BİYOFİZİK. Canlı varlıkların incelenmesinde fiziğin uygulanmasıyla ortaya çıkan bilim dalıdır.

Transkript

1 BİYOFİZİK Canlı varlıkların incelenmesinde fiziğin uygulanmasıyla ortaya çıkan bilim dalıdır. İbn-i Sina ( ), Galileo Galilei ( ) sarkaç ve termometre Luigi Galvani ( ) biyoelektrik (animal electricity) Jean-Leonard-Poiseuille ( ) kan viskos akış yasaları Adolf Fick ( ), difüzyon yasaları Herman Ludwig Ferdinand von Helmholtz ( ) Sinirde iletim hızı, renkli görme ve işitme teorileri 1930 larda bazı biyolojik olayları açıklamak için biyokimya ile fizyoloji de yetersiz kalınca fizik kullanılmaya başlanmış ve biyofizik doğmuştur.

2 Moleküler biyofizik: Biyolojik moleküllerin özellikle biyopolimerlerin fizikokimyasal özelliklerini inceler. Protein yapılarının belirlenmesi DNA-protein etkileşimi Hücre biyofiziği: Hücre ve dokuların yapı ve fonksiyonlarını ilgilenir. Hücre zarının yapı ve özellikleri, hücre zarından taşıma. Elektriksel sinyallerin (aksiyon potansiyeli) oluşması ve yayılması. Sistemler biyofiziği: Fizyolojik sistemlerin çalışma prensiplerini fiziksel ve matematik modellerle açıklamaya çalışır. Fizyolojik mekanizmaların modellenmesi Doku ve biyomedikal mühendislik Biyomekanik ve akışkanlar bilimi

3 Sistem Nedir? Karşılıklı etkileşim halindeki birtakım parçalardan oluşan fiziksel veya düşünsel herhangi bir varlığa sistem adı verilir. E Etki (forcing) Örn: SİSTEM Y Yanıt (response) atom molekül hücre doku organ organizma toplum dünya * Bir organizma işlevsel olarak dolaşım sistemi, solunum sistemi, sinir sistemi, sindirim sistemi vb. alt sistemlere ayrılabilirdi Madde ve enerji alışverişi bakımından sistemler *Kapalı sistem, *Açık3 e sistem, olmak üzere ayrılır. Bir sistemin sınırlarını tanımlamak keyfidir. *Yalıtık sistem

4 Birer Açık Sistem Olarak Canlılar Madde ve enerji giriş çıkışı sürerken, sistemin zamanla değişmeyip benzer kaldığı duruma kararlı (steady state) durum veya dinamik denge durumu denir Homeostazis Örn: bir nöronun dinlenim durumunda, hücre zarından geçişler devam ettiği hücre içi konsantrasyonlar değişmez. halde her bir iyon için net giriş sıfırdır ve

5 Molekül İçi ve Moleküllerarası Bağlar Sistemler oluşturmak için moleküller birbirleriyle bağlanırlar: 1- Kuvvetli Bağ (>> 2.5 kj/mol) 2- Zayıf Bağ ( 2.5 kj/mol) Bağlar: 1. Kovalent bağlar 2. İyonik bağlar 3. Hidrojen bağları 4. Van der Waals bağları

6 Moleküler Bağların Özellikleri Bağ Gücü Özellikleri İyonik Kuvvetli Zıt yüklü iyonize gruplar arasındaki çekim. Kovalent Çok kuvvetli Atomlar arasında paylaşılan elektronlar. Hidrojen Zayıf Hidrojen ve oksijenin polarize bağları arasındaki çekim. Van der Waals Çok zayıf Çok yakın moleküller ve gruplar arasındaki çekim

7 Hücre, hayatın yapısal ve fonksiyonel ünitesi

8

9 Hücre, hayatın yapısal ve fonksiyonel ünitesi Hücrenin biyokimyasal aktiviteleri hücre organelleri tarafından yürütülür Hayati faaliyetler hücrelerin bireysel ve birlikte faaliyetlerine bağlıdır

10 Hücre Zarı Lipit, protein ve korbanohidratlardan meydana gelmiştir. Çift lipid tabakasından oluşmuştur (her biri 45 A ). Seçici geçirgen özellikte özel bir yapısı vardır. Kalınlığı; 6-10 nm, Kapasitansı; µf/cm2, Direnci; Ohm x cm2, Bozulma Potansiyeli; Mv, Su Geçirgenliği; ( ) x 10-6 m/s, Yüzey Gerilimi; N/m dir.

