Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

2 Μοριακά Προϊόντα Φάρμακα: Φαρμακευτικά δραστικές ουσίες (Αctive Pharmaceutical Ingredients) Νανοϋλικά, νανοσωματίδια Βιολογικά μόρια

3 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΤΟΥ ΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Υγεία Στην αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων κεντρικό ρόλο παίζει ο σχεδιασμός υλικών με προδιαγεγραμμένες ιδιότητες, καθώς και διεργασιών και προϊόντων βασισμένων σ’ αυτά τα υλικά. Ενέργεια Περιβάλλον Διατροφή Σχεδιασμός υλικών γίνεται σήμερα σε μοριακό επίπεδο «Πριν από περίπου χρόνια, οι άνθρωποι άρχισαν να καλλιεργούν φυτά και να εξημερώνουν ζώα. Τώρα είναι η ώρα να εξημερώσουμε μόρια.» — Susan Lindquist, Whitehead Institute for Biomedical Research, Massachusetts Institute of Technology 4/12/2015ΔΧ3

4 Τεχνικές μαθηματικής προτυποποίησης και υπολογιστικής προσομοίωσης υλικών και πρόρρησης των σχέσεων δομής-ιδιοτήτων-επεξεργασίας-επιδόσεων ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΜΟΡΙΑΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΥΛΙΚΩΝ Σύγχρονες πειραματικές τεχνικές διερεύνησης δομής και κίνησης σε μοριακό και υπερμοριακό επίπεδο και μέτρησης ιδιοτήτων (π.χ. σκέδαση ακτίνων Χ και νετρονίων, φασματοσκοπίες ΝΜR, ηλεκτρονική μικροσκοπία, μικροσκοπία σάρωσης φαινομένου σήραγγος, μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων, συνεστιακή μικροσκοπία φθορισμού, μικροθερμιδομετρία, τεχνικές high-throughput experimentation) 4/12/2015ΔΧ4

5 Josiah Willard Gibbs ( ) Ludwig Boltzmann ( ) ΠΡΩΤΕΡΓΑΤΕΣ ΤΗΣ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 4/12/2015ΔΧ5

6 ΓΕΝΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ (MD) Alder and Wainwright, 1957 Παρακολουθεί χρονική εξέλιξη προτύπου συστήματος επιλύοντας τις εξισώσεις κίνησης για όλα τα σωματίδια. Με συνήθως διαθέσιμα υπολογιστικά μέσα, μπορεί να προσομοιώσει ατομιστικά μοντέλα διαστάσεων της τάξεως 10 nm επί χρόνους μέχρι μερικά μs. Προσομοιώσεις μέχρι ms δυνατές σε ειδικά σχεδιασμένα υπολογιστικά συστήματα. ΜΟNTE CARLO (MC) Metropolis, Rosenbluth, Rosenbluth, Teller, and Teller, 1953 Στοχαστική δειγματοληψία μοριακών απεικονίσεων σύμφωνα με τη συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας ενός στατιστικού συνόλου ισορροπίας. Κάθε απεικόνιση σχηματίζεται από την αμέσως προηγούμενη επιχειρώντας μια στοιχειώδη κίνηση, που γίνεται δεκτή ή απορ- ρίπτεται βάσει κατάλληλα σχεδιασμένων κανόνων επιλογής. 4/12/20156ΔΧ

7 ΚΛΙΜΑΚΕΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΥ ΣΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ Μήκη δεσμών, ατομικές ακτίνες ~ 0.1 nm Μήκος στατιστικού τμήματος (Kuhn) b ~ 1 nm Γυροσκοπική ακτίνα αλυσίδας ~ 10 nm Μέγεθος περιοχών σε φασικά διαχω- ρισμένο υλικό ~ 1  m Δονητικές κινήσεις  s Μεταπτώσεις διαμόρφωσης  s Μέγιστος χρόνος χα- λάρωσης  s Διαχωρισμός σε φάσεις/ μικροφάσεις  1 s Φυσική γήρανση (Τ < Τ g -20 ο C)  1 yr ≈ 10 6 s Τήγμα Υαλώδης κατάσταση 4/12/2015ΔΧ7

8 IΕΡΑΡΧΙΚΗ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οι υπολογισμοί κατευθύνουν και συμπληρώνουν πειραματικές προσπάθειες για την ανάπτυξη νέων υλικών, διεργασιών και προϊόντων. Κβαντο- μηχανι- κοί Υπολο- γισμοί Μοριακή γεωμετρία, Ηλεκτρο- νικές ιδιότητες Πεδία δυνάμεων μοριακών αλληλεπι- δράσεων χημική σύσταση Ιδιότητες Υλικού Καταστ. Εξισώσεις, Υλικές Σχέσεις Μοριακή οργάνωση και κίνηση Μικροσκοπικοί μηχανισμοί υπεύθυνοι για μακροσκοπική συμπεριφορά Μοριακές Προσομοι- ώσεις, Εφαρμ. Στατιστική Μηχανική π.χ. Monte Carlo, Μοριακή δυναμική, Μοριακή μηχανική, Θεωρία μεταβατικών καταστάσεων Επεξεργασία Μορφολογία Μικροδομή Αδροποι- ημένες παράμετροι αλληλεπί- δρασης π.χ. Σταθερές ρυθμού, συντελε- στές τριβής Μεσοσκο- πικές Προσομοι- ώσεις π.χ. Κινητική Monte Carlo, Θεωρίες αυτo- συνεπούς πεδίου, Dynamic density functional theory, Dissipative particle dynamics Μακροσκο- πικοί Υπολογισμοί, Σχεδιασμός π.χ. Εφαρμοσμένη θερμοδυναμική, Φαινόμενα μεταφοράς, Χημική κινητική, Μηχανική του συνεχούς, Ηλεκτρομαγνη- τική θεωρία Επιδόσεις υλικού υπό συγκε- κριμένες συνθήκες εφαρμογής 4/12/2015ΔΧ8

