В.А. Петров Молекулярная биофизика

явления и процессы, происходящие в биологических макромолекулах и в их

надмолекулярных структурах с целью выяснения пространственной структуры этих объектов и физических принципов, лежащих в основе их функционирования. Шестидесятые годы XX-столетия стали годами бурного развития молекулярной биологии, поставившей перед собой определенные задачи, разрешение которых потребовало разработки специальных биофизических методов исследования.

нового раздела – молекулярной биофизики со своими задачами и методами.

Основная задача молекулярной биофизики – это установление связи между физической структурой, свойствами биологически важных макромолекул с выполняемыми ими в организме функциями.
Следует также осветить и тот вклад, который внесли в развитие биофизики вообще и, в частности, молекулярной биофизики сотрудники кафедры биофизики (заведующий кафедрой академик РАМН Ю.А. Владимиров) Медико-биологического факультета (МБФ) РНИМУ им. Н.И. Пирогова (бывшего 2-го Государственного медицинского института).

гистоновых белков и их комплексов с ДНК;
2) физико-химические свойства

биологических мембран, связанные с перекисным окислением липидов, и нарушение этих свойств при патологии организма;
3) фотобиологическое действие УФ-света на биологические мембраны;
механизм цепных реакций ПОЛ;
4) хемилюминесценция, сопровождающая перекисное окисление липидов (ПОЛ) биосистем животных и человека.

гистоновых белков считалась структура неупорядоченного клубка. Ю.А. Владимиров, Г.Е. Добрецов

с сотрудниками на основании данных по изменению флуоресценции остатков тирозина в гистонах при различных рН раствора показали, что между остатками тирозина происходит полный перенос энергии. Это означало, что все тирозилы в молекуле гистона тесно сближены. На основании этих данных, а также данных вискозиметрии, спектроскопии ядерного магнитного резонанса и теоретических исследований

в мире еще в 1970 -73 г.г. была предложена модель

глобулярного гистона. Впоследствии с 1976 г. такая модель стала общепризнанной.
В дальнейшем научная группа кафедры занялась поисками новых флуоресцентных зондов и разработкой новых методов их применения в исследованиях биомембран. В этом направлении работали Г.Е. Добрецов, В.А. Петров, Г.И. Клебанов, А.И. Деев и др. Результаты этой работы были опубликованы в первой в мире монографии Ю.А. Владимирова, Г.Е. Добрецова “Флуоресцентные зонды в исследовании биологических мембран“(1980),

клеток, мембран и липопротеинов” (1989 г.).
Эти книги дали возможность познакомиться

не только с теорией метода флуоресцентных зондов, но и с многочисленными способами их применения как для фундаментальных, так и прикладных исследований в различных областях медико-биологических наук. Так, развивая метод безызлучательного переноса энергии между флуоресцентными зондами, сотрудникам кафедры биофизики МБФ удалось получить уникальную информацию о пространственной структуре мембран и липопротеинов не только в изолированном состоянии, но и непостредственно в живых клетках.

плазматической и митохондриальной мембранах живых клеток.

Физико-химические характеристики белковых макромолекул на

примере человеческого сывороточного альбумина (ЧСА)
ЧСА как объект исследования молекулярной биофизики
С основными понятиями, задачами и вопросами, с которыми имеет дело молекулярная биофизика, можно познакомиться на примере изучения такой биомакромолекулы как альбумин сыворотки крови человека (ЧСА). Молекулы, имеющие молекулярную массу от 104 Да и выше, называют макромолекулами.

 

являются вопросами молекулярной биофизики и будут рассмотрены ниже.

ЧСА составляет более половины массы белков плазмы крови и выполняет определенные функции в организме. Впервые альбумин был обнаружен G. Mulder в 1838 году. Казалось бы, давно известный в медицине ЧСА хорошо изучен. Однако это не так – много задач, связанных со структурой и функциями этого белка, остаются до сих пор нерешенными. Одна из важнейших функций альбумина – транспортная – связывание низкомолекулярных метаболитов, например, токсинов и доставка их в печень.

и некоторые физико-химические процессы, связанные с ними.
Первым

этапом является связывание альбумином низкомолекулярных органических веществ – лигандов (L) (см. рис. 1).
L + ЧСА = L-ЧСА





Рис. 1. Первый этап транспортной функции САЧ - образование комплекса альбумина (САЧ) с лигандом (L) за счет физических сил взаимодействия.

