fizika biopolimera

8/18/2019 Fizika biopolimera

1/64

FIFIZIKA BIOPOLIMERAZIKA BIOPOLIMERA


2/64

UvodUvod

Fizika biopolimera odnosi se na strukturu i funkcionalnostbioloških makromolekula, proteina i nukleinskih kiselina (DNK i RNK), i njihovu povezanost sa problemom

genetskog koda


3/64

storija problemastorija problema

U !! veku ro"ena su tri velika principa biologije#

1. Darvinova i Valasova teorija evolucije kroz prirodnu selekciju

2. Šlajdenova i Švanova teorija ćelije po kojoj su svi organizmisastavljeni od ćelija koje se razmnožavaju deobom

. !atonova hromozomska teorija nasle"ivanja zasnovana na#endelovim zakonima nasle"ivanja. Funkcija ćelijskih

hromozoma$ sastavljenih od gena je da kontroli%u nasle"e.


4/64

&elije su osnovne strukturne jedinice svih $ivih or%anizama&

'kiva nastaju udru$ivanjem 'elija pomo'u me"u'elijskihkontaktnih spojeva&

(rgani nastaju povezivanjem osnovnih tkiva, koje spajaproteinski van'elijski matriks vezivno% tkiva&

!istemi organa nastaju funkcionalnim povezivanjem or%ana,i tako je iz%ra"en or%anizam svih kimenjaka, pa i ljudskior%anizam

*ako se obavljaju osnovne )unkcije neophodne za $ivot

svako% or%anizma, ukljuuju'i disanje, krvotok, ishranu,kretanje, odstranjivanje nepotrebnih materija irazmno$avanje


5/64

+ ostoje dva tipa ćelijske deobe - jedan tip oplo"enja#

*a+ #itoza . od diploidne roditeljske 'elije (/N hromozoma) posledeobe dobijaju se dve 'erke 'elije sa hromozomskim %arnituramaidentinim %arnituri 'elije roditelja sa /N hromozoma

*b+ #ejoza . od diploidne roditeljske 'elije (/N hromozoma) broj

hromozoma 'elija 'erki je prepolovljen i nastaju haploidne polne'elije (spermatozoidi i jajne 'elije) sa po N hromozoma

*c+ Fertilizacija . polno oplo"enje tj muške i $enske haploidne 'elijespajanjem daju jednu diploidnu 'eliju (zi%ot) sa /N hromozoma


6/64

#endelovi zakoni nasle"ivanja 1,-. god.

0 Fenotip (iz%led individue)0 /enotip (%enetiki sadr$aj individue)

0 1edinke sa indentinim fenotipom mo%u imati razliit %enotip

0ksperimenti sa gra%kom#

0 Dominantne osobine su one koje se javljaju u potomstvu

0 ecesivne osobine se ne javljaju u 23prvoj filijalnoj %eneraciji

0 #endel je svoje zakone interpretirao postojanjem gena od kojih jedni potiu od muško%, a dru%i od $ensko% tako da se pri oplo"enju %eni roditelja kombinuju daju'i razliite genotipe i )enotipe


7/64

Mendelovi zakoni

rincip nezavisne sa%re%acije rincip nezavisno% svrstavanja (rvi zakon) (Dru%i zakon)


8/64

Fi%er (34550ih) je utvrdio da se proteini sastoje iz aminokiselina me"usobnopovezanih peptidnim vezama 0N60780

!amner (34/9) je pokazao da su enzimi proteini (belanevine) i kristališu

*okom 34:50ih razvijene su tehnike )izike hemije kojima biomolekuli ostajubioaktivni i koje otkrivaju homo%enost proizvoda i daju podatke o veliinibiomolekula (sedimentacijom u ultracentri)ugi * !vedberg +$odnosnomolekulskoj težini biomolekula hromatogra)ijom na papiru * #artin 3 !indž +$

pro%irenjem 45kristalogra)ije na biopolimere * 6auling +)

7veri (34::) je pokazao da se nasledne osobine bakterija mo%u promenitipa$ljivim dodavanjem DNK, a 8arga) (34:;) je koriš'enjem hromato%rafijena papiru utvrdio da : nukleotida nisu ravnomerno zastupljena u DNK,ukazuju'i da je uzajamni položaj nukleotida od%ovoran za genetikuspeci)inost

Votson 3 9rik (34


9/64

rimarna,rimarna, sekundarna, tercijarnasekundarna, tercijarna ii kvkvaaternarna struktura biopolimeraternarna struktura biopolimera

6rimarna struktura polimera je odre"ena rasporedom karika upolimernom lancu

!ekundarna struktura polimera je odre"ena prostornom konformacijomkarika u lancu (konformeri > rotameri > rotacioni izomeri)

'ercijarna struktura polimera dobija se sklupavanjem konformera umanje (klupko) ili više (%lobula) kompaktnu formu

9vaternarna struktura polimera dobija se prostornim sla%anjemtercijarnih struktura po principu naj%uš'e% pakovanja


