Сайт биофизики физического факультета МГУ

 В.А. Твердислов,  В.И. Лобышев, Л.В. Яковенко, М.Г. Гапочка.  
О БИОФИЗИКЕ И О КАФЕДРЕ БИОФИЗИКИ ФИЗИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА МГУ. 
БИОФИЗИКА, 2023, том 68, No 4, с. 1–18. (скачать PDF).

В статье приводится краткий исторический обзор становления мировой и российской биофизики как научной дисциплины, рассказано об истории возникновения кафедры биофизики, ее основных достижениях и сформировавшихся в ее стенах научных школах.

   Накопление тромбоцитов в месте повреждения кровеносного сосуда регулируется целым рядом факторов. Одним из них является концентрация растворенных в плазме крови белков-ферментов и низкомолекулярных веществ, которые могут как участвовать в инициации и поддержании свертывания плазмы крови, так и вызывать определенные изменения в тромбоцитах. Неоднородность распределения внутри тромба растворимых агонистов, которые индуцируют различные типы реакций тромбоцитов, включая активацию интегрина и секрецию гранул, по-видимому, является одним из важнейших факторов, определяющих динамику роста тромба. Коллектив авторов, включающий сотрудников, студентов и выпускников кафедры биофизики, под руководством к.ф.-м.н. Д.Ю. Нечипуренко разработал двумерную компьютерную модель формирования микрососудистого тромба, позволяющую рассчитать динамику распространения агонистов тромбоцитов внутри тромбоцитарного агрегата. 

   В аневризмах мешковидной формы, как правило, наблюдается медленное, почти застойное течение крови, которое нередко сопровождается появлением тромбов. Несмотря на практическую важность задачи, в литературе почти не представлены вычислительные модели, которые могли бы объединить гемодинамику, агрегацию и активацию тромбоцитов, точную биореологию крови, коагуляцию плазмы, сигнальные пути и другие характерные элементы системы гемостаза в одну эффективную трехмерную модель. В настоящей работе используется континуальная математическая модель, основанная на уравнениях в частных производных, чтобы создать предсказательную гемодинамическую модель тромбоза в застойных зонах.

   В сперматозоидах человека динамика кальция контролирует большинство событий оплодотворения. Прогестерон, присутствующий в женской репродуктивной системе, может вызывать несколько типов реакции кальция, например, низкочастотные колебания. В данной работе научный коллектив, состоящий из сотрудников и выпускников кафедры биофизики, поставил перед собой задачу определить механизмы индуцированной прогестероном передачи сигналов кальция в сперматозоидах человека.

   Крупнейший мультимерный гликопротеин крови - фактор фон Виллебранда (VWF) - обычно циркулирует в кровотоке в виде мультимеров, длинных периодических цепочек, представляющих четвертичную структуру этого крупного многодоменного белка. Элементарные субъединицы мельтимера - димеры - представляют собой линейную последовательность глобулярных участков (доменов), соединенных относительно короткими неупорядоченными пептидными линкерами. Недавно было обнаружено, что нековалентные притягивающие взаимодействия между глобулярными доменами VWF определяют размер и механические свойства димера, а следовательно, должны влиять и на динамику целого мультимера в кровотоке. В то время как экспериментальные наблюдения за формой и размером движущегося в потоке жидкости белка затруднительны, на помощь приходит компьютерное моделирование. 

   На первой стадии гемостатических и тромботических процессов в артериях и микрососудах тромбоциты прикрепляются к поврежденной поверхности с помощью белка плазмы крови - фактора фон Виллебранда (VWF). Эта начальная агрегация тромбоцитов обеспечивает основу для дальнейшего роста тромба, биохимических реакций свертывания плазмы крови и остановки кровотечения.  VWF является одним из самых длинных белков плазмы крови (может достигать >5 мкм в длину). Он состоит из субъединиц димеров (500 кДа каждая), соединенных последовательно и образующих линейную цепь – мультимер. От размеров этой мультимерной цепи во многом зависят его механические свойства и физико-химические свойства, которые и определяют биологическую роль этого белка. 

 Предложен и разработан новый подход: отбор оптимальных вариантов в эволюционном потоке мутаций рассматривается в качестве аналога перколяционного фильтра. Взаимодействие мутаций в череде поколений и случайные процессы дрейфа определяют коллективное поведение узлов (особей - носителей и преобразователей мутаций) и связей (мутаций) в пространстве перколяционной решетки. Показано, что выбор траектории развития на популяционном уровне зависит от спектра поддерживающих и запрещающих мутаций под воздействием сопряженных детерминированных и случайных факторов.

     Одной из фундаментальных проблем в биофизике является проблема малых доз и малых концентраций. В биологических и модельных системах это означает неожиданно большие отклики (эффекты) на очень слабые воздействия химической и физической природы. В попытках понять механизмы этих феноменов пришли к изучению физико-химических свойств водных растворов.

 Эффективноcть кpиопpотектоpов, иcпользуемыx для защиты клеток от повpеждения, обычно оцениваетcя по изменениям жизненно важныx показателей клеток поcле замоpозки. Для отдельныx компонентов кpиопpотектоpов извеcтны такие физичеcкие паpаметpы, как темпеpатуpа cтеклования, вязкоcть, токcичноcть и минимальная концентpация, необxодимая для витpификации. Однако невозможно найти какие-либо физико-xимичеcкие xаpактеpиcтики cpед для кpиоконcеpвации, cоcтоящиx из комбинаций пpоникающиx и непpоникающиx в клетку компонент.

 Для моделирования поведения молекул ДНК в различных условиях, в том числе необходимых для нанотехнологий, разработано более 20 крупнозернистых (КЗ) моделей. Тем не менее, ни одна из этих моделей не воспроизводит полиморфизм ДНК, связанный с конформационным изменения в рибозных кольцах основной цепи. Эти изменения вносят существенный вклад в локальную подвижность ДНК и обеспечивают возможность перехода двойной спирали из B-формы в А-форму при взаимодействии с биологическими молекулами. В работе впервые предложена КЗ модель, учитывающая конформационную гибкость рибозы и позволяющая с одними и теми же потенциалами не только воспроизводить стабильные А- до В-формы ДНК, но и переходы между ними при изменении концентрации ионов.