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

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

Biomolekulák nanomechanikája A biomolekuláris rugalmasság alapjai

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

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

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER (Nyitrai Miklós, )

Mechanikai erők a sejtek szintjén

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

Biofizika I

Nanomedicina Szimpózium, Nanomechanika: Egyedi Biomolekulák Manipulálása. Kellermayer Miklós

Makromolekulák. Fehérjetekeredé. rjetekeredés. Biopolimer. Polimerek

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

BIOMECHANIKA 3 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben

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

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

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 6.

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

Vérkeringés. A szív munkája

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

Kollár Veronika

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

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

Az élő sejt fizikai Biológiája:

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

Biofizika I

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

Vadmadarak és emlősök anatómiája és élettana. Mozgás szervrendszer Fogak

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2.

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

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

Reológia Mérési technikák

Orvosi Biofizika. Tematika. Biomolekuláris rendszerek mérettartománya. A tudományos igazság alapja Termodinamika. Komplexitás. Kellermayer Miklós

A víz biofizikája O H H. Water. A vízmolekula szerkezete I.

A citoszkeletális rendszer

Miért egyedi molekulák? Miért egyedi molekulák? Biomolekulák és sejtek mechanikai tulajdonságai. Élő sejtben: molekulagépezetek sokasága

Miért egyedi molekulák?

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

Egyedi molekula vizsgálatok

A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai

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

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

A= a keresztmetszeti felület cm 2 ɣ = biztonsági tényező

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

BIOMECHANIKA 2 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben

Anyagok az energetikában

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

A harántcsíkolt izom struktúrája általános felépítés

Az élő sejt fizikai Biológiája: motorfehérjék, egyensúlytól távoli folyamatok

A citoszkeletális rendszer, a harántcsíkolt izom biofizikája.

elasztikus rostok: hajlékonyság sejtközötti állomány mukopoliszacharidjai

Szilárd testek rugalmassága

Az élő sejt fizikai Biológiája Kellermayer Miklós

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER FUTÓ KINGA

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

Fémtechnológiák Fémek képlékeny alakítása 1. Mechanikai alapfogalmak, anyagszerkezeti változások

Ábragyűjtemény levelező hallgatók számára

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

Fehérjeszerkezet, és tekeredés

Fehérjeszerkezet, és tekeredés. Futó Kinga

Reológia, a koherens rendszerek tulajdonságai

AZ EMBERI TEST FELÉPÍTÉSE

Kollokviumi vizsgakérdések biokémiából humánkineziológia levelező (BSc) 2015

A citoszkeleton. A citoszkeleton, a motorfehérjék, az izom és működésének szabályozása. A citoszkeleton. A citoszkeleton.

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

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

Molekuláris dinamika. 10. előadás

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

MECHANIKA I. rész: Szilárd testek mechanikája

Biofizika I

Izomműködés. Harántcsíkolt izom. Simaizom és simaizom-alapú szervek biofizikája.

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

Emberi szövetek. A hámszövet

Dinamika. p = mυ = F t vagy. = t

A citoszkeletális rendszer, motorfehérjék.

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye


Makromolekulák. Biológiai makromolekulák. Peptidek és fehérjék. Biológiai polimerek. Nukleinsavak (DNS vagy RNS) Poliszacharidok. Peptidek és fehérjék

Járműelemek. Rugók. 1 / 27 Fólia

A citoszkeleton Eukarióta sejtváz

Folyadékáramlás vérkeringés

Ejtési teszt modellezése a tervezés fázisában

Polimerek fizikai, mechanikai, termikus tulajdonságai

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

A citoszkeletális rendszer, motorfehérjék.

3. POLIMEREK DINAMIKUS MECHANIKAI VIZSGÁLATA (DMA )

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

Merev testek kinematikája

Polimerlánc egyensúlyi alakja. Féregszerű polimermodell (Wormlike chain) WLC (wormlike chain): Entropikus rugalmasság vizualizálása

A diffúzió csak rövid méretsálán gyors. Az élő sejt fizikai Biológiája: Diffúzió, polimerizáció, reptáció

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

A szív élettana. Aszív élettana I. A szív pumpafunkciója A szívciklus A szívizom sajátosságai A szív elektrofiziológiája Az EKG

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

A kötőszövet formái: recés kötőszövet, zsírszövet, lazarostos kötőszövet, tömöttrostos kötőszövet.

BIOLÓGIA VERSENY 10. osztály február 20.

