stringtranslate.com

Биофизическая химия

Рибосома — это биологическая машина , которая использует динамику белков на наномасштабах для перевода РНК в белки.

Биофизическая химия — физическая наука , использующая понятия физики и физической химии для изучения биологических систем . [1] Наиболее распространенной чертой исследований по этой теме является поиск объяснения различных явлений в биологических системах либо с точки зрения молекул, составляющих систему, либо с точки зрения надмолекулярной структуры этих систем. [2] Помимо биологических применений, недавние исследования показали прогресс и в медицинской сфере. [3]

История

Двадцатое столетие

Германия

Самая старая концепция биофизической химии возникла из любопытства Карла Фридриха Бонхеффера , физико-химика, который хотел подойти к биологическим и физиологическим проблемам, используя знания физики и химии. Одним из примеров его работ является изучение воздействия электрического тока на железо для имитации нервных возбуждений. [4] После создания фундаментальной биофизической химии в Геттингене немецкий лауреат Нобелевской премии Манфред Эйген развил ее дальше. В 1971 году он улучшил направленность исследований, объединив два института: физической химии и спектроскопии. [5] В настоящее время исследования в области биофизической химии в Геттингене направлены на обнаружение жизненных процессов с использованием совокупных научных знаний.

Нидерланды

Известный ученый Герман Берендсен основал в Гронингенском университете исследовательскую группу, занимающуюся использованием ЯМР для мониторинга воды и белка в биологических системах. [6] Исследование расширяет структурное понимание связей воды, что объясняет многие явления. [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]

Техники

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 дифракция рентгеновских лучей и криоэлектронная микроскопия . Примером исследований 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 разгадать физическую основу ее биологической функции как молекулярной машины, переводящей мРНК в полипептиды. [9] Другими областями, которыми занимаются биофизические химики, являются структура белков и функциональная структура клеточных мембран . Например, действие фермента можно объяснить формой кармана в молекуле белка, соответствующей форме молекулы субстрата , или его модификацией за счет связывания иона металла. Структуры многих крупных белковых комплексов, таких как АТФ-синтаза , также демонстрируют машинную динамику при воздействии на свои субстраты. Аналогично, структуру и функцию биомембран можно понять путем изучения модельных супрамолекулярных 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]

Исследование клеточной мембраны

Липидная двухслойная мембрана — это название, описывающее состав клеточной мембраны . Благодаря современным знаниям и усовершенствованию прибора можно изучать свойства липидных бислоев, такие как вязкость . В исследовании применялся метод флуоресцентной спектроскопии, чтобы определить, что даже если липосома состоит только из одного фосфолипидного бислоя , мы все равно можем обнаружить другой уровень вязкости, существующий в мембране. [11]

Исследование белковых реакций

Ряд спектроскопических методов позволяют современным ученым идентифицировать кинетические компоненты белковых реакций в биологических системах. Более того, можно корректировать и проектировать биологические реакции, воздействуя на них лазерным излучением. Например, мы можем вызвать процесс кристаллизации белка, используя метод, называемый « лазерным захватом ». [11]

Синтез гидрогеля

Рибофлавин , или обычно витамин B2, обладает способностью становиться активным веществом, которое может вступать в различные реакции под действием света и кислорода. [12] Важная реакция заключалась в синтезе гидрогеля. Гидрогель — пористый материал, способный 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, способные 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 всего живого. Более того, он является основной мишенью противораковых препаратов. Изучение взаимодействия лекарств и ДНК позволяет исследователям разрабатывать лекарства, которые могли бы эффективно лечить рак. [16]

