náhled|Ukázka struktury makromolekuly Biofyzikální chemie je interdisciplinární obor nacházející se na pomezí mezi chemií, fyzikou a biologií. Zabývá se studiem biologických systémů a vysvětluje jevy, které v nich probíhají na atomové, molekulární a makromolekulární úrovni. Jedna z definic říká, že se jedná o obor zabývající se aplikací fyzikální chemie na řešení biologických problémů. Přesné vymezení oboru však není možné, neboť většinu svých částí sdílí spolu s jinými obory - mnoho témat například s biofyzikou, farmakologií, medicínou a dalšími obory.

Biofyzikální chemie se zabývá fyzikálními vlastnostmi biologických procesů - rychlostí reakcí (chemickou kinetikou), energií reakcí (termodynamikou), transportními jevy v roztocích elektrolytů (elektrochemií) a dalšími. Biologické procesy studuje in vitro (ve zkumavce) a také in vivo (v živém organismu).

V současnosti patří mezi její hlavní cíle popsat strukturu biomakromolekul (proteinů, nukleových kyselin, lipidů) a jejich vzájemné interakce pomocí přesných termodynamických, kinetických a spektroskopických zákonitostí. Na špičce moderní biofyzikální chemie jsou v současnosti metody Kryo-EM (Cryo-Electron Microscopy) a MD (Molecular Dynamics). Kryo-EM je experimentální metoda snímání zmražených molekul v elektronovém mikrosopu a molekulová dynamika je založena na počítačové simulaci, která na základě fyzikálních zákonů modeluje pohyb molekul v čase.

Historie Biofyzikální chemie je poměrně mladý obor, který vznikl až ve druhé polovině 20. století. Je to především proto, že zkoumání molekul v živých organismech na atomární úrovni umožnily až pokročilé technologie, které vznikaly také v tomto období. Na jejím vývoji se podíleli vědci z různých oborů a mnoho z nich za své objevy dostalo Nobelovu cenu.

Švédský fyzik a chemik Svante Arrhenius (1859 - 1927) a nizozemský chemik Jacobus Henricus van 't Hoff (1852 - 1911) zkoumali osmotický tlak, chemickou rovnováhu a disociaci elektrolytů v biologických tekutinách a při buněčných procesech.

Dánský chemik Søren Peder Lauritz Sørensen (1868 - 1939) zavedl v roce 1909 stupnici pH a pufrové systémy, což umožnilo přesné studium proteinů v definovaném prostředí. Německý biochemik a lékař Leonor Michaelis (1875 - 1947) a kanadská lékařka a biochemička Maud Leonora Mentenová (1879 - 1960) v roce 1913 zformulovali matematický model enzymové kinetiky (rovnice Michaelise-Mentenové), který se stal jedním ze základů kvantitativní biochemie.

Švédský chemik Theodor Svedberg (1884 - 1971) vyvinul laboratorní ultracentrifugu a pomocí ní dokázal, že proteiny jsou definované makromolekuly s konkrétní molekulovou hmotností, nikoli náhodné koloidní shluky. V roce 1926 získal Nobelovu cenu za chemii za práci na disperzních systémech. Švédský biochemik Arne Tiselius (1902 - 1971) zkonstruoval v roce 1937 aparaturu pro elektroforézu, která umožnila separaci proteinů na základě jejich elektrického náboje. V roce 1948 získal Nobelovu cenu za chemii za výzkum elektroforézy a adsorpční analýzy. náhled|188x188pixelů|Dvoušroubovice DNAAmerický kvantový chemik a biochemik Linus Pauling (1901 - 1994) popsal význam vodíkových vazeb v biologických strukturách a teoreticky předpověděl základní sekundární struktury proteinů (alpha-helix a beta-skládaný list). V roce 1954 získal Nobelovu cenu za chemii za vysvětlení chemické vazby pomocí kvantové mechaniky. To je považováno za jeden z největších úspěchů této nové teorie.

náhled|175x175pixelů|Molekula myoglobinuAnglická biofyzička Rosalind Franklinová (1920 - 1958), americký biochemik James Dewey Watson (1928 - 2025) a britský molekulární biolog a fyzik Francis Crick (1916 - 2004) v roce 1953 objasnili strukturu dvojšroubovice DNA pomocí rentgenové difrakce. Klíčový matriční snímek pořídila Rosalinda Franklinová. V roce 1962 Nobelovu cenu za medicínu za objasnění molekulární struktury nukleových kyselin. náhled|172x172pixelů|Molekula hemoglobinuAnglický biochemik a krystalograf John Kendrew (1917 - 1997) a rakousko-britský biolog Max Perutz (1914 - 2002) vyřešili v letech 1957 až 1959 první trojrozměrné atomární struktury proteinů (myoglobinu a hemoglobinu). V roce 1962 získali Nobelovu cenu za chemii za výzkumy v oblasti stanovení struktury globulárních proteinů.