10/64

6rimarna struktura jestabilizovana jakimhemijskim kovalentnimvezama izme"u atoma

Vi%e strukture odre"ene suslabim hemijskim vezamaizme"u atoma i molekula

olimerne strukture#

a) rimarna

b) ?ekundarna

c) *ercijarna


11/64

?truktura proteina?truktura proteina

6roteini imaju najznaajniju ulo%u kao enzimi 0 katalizatori# biohemijskih reakcija u ćeliji (replikacija DNK, transkripcija DNK,re%ulacija %enetske funkcije nukleinskih kiselina@)

elektrohemijskih procesa (aktivni transport molekula i jona kroz'elijsku membranu, %enerisanje i rasprostiranje nervno% impulsa)

mehanohemijskih procesa (miši'na kontrakcija)

akumulacije i prenosa kiseonika (mio%lobin i hemo%lobin)

hormonskog delovanja (polipeptidi) imunolo%kih procesa (antitela)

ali i kao nosioci gradivnih svojstava (vezivna tkiva, ko$a@)


12/64

6rimarna struktura proteinsko% lanca nastaje sintezom$ putem polikondenzacije aminokiselina uz izdvajanje vode

6rimarna struktura jedno% se%menta proteina (sa osenenim lancem peptidnih veza, preko kojih su spojene aminokiseline u proteinu)


13/64

!ekundarna struktura odre"ena je minimumom ukupne ener%ijeproteina ostoje tri tipa# :5)orma$ paralelna i antiparalelna ;5)orma

:5)orma je 3D kristal oblika A0spirale u kojoj su vodonine vezeobrazovane izme"u 7B8 %rupe

date karike i N06 %rupe etvrteprethodne karike

;5)orme predstavljaju /D kristal,slojevite strukture (C0slojevi), pri

emu peptidne veze svako% lancaimaju planarnu strukturu


14/64

'ercijarna struktura nastaje sklupavanjem globula kaodominantne posledice hidro)obnih interakcija 8ne su bazirane na

tome što voda odbija nepolarne kiselinske ostatke, dok privlaipolarne 2ormiranje tercijarne strukture je kooperativan proces


15/64

?truktura nukleinskih kiselina (DNK i RNK)?truktura nukleinskih kiselina (DNK i RNK)

=ukleinske kiseline su informacioni biopolimeri koji re%ulišunasledne osobine (zakonodavna ulo%a)

/eni su fra%menti DNK i oni pro%ramiraju sintezu proteina(izvršna ulo%a)

/enetski kod odre"uje vezu izme"u uzastopnosti nukleotida uDNK i informacionoj ili matrinoj RNK (mRNK) - uzastopnostiaminokiselinskih ostataka u proteinskom lancu

DNK sadr$i : %lavna nukleotida koji se sastoje od še'era

dezoksiriboze, purinskih (adenin i %uanin) i pirimidinskih (citozin itimin) baza i molekula 8:

RNK sadr$i : %lavna nukleotida s tim što umesto dezoksiribozeima še'er ribozu i umesto timina sadr$i uracil


16/64

/lavni nukleotidi koji uestvuju u iz%radnji DNK


17/64

Nukleotidi DNK su povezani u lancu )os)odiestarskim vezama, prekofosfatnih (8:) i hidroksilnih (86) %rupa koje se nalaze na še'ernimkomponentama

6rimarna struktura DNK sastoji se od 2 polinukleotidna lanca koji sume"usobno spojeni vodoninim vezama izme"u specifinih baza#

0 denin i *imin (dvostruka vodonina veza)

0 Euanin i 7itozin (trostruka vodonina veza)

!ekundarna struktura DNK je dvolanana spirala, %de se dva antiparalelna lanca uvijaju jedan oko dru%o% (spojeni vodoninimvezama izme"u FFF* i EFFF7 parova susednih lanaca)G DNK mo$ekristalisati u razliitim dvospiralnim formama (, H i 7 forme), koje se

razlikuju prema %eometrijskim parametrima spirala 'ercijarna stuktura DNK je u formi slabo% klupka, pošto je krutostmolekula velika, dok kvaternarna struktura DNK praktino i ne postoji


18/64

6rimarna struktura jedno% polinukleotidno% lanca (sa osenenim prikazom)os)odisterskih veza izme"u nukleotida u lancu)


19/64

Votson59rikovi parovi nukleotidnih baza (FFF* i EFFF7)u DNK, me"usobno spojeni vodoninim vezama


20/64

eplikacija dvolanane DNK odi%rava sepri deobi 'elije (mitozi ) 0 kada se %enetskimaterijal 'elije udvostruuje

Iehanizam replikacije je polukonzervativan pri kome dve DNK spirale 'erki sadr$e svaka

po jedan novi i po jedan stari lanac 0 pri emustari lanac slu$i kao matrica za sitnezu novo%komplementarno% lanca

7eo proces se odi%rava uz katalitikodelovanje proteinsko% enzima polimeraze 0

koji se pomera du$ dvostruke spiraleomo%u'avaju'i sintezu


21/64

+!ekundarna struktura =9 , kojisu jednolanani biopolimeri, imadvospiralne segmente (zbo%tendencije sparivanja FFFU iEFFF7 baza), ali pošto ovdenema komplementarnih lanaca(kao kod DNK), to 'e postojatiodnosi >UJ3 i E>7J3, odnosnobi'e i petlji sa nesparenimdelovima izuvijano% RNK0lanca


22/64

roblem %enetsko% koda

/en je deo molekula DNK odgovoran za sintezu jedno%proteinsko% lanca

DNK sadrži in)ormaciju o primarnoj strukturi proteina (ona jezapisana u rasporedu nukleotida)

6roblem genetskog koda jeste korespondencija rasporeda nukleotida u DNK i aminokiselina u proteinskom lancu

