Biophysik der Moleküle - LMU München · Inhalt Biophysik der Moleküle. Proteine! Struktur und Dynamik! Funktion als Enzyme! Molekulardynamik ... Flagellenmotor ! Linearmotoren!

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

Erich Sackmann: Skript :

Rob Philip

- Jonathon Howard „Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton“

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 !

Molekulare Biomechanik

Vom lebenden Organismus zum Molekül

a) Bakterienb) Hefec) Rote Blutzelled) Makrophage

e) Spermiumf) Epidermis-Zelleng) Muskelzelleh) Nervenzelle

Goodsell, 1993

Box mit Molekülen

BakteriumTabak Mosaik Virus

Bakterien-Phage

HIV Virus

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)

Speed: 30 na/s

Fidelity:105

RNA Polymerase II Complex

See Patrick Cramer et al. Genzentrum LMU

See Grubmüller et al. MPI Göttingen

MD Calculation on Water Transport through ecoli Aquaporin

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

Kinesin ‘Walking’

S.M. Block, Cell 93, 5 (1998)

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

Brownian Motor

H.Gaub / SS 2005 BPM §0 22

Cytoskeleton: a dynamic polymer network

H.Gaub / SS 2005 BPM §0 20

Cell Motility

Fish Keratinicyte

Hyaluronsäure

DNA

Biopolymere

26

f lage l lum l ipopo lysacchar ide

+ r \I r ibosome mRNA

i n n e rmembrane

membraneprotein

_ o=EE

(!= 4g c

o r !. = 6ä e3 =

G

ol

- 2 € 3E + €5ö f t t ( u--tr u

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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