Švýcarský chemik Kurt Wüthrich (*1938) rozvinul vícerozměrnou nukleární magnetickou rezonanci (NMR) pro určování 3D struktury biomolekul přímo v roztoku bez nutnosti krystalizace. Za to byl v roce 2002 oceněn Nobelovou cenou za chemii spolu s John B. Fenn a Kóiči Tanaka. Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz a Ada E. Yonath popsali ribozom a objevili jeho funkci na atomové úrovni. Všichni tři použili metodu zvanou rentgenová krystalografie k mapování polohy stovek tisíc atomů, které tvoří ribozom. V roce 2009 za tento objev obdrželi Nobelovu cenu. Americky chemik Martin Karplus (1930 - 2024), americko–britsko–izraelský biofyzik Michael Levitt (*1947) a izraelsko-americký biochemik a biofyzik Arieh Warshel (*1940) položili základy pro molekulovou dynamiku a multiscale kvantově-mechanické/molekulově-mechanické (QM/MM) simulace biologických systémů. V roce 2013 za to obdrželi Nobelovu cenu.

Zkoumané biologické procesy

náhled|352x352pixelů|Ukázka složité struktury buněčné membrányInterakce molekul - biofyzikální chemie zkoumá, jak spolu vzájemně komunikují bílkoviny s DNA, jak reagují receptory na hormony nebo jak léčiva působí na buněčné terče. Přenos látky a energie - biofyzikální chemie analyzuje transport iontů přes buněčné membrány, vznik membránového potenciálu nebo přenos energie při fotosyntéze. Struktura a sbalování biomakromolekul - biofyzikální chemie zkoumá, jakým způsobem se lineární řetězce bílkoviny nebo nukleotidů (DNA/RNA) stáčejí do svých funkčních 3D tvarů a co způsobuje jejich nestabilitu či denaturaci. Termodynamika biologických dějů - biofyzikální chemie měří energetické změny, stálost vazeb a rovnováhy u biologických reakcí. Například jak pevně se lék váže na cílový enzym. Enzymová kinetika a její mechanismy - biofyzikální chemie zkoumá rychlost biochemických reakcí a detailní kroky, kterými enzymy katalyzují životní procesy.

Metody biofyzikální chemie

náhled|187x187pixelů|Supravodivý magnet využívaný v NMR spektroskopiiNMR spektroskopie (nukleární magnetická rezonance) - studium struktury a dynamiky molekul přímo v roztoku. Podobný princip jako magnetická rezonance v medicíně. Rentgenová krystalografie - určování přesné 3D struktury bílkovin a komplexů na atomární úrovni. Kryoelektronová mikroskopie - kryoelektronový mikroskop umožňuje zobrazení stavby buněk, virů nebo proteinových komplexů téměř v atomovém rozlišení. Izotermická titrační kalorimetrie (Isothermal Titration Calorimetry - ITC) a diferenční skenovací kalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry - DSC) se používají například k měření konformačních změn makromolekul. Rychlá kinetika (stopped-flow) a relaxační metody jsou experimentální techniky používané v biofyzikální chemii ke studiu velmi rychlých dějů v molekulách. Zjišťují například jak rychle se enzym naváže na určitou látku, jak dlouho tento komplex existuje a jak rychle se rozpadne. Počítačové molekulární simulace - umožňuje pomocí počítačových programů napodobit chování atomů a molekul.

Využití biofyzikální chemie

Vývoj nových léků a jejich účinků - biofyzikální chemie se snaží popsat vazby léčiva na cílovou bílkovinu a pomáhá tak navrhovat účinnější a bezpečnější léčiva. Diagnostika nemocí - fyzikálně-chemické metody umožňují odhalit změny biomolekul například u nádorových nebo dědičných onemocnění. Neurověda - biofyzikální chemie pomáhá vysvětlit elektrické děje v nervech, přenos signálů mezi neurony i fungování receptorů v mozku. Biotechnologie - využívají biofyzikální chemii pro konstrukci enzymů, výrobu biologických léčiv, biosenzorů nebo při práci s DNA pomocí moderních biotechnologií.

Odkazy

Reference

Související články

Biochemie Biofyzika Biologie

Kategorie:Obory a disciplíny chemie