Hroj nukleotida koji kodiraju jedan aminokiselinski ostatak nemo$e biti manji od tri ošto je time kodirano 9: varijacija sa

ponavljanjem tripleta od ukupno : nukleotida (:=B9:), dok imasamo /5 aminokiselina . pa pošto je 9:/5, znai da je genetskikod degenerisan (v *abl)

Eenetski kod je tripletan$ neprekrivajući$ linearan$ bez blankova

6443 =


23/64

De%i)rovana korespondencija 9: kodona (nukleotidna tripleta) i/5 aminokiselina (Nirenber%, 3493& Korana, 3499& Krik, 3499)

Mesto 1 Mesto 2 Mesto 3

(5' - kraj) U C A G (3' - kraj)

U Phe Ser Tyr Cys U

Phe Ser Tyr Cys C

Leu Ser Terma Term A

Leu Ser Term Trp G

C Leu Pro His Arg U Leu Pro His Arg C

Leu Pro GluN Arg A

Leu Pro GluN Arg G

A Ileu Thr AspN Ser U

Ileu Thr AspN Ser C

Ileu Thr Lys Arg A

Meth Thr Lys Arg G

G Val Ala Asp Gly U

Val Ala Asp Gly C

Val Ala Glu Gly A

Val Ala Glu Gly G


24/64

Hiosinteza proteinaHiosinteza proteina

6repisivanje je proces %enetski kodirane biosinteze m=9 ,kojim se prepisuje genetska in)ormacija sa DNK na mRNK

6revo"enje je proces %enetski kodirane biosinteze proteina$ kojim se prevodi genetska in)ormacija sa mRNK na protein

(na ribozomima)

mRNK prenosi %enetsku informaciju od hromozoma karibozomima na kojima se odi%rava biosinteza proteina

La biosintezu proteina potrebno je ulo$iti ener%iju koja jesadr$ana u molekulima adenozin trifosfata (*2)

ATF → ADF !"PO# ΔE ("$%& k'mol)


25/64

Mema sinteze proteina u 'eliji


26/64

7ktivirane aminokiseline vezuju se za specifinu transportnu t=9

ibozomi obezbe"uju interakciju mRNK sa tRNK ?vaka t=9svojim antikodonom komplementarno intera%uje sa od%ovaraju'imkodonom m=9

!ve etape biosinteze karakterisane su jedinstvenim principomtj molekularnim prepoznavanjem

!ve somatske ćelije dato% više'elijsko% or%anizma sadr$e isti skupgena

> razliitim ćelijama isto% or%anizma )unkcioni%u razliiti proteini , tjekspresuju se razliiti geni

?nduktori i represori upravljaju poetkom i zavr%etkom sintezespecifino% proteina


27/64

#utacije se odi%ravaju ili spontano ili pod uticajem spoljašnjihfaktora (hemijskih ili radijacionih delovanja na hromozome i %ene)

ostoje hromozomske mutacije (izmena nadmolekularnehromozomske strukture) i takaste tj genske mutacije (izmenarasporeda u nukleotidima DNK i mRNK)

!tabilnost genetskog koda u odnosu na genske mutacije (jer su

mutacije kod kojih su purinski nukleotidi zamenjeni pirimidinskim, iobratno, koje utiu na promenu hidro)obnosti od%ovaraju'ihaminokiselinskih ostataka oko / puta re"e od nemih 0 kod kojih sene ispoljavaju funkcionalne promene 'elijskih proteina)


28/64

2izika interakcije ferment0supstrat#2izika interakcije ferment0supstrat#molekularno prepoznavanje molekularno prepoznavanje

Ferment i *enzimi+ su katalizatori svih biohemijskih reakcija

9atalizator uestvuje u reakciji i ubrzava je, a pri tom se ne troši

9onstanta brzine reakcije k ( 7renijusov zakon)#

pri emu je /@

energija aktivacije, koja karakteriše ener%etskubarijeru Fermenti snižavaju energiju barijere

,A RT G

ek

‡

−

=


29/64

> povratnoj reakciji , brzine reakcije u jednom i udru%om smeru su#

,1 AC k =

> ravnoteži je i konstanta ravnoteže 9 se definiše kao#vv =

K C

C

k

k

Beq

Aeq

1

1

.

azlika slobodnih energija polazno% rea%enta () i produktareakcije (H) je#

%de je 0 razlika entalpija, a 0 razlika entropija rea%enata

eakcija je moguća samo ako je 5, tj ako se snižavaslobodna energija

9atalizator snižava aktivacionu barijeru

‡ G∆ =−= K RT ln

‡ ‡ S T H ∆−∆

‡ H ∆ ‡ S ∆

‡ G∆

.1 BC k v −=

v


30/64

Mematski prikaz uticaja fermenta na sni$avanje aktivacione barijere ( )hemijske reakcije & A je koordinata hemijske reakcije koja oznaavaskup relativnih polo$aja svih = atoma u me"uatomskimkonfi%uracijama (tako da presek /(A )O du$ neko% l ij daje presek ener%etskehiperpovrši u vidu krive slobodne ener%ije u datoj ravanskoj projekciji

variranih me"uatomskih rastojanja i 0to% i j 0to% atoma)

@ @

11 GG F P

{ } N N

l l l 11312 ,..., −


31/64

,2

S M

S m

S M

F S

C K

C v

C K

C C k v

+

=

+

=

%de je B s koncentracija supstrata ?, B F koncentracija fermenta 2 i 9 # Iihaelisova konstanta (v Lad 3)

