เคมีชีวฟิสิกส์
เคมีชีวฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์กายภาพที่ใช้แนวคิดของฟิสิกส์และเคมีกายภาพในการศึกษาระบบชีวภาพ [ 1 ] ลักษณะเด่นที่พบได้บ่อยที่สุดในการวิจัยในสาขานี้คือการแสวงหาคำอธิบายของปรากฏการณ์ต่างๆ ในระบบชีวภาพโดยพิจารณาจากโมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นระบบหรือ โครงสร้าง เหนือโมเลกุลของระบบเหล่านี้[ 2 ]นอกเหนือจากการประยุกต์ใช้ทางชีววิทยาแล้ว การวิจัยล่าสุดยังแสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าในด้านการแพทย์อีกด้วย[ 3 ]
ประวัติศาสตร์
ศตวรรษที่ยี่สิบ
แนวคิดที่เก่าแก่ที่สุดของเคมีชีวฟิสิกส์เริ่มต้นจากความอยากรู้อยากเห็นของKarl Friedrich Bonhoefferนักเคมีฟิสิกส์ที่ต้องการเข้าถึงปัญหาทางชีววิทยาและสรีรวิทยาด้วยความรู้ทางฟิสิกส์และเคมี ตัวอย่างหนึ่งของงานของเขาคือการศึกษาผลของกระแสไฟฟ้าต่อเหล็กเพื่อจำลองการกระตุ้นของเส้นประสาท[ 4 ]หลังจากมีการก่อตั้งเคมีชีวฟิสิกส์พื้นฐานใน Göttingen แล้วManfred Eigenผู้ได้รับรางวัลโนเบลชาวเยอรมันได้พัฒนาต่อยอด ในปี 1971 เขาได้ปรับปรุงจุดเน้นการวิจัยโดยการรวมสองสถาบันเข้าด้วยกัน ได้แก่ เคมีฟิสิกส์และสเปกโทรสโกปี[ 5 ]ปัจจุบัน การวิจัยด้านเคมีชีวฟิสิกส์ใน Göttingen มีเป้าหมายเพื่อค้นพบกระบวนการชีวิตโดยใช้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่ผสมผสานกัน
นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังHerman Berendsenได้ก่อตั้งกลุ่มวิจัยที่มหาวิทยาลัย Groningenโดยมุ่งเน้นการใช้ NMR เพื่อตรวจสอบน้ำและโปรตีนในระบบชีวภาพ[ 6 ]การศึกษานี้ขยายความเข้าใจเชิงโครงสร้างของพันธะน้ำ ซึ่งอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ได้มากมาย[ 7 ]
ประวัติศาสตร์สมัยใหม่
แนวทางการวิจัยทางชีวฟิสิกส์ในปัจจุบันรวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียงการศึกษาช่องไอออนโปรโมเตอร์เซลล์ต้นกำเนิดและการตรวจจับและการวิเคราะห์โมเลกุลชีวภาพ[ 8 ] [ 1 ]
เทคนิค
นักเคมีชีวฟิสิกส์ใช้วิธีการต่างๆ ที่ใช้ในเคมีกายภาพเพื่อตรวจสอบโครงสร้างของระบบชีวภาพ เทคนิคเหล่านี้รวมถึงวิธีการทางสเปกโทรสโกปี เช่นนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR) และเทคนิคอื่นๆ เช่นการเลี้ยวเบน ของรังสีเอกซ์ และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอตัวอย่างของการวิจัยในเคมีชีวฟิสิกส์ ได้แก่ งานที่ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2009 รางวัลนี้มอบให้โดยพิจารณาจากการศึกษาผลึกศาสตร์ของรังสีเอกซ์ของไรโบโซมซึ่งช่วยไขปริศนาพื้นฐานทางกายภาพของการทำงานทางชีวภาพของมันในฐานะเครื่องจักรระดับโมเลกุลที่แปลmRNAเป็นพอลิเปปไทด์[ 9 ]สาขาอื่นๆ ที่นักเคมีชีวฟิสิกส์มีส่วนร่วม ได้แก่โครงสร้างโปรตีนและโครงสร้างการทำงานของเยื่อหุ้มเซลล์ตัวอย่างเช่น การทำงาน ของเอนไซม์สามารถอธิบายได้ในแง่ของรูปร่างของช่องในโมเลกุลโปรตีนที่ตรงกับรูปร่างของ โมเลกุล ของสารตั้งต้นหรือการดัดแปลงเนื่องจากการจับกับไอออนโลหะ โครงสร้างของโปรตีนขนาดใหญ่หลายชนิด เช่นATP synthaseยังแสดงให้เห็นถึงพลวัตแบบเครื่องจักรเมื่อทำงานกับสารตั้งต้นของมัน ในทำนองเดียวกัน โครงสร้างและหน้าที่ของเยื่อชีวภาพสามารถทำความเข้าใจได้จากการศึกษาโครงสร้างระดับโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เป็นแบบจำลอง เช่นไลโปโซมหรือเวสิเคิลฟอสโฟลิปิด ที่มีองค์ประกอบและขนาดแตกต่างกัน
แอปพลิเคชัน
มีการประยุกต์ใช้ทางชีววิทยาและการแพทย์หลายอย่างที่นำความรู้ด้านเคมีชีวฟิสิกส์มาใช้ให้เกิดประโยชน์ต่อมนุษยชาติ[ 10 ]
การศึกษาเกี่ยวกับเยื่อหุ้มเซลล์
เยื่อหุ้มลิพิดไบเลเยอร์เป็นชื่อที่ใช้อธิบายองค์ประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์ด้วยความรู้และความก้าวหน้าของเครื่องมือในปัจจุบัน ทำให้สามารถศึกษาคุณสมบัติของลิพิดไบเลเยอร์ได้ เช่นความหนืดการศึกษานี้ใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีฟลูออเรสเซนซ์เพื่อระบุว่า แม้ว่าจะมีเพียงลิพิดไบเลเยอร์ฟอสโฟลิพิดชั้นเดียวที่สร้างไลโปโซมเราก็ยังสามารถตรวจจับระดับความหนืดที่แตกต่างกันที่มีอยู่ในเยื่อหุ้มได้[ 11 ]
