biofizica apa

Cum determina proprietatile

fizico-chimice ale atomilor

structura si functia biomoleculelor?

• Apa este o molecula cu proprietati speciale care are influenta deosebita asupra biorganismelor

• ~ 70-80% din greutatea celulelor

•~ 7% ioni anorganici si molecule mici (amino acizi = baza constitutiva a proteinelor), nucleotide (--acizi nucleici), lipide (--membrane), glucide (--celuloza)

•Restul: macromolecule si agregate macromoleculare

Viata s-a dezvoltat in mediu apos

specia moleculara cea mai abundenta

- Hidrofil- Hidrofil

Molecule care se Molecule care se dizolva in apa dizolva in apa (glucide)(glucide)

Molecule care Molecule care prefera apaprefera apa

Molecule care Molecule care nu se dizolva nu se dizolva in apa (lipide, in apa (lipide, grasimi)grasimi)

Molecule care Molecule care evita apaevita apa

-Hidrofob

Molecule amfifile Molecule amfifile (amfipatice)(amfipatice)

Cam schizofre!

Contin regiuni hidrofobe si regiuni hidrofile

Exemplu: fosfolipidele (componente de baza ale membranelor)

““Chimia” unor molecule Chimia” unor molecule foarte micifoarte mici

poate fi importanta pentru poate fi importanta pentru viataviata

Exemplu: Ionul de hidrogen, HExemplu: Ionul de hidrogen, H++ (1 (1 Da) este foarte important pentru Da) este foarte important pentru structura/functia unei molecule cu structura/functia unei molecule cu masa de 10masa de 101111 Da (ADN din Da (ADN din cromozomul 1)cromozomul 1)

Un Un numar mic de principiinumar mic de principii de de baza din chimie (fizica?) baza din chimie (fizica?) este suficient pentru este suficient pentru intelegerea proceselor de la intelegerea proceselor de la nivel molecular la nivel nivel molecular la nivel celularcelular

Super “glue” in lumea Super “glue” in lumea vie?vie?

Interactiuni (forte) de atractie dintre Interactiuni (forte) de atractie dintre atomi – molecule – ansambluri atomi – molecule – ansambluri supramolecularesupramoleculare

Forte puternice: legaturi covalente (simple, duble, triple); sunt implicate o pereche, doua, trei de electroni

Forte atractive slabe: interactiuni necovalente.

Determina structura/functia proteinelor, acizilor nucleici, lipidelor, glucidelor

Tipuri de interactiuni Tipuri de interactiuni slabeslabe

IoniceIonice Legatura de hidrogenLegatura de hidrogen Van de WaalsVan de Waals ““Efectul hidrofob”Efectul hidrofob”

0.6 kcal/mol

Scara energiilor in biologie

Atractia dintre sarcini de Atractia dintre sarcini de semn opussemn opus

Legatura de Legatura de hidrogenhidrogen

http://www.northland.cc.mn.us/biology/Biology1111/animations/hydrogenbonds.html

Energia legaturii de Energia legaturii de hidrogenhidrogen

In procese catalitice In procese catalitice poate ajunge si la 20 poate ajunge si la 20

kcal/molkcal/mol

Rotatie libera in jurul Rotatie libera in jurul legaturii simple de simplelegaturii simple de simple

Nu “exista” rotatie in jurul Nu “exista” rotatie in jurul legaturii dublelegaturii duble

Flexibiliatea, dinamica biomoleculelor

Repulsia stericaRepulsia sterica

Potential Lennard-Jones

Doua obiecte nu pot Doua obiecte nu pot ocupa in acelasi timp ocupa in acelasi timp aceeasi regiune din aceeasi regiune din spatiuspatiu

Principiul lui Pauli: doi Principiul lui Pauli: doi electroni nu pot avea electroni nu pot avea aceeasi stare cuanticaaceeasi stare cuantica