Mematski prikaz zavisnosti brzina fermentativnih reakcija

?z reakcije#

%de je ? supstrat, produkt, 2o ferment i 23 fermentno0supstratni kompleks0 dobija se #ihaelis5#entenova jednaina za brzinu hemijske reakcije


32/64

9ooperativne )ermentativne reakcije#Iolekul fermenta se mo$e nalaziti u tri stanja#255 (oba centra slobodna), 253B 235 (jedan

centar zauzet supstratom, dru%i slobodan) i233 (oba centa zauzeta supstratom)

Mema kooperativne

fermentativne reakcije


33/64

Mema obrazovanja )erment5supstrat kompleksa posredstvom

indukovane strukturne korespondencije#(a) ferment i supstrat pre interakcije

(b) fermentno0supstratni kompleks (2?K)

(c) i (d) nemo%u'nost obrazovanja 2?K za molekule manje od

supstrata mada njemu sline po obliku


34/64

Konorma*iona +vo,+-va ermena-a

9on)ormaciona labilnost proteina obezbe"uje mo%u'nost nje%ovespecifine interakcije sa supstratom

#olekularno prepoznavanje odi%rava se posredstvomkonformacionih transformacija ime se ostvaruje strukturnakorespodencija fermenta i supstrata

0lektronskoCkon)ormacione interakcije (QK) imaju najve'i znaajza fermentativnu katalizu

!manjenje energije aktivacije posledica je širenja parabole pod

dejstvom dodatne sile pritiska elektrona, što dovodi do pomeranjatake preseka sa susednom parabolom ( ), v narednu ?liku

>brzanje biohemijske reakcije rezultat je sni$enja aktivacioneener%ije

'a

G


35/64

Mematski prikaz dva semi5klasina modela 09? , sa elektronima u(a) pravou%aonoj potencijalnoj jami sa beskonano visokim pokretnim

zidovima i (b) parabolinoj potencijalnoj jami sa pokretnim zidovima

. i kl i0 i d l EKI i bi l k l ,


36/64

.emi/kla+i0ni model EKI i biomolek1larno2 3re3oznavan,a

Dozvoljene vrednosti ener%ije /n elektrona na n nivoa jame izraunavaju seprimenom de Hroljijevo% uslova stoje'ih elektronskih talasa u jami širine #

? dru%e strane je talasna du$ina elektrona Ee data de Hroljijevom relacijom

Kombinovanjem prethodna dva izraza dobija se brzina elektrona v eBnh>/m

e

pa je ener%ija elektrona u jami jednaka

8datle se mo$e izraunati sila pritiska elektrona na zid jame,

romenom ravnote$e (pobu"enjem elektrona (raste n), ili dodavanjemelektrona sistemu (raste broj elektrona, odnosno broj udara u zid jame),zidovi jame se pomeraju u novi ravnote$ni polo$aj ( S+ . odnosno rad za

premeštanje jez%ara () eS) vrši se na raun umanjenja ener%ije elektrona 0

;,...)2,1(,2==

n Ln

eλ

.eee

evm

h

p

h==λ

.82 2

222

Lm

hnvm E

e

ee

e ==

.4d

d3

22

Lm

hn

L

E f

e

ee ==

K - i d l EKI i bi l k l ,


37/64

Kvan-ni model EKI i biomolek1larno2 3re3oznavan,a

Dva otvorena pitanja semi0klasino postavljenih problema u molekularnojbio)izici jesu#*i+ =erazumno dugo vreme potrebno za izmenu biomolekularnih konformacija

(Tevintal, 349),*ii+ Dugodometna usmerenost selektivnih procesa biomolekularno%prepoznavanja

9vantnomehanika re%enja ovih otvorenih pitanja su%erišu#

+ 'eorija neradijativnih rezonantnih strukturnih prelaza (Eribov, /553), krozintermedijarne kvantno0koherentne superpozicije okru$enjem pobu"enihelektronsko0vibracionih stanja rea%enata u molekularnim reakcijama,

+ #odel kvantne dekoherencije (Rakovi' et al , /55:09), kroz okru$enjemindukovane konformacione prelaze u biomolekularnom prepoznavanju$ uz

mo%u'nost razmatranja ovo% procesa na nivou cele 'elije kao 6opfildovekvantno0holo%rafske asocijativne neuronske mre$e (sa tretiranjem svihbiomolekula iste vrste u 'eliji kao dinamiki spregnutih identinih kvantnihestica$ impliciraju'i time dublji kvantni holizam ćelije),+ #odel rezonantnog prepoznavanja # (Vosi', 344;& Weljkovi', 345),

baziran na otkri'u da informacioni biomolekuli i njihovi supstrati imaju istizajedniki RRI0frekventni pik ali skoro suprotne faze


38/64

erspektive za molekularnu elektronikuerspektive za molekularnu elektronikui nanomedicinui nanomedicinu

#olekularno prepoznavanje ferment0supstrat mo$e imati veoma znaajnetehnološke implikacije u molekularnoj elektronici 3 nanomedicini

Analo2ni bio0i3ovi mo%li bi koristiti enzime kao XXinteli%entneXXmolekularne prekidae

Ne%ativno svojstvo ovih analo%nih molekularnih prekidaa je da enzimifunkcionišu relativno sporo

