background image

 

 

 Diffusion

 Thermal fluctuations

 Low Reynold’s number

The radius of a water 

molecule is about 0.1 

nm.

Protein radius is in 

the range 2 - 10 nm.

Fluid can be 

considered as a 

continuum

background image

 

 

The distribution of molecular 

speeds with temperature and 

molar mass

Actual velocity  Maxwell’s distribution

RT

Mv

e

v

RT

M

v

f

2

2

2

/

3

2

2

4

)

(

Molecular speed

2

1

2

3

2

1

2

3

M

kT

v

v

M

kT

For T = 300 K

500 Da (ATP) – v = 70 m/s

50 000 Da (protein) – v = 7 m/s

6.25 GDa (200 nm diameter vesicle) – 
v = 600 μm/s

background image

 

 

An experimental apparatus to 

measure the distribution of 

molecular speeds

background image

 

 

 The mean-square dosplacement in 

a one-dimensional random walk.

 

Dt

x

N

2

2

 

     

Dt

z

y

x

r

N

N

N

N

6

2

2

2

2

 3D diffusion.

  No  net  movement 

occurs.

0

x

 The distribution is symmetrical.

Diffusion

background image

 

 

 Net solute movement is from higher to lower 

concentration, 

even 

though 

individual 

particles move completely randomly. 

  The  non-uniform  distribution  provides  an 

energy gradient to drive the overall process of 
net movement from high to low concentration.  

In thermodynamic terms, we're watching the 

increase in entropy within a small, isolated 

system without an input of energy. 

Diffusion of selected molecules

background image

 

 

 10 

-5

 for most small molecules in water

background image

 

 

Force

dx

potential

d

J

)

(

 More probability seems to be „pushing” the 

particles.

 The random walk results with deterministic flow of particles.

 But only when number of particles is large.

Flux of particles due to diffusion

dx

dc

D

Adt

dm

j

Fick’s first low

D – Diffusion 

constant  (m

2

/s)

background image

 

 

Flux into volume A

l

l

J

Aldt

JAdt

t

c

Flux out of volume A

l

l

J

Aldt

Adt

J

t

c

'

'

'

Flux through volume A

l

l

J

J

t

c

'

2

2

'

'

x

c

Dl

l

x

c

c

x

D

x

c

D

x

c

D

x

c

D

J

J

Fick’s 2

nd

 law

2

2

x

c

D

t

c

x

c

D

J

t

z

y

x

dz

c

d

dy

c

d

dx

c

d

D

dt

z

y

x

dc





2

2

2

2

2

2

,

,

)

,

,

(

background image

 

 

Solution to diffusion equation





Dt

x

t

t

x

c

4

exp

)

,

(

2

2

/

1

Conditions:
At t = 0 all N

0

 particles at x = 0

 

2

/

1

2

2

/

1

2

4

exp

D

dx

Dt

x

t

cdx

N









 

using



0

2

/

1

2

2

2

exp

r

dx

x

r

therefore

 

2

/

1

D

N





Dt

x

Dt

N

t

x

c

4

exp

2

)

,

(

2

2

/

1

In terms of particles per unit area

Strength of 

source

background image

 

 

Diffusion in space and time

The traveling wave

0

0

j

dt

dc

Inflection point 

the curvature 

changes sign

background image

 

 

Migration down gradients

Thermal conductiity

dz

dT

energy

J

)

(

dz

dv

momentum

the

of

component

x

J

x

)

(

Viscosity

A charged molecules in an electric field

dz

dV

J

1

)

charge

(

background image

 

 

Diffusive transport in biology

dx

dC

D

J

x

 

A  concentration  penalty

  –  diffusive 

transport requires a concentration gradient.

 

The  time  penalty

  –  diffusive  transport 

time  scales  as  the  square  of  the  distance  or 
<X

2

> = 4Dt

 

No 

directional 

specificity

The size limit

As a cell gets bigger there 

will come a time when its 

surface area is insufficient 

to meet the demands of the 

cell's volume and the cell 

stops growing or it will 

divide.

background image

 

 

Forces acting on a particle due to the 
solvent:

(i)

 

Stochastic thermal (Langevin) force

:

Averageing over a large number of particles

The Langevin approach – 

dissipative force

 changes direction and magnitude

 averages to zero over time

0

)

(

t

(ii)

 a viscous drag force that always slows 

the motions. 

v

f

friction (damping) coeff.

viscosity

Stokes law

R



6

The thermal forces

nN

f

5

.

