Fizikai biológia. Modellépítés kiinduló szempontjai. Mitől élő az élő? Az élő sejt fizikai Biológiája

Hasonló dokumentumok
Az élő sejt fizikai Biológiája:

Az élő sejt fizikai Biológiája Kellermayer Miklós

Transzportfolyamatok a mikroszkópikus méretskálán: Diffúzió, Brown-mozgás, ozmózis. A sejt méretskálája. Biomolekuláris rendszerek méretskálája

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

Orvosi Biofizika. A tudomány küldetése A valóság minél pontosabb megismerése - a tudományos igazságok feltárása. Orvosi Biofizika

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

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

DIFFÚZIÓ. BIOFIZIKA I Október 20. Bugyi Beáta

Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

Transzportjelenségek

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TRANSZPORTFOLYAMATOK biológiai rendszerekben.

Reológia Mérési technikák

Orvosi Fizika 10. Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

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

Reakciókinetika és katalízis

A vérkeringés és szívműködés biofizikája

a természet logikája

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

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

Transzportfolyamatok

Makromolekulák. Fehérjetekeredé. rjetekeredés. Biopolimer. Polimerek

Biomolekulák nanomechanikája A biomolekuláris rugalmasság alapjai

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

Diffúzió 2003 március 28

OZMÓZIS. BIOFIZIKA I Október 25. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Molekulák mozgásban a kémiai kinetika a környezetben

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

Légköri termodinamika

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER (Nyitrai Miklós, )

Művelettan 3 fejezete

Termodinamika (Hőtan)

Biofizika 1 - Diffúzió, ozmózis 10/31/2018

A BIOLÓGIAI JELENSÉGEK FIZIKAI HÁTTERE Zimányi László

Membránszerkezet Nyugalmi membránpotenciál

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TRANSZPORTFOLYAMATOK biológiai rendszerekben.

Követelmények: f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv

Orvosi Biofizika. Orvosi Biofizika. A tudományos igazság alapja. Orvosi Biofizika

Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Transzportfolyamatok

Hajdú Angéla

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

Dr. Kopecskó Katalin

Az élő sejt fizikai Biológiája: TERMODINAMIKAI ÁRAMOK. Tematika ANYAGÁRAM (DIFFÚZIÓ) Diffúzió, polimerizáció, reptáció. Kellermayer Miklós

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

Biomolekuláris szerkezet

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

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

2. A hőátadás formái és törvényei 2. A hőátadás formái Tapasztalat: tűz, füst, meleg edény füle, napozás Hőáramlás (konvekció) olyan folyamat,

BIOFIZIKA. Membránpotenciál és transzport. Liliom Károly. MTA TTK Enzimológiai Intézet

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

AZ ÉLET KÉMIÁJA... ÉLŐ ANYAG SZERVEZETI ALAPEGYSÉGE

Szedimentáció, elektroforézis. Biofizika előadás Talián Csaba Gábor

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

A csillagközi anyag. Interstellar medium (ISM) Bonyolult dinamika. turbulens áramlások MHD

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Biofizika I. OZMÓZIS. Dr. Szabó-Meleg Edina PTE ÁOK Biofizikai Intézet

összetevője változatlan marad, a falra merőleges összetevő iránya ellenkezőjére változik, miközben nagysága ugyanakkora marad.

Abszorpciós fotometria

Rezervoár kőzetek gázáteresztőképességének. fotoakusztikus detektálási módszer segítségével

KÖLCSÖNHATÁS ÉS DINAMIKA. az NMR spektroszkópia, mint a modern szem. Bodor Andrea

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

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

Az elektromágneses hullámok

Ejtési teszt modellezése a tervezés fázisában

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

1. Mi a termodinamikai rendszer? Miben különbözik egymástól a nyitott és a zárt termodinamikai

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

Transzportfolyamatok. Alapfogalmak. Lokális mérlegegyenlet. Transzportfolyamatok 15/11/2015

Vg = fv. = 2r2 ( ρ ρ 0 )g. v sed. 3 r3 πg = 6πη 0. V = 4 3 r3 π

Abszorpciós fotometria

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

Fázisátalakulás Fázisátalakulások diffúziós (egyedi atomi mozgás) martenzites (kollektív atomi mozgás, diffúzió nélkül)

Folyadékok és gázok mechanikája

mérlegegyenlet. ϕ - valamely SKALÁR additív (extenzív) mennyiség térfogati

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Orvosi Biofizika II. Szigorlati tételsor Korai atommodellek. Rutherford-féle kísérlet. Franck-Hertz kísérlet. Bohr-féle atommodell.