8vi analo%ni prekidai bi se mo%li efikasno koristiti kao biosenzori zaprepoznavanje supstrata

Hioipovi se mo%u napraviti, ali je potrebno rešiti još mno%e praktineprobleme


39/64

Ve%take nanostrukture (poput nanoestica i nanonaprava) mo%ukontrolisano interagovati sa biomolekulima istih veliina, kako na površinitako i unutar 'elije

4anomedi*ina je primena nanotehnolo%ija u zdravstvu, i ine je trime"usobno povezana pravca# (3) nanodijagnostika& (/) regenerativnamedicina& (=) ciljana dostava lekova

=anodijagnostika ima konaan cilj identifikovanja bolesti u što ranijojfazi, idealno na novou jedne 'elije Da bi se posti%ao ovaj cilj treba da se

preduzmu aktivnosti u istra$ivanju i razvoju radi poboljšanja efikasnosti invivo i in vitro dija%nostike

egenerativna medicina je fokusirana na mehanizme vlastito% oporavkatela u preventivi i leenju hroninih bolesti, poput dijabetesa, osteoartritisai de%enerativnih oboljenja kardiovaskularno% i centralno% nervno%

sistema, i pomo'i $rtvama povreda Biljana dostava lekova ima za cilj razvoj novih tehnika dostave lekovaradi efikasnije% transporta leka na mesto bolesti, poboljšane reakcijepacijenata, smanjenja cene zdravstvene ne%e, ali i zbo% identifikovanjanovih naina dostave novih klasa medikamenata koji ne mo%u biti

efikasno dostavljeni konvencionalnim sredstvima


40/64


41/64


42/64

Ietode karakterizacije biopolimeraIetode karakterizacije biopolimera

!emi,+ke me-ode dešifruju primarnu strukturu biopolimera,strukturu aktivnih centara proteinskih %lobula itd, ali ne mo%udešifrovati prostornu strukturu proteina i nukleinskih kiselina

Fizi0ke me-ode odre"uju molekulsku te$inu biopolimera, njihovusekundarnu, tercijarnu i kvaternarnu strukturu

Molekulska težina iz%ra"ivakih molekula biomaterijala odre"ujeiz%ra"ivakih molekula biomaterijala odre"ujese metodomse metodom masene spektroskopije, mada se koriste i dru%e metod, mada se koriste i dru%e metodeepoputpoput osmometrije,, viskozimetrije,, sedimentacije u centri)ugi ,, rasejanjasvetlosti

Prostorna struktura biomaterijala odre"uje se metodamabiomaterijala odre"uje se metodama di)rakcije(rent%enska, neutronska, elektronska),(rent%enska, neutronska, elektronska), mikroskopije (optika,(optika,elektronska, skeniraju'om probom) ielektronska, skeniraju'om probom) i spektroskopije (elektronske,(elektronske,vibracione, ma%netne)vibracione, ma%netne)


43/64

+ Masena spektroskopija zasnovana je na odre"ivanju specifino%naelektrisanja (Gm) jonizovanih biomolekula, merenjem na foto0luminiscentnom zaklonu polo$aja horizontalno% otklona (r H mvG


44/64

+ Osmometrija je zasnovana na merenju osmotsko% pritiska ( posm)rastvora biomaterijala 8datle se mo$e odrediti molekulska te$inabiomolekula (# ) iz Want06ofovo% zakona# posm GB H 'G# (B jekoncentracija rastvora u %>cm=)

+ Viskozimetrija je zasnovana na merenju viskoznosti rastvora (η ),viskoznosti isto% rastvaraa (η 0 ), i odre"ivanju karakteristineviskoznosti rastvora biomaterijala (Yη Z B lim(η 5 η 0 ) / η 0 B$ BI5)Iolekulska te$ina biomolekula odre"uje se iz relacije Yη Z B 7#J , %de se

parametri a (5,< ≤ a ≤ 3, zavisno od promoivosti klupka biomolekula) i 7 odre"uju dru%im metodama

+ Sedimentacija 1 *en-ri12i sastoji se od talo$enja biomolekula poddejstvom centrifu%alne sile u ultracentrifu%i (sa ekvivalentnimubrzanjima =


45/64

+ Rasejanje svetlosti u rastvoru biomaterijala zavisi od molekulske te$inebiomolekula Lbo% rasejanja, intenzivnost upadno% snopa (? 0 ) slabi po

zakonu#

%de je l debljina sloja rastvora kroz koji prolazi svetlosni snop, a K koeficijent mutnosti rastvora# K H πLB#G = (tu je L poznata funkcija n0 i n

(indeksa prelamanja rastvaraa i rastvora), B (koncentracije rastvora) i λ v (talasne du$ine svetlosti)) Iolekulska te$ina biomolekula (# ) odre"ujese iz koeficijenta mutnosti rastvora (K )

l

oe I I κ −

=


46/64

Dirak*ione me-ode karak-eriza*i,e

Ren-2en+ka dirak*i,a koristi efekat

difrakcije !0zraka ( x [ 5,3 nm) nakristalnoj rešetki, %de se difrakcionimaksimumi ostvaruju pod uslovomda se rasejani zraci na kristalnimravnima nalaze u fazi odakle slediHra%ov zakon# n x B /d sinθ ( x jetalasna du$ina !0zraka, d rastojanjeizme"u kristalnih ravni na kojima seostvaruje difrakcija, θ difrakcioniu%ao izme"u pravca upadno% !0zraka i kristalne ravni pri kome seostvaruje difrakcioni maksimum,n B 5,3,/, )

