NBE-C.2101 Biofysiikka

Transkriptio

1 NBE-C.2101 Biofysiikka Luennoitsija: Ari Koskelainen puh Assistentit: Teemu Turunen, Ossi Kaikkonen Kurssin tiedotus: MyCourses Oppimateriaali: Nelson: Biological Physics Luentokalvot tulevat MyCourses-materiaaleihin Suositeltavaa oheislukemistoa: Phillips, Kondrev, Theriot: Physical Biology of the cell Kurssin suoritus: Laskuharjoituskotitehtävät (30%) Välikokeet (70%) tai tentti (70% / 100 %) Laskuharjoitukset: ma tai to Ensimmäiset harjoitukset

2 Kurssin tavoitteet 2 Antaa teoreettiset perustiedot ja työkalut, joiden avulla 1. voi ymmärtää biologisissa systeemeissä esiintyviä rakenteita ja biologisten systeemien toimintaa fysikaalisista periaatteista lähtien Keskeistä pohjatietoa kaikille bioinsinööreille, erityisesti lääketieteelliseen tekniikkaan ja bioelektroniikkaan suuntautuville 2. voi lukea ja ymmärtää biofysiikan tieteellistä kirjallisuutta 3. voi jatkaa biofysiikan ja sille läheisten alojen opiskelua esim.lääketieteellisen tekniikan (Biomedical Engineering) pääaineessa 4. lähteä biofysiikan tai sitä soveltavien alojen tutkimusryhmiin tutkimusapulaiseksi

3 Kuvassa K + -selektiivinen ionikanava: 3

4 1. Mitä on elollisen aineen fysiikka (biofysiikka, biologinen fysiikka)? Elävä systeemi Noudattaa fysiikan lainalaisuuksia Kompleksinen tutkimuskohde Fysikaaliset lainalaisuudet vs. tarkoituksenmukaisuusperiaate Biologisissa systeemeissä evoluutio on toiminut suodattimena Biofysiikan määrittely: Poikkitieteellinen tieteenala: Tieteenala, jossa sovelletaan fysiikkaa (sekä kemiaa ja matematiikkaa) biologisten prosessien ja ilmiöiden (biologisten systeemien) tutkimukseen. Fysiikka Lääketiede Fysiologia Fysikaalinen kemia Biofysiikka Molekyylibiologia Neurobiologia Biokemia

5 Esim. Synapsivälitys 5

6 6 Esim. Aineiden kuljetus soluissa Dimensiot Diffuusio Molekulaariset moottorit

7 Esim. Molekulaariset moottorit

8 Biofysiikan sovelluksia: 8 Esim. sydämentahdistin Cambridge Consultants

9 Biofysiikan sovelluksia: 9 Esim. negatiivisesti varautuneiden mikrotubulusten elektroforeesi mikrokanavat täytetty vedellä mikrokanavissa negat. pintavaraus M. G. L. van den Heuvel et al. PNAS 2007;104:

10 Tumallisen solun mitoosin fysiikkaa 10 Millaisia biofyysikolle mielenkiintoisia ja haastavia ilmiöitä/vuorovaikutuksia/prosesseja liittyy mitoosiin? (ts. Millaisia tutkimuskysymyksiä nousee mieleesi?) ei tumakalvoa tumakalvo

11 Malliajattelusta 11 Mallit ovat idealisointeja Mallit laaditaan kuvaamaan (vain) systeemin niitä ominaisuuksia, joita halutaan tutkia; yhdelle systeemille useita malleja Esim. DNA

12 Chapter 1. What the Ancients knew Kysymys: Miten elävät organismit voivat olla niin järjestyneitä?

13 Chapter 1. What the Ancients knew Kysymys: Miten elävät organismit voivat olla niin järjestyneitä? Fysikaalinen idea: Energian virtaus systeemin läpi voi synnyttää järjestystä.

14 Energia, lämpö ja työ Elävät organismit ja laitteet noudattavat samoja fysiikan lakeja, mutta Esim. Uimari ja pölynimuri kahdessa eri lämpötilassa T = 37 C T = 37 C T = 27 C T = 27 C

15 Mekaaninen energia Potentiaalienergia Kineettinen energia Muunnettavissa toisikseen Kitka muuntaa lämmöksi E E p kin E mgz ½mv 2 Lämpö? Vielä 1700-luvulla teoria (Benjamin Franklin): Lämpö näkymätöntä nestettä; virtauksia Kuumassa ylimäärin, kylmässä liian vähän Benjamin Thomsonin tutkimukset 1700-luvun lopulla: Kanuunan poraus Työ muuttuu lämmöksi Lämpö (neste) ei porattaessa lopu (jäähdytysveden lämmitys) Kokonaisainemäärä ei vähene (T. punnitsi kanuunan ja syntyneet metallisuikaleet) Lämmöntuotto loppuu porauksen lakatessa Syntyvä lämpö verrannollinen porausmäärään Kitka muuttaa mekaanisen energian lämmöksi. Kun lämmöksi muuntunut energia huomioidaan, kokonaisenergia säilyy.

