Luento 11 31.3.2017 1 Dissosiaatioreaktiot ph-puskurit Itseorganisoituminen Molekulaariset moottorit Solukalvon ionipumput ja kuljetusmekanismit Solukalvon sähköinen malli Kalvojännite stationääritilassa
Dissosiaatio Ionisidokset dissosioituvat vedessä Esim. NaCl ilmassa 2 e 28 1 19 E ev 2,310 Jm 7,7 10 J 190 k 4 9 BT d 0,310 m 0 Vedessä dielektrisyysvakiosta energiavaimennustekijä n. 80 Suolakiteiden hajoamisesta entropian kasvu Polaariset molekyylit liukenevat veteen Entropian kasvu Energiamuutos pieni, jos osallistuvat vetysidosverkkoon OH-ryhmä NH 2 -ryhmä voimakkasti elektronegatiivisia
Veden dissosiaatio: H O H OH 2 K eq [ H ][ OH ] 1,810 16 M 2 (25 C ) [ HO 2 ] suuri, ei muutu vesiliuosreaktioissa 16 2 14 2 H OH KW [ ][ ] 55,5 1,8 10 M 1,0 10 M Veden ionitulo ph log [ H ] 10 7 Neutraali: [ H ] [ OH ] 10 M ph 7 Happo: Neutraali aine, joka veteen liuetessaan happamoittaa liuosta (esim. HCl) Emäs: Neutraali aine, joka veteen liuetessaan muuttaa liuosta emäksiseksi (esim. NaOH)
Hapon dissosiaatio: Esim. Karboksyyliryhmä -COOH -COO - + H + HA H A K eq [ H ][ A ] [ HA] K d dissosiaatiovakio pk eq log 10 K eq Jos ph = pk eq : K eq pk ph eq [ H ][ A ] [ HA] [ A ] log 10 [ HA ] [ A ] [ HA] puolet ionisoituvista ryhmistä dissosioitunut
Amfolyytit: Happo- ja emäsryhm(i)ä samassa molekyylissä Vaikuttavat veden koostumukseen ja rakenteeseen Esim. aminohapot Titraatio: Glysiini: 2 ionisoituvaa ryhmää
Ionisoituvat ryhmät vastustavat liuoksen ph-muutoksia: ph-puskurit Puskurikapasiteetti : d[ HA] d( ph ) [HA] = happolisäys Titrauskäyrän kulmakerroin Suurimmillaan, kun ph = pk Biologisesti tärkeitä puskurisysteemejä: Hiilidioksidi-vetykarbonaatti CO2 H2O ( H2CO3 ) H HCO3 Proteiinien ionisoituvat ryhmät
Proteiinin varaus riippuu ympäristöstä: Histidiinin pk fysiologisella ph-alueella Sivuketjut: COOH COO H 3 2 NH NH H (Asp, D) (Glu, E)
Ryhmän protonoituneisuustodennäköisyys: [ COOH ] 1 P [ COOH ] [ COO ] [ COO ] 1 [ COOH ] Tasapainovakio: K eq, [ COO ] K [ COOH ] [ H ] eq, 1 P 110 Keq, 1 [ H ] [ COO ][ H ] [ COOH ] ph pk 1
Ryhmän keskimääräinen varaus: Hapan ryhmä: -e (1 - P ) Emäksinen ryhmä: ep Titraus: Proteiinien erottelu mahdollista elektroforeesilla
Amfifiilisten aineiden itseorganisoituminen Pinta-aktiiviset aineet ( surfactants ) Emulsio = kahden toisiinsa sekoittumattoman nesteen homogeeninen seos SDS Solujen kalvoissa fosfo- ja muita lipidejä:
Spontaani itseorganisoituminen: Vapaaenergiaminimi, kun monomolekulaarinen kerros polaariset (hydrofiiliset) osat vedessä ei-polaariset (hydrofobiset) osat öljyssä
Esim. Misellien muodostuminen 12 Misellimuodostuksen detektio osmoottisella paineella: Pienillä rasvahappopitoisuuksilla p käyttäytyy kuten suolan tapauksessa Tietyssä pitoisuudessa CMC (kriittinen misellikonsentraatio) osmoottinen paine lähtee äkkinäisesti laskemaan verrattuna suolan lisäykseen Aggregaattien (misellien) muodostuminen Reaktio: N monomeeriä K c 1 monomeeripitoisuus c N misellipitoisuus eq c c N N 1 c c Nc c NK c N 1 tot 1 N 1(1 eq 1 ) 1 aggregaatti Merk. CMC c c, jolloin c Nc ½c Tällöin * tot 1,* N,* * c NK N c c N 1 2c1 1(1 ) ctot c c * N 1 N,* 2 eq N 1,* * K + -oleaatti p k Tc CMC: Puolet monomeereistä vapaana, puolet miselleissä B N = 5 N = 30
Misellit: Kriittinen misellikonsentraatio (CMC):
Geometria riippuu mm. lipidien muototekijöistä ja lipidipitoisuudesta
