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Biophysik der Moleküle
Dynamische Selbstorganisation von Zytosklettfilamenten Mechanik von Makromolekülen : PolymerphysikPhysik kleiner Reynolds ZahlenRheologie und Viskoelastizität Diffusion und thermische Kräfte
Molekulare MotorenMuskel
kl. Phys. HS Di / Do 10-12 Uhr
Vorlesung Braun/Liedl WS 2012/13
Literatur
Erich Sackmann: Biophysik - LehrbuchSkript :
Bruce Alberts et al.:Molecular Biologyof the Cell (MBoC)
Helmut Pfützner
Roland Glaser
Rodney Cotterill
links : Auf den Folien und auf der Vorlesungsseitewww.softmatter.physik.uni-muenchen.dewww.schwerpunkt-biophysik.physik.lmu.de
PhilNelson
Rädler/ WS 2009 BPM §0 2
Inhalt Biophysik der Moleküle
Proteine! Struktur und Dynamik! Funktion als Enzyme! Molekulardynamik Rechnung!Mechanik der Biomoleküle! Reversible Entfaltung! Bindungen unter Last
Life at low Reynods numbers! Brown‘sche Motoren
Muskel! Molekulare Mechanismen ! ! !
Molekulare Motoren! Turbinen! ! ATP Synthase! ! Flagellenmotor ! Linearmotoren! ! Myosin! ! Kinesin! Cilienmotor
Zellmotilität und Form! Physik der Biopolymere! ! Struktur! ! Dynamik! ! Regulation! Zytoskelett! ! Interm. Filament ! ! Miktotubuli! ! Aktin !
a) Bakterienb) Hefec) Rote Blutzelled) Makrophage
e) Spermiumf) Epidermis-Zelleng) Muskelzelleh) Nervenzelle
Goodsell, 1993
a) Kohlenstoffb) Zuckerc) ATPd) Chlorophylle) tRNAf) Antikörperg) Ribosomeh) Poliovirusi) Myosinj) DNAk) F-actinl) Enzymem) Pyruvat dehydrogenase
Goodsell, 1993
Ribosome: Translating Code into Function
MOVIE : „Inner Life“ shows biomolecules at workhttp://multimedia.mcb.harvard.edu/media.html
(be aware : animations use artistic freedom)
Stochastic Transport!
MD Calculation on Water Transport through ecoli Aquaporin
See Grubmüller et al. MPI Göttingen
See Joe Howard et al. MPI Dresden Manfred Schliwa et al. LMU
Intracellular Traffic over Long Distances
Axon 10 µm
Dist
ance
[nm
]Actin helical repeat: 36 nm
Force Feedback
Disp
lace
men
t [nm
] 26622819015211476380
-38-76
-114
0.80.60.40.20.0Time[s]
Single Molecule Optical Force Clamp
Matthias Rief et al.
Bead with MyosinV on Actin Filament
Life at Low Reynolds Numbers:
”Swimming in molasses, walking in a hurricane“Dean Astumian
Pth ≈ thermal relaxation time kBT
≈ 10-8 W10-13 s
4*10-21 J ≈
Pmech ≈ 10-12-10-17 W!
Compare to power of motors:
R =η
d v ρ
R = 10-5 => No turbulences!
Thermal noise power:Reynolds number:
≈10-6 m * 10-5 m/s * 103 kg/m3
10-3 kg/ms
e.g. bacterium
See Astumian & Hänggi, Physics Today Nov. 2002, 33-39
At what Length Scale is Motility Faster than Diffusion ?
Time to swim the body length: τs = d/v
Time to diffuse the body length: τD = d2/D
Einstein: D = kBT/6πηd
τD/τs = (6πη/kBT)vd2
ecolid≈10µmv≈100µm/s
τD/τs ≈ 1
Diffusion range
Myosind≈10nmv≈10µm/s
τD/τs << 1
Y
_ o=EE
(!= 4g c
o r !. = 6ä e3 =
G
ol
- 2 € 3E + €5ö f t t ( u--tr u
_o
WWWWWWWWWWWI o-ls
- f f iäx i r l lum b io log ica l t imesca le ; age o f Ear th , 4 b i l l i on years = l0 l7 s<- d ivers i f i ca t ion o f metazoans, 600 mi l l ion years = 2 x l0 l6 s
- d ivers i f i ca t ion o f humans and ch impanzees, 6 mi l l ion years = 2 x l0 la s
- sequo ia l i fespan, 3000 years = l0 l I s
<- Calapagos tortoise l i fespan, I 50 years = 5 x l0e s
+ human embryon ic s tem ce l l l i ne doub l ing t ime, 72 h = 3 x l0s s- mayf ly adu l t l i fespan, I day = 9 x l0a s
<J E. co l i doub l ing t ime, 20 min = I .2 x | 0 j s\ uns tab le p ro te in ha l f - l i fe , 5 min = 300 s
- lysozyme turnover rate, = 0.5 s-l
- carbonic anhydrase turnover rate, = 600,000 s-'
<- side chain rotat ion, = 500 ps
- H-bond rear rangements in water , = l0 ps
o
G L
_ > : : ,6 0qJ - .,;
o a- Y -o 'r,,
- coVäl€ht bond vibrat ion in water, = I fs
typical biological timescales
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