11 Hücre Zarı Polar (Kutuplu) Maddeler = Hidrofilik Polar Olmayan (Kutupsuz) Maddeler = Hidrofobik Fosfolipid = Fosfat Baş Bölgesi Polar Hidrofilik + Lipid Kuyruk Bölgesi Non-Polar Hidrofobik Polar Hidrofilik Baş bölgesi Non-polar Hidrofobik Kuyruk bölgesi hidrofobik ucu içte, suda eriyen kısmı (hidrofil) dışa bakar

12 Hücre Zarı Fosfolipid Topluluğu Sulu Ortamda ; -Misel -Bilayer = Double Layer

13 Bir madde; Ya akıcı, hareketli, kararsız, Ya da düzenli, kristalize, yüksek organizasyonlu Hücre membranının bilayer tabakası : İkisi de. 13

14 Singer ve Nicholson un akışkan mozayik modeli (1972) Bilayer tabaka üzerindeki mozayikler = Proteinler Zar proteinleri 1) Lipid tabakasındaki integral proteinler zarı boydan boya kat ederler 1. Taşıma görevi: Hücre zarından iç tarafa veya dış tarafa doğru bazı maddelerin taşınmasını sağlayan iyon kanalları ve aktif transporterlar 2. Sentezleme görevi: membran lipitinin ve diğer maddelerin sentezini 3. Reseptör görevi: hormon ve nörotransmitterle bağlanıp etkilere neden olur 2) periferik proteinler: zarın bir yüzeyinde (enzim olarak) Glikoprotein Extrasellüler Sıvı Glikolipid Fosfolipitler Periferal protein Kolesterol Stoplazma Transmembrane proteinler

15 Many Functions of Membrane Proteins Outside Plasma membrane Inside Transporter Enzyme activity Cell surface receptor Cell surface identity marker Cell adhesion Attachment to the cytoskeleton

16 Sorusu olan?

17 HÜCRE MEMBRANINDAN GEÇİŞ (TRANSPORT)

18 Eğer iki ortamı birbirinden ayıran bir bariyer varsa, bir ortamdan diğerine madde akışı olabilmesi için, iki ortam arasında POTANSİYEL ENERJİ FARKI bulunmak zorundadır. Biyolojik ortamlar arasındaki olası potansiyel enerji farkı kaynakları: 1. Kimyasal Potansiyel Enerji = Konsantrasyon Farkı (Gradienti) 2. Hidrostatik Basınç Farkı 3. Elektriksel Potansiyel Enerji 4. Termal Enerji 18

19 Hücre Zarının Farklı Maddelere Olan Geçirgenliğinin Sınıflandırılması 1. Çok Kolay Geçenler : Su 2. Kolay Geçenler : a) Oksijen, Azot, Karbondioksit gibi gazlar b) Alkol, Eter, Kloroform gibi yağda çözünebilen maddeler 3. Zor Geçenler : Glukoz, Aminoasitler, Gliserol, Yağ Asitleri 4. Çok Zor Geçenler : a) İnorganik tuzlar b) Her türlü asidik ve alkali maddeler c) Sakkaroz, Maltoz, Laktoz gibi disakkaritler 5. Hiç Geçmeyenler : Proteinler, Polisakkaritler, Fosfolipidler 19

20 Madde ve Suyun Hücre Zarından Geçişleri İhtiyaç duyulan maddelerin hücreye alınması, metabolitlerin ve hücrede sentezlenen ürünlerin hücre dışına atılmasını sağlayan mekanizmalar: Difüzyon Basit difüzyon Kolaylaştırılmış difüzyon Ozmoz: suyun geçişi Weeee!!! Yüksek Aktif taşıma Primer aktif taşıma Sekonder aktif taşıma Düşük Yüksek Bu iş zor olacak!!! Düşük

21 Madde ve Suyun Hücre Zarından Geçişleri

22 Basit Difüzyon Moleküllerinin gelişi güzel hareketler yaparak yayılmasıdır. Difüzyon ortamda molekül yoğunluğu eşitleninceye kadar devam eder. İyonlar kendi kinetik enerjileri ile zardan her iki yöne doğru geçer ama net hareket çok yoğun ortamdan az yoğun ortama doğru olur. Hücre zarında difüzyon, aynı molekülün sudaki difüzyonundan çok daha yavaştır Membranda difüzyonu sınırlayan faktör lipid çift tabakadır Lipitte daha iyi eriyen bir madde hücre zarından daha

23 Basit Difüzyon Düfüzyon hızı nelere bağlıdır? Kinetik hareketin hızına o Sıcaklığa, yayınım hızı sıcaklıkla artar o Taneciklerin büyüklüğüne, küçük tanecikler daha hızlı yayılır Çözeltinin derişim farkına Zarda iyon ve moleküllerin hareket edebilecekleri delikçik (por) sayısına Yüzey alanına

24 Fick Yasası: Fick yasası, difüzyonu matematiksel olarak tanımlar. Madde akışının konsantrasyon gradienti ile doğru orantılı olduğunu anlatır. Adolf Eugen Fick ( ) Fick in 1. Yasası Kararlı-durum difüzyon şartlarında yani, difüzyonun meydana geldiği ortamda konsantrasyon zamanla değişmediği şartlarda geçerlidir. Fick in 2. Yasası Kararsız-durum difüzyon şartlarında yani, difüzyonun meydana geldiği ortamda konsantrasyon zamanla değiştiği şartlarda geçerlidir.

