Biofizika (molekuláris biofizika és biológiai anyagtan) 2014, tavaszi szemeszter

Átírás

1 A biofizika a biológia és fizika hatátudománya, mely fizikai és fizikai-kémiai módszeeket használ az élő endszeek tanulmányozásáa. Biofizika (molekuláis biofizika és biológiai anyagtan) 014, tavaszi szemeszte Tágy előadója: Fidy Judit és Zínyi Miklós Tágy gyakolatainak felelősei: D. Vaga Zsófia, tudományos munkatás, D. Bosos Attila, tudományos munkatás A biológiában és ovostudományban alkalmazott fizikai módszeek tágyalása. A biofizika az élő szevezetek és az életfolyamatok fizikája, a biológiai folyamatok leíása a fizika nyelvén. A biofizika az élő anyagot vizsgálata a fizika módszeeivel. Az anyagtudomány az anyagok szekezetével, tulajdonságaival, a szekezet és a tulajdonságok közötti összefüggésekkel, a tulajdonságok megváltoztatásának, valamint új tulajdonságú anyagok előállításának elvi alapjaival foglalkozó tudomány. A biológiai anyagtudomány az anyagok szekezetével, tulajdonságaival, a szekezet és a funkció közötti összefüggésekkel, a tulajdonságok megváltoztatásának, valamint új tulajdonságú biokompatibilis és biodegadábilis anyagok előállításának elvi alapjaival foglalkozó tudomány. ÉLŐ ANYAG, BIOANYAG ÉS BIOMIMETIKUS ANYAG (endsze), amely vegetatív (önfenntató) és szapoító (önepodukáló) (élet)jelenségeket mutat. Bioanyagoknak (biomateials) az élővilágot alkotó-, az élő szevezetek által előállított-, vagy befogadott (szintetikus) anyagokat nevezzük. Biomimetikus anyagoknak azokat a szintetikus anyagokat nevezzük, amelyeknek összetételét, stuktúáját vagy funkcióját a temészetből vett példa szolgáltatja.

2 Technikai anyag Technikai anyag monolit hieachikus monolit hieachikus állandóság folytonos megújulás koózió, káosodás öngyógyulás passzív alkalmazkodó képesség ménöki stuktúák önszeveződő stuktúák elektonok ionok változatos enegiafoások ATP temikusan ellenálló hőméséklet ézékeny KÉMIAI SZERKEZET TULAJDONSÁG FELHASZNÁLÁS KÉMIAI SZERKEZET TULAJDONSÁG FUNKCIÓ Technikai anyag Technikai anyag állandóság folytonos megújulás koózió, káosodás öngyógyulás

3 Technikai anyag Technikai anyag passzív alkalmazkodó képesség ménöki stuktúák önszeveződő stuktúák Technikai anyag Technikai anyag elektonok ionok változatos enegiafoások ATP

4 Anyagtudományi követelmények: Biokompatibilitás: A biológiai endszeel (többnyie embei szevezet), vagy biológiai eedetű anyaggal való zavatalan összeféhetőség. Hisztokompatibilitás (szövetekkel) Hemokompatibilitás (véel) Celluláis (sejtekkel) Biofunkcionalitás: Az adott anyag milyen métékben képes betölteni a neki szánt funkciót. Feb. 1. Biológiai endszeek különleges komponense, a víz. (Zínyi Miklós) Feb.19. A biológiai anyag szekezetét meghatáozó kölcsönhatások és funkcionális jelentőségük. (Fidy Judit) Feb. 6. Elektomágneses sugázások kölcsönhatása szövetekkel és szöveti komponensekkel I. Optikai tatomány (Fidy Judit) Mác. 5. Elektomágneses sugázások kölcsönhatása szövetekkel és szöveti komponensekkel II. Röntgen és gamma tatomány (Fidy Judit) Mác. 1. Szövetek kölcsönhatása mágneses téel. Mag mágneses ezonancia szövetekben, az ovosi alkalmazások alapjai (Fidy Judit) Mác. 19. Egyedi biomolekulák és sejtek mechanikai tulajdonságai és méési módszeeik. (Kellemaye Miklós) Mác. 6. Az élő anyag temodinamikai tulajdonságai. (Zínyi Miklós) Ápilis.. Tanszpot jelenségek az élő szevezetben I. (Zínyi Miklós) Ápilis. 9. Tanszpot jelenségek az élő szevezetben II. (Zínyi Miklós) Ápilis 16. Tavaszi szünet Ápilis 3. Makomolekulák konfomációja (Zínyi Miklós) Ápilis 30. Ovosi nanotechnológia. (Zínyi Miklós) Május 7. Ultahang tejedése szövetekben, az ovosi alkalmazások szempontjai. (Fidy Judit) Május 14. Biomolekulák elektomos tulajdonságai, bioelektonikai megközelítések, nanotechnológiai alkalmazások. (Dé Andás, MTA SzBK)