Crestere rapida a energiei la intrepatrunderea norurilor electronice

Exponentiala

ε

ro

Se considera atomii ca doua sfere Se considera atomii ca doua sfere rigide de anumite dimensiuni, sfere rigide de anumite dimensiuni, sfere care nu se pot intrepatrunde care nu se pot intrepatrunde

• Cum se estimeaza Cum se estimeaza razele Van der Waals?razele Van der Waals?

http://webhost.bridgew.edu/fgorga/proteins/van_der_walls.htm

http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/vdw.html

La distanta mica miscarea sincronizata a electronilor se extinde la un numar foarte mare de molecule

GazGaz TTff

((°C ) )

heliuheliu -269-269

neonneon -246-246

argoargonn

-186-186

criptcriptonon

-152-152

xenoxenonn

-108-108

radoradonn

-62-62+δ -δ +δ -δ

XeNe

Forma moleculelor este Forma moleculelor este importantaimportanta

CHCH33-CH-CH22-CH-CH22-CH-CH33

CHCH33-CH-CH-CH-CH33

||

CHCH33

-0,5o C

-11,7o C

Lipide saturateLipide saturate

FormulaFormula Nume (acid)Nume (acid) TTmm((0 0

C)C)

CHCH33(CH(CH22))1010COCO22H H lauriclauric 45 45

CHCH33(CH(CH22))1212COCO22HH miristicmiristic 5555

CHCH33(CH(CH22))1414COCO22HH palmiticpalmitic 6363

CHCH33(CH(CH22))1616COCO22HH stearicstearic 6969

CHCH33(CH(CH22))1818COCO22HH arahidicarahidic 7676

http://www.cem.msu.edu/~rhttp://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/lipids.hteusch/VirtualText/lipids.htm#lipid1bm#lipid1b

Lipide nesaturateLipide nesaturate

FormulaFormula Nume Nume (acid)(acid)

TTmm

((0 0

C)C)

CHCH33(CH(CH22))55CH=CH(CHCH=CH(CH22))77COCO22H H palmitolpalmitoleiceic

00

CHCH33(CH(CH22))77CH=CH(CHCH=CH(CH22))77COCO22H H oleicoleic 1313

CHCH33(CH(CH22))44CH=CHCHCH=CHCH22CH=CH(CHCH=CH(CH22))

77COCO22H H linoleiclinoleic -5-5

CHCH33CHCH22CH=CHCHCH=CHCH22CH=CHCHCH=CHCH22CHCH=CH(CH2)=CH(CH2)77COCO22H H

linoleniclinolenic --1111

CHCH33(CH(CH22))44(CH=CHCH(CH=CHCH22))44(CH(CH22))22COCO22

H H arahidonarahidonicic

--4949

www.

sciencecartoonsplus.

com

Structuri biologice: Structuri biologice: aspecte generaleaspecte generale

Organizarea macroscopica sau Organizarea macroscopica sau microscopica vizibila a unui microscopica vizibila a unui organism organism

Pentru biolog:Pentru biolog:

Exemple

Structura scheletului

www.enchantedlearning.com/.../skelcolor.GIF

Structura celulei

http://www.cellsalive.com/

Structura mitocondriei

http://micro.magnet.fsu.edu/cells/mitochondria/images/mitochondriafigure1.jpg

In biofizicaIn biofizica

Termenul de structura are o Termenul de structura are o definitie mai largadefinitie mai larga

Se aplica si la:Se aplica si la:

Structura atomilorStructura atomilor

http://molaire1.club.fr/e_atomequan1.gif

Marimi dependente de Marimi dependente de timptimp

Electrocardiograma normala

Sonograma “radarului” Sonograma “radarului” la liliecila lilieci

Retele metaboliceRetele metabolice

EcosistemEcosistem

MatematicaMatematica

Sistem: agregat de elemente cu o Sistem: agregat de elemente cu o anumita interelatie dintre eleanumita interelatie dintre ele

