Az élő sejt fizikai Biológiája: - PDF
Download "Az élő sejt fizikai Biológiája:"
Lóránd Tibor Szekeres
1 Az élő sejt fizikai Biológiája: Modellépítés, biológiai rendszerek skálázódása Kellermayer Miklós Fizikai biológia 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. 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 )
2 Biológiai modellépítés A DNS-molekula Absztrakció Egyszerűsítés A makromolekulák teljes atomi leírására nem tudunk törekedni Projekciót végzünk, amely a makromolekula bizonyos aspektusát tükrözi Idealizáció 4 különböző bázis -ligandum affinitás változik a DNS mentén Axiális és hajlítási rugalmasság (merevség) Entropikus rugalmasság, alaki fluktuációk A fehérjemolekula A lipidmolekulák, membránok 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
3 Az Escherichia coli sejt Egy oldat Sejtes rendszer! Elasztohidrodinamikai objektum (rugalmas test, folyadékkal hat kölcsön) Élő sejt mint oldat rendszer (?) Homogén Izotróp Biased random walk Információ feldolgozó rendszer A makromolekulák tömeg szerinti mennyisége a sejtben NAGY Biomolekuláris rendszerek méretskálája Termodinamika Atom Ionok, kismolekulák (4%) 30 % egyéb vegyületek 70 % Víz Foszfolipidek (2%) DNS (1%) RNS (6%) Fehérjék 15%) MAKROMOLEKULÁK Mezoskála Kvantumkémia Poratka Vörösvértest, fehérvérsejt Hangya Emberi hajszál DNS Nanoskála Mikroskála Milliskála 1 milliméter Látható spektrum Atom 10 3 Atom 10 1 Atom Baktériumsejt Poliszacharidok (2%) Kvantumfizika 5 db Si atom 10 0 Atom
4 A sejt méretskálája Egyszerűsített sejtmodell: kocka Vizsgálhatók-e a biológiai rendszer legkisebb részletei? Modell Valóság (mérési eredmény) 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 Kálium ion mérete Kálium ionok száma ~250 nm ~25 cm 0.15 nm 0.15 mm ~10 9 ~10 9 Globuláris aktin fehérjemolekula szerkezeti modellje szürke - C; piros - O; kék - N; sárga - S 1 nm Oxigén atomok rhodium egykristály felületén (pásztázó tűszondás mikroszkóp felvétel) Aktin filamentum (d=7 nm) G-aktin (d=5 nm, cc~100 μm) Kálium ion (d=0.15 nm, cc~150 mm) Kálium ionok átlagos távolsága ~20 nm ~2 cm A modell hiányosságai: a koncentrációk lokálisan változnak dinamika: állandó mozgás, ütközés kölcsönhatások, a dinamika miatt sokféle Kémiai Nobel-díj 2013: Martin Karplus Michael Levitt Arieh Warshel Biológiai időskála I. Biológiai időskála II.
5 Biológiai időskála III. Energia- és méretskálák összefüggése Determinisztikus (kémiai, mechanikai, elektromágneses) vs. termikus energiák Termikus energia egysége: k BT = 4.1 x J = 4.1 pnnm Releváns skálázódás: exp(-e det/k BT)
Orvosi Biofizika. Orvosi Biofizika. A tudományos igazság alapja. Orvosi Biofizika
Orvosi Biofizika Orvosi Biofizika Kellermayer Miklós Bevezetés: mi az az orvosi biofizika? A biológiai természet méretskálája Atomfizika, atommodellek A tudományos igazság alapja Orvosi Biofizika bármely