9 4/12/2015 ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Νανοκλίμακα: 1 nm = m =  m = 10 Å Ατομική κλίμακα (~ Å ) 1  m ) Γιατί είναι σπουδαία; Διότι: 1.Οι κβαντομηχανικές (κυματικές) ιδιότητες των ηλεκτρονίων μέσα στην ύλη επηρεάζονται από μεταβολές της τάξης νανοκλίμακας ⇒ είναι πιθανό να μεταβληθούν οι ιδιότητες των υλικών (π.χ., ειδική θερμότητα, θερμοκρασία τήξης, μαγνητική επαγωγή, κλπ.) χωρίς να μεταβληθεί η χημική τους σύσταση 2.Κύριο χαρακτηριστικό των βιολογικών συστημάτων είναι η αυτό-οργανωμένη δομή της ύλης σε μεγέθη νανοκλίμακας ⇒ δημιουργία νέων προϊόντων με χρήση αυτό-οργανωτικής ικανότητας (self-assembly) της ύλης 3.Τα νανοσυστήματα έχουν πολύ μεγάλο επιφάνεια-προς-όγκο λόγο ⇒ ιδανικά για χρήση σε σύνθετα υλικά (composites), αντιδρώντα συστήματα, χορήγηση φαρμάκων (drug delivery), αποθήκευση ενέργειας (υδρογόνο, φυσικό αέριο) 4.Συστήματα με νανοδομές μπορεί να έχουν υψηλότερες πυκνότητες και καλλίτερες αγωγιμότητες από αυτά με μικροδομές Μακροσκοπικές ιδιότητες (μηχανικές, θερμικές, οπτικές, μαγνητικές, ηλεκτρικές, etc.) για συστήματα σε νανοκλίμακα είναι τελείως διαφορετικές από αυτές για μακροσκοπικά συστήματα 9ΔΧ

10 NANOΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Nανοτεχνολογία: Η τεχνολογία επεξεργασίας μακρο- και μικρο-υλικών και δομών με ακρίβεια (precision) σε ατομική κλίμακα Σύμφωνα με τον Feynman (1959), οι νόμοι της φύσης δεν περιορίζουν την ικανότητα μας να εργαζόμαστε σε μοριακό επίπεδο, με κάθε άτομο χωριστά. οι περιορισμοί τίθενται από την έλλειψη των κατάλληλων οργάνων και τεχνικών για να κάνουμε κάτι τέτοιο ⇒ πρόκληση (challenge) για σμίκρυνση (miniaturization) Επιστήμονες στην IBM (1999) είχαν την ιδέα να χρησιμοποιήσουν Atomic Force Microscope στη λιθογραφία (Dip Pen Nanolithography). Η κορυφή (tip) του AFM είναι επικαλυμμένη με μοριακό μελάνι και έρχεται σε επαφή με επιφάνεια που θα διαμορφωθεί (be patterned) Η Θερμοδυναμική και η Στατιστική Μηχανική των μικρών συστημάτων, που αρχικά προτάθηκε από τον T. L. Hill το 1963 και ασχολείται με τα κολλοειδή, τα μακρομόρια και τα μίγματα, μετά τη διατύπωση βασικών αρχών για μη εκτατικά (nonextensive) συστήματα, δηλαδή, για συστήματα μακριά από το θερμοδυναμικό όριο (N → ∞, V → ∞, N / V =  N πεπερασμένο), (C. Tsallis, 1988), έγινε Νανοθερμοδυναμική Διαμοριακά Δυναμικά για πρόβλεψη μακροσκοπικών ιδιοτήτων Άτομα ή -quantum mechanical ab initio απλά μόριαcalculations Μακροσυστήματα - κλασσικά δυναμικά, π.χ.,Coulomb, LJ, για ( σωματίδια)ομοιοπολικές και ετεροπολικές αντιδράσεις Νανοσυστήματα-πειραματική και θεωρητική ανάπτυξη ( πεπερασμένος αριθμός σωματιδίων) 4/12/201510

11 iso anti skew ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ (ΝΑΝΟPARTICLES) Μοριακές Δομικές Μονάδες (Molecular Building Blocks) Διαμαντοειδή (Diamondoids) Φουλερένια (Buckyballs) Νανοσωλήνες Άνθρακα (Carbon nanotubes) Κυκλοδεξτρίνες (Cyclodextrins) Λιποσώματα (Liposomes) Μονοκλονικά Αντισώματα (Monoclonal Antibodies) Τα διαμαντοειδή, που είναι επίσης γνωστά σαν έγκλειστοι υδρογονάνθρακες (cage hydrocarbons), είναι κεκορεσμένοι, πολυκυκλικοί υδρογονάνθρακες με συν- τηγμένες (fused) δομές παρόμοιες με του αδάμαντα (οι νανοδομές μπορεί να υπερτίθενται -superimposed- στο πλέγμα -lattice- του αδάμαντα) και έχουν ασυνήθεις φυσικές και χημικές ιδιότητες. Ο κοινός τύπος για την ομάδα αυτή είναι C 4n+6 H 4n+12, n=1 για adamantane, n=2 για diamantane, n=3 για trimentane, n=4 για tetramentane, etc.Τα πρώτα 3 μέλη της ομάδας δεν έχουν ισομερή. Όταν n>4, ο αριθμός των ισομερών αυξάνει αισθητά. Χειρικότητα (Chirality), ζεύγος ισο- μερών με συμμετρία όμοια με αυτή των δύο χεριών, εμφανίζεται πρώτα στο tetramantane. Χωρίζονται (a) κατώτερα διαμαντοειδή, διάμετρος 1-2nm, και (b) ανώτερα διαμαντοειδή, διάμετρος > 2nm 4/12/201511ΔΧ

