А.Б.Рубин, О.Р.Кольс, Т.Е.Кренделева и др.
Теоретическая биофизика изучает общие проблемы организации и регуляции живых систем разного уровня организации на основе законов квантовой механики, кинетики и термодинамики. Основным методом теоретической биофизики является математическое и компьютерное моделирование, которое все чаще становится инструментом исследования как общих закономерностей, так и особенностей организации конкретных живых систем всех уровней, начиная от биомакромолекул и их взаимодействий, и кончая экологическими системами и биосферой в целом.
Универсальной элементарной ячейкой живой материи является биологическая клетка, в которой сконцентрированы все необходимые атрибуты феномена жизни. Одним из основополагающих структурно-функциональных элементов живой клетки является мембрана, которая отделяет ее от внешнего мира. Мембрана представляет собой бислойную липидную оболочку, в которою встроены различные белковые молекулы и целые макромолекулярные агрегаты. На поверхности мембраны протекают разнообразные биохимические реакции, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки.
Фундаментальной особенностью живой клетки является то, что она представляет собой совершенную биоэнергетическую машину. Растительные и некоторые бактериальные клетки осуществляют процесс превращения световой энергии в электрическую — фотосинтез. Такие клетки можно назвать биологическими электростанциями, генерирующими энергоемкое соединение — аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), которая является универсальным биологическим топливом. Создание трансмембранной разности потенциалов сопряжено с процессом разделения зарядов, т.е. с переносом электронов и протонов через мембрану. Перенос зарядов осуществляется не только в ходе фотосинтеза и дыхания; в той или иной степени процесс переноса зарядов, главным образом электронов и протонов, представлен во многих биохимических реакциях. Изучение физических механизмов, благодаря которым осуществляется перенос зарядов в макромолекулярных биологических системах, представляет актуальную задачу современной биофизики.
Глубокое понимание молекулярных механизмов различных биологических процессов невозможно без широкого использования фундаментальных представлений современной физики, в том числе квантовой механики. Например, основу механизма элементарного акта переноса электрона в биологических структурах представляет туннельный эффект — чисто квантовое явление, не имеющее аналога в классической, т.е. не квантовой, механике. Суть его состоит в том, что в квантовом мире вероятность того, что электрон преодолеет энергетический барьер, не равна нулю, даже если его энергия меньше высоты этого барьера. Описание физических свойств и динамики биологических молекул представляет собой весьма трудную. В этой связи в практику описания биологических систем и процессов все более широко внедряются современных компьютерные методы численного моделирования. При описании молекулярных процессов необходимо учитывать многие факторы, определяющие эффективность биологических процессов. К таким факторам в первую очередь относится внутримолекулярная конформационная динамика взаимодействующих молекул. Например, скорость и эффективность переноса электрона при первичном разделении зарядов в фотосинтезе существенно зависит от конформационной динамики молекул переносчиков. ............
