Коллективная монография подводит итоги большого периода исследований в области ко­личественного изучения биологических явлений на молекулярном уровне. Основной методи­ческой проблемой исследования биологических систем является их принципиальное усложне­ние по сравнению с химическими системами. Современная физическая химия биопроцессов решает эту проблему путем совершенствования экспериментальных методов и вычислитель­ных процедур. Предлагаемая книга на ряде примеров демонстрирует специфику подхода фи­зической химии, особенности методологии, глубину получаемых результатов.

Монография содержит четыре раздела. Первая глава посвящена новым химико-кинетическим задачам в описании поведения биосистем - определению условий устойчивости сложных биологических процессов, рассмотрению нелинейных моделей биокинетики. Во второй главе обсуждаются проблемы связи структуры и реакционной способности биомолекул - ферментов, некоторых биологически активных соединений. Представлены качественно новые возможности использования методов квантовой химии с использованием суперкомпьютеров для моделирования динамических процессов с участием ферментов. Различным аспектам физической химии белков посвящена третья глава. В заключительной главе книги приведены некоторые приложения физико-химических исследований биосистем и биопроцессов для решения разнообразных практических задач: кинетические подходы в фармацевтическом скрининге, структурный и кинетический полиморфизм ферментов человека как новая платформа молекулярной диагностики, масс-спектрометрия высокого разрешения для анализа белков. Физическая химия также является основой создания и развития новых технологических направлений, таких как получение и производство биотоплива.

Книга будет полезна студентам, аспирантам и научным сотрудникам, специализирующимся в области физической химии, физико-химической биологии, биохимии и молекулярной биологии, биотехнологии.

Содержание

Предисловие редактора

Перед читателем книга, посвященная основам количественного изучения сложных процессов, протекающих с участием биомолекул. Последние десятилетия характеризуются динамическим прогрессом в области изучения организованных молекулярных образований, которые мы определяем как биосистемы. Детальное понимание структуры биосистем на молекулярном уровне, анализ и описание динамических аспектов молекулярных процессов в живом представляет собой одну из наиболее привлекательных областей современной науки. Наиболее продуктивными в этой области представляются количественные аспекты с изучением их структуры и динамического поведения.

Методология количественного подхода к изучению молекулярных процессов создавалась в течение последних 150 лет в рамках большого и специализированного раздела химии - физической химии. Первые работы Вант-Гоффа, Аррениуса, Освальда конца позапрошлого века продемонстрировали удивительную продуктивность количественных измерений и обобщающую силу математических уравнений, описывающих поведение химических систем. Химические системы на основе биомолекулярных структур также эффективно исследуются методами физической химии. Основная методическая проблема - принципиальное усложнение систем при переходе к биоструктурам. Современная физическая химия биопроцессов решает эту проблему совершенствованием экспериментальных методов и вычислительных процедур.

Предлагаемая читателю книга дает возможность почувствовать специфику подхода, особенности методологии, глубину получаемых результатов.

Область количественного изучения молекулярных процессов в биосистемах развивается весьма интенсивно. В одном издании невозможно дать сколь-нибудь полную картину интересов исследователей и объем полученных результатов. В любом случае мы будем иметь некоторый срез данной области на сегодняшний день, определяемый ограниченным числом авторов, принимавших участие в написании книги. Тем не менее этот срез дает, на мой взгляд, объективное представление о задачах, методах и достижениях физической химии биопроцессов.

Книга содержит четыре главы. Первая глава посвящена новым химико-кинетическим задачам в описании поведения биосистем. Во второй главе обсуждаются проблемы связи структуры и реакционной способности биомолекул, качественно новые возможности использования методов квантовой химии для моделирования динамических процессов. Физической химии белков посвящена третья глава. Некоторые приложения физико-химических исследований биосистем и биопроцессов для решения практических задач изложены в заключительной главе книги.

Химическая кинетика в исследовании механизмов процессов, описания динамического поведения биосистем и прогнозирования развития процессов во времени - один из краеугольных камней физической химии биопроцессов. Академик Н. М. Эмануэль писал: "Кинетика как наука о законах и механизмах развития различных процессов в природе находит в области биологии почти неограниченные перспективы для теоретических исследований и практических приложений".