12 4/12/2015ΔΧ NANOPARTICLES Τα διαμαντοειδή, που είναι φυσικά συστατικά στο αργό πετρέλαιο (crude oil), ανακαλύφθηκαν το 1933 στην Τσεχοσλοβακία. Adamantine μπορεί να παραχθεί από σύνθεση με καταλύτες ζεο- λίθου (zeolites). Στην στερεά κατάσταση, τα διαμαντοειδή τήκονται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες από άλλους υδρογονάνθρακες με τον ίδιο αριθμό ατόμων άνθρακα (adamantane, T m = o C; diamantane T m = o C). ΄Εχουν υψηλή πυκνότητα και χαμηλή ενέργεια παραμόρφωσης (low- strain energy), και είναι περισσότερο σταθερά and δύσκαμπτα (stiff). Εφαρμογές διαμαντοειδών Τρία παράγωγα του adamantane, amantadine (1-adamantaneamine hydrochloride), rimantadine (a-methyl-1-adamantane methylamine hydrochloride) και memantine (1-amino- 3,5-dimethyladamantane) χρησιμοποιούνται σαν αντι-ιικά (antiviral) φάρμακα, π.χ., για πρόληψη και θεραπεία των ιογενών λοιμώξεων (infections) της γρίπης (influenza) A. Χρησιμοποιούνται επίσης για θεραπεία της ασθένειας του Parkinson και αναχαίτιση (inhibition) του ιού (virus) της ηπατίτιδας (hepatitis) C (HCV). Έχει παρατηρηθεί ότι είναι αποτελεσματική στην επιβράδυνση της εξέλιξης της ασθένειας του Alzheimer. Ο χρόνος ημιζωής (half-life) των παραγώγων είναι μακράς διαρκείας (adamandine h; rimandine h) Μονοκατιονικά και δικατιονικά παράγωγα του adamantane αναστέλουν τη δράση (block) υποδοχέων (receptors) του τύπου AMPA (A-Amino-3-Hydroxy-5-Methyl-4- Isoxazolepropionic Acid: υποδοχέας για το γλουταμινικό οξύ που βοηθάει στη γρήγορη μεταφορά μηνυμάτων στη σύναψη), NMDA (N-methyl D-aspartate που μιμείται τη δράση του γλουταμινικού στον υποδοχέα) και 5-HT3 (5-Hydroxytryptamine3 που είναι αναστολέας της σεροτονίνης -serotonin inhibitor-). Η πρόσδεση πεπτιδίων με βραχεία αλυσίδα στο adamantane χρησιμοποιείται στην παραγωγή ανταγωνιστών, π.χ., Bradykinin και vasopressin που είναι ανταγωνιστές (antagonists) υποδοχέων 12

13 4/12/2015ΔΧ NANOΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Εφαρμογές διαμαντοειδών Τα παράγωγα του αdamantane μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν μεταφορείς (carriers) για χορήγηση φαρμάκων (drug delivery) και ειδικά στοχευόμενη (targeted) χορήγηση. Λόγω της υψηλής λιποφιλικότητας (lipophilicity) τους, προσθήκη διαμαντοειδών σε φάρμακα με χαμηλή υδροφοβικότητα (hydrophobicity) αναμένεται να οδηγήσει σε αύξηση της διαλυτότητας του φαρμάκου στις μεμβράνες λιπιδίων (lipid) και έτσι αυξάνει την πρόσληψη του φαρμάκου (drug uptake) από τους ιστούς Πεπτίδια με βραχείες αλυσίδες, λιπίδια και πολυσακχαρίτες προσαρτώνται στο adamantine και δημιουργούν μια θέση δέσμευσης (binding site) για σύνδεση μεγαλομοριακών φαρμάκων και μικρών μορίων. Παράδειγμα Φάρμακα για ασθένειες του εγκεφάλου που μπορούν να διαπεράσουν το φράγμα εγκεφάλου- αίματος (Brain Blood Barrier) όπως το κομμάτι (moiety) του 1-Adamantyl που προσδένεται σε AZT (azidothymidine) φάρμακα (για AIDS) μέσω της εστερικής ομάδας Τα παράγωγα του αdamantane που προσδένονται στις αλυσίδες των νουκλεϊκών οξέων (nucleic acid) μέσω συνδετήρα αμιδίου (amide linker) χρησιμοποιούνται για παράδοση γονιδίων (gene delivery) η οποία έχει προβλήματα με την χαμηλή πρόσληψη (uptake) των νουκλεϊκών οξέων από κύτταρα, και αστάθειες στη ροή του αίματος. Το DNA και RNA επιδεικνύουν δεσμευτική επιλεκτικότητα (binding selectivity) σε παράγωγα του polyamine adamantane (DNA και RNA μπορούν να σταθεροποιηθούν με πρόσδεση) 13

14 4/12/2015ΔΧ14 NANOΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Εφαρμογές διαμαντοειδών Τμήματα του DNA, λόγω της μοναδικής ιδιατερότητας του DNA να έχει χωρο- επιλεκτική ακινητοποίηση, χρησιμοποιούνται ως συνδετικά υλικά (linkers) σε νανο- δομές DNA-αδαμαντάνης-πρωτεϊνης. Η γνώση της πρωτεϊνικής αναδίπλωσης και των προσαρμογών της σε βιολογικά συστήματα μπορεί να βοηθήσει στο σχεδιασμό νανοδομών με επιθυμητές και προβλέψιμες προσαρμογές, με «βιομιμητικό» (biomimetic) τρόπο. Έτσι η αδαμαντάνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργηθούν δομικά στηρίγματα πεπτιδίων (peptide scaffolding) και στη σύνθεση τεχνητών πρωτεϊνών.

15 4/12/2015ΔΧ NANOΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Φουλερένια (Buckyballs) Το φουλερένιο (Buckyball or Buckminster fullerene molecule), που είναι μια αλλοτροπική (allotropic) μορφή άνθρακα (carbon), είναι η πιο δημοφιλής ανακάλυψη της Nανοτεχνολογίας. Οι Kroto και Smalley βραβεύτηκαν με το Nobel Χημείας το 1996 για αυτή τους την ανακάλυψη. Τα φουλερένια είναι ένα σύμπλεγμα C n (clusters) με n>20 (με πιο κοινά τα C 60, C 70 ; και τα πιο πρόσφατα φουλερένια C 76, C 80, C 240, κτλ). Αρχικά, η παρασκευή τους γινόταν με εξάχνωση γραφίτη με χρήση laser. Αργότερα ανακαλύφθηκαν μέθοδοι πιο αποτελεσματικές και λιγότερο ακριβές. Ένα μόριο θα πρέπει να έχει τουλάχιστον 2 συνδεδεμένες ομάδες (linking groups) για να θεωρηθεί μοριακό δομικό στοιχείο (M(olecular) B(uilding) B(lock)). Η ύπαρξη 3 συνδεδεμένων ομάδων θα οδηγούσε στη δημιουργία δι-διάστατης ή κυλινδρικής δομής. Η ύπαρξη 4 ή περισσοτέρων τέτοιων ομάδων σε τρι-διάστατη δομή. Μόρια με 5 συνδεδεμένες ομάδες μπορούν να δημιουργήσουν μία τρι-διάστατη στερεή δομή. Μόρια με 6 ομάδες μπορούν να δεσμευτούν σε μία κυβική δομή. H ενεργοποίηση (functionalization) φουλερενίων με 6 λειτουργικές μονάδες (για ρομποτική συναρμολόγηση) είναι πλέον εφικτή. 15

