Biofizyka, wykład 2

Jeżeli znamy wszystkie współrzędne wszystkich atomów danej cząstki - znamy strukturę przestrzenną (konformację). Do znajomości konformacji musimy znać 3N liczb (jeżeli N to liczba atomów w cząsteczce).

Duża cząsteczka może przyjmować wiele różnych struktur (różne ruchy atomów względem siebie, na przykład obroty wokół wiązań pojedynczych). ENTROPIA

Układ makroskopowy cząstek

entropia S=klnP(p,T,...)

stała Botzmanna k=1,38045 · 10 ^-28 J/K

Fizyka statystyczna - uzasadnia zjawiska fizyczne w makroświecie zjawiskami w mikroświecie

Zasady termodynamiki

ΔU = W + Q + ΔM - wzór bilansu energetycznego

ΔU - energia wewnętrzna

W - praca (pΔV + W^{nieobjętościowa})

Q - ciepło (T ΔS)

ΔM - masa wymienna (Σ_iμ_iΔn_i)

Cząsteczka dąży do maksymalnego stopnia entropii. Kiedy wzrasta temperatura, wzrasta ilość dostępnych stanów cząsteczki i rośnie entropia.

Stan równowagi termodynamicznej

1. minimum U

2. maksimum S

minimum G = U+pV-TS (energia swobodna Gibbsa, entalpia swobodna)

Życie funkcjonuje daleko od stanu równowagi. Stale dostarczana jest energia (w postaci związków chemicznych), stale doprowadzane i odprowadzane jest ciepło. Układy żywe wykonują pracę. „Cały czas coś się dzieje, nie możliwe jest osiągnięcie stanu równowagi”

Cząsteczki „starają się” mieć jak najniższy stan energetyczny.

Entalpia - funkcja ilości dostępnych mikrostanów

Tworzenie kompleksu cząsteczek:

A+B+...+E AB...E

ΔG = ΔG_AB...E - (G_A + G_B + ... + G_E) < 0 -czyli tworzenie kompleksów jest uprzywilejowane w takich warunkach

Zwijanie białka

forma natywna forma zdenaturowana

ΔG = G_natywna - G_{zdenaturowana} < 0

Zmieniając warunki możemy zmienić wartość zmiany energii swobodnej Gibbsa, co może przesunąć reakcję w kierunku formy zdenaturowanej. Dzieje się tak po dodaniu czynników denaturujących, na przykład mocznika.

Obsadzenie poziomów energetycznych (rozkład Boltzmanna)

N_i = N₀e^-(Ei/kT)

N₀ - ilość wszystkich cząstek; Ni - ilość cząstek o danej energii

U = Σ_iE_i + Σk_iEk_i

Pierwszy człon to suma energii wszystkich cząstek (energia wewnętrzna), drugi to suma energii oddziaływań pomiędzy cząsteczkami układu. U - energia całkowita

Energia wewnętrzna jest często dużo rzędów większa od energii oddziaływań międzycząsteczkowych.

U zależy od wielkości układu (im więcej cząstek tym większe), dlatego podlega standaryzacji (sprowadzenie do jednego mola) - kJ/mol

Długie polimery biologiczne (DNA, RNA, białka) mogą przyjmować bardzo wiele konformacji. (każdy aminokwas w białku ma 2 stopnie swobody, białko 100aa ma 2¹⁰⁰ czyli około 10³⁰ dopuszczalnych konformacji, wiele z nich jest bardzo bliskich sobie energetycznie) STRUKTURA STATYSTYCZNEGO KŁĘBKA

Oddziaływania stabilizujące (słabe):

1. wiązania wodorowe (donor - elektroujemny z dołączonym wodorem, akceptor - elektroujemny z wolną parą elektronową; tworzą stabilną trójkę ładunków -+-)

2. mostki solne (grupy zasadowe przyjmują proton i mają ładunek +, grupy kwasowe oddają proton i mają ładunek -, przyciąganie elektrostatyczne tych ładunków)

3. kontakty van der Waalsa (krótkozasięgowe, oddziaływania indukcujne, gdy zbyt blisko, pojawia się odpychanie)

4. oddziaływania hydrofobowe (przyleganie do siebie powierzchni hydrofobowych w roztworach wodnych)

5. oddziaływania warstwowe (stacking) (π-π - równoległe do siebie pierścienie aromatyczne w roztworach wodnych w odległości dwóch promieni van der Waalsa C - 3,4 angsztrema; kation-π)

Trudno określić siłę oddziaływań hydrofobowych. W przypadku oddziaływań elektrostatycznych łatwo policzyć ich siłę operując różnicą potencjałów. Istotą oddziaływania hydrofobowego jest minimalny kontakt z cząsteczkami wody oddziaływujących hydrofobowych cząsteczek. Kompleksy hydrofobowe mają mniejszą powierzchnię kontaktu z wodą niż oddzielne cząsteczki. Cząsteczki wody znajdujące się w bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni hydrofobowych mają ograniczony zakres ruchów, czyli mniejszą entropię, im mniej jest cząsteczek wody w pobliżu takich krawędzi, czyli im mniej jest takich krawędzi eksponowanych na wodę, tym więcej cząsteczek wody ma większy możliwy zakres ruchów i większą entropię i cały układ ma większą entropię.

Specyficzne wiązanie biomolekuł

1. stała asocjacji

Kas = [AB...E]/([A][B]...[E])

stała dysocjacji Kd=1/Kas

2. entalpia swobodna wiązania

ΔG⁰ = G⁰_AB…E - (G0A+G0B+...+G0E)=-RtlnKas

RT = ok. 2,5 kJ/mol przy T=300K - tak zwana energia ruchów cieplnych, kiedy jakieś struktury mają stałe stabilności <10RT to łatwo je zerwać.

Ale słabe oddziaływania w biopolimerach nie zrywają się łatwo - dlatego, że jest ich bardzo dużo. Dlatego też wiązanie się specyficzne różnych biologicznych związków jest preferowane - mają one dopasowane powierzchnie i dużo więcej oddziaływań, niż pomiędzy połączeniami niespecyficznymi.

Struktura cząsteczki zależy nie tylko od oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych, ale również od oddziaływań z rozpuszczalnikiem! Zmiana ilości wody otaczającej cząsteczkę - EFEKT HYDRATACYJNY. Wymiana jonów między pierwszą strefą hydratacyjną a resztą rozpuszczalnika - EFEKT POLIELEKTROLITYCZNY

---