Biomolekulák mint polimerek. Milyen alakúak a biopolimerek? 4/22/2015. Biopolimerek osztályozása hajlékonyságuk alapján

Hasonló dokumentumok
Biomolekulák nanomechanikája A biomolekuláris rugalmasság alapjai

Orvosi Biofizika II. A Biomechanika története. Mechanikai alapok. Biomechanika: Biomolekuláris és szöveti rugalmasság

Mechanikai erők a sejtek szintjén

merevség engedékeny merev rugalmasság rugalmatlan rugalmas képlékenység nem képlékeny képlékeny alakíthatóság nem alakítható, törékeny alakítható

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 6.

Citoszkeleton. Sejtek rugalmassága. Polimer mechanika: Hooke-rugalmasság. A citoszkeleton filamentumai. Fogászati anyagtan fizikai alapjai 12.

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER (Nyitrai Miklós, )

Tartalom. A citoszkeleton meghatározása. Citoszkeleton. Mozgás a biológiában A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER 12/9/2016

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 8. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7.

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Biofizika I

Nanomedicina Szimpózium, Nanomechanika: Egyedi Biomolekulák Manipulálása. Kellermayer Miklós

Mi a biomechanika? Mechanika: a testek mozgásával, a testekre ható erőkkel foglalkozó tudományág

FOK Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai tárgy kolokviumi kérdései 2012/13-es tanév I. félév

DNS, RNS, Fehérjék. makromolekulák biofizikája. Biológiai makromolekulák. A makromolekulák TÖMEG szerinti mennyisége a sejtben NAGY

Szilárd testek rugalmassága

Biofizika I

Vérkeringés. A szív munkája

Makromolekulák. Fehérjetekeredé. rjetekeredés. Biopolimer. Polimerek

BIOMECHANIKA 3 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben

Kollár Veronika

11/15/10! A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER! Polimerizáció! Polimerizációs egyensúly! Erő iránya szerint:! 1. valódi egyensúly (aktin)" Polimer mechanika!

Mechanika, dinamika. p = m = F t vagy. m t

Anyagok az energetikában

A= a keresztmetszeti felület cm 2 ɣ = biztonsági tényező

Vadmadarak és emlősök anatómiája és élettana. Mozgás szervrendszer Fogak

Reológia Mérési technikák

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

Polimerek vizsgálatai

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2.

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Molekulák, folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai

Vezetők elektrosztatikus térben

Polimerek vizsgálatai 1.

A biológiai mozgások. Motorfehérjék. Motorfehérjék közös tulajdonságai 4/22/2015. A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Szerkezeti homológia

Jellemzői: általában akaratunktól függően működik, gyors, nagy erőkifejtésre képes, fáradékony.

FOK Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai tárgy kolokviumi kérdései 2017/18-es tanév

Emberi szövetek. A hámszövet

Rövid anyagtudomány. Biomolekulák és sejtek mechanikai tulajdonságai ÉL SEJT: MOLEKULAGÉPEZETEK SOKASÁGA MIÉRT EGYEDI MOLEKULÁK?

Hajdú Angéla

1. feladat Alkalmazzuk a mólhő meghatározását egy gázra. Izoterm és adiabatikus átalakulásokra a következőt kapjuk:

Határfelületi jelenségek. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 3. Általános anyagszerkezeti ismeretek. N m J 2

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER FUTÓ KINGA

ANATÓMIA FITNESS AKADÉMIA

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

AZ EMBERI TEST FELÉPÍTÉSE

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Kollokviumi vizsgakérdések biokémiából humánkineziológia levelező (BSc) 2015

elasztikus rostok: hajlékonyság sejtközötti állomány mukopoliszacharidjai

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Szilárd anyagok mechanikája. Karádi Kristóf Fogorvosi biofizika Biofizikai Intézet, PTE ÁOK

1. előadás. Gáztörvények. Fizika Biofizika I. 2015/2016. Kapcsolódó irodalom:

Dinamika. p = mυ = F t vagy. = t

Feladatlap X. osztály

Hidrosztatika, Hidrodinamika

A harántcsíkolt izom struktúrája általános felépítés

Anyagvizsgálatok. Mechanikai vizsgálatok

Ábragyűjtemény levelező hallgatók számára

A citoszkeleton Eukarióta sejtváz

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

A citoszkeletális rendszer

BIOMECHANIKA 2 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben

Transzportfolyamatok. összefoglalás, általánosítás Onsager egyenlet I V J V. (m/s) áramvonal. turbulens áramlás = kaotikusan gomolygó áramlás

Egyedi molekula vizsgálatok

Határfelületi jelenségek. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 3. Általános anyagszerkezeti ismeretek E A J 2. N m