16 4/12/2015ΔΧ NANOΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Νανοσωλήνες Άνθρακα (Carbon Nanotubes) Ανακαλύφθηκαν από τον Iijima το Χρησιμοποίησε ένα μικροσκόπιο ηλεκτρονίων (electron microscope) για την μελέτη καθοδικής απόθεσης υλικού (cathodic material deposition) μέσω εξάχνωσης γραφίτη σε ένα αντιδραστήρα εξάχνωσης ηλεκτρικού τόξου (electric arc-evaporation reactor), κι υπό συνθήκες αδρανούς ατμόσφαιρας κατά τη σύνθεση φουλερενίων. Αυτά εμφανίστηκαν να δομούν ένα τέλειο δίκτυο εξαγωνικού γραφίτη που αναδιπλούμενος δημιουργεί ένα κενό στο εσωτερικό του κυλινδρικό σωλήνα. Η διάμετρος του νανοσωλήνα ποικίλει, από ένα μέχρι αρκετά νανόμετρα (nm), πάντως, είναι πολύ μικρότερη από το μήκος, που είναι στην περιοχή από ένα μέχρι αρκετά μικρόμετρα (  m). O συνδυασμός εκτομής με λέϊζερ αποθέματος χημικών ατμών (Laser ablation chemical vapor deposition) και αντιδράσεων δυσαναλογοποίησης* με μεταλλικούς καταλύτες (metal-catalyzed disproportionation) κατάλληλων ανθρακικών πρώτων υλών χρησιμοποιούνται για την παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα Οι νανοσωλήνες άνθρακα εμφανίζουν ασυνήθιστες φωτοχημικές, ηλεκτρονικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες Νανοσωλήνες Μονού Τοιχώματος μπορούν να συμπεριφερθούν σαν μεταλλικά, ημιμεταλλικά, ή ημιαγώγιμα μονοδιάστατα αντικείμενα. Έχουν υψηλή αντοχή εφελκισμού ~ 100 φορές αυτή του χάλυβα. *άτομα του ίδιου στοιχείου οξειδώνονται και ανάγονται με αντιδράσεις δυσαναλογοποίησης 16

17 4/12/2015ΔΧ17

18 4/12/2015ΔΧ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΊΔΙΑ Κυκλοδεξτρίνες Είναι κυκλικοί ολιγοσακχαρίτες σε σχήμα ενός κόλουρου κώνου (truncated cone) με ένα σχετικά υδρόφοβο εσωτερικό μέρος. Έχουν την ικανότητα να δημιουργούν σύμπλοκα εκλωβισμού (inclusion complexes) με ένα ευρύ φάσμα ενώσεων σε υδατικά διαλύματα ⇒ ενθυλάκωση φαρμάκων για την ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκων 18 Λιποσώματα Σφαιρικά συνθετικά λιπιδικά κυστίδια. Είναι διστρωματικά, και δημιουργούνται με την διασπορά ενός φωσφολιπιδίου σε υδατικό διάλυμα αλάτων. Εμφανίζουν αρκετές ομοιότητες με τα μικύλλια, με ένα εσωτερικό υδατικό διαμέρισμα. Χρησιμοποιούνται ως φορείς μεταφοράς στους ιστούς και μέσα στα κυττάρων για ένα πλήθος φαρμάκων, μικρών μορίων, πρωτεϊνών, νουκλεοτιδίων (έχει ομάδες αζωτογενούς βάσης, σακχάρων και φωσφορικών), ακόμη και πλασμιδίων (εξωχρωμοσωμικό μόρια DNA που έχουν τη δυνατότητα να αναπαραχθούν ανεξάρτητα από το χρωμοσωμικό DNA).

19 4/12/2015ΔΧ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Μονοκλωνικά αντισώματα Ένα μόριο πρωτεΐνης μονοκλωνικού αντισώματος αποτελείται από τέσσερις αλυσίδες πρωτεϊνών. Δυο βαριές και δύο ελαφριές οι οποίες αναδιπλώνονται για να δημιουργήσουν μία δομή σχήματος Υ. Το μικρό μέγεθος, 10 nm της διαμέτρου, διασφαλίζει ότι τα ενδοφλεβίως χορηγούμενα μονοκλωνικά αντισώματα μπορούν να εισχωρήσουν σε μικρά τριχοειδή αγγεία και να φτάσουν στα κύτταρα των ιστών, όπου παρουσιάζεται η ανάγκη τους. Νανοδομές μικρότερες από 20 nm μπορούν να διαπεράσουν, χωρίς δράση, τα αιμοφόρα αγγεία. 19

20 4/12/2015ΔΧ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Νάνο-θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Οι αρχές της θερμοδυναμικής και της στατιστικής μηχανικής είναι πλήρως ορισμένες όταν πρόκειται για μακροσκοπικά συστήματα, οι δε σχέσεις που συνδέουν μακροσκοπικές ιδιότητες με μοριακά χαρακτηριστικά μπορούν να εξαχθούν. Βασικές έννοιες της Θερμοδυναμικής για μακροσκοπικά συστήματα είναι: Σύστημα & περιβάλλον Κατάσταση του συστήματος & Ισορροπία Διεργασία & αντιστρεψιμότητα/μη αντιστρεψιμότητα Ενέργεια, Θερμότητα κι Έργο Ιδιότητες (εντατικές κι εκτατικές) και η μεταξύ τους σχέση Η αξιωματική βάση, όπως οι νόμοι της Θερμοδυναμικής Βαθμοί ελευθερίας ενός συστήματος Μεταβάσεις φάσεων Βασικές έννοιες της Στατιστικής Μηχανικής για μακροσκοπικά συστήματα είναι: Κατανομές και μέσοι όροι Eργοδικότητα Πεδίο ή Χώρος Φάσης (συντεταγμένες) Η κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας για ένα άτομο ή σωματίδιο (Ground State) Συσχετιζόμενα και αλληλοεπιδρόντα συστήματα 20