SEJT,SZÖVET,SZERV BIOLÓGIAI ÖSSZEFOGLALÓ KURZUS 6. HÉT. Kun Lídia Semmelweis Egyetem, Genetika, Sejt és Immunbiológiai Intézet

A szerkezeti anyagok tulajdonságai és azok vizsgálata

egyetemi tanár Nyugat-Magyarországi Egyetem

Átírás:

Orvosi Biofizika II. Biomechanika: Biomolekuláris és szöveti rugalmasság 1. Történeti áttekintés 2. Mechanikai alapok 3. Celluláris biomechanika 4. Szöveti biomechanika 5. Molekuláris biomechanika Kellermayer Miklós Mártonfalvi Zsolt A Biomechanika története Mechanikai alapok Hooke-féle rugalmasság eszültség deformáció görbe Aristoteles (384-322 BC) Első biomechanika könyv, De Motu Animalium (Az állati mozgásokról). Leonardo da Vinci (1452-1519) Az első mechanikai szemléletű anatómus. Az izom összehúzódás révén fejt ki erőt! (kivételek ) Rugóállandó (k=/δl) függ az anyagi minőségtől. A rugóállndó (k) függ a test alakjától és a rá ható erő irányától, Kifejezi a megnyúlás mertékét egységnyi erőhatás esetén. /A = σ = feszültség l/l = ε = deformáció 1: Rugalmassági határ 2: Lineáris tartomány 3: Rugalmas határ 4: Képlékeny tartomány Nyújtás: Galileo Gailei (1564-1642) A csontok üregesek, így magximális szilárdsághoz minimális tömeg tarozik. René Descartes (1596-1650) Az élőlények, beleértve az embert is ( alélek kivételével) egyszerűen gépek, melyekre ugyanazon mechanikai törvényszerűségek vonatkoznak. A L = erő A = kereszt mettszeti felület L = nyugalmi hossz ΔL = megnyúlás /A = σ = feszültség ΔL/L = ε = relatív megnyúlás E=Young modulus (Pa) Maradandó alakváltozás Viszkozitás Étienne-Jules Marey (1830-1904) Kinematográfia alkalmazása a mozgások tanulmányozására. Manapság a biomechanika egy forrongó tudományterület. Az egyik fő fókusza a mesterséges szövetek előállítása illetve a szöveti rekonstrukció ( tissue engineering ). 2r Hajlítás: A v y /A v/ y =nyíró erő =folyadékréteg felülete =viszkozitás =áramlási sebesség =folyadék rétegek közötti távolság =nyírófeszültség( ) =sebesség grádiens (D)

Biomechanika a sejtek szintjén A szövetekben működő erőhatások A szöveti erők eredete: sejtes feszítés/nyomás folyadék áramlás nyújtás hidrosztatikai/ozmózis nyomás Celluláris dimenziók: Hossz: μm Erő: pn 1Pa = 1pN/μm 2 Referencia Összenyomás eszítés Nyírás Erők mint mechanikai szignál: irányított lecsengés: 1/r komplex térbeli információt hordoz hosszú távú kommunikáció gyorsan szabályozható nincs diffuzibilis intermedier Oldékony (kémiai) szignálok: gyors diffúzió (nem irányított) lecsengés: 1/r 2 rövid távú kommunikáció diffúzibilis intermedierek og Kemény szövetek Csont Kortikális csont Trabekuláris csont Vér Agy Tüdő Endothel sejt ibroblaszt Simaizom Vázizom Osteoblaszt Csont 50 200 1000 3000 5000 12000 20000 2GPa Young modulus (Pa) ő alkotóelemek: kollagén (szerves), apatit (szervetlen) Növekvő rugóállandó Puha szövetek Ín Szalag Porc 1400 aminosav/lánc 3 lánc (tripla helix) Glicin (1/3) Prolin (1/10) Hidroxiprolin Kollagén Scanning EM ő alkotóelem: kollagén AM ~85 nm periodicitás σmax ~ 60 MPa Rugalmas artéria ő alkotóelem: kollagén, elasztin Moderáltan rugalmas és erős, de puha E ~ 300 MPa E ~ 2500 MPa ( felkeményedés ) εmax ~ 0.08

Kollagén hálózatra ható er k (Er k az extracelluláris mátrixban) ogzománc Kollagén gél nyújtása Megnyújtott kollagén mátrixban az egyedi rostok beállnak az erő irányába. Az extracelluláris mátrix szerkezeti elrendeződése erőfüggő. HAP crystals Növekvő feszültség ZOMÁNCPRIZMA Sejtek kollagén mátrixban Zöld: sejtmag Vörös: kollagén rostok Szerkezeti egység: Zománcprizma (nanokristáyok) A legkeményebb anyag az emberi szervezetben A sejtek feszültség változást okoznak környezetükben, így megváltoztatják a kollagén hálózat mintázatát. Összetétel: 92% Hidroxiapatit (HAP) Merev, kemény, rideg 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 Viszkoelaszticitás (mechanikai modell) Dentin csatorna modell: párhuzamosan kapcsolt rugó és dugattyú Rugó: ideális rugalmas (Hooke) test Dugattyú: ideális viszkózus (Newton) test Kollagén rostok 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