Hatvani István fizikaverseny forduló megoldások. 1. kategória. J 0,063 kg kg + m 3

Minek kell a matematika? (bevezetés)

Az előadás vázlata: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: nagy közepes kicsi. Hőmérséklet, T tapasztalat (hideg, meleg).

A biofizika alapjai. Szerkesztette. Tarján Imre Rontó Györgyi. Hatodik, átdolgozott kiadás. írta

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

1. SI mértékegységrendszer

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

Mivel foglalkozik a hőtan?

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

A gáz halmazállapot. A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

Átírás:

Fizikai biológia Az élő sejt fizikai Biológiája Kellermayer Miklós Ma már nem csak kvalitatív megfigyeléseket, hanem kvantitatív méréseket végzünk (biológiai adatok kvantitatív adatok). Kvantitatív adatokból kvantitatív modelleket építünk Kvantitatív modellektől elvárjuk, hogy kísérletesen tesztelhető predikciókkal szolgáljanak. Make things as simple as possible, but not simpler. Albert Einstein Modellépítés kiinduló szempontjai Milyen tények állnak rendelkezésre? a. Bárki által megállapítható tények (pl., a sejt fehérjét taralmaz) b. Hosszas kísérletezés által elfogadottnak nyilvánított tények (pl. a fehérjék a riboszómán szintetizálódnak) c. Spekulatív kijelentések (pl. a mitokondriumok ősi baktériumok leszármazottai) Érdekes vagy fontos a probléma? A biológiai entitások nem sérthetik a fizika és kémia törvényeit. Mitől élő az élő? Az élet mivoltát ma is csak közelítő, leírő kvalitások összességével tudjuk megadni -(pl. növekedés, szaporodás, energiafelhasználás/átalakítás, reprodukció) Az élő sejt meglepően kevés elemből épül fel. A sejt különleges (szerkezetű és funkciójú) makromolekulákat tartalmaz -(fehérjék, nukleinsavak, szénhidrátok, lipidek) -a makromolekulák egyszerű alegységek kombinatoriális egymáshoz kapcsolódásával keletkeznek. -a makromolekulák információt kódolnak (különböző nyelven )

Biológiai modellépítés Absztrakció Egyszerűsítés A makromolekulák teljes atomi leírására nem tudunk törekedni Projekciót végzünk, amely a makromolekula bizonyos aspektusát tükrözi Idealizáció A DNS-molekula idealizálása 4 különböző bázis -ligandum affinitás változik a DNS mentén Axiális és hajlítási rugalmasság (merevség) Entropikus rugalmasság, alaki fluktuációk A fehérjemolekula idealizálása A lipidmolekulák, membránok idealizálása 20 különböző AA H=hidrofób P=poláros Szupramolekuláris rendszer! Rugalmasság -α-hélixek -β-láncok -random lánc szakaszok -stb. Fluiditás aminosavak egy rács különböző koordináta pontjaiban Elektromos tulajdonságok Kötőhely - ligandum aktív-inaktív kötött-disszociált denaturált-feltekeredett stb. Diffúzió, ozmózis, barrier funkciók

Az Escherichia coli sejt idealizálása Egy oldat idealizálása Sejtes rendszer! Elasztohidrodinamikai objektum (rugalmas test, folyadékkal hat kölcsön) Élő sejt mint oldat rendszer (?) Homogén Izotróp Biased random walk Információ feldolgozó rendszer Skálázódás a biológiában Biomolekuláris rendszerek méretskálája Termodinamika 10 23 Atom Az élő sejt méretskálája Rudolf Virchow (1855): Omnis cellula e cellula Mezoskála Kvantumkémia Kvantumfizika Poratka Vörösvértest, fehérvérsejt Hangya Emberi hajszál DNS 5 db Si atom Nanoskála Mikroskála Milliskála 1 milliméter Látható spektrum 1 nanométer 10 10 Atom 10 3 Atom 10 1 Atom 10 0 Atom Aktin filamentum (d=7 nm) G-aktin (d=5 nm, cc~100 μm) Kálium ion (d=0.15 nm, cc~150 mm) Egyszerűsített sejtmodell: kocka Sejt: 20 μm oldalfalú kocka Analógia - Tanterem: 20 m oldalfalú kocka Aktinmolekula mérete 5 nm 5 mm Aktinmolekulák száma ~500 ezer ~500 ezer Aktin átlagos távolsága ~250 nm ~25 cm Kálium ion mérete 0.15 nm 0.15 mm Kálium ionok száma Kálium ionok átlagos távolsága ~10 9 ~10 9 ~20 nm ~2 cm A modell hiányosságai: a koncentrációk lokálisan változnak dinamika: állandó mozgás, ütközés kölcsönhatások, a dinamika miatt sokféle