5 SEMMELWEIS EGYETEM Biofizikai és Sugábiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsopot Biológiai endszeek különleges komponense, a víz Zínyi Miklós egyetemi taná, az MTA tagja mikloszinyi@gmail.com (014) Egy különleges folyadék: a víz Thales má Kisztus előtt 580-ban felismete, hogy a víz minden dolgok foása. Kémiai összetételét előszö az angol Heny Cavendish hatáozta meg 1783-ban. H O A Föld felszínének 71%-át víz boítja, ez főleg sós víz. Az édesvíz 70%-a hó és jég fomájában táolódik. Az embei test kotól függő víztatalma 45m% - 75m% (65m%) Napi felvétel: 500 ml Napi leadás: 500 ml Minden szevezet alapvető anyaga a víz. A medúzának még 98%-a, a háom hónapos magzatnak 94%-a, az újszülöttnek még 7%-a, a felnőtt embenek 50-60%-a víz. Az életko előehaladtával a víz aánya csökken. ital 1600 ml étel 700 ml 00 ml vizelet 1500 ml széklet 00 ml páolgás 400 ml izzadás 100 ml A napi vízleadás és vízfelvétel mélegének mindkét oldalán átlagosan,5 lite szeepel: ennyi víz távozik a szevezetünkből a veejtékezés, a légzés, a kiválasztás és az emésztés folyamán, amit pótolnunk kell. Napi folyadékszükségletünk mintegy felét a táplálékokkal, másik felét víz fomájában vesszük magunkhoz. Ezek átlagos mennyiségek!

6 Különböző testészek átlagos folyadék tatalma 70 kg-os féfi szevezet átlagos folyadékmennyisége: 4 l. A hidogénhíd H O Egy intamolekuláis H-híd bontásához szükséges enegia ~1- k B T 0,958 A

7 p [Pa], C A p [Pa] 7, C A 101, víz P szilád száazjég folyadék jég víz vízgőz 610 B jég O gőz , B O gáz ,4 31,1 T [ 0 C] T [ 0 C] A víz moláis téfogata 4 C -on minimális, sűűsége pedig maximális A víz és a szén-dioxid fázisdiagamja. A legtöbb anyag moláis téfogata a kistályos fázisban kisebb, mint az olvadékban. Kivétel: a víz A víz egyik különlegessége, hogy moláis téfogata 8%-al csökken olvadásko. Ez azt jelenti, hogy a nyomás növelése az olvadást segíti elő. jég víz jég víz Ha víz a többi folyadékhoz hasonló nomális folyadékként viselkedne, nem lennének hegyi patakjaink!

8 Mi töténne, ha a víz a többi anyaghoz hasonlóan viselkedne? Víz hőkapacitása ( ) Q= C T mδt - nem lennének hegyi patakjaink, - a jég lesüllyedne a vízben, - folyók teljes egészében befagynának, A folyékony víz hőkapacitása jóval nagyobb, mint a többi folyadéké, de nagyobb a sziládtestek és a gázok hőkapacitásánál is. Ez a víz molekulái között kialakuló számtalan H-híd kölcsönhatás következménye. c P = 4180 J/kgK szobahőmésékleten Szeepe az életfolyamatokban: a testhőméséklet jég szabályozása a nagy hőkapacitás segítségével víz E = 440 kj / mol H Egy 60 kg-os személy megközelítőleg 10 MJ nagyságú hőt ad le naponta, ha endesen táplálkozik. Ez adiabatikus köülmények között 4 C -os hőméséklet emelkedést jelent A víz nagy páolgáshője miatt egységnyi téfogatban több enegiát táol, mint a többi nomális folyadék. Kedveli a poláos felületeket (pl. cellulóz) (kapilláis emelkedés) 6 Q páolg =,3 10 J/kg szobahőmésékleten Szeepe az életfolyamatokban: hatékony hűtőfolyadék a hőméséklet szabályzásban (izzadás). Nem kedveli az apoláos felületeket (pl. teflon)

9 Nagy felületi feszültség γ = 7,7 mn / m 5 C -on. Szeepe az életfolyamatokban:. Jó oldósze A hézagos vízszekezet miatt jó oldószee a gázoknak O, CO,.... ( ) jég A jól elegyedik poláos molekulákkal CH CH OH ( ) 3 Mengyelejev szabadalma alapján

10 Apoláos molekulák oldása vízben hajtóeő Hidofób kölcsönhatás Δ G < 0 Δ G =ΔH TΔS W. Kauzman Figue 3.7 Sók oldása vízben Jó oldósze Cl Na Na Cl Δ H > 0 Δ S > 0 Δ G < 0 Miét különülnek el a kationok és az anionok? A Coulomb tövény talán nem évényes? Coulomb tövény Vákumban! 1 qq 1 f = e = 8, J 1, 1, 4πε 0 1, Közeg hatás! vákum (szolvatáció) hidatáció ε o Cm 1 1 qq f ( ) = e 4πε o ε 1, 1, ε : elatív pemittivitás (dielektomos állandó) Az ányékoló hatás météke a molekula elektonszekezetének aszimmetiájától függ. Ha a molekula poláos, azaz az elektonok molekulán belüli eloszlása nem egyenletes, hanem aszimmetikus, akko ez a hatás eősebb, mint apoláos (szimmetikus elektoneloszlású) molekulák esetében. ε kicsi közepes nagy Anyag Relatív pemittivitás (Dielektomos állandó) víz 80,1 hangyasav 51,1 dimetil-szulfoxid 47, dimetil-fomamid 38,3 metanol 33,0 etanol 5,3 aceton 1,0 kloofom 4,8 benzol,3 hexán 1,9 levegő 1,0 1 qq f = e C ( ) A B 1, 1, 4πε oε