16 Energiamuunnosprosesseja 16

17 Termodynamiikan I pääsääntö (energian häviämättömyys): du dq dw (usein merk. d U Q W, koska Q ja W eivät tilanfunktioita ja riippuvat siis prosessista) Lämpö: aineen partikkelien satunnaisliike Järjestynyt liike vs. satunnaisliike Käyttökelpoinen energia vs. käyttökelvoton energia Vapaa energia = hyötytyöhön käytettävissä oleva energia: F E TS E E kokonaisenergia, S entropia

18 Termodynamiikan II pääsääntö: Vakiolämpötilassa oleva systeemi voi spontaanisti ajaa vain prosessia, joka pienentää systeemin vapaata energiaa F. Kaksi tapaa (+ niiden yhdistelmä): 1. Kokonaisenergia E pienenee 2. Entropia S kasvaa F E TS Huom.! Prosessi voi siis edetä suuntaan, jossa entropia pienenee, kunhan kokonaisenergia laskee riittävästi. Elävät organismit vapaaenergiamuuntimia?

19 Esimerkki vapaaenergiamuuntosysteemistä:

20 Terminen energia 20 Huoneenlämmössä: Absoluuttinen lämpötila kt r 21 4,1 10 J 4,1 pn nm ~ 0,6 kcal/mol = 2,5 kj/mol = 25 mev Boltzmannin vakio 1, J/K

21 Biologiset systeemit, mikro- ja makrotason ilmiöt Elävä organismi: Avoin systeemi Vaihtaa ympäristönsä kanssa Energiaa Aineita Itsesäätelevä Itselisääntyvä Historian omaava (evoluution määräämä ) Vrt. ei-elollinen aine Tarkastelu kahdella tasolla: Mikrofysikaaliset prosessit ja ominaisuudet Stokastisia prosesseja Esimerkkejä: Kemialliset reaktiot pienillä pitoisuuksilla Yksittäisen ionikanavan virtakäyttäytyminen Makrofysikaaliset ominaisuudet Deterministinen käyttäytyminen Esimerkkejä: Kemialliset reaktiot suurilla pitoisuuksilla Solukalvon virtakäyttäytyminen

22 Mikrofysikaaliset prosessit: Kemialliset reaktiot pienillä pitoisuuksilla Reaktioon johtavat törmäykset stokastisia reagoivien molekyylien satunnaisliike reaktiotuotteiden syntynopeus Syntyneiden molekyylien lukumäärä Aika

23 Makrofysikaaliset prosessit: Kemialliset reaktiot suurilla pitoisuuksilla Esim. yksisuuntainen reaktio k A B AB Reaktiotuotteen pitoisuuden aikakäyttäytyminen riippuu lähtöainepitoisuuksista ja nopeuskertoimesta Käyttäytyminen determinististä Esimerkki: d AB dt k A B 1,0 0,8 [AB] 0,6 0,4 0,2 [A] 0 = [B] 0 = 1000, k = 10-8 [A] 0 = 1, [B] 0 > 100, k = 0,1 0, Aika

24 Esim. mikro- vs. makrofysikaalisesta prosessista: Yksittäisen ionikanavan virtakäyttäytyminen Avautuminen ja sulkeutuminen stokastisia prosesseja Ison kanavajoukon läpi kulkeva virta deterministinen suure Patch clamp rekisteröinti: Kalvojännitestep Keskiarvosignaali vastaa ison kanavajoukon käyttätymistä Solukalvon yksittäisen ionikanavan läpi kulkeva virta kalvojännitestepin aikana, monta toistoa

25 NBE-C2101 Biofysiikka 25 Nelson Chapter 2 Solujen sisustan koostumus Biomolekyylien vuorovaikutukset ja rakenne Veden ominaisuudet

26 Chapter 2. What s Inside Cells 26 Biologinen kysymys: Miten solut toteuttavat ja hoitavat niissä jatkuvasti käynnissä olevan valtavan määrän kemiallisia prosesseja ja reaktioihin osallistuvia aineita? Fysikaalisia ideoita: 1. Solukalvot järjestyvät spontaanisti rakenneosistaan ja muodostavat kompartmentteja. 2. Solut käyttävät aktiivista kuljetusta. 3. Biokemialliset prosessit ovat spesifejä (usein entsyymivälitteisiä).