Одна из особенностей живых систем на молекулярном уровне - удивительная сбалансированность скоростей реакций, потоков веществ в условиях одновременного протекания тысяч химических реакций. Химические процессы осуществляются многостадийным последовательным превращением одних веществ в другие под действием тысяч ферментов, каждый из которых в свою очередь непрерывно синтезируется и дезактивируется в ходе проведения каталитического процесса. При этом вся система в целом в норме находится в стационарном состоянии. Что делает метаболизм в живых системах устойчивым? Каковы границы параметров отдельных стадий, позволяющих находиться системе в устойчивом стационарном состоянии? Каковы причины неустойчивости и как они проявляются на физиологическом уровне? Ответы на эти вопросы могут быть получены на основании применения математической теории устойчивости к анализу поведения многостадийных сопряженных биокаталитических реакций. Химико-кинетическое описание многостадийных ферментных процессов с анализом систем дифференциальных уравнений с применением элементов теории устойчивости дано в разделе, представленном С. Д. Варфоломеевым, А. В. Луковенковым и Н. А. Семёновой. Важно отметить, что некоторые общие положения иллюстрируются конкретными экспериментальными данными.

Разнообразие в поведении биохимических реакций, наличие множественности стационарных состояний, проявления триггерных и колебательных процессов определяются включением в механизм процесса стадий, кинетическое описание которых включает нелинейные члены. Описанию нелинейных моделей биокинетики и их параметрическому анализу посвящена работа В. И. Быкова и С. Б. Цыбеновой.

В физической химии биопроцессов принципиальный интерес вызывают работы, связанные с корреляциями структуры и реакционной способности физиологически активных соединений и лекарственных препаратов. Исследования, выполненные Т. Г. Денисовой и Е. Т. Денисовым, посвящены исследованиям реакционной способности природных фенолов, определению энергии гемолитической диссоциации О-Н-свлзи и корреляциям структуры с антиокислительной активностью таких природных антиокислительных агентов как токоферолы, убихиноны, флавоноиды. Авторами также было показано, что один из наиболее известных антималярийных препаратов - артемизимин действует как антибактериальный препарат, участвуя в генерации и развитии разветвленной цепной реакции с генерацией активных гидро-ксильных радикалов. Авторы показали, что каскад радикальных превращений является основным фактором терапевтического действия артемизимина.

Изучение сложных молекулярных процессов базируется на фундаментальных законах квантовой механики и квантовой химии. Современный этап применения квантовой химии к исследованию многоатомных биологических молекул происходит в высшей степени благоприятных условиях, а именно в условиях гигантского расширения возможностей компьютерных вычислений. Появление суперкомпьютеров, активное динамическое развитие супервычислителей в структуре Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и Вычислительного центра РАН позволяют решать ранее казавшиеся совершенно неразрешимыми задачи. В частности, квантово-химические подходы позволили сделать решающий шаг в понимании механизмов функционирования активных центров ферментов. Обзор методов и достижений квантово-химического моделирования в исследовании молекулярных механизмов каталитического действия ферментов представлен группой авторов, при этом особое внимание уделено сериновым гидролазам и одному из важнейших ферментов высшей нервной деятельности - холинэстера-зам. Для ряда ферментов получена картина перемещения всех атомов активного центра в процессе каталитического цикла, начиная с первой стадии присоединения субстрата, переходного состояния конверсии фермент-субстратного комплекса, превращений ряда промежуточных соединений и заканчивая десорбцией продуктов реакции.

Возникает естественный вопрос - насколько эта картина объективна? Насколько эти "вычисленные" динамические явления отражают объективную картину событий? Можно с уверенностью утверждать, что получаемые данные по перемещению отдельных атомов и групп в сложной последовательности событий абсолютно объективны и вычислительные процедуры являются лишь методологической визуализацией молекулярно-кинетических явлений. Расшифровка молекулярной структуры биомакромолекулы и ее активного центра достаточна для точного описания динамических процессов каталитического цикла.