Sejtmozgás és adhézió Molekuláris biológia kurzus 8. hét. Kun Lídia Genetikai, Sejt és Immunbiológiai Intézet

Az élő sejt fizikai Biológiája:

A szerkezeti anyagok tulajdonságai és azok vizsgálata

Biopolimer 12/7/09. Makromolekulák szerkezete. Fehérje szerkezet, és tekeredés. DNS. Polimerek. Kardos Roland DNS elsődleges szerkezete

Reológia, a koherens rendszerek tulajdonságai

DR. DEMÉNY ANDRÁS-I)R. EROSTYÁK JÁNOS- DR. SZABÓ GÁBOR-DR. TRÓCSÁNYI ZOLTÁN FIZIKA I. Klasszikus mechanika NEMZETI TANKÖNYVKIADÓ, BUDAPEST

12. Polimerek anyagvizsgálata 2. Anyagvizsgálat NGB_AJ029_1

3. POLIMEREK DINAMIKUS MECHANIKAI VIZSGÁLATA (DMA )

Bor Pál Fizikaverseny, középdöntő 2016/2017. tanév, 8. osztály

BME Department of Electric Power Engineering Group of High Voltage Engineering and Equipment

XT - termékadatlap. az Ön megbízható partnere

Fémtechnológiák Fémek képlékeny alakítása 1. Mechanikai alapfogalmak, anyagszerkezeti változások

MEDICINÁLIS ALAPISMERETEK BIOKÉMIA AZ IZOMMŰKÖDÉS 1. kulcsszó cím: A SZERVEZETBEN ELŐFORDULÓ IZOM- SZÖVETEK TÍPUSAI 1. képernyő cím: Sima izomszövet

Nyomás fizikai állapotjelző abszolút és relatív fogalom

Folyadékáramlás vérkeringés

A biológiai mozgások. A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Motorfehérjék. Motorfehérjék közös tulajdonságai

Szövettípusok a növény és állatvilágban

Szerkezet és tulajdonságok

GEOTECHNIKA I. LGB-SE TALAJOK SZILÁRDSÁGI JELLEMZŐI

SiAlON. , TiC, TiN, B 4 O 3

Izomműködés. Az izommozgás. az állati élet legszembetűnőbb külső jele a mozgás amőboid, ostoros ill. csillós és izomösszehúzódással

Az élő sejt fizikai Biológiája Kellermayer Miklós

3D bútorfrontok (előlapok) gyártása

Az úszás biomechanikája

Szádfal szerkezet ellenőrzés Adatbev.

Keringési Rendszer. Vérkeringés. A szív munkája. Számok a szívről. A szívizom. Kis- és nagyvérkör. Nyomás terület sebesség

A harántcsíkolt izomrostok típusai:

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Hidraulika. 1.előadás A hidraulika alapjai. Szilágyi Attila, NYE, 2018.

Ejtési teszt modellezése a tervezés fázisában

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Átírás:

4/22/2015 Orvosi Biofizika II. Biomechanika Biomolekuláris és szöveti rugalmasság Mártonfalvi Zsolt Biomolekulák mint polimerek A biomolekulák polimerek. Közös bennük: Lineáris elsődleges szerkezet (fehérje, DNS) Monomerek között erős kötések (kovalens) A lánc távoli részei között gyengébb másodlagos kötések 1. Lineáris DNS, fehérje, cellulóz 2. Elágazó glikogén 3. Cirkuláris mt DNS Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet Semmelweis Egyetem Budapest Milyen alakúak a biopolimerek? Biopolimerek alakját leíró paraméterek Perzisztencia hossz Kontúrhossz Biopolimerek osztályozása hajlékonyságuk alapján l = perzisztenciahossz L = kontúrhossz Merev l >> L Mikrotubulus Sejtosztódás Vég-vég hossz e -1 Kettős szálú DNS l Ds cosj e j Ds l Kontúrhossz (L): A lánc teljes hossza Vég-vég hossz (R): A lánc két végpontja között mért távolság. Perzisztenciahossz (l) : jellemzi a láncirányultság állandóságát. A rövidebb perzisztenciahosszal rendelkező polimerek rugalmasabbak. Szemiflexibilis l L Hajlékony l << L Mikrofilamentum DNS aktin tubulin 1

