Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54461 Общая биофизика General biophysics Общая биофизика CONCEPTIONS IN MOLECULAR BIOPHYSICS КОНЦЕПЦИИ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОФИЗИКЕ Нечипуренко Ю Д Nechipurenko Y D nech99@mail.ru Касерес Х Л Caceres J L Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН ru Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences ru Центр Нейронаук ru Cuban Neurosciences Center ru 25 12 2019 25 12 2019 4 4 452 455 20 12 2019 20 12 2019 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54461/view

В развитии биофизики особое место занимают концепции, или системы взглядов на явления, происходящие в живой клетке. Именно систематический взгляд на такие явления приводит нас к пониманию феномена жизни. За последние полвека сотрудниками кафедры биофизики физического факультета МГУ и соавторами был разработан целый ряд концепций, которые позволяют по-новому взглянуть на процессы, происходящие в клетке. Концепция «Белок-машина» (Шноль, Чернавский, Хургин) получила свое подтверждение в работах многих авторов, в том числе Льва Блюменфельда и Александра Тихонова. Концепция иерархии сил и взаимодействий (Есипова) легла в основу оригинального курса лекций по физике биополимеров, который уже более сорока лет читается на кафедре. Эта концепция получила дальнейшее развитие в работах Натальи Есиповой, Владимира Туманяна, Владимира Намиота и соавторов. Концепция матричного узнавания, развитая в работах Георгия Гурского и Александра Заседателева, получила подтверждение в цикле работ по взаимодействию лигандов с ДНК и привела к ряду важных результатов - от построения молекулярных и термодинамических моделей связывания лигандов с ДНК до открытия аллостерического эффекта ДНК. В последние годы развитие получила концепция хиральности, которую выдвинул Всеволод Твердислов, эта концепция позволяет по-новому взглянуть на систему макромолекулярных взаимодействий в клетке. Своё развитие и ряд интереснейших приложений получила концепция космофизических факторов, разработанная ранее Симоном Шнолем. Кафедра сформировала специалистов из других стран, таких как Германия, Польша, Словакия, Ирак, Куба. Большинство из них и поныне продолжают свои исследования в области молекулярной биофизики. При содействии Симона Шноля на кафедре была развита модель химических колебаний, известной в мировой научной литературе как реакция Белоусова-Жаботинского, один из классических примеров биофизики нелинейных систем.

In the development of biophysics, a special place corresponds to concepts, or systems of views regarding processes occurring in a living cell. Precisely, a systematic view of such processes leads us to an understanding of the phenomenon of life. In the twentieth century, the staff and co-authors of the Department of Biophysics at the Faculty of Physics of Moscow “Lomonosov” University developed a number of concepts that allow to take a fresh look at the processes occurring in a cell. The concept of “Protein Machine” (Shnoll, Chernavsky, Khurgin) was confirmed in the works of many authors, including Lev Blumenfeld and Alexander Tikhonov. The concept of hierarchy of forces and interactions (Esipova) formed the basis of the original course of lectures on the physics of biopolymers, which has been delivered at the Department for more than forty years and was further developed in the works of Natalia Esipova, Vladimir Tumanyan and Vladimir Namiot. The concept of matrix recognition, developed in the works of Georgy Gursky, Alexander Zasedatelev and collaborators, was confirmed in the cycle of works on the interaction of ligands with DNA and led to a number of important results - from the construction of molecular and thermodynamic models of ligand binding to DNA to the discovery of the allosteric effect of DNA. In recent years, the concept of chirality (Vsevolod Tverdislov) has been developed, which makes it possible to take a new look at the system of macromolecular interactions in the cell. The concept of cosmic-physical factors, developed earlier by Simon Shnoll, has found further development and a number of interesting applications. The department has formed specialists from other countries, such as Germany, Poland, Slovakia, Iraq and Cuba. Most of them still continue their research in the field of molecular biophysics. With the assistance of Simon Shnoll, the department developed a model of chemical oscillations, known in the world scientific literature as the Belousov-Zhabotinsky Reaction, one of the classic examples of biophysical of nonlinear systems.