27 What s Inside Cells 27 Eri organismien koostumus:

28 Erilaisilla eliöillä on hyvin samanlainen koostumus atomitasolla: 28 Koostumus molekyylitasolla:

29 Biologisesti tärkeiden alkuaineiden sijainti jaksollisessa järjestelmässä: 29 molekyyleissä Pieniä atomeja: Vahvat kovalenttiset sidokset Myös kaksois- ja kolmoissidoksia (esim. Si ei, vaikka 4 elektronia uloimmalla kuorella kuten C)

30 Skaaloista 30 Dimensiot aika energia: Suuruusluokkien sisäistäminen Dimensiot:

31 Biologiset makromolekyylit voivat olla tosi makroja! 31 DNA:

32 Aikaskaalat: 32 Useimmat entsyymit: Substraatti tuote: 10-3 s Jotkut entsyymit jopa 10-6 s Useat konformaatiomuutokset nopeita DNA:n kaksoiskierteen oikeneminen: ms Molekyylin osan rotaatio toisen suhteen: ns Fotoreseptorimolekyylin konfiguraatiomuutos: < ps Proteiinin elinikä voi olla vain tunteja! Sidos katkeaa

33 33 Nopeiden reaktioiden tutkimus ekstralyhyillä ( jopa < 10 fs) valopulsseilla 10 fs: valon kulkema matka m = 3 mm!

34 Energiaskaalat: 34 1 J = cal Primaarinen energialähde: aurinko Fotonin energia (500 nm): 2.5 ev 57 kcal/mol Terminen energia (25 ºC): ev 0.6 kcal/mol Keskim. energia per vapausaste molekyylissä Kovalenttinen sidos n. 100 kcal/mol C-C 83 kcal/mol Stabiili Tarvitaan entsyymejä katkaisemaan sidokset spesifiset katkaisukohdat Ei-kovalenttiset (fysikaaliset) sidokset muutama kcal/mol Terminen energia riittää katkomaan

35 Molekyylinsisäiset sidokset 35 Kovalenttiset sidokset Kemiallinen sidos Vahvoja sidoksia Biomolekyylien sidokset n kj/mol (1,7 10,4 ev) Molekyylien rakennesidoksia, suuntaavia

36 Eri atomien väliset sidokset polaarisia ryhmiä (dipolimomentti) 36 Elektronegatiivisuus Kasvaa järjestysluvun kasvaessa samassa jaksossa Kasvaa siirryttäessä ryhmässä ylöspäin Esimerkiksi: C-C: ei-polaarinen O-H: voimakkaasti polaarinen

37 Biomolekyyleissä reversiibeleitä vuorovaikutuksia välittävät sidokset Molekyylien välillä Molekyylien sisällä Ionisidokset Ionien välinen attraktio (ei suuntariippuva) Kutsutaan myös Molekyyleissä: suolasilta ( salt linkage, salt bridge ) Voima F liuoksessa: ionipari (varaukset q 1 ja q 2 etäisyydellä r) F qq Dr Vedessä r 80, tyhjössä r = 1 Hiilivety-ympäristössä (lipidi) r 2 Tyypillien ionisidos biomolekyylien välillä: COO -...NH 3 + D 1 2, r Tyhjön permittiivisyys r = riippuen, onko vettä vai muuta väliainetta ionien ympärillä

38 Ionisidoksen energia: Ytimien tasapainoetäisyys = van der Waals säteiden summa Atomien etäisyyksistä kiteessä NaCl-tyyppinen kide (FCC = face-centered cubic) Tasapainoetäisyydet useista eri ionikiteistä ja vertailemalla: Esim. NaCl KCl ja NaOH KOH Kationisäteet < vast. atomisäteet Anionisäteet > vast. atomisäteet Esim. NaCl x e = 2.79 Å (kide), mutta 2.36 Å (kaasu) Sidosenergia viemällä toinen ioni äärettömän kauas: Esim. NaCl r q1q 2 2 Dr q q E dx J J 5.31eV 498kJ mol Dr ( )

39 Koordinaatiosidokset Metallikomplekseissa Keskusatomi (usein ioni) Ligandit ympäröivät keskusatomia (symmetria) Ligandien vapaat elektroniparit keskeisiä, sitova elektronipari yhdeltä atomilta Keskusatomina yleensä siirtymäalkuaine (vajaa d-kuori) Esim 1. Hemoglobiinin hemiryhmä: 4 pyrrolirengasta Fe 2+ :lla 4 sidosta N-atomeihin

40 Fe yleensä oktaedraalisesti ligandoitu: 6 mahdollista sidossuuntaa ligandeille Porfyriinissa 4 ligandia Hemiryhmässä 1 sidos histidiiniin, 1 mahdollinen O 2 :een