Skálázódás a biológiában Biológiai időskála I. Biológiai időskála II. Biológiai időskála III. Energia- és méretskálák összefüggése Determinisztikus (kémiai, mechanikai, elektromágneses) vs. termikus energiák Termikus energia egysége: kbt = 4.1 x 10-21 J = 4.1 pnnm Releváns skálázódás: exp(-edet/kbt) Sőt, fényabszorpció 10-15 s!

Tematika Diffúzió, polimerizáció, reptáció Diffúzió, diffúzió-vezérelt folyamatok Biopolimérek dinamikája. Polimerizáció, depolimerizáció Polimérek diffúziója. Reptáció. Folyamatok és egyensúlyok a citoplazma sűrűjében. TERMODINAMIKAI ÁRAMOK A természeti folyamatok ritkán reverzíbilisek. Ha a rendszer különböző pontjain különbségek vannak az intenzív mennyiségekben, áramok (termodinamikai áramok) lépnek fel. A termodinamikai áramok az egyensúly helyreállítására irányulnak. Termodinamikai áram Áramot fenntartó intenzív mennyiségkülönbség Áramsűrűség Törvény Hőáram Hőmérséklet (T) J E = λ ΔT Fourier Termodinamikai áram ANYAGÁRAM (DIFFÚZIÓ) Áramot fenntartó intenzív mennyiségkülönbség c 1 oldat c 2 R Áramsűrűség Törvény Anyagáram (diffúzió) Kémiai potenciál (µ) Fick J n Térfogati áram Nyomás (p) J V = R2 Δp Hagen-Poiseuille 8η Elektromos áram Elektromos potenciál (φ) J Q = 1 Δϕ ρ Ohm Anyagáram (diffúzió) Kémiai potenciál (µ) J n Fick x m = anyagmennyiség t = idő R = sugár x = hossz (Δc/ = koncentrációgrádiens, fenntartója c 1 -c 2 ) A = cső-keresztmetszet Jn = anyagáram D = diffúziós állandó m ta = J n

DIFFÚZIÓ Részecskék hőmozgása révén létrejövő spontán elkeveredés, koncentráció-kiegyenlítődés. A diffúzió mikroszkópikus manifesztációja: Brown-mozgás Robert Brown (1773-1858) Tejben szuszpendált zsírcseppek (csepp méret 0.5-3 μm) x 2 = 2Dt x = határfelület által megtett elmozdulás (valójában a határfelület elkenődése ) t = idő D = állandó ( diffúziós együttható ) Brown-mozgás DIFFÚZIÓ Fick I. törvénye: anyagáram-sűrűség a kiváltó koncentrációesés és diffúziós állandó szorzata Anyagáram: J n Jn = anyagáram Δc/ = koncentrációesés ( grádiens ) D = állandó ( diffúziós együttható ) l Diffúziós állandó: D = 1 3 vl v = részecske átlagsebessége l = átlagos szabad úthossz (ütközések közötti átlagos távolság) D = egységnyi idő alatt egységnyi felületen átdiffundált anyag mennyisége (m 2 /s) (egységnyi koncentrációesés mellett). l A mikroszkópikus részecske mozgása a molekulákkal való véletlenszerű ütközések következménye. l = átlagos szabad úthosz (egymást követő ütközések közötti átlagos távolság) v = a termikus mozgást végző részecske átlagos sebessége Diffúziós állandó gömb alakú részecskére: D = k B T 6πηr Einstein-Stokes összefüggés: kb = Boltzmann-állandó T = abszolút hőmérséklet η = oldat viszkozitása r = részecske sugara Brown-mozgás

DIFFÚZIÓ Fick II. törvénye: anyagáram-sűrűség a kiváltó koncentrációesés időbeli változásának figyelembe vételével. Anyagáram: ΔJ n = Δc Δt Jn = anyagáram x = távolság t = idő Diffúziós állandó: Δ Δc D = Δc Δt D = diffúziós együttható. A koncentrációesés idővel csökken (a határfelület elkenődik )