Structura sistemului: totalitatea Structura sistemului: totalitatea interelatiilorinterelatiilor

In biofizicaIn biofizica

Relatiile dintre

elemente

DINAMICESisteme

INTERACTIUNI

Retele metaboliceRetele metabolice

Elementele sistemului:

Interactiunile:

metabolitii

reactiile metabolice

EcosisteEcosistemm

Interactiune dintre

indivizii populatiei

Macromolecule biologiceMacromolecule biologiceca sistemeca sisteme

Exista patru nivele de organizareExista patru nivele de organizare

Structura primaraStructura primara

Secventa liniara a monomerilor Secventa liniara a monomerilor elementelor) dintr-un lant elementelor) dintr-un lant monomer liniar (sistem)monomer liniar (sistem)

Structura secundaraStructura secundarapozitionarea in spatiu a monomerilor pozitionarea in spatiu a monomerilor (elementelor) intr-o parte a moleculei (elementelor) intr-o parte a moleculei

(sistemului) unul relativ la celalalt (sistemului) unul relativ la celalalt

Structura tertiaraStructura tertiara

– pozitionarea in spatiu a regiunilor omogene de structuri secundare (elemente) dintr-o molecula (sistem)

Structura cuaternaraStructura cuaternara

http://pqs.ebi.ac.uk/

– pozitionarea in spatiu a macromoleculelor (elemente) intr-un complex supramolecular (sistem).

Structuri periodice Structuri periodice (cristale)(cristale)

Structuri neperiodice Structuri neperiodice (structuri biologice)(structuri biologice)

“cristale aperiodice”: structura inalt organizata de elemente care nu se repeta periodic

Procesele de formare a Procesele de formare a structurilor biologice (dezvolare structurilor biologice (dezvolare

a vietii, reproducere, …)a vietii, reproducere, …)

Entropia SCADE

PARE sa fie in contradictie PARE sa fie in contradictie cu principiul al doilea al cu principiul al doilea al

termodinamiciitermodinamicii

Procese spontane din sisteme IZOLATE se produc cu o crestere a entropiei

In sisteme IZOLATE entropia atinge maximul

Nici un sistem biologic (chiar Nici un sistem biologic (chiar ecosistem!) incluzind si mediul ecosistem!) incluzind si mediul NU poate fi considerat izolatNU poate fi considerat izolat

Pamantul NU este un Pamantul NU este un sistem izolatsistem izolat

Primeste energie de la Soare

Emite (iradiaza) energie

Flux permanent de Flux permanent de energie (substanta)energie (substanta)

Sistemele biologice sunt sisteme dinamice la neechilibru

Structuri la echilibru:Structuri la echilibru:

Cristale de sare obtinute prin Cristale de sare obtinute prin evaporarea apeievaporarea apei

Structuri la neechilibru (disipative)Structuri la neechilibru (disipative)

Autoasambalarea Autoasambalarea (autooraganizarea)(autooraganizarea)

Plierea spontana a proteinelorPlierea spontana a proteinelor Aranjarea in structuri Aranjarea in structuri

supramoleculare (complexe supramoleculare (complexe enzimatice)enzimatice)

EntropieEntropie

Masura a dezordinii (lipsei Masura a dezordinii (lipsei de ordine)de ordine)

Masura a ordiniiMasura a ordinii

Un sistem cu maxim de dezordineUn sistem cu maxim de dezordine

maximul de maximul de entropieentropie

Entropia este un Entropia este un parametru extensivparametru extensiv

Entropiile S1 si S2 a doua subsisteme se pot suma

S=S1+S2

Rotatie libera in jurul Rotatie libera in jurul legaturii simple de simplelegaturii simple de simple

Nu “exista” rotatie in jurul legaturii Nu “exista” rotatie in jurul legaturii dubleduble

Flexibiliatea, dinamica biomoleculelor