Viszkoelaszticitás (példák) Rugalmas artériák biomechanikája Porckorong Nem lineáris rugalmasság A feszültség nem lineáris függvénye a deformációnak Stress eszültség Volume Peridontális ligamentum utócipő Erek rugalmasságáért felelős: Elasztin Kollagén Símaizom Térfogat Kollagén Elasztin Rugalmassághoz közhető funkciók: Rugalmas energia tárolása, nyomás impulzusok csillapítása, állandó áramlási sebesség fenntartása erő rugalmasság Az izom biomechanikája Harántcsíkolt izom Szívizom sejt Simaizom sejt mioepiteliális csejt Types of muscles skeletal muscle fiber sejtmag miofibrillumok Miofibrillum: Az izom organelláris egysége.

Szarkomer az izom funkcionális egysége Titin: A szarkomer rualmas filamentuma A I sarcos: hús (Gr), mera: egység A legkisebb szerkezetiés funkcionális egység. Z-line M-line desmin myosin actin Muscle sarcomere Z Vékony filamentum M Vastag filamentum Z Izom feszültség-megnyúlás görbéje Titin I-band section tandem Ig region PEVK domain tandem Ig region Biopolimerek mechanikája Polimerek alakja Polimer: Monomerek építik fel Monomerek száma: N>>1; Tipikusan, N~10 2-10 4, de, a DNs-t pl.: N~10 9-10 10 1. Lineáris 2. Elágazó 3. Cirkuláris Biopolimer Monomer Kötés ehérje Nukleinsav (RNS, DNS) Aminosavak Nukleotidok (CTUGA) Kovalens (peptid kötés) Kovalens (foszfodiészter) A polimerek alakja dinamikusan változik. Lehetséges mechanizmusok: 1. Kötések menti rotáció 2. Szabadon kapcsolt lánc (reely Jointed Chain, JC) 3. éregszerű lánc, (Worm like chain WLC) Poliszacharid (pl. glikogén) Monoszacharid (pl. glükóz) CKovalens (pl., -glikozidos) ehérje polimer (pl., mikrotubulus) ehérje (.pl., tubulinn) Másodlagos

Rugalmas polimereket leíró paraméterek Biopolimerek rugalmassága Perzisztenciahossz l = perzisztenciahossz L = kontúrhossz Kontúrhossz Merev lánc l >> L Mikrotubulus Vég-vég hossz Kettős szálú DNS Szemiflexibilis lánc l~ L Actin filamentum Δs ϕ A perzisztencia hossz (l) jellemzi a polimerlánc rugalmasságát. e-1 Minél rövidebb, annál rugalmasabb és fordítva, minél hosszabb annál merevebb a polimer. lexibilis lánc l << L DNS <cos ϕ> = e -(s/l) l Polimerek mechanikája Biopolimerek rugalmassága Csomót kötni egy DNS moleculára Entrópikus elaszticitás Erő szükséges egy entrópikus lánc megnyújtásához Termikus fluktuációk a polimer láncban Mikrogyöngy lézercsipesszel mozgatva Phase contrast image luorescence image Szerkezeti entrópia (az elemi irányvektorok rendezetlensége) nő. Perzisztencia hossz Erő () A lánc rövidül Vég-vég hossz (R) =force l=correlation length (persistence length, describes bending rigidity) k B =Boltzmann s constant T=absolute temperature L=contur length R/L=relative extension microbead in stationary optical trap Kinosita Group

Biopolimerek nyújtása atomer mikroszkóppal Globuláris domén mechanikai kitekerése Szimulált domén kitekeredés ehérje mechanikai kitekerése orce (pn) Extension (μm) A mechanikai stabilitás alapja: H-hidak a domén első és utolsó ß-láncai között Biológia a mechanikai stabilitás hátterében I. Biológia a mechanikai stabilitás hátterében I. A mechanikai stabilitást a H-hidak elrendezése adja Alacsony mechanikai stabilitás: H-hiadak párhuzamosak az erővel- Titin I27 12 erőspektrum orce spectrum of C2A 9 Carrion-Vazquez et al. 2000 Carrion-Vazquez et al. 2000

Machanikai stabilitás a természetben: Gekko Gecko talp tapadása: Sörték (setae) Párhuzamos kapcsolása Mesterséges gekko talp