21 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Διαφορές μεταξύ μακροσκοπικών συστημάτων και συστημάτων νάνο-κλίμακας Τα μακροσκοπικά συστήματα μπορούν να είναι σε οποιαδήποτε από τις τρεις καταστάσεις της ύλης, αέρια, υγρά και στερεά. Τα συστήματα νανο-κλίμακας, δηλαδή απομονωμένες νανο-δομές, και συνάθροιση τους, μικρά σταγονίδια, φυσσαλίδες, συστάδες, νανοκρύσταλλοι, νανοσύρματα κλπ., είναι φτιαγμένα από συμπυκνωμένο (στερεό ή υγρό) υλικό Μακροσκοπικό σύστημα, μέγεθος > 1  m; σωματίδια σε 1 cm 3 (Θερμοδυναμικό όριο: N → ∞, V → ∞, N / V =  N πεπερασμένο) Σύστημα νανο-κλίμακας μέγεθος > 1 nm; N = πεπερασμένο Θερμοδυναμικές ιδιότητες, όπως θερμοκρασία,, για μακροσκοπικά συστήματα είναι καλά ορισμένη, και οι διακυμάνσεις τους σε χώρο και χρόνο είναι αμελητέες. Δεν ισχύει το ίδιο για τα νανοσυστήματα όπου το μέγεθος του συστήματος είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τις διακυμάνσεις αυτές. H πίεση στα νανοσυστήματα δεν είναι ισοτροπική, και πρέπει να λαμβάνεται ως τανιστής. Λόγω της μεγάλης διακύμανσης των ιδιοτήτων, στατική ισορροπία δεν μπορεί να οριστεί στην περίπτωση των νανοσυστημάτων όπως γίνεται στα μακροσυστήματα. Η κατάσταση των νανοσυστημάτων μπορεί να είναι μόνο σε δυναμική ισορροπία. Οι διεργασίες στα νανοσυστήματα, σε αντίθεση με τα μακροσυστήματα δεν μπορούν να είναι αντιστρεπτές λόγω των μεγάλων διακυμάνσεων των ιδιοτήτων εντός μικρού χρονικού διαστήματος. Ωστόσο, όταν πρόκειται για μεγάλα χρονικά διαστήματα οι διεργασίες στα νανοσυστήματα αναμένεται να είναι πιο κοντά στην αντιστρεψιμότητα απ’ότι στα μακροσκοπικά συστήματα. 21

22 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Διαφορές μεταξύ μακροσκοπικών συστημάτων και συστημάτων νάνο-κλίμακας Οι ορισμοί για εκτατικές, δηλ. εξαρτώμενες από το μέγεθος του συστήματος, και εντατικές, δηλ. ανεξάρτητες από το μέγεθος του συστήματος, ιδιότητες, όπως αυτοί που δίνονται για τα μακροσκοπικά συστήματα δεν φαίνεται να ικανοποιούνται από τα νανο-συστήματα. Οι σχέσεις των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων σε μακροσκοπικά συστήματα είναι ανεξάρτητες από το περιβάλλον τους, ενώ είναι εξαρτώμενες από το περιβάλλον για τα νανο- συστήματα, π.χ. εξαρτώνται από τη γεωμετρία, το μέγεθος και τα τοιχώματα της δομής που τα περιβάλλουν. Η ενέργεια κι η μάζα είναι αμοιβαία ανταλλάξιμα και οι νόμοι της διατήρησης τους συνδυάζονται στον Πρώτο Νόμο της Θερμοδυναμικής, ο οποίος έχει καθολική ισχύ. Η ενέργεια μετρά την ικανότητα του συστήματος να προκαλέσει μία αλλαγή, η οποία είναι ορατή στην κλίμακα του συστήματος. Έργο και θερμότητα, από την άλλη, είναι τρόποι ανταλλαγής ενέργειας ανάμεσα στο σύστημα και στο περιβάλλον του. Μεταφορά ενέργειας μέσω έργου ή θερμότητας είναι ένα ορατό φαινόμενο σε μακροσκοπικά συστήματα αλλά όχι σε νανο-συστήματα ⇒ μετατροπή της θερμικής σε μηχανική ενέργεια στα νανο-συστήματα??? Ο ορισμός της εντροπίας για μακροσκπικά συστήματα δεν μπορεί να επεκταθεί σε νανο- συστήματα. Αν ένα μακροσκοπικό σύστημα το χωρίσουμε σε τμήματα, η εντροπία του συστήματος είναι ίση με το άθροισμα των εντροπιών των επιμέρους τμημάτων του. Αυτό δεν ισχύει στην περίπτωση των νανο-συστημάτων. Τα μακροσκοπικά συστήματα είναι εκτατικά, τα νανο-συστήματα είναι μη-εκτατικά. 22

23 4/12/2015ΔΧ SOPT FOPT S Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Διαφορές μεταξύ μακροσκοπικών συστημάτων και συστημάτων νάνο-κλίμακας Οι μεταπτώσεις φάσεων είναι διαφορετικές στα μακρο-συστήματα, απ’ότι στα νανο-συστήματα. Στις μεταπτώσεις φάσεων πρώτου βαθμού σε μακροσκοπικά συστήματα, παρατηρούνται ξαφνικές αλλαγές (ασυνέχειες), στην εντροπία κι ενέργεια που σχετίζεται με τις φάσεις, και από φυσικής πλευράς, υπάρχει ένα διακριτό διαχωριστικό όριο (μηνίσκος στην περίπτωση της μετάπτωσης υγρού αερίου) εμφανές μεταξύ των φάσεων. Στις δευτέρου βαθμού μεταπτώσεις φάσεων, από την άλλη, δεν εμφανίζονται ασυνέχειες στην εντροπία και στην ενέργεια αλλά στα παράγωγα τους, π.χ. Θερμοχωρητικότητα= παράγωγο της ενέργειας σε σχέση με την θερμοκρασία. L L 23