Erő (pn) eszültség (σ) 4/22/2015 Rugalmasak-e a biopolimerek? Igen, de nem érvényes Hooke törvénye. Rugalmasságuk nem lineáris. Entrópikus rugalmasság A megrövidült lánc erővel kinyújtható Lehet egyedi molekulákat nyújtani? a lézercsipesz Hőmérsékleti energia (k B T) a láncban hajlító mozgásokat gerjeszt A lánc rendezetlensége (entrópiája) növekszik. ~ k BT R l L + R a L = erő l = perzisztenciahossz k B = Boltzmann állandó T = abszolút hőmérséklet L = kontúrhossz R = vég-vég hossz R/L = relatív megnyúlás lézer nyaláb Mikroszkóp objektívek A lánc rövidül Nemlineáris erőválasz Növekvő perzisztenciahossz mikrogyöngy lézer nyaláb perzisztenciahossz erő () Mozgatható mikropipetta Vizsgált molekula (DNS, fehérje ) vég-vég hossz(r) http://glass.phys.uniroma1.it/dileonardo/applet.php?applet=traporcesapplet Kettős szálú DNS nyújtása lézercsipesszel Szöveti rugalmasság mechanikai alapjai Hook féle rugalmasság eszültség-deformáció diagram Bakteriofág DNS pakoló motorja A l Dl Rugalmassági határ Képlékeny tartomány Szakadás 65 pn nemlineáris rugalmasság túlnyúlás Megnyúlás (mm) = 55 pn Dl E A l = erő A = keresztmetszeti felület l = nyugalmi hossz Dl = hosszváltozás /A = σ = feszültség (N/m 2 = Pa) Dl/l = ε = deformáció (nincs m.e.) E= σ / ε Young modulus (Pa) = nyíróerő A = folyadékfelület η =viszkozitás y A v Deformáció (ε) Viszkozitás y = folyadékrétegek közötti távolság v = áramlási sebesség /A = nyírófeszültség Δv/Δy = sebesség grádiens (deformáció) 2

4/22/2015 Mechanikai erők a sejtek szintjén Kemény szövetek Lágy szövetek A szövetekben működő erőhatások og Vázizom Rugalmas artéria A szöveti erők eredete: sejtes feszítés/nyomás folyadék áramlás mozgás: nyújtás/összenyomás hidrosztatikai/ozmózis nyomás Erők mint mechanikai szignál: irányított lecsengés: 1/r komplex térbeli információt hordoz hosszú távú kommunikáció gyorsan szabályozható nincs diffúzibilis intermedier Celluláris dimenziók: Hossz: mm Erő: pn 1Pa = 1pN/mm 2 Referencia Összenyomás eszítés Nyírás Oldékony (kémiai) szignálok: gyors diffúzió (nem irányított) lecsengés: 1/r 2 rövid távú kommunikáció diffúzibilis intermedierek Csont Passzív mechanika: titin, dezmin Aktív mechanika : aktin, miozin Szalag kollagén, elasztin Ín Porc Vér Agy Tüdő Endothel sejt ibroblaszt Simaizom Vázizom Osteoblaszt Csontok 50 200 1000 3000 5000 12000 20000 2GPa Young modulus (Pa) Növekvő rugóállandó ő alkotóelemek: kollagén (szerves), apatit (szervetlen) Szerves anyag: ellenállás Szervetlen anyag: keménység, proteoglikánok (víz) Visszatekintés: Mit tanultunk az ultrahang terjedéséről.? Diagnosztikai felhasználás: szonoelasztográfia Melyik szövettípusban terjed gyorsabban a hang? Az egyes szövetek akusztikai tulajdonságait a rugalmasságuk is megszabja Achilles vizsgálata E (GPa) κ (GPa -1 ) c hang (m/s) Tömör csont 18 0.05 3600 Izomszövet 7x10-5 0.38 1568 c hang = 1 ρ κ kompresszibilitás κ = ΔV/V Δp térfogati deformáció feszültség Nyirokcsomó vizsgálata Nagyobb Young-modulus, nagyobb hangsebesség 3

4/22/2015 Viszkoelaszticitás (mechanikai modell) Viszkoelaszticitás (példák) Porckorong modell: párhuzamosan kapcsolt rugó és dugattyú (Kelvin test) Rugó: ideális rugalmas (Hooke) test Dugattyú: ideális viszkózus (Newton) test Peridontális ligamentum utócipő Péda I: A porckorongot érő mechanikai feszültségnek következménye (discus hernia) L3 porckorongra ható feszültség különböző testhelyzetekben Zománc korona PDL Péda II: Implantátum vagy fog? A különbség a periodontális ligamentum! Porcelán korona Csap Implantátum PDL hiánya: A rágási erők érzékelése csökken A viszkoelasztikus csillapítás elvész rágáskor Egyes szenzoros funkciók elvesznek Az implantátum nem képes mozogni az állkapocsban Az implantátum direkt kontaktusban áll az állkapoccsal Megnövekedett kompressziós feszültség (rágás) Csontvesztés (0.2 mm / év) Ínyvisszahúzódás Implantátum Gyökérkezelés 4

