Біохімія квантова

Біохі́мія ква́нтова — міждисциплінарна галузь науки, яка застосовує методи біохімії, хімії квантової та механіки квантової для вивчення особливостей будови електронної структури біологічно активних макромолекул.

Історична довідка

Біохімія квантова сформувалась у другій половині 20 ст. Ідеї застосування квантової механіки в біології запропонували вчені фізики квантової. Е. Шредінгер у праці «Що таке життя?» (1944) розглянув застосування квантової механіки в генетиці; згодом висловив припущення про генетичні мутації як квантові стрибки. Н. Бор, П. Йордан і М. Дельбрюк квантову компліментарність вважали фундаментальним принципом наук про життя. Розвитку біохімії квантової сприяло обґрунтування 1928 В. Г. Гайтлером і Ф. Лондоном теорії молекули водню (див. Гідроген), а також квантово-механічних методів: Гартрі — Фока наближення, псевдопотенціалу, локальної густини електричного струму. Поява потужних обчислювальних машин у 1950–1960-х прискорила розвиток біохімії квантової і розширила області її застосування.

Квантово-хімічні розрахунки електронної структури нуклеотидних основ дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) 1958 провели Бернар Пюлльман і Альберта Пюлльман (1920–2011; Франція). Завдяки квантовій хімії вчені спрогнозували канцерогенні властивості вуглеводнів ароматичних. Спільна праця Б. і А. Пюлльманів «Квантова біохімія» (Нью-Йорк, 1963) дала назву і заклала основу однойменної галузі науки.

Про квантове тунелювання як механізм мутації ДНК у 1963 опублікував статтю Пер-Улов Левдін (Per-Olov Löwdin; 1916–2000; Швеція). Учений висунув гіпотезу квантового тунелювання протонів у контексті таутомерії пар основ ДНК. Він припустив, що протони можуть тунелювати через гідрогенні зв’язки в канонічних па́рах основ (А-Т, Г-Ц), що призводить до утворення менш стабільних таутомерних форм. Якщо ці таутомерні форми присутні під час реплікації ДНК, вони можуть спричинити неправильне спарювання основ і викликати спонтанні точкові мутації. Ця ідея стимулювала і надалі активізує численні обчислювальні дослідження за допомогою різних квантово-хімічних методів, зокрема у контексті ферментативного каталізу. Квантове тунелювання є важливим механізмом, що впливає на швидкість реакцій хімічних, наприклад перенесення атомів Гідрогену в ферментах та йонів через клітинні мембрани.

Характеристика

Біохімія квантова досліджує властивості, функції та перетворення різноманітних речовин живих організмів (відповідно до їхніх електронних характеристик). Базується на квантово-механічних теоріях хімічного зв’язку та реакційної здатності. У квантових термінах описують ферментний каталіз, процеси сенсорних систем, передачу енергії та кодування інформації. Серед біологічних процесів перетворення енергії квантово-механічними за природою є: хімічні реакції; поглинання світла; утворення збуджених електронних станів; передача енергії збудження електромагнітних коливань та перенесення електронів і протонів (йонів Гідрогену) у таких хімічних процесах як фотосинтез, клітинне дихання, ферментативна активність тощо. Квантова біохімія використовує квантово-механічні розрахунки для пояснення електронної структури біологічно активних макромолекул [ДНК, рибонуклеїнових кислот (РНК), білків, пептидів, порфіринів], зв’язків і квантових ефектів біохімічних процесів. Завдяки методам квантової хімії стало можливим з високою точністю визначити взаємне розташування атомів у молекулі, розрахувати кути між хімічними зв’язками та енергії основних станів молекул. Ці методи дозволяють оцінити теплоту хімічних реакцій та визначити потенційно можливі шляхи їхнього протікання. Методи квантової молекулярної динаміки дозволяють змоделювати перебудови молекул, що відбуваються під час хімічних реакцій. Точність розрахунків залежить від обраного методу та складності досліджуваної системи.

Предметом дослідження біохімії квантової є фрагменти білків, ДНК, кластерні системи, кристалічні структури та полімери, які містять значну кількість електронів (загальна кількість електронів у білку чи сегменті ДНК, молекули яких утворені з багатьох атомів, може сягати десятків тисяч). А від кількості електронів або, точніше, орбіталей атомних, необхідних для опису системи, залежить складність обчислень точних квантово-хімічних методів, що зростає експоненційно, тож чим складніша система, тим складніші обрахунки. Застосовує ідеї і методи хвильової механіки для вивчення електронної структури біологічних молекул (описує їхню поведінку як субстратів життя).

Перевага квантово-механічного підходу полягає в точних теоретичних розрахунках: механізмів ферментативних реакцій; функціонування активних центрів; енергії взаємодії та зв’язування лігандів (зокрема, ліків) з білками; селективності ферментів (особливо енантіоселективності); квантового тунелювання протонів (та інших легких ядер атомних) у біологічних системах; передачі енергії та квантової когерентності у фотобіологічних процесах (наприклад, фотосинтезі, флуоресцентних білках); впливу магнітних полів на біологічні реакції (магніторецепція); транспортування іонів в іонних каналах. Це особливо актуально в біохімії та біофізиці, де проведення експериментів і вимірювань є вкрай складними. Крім механіки квантової застосовує такі галузі фізики як спектроскопія та оптика. Основою квантової біохімії (як і квантових механіки й хімії) є математика.

Застосування

Біохімію квантову застосовують для аналізу ферментного каталізу і дизайну лігандів, у біоміметиці й системній біології. Сучасна імунотерапія раку використовує моноклональні антитіла для інгібіції білків. Дослідження квантової біохімії зосереджені на вивченні молекулярних комплексів, утворених моноклональними антитілами та їхніми мішенями — інгібіторами контрольних точок імунної системи. Застосування квантово-хімічних методів дозволяє детально дослідити механізми міжмолекулярної взаємодії, зокрема, специфічність зв’язування та енергетику комплексоутворення. Це сприяє розробці нових, ефективніших і селективних імунотерапевтичних препаратів на основі антитіл для лікування онкологічних захворювань.

Завдяки квантовому біохімічному аналізу були виявлені специфічні амінокислотні залишки в активних центрах зв’язування білків, які задіяні в інгібіції на межі між білком контрольної точки і моноклональними антитілами. Такий науковий підхід застосовують для прогнозування і дизайну молекул із заданими властивостями (зокрема розробки синтетичних пептидів) з метою створення нових лікарських засобів.

Література

1. Quantum Biochemistry / Ed. by Edited by Ch. F. Matta. Weinheim : WILEY-VCH Verlag, 2010. 981 p.
2. Cui Q. Perspective: Quantum Mechanical Methods in Biochemistry and Biophysics // The Journal of Chemical Physics. 2016. № 145 (14). P. 140901-1–140901-12.
3. How Quantum Physics is About to Revolutionize Biochemistry // MIT Technology Review. 2017. URL: https://www.technologyreview.com/2017/08/01/150200/how-quantum-physics-is-about-to-revolutionize-biochemistry/.
4. Amaral J., Santos S., Souza P. et al. Quantum Biochemistry in Cancer Immunotherapy: New Insights About CTLA-4/Ipilimumab and Design of Ipilimumab-Derived Peptides with High Potential in Cancer Treatment // Molecular Immunology. 2020. № 127. P. 203–211.

Автор ВУЕ

Л. В. Кобріна

Покликання на цю статтю: Кобріна Л. В. Біохімія квантова // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Біохімія квантова (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 11.06.2025