4

The gravitational force

f

nN

F

g



 14

10

background image

 

 

Newton’s  law  for  the  protein  motion  in  a  one-
dimensional domain of length L, x(t):

L

t

x

t

f

v

dt

dv

m

v

dt

dx

B

)

(

0

)

(

,

)

(

)

(

2

)

(

2

2

2

2

2

2

t

xf

dt

x

d

mv

dt

x

d

m

B

The average over a large number of proteins

)

(

2

2

2

2

2

2

2

t

xf

dt

x

d

mv

dt

x

d

m

B

The mass, m, of a typical protein is about 10

-21

 kg

background image

 

 

Integrating twice  between t = (0, t) with 
x(0) = 0:

)

1

(

2

),

1

(

2

2

2

t

B

t

B

e

t

T

k

x

e

T

k

dt

x

d

where 

 = 

m/

.

T

k

E

B

2

1

The random impulses from 

the water molecules are 

uncorrelated with position.

0

)

(

)

(

 t

f

t

x

B

background image

 

 

 The protein behaves as a ballistic particle moving 

with  a velocity 

v =  (k

B

T/m)

1/2

. For a protein with  m 

= 10

-21

 kg, 

v = 2 m/s.

  In  a  fuid  the  protein  moves  at  this  velocity  only 

for a time 

 ~ m/ = 10 

-13

 sec

 – shorter than any 

motion of interest in a molecular motor.

 During this time the protein travels a distance 

·    ~  0.01  nm

  before  it  collides  with  another 

molecule.

For short times, 

t << 

the exponential can be 
expand to second 
order:

)

(

2

2



t

t

m

T

k

x

B

)

1

(

2

2

t

B

e

t

T

k

x

background image

 

 

)

(

2

2



t

t

T

k

x

B

When t >> , the exponential term disappears and:

For  protein  typically  D  ~  10

-11

 

m

2

/sec.

Because 

<x

2

>  =  2Dt

  (Einstein 

relation – 1905):

T

k

D

B

Friction is 

quantitatively related 

to diffusion

)

1

(

2

2

t

B

e

t

T

k

x

background image

 

 

External forces acting on 

macromolecules

)

(

)

,

(

t

f

t

t

x

dt

dx

B

)

(

)

,

(

t

f

t

t

x

dt

dx

B

Langevin equation

The  inertial  term 
is neglected.

)

(

)

,

(

t

f

t

x

F

dt

dx

B

Forces acting on proteins can be characterized by 
a potential

x

t

x

t

x

F

)

,

(

)

,

(

background image

 

 

It quantifies the relative importance of 
friction and inertia

The Reynolds Number

The transition to turbulent flow in a pipe 

occurs for R ~ 1000 

Low Reynolds Number = Laminar 

Flow

m

va

term

friction

term

inertial

R

a – radius of a particle

v – particle 
velocity

m

 – medium 

density

When the Reynolds 

number ‘R’ is small the 

viscous forces dominate.

background image

 

 

Size  spectrum of living organisms and 

the biological and physical properties 

associated with the scale.

10

-1

10

-1

1 min

10

-6

100 μm

Protozoan

10

3

5

1 day

1

1 cm

Shrimp

10

8

1000

10

3

 years

10

9

10 m

Whale

10

-5

10

-3

1 msec

10

-12

1 μm

Bacterium

Reynol

ds 

number

Swimmi

ng speed 

[cm/s]

Diffusi

on time

Mass

[g]

Leng

th

10

5

20

1 week

10

2

10 cm

Herring

10

7

100

1 year

10

6

1 m

Tuna

background image

 

 

Without external force 

such object will stop after 

about 0.1 Å.

It takes it about 0.6 μsec 

to stop.

Inertia plays no 

role whatsoever !!

R ~ 10 

–5

The objects which are the order of a μm in size is 
moving in water with a typical speed of 30 μm/s.

(kg/m•sec at 

20

o

 C)

Water 

10

-3

Olive oil

 

0.084

Glycerine

 

1.34

Glucose 

10

13

background image

 

 

There are two solutions to the 

problem of swimming at low 

Reynolds number.

If the animal tries 

to swim by a 

reciprocal motion, 

it can’t go 
anywhere.

Fast or slow, it 

exactly retraces its 

trajectory and it’s 

back where it 

started.

background image

 

 

In addition the viscous friction 

coefficient can be anizotropic.

II

The flexible oar

The other possibility

background image

 

 

E. 
coli

Rotary motion is 

periodic but not 

reciprocal.

The helix can translate and it 
can rotate.

D

C

B

A

The 

propulsio

n matrix

At low Reynolds number everything is linear.

B

Av

F

Force

D

Cv

N

Torgue

v – velocity, Ω –angular velocity

A „corkscrew” 

(flagella)

It is a rigid, helical object.

background image

 

 

At low Reynolds 

number you can't shake 

off  your environment. 

