Функционирование биологических макромолекул определяется их пространственной структурой, определение которой представляет собой непростую задачу. В белке или нуклеиновой кислоте средней величины, масса которой составляет 30 кДа, содержится приблизительно 4000 атомов.
Пространственная структура такой молекулы будет полностью описана, если будут определены координаты всех атомов, входящих в эту молекулу. Для этого требуется найти примерно 16000 неизвестных параметров. Если исключить из рассмотрения атомы водорода, то это число сокращается наполовину. Задача резко упрощается, если известна первичная структура исследуемой макромолекулы. Чтобы описать относительное расположение двух соседних аминокислотных остатков в полипептидной цепи, достаточно задать два угла, а для описания ориентации боковой цепи каждого аминокислотного остатка нужно в среднем еще 2 параметра. В белке с мол. массой 30 кДа содержится приблизительно 300 аминокислотных остатков, т. е. не обходимо определить около 1200 параметров. Для нуклеиновой кислоты той же массы потребуется 800 параметров. Только один метод - рентгеноструктурный анализ - может дать такое количество информации для определения пространственной структуры макромолекулы. Однако это очень трудоемкий метод, применение которого связано с рядом ограничений и не всегда дает достаточно хорошее качество данных, чтобы на их основе можно было найти точные координаты атомов.
К счастью, многие вопросы, связанные с функционированием биологических молекул, можно решить, рассматривая их структуру не на уровне атомного разрешения, а с гораздо меньшей точностью, или исследуя лишь небольшую, но наиболее важную в функциональном отношении часть молекулы. Непосредственно увидеть какие-либо структурные особенности макромолекул можно лишь с помощью тунельного сканирующего микроскопа, о котором будет рассказано в следующей лекции. Поэтому сведения о размерах и форме макромолекул получают различными косвенными методами, многие из которых были специально разработаны для исследования биологических макромолекул. Каждый из этих методов имеет свои преимущества, но и свои ограничения, которые не обходимо сознавать, для того чтобы правильно интерпретировать полученные этим методом данные. Рассмотрим некоторые из этих методов.