Физическая биохимия - Фрайфелдер Д.
Скачать (прямая ссылка):
3. Шабарова
Предисловие
Предметом изучения современной биохимии и молекулярной биологии являются функции биологических систем. Столетие назад единственным методом исследования было непосредственное наблюдение таких систем в процессе их функционирования. В настоящее время при помощи электронной микроскопии и других специальных методов, разработанных в последние 40 лет, можно проводить множество сложных и детальных исследований.
В конце XIX в. ученые поняли, как много можно выяснить при изучении химии клеток. В последующие десятилетия биохимики применяли различные химические методы и при этом были достигнуты действительно большие успехи. Возможно, что наиболее эффективным было применение радиоактивных меток, которое столь сильно повысило чувствительность методов обнаружения, что позволило идентифицировать ряд биологически важных молекул. По мерс того как все более высокие требования предъявлялись к чувствительности методов для разделения различных компонентов биохимических реакций, все большее распространение получали хроматография и электрофорез.
Когда биология привлекла внимание физиков и физикохими-ков (возможно, потому, что живые клетки способны создавать локальный порядок несмотря на то, что законы физики утверждают в мире тенденцию к разупорядочению), то для исследования биологических систем начали применяться такие физические и физико-химические методы, как гидродинамика, спектроскопия, рассеяние и дифракция.
Заметным достижением биохимии стало открытие того факта, что биологические системы содержат не только малые молекулы, которые представляют интерес для органической химии, но также гигантские молекулы, макромолекулы, молекулярная масса которых, как мы теперь знаем, может в 10й раз превышать массу атома водорода. Для макромолекул в биологических системах характерна специфичность, которую они проявляют как в биологических реакциях, так и в формировании структурных единиц. За последние 20 лет огромные усилия в биохимии и молекулярной биологии были направлены па то, чтобы охарактеризовать макромолекулы и установить природу взаимодействий между ними. Это потребовало разработки сложных методов как для разделения и очистки, так и для детального наблюдения за отдельными небольшими участками молекул. Основная часть книги посвящена методам изучения макромолекул, при помощи которых можно ответить на следующие вопросы:
1. Какова тонкая структура на атомном уровне макромолекул или их агрегатов?
2. Какие свойства макромолекулы определяют ее структуру и какие силы участвуют в ее стабилизации?
3. Если к макромолекуле присоединены другие молекулы (либо малые молекулы, либо другие макромолекулы), то какова их структура, сколько имеется мест присоединения и каковы физические константы (например, константа диссоциации) образующейся связи?
4. Где расположены отдельные макромолекулы в клетке и в такой маленькой частице, как вирус?
Необходимо отметить, что наибольший интерес представляют физические параметры и структура. Такой вывод следует из предположения о том, что эти характеристики определяют биологическую функцию. Так, белок с определенной функцией (например, фермент) можно представить себе как активный центр, состоящий из нескольких аминокислот, соединенных а-спиралями, складчатыми p-структурами, (3-изгибами и нерегулярными участками цепи, поэтому активность белка определяется его структурой.
В настоящее время тонкую (на атомном уровне) структуру макромолекулы можно определить только при помощи рентгеноструктурного анализа; до сих пор не существует другого метода, который дал бы больший толчок к изучению макромолекул. (Отметим, например, к какому развитию генетики привело определение структуры ДНК.) Зная несколько тонких структур, мы не только можем установить правила определения структуры молекул данного типа, но также получить тестовые (с известной структурой) молекулы для изучения их другими методами, что даст возможность интерпретировать полученные данные. К сожалению, рептгеноструктурный анализ — очень сложный и трудоемкий метод, и часто требуются годы для установления структуры белка или макромолскулярпого комплекса. Обычно в книгах, посвященных исследованию биологических макромолекул, приводится общее описание теории дифракции рентгеновских лучей. Однако в данной книге оно отсутствует по двум причинам: во-первых, маловероятно, что читатели, за некоторым исключением, будут применять этот метод или им придется расшифровывать рентгенограмму; во-вторых, фактически невозможно исчерпывающе объяснить принципы и аналитические методы в книге такого объема, как эта. Однако во всех разделах книги приведены ссылки на литературу, в которой читатель может получить информацию о каждом конкретном методе анализа.
Студенты, желающие понять логику современной биологической мысли, могут найти прекрасные работы, в которых излагаются биологические факты и теории, как мы их сегодня представ-
ляем. Однако студенты, систематически читающие периодическую научную литературу, понимают необходимость знакомства с технической стороной дела. Подобная информация содержится в учебниках по биофизической химии, где дан прекрасный теоретический анализ существующих методов и детальные математические выкладки, описывающие физическую сущность данного метода. Имеются и доступные руководства, в которых описано применение различных инструментов и методов.