24 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Διαφορές μεταξύ μακροσκοπικών συστημάτων και συστημάτων νάνο-κλίμακας Μεταπτώσεις φάσεων πρώτου βαθμού σε μακροσκοπικά συστήματα είναι διαφορετικές σε σχέση με τα νανο-συστήματα Small system Large system 24

25 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Διαφορές μεταξύ μακροσκοπικών συστημάτων και συστημάτων νάνο-κλίμακας Η μετάπτωση φάσεων σε νανο-συστήματα επίσης περιλαμβάνει: 1.Κατακερματισμό, μία πραγματική μετάπτωση φάσεων πρώτης τάξης σε πυρήνες, π.χ. Βρασμός, υγρός κατακερματισμός, όταν ο λόγος των ιξωδών προς τις τριχοειδείς δυνάμεις ξεπερνά ένα κρίσιμο όριο, και 2.Αυτο-συναρμολόγηση (Self-assembly), μια διεργασία όπου ένα σύνολο στοιχείων ή συστατικών αυθορμήτως δημιουργούν ένα συσσωμάτωμα με τάξη, μέσα από την συνολική ελαχιστοποίηση της ενέργειας. 25

26 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής Μηδενικός νόμος: Καθιέρωση μίας απόλυτης κλίμακας θερμοκρασίας. Η θερμοκρασία σε ένα μακροσκοπικό σύστημα είναι μία καλά ορισμένη ιδιότητα, οι διακυμάνσεις της είναι αμελητέες, και είναι ένα μέτρο θερμικής ισορροπίας ή της απουσίας της. Στα νανο-συστήματα, οι διακυμάνσεις του χώρου και χρόνου δεν μπορούν να αγνοηθούν. Υπό την οπτική της χρονικής κλίμακας ~ N (αριθμός σωματιδίων) κλίμακας χώρου ~ N logN, κλίμακας ακρίβειας ~ N 7 to N! Οι διακυμάνσεις στα νανο-συστήματα δεν έχουν ακόμη συσχετιστεί με τις ιδιότητες τους. Συνηθίζεται στην Στατιστική μηχανική οι διακυμάνσεις των ιδιοτήτων να εκφράζονται ως συναρτήσεις κατανομής ή ως παράγωγα άλλων ιδιοτήτων. Πρώτος νόμος: Συνδυασμός της διατήρησης μάζας κι ενέργειας, όπου και τα δυο είναι εναλλάξιμα. Σε μακροσκοπικά συστήματα, η αντιστρεψιμότητα είναι ισοδύναμη με την θερμική ισορροπία. Τα νανοσυστήματα μπορούν να είναι αντιστρεπτά αλλά όχι σε θερμική ισορροπία. Τα νανοσυστήματα σε αντιστοιχία με τα μακροσυστήματα μπορούν να είναι ανοιχτά, κλειστά, αδιαβατικά, ισοθερμικά, ισοχωρικά (σταθερού όγκου), ή ισοβαρή (σταθερής πίεσης) 26

27 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής Πρώτος νόμος: συνδυασμός διατήρησης μάζας κι ενέργειας, όπου και τα δυο είναι εναλλάξιμα dE =  Q +  W(1) Μακροσκοπικά συστήματα:  Q = cdT  W = p dV(2a) Νανοσυστήματα:  W = t ij de ij  ij V(2b) (t ij εξωτερικός τανιστής τάσεων; e ij τανιστής παραμόρφωσης;  ij Kronecker delta,  ij = 1 αν i = j) Δεύτερος νόμος: Για ένα κλειστό σύστημα η παραγώμενη εντροπία είναι πάντα μη αρνητική dS –  Q / T ex > 0(3) Βρίσκει εφαρμογή τόσο στα μακροσκοπικά όσο και στα νανοσυστήματα, αν η ιδέα της εντροπίας επανοριστεί με τρόπο που να περιλαμβάνει και τα μη εκτατικά συστήματα Ο Boltzmann ορίζει την εντροπία του συστήματος ως S = k B lnW(4) όπου W είναι ο αριθμός των πιθανών διαμορφώσεων ενός συστήματος σωματιδίων που είναι συνεπείς με τις ιδιότητες του συστήματος. Η κατά Boltzmann εντροπία έχει δύο σημαντικά χαρακτηριστικά: 1.Μη μείωση, δηλ. αν δεν εισέλθει ή εξέλθει θερμότητα στο σύστημα η εντροπία του δεν μπορεί να μειωθεί, 2.Προσθετικότητα, δηλ. η εντροπία συστήματων που αθροίζονται είναι το άθροισμα των εντροπιών των μερών των συστημάτων 27

28 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής Εντροπία Η εντροπία Boltzmann, όπως καλείται και «entropy of a coarse-grain distribution» είναι για μία μακροσκοπική κατάσταση σε ένα στατιστικό σύνολο με ίση πιθανότητα. Για περιπτώσεις που οι πιθανότητες δεν είναι ίδιες, ο Gibbs θεωρεί ένα σύστημα με μεγάλο αριθμό σωματιδίων (πχ. μορίων), Ν, διεσπαρμένα σε W κλάσεις (π.χ., ενεργειακές καταστάσεις) με άνισες πιθανότητες. Αν p i = W i / W (  W i = W), είναι η πιθανότητα i σωματιδίων στο σύστημα, η εντροπία του συστήματος δίνεται από τη σχέση Boltzmann-Gibbs: Με ισοπιθανότητα, p i = 1 / W, η εξίσωση (5) απλοποιείται στην (4), δηλ. η εντροπία κατά Gibbs γίνεται εντροπία κατά Boltzmann. Το πρόβλημα με αυτούς τους ορισμούς της εντροπίας είναι ότι εφαρμόζονται σε ομογενή συστήματα, με μεγάλο αριθμό σωματιδίων, δηλ. σε συστήματα στο θερμοδυναμικό όριο. Για τέτοια συστήματα η έννοια της εκτατικότητας (προσθετικότητα) και της εντατικότητας (λήψη μέσου όρου) των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων, επίσης βρίσκει εφαρμογή. Νανοσυστήματα αποτελούνται από ένα πεπερασμένο αριθμό σωματιδίων, και η κλίμακα τους στο χώρο, είναι της ίδιας τάξης μεγέθους, με αυτό του μέγεθους συσχέτισης για τις θερμοδυναμικές τους ιδιότητες. 28