 молекулярные машины иерархии структур кооперативное связывание лигандов аллостерические эффекты ДНК-белковые взаимодействия космофизические факторы molecular machines hierarchies of structures cooperativity allosteric effects DNA-protein interactions cosmic-physical factors

Чернавский Д.С., Хургин Ю.И., Шноль С.Э. Молекула белка-фермента как механическая система Молекулярная биология, 1967, т. 1, с. 419-425. @@[Chernavskii D.S., Khurgin Y.I., Shnoll S.E. The molecule of enzyme as a mechanical system. Mol. Biol. (Moscow), 1967, no. 1, pp. 419-425. (In Russ.)] Chernavskiy D.S., Hurgin Yu.I., Shnol' S.E. Molekula belka-fermenta kak mehanicheskaya sistema Molekulyarnaya biologiya, 1967, t. 1, s. 419-425. @@[Chernavskii D.S., Khurgin Y.I., Shnoll S.E. The molecule of enzyme as a mechanical system. Mol. Biol. (Moscow), 1967, no. 1, pp. 419-425. (In Russ.)] Блюменфельд Л.А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики. URSS, 2010, 160 с. @@[Blumenfeld L.A. Solvable and unsolvable problems of biological physics. USSR, 2010, 160 p. (In Russ)]. Blyumenfel'd L.A. Reshaemye i nereshaemye problemy biologicheskoy fiziki. URSS, 2010, 160 s. @@[Blumenfeld L.A. Solvable and unsolvable problems of biological physics. USSR, 2010, 160 p. (In Russ)]. Нечипоренко Ю., Режабек Б. Нанороботы живой клетки. Биомолекула, 2017. URL: https://biomolecula.ru/articles/nanoroboty-i-zhizn. @@[Nechiporenko Yu., Rezhabek B. Living Cell Nanorobots. Biomolecula, 2007, URL: https://biomolecula.ru/articles/nanoroboty-i-zhizn. (In Russ.)] Nechiporenko Yu., Rezhabek B. Nanoroboty zhivoy kletki. Biomolekula, 2017. URL: https://biomolecula.ru/articles/nanoroboty-i-zhizn. @@[Nechiporenko Yu., Rezhabek B. Living Cell Nanorobots. Biomolecula, 2007, URL: https://biomolecula.ru/articles/nanoroboty-i-zhizn. (In Russ.)] Романовский Ю.М., Тихонов А.Н. Молекулярные преобразователи энергии живой клетки. Протонная АТФ-синтаза - вращающийся молекулярный мотор. Успехи физических наук, 2010, т. 180, с. 931-956. @@[Romanovsky Y.M., Tikhonov A.N. Molecular energy transducers of the living cell. Proton ATP synthase: a rotating molecular motor. Physics-Uspekhi, 2010, vol. 53, pp. 893-914.] Romanovskiy Yu.M., Tihonov A.N. Molekulyarnye preobrazovateli energii zhivoy kletki. Protonnaya ATF-sintaza - vraschayuschiysya molekulyarnyy motor. Uspehi fizicheskih nauk, 2010, t. 180, s. 931-956. @@[Romanovsky Y.M., Tikhonov A.N. Molecular energy transducers of the living cell. Proton ATP synthase: a rotating molecular motor. Physics-Uspekhi, 2010, vol. 53, pp. 893-914.] Blumenfeld L.A., Tikhonov A.N. Biophysical Thermodynamics of Intracellular Processes. Molecular Machines of the Living Cell. Springer-Verlag, New York, 1994. Blumenfeld L.A., Tikhonov A.N. Biophysical Thermodynamics of Intracellular Processes. Molecular Machines of the Living Cell. Springer-Verlag, New York, 1994. Намиот В.А., Батяновский А.В., Филатов И.В., Туманян В.Г. Дальнодействующие взаимодействия и принципы молекулярного распознавания на разных уровнях строения биосистем. Биофизика, 2016, т. 61, с. 54-59. @@[Namiot V.A., Batyanovskii A.V., Filatov I.V., Tumanyan V.G., Esipova N.G. Long-Distance Interactions and Principles of Molecular Recognition at Various Biosystem Organization Levels. Biophysics, 2016, vol. 61, pp. 47-51.] Namiot V.A., Batyanovskiy A.V., Filatov I.V., Tumanyan V.G. Dal'nodeystvuyuschie vzaimodeystviya i principy molekulyarnogo raspoznavaniya na raznyh urovnyah stroeniya biosistem. Biofizika, 2016, t. 61, s. 54-59. @@[Namiot V.A., Batyanovskii A.V., Filatov I.V., Tumanyan V.G., Esipova N.G. Long-Distance Interactions and Principles of Molecular Recognition at Various Biosystem Organization Levels. Biophysics, 2016, vol. 61, pp. 47-51.] Батяновский А.