U sluaju slo$enih kristalnih struktura, sa višeatomskim bazisom od s razliitih atoma u primitivnoj 'eliji, neophodno je uraunati i %eometrijskistrukturni faktor# !9 B \ j ) j e]p(i9d j ) (%de sumiranje ide po svim bazisnimatomima, j B 3,/,,s& ) j je atomski form faktor j 0to% atoma u bazisu, 9 vektortranslacije reciprone rešetke, a d j vektor polo$aja j 0to% atoma bazisa

primitivne 'elije) 0 koji modifikuje intenzivnost difrakcionih maksimuma, ime je mo%u'e odrediti raspodelu elektronske %ustine u kristalu


47/64

+ eutronska di!rakcija koristi termalne neutrone male ener%ije(0 n∼ 5,5 eW) koji imaju talasnu du$inu reda me"uatomskih rastojanjau kristalu ( n∼ 5,3 nm) La razliku od difrakcije 4 0zraka, onaomo%u'ava odre"ivanje polo$aja atoma vodonika (6) na kojima setermalni neutroni intenzivno rasejavaju, što se uoava na neutronskomdifrakto%ramu Neutronsko rasejanje je po%odno i za odre"ivanjevodoninih veza, što je od veliko% znaaja za biomaterijale

+ Elektronska di!rakcija koristi spore elektrone male ener%ije(0 e ∼ 3


48/64

+ OP"#$%& / ME"&'O(R&)S%& M#%ROS%OP#*& jedna je odnajprostijih metoda za ispitivanje makroskopskih detalja prostornestrukture materijala

+ ošto je talasna du$ina vidljivo% zraenja Ev [ 35^035_ nm, to je zbo%

difrakcije njena mo' razdvajanja o%raniena na detalje strukture isto%reda veliine, što spada u domen ispitivanja makroskopskih defekata

+ 8va metoda naroito je po%odna za ispitivanje površinske struktureneprovidnih biomaterijala, kao i za izuavanje strukture u teno0kristalnim fazama, posebno ispitivanjem u polarizovanoj svetlosti

Mikro+ko3i,+ke me-ode karak-eriza*i,e

E'E%"ROS%& M#%ROS%OP#*& koristi talasna svojstva elektrona


49/64

E'E%"ROS%& M#%ROS%OP#*& koristi talasna svojstva elektrona,omo%u'avaju'i istra$ivanje detalja prostorne strukture i do nekoliko me"u0atomskih rastojanja Najznaajnije varijante elektronske mikroskopije jesuskenirajuća elektronska mikroskopija i transmisiona elektronska

mikroskopija

+ Skeniraju+a elektronska mikroskopija (?QI) jedna je od najvišekoriš'enih metoda u karakterizaciji biomaterijala ?QI ure"aji rade nauve'anjima od 35 do preko =55555, a osim morfolo%ije ispitivano%biomaterijala u mo%u'nosti su da pru$e preciznu informaciju o hemijskomsastavu biomaterijala u blizini nje%ove površine

+ U tipinom ?QI eksperimentu %eneriše se snop primarnih elektronafokusiran u fini spot prenika pribli$no < nm, sa ener%ijama elektrona kojevariraju od 355 eW do


50/64

+ "ransmisiona elektronska mikroskopija (*QI) ima izuzetno velikiopse% uve'anja od


51/64

M#%ROS%OP#*& S%E#R&*,-OM PRO.OM *!6#+ jeste familijamikroskopijskih tehnika zasnovanih na razliitim interakcijama probe sasilama na povr%ini ispitivano% materijala ?I je jedina mikroskopijskametoda koja daje =D (topogra)ske) slike ispitivano% uzorka u realnom

prostoru+ Skeniraju+a tunelska mikroskopija *!'#+ bazirana je na kvantnom tuneliranjuelektrona izme"u vrha probe (tip od g ili t0r le%ure, na piezoelektrinom elementu) iprovodne površine ispitivano% materijala

+ Kada se uspostavi napon > izme"u tipa ipovršine uzorka, dolazi do promene oblikaener%etske barijere i do eksponencijalnoopadaju'e struje tuneliranja elektrona krozbarijeru# ? [ e]p(0kz ), %de je z rastojanjeizme"u tipa i površine, k B Y/m(e>50 )Z>h

je funkcija primenjeno% napona > , m masaelektrona, e naelektrisanje elektrona, 0 ener%ija elektrona, a h lankova konstanta

+ U ?*I eksperimentu odr$ava sekonstantnom struja tuneliranja tj rastojanjeizme"u tipa i površine, što se softverskipretvara u raznim takama skenirane O5P

ravni u =D topo%rafsku sliku površine rinciprincip ?*I?*I mikroskopijemikroskopije

+ Mikroskopija atomski sila *7F#+ ij j


52/64

+ Mikroskopija atomski sila *7F#+ razvijena jeza prevazila$enje osnovno% o%ranienja ?*I,odnosno za istra$ivanje neprovodnih materijala

+ Kod 2I tip se montira na kraju la%ane, veoma

elastine i visokoreflektuju'e ploice (kantiliver )pod u%lom od 45, tako da prati promenu na%ibakantilivera koji se menja pri paranju tipa popovršini biomaterijala, ime se menja i u%aoreflektovano% lasersko% snopa usmereno% nakantiliver , što se softverski pretvara u =D slikuispitivano% uzorka