การศึกษาปฏิกิริยาของโปรตีน
วิธีการทางสเปกโทรสโกปีหลาย วิธี ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่สามารถระบุส่วนประกอบจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาโปรตีนในระบบชีวภาพได้ นอกจากนี้ ยังสามารถปรับและออกแบบปฏิกิริยาชีวภาพได้โดยการใช้รังสีเลเซอร์ ตัวอย่างเช่น เราสามารถกระตุ้นกระบวนการตกผลึกของโปรตีนโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า " การดักจับด้วยเลเซอร์ " [ 11 ]
การสังเคราะห์ไฮโดรเจล
ไรโบฟลาวินหรือที่รู้จักกันทั่วไปว่าวิตามินบี 2 มีความสามารถในการกลายเป็นสารที่ทำปฏิกิริยาได้ ซึ่งสามารถเกิดปฏิกิริยาต่างๆ ได้ภายใต้การมีอยู่ของแสงและออกซิเจน[ 12 ]ปฏิกิริยาที่สำคัญเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ไฮโดรเจลไฮโดรเจลเป็นวัสดุที่มีรูพรุนซึ่งสามารถกักเก็บน้ำได้ในปริมาณมากในขณะที่ยังคงรักษารูปทรงไว้ได้ การประยุกต์ใช้ไฮโดรเจล ได้แก่ การส่งยา กล้ามเนื้อเทียม วิศวกรรมเนื้อเยื่อ เป็นต้น[ 13 ]
การปรับปรุงเอนไซม์
เอนไซม์เป็นสารที่สามารถเร่งปฏิกิริยาเคมีได้[ 14 ]อย่างไรก็ตาม การใช้เอนไซม์ในการใช้งานจริงมีข้อจำกัดมากมาย รวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียงความเสถียร ความเข้ากันได้ และต้นทุน การใช้แนวคิดของเคมีชีวฟิสิกส์ทำให้สามารถปรับปรุงข้อจำกัดเหล่านั้นได้ รวมถึงเพิ่มประสิทธิภาพของเอนไซม์ด้วย[ 15 ]
ยาต้านมะเร็ง
กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) เป็นโมเลกุลที่เป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด นอกจากนี้ยังเป็นเป้าหมายหลักของยาต้านมะเร็ง การศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างยาและ DNA ช่วยให้นักวิจัยสามารถพัฒนายาที่สามารถรักษาโรคมะเร็งได้อย่างมีประสิทธิภาพ[ 3 ]
สถาบัน
สถาบันที่มีชื่อเสียงเก่าแก่ที่สุดด้านเคมีชีวฟิสิกส์คือสถาบันเคมีชีวฟิสิกส์แม็กซ์พลังค์ในเมืองเกิตติงเงน[ 16 ]
วารสาร
วารสารเคมีชีวฟิสิกส์ ได้แก่Biophysical Journal , Archives of Biochemistry and Biophysics (จัดพิมพ์โดยAcademic Press ), Biochemical and Biophysical Research Communications (Academic Press), Biochimica et Biophysica Acta ( Elsevier Science ), Biophysical Chemistry , An International Journal devoted to the Physics and Chemistry of Biological Phenomena (Elsevier), Journal of Biochemical and Biophysical Methods (Elsevier), Journal of Biochemistry , Biology and Biophysics ( Taylor & Francis ) และJournal de Chimie Physique , Physico-Chimie Biologique ( EDP SciencesและSociété Française de Chimie )
ดูเพิ่มเติม
บรรณานุกรม
- แคนเตอร์, ชาร์ลส์ อาร์. ; ชิมเมล, พอล อาร์. (1980). เคมีชีวฟิสิกส์ - ตอนที่ 1: โครงสร้างของโมเลกุลชีวภาพขนาดใหญ่ ( ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 1). ดับเบิลยูเอช ฟรีแมน แอนด์ โค จำกัด. ISBN 0716711885.
- แคนเตอร์, ชาร์ลส์ อาร์. ; ชิมเมล, พอล อาร์. (1980). เคมีชีวฟิสิกส์ - ตอนที่ 2: เทคนิคสำหรับการศึกษาโครงสร้างและหน้าที่ทางชีวภาพ ( ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 1). WH Freeman & Co Ltd. ISBN 0716711907.
- แคนเตอร์, ชาร์ลส์ อาร์. ; ชิมเมล, พอล อาร์. (1980). เคมีชีวฟิสิกส์ - ตอนที่ 3: พฤติกรรมของโมเลกุลชีวภาพขนาดใหญ่ ( ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 1). ดับเบิลยู.เอช. ฟรีแมน แอนด์ โค จำกัด. ISBN 0716711923.
- Bruce, Martin, R. บทนำสู่เคมีชีวฟิสิกส์ วารสารการศึกษาทางการแพทย์: กันยายน 1964 - เล่มที่ 39 - ฉบับที่ 9 - หน้า 867
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list ( link ) - คูเปอร์, อลัน (9 พฤศจิกายน 2015). เคมีชีวฟิสิกส์ . ราชสมาคมเคมี. ISBN 978-1-78262-510-0.