нековалентных. Эта реакция образования комплекса характеризуется следующими параметрами: Ксв. –

константой связывания альбумина с лигандом и N – числом участков связывания альбумина. Молекулярная биофизика при этом исследует типы физических сил взаимодействий между атомными группировками в биомакромолекулах и предлагает соответствующие способы их расчета. Образование комплекса ЧСА–L происходит за счет физических сил взаимодействия, т.е. нековалентных. Эта реакция образования комплекса характеризуется следующими параметрами:

числом участков связывания альбумина. Молекулярная биофизика при этом исследует типы

физических сил взаимодействий между атомными группировками в биомакромолекулах и предлагает соответствующие способы их расчета.
Кроме того, используя различные методы, можно определить Ксв. и N – параметры связывания комплекса ЧСА–L. Эти вопросы будут рассматриваться отдельно (раздел «Биофизика клетки).










 

поля, модифицирующие структуру ЧСА, влияют на процесс связывания. Среди веществ-модификаторов

чаще всего рассматриваются жирные кислоты.
2)Присутствие различных веществ-конкурентов, вступающих во взаимодействие с комплексом ЧСА-L.
3)Ионная сила окружающего раствора - .
4)Солевой состав среды (одно - или многозарядные ионы).

как они влияют на процесс связывания альбумином лигандов и поэтому

их можно использовать в качестве регуляторов транспортной функции ЧСА.
За счет нековалентных сил образуются обратимые комплексы как с эндогенными метаболитами, так и с экзогенными веществами.
К первым относят билирубин, неэстерифицированные жирные кислоты, простагландины, биогенные амины, гормоны и т.д.
Ко вторым - яды, в том числе и лекарственные препараты.


 

синтеза белковых молекул, то есть или при снижении количества альбумина

в крови, или при изменении его структуры.
Но чаще транспортная функция альбумина нарушается и при нормальном уровне ЧСА в плазме и без изменения его структуры. Нарушение связывающей функции альбумина происходит при многих заболеваниях, вызывающих развитие в организме больного печеночной и почечной недостаточности, что приводит к резкому росту концентрации метаболитов и токсинов в крови и к блокированию связывающих центров белка.




















 

десять раз.
Флуоресцентный способ оценки связывающей способности альбумина

крови здоровых и больных людей был разработан доц. Ю.А. Грызуновым (вып. МБФ) в лаборатории флуоресцентных методов исследования (зав. лаб. Г.Е. Добрецов) НИИ физико-химической медицины МЗ РФ (директор - академик РАМН, профессор Ю.М. Лопухин) и на кафедре биофизики Медико-биологического факультета (МБФ, зав. кафедрой академик РАМН, профессор Ю.А. Владимиров) Российского государственного медицинского университета (ректор РГМУ - академик РАМН профессор В.Н. Ярыгин). Метод флуоресцентных зондов относится к методам молекулярной биофизики.

ЧСА-лиганд к клетке, содержащей рецептор, комплементарный переносимому веществу. Этот этап

транспортной функции ЧСА наименее изучен.
Третьим этапом транспортной функции альбумина является передача лиганда (L) от ЧСА к рецептору (R) клетки (рис. 2).




Рис. 2. Третий этап транспортной функции альбумина - передача L от ЧСА к рецептору клетки (R).

клетка

R

ЧСА

достигает биологического рецептора, комплементарного переносимому веществу.
На этот

перенос влияют следующие факторы:
1) Разность констант связывания L c ЧСА и с клеточным рецептором R: Ксв.(L–R) – Ксв.(L–ЧСА).
2) Разный состав и условия окружающей среды комплекса L–ЧСА в сыворотке крови и в микроокружении рецептора клетки R.
3) Конформационные изменения альбумина, возникающие при контакте его с клеточной мембраной (например, электрическое поле) или какими-нибудь веществами, что, в конечном счете, приведет к изменению сродства ЧСА–L.

между молекулами, в конечном счете, обеспечивают транспорт лекарств к очагу

поражения, предотвращая их токсическое действие по пути миграции. А перенос альбумином эндогенных метаболитов и экзогенных ядов к гепатоцитам является важным звеном в системе детоксикации организма.
Приведем основные физико-химические характеристики ЧСА, а также методы, с помощью которых их получают. Это фактически будет методологией изучения любого нового белка, которой пользуются исследователи, работающие в области молекулярной биофизики.