+ Na malim rastojanjima izme"u tipa i površinematerijala predominantan uticaj na vertikalnopomeranje tipa i savijanje kantilivera imakratkodometna van der Walsova interakcija, dokna ve'im rastojanjima dominantan uticaj imajudu$edometne elektrostatike i kapilarne sile

+ Ioderni 2I ure"aji koriste kantilivere izuzetnomale mase ime je omo%u'ena detekcija silakoje deluju na tip [ 3503 N 2I se veomamno%o koristi i za lokalizovana merenjaelastinosti i viskoznosti površine materijala,odre"ivanjem zavisnosti sila0rastojanje na

izabranim mestima na površini biomaterijala rinciprincip 2I 2I mikroskopijemikroskopije


53/64

SPM podvarijante zasnovane na dru%im interakcijama tipa i podlo%e#

+ Mikroskopija elektrostatikim silama (Q2I) odre"uje raspodelunaelektrisanja na površini biomaterijala na osnovu lokalnih promena

elektrostatikih sila koje deluju izme"u tipa i površine,+ Mikroskopija ma1netnim silama (I2I) prati promene u ma%netnoj

interakciji izme"u ma%netno% tipa i površine ma%netno% materijala,

+ Skeniraju+a termalna mikroskopija (?*hI) koristi tip funkcionalizovanu minijaturni termopar ijim se skeniranjem dobija visokorezolucionatemperaturska raspodela na ispitivanoj površini biomaterijala,

+ Skeniraju+a kapacitivna mikroskopija (?7I) meri promenu elektrinekapacitivnosti izme"u tipa i površine,

+ Mikroskopija kelvinovom pro2om (KI) koristi prostorno lokalizovana

merenja hemijsko% potencijalaIno%e od pobrojanih metoda kombinuju se zajedno sa ?*I i 2I uspecifine ure"aje koji u jednom postupku (merenju) odre"uju visoko0rezolucionu topo%rafiju površine materijala i daju prostorno lokalizovanevrednosti jedno% ili više svojstava materijala


54/64

.3ek-ro+ko3+ke me-ode karak-eriza*i,e

SPE%"ROS%OPS%E ME"O3E omo%u'avaju odre"ivanje polo$ajaener%etskih nivoa razliitih eksitacija (elektronskih, vibracionih, rotacionihili njihovih kombinacija) u ispitivanom uzorku

nformacije koje se dobijaju od razliitih eksitacija komplementarne su,daju'i potpuniju sliku o strukturi ispitivano% biomaterijala


55/64

E'E%"ROS%& SPE%"ROS%OP#*& bazirana je na merenjukarakteristika elektronskih prelaza (ener%ije, intenzivnosti, polarizacijeili vremena prelaza) u spektrima rasejanja$ apsorpcije$ prelamanja i luminiscence infracrvene (7), vidljive (W), ultraljubiaste (UW) ilirent%enske (!) svetlosti od strane biomolekula u slobodnom ilikondenzovanom (vrstom ili tenom) stanju

+ Rasejanje svetlosti (od vidljive do 45zraka) omo%u'ava odre"ivanjeoblika i unutrašnje strukture biomolekula Ierenjem intenzivnostirasejano% snopa (?

θ

) pod u%lom θ , u odnosu na upadnu (? $), odre"uje se

funkcija rasejanja (6 B? >? $), koja se mo$e i teorijski proraunati za razne%eometrijske oblike (sfera, elipsoid, štap) i njihove me"usobne prostornerasporede 0 što je omo%u'ilo odre"ivanje tercijarne i kvaternarnestrukture nekih proteina

+ &psorpcioni spektri mo%u biti elektronski (>V$V ) i vibracioni (?B ), iomo%u'avaju brzu identifikaciju karakteristinih delova primarne (isekundarne) strukture biomolekula zbo% prisustva karakteristinihapsorpcionih traka za razliite atomske %rupeG Qlektronski apsorpcionispektri omo%u'avaju i detekciju rezonantne preraspodele ener%ije iintenzivnosti pobu"enja hromofornih %rupa biomolekula (tzv eksitona) 0što je posebno osetljivo na strukturni prelaz spirala0klupko kod proteinaG


56/64

U kondenzovanom stanju$ apsorpcioni spektri omo%u'avaju i odre"ivanjeveliine i vrste energetskog procepa biomaterijala, nala$enjem ener%ijeapsorpciono% pra%a upadne svetlosti (promenljive frekvencije) pri kojoj

poinje njena intenzivna apsorpcija, koja karakteriše me"uzonskeelektronske prelaze u biomaterijalu

8dre"ivanje veliine i tipa energetskog procepa biomaterijala iz polo$ajaminimalnih ener%ija (a) direktnog i (b) indirektnog prelaza, 0 1 B min 0 dir , 0 ind


57/64

+ 'uminescenca se pokazuje kaoinformativna spektroskopijabiomolekula, ne toliko po talasnojdu$ini maksimuma traka, kolikopo intenzivnosti$ polarizaciji i

vremenu luminesciranja (naknadno% svetlenja eksitirano%biomolekula, ∼3035 ns, aponekad i znatno du$e)