If  you move, you take it 

along; it only gradually 

falls behind.

background image

 

 

A  covalent  bond

  is  formed  between  the  two  non-

metals  which  share  a  pair  of  valance  electrons  so 
that each obtains a filled valence shell. 

A  non-polar  covalent  bond

  – 

the  electrons  are  shared  equally 
between the two atoms.

A  polar  covalent  bond 

–  the 

electrons  are  shared  unequally 
between the two atoms.

Bio-polymers are held together 

by covalent bonds between 

subunits.

background image

 

 

Ionic Bonds 

  The  valence  electrons  interact  and  the  metal 

transfers its valence electrons to the non-metal.

 

Delocaltzed  bonding

  –  a  resonance  hybrid 

between alternate structures  e.g., benzene 

background image

 

 

Bond 

energy

background image

 

 

 The macromolecular structures have extremely 

many degrees of conformational freedom.

Intra- and Inter-molecular 

interactions is what biology 

is all about

  Every  residue  of  a  macromolecule,  and  every 

bit  of  their  surfaces,  are  interacting  with  their 
surroundings.

  These  interactions  are 

what set the stability criteria 
and  the  dynamic  constraints 
of the biological structures. 

All that allow for dynamic interactions

(

Interactions form, break, re-form constantly)

background image

 

 

 steric 

repulsion

Noncovalent interactions

 hydrogen bonds

Noncovalent Interactions 
are Weak

They are ~ 10-100 times weaker than covalent bonds 
(< 10 kJ/mol).

Noncovalent interactions 

essentially hold together the entire 

organism.

 electrostatics

 van der Waals (repulsive and attractive)

background image

 

 

Interaction

Energy [kJ/mol]

Ion-ion

56 (ε = 8, r = 3Å)

Ion-dipol

–8 to +8 (μ = 2 debye)

Dipole-dipole

–2 to +2

Ion-induce dipole

0.24 (α = 10

-24

 cm

3

)

Dispersion, and stacking 

of aromatic ring system

0 to 40

H-bond

– 5 ± 2.5

Hydrophobic

– 5± 2 per CH

2

Hydration force

– 0.4 to 0.4 per residue

Thermal energy

3.7

Weak interactions

background image

 

 

There are two types of 
interactions

)))

(

cos(

1

(

2

1

2

1

4

0

2

0

,

,

,

,

,

,

2

0

,

,

,

6

,

,

12

,

,

,

0







n

k

k

b

r

k

r

B

r

A

r

q

q

V

dihedrals

angels

k

j

i

k

j

i

k

j

i

bonds

j

i

j

i

b

j

i

j

i

j

i

j

i

j

i

j

i

j

i

j

i

j

i

 noncovalent

 covalent

Structure of macromolecules and aggregates

background image

 

 

Thermal motion

 - biomolecules are stable 

enough to make things work, and yet allow 

the systems to play around in order to allow 

the evolution

B

A

o

AB

G

E

a

A

B

T

k

G

B

A

B

o

B

A

e

A

B

K

]

[

]

[

At equilibrium

background image

 

 

0

3   k T

3 5   k T

3

k T

3 0 0   k T

=

 

How long it takes for 

Brownian motion to 

overcome an energy 

barrier ?

Brownian death

pico-seconds

Biology

 seconds

Too strong

10

67

years

E

a

kT

kT

E

a

e

t

t

0

 t

~ 10

-12

 seconds

background image

 

 

Hairpin unfolding 

accurs at 14.5 pN 

(a)

Force-extension  curves  of  an 
RNA  hairpin.  Scretching  and 
relaxing 

curves 

are 

superimposed.

DNA folding as a two-state system

Effect of mechnical forcen on the 
rate  of  RNA  folding.  Length 
versus  time  traces  of  the  RNA 
hairpin 

at 

various 

constant 

forces.

background image

 

 

E

Control in Biology is accomplished by reducing 

energy barriers. 

Statistics

Unlikely events 

will occur over 

short time 

periods.

background image

 

 

Probable

Improbable

Disorder is Favorable

Disorder is Favorable

Entropic 

Forces

background image

 

 

Pressure

Tension

To create order

To create order

 

 

‘work’ must be 

‘work’ must be 

done

done

The entropic forces can create a 

situation where two molecules will 

interact strongly, although there is 

not a direct “force” between them.

background image

 

 

Electrostatics

Charge-charge interaction

r

q

q

r

U

B

A

0

4

)

(



r

r

r

q

q

r

F

B

A

2

0

4

)

(



background image

 

 

Electric field of point charges

r

q

r

V

A

0

4

)

(



r

r

r

q

r

E

A

2

0

4

)

(



E

q

r

F

B

)

(

)

(r

V

q

Energy

B







k

dz

r

V

j

dy

r

V

i

dx

r

V

r

V

E

)