ja pinta-aktiivisen aineen rakenteesta Rakenteeseen vaikuttavia tekijöitä: 1. Pääryhmän alaan vaikuttavat tekijät Anioniset pääryhmät Pienemmäksi suolakonsentaatiota kasvattamalla, ph:n laskulla 2. Hiilivetyketjujen pakkautumiseen vaikuttavat tekijät Ketjujen saturaatio Ketjujen haaroittuminen Muiden hydrofobisten molekyylien tunkeutuminen lipidifaasiin 3. Lämpötilan vaikutus (nosto) Pääryhmä Ketjut Hydrofiiliset laajenevat (steerinen) Hydrofobiset saattavat pienetä (lisääntynyt hydrofobisuus) Laajenevat 4. Lipidikoostumus
Ehto lipidien mahtumiselle miselliin: 4 3 l 2 3 c 4 lc V V al c 1 3 a
10. Entsyymit ja molekulaariset moottorit 17 Elävät organismit vapaaenergiamuuntimia Biologinen kysymys: Kuinka molekulaarinen moottori muuntaa kemiallisen energian (skalaarisuure) suunnatuksi liikkeeksi (vektori)? Fysikaalinen idea: Mekaaniskemiallinen kytkentä syntyy vapaaenergiapinnasta, jonka muoto (suunta) määräytyy molekulaarisen moottorin ja sen radan geometriasta. Moottori suorittaa suunnattua satunnaiskävelyä tällä vapaaenergiapinnalla.
Molekulaariset laitteet 18 Muodostuvat yhdestä tai pienestä joukosta molekyylejä Luokittelu: 1. Katalyytit Soluissa entsyymit 2. Laitteet Kertaiskulaitteet Käyttävät sisäisen lähteen vapaata energiaa kunnes G = 0 Syklisesti toimivat laitteet Käyttävät ulkoisen lähteen vapaata energiaa Moottorit Lineaari Pyöritys Pumput Ainegradientit kalvojen yli Syntaasit 3. Ionikanavat
Molekulaariset moottorit 19 Tutkimusmenetelmä: optiset pinsetit Valolla liikemäärä Epähomogeeninen valonsäde (laserilla gaussinen) ja taitekerroinero palleron ja väliaineen välillä n bead > n surr voimavaikutus säteen keskelle n bead < n surr voimavaikutus säteestä pois Tarvitaan suuri intensiteetti myosiini kiinnitetty
Mekaaniset koneet: 1-dim. tapaus 20 Makroskooppinen kuvaus w m g 1 1 Ideaalinen Rakentessa epäideaalisuuksia Moottorin tuottama vääntömomentti: du d U potentiaalienergia Punnuksen aiheuttama vääntömomentti: wr 1
Mekaaniset koneet: 2-dim. tapaus 21 Makroskooppinen kuvaus Kiertokulmat ja kytkeytyneet Ilman kuormaa (w 1 ) ja ajavaa voimaa (w 2 ) liike vapaaenergialaaksonpohjia pitkin
Mekaaniset koneet: 2-dim. tapaus 22 Makroskooppinen kuvaus Tässä kuorma (w 1 ) ja ajava voima (w 2 ) läsnä Liike vapaaenergialaaksonpohjia pitkin Vallin ylitys mahdollinen: Epäideaalisuudet Sopiva vapaaenergiapinnan kallistus eli kuorman ja ajavan voiman suhde
Molekulaaristen moottoreiden perusteita 23 Molekulaariset moottorit Toimivat satunnaiskävelymekanismilla (terminen energia) Liike vapaaenergiapinnalla Prosessi pinnan kaltevuuden suuntaan Voivat ylittää energiavalleja Keskimääräisellä odotusajalla eksponentiaalinen riippuvuus Voivat varastoida potentiaalienergiaa, ei kineettistä energiaa! Nanoskaala Voivat muuttaa sisäistä energiaa suunnatuksi liikkeeksi, jos rakenne epäsymmetrinen
Terminen räikkä 24
Terminen räikkä, yhteenveto 25 Oletetaan ideaalinen räikkä ( perfect ratchet ): >> k B T G-räikkä: Kuormittamaton ei tee nettoliikettä Kuormallinen liikkuu vasemmalle, kun f, puristuneen jousen energia L S-räikkä: Liikkuu (termisellä liikkeellä) oikealle, kun Kuormittamaton keskim. siirtymänopeus: t f step L 2 L L 2D v 0 2D t L step Räikän vaeltelun diffuusiokerroin
Terminen räikkä 26 Makromolekyylin kuljetusmalli poorin läpi: TIM = mitochondrial transmembrane import (protein) complex Hsp70 = heat shock protein 70
Kinesin: mekanokemiallinen molekulaarinen moottori 27 Kävely mikrotubulusta pitkin Mikrotubulus: suunnan suhteen epäsymmetrinen toistorakenne 1 ATP-hydrolyysi/askel Askelpituus 8 nm = mikrotubuluksen toistoyksiköiden välinen etäisyys Michaelis-Menten -kinetiikka
Kinesin-kävely 28 D = ADP T = ATP P = fosf.