11 Jó oldósze A vízmolekulák az ionok köül endezett szekezetű hidát éteget hoznak léte. Ezt a folyamatot hidatációnak nevezzük. Dielektomos állandó 5 C -on: 78,54 A különbözű előjelű töltések közt ható eők a közeg dielektomos állandójának (elatív pemittivitásának) növelésével csökkennek. A nagy dielektomos állandójú víz az ionok kölcsönhatásának enegiáját több mint 80-ad észée csökkenti. Ez a nagymévű enegia csökkentés felelős a víz kiváló oldó hatásáét. Coulomb tövény Közeg hatás = 1 qq f e 1, 4πε 0 1, Vákuumban! ε o = 8, J Cm qq A uc ( ) = u ( ) = ε πε ε C, o 4 o B f1 1 q Eo ( ) = = e q 4πε 1 o 1, 1, 1 q 4πε ( ) = ( ) = o = U G E d o 1, [ A] 1 qq 4πε o ( ) = G( ) = U ( 1, ) U 1, q q = , kj / mol G qq ε S( ) = = T 4πε T 1, Δ G =ΔH TΔS

12 Enegia-, vagy entópikus eedetű a hidatált ionok közötti kölcsönhatás? Autopotolízis Δ G =ΔH TΔS Δ 1 qq U( ) =Δ G( ) = 4πε o ε H O Hydonium Hydoxide ion H(H 3O ion (OH 3 O ) ) ΔG qq ε Δ S( ) = = T 4πε ε T o hidoxonium ion hidoxid ion ΔG qq ε 1 ε Δ S( ) = = =ΔG T 4πε ε T T o ε 14 K v = 10 ph mol / dm mol / dm ε =0, 0046 ε T Δ S =0, 0046 ΔG T S 1, 38 Δ = ΔG Szeepe az életfolyamatokban: savas, semleges és lúgos fomában egyaánt előfodulhat. Meye B. Jackson: kíséleti adatokból entópikus eedet! H H H H OH OH H H H H Acidic solution OH OH H H OH OH OH H H H Neutal solution OH H OH Neutal [H ] = [OH ] Inceasingly Basic Inceasingly Acidic [H ] < [OH ] [H ] > [OH ] ph Scale 0 1 Battey acid Gastic juice, lemon juice 3 Vinega, wine, cola 4 Tomato juice Bee Black coffee 5 Rainwate 6 Uine Saliva 7 Pue wate Human blood, teas 8 Seawate Inside of small intestine 9 10 Milk of magnesia 11 OH OH Household ammonia OH OH H OH 1 Basic solution Household 13 bleach Oven cleane 14

13 ÓVAKODJ! A vé ph-ja M=70 kg 0,1 mol H 1 mol CO ph=? H HCO H 3 H PO H 4 NH NH H 4 3 ph 4,5 ph: 7,35 7,45

14 A szevezet folyadékteei Vizes oldatok sejtszintű megoszlása Intacelluláis folyadékté ICF A sejten belüli folyadékmennyiséget jelöli. A testsúly kb. 36 %-a (5 l). Extacelluláis folyadékté ECF A sejten kívüli összes folyadékmennyiséget jelöli. A testsúly kb. 4 %-a (17 l). víz Intacelluláis folyadék (ICF) Extacelluláis folyadék (ECF) Plazmavíz Intestíciális folyadék Fibózus kötőszövet Csontállomány víztatalma Tanszcelluláis folyadék /3 ICF 1/3 ECF 1/3 véplazma /3 szövetek közti Izotóniás oldatok: ha két különböző oldat ozmózisnyomása egyező Testfolyadék összetétele Ha a koncentáció kisebb, mint az izotóniás oldaté, akko: víz sejt hipotóniás oldat ECF Az extacelluláis téfogat növekszik. anyag ICF [%] szöveti [%] plazma[%] Ha a koncentáció nagyobb, mint az izotóniás oldaté, akko: könyezet sejtvíz hipetóniás oldat Az intacelluláis téfogat csökken K Mg Na Ca potein PO HCO Cl más

15 Vé Felnőtt embe keingő vétömege az össztömegének 6-8 %-a. (4 6 l) Összetétele: véplazma 55%, alakos elemek 45%. Víz 90-9% potein 8-10% Na, K, Ca 1% Legfontosabb szeepe: anyagtanszpot és enegia(hő)tanszpot 3 5 millió vöösvétest minden mm -ben. 0,8 % bomlik és keletkezik minden nap albumin globulin fibingén Viszkozitása 4-5 szööse a vízének ( 3 6 mpas) 3 Sűűsége: kg / m ph: 7,35 7,45 Osmolaitása: 300 mosm (0.3 Osm) Hőméséklete: 38 C