Знания, получаемые через вычисления, базируются на фундаментальных физических законах - одном из основных современных методов получения фундаментальной информации о природе явлений. Мы все сегодня полностью доверяем информации о структуре биомакромолекул, получаемой современными методами рентгено-структурного анализа, при этом реальные физические измерения дают лишь дифракционную картину, а структура является продуктом достаточно сложных вычислительных процедур. Аналогичную ситуацию мы имеем в случае приложения квантово-химических методов к анализу молекулярно-кинетических явлений. Важно подчеркнуть, что в этом случае мы имеем представления о динамике процесса, о состоянии структуры высоколабильных промежуточных соединений и структурных переходах, обеспечивающих последовательность химической трансформации интермедиа-тов, о структуре переходных состояний. Значимость этой информации трудно переоценить. Такого рода понимание природы катализа невозможно получить никакими другими современными методами.

Третья глава книги посвящена физической химии белков. Один из критических параметров катализа ферментами - стабильность каталитической активности во времени. Процессы инактивации, обратимой и необратимой термической денатурации ферментов зачастую являются главным препятствием их практического применения. В работе Н. И. Угаровой и М. И. Кокшарова развита методология стабилизации ферментов, основанная на генетической инженерии белка, при этом авторы использовали метод направленной эволюции с получением множественных мутаций на основе применения ДНК-полимеразы с относительно большим накоплением ошибок. В качестве объекта исследования была выбрана люцифераза светляков - фермент широко применяемый в высокочувствительном биолюминесцентном анализе. Авторам удалось методом направленного многоточечного мутагенеза существенным образом увеличить термоустойчивость фермента.

Обзор А. И. Котельникова, Э. С. Медведева и Н. С. Горячева посвящен современным представлениям о процессах переноса электрона в белковых системах. В качестве модельной системы рассмотрены реакционные центры фотосинтезирующих бактерий.

Большая современная область физической химии белков базируется на исследовании нековалентных взаимодействий биомакромолекулы с красителями-зондами. Анализу состояния проблемы на примере по-лиметиновых красителей посвящен обзор А. С. Татиколова.

Иммобилизованные ферменты - широкая практическая и теоретическая область современной химии белкового катализа. Теоретическим и экспериментальным аспектам адсорбции белков на кремнеземах посвящена работа Е. С. Чухрай и Л. Ф. Атякшевой. Адсорбция белков происходит по сложным механизмам, включая обратимую адсорбцию с последующим прочным и часто необратимым связыванием. Предельная величина адсорбции зависит от состава белка и размера пор адсорбента. Найдены условия проявления наибольшей удельной каталитической активности ферментов.

Ферментативный катализ продолжает интриговать исследователей своей каталитической эффективностью и селективностью. Наиболее представлены в мире ферментов гидролазы - ферменты, активирующие воду и осуществляющие каталитическое расщепление разнообразных связей различных биологических молекул. Специальный обзор в конце книги посвящен структуре и каталитическому циклу гидролаз.

Светочувствительный белок родопсин - предмет исследования лаборатории М. А. Островского. Структуре родопсина, функции и молекулярной организации этого белка, изучению механизмов функционирования на основе экспериментальных исследований и молекулярного моделирования посвящена работа М. А. Островского и Т. Б. Фельдман.

Физико-химические основы биопроцессов создают базис для многих практических применений. Кинетические подходы в фармацевтическом скрининге, структурный и кинетический полиморфизм ферментов человека как новая платформа молекулярной диагностики, масс-спектрометрия высокого разрешения для анализа белков - разнообразные применения физико-химических подходов к биоаналитическим задачам различной степени сложности. Физическая химия также является основой создания и развития новых технологических направлений, таких как получение и производство биотоплива. Читатель обнаружит высокую эффективность количественных методов физической химии для решения многих и разнообразных практических задач.

В книге в обзорной и обобщающей форме собрана научная информация по одному из наиболее интересных и активно развивающихся направлений в области современного естествознания.

Книга будет полезна студентам, аспирантам и научным сотрудникам, специализирующимся в области физической химии, физико-химической биологии, биохимии и молекулярной биологии, биотехнологии.