Биомолекулы представляют собой фундаментальные строительные блоки живых систем и включают белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды. Их функциональные свойства напрямую зависят от пространственной организации и динамических особенностей структуры. В физике конденсированного состояния изучение биомолекул опирается на представления о взаимодействиях на атомарном и молекулярном уровнях, термодинамических конформационных переходах и механике макромолекулярных систем.
Первичная структура белков определяется последовательностью аминокислот, соединённых пептидными связями. Физическая устойчивость первичной структуры обусловлена химической стабильностью этих связей и взаимодействием боковых цепей с окружающей средой.
Вторичная структура формируется за счет водородных связей между карбонильной и амидной группами пептидного скелета. Основные элементы вторичной структуры — α-спирали и β-листы. α-спираль характеризуется регулярным поворотом цепи с углом φ ≈ −60° и ψ ≈ −45°, β-листы образуют стабилизированные водородными связями параллельные или антипараллельные пластины.
Третичная структура возникает из-за дальнодействующих взаимодействий между боковыми цепями аминокислот. Ключевыми факторами являются гидрофобные эффекты, ионные взаимодействия, дисульфидные мостики и водородные связи. Третичная структура определяет функциональные свойства белка и его каталитическую активность.
Четвертичная структура формируется при объединении нескольких полипептидных цепей в олигомерные комплексы. Стабильность четвертичной структуры зависит от того же набора нековалентных взаимодействий, что и третичная, однако на масштабе макромолекулы возникают дополнительные кооперативные эффекты.
ДНК представляет собой двойную спираль, где два полинуклеотидных цепи антипараллельны и соединены водородными связями между комплементарными основаниями (A–T, G–C). Конформационные варианты ДНК (B, A, Z) различаются угловыми параметрами поворота нуклеотидов, степенью наклона оси спирали и шириной борозд.
РНК чаще всего одноцепочечная, но способна формировать локальные стебли и петли за счет внутримолекулярных комплементарных взаимодействий. Эти структуры определяют каталитическую и регуляторную функции молекулы.
Физика нуклеиновых кислот исследует упорядочение цепей, термодинамику спираль-одинарная цепь и гибкость молекул, что важно для понимания процессов упаковки генетического материала и взаимодействий с белками.
Полисахариды представляют собой длинные цепи моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Их структура определяется типом мономеров, положением и конфигурацией связей.
Конформационные свойства полисахаридов критически зависят от гибкости гликозидной связи и водородных взаимодействий с растворителем. В физике конденсированного состояния полисахариды рассматриваются как полимерные цепи с различной степенью упорядоченности и способностью к самоорганизации.
Липиды обладают амфифильными свойствами, что позволяет им формировать мицеллы, везикулы и липидные бислои. Ключевым фактором является баланс гидрофобных хвостов и гидрофильных головок.
Физическая организация мембран определяется фазовыми переходами: жидкокристаллическое состояние мембраны обеспечивает подвижность молекул и гибкость структуры, а гель-фаза — плотное упаковывание с ограниченной диффузией.
Мембраны являются динамическими системами: липидные домены и пузырьки способствуют распределению белков, сигнальных молекул и поддержанию клеточного гомеостаза.
Конформационные изменения биомолекул связаны с минимизацией свободной энергии системы. Важнейшие взаимодействия включают:
Динамика биомолекул включает флуктуации на фемтосекундных до секундных временных масштабах. Эти движения определяют способность молекул к связыванию, каталитической активности и структурной перестройке.