Курс "Биофизика клетки" для бакалавров

Курс "Биофизика клетки" для бакалавров
Что такое биофизика? Согласно определению Л.А. Блюменфельда, "биофизика —
это та часть биологической науки, где сегодня можно работать, основываясь на
принципах и методологии физики". Как известно, все науки делятся на физику и
коллекционирование марок. Так вот, биофизика - это та "осмысленная" часть биологии,
которая не является коллекционированием фактов, которую можно понять и свести к
фундаментальным законам природы. И которая - по оптимистичному мнению
Блюменфельда - будет асимптотически расти, пока вся биология не станет биофизикой.
Точка зрения Блюменфельда была высказана более 20 лет назад. Время наилучшим
образом подтвердило это мнение: наступила эпоха одномолекулярной биофизики,
молекулярных машин, системной биологии – все названия разных областей биофизики,
ставших самостоятельными науками. Более того, развитие биофизики в последние
десятилетия привело к тому, что одна из наиболее интересных областей физики —
статистическая физика неравновесных систем, развивается в огромной степени
благодаря биологически задачам. Именно они приносят наиболее интересные и
нетривиальные примеры сложных неравновесных систем.
Биофизический подход можно использовать на всех уровнях организации живой
материи и на всех масштабах пространства-времени: от познания устройства отдельных
молекул до анализа стабильности экологических систем. Настоящий курс будет
посвящен клетке. Основе всей жизни на Земле. В настоящем курсе будут рассмотрены
физические основы того, как работают отдельные макромолекулы, как они
объединяются в молекулярные комплексы, как формируют бОльшие системы, как
иерархически
все
укрупняющиеся
молекулярные
системы
обеспечивают
функционирование клеток.
Он начинается со знакомства с физическим миром живой клетки, жуткой полярной
конденсированной средой-электролитом с температурой 300 К. Каждая молекула там
испытывает в секунду 1013 столкновений, взаимодействия резко ослаблены из-за ионов
и высокой диэлектрической проницаемости, а расстояние диффузии резко ограничено
(из-за чего нам и нужны клетки). Дальше, рассматривая проблемы живой клетки, мы
покажем, как она решает вопросы осмоса и защиты, вырабатывает и хранит энергию,
использует все приемы кинетики и термодинамики для решения своих задач. Мы
увидим, что тепловое движение молекул можно использовать как основу работы
молекулярных моторов, достигая КПД свыше 90%, познакомимся с принципами
самоорганизации на разных уровнях - от белковых комплексов до огромных клеток и
даже многоклеточных организмов. Будет обсуждено устройство ферментативных
систем, отвечающих за основополагающие функции — метаболические, защитные,
сигнальные, клеточный цикл, запрограммированную клеточную смерть.
Цель курса — создать цельную картину жизненных процессов клетки, основанную
на физических законах, и новых физических закономерностях, характерных для сильно
неравновесных биологических систем. Но не только: он включает не только описания,
но и методы, позволяющие исследователю анализировать устройство биологических
систем, как с целью познания, так и с практическими задачами — генная инженерия,
выбор фармакологических мишеней и другими.