В., Намиот В.А., Филатов И.В., Молдавер М.В., Анашкина А.А., Туманян В.Г., Есипова Н.Г., Волотовский И.Д. Конформационно-стабильные сегменты в спиральных структурах полипептидных цепей белков и их роль при формировании структур высших уровней. Биофизика, 2013, т. 58, с. 1969-1973. @@[Batianovsky A.V., Namiot V.A., Filatov I.V., Moldaver M.V., Anashkina A.A., Tumanyan V.G., Esipova N.G., Volotovsky I.D. Conformational-stable segments in the helical structures of polypeptide chains of proteins and their role in the formation of higher-level structures. Biofizika, 2013, vol. 58, pp. 1969-1973. (In Russ.)] Batyanovskiy A.V., Namiot V.A., Filatov I.V., Moldaver M.V., Anashkina A.A., Tumanyan V.G., Esipova N.G., Volotovskiy I.D. Konformacionno-stabil'nye segmenty v spiral'nyh strukturah polipeptidnyh cepey belkov i ih rol' pri formirovanii struktur vysshih urovney. Biofizika, 2013, t. 58, s. 1969-1973. @@[Batianovsky A.V., Namiot V.A., Filatov I.V., Moldaver M.V., Anashkina A.A., Tumanyan V.G., Esipova N.G., Volotovsky I.D. Conformational-stable segments in the helical structures of polypeptide chains of proteins and their role in the formation of higher-level structures. Biofizika, 2013, vol. 58, pp. 1969-1973. (In Russ.)] Твеpдиcлов В.А. Хиpальноcть как пеpвичный пеpеключатель иеpаpxичеcкиx уpовней в молекуляpно-биологичеcкиx cиcтемаx. Биофизика, 2013, т. 58, с. 159-164. @@[Tverdislov V.A. Chirality as a primary switch of hierarchical levels in molecular biological systems. Biophysics, 2013, vol. 58, pp. 128-132.] Tvepdiclov V.A. Hipal'noct' kak pepvichnyy pepeklyuchatel' iepapxicheckix upovney v molekulyapno-biologicheckix cictemax. Biofizika, 2013, t. 58, s. 159-164. @@[Tverdislov V.A. Chirality as a primary switch of hierarchical levels in molecular biological systems. Biophysics, 2013, vol. 58, pp. 128-132.] Твердислов В.А., Малышко Е.В. О закономерностях спонтанного формирования структурных иерархий в хиральных системах неживой и живой природы. Успехи физических наук, 2019, т. 189, с. 375-385. @@[Tverdislov V.A., Malyshko E.V. On regularities in the spontaneous formation of structural hierarchies in chiral systems of nonliving and living matter. Physics-Uspekhi, 2019, vol. 62, pp. 354-364.] Tverdislov V.A., Malyshko E.V. O zakonomernostyah spontannogo formirovaniya strukturnyh ierarhiy v hiral'nyh sistemah nezhivoy i zhivoy prirody. Uspehi fizicheskih nauk, 2019, t. 189, s. 375-385. @@[Tverdislov V.A., Malyshko E.V. On regularities in the spontaneous formation of structural hierarchies in chiral systems of nonliving and living matter. Physics-Uspekhi, 2019, vol. 62, pp. 354-364.] Гурский Г.В., Туманян В.Г., Заседателев А.С., Жузе А.Л., Гроховский С.Л., Готтих Б.П. Код, управляющий специфическим связыванием регуляторных белков с ДНК, и структура стереоспецифических участков регуляторных белков. Молекулярная биология, 1975, т. 9, с. 635-651. @@[Gurskiĭ G.V., Tumanian V.G., Zasedatelev A.S., Zhuze A.L., Grokhovskiĭ S.L., Gottikh B.P. A code governing specific binding of regulatory proteins to DNA and structure of stereospecific sites of regulatory proteins. Molekuliarnaia biologia, 1975, vol. 9, pp. 635-651. (In Russ.)] Gurskiy G.V., Tumanyan V.G., Zasedatelev A.S., Zhuze A.L., Grohovskiy S.L., Gottih B.P. Kod, upravlyayuschiy specificheskim svyazyvaniem regulyatornyh belkov s DNK, i struktura stereospecificheskih uchastkov regulyatornyh belkov. Molekulyarnaya biologiya, 1975, t. 9, s. 635-651. @@[Gurskiĭ G.V., Tumanian V.G., Zasedatelev A.S., Zhuze A.L., Grokhovskiĭ S.L., Gottikh B.P. A code governing specific binding of regulatory proteins to DNA and structure of stereospecific sites of regulatory proteins. Molekuliarnaia