25 Kolaylaştırılmış Difüzyon: Maddelerin taşıyıcı bir molekül yardımıyla zardan karşı tarafa geçişine denir. Akım çok yoğun ortamdan az yoğun ortama doğrudur. iki taraf konsantrasyonu eşitlendiğinde akım durur Enerji gerektirmez En güzel örnek glikozdur Yüksek Düşük

26

27 İyon Kanallarından İyon Akışı:

28 Ozmoz: Suyun Difüzyonu Su moleküllerinin yarı geçirgen zardan yoğun ortama geçişine ozmoz denir Geçiş iki taraf arası osmolarite farkına göredir su, osmolaritesi düşük olan bölgeden yüksek osmolariteye sahip tarafa geçer Su geçişi, zarın iki tarafında ozmotik basıncı eşitleninceye kadar devam eder.

29 Ozmotik Basınç Bir solüsyonun ozmotik basıncı: Saf su ile yanyana konduğunda, su difüzyonunu önleyebilmek için uygulanması gereken basınca o solusyonun ozmotik basıncı denir osmotik basıncı arttıkça osmolarite de artar, su konsantrasyonu düşer P= T.n. c.r T; Mutlak Sıcaklık n; Dissosiye olabilen partikül sayısı C; Konsantrasyon R; ideal gaz sabiti (0.082 atm l/k mol) Çok yoğun Saf su Eşit yoğunlukta Çok yoğun Saf su

30 İzotonik-Hipotonik-Hipertonik Solusyon

31 Aktif Taşıma: Konsantrasyon gradyentine zıt yönde bir taşınım söz konusudur Enerji gerektiren bir olaydır Na, K, Ca, glikoz, aminoasitler çoğu kez etkin taşınımla taşınırlar

32 Aktif Taşıma: Birincil Aktif Taşıma Taşıyıcı protein ATP yi doğrudan yıkarak kendini fosforilleyen bir ATPaz dır. Na+-K+ ATPaz Ca2+ ATPaz H+ ATPaz H+-K+ ATPaz

33 Sodium-Potassium Pump 6 K+ is released and Na+ sites are ready to bind Na+ again; the cycle repeats. Extracellular fluid Binding 1of cytoplasmic Na+ to the pump protein stimulates phosphorylation by ATP. Cytoplasm 2 Phosphorylation causes the protein to change its shape. Concentration gradients of K+ and Na+ 3 5 Loss of phosphate restores the original conformation of the pump protein. The shape change expels Na+ to the outside, and extracellular K+ binds. 4 K+ binding triggers release of the phosphate group.

34 Aktif Taşıma: İkincil Aktif Taşıma Enerji olarak doğrudan ATP değil, iyon konsantrasyon gradyentini kullanılır Taşıyıcı protein üzerinde asıl taşınacak madde haricinde bir de enerjiyi sağlayacak olan iyonu bağlayan bölge vardır bu iyon genellikle sodyumdur Örn. barsak epitel hücreleri ve böbrek tubül hücreleri zarından glukozun yokuş yukarı transportu Na+ gradyanı ikinci bir iyonun aktif transportu için itici kuvvet olarak kullanılır.

35 Aktif Taşıma: Sekonder Aktif Taşıma Sekonder aktif transport ile taşınan madde sodyum iyonları ile aynı yönde taşınıyorsa simport (sodyum co-transportu), Ters yönde taşınıyorsa antiport (sodyum counter-transportu) olarak anılır

36 Sorusu olan?

37 Hücrede İyon Konsantrasyonu

38 Memeli Nöronlarıda İyon Gradyantı: 2. Ayrıcathere hücre ile dışı 2. Moreover, areiçi differences + + Na-K pompasından dolayı arasında Na veand K+K+ in concentrations of Na across cell membranes konsantrasyon farkı bulunur EXTRACELLULAR CYTOSOL FLUID [Na+] 14 mm + [Na+] 142 mm [K+] 140 mm + [K+] 4 mm + [Cl ] 10 mm [Cl ] mm [A ] 100 mm + because of the Na+/K+ pump; see Fig Plasma membrane 1. Most cells have a difference in voltage 1.across Hücrelerin içi dışına göre cell membrane such thatnegatif inside is negative relative toanyonlardan outside Zarı geçemeyen dolayı at rest, the membrane 3.3.BuTherefore, nedenlerle dinlenim durumunda + conductance has ana low to Na+ anddüşük, zarın ve K+ a geçirgenliği K+ fakat but a large electrical and büyük bir elektriksel ve + chemical gradient for Na bulunur kimyasal gradyent