29 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής Εντροπία Μία νέα σχέση της εντροπίας που περιλαμβάνει εκτατικές (πχ. Μακροσκοπικές) καθώς και μη εκτατικές (πχ. Νανοσυστήματα) εισήχθη από τον Tsallis (1988) Πρέπει να ξεκινήσουμε με τον ορισμό της ομογενούς συνάρτησης βαθμού λ f(tx 1, tx 2, tx 3, …, tx r ) = t  f(x 1, x 2, x 3, …, x r )(6) και του θεωρήματος του Euler x 1 (∂ f / ∂ x 1 ) + x 2 (∂ f / ∂ x 2 ) + … + x r (∂ f / ∂ x r ) = f(7) Μία θερμοδυναμική μεταβλητή είναι εντατική όταν = 0, και εκτατική αν = 1 Ο Tsallis (1988) εκφράζει την εντροπία ως 29

30 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής Εντροπία Το q καλείται εντροπικός δείκτης; q >1 σημαίνει συχνά συμβάντα; q < 1 σημαίνει σπάνια συμβάντα (p i q < p i ) Το q επίσης καλείται «δείκτης εκτατικότητας»; q >1 σημαίνει υπερεκτατικότητα (superextensivity, υπερπροσθετικότητα (superadditivity)), q = 1 σημαίνει εκτατικότητα (προσθετικότητα της εντροπίας), και q < 1 σημαίνει υποεκτατικότητα (subextensivity, υποπροσθετικότητα (subadditivity)) Σε εξάρτηση με τον εντροπικό δείκτη q, από Εξ. (8) ⇒ 1.Για q > 0, S q > 0, δηλ., η εντροπία είναι πάντα θετική 2.Για q→ 1, δηλ. η σχέση Gibbs-Boltzmann 3.Για q = 1, S 1 = k lnW, δηλ. η σχέση Boltzmann Επίσης: 1.Για ισοπιθανότητα, δηλ., p i = 1 / W, Eq.(8) ⇒ 2.Στην περίπτωση βεβαιότητας, δηλ. όταν όλες οι πιθανότητες μηδενίζονται εκτός μίας, p 1 =1, p i = 0 for i>1, από εξ.(8) ⇒ η εντροπία είναι μηδέν, S q = 0 30

31 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής Εντροπία 3.Όταν δύο στατιστικά ανεξάρτητα συστήματα Α και Β συνενωθούν, Εξ.(8) ⇒ 4.Αν τα σύνολα των πιθανοτήτων W διαχωριστούν τυχαία σε δύο υποσύνολα W L και W M (W L +W M = W), Εξ.(8) ⇒ 31

32 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Οι νόμοι της Θερμοδυναμικής Εντροπία Η κατά Tsallis εντροπία έχει δύο επιπλέον χαρακτηριστικά: 1.Μπορεί να δοκιμαστεί υπό συνθήκες τόσο μετατόπισης όσο και διαστολής του συστήματος. Η σχέση Boltzmann-Gibbs ικανοποιεί: Eq.(8) ⇒ 2.Είναι πάντα κυρτή όταν q 0 Αυτή δεν είναι η περίπτωση για άλλους ορισμούς της εντροπίας, π.χ. Η περιγραφή Renvi της εντροπίας για μορφοκλασματικές (fractal) γεωμετρίες δεν έχει αυτή την ιδιότητα για όλες τις τιμές του q. 32

33 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Μικροκανονικά σύνολα (Microcanonical Ensemble) για μη-εκτατικά συστήματα Θεωρούμε ένα νανοσύστημα με σταθερή N, V και T, απομονωμένο (χωρίς ανταλλαγή ενέργειας) από το περιβάλλον του. Η εντροπία αυτού του συστήματος, η οποία δίνεται από την σχέση Tsallis, γίνεται η μέγιστη, όταν οι πιθανότητες p i είναι όλες ίσες. Αν  =  (  ) είναι ο αριθμός των καταστάσεων με ενέργεια επικεντρωμένη στο ε, τότε p i = 1 /  Για αυτό το σύστημα το  καλείται εκφυλισμός (degeneracy) και συσχετίζεται με την εντροπία μέσω της σχέσης: Όταν το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία, dU = T dS – p dV(12) Από τις (11) και (12) ⇒ Δηλ., k T  q ∂  συσχετίζεται με την μεταβολή ενέργειας dU. Η εξίσωση (13) είναι μια βασική εξίσωση της στατιστικής μηχανικής για μη εκτατικά συστήματα. 33

34 4/12/2015ΔΧ Nανο θερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Μικροκανονικά σύνολα (Microcanonical Ensemble) για μη-εκτατικά συστήματα Θεωρούμε ένα νανοσύστημα με σταθερή N, V και T, σε ανταλλαγή ενέργειας με το περιβάλλον του. Θα θέλαμε να μεγιστοποιήσουμε την εντροπία του συστήματος υπό τον περιορισμό ότι η μέση ενέργεια του συστήματος είναι σταθερή. Για ένα μη εκτατικό σύστημα, ο περιορισμός της εσωτερικής ενέργειας είναι: Ο άλλος περιορισμός του συστήματος είναι: Εφαρμόζουμε τη μέθοδο των πολλαπλασιαστών Lagrange για την ελαχιστοποίηση της συνάρτησης όπου  έχει μονάδες αντίστροφης θερμοκρασίας και το  είναι αδιάστατο. Η ελαχιστοποίηση συνεπάγεται: 34