11. Machines in Membranes 29 Historiaa: Luigi Galvani (1737-1798) Eläimissä sisäistä sähköä
30 Alessandro Volta (1745-1827): Eläimissä ei sisäistä sähköä, Galvanin havaitsemat ilmiöt ulkoisesta sähköstä
Solukalvon kuljetusmekanismeja: 31
Solukalvon kuljetusmekanismeja: 32 Esim. munuainen:
12. Nerve Impulses 33 Hermosolut: Informaation keruu Informaation kuljetus Signaalinkäsittely
34 Aktiopotentiaalin eteneminen: Biologinen kysymys: Miten vuotava kaapeli voi välittää tarkkoja signaaleja pitkiä matkoja? Fysikaalinen idea: Solukalvon epälineaariset konduktanssimekanismit muodostavat eksitaatiomekanismin, joka jatkuvasti regeneroi aktiopotentiaalin.
35 Hermosolun toiminta: Solun stimulaatio Yleensä dendriiteissä Toinen hermosolu Reseptorisoluissa fysikaalinen/kemiallinen ärsyke Signaalien summaus (lähtevän signaalin laskenta ) Lähtevän signaalin generointi aksoniin ja välitys synaptiselle alueelle Synapsivälityksen tehokkuuden säätely Oppimisilmiöt
36 Ei-isopotentiaalinen solu Myös aksoni pienillä stimuluksilla Signaalin elektrotoninen leviäminen Stimulus depolarisoi solua Inhibitoriset signaalit voivat hyperpolarisoida solua Joissain hermosoluissa eksitaatio aiheuttaa hyperpolarisaation Näköaistinsolut Portaattomat potentiaalit ( graded potentials ) vs. aktiopotentiaalit
Aktiopotentiaali: 37 Intrasell. Lajivertailu 16 mm 0.75 ms Stimulointi kauempaa viive v = 21.3 m/s
Solukalvon sähköinen malli: 38 Solukalvossa ionikanavien muodostamia konduktansseja Konduktanssit rinnakkain : rinnankytkentä Solukalvolla myös kapasitanssia (~ 1 F/cm 2 ) Rinnankytkentä
39 Solukalvon sähköinen malli: Perusteet: 1. Varausta ei pysty kertymään jatkuvasti piirin elementteihin 2. Johtimien liitoskohdassa: tulevat virrat = lähtevät virrat 3. Potentiaali sama johtimien molemmissa päissä johtimilla ei resistanssia 4. Jännitelähde aiheuttaa potentiaalihyppäyksen 5. Virta I vastuksen R läpi aiheuttaa jännitehäviön IR Kullekin ionilajille oma(t) väylänsä (ionikanavat): V IiRi Vi Nernst
Kaikki konduktanssit: 40 V IiRi Vi Nernst Solukalvon kapasitanssi (~ 1 F/cm 2 ) kapasitiivinen virta kalvojännitteen muuttuessa C q dq, I V dt d( V) I C dt
Stationääritila: Ionikanavavirrat + pumppuvirrat 41 Kvasistationääritila: Pumppuvirrat jätetään huomioimatta Muutaman mv virhe absoluuttiseen kalvojännitearvoon I I I I I tot C K Na Cl d( V) Nernst Nernst Nernst Cm gk ( V VK ) gna ( V VNa ) gcl ( V VCl ) dt d( V) Kvasistationääritilassa Itot 0 ja 0 dt 0 V V Nernst Nernst Nernst KVK NaVNa ClVCl g g g g g g K Na Cl Na/K-pumppu lataa Na- ja K-paristot Cl - yleensä tasapainossa (tai hyvin lähellä) Lepotilan Na + - ja K + -konduktanssit pieniä Eivät kuormita paristoja Konduktanssimuutokset muuttavat kalvojännitettä Ionikanavat solukalvon sähköinen toiminta Kalvokondensaattori ladattava kalvojännitemuutoksissa
Jänniteherkkä K + -ionikanava (Kv1.2) jännitesensorit 42 4-kertainen symmetria soluvälitila transmembrane sytoplasma