(

)

(

)

(

)

(

background image

 

 

Interaction between two charge 

distributions 

j

i

j

i

AB

ij

B

j

A

i

AB

ij

d

q

q

U

U

,

,

0

4



A

i

B

j

AB

ij

r

r

R

d

B

j

A

j

A

j

B

j

A

j

B

j

AB

ij

r

r

r

R

r

R

r

r

R

d

2

2

2

)

(

)

(

2

2

2

R

r

and

R

r

B

i

A

i







 

 





2

2

2

2

2

2

2

2

/

1

2

2

2

2

3

2

3

1

3

1

1

2

2

2

)

(

)

(

1

1

R

r

r

R

R

r

r

R

R

R

r

R

r

R

r

r

R

r

R

R

r

R

R

r

r

r

R

r

R

r

r

R

d

B

j

B

i

A

j

A

i

B

i

A

i

B

j

A

i

B

i

A

i

B

j

A

j

A

j

B

j

A

j

B

j

AB

ij

background image

 

 

j

i

j

i

AB

ij

B

j

A

i

AB

ij

d

q

q

U

U

,

,

0

4



charge-quadrupole

 

 

3

0

2

2

3

0

2

2

8

3

8

3

R

r

r

R

q

q

R

r

r

R

q

q

j

B

j

B

j

B

j

i

A

i

i

A

i

A

i

A

i

j

B

j





dipole-dipole

3

0

4

3

R

r

q

R

r

q

R

r

q

r

q

j

B

j

B

j

i

A

i

A

i

i

j

B

j

B

j

A

i

A

i











charge-charge

R

q

q

i

j

B

j

A

i

0

4



 

charge-dipole

2

0

2

0

4

4

R

r

q

R

q

R

r

q

R

q

i

j

B

j

B

j

A

i

j

i

A

i

A

i

B

j





background image

 

 

i

i

i

r

q

p

Electric dipole 
moment

r

q

p

p

p = 3.8 Debya

E

p

U

Interaction energy of a dipole with a field

1 Debye = 0.2 electron-Angstroms
= 3.3x10

–23

 Cm

background image

 

 

Electric field of a 
charge

r

r

r

q

r

E

2

0

4

)

(



Interaction energy between a charge and a dipole

p

r

r

r

q

E

p

U

2

0

4



Charge-dipole interaction

The energy of a dipole p in an electric 
field 

 - the angle between the dipole and the 

electric field.

cos

E

p

E

p

U

p

background image

 

 

i

A

i

A

i

A

r

q

p

j

B

j

B

j

B

r

q

p

r

R

A

B

E

p

U

Electric field of a dipole

3

0

4

3

r

r

r

p

r

r

p

E

A

A

A







3

0

4

3

R

r

q

R

r

q

R

r

q

r

q

U

j

B

j

B

j

i

A

i

A

i

i

j

B

j

B

j

A

i

A

i











Dipole-dipole interaction

3

0

4

3

r

p

r

r

p

r

r

p

p

U

B

A

B

A











background image

 

 

A

E

p

0



 – polarizability of the molecule

Inducede 
dipole

Interaction energy between the induced dipole and the 
inducing field

2

0

0

0

0

2

1

E

E

d

E

E

d

p

U

E

E





Induced  dipoles:  dependent 
upon 

polarizability 

of 

molecule, how easily electrons 
can  shuffle  around  to  react  to 
a charge

background image

 

 

Electric field of a 
charge

r

r

r

q

r

E

A

2

0

4

)

(



Interaction energy between a charge and its induced dipole

4

0

2

2

2

2

0

32

2

1

r

q

E

U



Charge-induced dipole interaction

background image

 

 

Electric field of a dipole

3

0

4

3

r

r

r

p

r

r

p

E







Dipole-induced dipole interaction

Interaction energy between a dipole and its induced dipole

6

0

2

2

2

32

3

r

p

r

r

p

U







background image

 

 

Induced dipole-induced dipole interaction

Interaction between two harmonic oscillators with 
natural frequency 

1

 and 

2

 and polarizabilities 

1

 

and 

2

.

6

2

1

2

1

2

1

)

(

2

3

r

v

v

v

hv

U

background image

 

 

Summary

System

Potential 

dependen

ce on 

distance

Energy

[kJ/mol]

ion-ion

–1

250

ion-dipol

–2

15

dipol – 

dipol

–3

2

London

–6

1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0

2

4

6

8

10

r

-1

r

-2

r

-3

r

-6

Water Screens 

Electrostatic 

Forces

r

r

q

q

F

3

2

1

0

4

1





~ 1-10 for organic substances



= 80 for pure water

background image

 

 

Summary


Document Outline