39 K+ a seçici geçirgen olan zardan difüzyon potansiyeli oluşumu için iki şart vardır: Konsantrasyon farkı olmalı Söz konusu iyona karşı yapay zarın geçirgen olması Yandaki şekildeki deneyde oluşan difüzyon potansiyeli:= mv

40 Difüzyonun Oluşturduğu Zar Potansiyeli: Hücre içi ile hücre dışı arasında K+ geçişi eşit olduğu zaman İMP meydana gelir Sızntı K+ kanalları vasıtasıyla K+ (hücre dışı) difüze olur. K+ kaybı plazma membranın iç yüzünü negatif yapar. Hücrenin iç yüzeyinin negatif olması K+ hücre içine doğru hareketine neden olur

41 Difüzyonun Oluşturduğu Zar Potansiyeli: Zar sadece K+ a çok geçirgen olduğunda: K+ hücre dışına çıkmasıyla zarın dış yüzü pozitif olur Dışarıya difüzyona uğrayamayan, negatif anyonlar, zarın iç yüzünü negatif yapar Fakat [K+] difüzyonu başladıktan 1 ms sonra gelişen bu potansiyel fark, K+ konsantrasyon gradyanına rağmen, K+ un daha fazla dışarıya difüzyonunu durduracak düzeye (yaklaşık -94 mv; lifin içi negatif) yükselir. K+ geçirgen olduğu ilk durumda kuvvetler K+ geçirgen olduğu ilk durumda net kuvvet K+ geçirgen olduğunda dengeye ulaşıldığı durumda kuvvetler -94 mv Hücre içi Hücre içi Hücre içi

42 Dinlenim Zar Potansiyeli: Zarın dinlenim potansiyeli oluşum nedenleri: Bu Na+, K+, Cl ve protein anyonların (A ) hücre içi ve dışı arasında farklı konsantrasyonda bulunmasından kaynaklanır Ayrıca Na+, K+, Cl karşı hücre zarının geçirgen olmasından

43 Gibbs-Donnan Dengesi

44 Gibbs-Donnan Dengesi Gibbs-Donnan Dengesi Nernst Denge Denkleminin özel bir durumudur. Ortamlardan birisinde membranı kesinlikle geçemeyecek bir maddenin bulunması halinde, iki iyon arasındaki dengenin sağlanabilmesi için gerekli iç ve dış konsantrasyonları hesaplamak için kullanılır. [K+]iç [K+]dış = [Cl-]dış [Cl-]iç

45 Gibbs-Donnan Dengesi Elektriksel potansiyel fark 0 mv Elektriksel potansiyel fark (Donnan potansiyeli) 18.4 mv

46 Sorusu olan?

47 Örnek Problem A ve B ortamları yarı geçirgen bir zar ile ayrılmış yarı geçirgen zar Na+, Cl- ve suya geçirgen fakat makromoleküllere (anyonlar, Y) geçirgen değildir. Denge durumunda B ortamı A ortamı Na =60 mm Cl-=60 mm + Na+=90 mm Cl-=? mm Y-=? mm Denge durumunda verilmeyen B ortamındaki makromolekül (anyon protein, Y) Cl konsantrasyonu ne olur? (Na+ )A (Cl- )A = (Na+ )B (Cl- )B 60 x 60=90 x X 3600= 90X X= 3600/90= 40 Denge durumunda her iki ortamda da anyonlar (-), katyonlara (+) eşit olacağından: A ortamında: Anyon = Katyon 60mM Cl=60mM Na B ortamında: Anyon = Katyon 40 mm Cl + mm Y =90mM Na Y= 50 mm olması gerekir. Denge durumunda A ortamı Na =60 mm Cl-=60 mm + ortamı Na+=90 mm Cl-=40 mm Y-=50 mm

48 Örnek Problem Denge durumunda A ortamı Küçük iyonları geçiren (Na+, Cl-) ancak iri anyonları geçirmeyen (A-) bir zar iki kompartımanı ayırıyor. Başlangıçta A ortamında NaA çözeltisi B ortamında ise NaCl çözeltisi vardır. Sistem dengede iken (Donnan dengesi) A ve B ortamındaki konsantrasyonlar şekildeki gibidir Denge durumunda A ortamı Na+=0.326 mol/l Cl-= =0.06 mol/l A-=0.266 mol/l B ortamı Na+ =0.14 mol/l Cl-=0.14 mol/l A-= 0 Na+=0.326 mol/l Cl-= =? mol/l A-=? mol/l Na 0.14 X 0.14 =0.326 X Cl Cl = 0.06 mol/l A- = = mol/l B X Cl = Na X Cl B A A A A B ortamı Na+ =? mol/l Cl-=0.14 mol/l A-= 0