных видов могут быть большие различия в организации систем органов и в их работе. Однако в первичных процессах, лежащих в основе физиологических функций, обнаруживается большое сходство и данными процессами занимается биофизика».[1] Но давайте всё-таки начнём сначала, то есть с живых клеток.

Действительно, с точки зрения принципов строения все клетки схожи, они как бы созданы на основе единого плана в силу своего общего происхождения. С другой стороны, наблюдаются и сходные принципы функционирования клеток на молекулярном уровне. И какие процессы обеспечивают жизнедеятельность клеток? Если рассуждать об энергетическом аспекте клеток, то здесь есть связь с мембранными структурами и ионной природой биоэлектрических явлений. Значит, мембраны? Да, ведь, как оказалось, «ключевую роль играют мембраны в сопряжении окисления с фосфорилированием, основной энергосопрягающей функции митохондрий, бактерий и других биологических частиц».[2] Но откуда энергия?

Откуда энергия?

Лучистая энергия Солнца - главный и практически неисчерпаемый энергетический источник. На самом деле, «возбуждение светом электронных степеней свободы молекулы изменяет её окислительно-восстановительный потенциал и может стимулировать соответствующие реакции, легко сопрягающиеся с системой других окислительно-восстановительных превращений, имеющейся клетке».[3] О чём идёт речь? Солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей, и в данном механизме ключевая роль отведена мембране. И мы знаем, что указанная энергия запасается в молекулах АТФ. Как раз на внутренних мембранах митохондрий происходит синтез энергетических молекул.

Таким образом, мы планомерно приближаемся к обсуждению природы молекулы АТФ, её функциональных особенностей, и позиция биофизики здесь имеет значение, ведь это вопрос энергии для живой системы. Между тем, принципиально важно сейчас поднять тему мембран, так как она является основополагающей для материальной жизни организмов. И здесь раскрывается и проблема здоровья, так как «нарушение мембранных процессов - причина многих патологий. Лечение также во многих случаях связано с воздействием на функционирование биологических мембран».[4]

Каковы функции биологических мембран?

Выделяют различные функции мембран, перечислим некоторые из них и дадим им краткое описание:

Она обеспечивает избирательный и регулируемый (зависит от проницаемости мембраны, которая может меняться в зависимости от состояния клетки) обмен веществ с окружающей средой. Благодаря избирательности и полупроницаемости мембраны обеспечивается транспорт и распределение ионов (между клеткой и средой).

2. Механическая

Это главным образом прочность и автономность клетки.

3. Матричная

Обеспечивает расположение и ориентацию мембранных белков, а также взаимодействие белков.

4. Генерация и проведение биопотенциалов (возбуждения)

Мембрана содержит каналы, обменники, насосы, которые участвуют в транспорте ионов.

5. Энергетическая

Данная функция обеспечивает синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий, а также фотосинтез в хлоропластах.

Еще можно обозначить рецепторную, адгезивную, двигательную, секреторную функции мембраны. Однако все функции неотрывно связаны со структурной организацией мембран клеток.

Какова структура биологической мембраны?

Оказывается, информация о том, как устроена мембрана, позволяет сравнить её с конденсатором, так как липиды в ней расположены в виде бимолекулярного слоя. Действительно, «биологическую мембрану можно рассматривать как электрический конденсатор, в котором пластинами являются электролиты наружного и внутреннего растворов (внеклеточного и цитоплазмы) с погруженными в них головами липидных молекул».[5] Причём, что интересно, проводниковые элементы разделены диэлектрическим слоем, который образуется неполярным двойным слоем хвостов липидов. А липиды - это как раз диэлектрики. И вообще, из чего состоят мембраны? «Основными компонентами биологических мембран являются липиды, белки и углеводы, причём в процентном отношении большая часть массы приходится на долю белков и липидов».[6]

Стоит отметить, соотношение белков и липидов колеблется в зависимости от вида мембраны, например, в митохондриях оно выглядит как 60% белка и 40% липидов. А в миелиновой оболочке нерва может быть 20% белка и 80% липидов. Также в эритроцитах 50-60% белка и 40% липидов. Отчего это зависит? Ну, как-нибудь в дальнейшем постараемся разобраться с этим. А сейчас, как всё-таки устроена мембрана? По современным данным её «структурную основу образует двойной слой фосфолипидов, инкрустированный белками».[7] Интересно, но липиды мембраны при этом, как правило, находятся в жидком агрегатном состоянии (имеют примерную вязкость оливкового масла). И не вся поверхность мембраны покрыта белками. И в то же время, есть участки мембраны, где липиды не образуют двойной слой. Между тем, другие химические соединения в мембранах тоже есть, например, много холестерина в мембранах животных клетках, также присутствуют гликолипиды, гликопротеиды.