Институты

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

Журналы

Журналы по биофизической химии включают «Биофизический журнал» , «Архивы биохимии и биофизики» (издаются «Академик Пресс» ), «Биохимические и биофизические исследования» (Академическая пресса), «Биохимика и биофизика Акта» ( Elsevier Science ), «Биофизическая химия» , «Международный журнал, посвященный физике и химии». биологических явлений (Elsevier), Журнал биохимических и биофизических методов (Elsevier), Журнал биохимии , биологии и биофизики ( Тэйлор и Фрэнсис ) и Journal de Chimie Physique , Physico-Chimie Biologique ( EDP Sciences и Société Française de Chimie ) .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Питер Джомо Уолла (8 июля 2014 г.). Современная биофизическая химия: обнаружение и анализ биомолекул. Уайли. стр. 1–. ISBN 978-3-527-68354-3.
  2. ^ Болл, Винсент; Мехлинг, Кларисса (28 июля 2009 г.). «Изотермическая микрокалориметрия для исследования неспецифических взаимодействий в биофизической химии». Международный журнал молекулярных наук . 10 (8): 3283–3315. дои : 10.3390/ijms10083283 . ISSN  1422-0067. ПМЦ 2812836 . ПМИД  20111693. 
  3. ^ Хмуд Алотаиби, Саад; Абдалла Момен, Авад (19 февраля 2020 г.), А. А. Халид, Мохаммед (редактор), «Взаимодействие дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) противораковых препаратов», Биофизическая химия - передовые приложения , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.85794 , ISBN 978-1-78984-047-6, получено 2 апреля 2023 г.
  4. ^ Бонхёффер, К.Ф. (20 сентября 1948). «АКТИВАЦИЯ ПАССИВНОГО ЖЕЛЕЗА КАК МОДЕЛЬ ВОЗБУЖДЕНИЯ НЕРВА». Журнал общей физиологии . 32 (1): 69–91. дои : 10.1085/jgp.32.1.69. ISSN  1540-7748. ПМК 2213747 . 
  5. ^ "Манфред Эйген". www.mpinat.mpg.de . Проверено 2 апреля 2023 г.
  6. ^ Хемминга, Маркус А. (16 марта 2023 г.). «Биофизическая химия в Гронингене - личное сообщение». Белковый журнал . дои : 10.1007/s10930-023-10097-6. ISSN  1875-8355.
  7. ^ Берендсен, Герман Дж. К. (15 июня 1962). «Ядерно-магнитно-резонансное исследование гидратации коллагена». Журнал химической физики . 36 (12): 3297–3305. дои : 10.1063/1.1732460. hdl : 1721.1/4425 . ISSN  0021-9606.
  8. ^ "Бывший кафедра биофизической химии". www.biophys.mpg.de . Проверено 15 апреля 2023 г.
  9. ^ Нобелевская премия по химии 2009 г. - пресс-релиз
  10. ^ Халид, Мохаммед А.А. (19 февраля 2020 г.). Биофизическая химия - перспективные приложения. doi : 10.5772/intechopen.73426. ISBN 978-1-78984-048-3.
  11. ^ аб Ивата, Коичи; Теразима, Масахидэ; Масухара, Хироши (01 февраля 2018 г.). «Новые физико-химические подходы в биофизических исследованиях с современным применением лазеров: обнаружение и манипулирование». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Общие предметы . Биофизические исследования динамического упорядочения биомолекулярных систем. 1862 (2): 335–357. дои : 10.1016/j.bbagen.2017.11.003. ISSN  0304-4165.
  12. ^ Ионита, Габриэла; Матей, Юлия (19 февраля 2020 г.), А. А. Халид, Мохаммед (редактор), «Применение фотохимических свойств рибофлавина в синтезе гидрогелей», Биофизическая химия - передовые приложения , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.88855 , ISBN 978-1-78984-047-6, получено 2 апреля 2023 г.
  13. ^ Фу, Джун; в Het Panhuis, Марк (2019). «Свойства и применение гидрогелей». Журнал химии материалов Б. 7 (10): 1523–1525. дои : 10.1039/C9TB90023C. ISSN  2050-750X.
  14. ^ Берг, Джереми М. (2002). Биохимия. Джон Л. Тимочко, Люберт Страйер, Люберт Страйер (5-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 0-7167-3051-0. ОСЛК  48055706.
  15. ^ Осбон, Евгения; Кумар, Маниш (19 февраля 2020 г.), А. А. Халид, Мохаммед (редактор), «Биокатализ и стратегии улучшения ферментов», Биофизическая химия - передовые приложения , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.85018 , ISBN 978-1-78984-047-6, получено 2 апреля 2023 г.
  16. ^ Хмуд Алотаиби, Саад; Абдалла Момен, Авад (19 февраля 2020 г.), А. А. Халид, Мохаммед (редактор), «Взаимодействие дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) противораковых препаратов», Биофизическая химия - передовые приложения , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.85794 , ISBN 978-1-78984-047-6, получено 2 апреля 2023 г.
  17. ^ «Основание и история института». www.mpinat.mpg.de . Проверено 1 апреля 2023 г.

Библиография