58/64

U osnovi sve luminescentnetehnike zasnivaju se nadetekciji i analizi emitovano%

QI zraenja iz materijala,indukovano% spoljašnjomener%etskom perturbacijom


59/64

+ )otoluminescenca se posebno istie prema znaaju i obimukoriš'enja u karakterizaciji biomaterijala, i deli se na )luorescencu (prelaz elektrona sa ouvanjem spina) i )os)orescencu (prelaz sapromenom spina)

+ 4emiluminescenca poiva na hemijskoj reakciji u kojoj se %radi novo jedinjenje uz emisiju svetlosti Ino%e hemijske reakcije proizvode isvetlost i toplotu 0 ali znatno je manji broj hemijskih reakcija u kojimase kao proizvod javlja emisija svetlosti bez osloba"anja toplote

+ Elektroluminescenca nastaje primenom elektroma%netno% polja,koje eksitira molekule materijala 'riboluminescenca je poseban videlektroluminescence koji se javlja kada se materijal za%rebe, z%njeiili mehaniki stresira na bilo koji dru%i nain, usled e%a dolazi najpredo prostorno% razdvajanja naelektrisanja u materijalu, a posleodre"eno% vremena i do rekombinacije uz emisiju fotona (svetlosti)

+ Radioluminescenca (scintilacija) javlja se usled eksitacije esticamavisoke ener%ije ili radijacijom U zavisnosti od izvora eksitacije mo$ese %ovoriti o :5luminescenci , jonoluminescenci i 45luminescenci.

+ )luorescenca 56zraka (!R2) je od veliko% znaaja jer omo%u'avak li i i k i i d "i j bi ij l (id ifik ij


60/64

kvalitativno i kvantitativno odre"ivanje sastava biomaterijala (identifikacijuelemenata i njihovo% odnosa u biomaterijalu), ime je mo%u'e odrediti sveelemente osim 6, 6e i Ti

!R2 se zasniva na prethodnom pobu"ivanju elektrona unutrašnjih ljuski

primarnim !0zraenjem i potonjoj detekciji i analizi karakteristinih,sekundarnih !0zraka, emitovanih iz biomaterijala (fluorescentno zraenje)preraspodelom elektrona spoljašnjih ljuski, pošto kvadratni korenkarakteristinih linija sekundarnih !0zraka zavisi linearno od atomsko%broja elementa koji ih emituje (Iozlijev zakon)


61/64

Prelamanje i apsorpcija polarisane svetlosti posebnosu znaajni za istra$ivanjebiopolimera, koji imaju hiralnu

strukturu (nemaju ni centar ni ravnisimetrije, odnosno njihov lik uo%ledalu se ne poklapa sa njimasamima) ri prolasku linijski

polarisane svetlosti (talasnedu$ine ) kroz sloj biopolimerno%

rastvora (debljine l), ravanpolarizacije rotira za realni deokompleksno% u%la rotacije ravnipolarizacije (n' i n3 su indeksiprelamanja a Q ' i Q 3 koeficijentiapsorpcije za levo0 i desno0

cirkularno polarisanu svetlost)#

)()( D L D L inn κ κ λ

π

λ

π ϕ −−−=


62/64

+ V#.R&7#O& SPE%"ROS%OP#*& bazirana je na uporednom proraunui merenju karakteristika vibracionih prelaza (ener%ije, intenzivnosti,polarizacije) u me"usobno komplementarnim spektrima rasejanja iapsorpcije infracvene svetlosti od strane biomolekula u slobodnom ilikondenzovanom (vrstom ili tenom) stanju

8 Ramanovo rasejanje ima visoku rezoluciju, i omo%u'ava odre"ivanjeprostorne strukture, raspodele elektronske %ustine, i elektronsko0vibracionih (elektron0fonon) interakcija kako kod biomolekula (posebnoonih sa hromoforama, kod kojih se primenjuje rezonantno Ramanovorasejanje, sa laserskom pobudom u domenu apsorpcije hromofora), takoi u nadmolekularnom kondenzovanom stanju

8 &psorpcioni spektri zbo% prisustva karakteristinih infracrvenihapsorpcionih traka atomskih %rupa, omo%u'avaju brzu identifikaciju

karakteristinih delova molekularne primarne (i sekundarne) strukturebiomolekula

+ RO"&7#O& SPE%"ROS%OP#*& od manje% je praktino% znaaja,zbo% nedovoljne monohromatinosti današnjih optikih ure"aja, što poredu veliine daleko prevazilazi finu rotacionu strukturu spektralnih linija


63/64

+ M&(E"& SPE%"ROS%OP#*& bazirana je na merenju rezonantnihapsorpcionih linija ma%netnih dipola, i zbo% velike osetljivosti ma%netnihdipola na lokalno ma%netno okru$enje od%ovaraju'e metode nuklearnemagnetne rezonance (NIR) i elektronske paramagnetne rezonance

(QR) imaju veliki znaaj u karakterizaciji biomolekula+ uklearna ma1netna rezonanca (NIR) ima o%romnu primenu na

biomolekulima koji sadr$e atome elemenata sa neišezavaju'im totalnimmomentom jez%ra R rincip NIR0spektroskopije je da u stalnomma%netnom polju indukcije


64/64

+ Elektronska parama1netna rezonanca (QR)ima o%romnu primenu kod biomolekula saslobodnim radikalima ili sa neparnim brojemelektrona, tako da je rezultuju'i spin atoma iliatomske %rupe ! B 3>/ U polju ma%netneindukcije

fizika biopolimera

Documents