Безусловно, изучает химический состав мембран биохимия, однако биофизика сосредоточена на исследовании двойного слоя фосфолипидных молекул. Почему? На наш взгляд, потому, что здесь открывается поле исследования энергетических процессов. То есть, если биофизика мембран, значит фосфолипиды? Если говорить о фосфолипидах, то это сложные эфиры многоатомных спиртов и высших жирных кислот, и они обязательно содержат остаток фосфорной кислоты. И вот, например, лецитин имеет в голове фосфолипидной молекулы две заряженные группы, по сути два разноимённых заряда, которые образуют электрический диполь. Причём полярные головы фосфолипидов являются гидрофильными, а хвосты, соответственно, гидрофобными. Кроме того, углеводородные цепи фосфолипидов в липидном мембранном двойном слое находятся в жидкокристаллическом состоянии. Что же это всё означает, если структура мембран подобно конденсатору аккумулирует энергию? В то же время, отмечается, что «наибольшей мембранной поверхностью обладают клетки с интенсивным метаболизмом».[8] Не случайно ведь?

За счёт полярных головок фосфолипидов и некоторых других веществ внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно. Именно так, в состоянии покоя внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно и имеет величину -70-90 мВольт. Откуда берётся такой заряд? Оказывается, он обусловлен неравномерным распределением ионов натрия и калия снаружи и внутри клетки. Стоит заметить, натрия больше на внешней стороне мембраны, а калия на внутренней. Между тем, на клеточной мембране имеются натриевые и калиевые каналы, по которым соответствующие ионы транспортируются через мембрану. Натриевые каналы работают «снаружи вовнутрь», а калиевые каналы, соответственно, наоборот. Ещё мембранный фермент Na+/ K+- АТФаза участвует в нормальном распределении электролитов. Между тем, биологическими структурами, как утверждается, может генерироваться электрическое поле, которое даёт информацию о состоянии организма.

Кстати, электрический диполь, представляющий собой систему разноимённых зарядов, с научной точки зрения как раз и создаёт электрическое поле. Иными словами, если есть диполи, значит, есть и поле? Если так, то логично, что каждая клеточка, затем ткани, органы и организм находятся в некой электромагнитной среде. Вот в чём дело, энергетические процессы в основе здоровья организма, отсюда и медицинский аспект биофизики мембран. Допустим, «изменение состояния липидной молекулы , связанное с изменением температуры, химической модификацией жирнокислотного «хвоста» или же с изменением заряда головки, сопровождается изменением площади, занимаемой молекулами. К такому же результату приводит - взаимодействие мембран с лекарственными препаратами, например, с анестетиками».[9]

Между прочим, механизм действия анестетиков связан с тем, что они блокируют натриевые каналы на мембране нервных клеток, в результате чего нарушается поступление ионов натрия внутрь клетки, а, следовательно, возбуждение клетки. То есть препараты вмешиваются в энергетический обмен? С другой стороны, «нарушение электрических процессов в клетках и тканях приводит к ряду серьёзных патологий или сопутствует заболеваниям».[10] Выходит, речь идёт о биоэнергетике. Ну, тогда да, биофизика мембран имеет прикладное значение.

[1] Биофизика: Учеб./В.В. Ревин, Г.В. Максимов, О.Р. Кольс; Под ред. проф. А.Б. Рубина. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2002. С. 4

[2] Биофизика: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. С. 6

[3] Трухан Э.М. Введение в биофизику: Ученое пособие. - М.: МФТИ, 2008. 45

[4] Биофизика: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. С. 8

[5] Биофизика: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. С. 10

[6] Биофизика: Учеб./В.В. Ревин, Г.В. Максимов, О.Р. Кольс; Под ред. проф. А.Б. Рубина. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2002. С. 33

[7] Биофизика: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. С. 13

[8] Медицинская биофизика : учебник для вузов / В. О. Самойлов.— 3$е изд., испр. и доп. — СПб. : СпецЛит, 2013. С. 19

[9] Медицинская и биологическая физика: Учебное пособие для студентов лечебно-профилактического факультета медицинского вуза. (2-е издание) / А.П. Баранов, М.Ф. Клименок. - Витебск, ВГМУ, 2010. С. 162

[10] Медицинская и биологическая физика: Учебное пособие для студентов лечебно-профилактического факультета медицинского вуза. (2-е издание) / А.П. Баранов, М.Ф. Клименок. - Витебск, ВГМУ, 2010. С. 175