eszültség (σ) 4/22/2015 Csontszövet ogzománc Az eltérő belső szerkezete miatt a csöves csontok keresztmetszetén a Young modulus anizotróp módon oszlik el. A tömörebb kortikális csontszövet nagyobb Young modulussal rendelkezik a trabekuláris csontszövethez képest. Young-modulus: 5-20 GPa Dekalcifikált csont savas kezelés: rugalmas Szerves anyagától megfosztott (kiégetett) csont: törékeny HAP crystals ZOMÁNCPRIZMA Kortikális csont Trabekuláris csont Számolási feladat: A csöves csontok átlagos Young modulusa 18 Gpa. A maximális kompressziós feszültség amit még a törés előtt kibír, 1.6x10 8 Pa. Számoljuk ki a 46 cm hosszú femur maximális kompressziós deformációját amit még törés nélkül elvisel! Szerkezeti egység: Zománcprizma (nanokristáyok) Összetétel: 92% Hidroxiapatit (HAP) Merev, kemény, rideg A legkeményebb anyag az emberi szervezetben Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)62 Hexagonális ion kristály 20-60 nm x 6 nm - dentin, csont 500-1000 nm x 30 nm - zománc Dentin Dentin csatorna 1400 aminosav/lánc 3 lánc (tripla helix) Glicin (1/3) Prolin (1/10) Hidroxiprolin AM Scanning EM ~85 nm periodicitás rostok σmax ~ 60 MPa kélplékeny Összetétel: 35% szerves anyag(kollagén) + víz, 65% hidroxi-apatit Szerkezet: A kollagén rostok által alkotott hálózatba ágyazva találhatók a 20 60 nm hosszúságú, 6 nm vastagságú apatit nanokristályok A két anyag együttesen adja a csontszövet és a dentin különlegesen jó mechanikai tulajdonságait, viszonylag nagy keménységét, nagy szilárdságát, szívósságát, ugyanakkor rugalmasságát Moderáltan rugalmas és erős, de puha Mechanikai stabilitásához poszttranszlációs módosítás szükséges: Prolin hidroxiláz és C-vitamin! E ~ 300 MPa ε max ~ 0.08 E ~ 2500 MPa ( felkeményedés ) Deformáció (ε) 5

Erő (pn) Erő (pn) feszítés (kpa) 4/22/2015 Rugalmas artériák biomechanikája Titin: a szarkomer rugalmas filamentuma izomrost szarkolemma Nem lineáris rugalmasság A feszültség nem lineáris függvénye a deformációnak Stress eszültség A-szakasz I-szakasz sejtmag miofibrillum Z-lemez H-csík Z-lemez szarkome r vastag f. vékony f. Z Vékony filamentum M Vastag filamentum Z Volume Erek rugalmasságáért felelős: Elasztin Símaizom Térfogat Elasztin I-szakasz titin Rugalmassághoz közhető funkciók: Rugalmas energia tárolása, nyomás impulzusok csillapítása, állandó áramlási sebesség fenntartása erő rugalmasság globuláris domének random (rugalmas) domén A titinmolekula az izom passzív rugalmasságának fő meghatározója Példák 140 120 100 80 60 40 20 Egyedi titin molekula 120 ~28-30 nm 115 110 105 100 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 Megnyúlás (mm) Molekuláktól a szövetig Az izom rugalmassága a titin molekuláris rugalmasságával magyarázható Izomrost nyújtás A bicepsz elernyedt állapotban 25 N erő hatására 3 cm-t nyúlik, míg maximális megfeszítés mellett ugyanekkora megnyúláshoz 500 N erő szükséges. Számolja ki a bicepsz Young modulusát elernyedt és megfeszített állapotokra egyaránt. A számoláshoz az egyszerűség kedvéért feltételezzük, hogy a bicepsz egy 6 cm átmérőjű és 20 cm hosszú homogén henger. (59 kpa, 1.18 MPa) rostot nyújtunk 12 N erővel. A rost keresztmetszete 3 mm 2, a kollagén Young modulusa 500 Mpa. Hány százalékos a rost relatív megnyúlása? (0.8%) Egy fogszabályozásban használt rugalmas szál hossza 6 cm, keresztmetszete 1 mm 2, Young modulusa 5 Mpa. A szálat 40%-al megnyújtjuk. Mekkora a visszatérítő erő és mennyi a szálban tárolt rugalmas energia? (2 N, 24 mj) 0 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 Megnyúlás (mm) 2.0 2.4 2.8 vissza megnyúlás (%) 6