BECS-C2101 Biofysiikka Luennoitsija: Ari Koskelainen ari.koskelainen@aalto.fi puh. 050-3673768 Pääassistentti: Teemu Turunen teemu.turunen@aalto.fi Kurssin tiedotus: Noppa Oppimateriaali: Nelson: Biological Physics Luentokalvot tulevat Noppaan Suositeltavaa oheislukemistoa: Phillips, Kondrev, Theriot: Physical Biology of the Cell Kurssin suoritus: Laskuharjoituskotitehtävät (30%) Välikokeet (70%) tai tentti (70% / 100 %) Laskuharjoitukset: ke 12-14 Sali1 F-talo Ensimmäiset harjoitukset 21.1.2015
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. lähteä biofysiikan tai sitä soveltavien alojen tutkimusryhmiin tutkimusapulaiseksi 4. voi jatkaa biofysiikan ja sille läheisten alojen opiskelua esim. lääketieteellisen tekniikan (Biomedical Engineering) pääaineessa
Kuvassa K + -selektiivinen ionikanava: 3
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: Fysiikka Fysikaalinen kemia Biokemia Lääketiede Fysiologia Biofysiikka Neurobiologia Molekyylibiologia
Elollisen aineen fysiikan (biofysiikan) määrittely: Tieteenala, jossa sovelletaan fysiikkaa (sekä kemiaa ja matematiikkaa) biologisten prosessien ja ilmiöiden (biologisten systeemien) tutkimukseen. Esim. Hermosolujen sähköinen signalointi Esim. Linnun lennon mekaniikka
Esim. Synapsivälitys 6
7 Esim. Aineiden kuljetus soluissa Dimensiot Diffuusio Molekulaariset moottorit
Esim. Molekulaariset moottorit
Biofysiikan sovelluksia: 9 Esim. sydämentahdistin Cambridge Consultants
Kurssin sisältö 10 1. Mitä soluissa on 2. Biologisten molekyylien rakenne 3. Voimat ja vuorovaikutukset, liuoksessa 4. Katsaus termodynamiikkaan 5. Terminen energia, Boltzmann-jakauma 6. Satunnaiskävely, kitka ja diffuusio 7. Veden ominaisuudet, pienten Reynoldsin lukujen maailma 8. Entropia, lämpötila, vapaa energia 9. Kahden tilan systeemit 10. Entrooppiset voimat 11. Kemialliset voimat ja itseorganisoituminen 12. Biologiset kalvot 13. Molekulaariset moottorit 14. Solujen sähköiset ilmiöt
Malliajattelusta 11 Mallit ovat idealisointeja Mallit laaditaan kuvaamaan (vain) systeemin niitä ominaisuuksia, joita halutaan tutkia; yhdelle systeemille useita malleja Esim. DNA
Malleista 12 Esim. proteiini H = hydrophobic P = polar
Malleista 13 Esim. Solukalvo
Malleista 14 Esim. Kolibakteeri (E. Coli)
Malleista 15 Esim. Vesi
Chapter 1. What the Ancients knew Kysymys: Miten elävät organismit voivat olla niin järjestyneitä?
Chapter 1. What the Ancients knew Kysymys: Miten elävät organismit voivat olla niin järjestyneitä? Fysikaalinen idea: Energian virtaus systeemin läpi voi synnyttää järjestystä.
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
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.
Energiamuunnosprosesseja 20
Termodynamiikan I pääsääntö (energian häviämättömyys): du dq dw (usein merk. sisäenergian muutos d U Q W, koska lämpömäärä Q ja työ 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
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?
Maapallon biosfäärin energiabudjetti 23
Esimerkki vapaaenergiamuuntosysteemistä:
Terminen energia 25 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 1,381 10-23 J/K
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
Syntyneiden molekyylien lukumäärä Mikrofysikaaliset prosessit: Kemialliset reaktiot pienillä pitoisuuksilla Reaktioon johtavat törmäykset stokastisia 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 Aika
[AB] 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 0,6 0,4 0,2 [A] 0 = [B] 0 = 1000, k = 10-8 [A] 0 = 1, [B] 0 > 100, k = 0,1 0,0 0 20 40 60 80 100 Aika
Mikro- vs. makrofysikaaliset prosessit: Yksittäisen ionikanavan virtakäyttäytyminen Avautuminen ja sulkeutuminen stokastisia prosesseja Ison kanavajoukon läpi kulkeva virta deterministinen suure
Molekulaarisen systeemin stokastinen käyttäytyminen voidaan saada deterministiseksi Lisäämällä osallistuvien molekyylien pitoisuutta Kasvattamalla tilavuutta, jossa reaktio tapahtuu (kun pitoisuus vakio) Kasvattamalla tarkastelujakson pituutta (keskim. käyttäytyminen) Biokemiallisten reaktioiden tai biosysteemien signaloinnin luotettavuus Tilavuus Lukumäärät Aikavakiot
Valomonistinputki vs. näköaistinsolu Fotoni irrottaa tyhjäputken katodilta elektronin Kiihdytysjännite dynodien välillä: elektronien monistus (10 5 10 8 kertainen) Anodille helposti mitattava virtapulssi
Esimerkki: Ihmisen (näkö)sauvasolu Erikoistunut toimimaan heikossa valossa Pystyy tuottamaan luotettavan signaalin yksittäiseen absorboituneeseen fotoniin sauvasolu halkaisija 5 cm 1 mm Valomonistinputki Käyttöjännite 1000 V 30 mv
Herkkä, mutta silti hyvin alhainen kohina Toistuva vastekinetiikka yksittäisille fotoneille Miten evoluutio ratkaissut luotettavuusongelman? 1. Paljon rodopsiinia (3 10 9 /solu) Edellyttää erittäin suurta stabiilisuutta Terminen isomerisaatio keskimäärin kerran 3000 vuodessa per rodopsiini 2. Suuri vahvistus Yksi fotoni aiheuttaa n. 10 5 sisäviestinmolekyylin hydrolysoinnin Eliminoi kokonaisprosessin stokastisuutta, vaikka sekventiaaliset osaprosessit stokastisia 3. Anisotropia Kalvoproteiinit samassa tasossa, oikea asento koko ajan