Biofizyka Medyczna: Elementy Biofizyki Molekularnej, Białka i DNA

Biofizyka molekularna: nauka badająca prawa fizyki rządzące układami biomolekularnymi, wyjaśniająca zależność funkcji biologicznej od struktury i dynamiki cząsteczek.
Hierarchia organizmu: człowiek to układ dynamiczny o strukturze: atom $\rightarrow$ molekuła $\rightarrow$ makrocząsteczka $\rightarrow$ komórka $\rightarrow$ tkanka $\rightarrow$ narząd $\rightarrow$ organizm.
Skład atomowy: organizm człowieka składa się z około $7 \times 10^{27}$ atomów. Główne pierwiastki masowo: tlen ( $65 \%$ ), węgiel ( $18.5 \%$ ), wodór ( $9.5 \%$ ), azot ( $3.2 \%$ ), wapń ( $1.5 \%$ ) i fosfor ( $1 \%$ ).

Modele atomu:
- Bohr (1913): elektrony poruszają się po dozwolonych orbitach o określonej energii $E$ i odległości $r$ .
- De Broglie (1923/1924): dualizm korpuskularno-falowy – elektron jako fala materii.
- Mechanika kwantowa (Heisenberg i Schrödinger, 1925): chmura elektronowa określająca prawdopodobieństwo znalezienia elektronu.
Elektrony walencyjne: elektrony zewnętrznej powłoki o najwyższej energii; decydują o tworzeniu wiązań i właściwościach chemicznych.

Cząsteczka (molekuła): najmniejsza trwała część substancji; powstaje, gdy energia cząsteczki jest mniejsza niż suma energii oddzielnych atomów ( E_{\text{cząsteczka}} < E_{A1} + E_{A2} + \dots ).
Wiązania wewnątrzcząsteczkowe (silne):
- Jonowe: oddziaływania elektrostatyczne między jonami (prawo Coulomba).
- Kowalencyjne: współdzielenie par elektronowych między atomami.
Oddziaływania międzycząsteczkowe (słabe): około $100$ razy słabsze od wewnątrzcząsteczkowych.
- Van der Waalsa: siły dipol-dipol, indukowane oraz siły dyspersyjne (fluktuacje chmury elektronowej).
- Wiązania wodorowe: między atomem wodoru związanym z donorem ( $O$ , $N$ , $S$ ) a akceptorem ( $O$ , $N$ , $S$ ). Kluczowe dla wody i biomolekuł.
- Oddziaływania hydrofobowe: zbliżanie się cząsteczek niepolarnych w środowisku wodnym w celu minimalizacji kontaktu z wodą ( \Delta S > 0 ).

Poziomy organizacji:
- Pierwszorzędowa: sekwencja aminokwasów połączonych wiązaniem peptydowym.
- Drugorzędowa: lokalne struktury regularne ( $\alpha$ -helisa, $\beta$ -kartka) stabilizowane wiązaniami wodorowymi.
- Trzeciorzędowa: trójwymiarowe fałdowanie łańcucha stabilizowane przez wiązania wodorowe, hydrofobowe, jonowe i mostki dwusiarczkowe (wiązania kowalencyjne między cysteinami).
- Czwartorzędowa: wzajemne ułożenie podjednostek w białkach wielołańcuchowych (np. hemoglobina).
Znaczenie biologiczne: struktura determinuje aktywność. Przykłady patologii:
- Priony: choroby neurodegeneracyjne wynikające z błędnej konformacji białka.
- Anemia sierpowata: zmiana kwasu glutaminowego na walinę, co zwiększa hydrofobowość i powoduje agregację hemoglobiny.

Budowa nukleotydu: zasada azotowa (Adenina, Guanina, Cytozyna, Tymidyna), cukier (deoksyryboza) i grupa fosforanowa.
Stabilizacja helisy:
- Wiązania wodorowe między komplementarnymi parami zasad: $A-T$ (2 wiązania), $G-C$ (3 wiązania).
- Główny stabilizator: hydrofobowe oddziaływania warstwowe (stacking) między zasadami wewnątrz helisy.
Parametry geometryczne: odległość między zasadami wynosi $0.34 \, nm$ , a szerokość helisy to $2 \, nm$ .