biologia, 1975, vol. 9, pp. 635-651. (In Russ.)] Krylov A.S., Zasedatelev A.S., Grokhovsky S.L., Zhuze A.L., Gursky G.V. and Gottich B.P. Quantitive estimation of the contribution of pyrrolcarboxamide groups of the antibiotic distamycin A into specificity of its binding to DNA AT pairs. Nucl. Acids Res., 1979, vol. 6, pp. 289-304. Krylov A.S., Zasedatelev A.S., Grokhovsky S.L., Zhuze A.L., Gursky G.V. and Gottich B.P. Quantitive estimation of the contribution of pyrrolcarboxamide groups of the antibiotic distamycin A into specificity of its binding to DNA AT pairs. Nucl. Acids Res., 1979, vol. 6, pp. 289-304. Gursky G.V., Zasedatelev A.S., Zhuze A.L., Khorlin A.A., Grokhovsky S.L., Streltsov S.A., Surovaya A.N., Nikitin S.M., Krylov A.S., Retchinsky V.O., Mikhailov M.V., Beabealashvili R.S., Gottich B.P. Synthetic sequence-specific ligands. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 1983, vol. 47, pp. 367-378. Gursky G.V., Zasedatelev A.S., Zhuze A.L., Khorlin A.A., Grokhovsky S.L., Streltsov S.A., Surovaya A.N., Nikitin S.M., Krylov A.S., Retchinsky V.O., Mikhailov M.V., Beabealashvili R.S., Gottich B.P. Synthetic sequence-specific ligands. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 1983, vol. 47, pp. 367-378. Нечипуренко Ю.Д., Гурский Г.В. Термодинамические модели связывания лигандов с ДНК. Биофизика, 2003, т. 48, с. 773-796. @@[Nechipurenko Yu.D., Gursky G.V. Thermodynamic models of ligand binding to nucleic acids. Biophysics, 2003, vol. 48, pp. 717-740.] Nechipurenko Yu.D., Gurskiy G.V. Termodinamicheskie modeli svyazyvaniya ligandov s DNK. Biofizika, 2003, t. 48, s. 773-796. @@[Nechipurenko Yu.D., Gursky G.V. Thermodynamic models of ligand binding to nucleic acids. Biophysics, 2003, vol. 48, pp. 717-740.] Нечипуренко Ю.Д. Анализ связывания биологически активных соединений с нуклеиновыми кислотами. Москва-Ижевск, ИКИ, 2015, 188 с. @@[Nechipurenko Yu.D. Analysis of the binding of biologically active compounds with nucleic acids. Moscow-Izhevsk, IKI, 2015. 188 p. (In Russ.)] Nechipurenko Yu.D. Analiz svyazyvaniya biologicheski aktivnyh soedineniy s nukleinovymi kislotami. Moskva-Izhevsk, IKI, 2015, 188 s. @@[Nechipurenko Yu.D. Analysis of the binding of biologically active compounds with nucleic acids. Moscow-Izhevsk, IKI, 2015. 188 p. (In Russ.)] Hogan M., Dattagupta N., Crothers D.M. Transmission of allosteric effects in DNA. Nature. 1979, vol. 278, p. 521. Hogan M., Dattagupta N., Crothers D.M. Transmission of allosteric effects in DNA. Nature. 1979, vol. 278, p. 521. Нечипуренко Ю.Д. Применение статистической термодинамики для анализа связывания лигандов с ДНК и олигонуклеотидов на микрочипах. В сборнике: Физико-химические механизмы и регуляция процессов трансформации энергии в биологических структурах. М.-Ижевск: ИКИ, 2017, 522 с. @@[Nechipurenko Yu.D. The use of statistical thermodynamics to analyze the binding of ligands to DNA and oligonucleotides on microchips. In the collection: Physical and chemical mechanisms and regulation of energy transformation processes in biological structures. Moscow-Izhevsk: IKI, 2017, 522 p. (In Russ.)] Nechipurenko Yu.D. Primenenie statisticheskoy termodinamiki dlya analiza svyazyvaniya ligandov s DNK i oligonukleotidov na mikrochipah. V sbornike: Fiziko-himicheskie mehanizmy i regulyaciya processov transformacii energii v biologicheskih strukturah. M.-Izhevsk: IKI, 2017, 522 s. @@[Nechipurenko Yu.D. The use of statistical thermodynamics to analyze the binding of ligands to DNA and oligonucleotides on microchips. In the collection: Physical and chemical mechanisms and regulation of energy transformation processes in biological structures. Moscow-Izhevsk: IKI, 2017, 522 p. (In Russ.)] Stirmanov Y.V., Matveeva O.V., Nechipurenko Y.D. Two-dimensional Ising Model for Microarray Hybridization: Cooperative Interactions between Bound Target Molecules. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 2018, vol. 37, pp. 3103-3108. Stirmanov Y.V., Matveeva O.V., Nechipurenko Y.D. Two-dimensional Ising Model for Microarray Hybridization: Cooperative Interactions between Bound Target Molecules. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 2018, vol. 37, pp. 3103-3108. Shnoll S.E. Cosmophysical Factors in Stochastic Processes. ARPR, New Mexico, USA, 2012, 433 p. Shnoll S.E. Cosmophysical Factors in Stochastic Processes. ARPR, New Mexico, USA, 2012, 433 p. Evtugyn G., Porfireva A., Stepanova V., Sitdikov R., Stoikov I., Nikolelis D., Hianik T. Electrochemical aptasensor based on polycarboxylic macrocycle modified with Neutral red for aflatoxin B1 detection. Electroanalysis, 2014, vol. 26, pp. 2100-2109. Evtugyn G., Porfireva A., Stepanova V., Sitdikov R., Stoikov I., Nikolelis D., Hianik T. Electrochemical aptasensor based on polycarboxylic macrocycle modified with Neutral red for aflatoxin B1 detection. Electroanalysis, 2014, vol. 26, pp. 2100-2109. Lüersen K, Eschbach ML, Haider N, Karlberg T, Walter RD, Al-Karadaghi S. Cloning, expression, characterisation and three-dimensional structure determination of Caenorhabditis elegans spermidine synthase. FEBS letters, 2005, vol. 579, pp. 6037-43. Lüersen K, Eschbach ML, Haider N, Karlberg T, Walter RD, Al-Karadaghi S. Cloning, expression, characterisation and three-dimensional structure determination of Caenorhabditis elegans spermidine synthase. FEBS letters, 2005, vol. 579, pp. 6037-43. Dufe V.T., Qiu W., Müller I.B., Hui R., Walter R.D., Al-Karadaghi S. Crystal structure of Plasmodium falciparum spermidine synthase in complex with the substrate decarboxylated S-adenosylmethionine and the potent inhibitors 4MCHA and AdoDATO. Journal of Molecular Biology, 2007, vol. 373, pp. 167-77. Dufe V.T., Qiu W., Müller I.B., Hui R., Walter R.D., Al-Karadaghi S. Crystal structure of Plasmodium falciparum spermidine synthase in complex with the substrate decarboxylated S-adenosylmethionine and the potent inhibitors 4MCHA and AdoDATO. Journal of Molecular Biology, 2007, vol. 373, pp. 167-77. Bittner M-I., Wiedenmann N., Bucher S., Hentschel M., Mix M., Rücker G., Weber W.A., Meyer P.T., Werner M., Grosu A-L., Kayser G. Analysis of relation between hypoxia PET imaging and tissue-based biomarkers during head and neck radiochemotherapy, Acta Oncologica, 2016, DOI: 10.1080/0284186X.2016.1219046. Bittner M-I., Wiedenmann N., Bucher S., Hentschel M., Mix M., Rücker G., Weber W.A., Meyer P.T., Werner M., Grosu A-L., Kayser G. Analysis of relation between hypoxia PET imaging and tissue-based biomarkers during head and neck radiochemotherapy, Acta Oncologica, 2016, DOI: 10.1080/0284186X.2016.1219046. Prenosil G.A., Weitzel T., Hentschel M., Klaeser B., Krause T. Transconvolution and the virtual positron emission tomography - A new method for cross calibration in quantitative PET/CT imaging. Med. Phys., 2013, vol. 40, p. 062503. Prenosil G.A., Weitzel T., Hentschel M., Klaeser B., Krause T. Transconvolution and the virtual positron emission tomography - A new method for cross calibration in quantitative PET/CT imaging. Med. Phys., 2013, vol. 40, p. 062503. Cosic I., Caceres J.L.H., Cosic D. Possibility to interfere with malaria parasite activity using specific electromagnetic frequencies. EPJ Nonlinear Biomedical Physics, 2016, vol. 3, p. 11. Cosic I., Caceres J.L.H., Cosic D. Possibility to interfere with malaria parasite activity using specific electromagnetic frequencies. EPJ Nonlinear Biomedical Physics, 2016, vol. 3, p. 11.