35 4/12/2015ΔΧ Νανοθερμοδυναμική και Στατιστική Μηχανική Κανονικό Σύνολο (Canonical Ensemble) για Μη Εκτατικά Συστήματα Θεωρείστε ένα νανοσύστημα με σταθερά N, V καιT, να ανταλλάσσει ενέργεια με το περιβάλλον του. Θα θέλαμε να μεγιστοποιήσουμε την εντροπία του συστήματος αυτού, υπό τον περιορισμό ότι η μέση ενέργεια του συστήματος παραμένει σταθερή. Εξ.(16) ⇒ όπου Z q είναι η κανονική συνάρτηση επιμερισμού (canonical ensemble partition function) για μη εκτατικά συστήματα Διαμοριακά δυναμικά Η βάση δεδομένων των διαμοριακών δυναμικών απλών ρευστών και στερεών, που θα χρησιμοποιηθεί για την πρόρρηση ιδιοτήτων μακροσκοπικών συστημάτων είναι αρκετά ολοκληρωμένη. Αυτά τα δυναμικά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για προβλέψεις ιδιοτήτων των νανοσυστημάτων. Η φύση και ο ρόλος των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων, που είναι απαραίτητες για τον υπολογισμό των διαμοριακών δυναμικών, σε νανοδομές δεν έχουν γίνει ιδιαίτερα καλά κατανοητές και αποτελούν πρόκληση. Οι απευθείας μετρήσεις των δεδομένων μεταβολής της διασωματιδιακής δύναμης έναντι της απόστασης, και οι κβαντομηχανικοί ab initio υπολογισμοί είναι αναγκαίοι για τον υπολογισμό των διαμοριακών δυναμικών σε νανοσυστήματα, που αποτελούνται από μερικές εκατοντάδες μέχρι μερικές χιλιάδες σωματίδια. 35

36 4/12/2015ΔΧ Μέθοδοι προσομοίωσης σε νανοσυστήματα Οι προσομοιώσεις Monte Carlo (MC) γενικά ακολουθούν την εξέλιξη ενός συστήματος στο οποίο οι αλλαγές λαμβάνουν χώρα όχι με έναν προκαθορισμένο αλλά με μάλλον τυχαίο τρόπο. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι υπάρχουν αρκετές χιλιάδες άτομα ή μόρια σε έναν κύβο των 10 nm, υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις ως προς την χρήση τεχνικών MC για την πρόβλεψη ιδιοτήτων των νανοσυστημάτων. Οι προσομοιώσεις μοριακών δυναμικών (ΜD) αποτελούνται από τις αριθμητικές λύσεις της εξίσωσης κίνησης του Νεύτωνα, για ένα σύστημα σωματιδίων (άτομα, μόρια, συσσωματώματα κλπ.), για να ληφθούν πληροφορίες ως προς τις χρονικά εξαρτώμενες ιδιότητες τους. Τα MD είναι ιδανικά για τη συσχέτιση των συλλογικών δυναμικών ενός πεπερασμένου αριθμού σωματιδίων σε ένα νανοσύστημα με τα δυναμικά μεμονωμένου σωματιδίου. Οι μέθοδοι βελτιστοποίησης βοηθούν στην επίτευξη πολλαπλών στόχων: (α) την ανάπτυξη ενός ελεγχόμενου σχήματος προσομοίωσης για την επίτευξη διαφορετικών νανοδομών, (β) τη μελέτη των πιο σταθερών συνθηκών για νανοσυστήματα 36

37 Νανομηχανική Ο επιστημονικός κλάδος που μελετά τις στοιχειώδεις μηχανικές (ελαστικές, θερμικές, κινητικές) ιδιότητες των φυσικών συστημάτων σε νανο-κλίμακα. Επίσης μία περιοχή εφαρμοσμένης επιστήμης με εστίαση στις μηχανικές ιδιότητες των σχεδιασμένων νανοδομών και νανοσυστημάτων (συστήματα με σημαντικά τους στοιχεία σε νανο-κλίμακα). Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν νανοσωματίδια, νανοσκόνες, νανοσύρματα, νανοράβδους, νανοταινίες, νανοσωλήνες συμπεριλαμβανομένων νανοσωλήνων άνθρακα(CNT) και νανοσωλήνες Αζωτούχου Βορίου (BNNTs), νανοτελείες (nanodots); νανομεμβράνες, νανοεπικαλύψεις, νανοσύνθετα και νανοδομημένα υλικά, ρευστά με διασκορπισμένα νανοσωματίδια, νανοκινητήρες κλπ. Ορισμένα από τα καλά εδραιωμένα πεδία της νανομηχανικής είναι τα νανοϋλικά, η νανοτριβολογία (τριβή, φθορά και μηχανική επαφών σε νανοκλίμακα), νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα (NEMS), και νανορευστομηχανική (nanofluidics). Βασισμένη στις: 1) γενικές αρχές της μηχανικής και 2) ειδικές αρχές που προκύπτουν λόγω του μικρού φυσικού μεγέθους του υπό μελέτη αντικειμένου ή έρευνας. Οι γενικές αρχές της μηχανικής περιλαμβάνουν: Τις αρχές διατήρησης ενέργειας κι ορμής Αρχή μεταβλητότητας του Hamilton Αρχή της συμμετρίας Λόγω του μικρού μεγέθους του υπό μελέτη αντικειμένου, προκύπτουν θέματα σχετικά με: 1.Διακριτότητα του αντικειμένου όπου το μέγεθος του είναι συγκρίσιμο με τις διατομικές αποστάσεις 2.Πολλαπλότητα αλλά και πεπερασμένο αριθμό βαθμών ελευθερίας του αντικειμένου 3.Σημασία των θερμικών διακυμάνσεων 4.Σημασία των εντροπικών επιδράσεων (configuration entropy) 5.Σημασια των κβαντικών επιδράσεων (quantum machine) 37

38 Νανομηχανική Στη στατιστική μηχανική, οι θερμικές διακυμάνσεις είναι τυχαίες αποκλίσεις ενός συστήματος από την μέση κατάσταση του, που συμβαίνει σε ένα σύστημα σε ισορροπία. Όλες οι θερμικές διακυμάνσεις γίνονται μεγαλύτερες και συχνότερες καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, και αντίστοιχα μειώνονται όταν η θερμοκρασία προσεγγίζει το απόλυτο μηδέν. Ο όγκος του χώρου φάσεων Ʋ, ο οποίος καταλαμβάνεται από ένα σύστημα βαθμών ελευθερίας 2m, είναι το γινόμενο του configuration volume V και του momentum space volume. Καθώς η ενέργεια είναι η τετραγωνική μορφή της ορμής για ένα μη σχετικιστικό σύστημα, η ακτίνα του χώρου της ορμής θα είναι E 1/2 ώστε ο όγκος της υπερσφαίρας να ποικίλει ως (E 1/2 ) 2m δίνοντας έναν όγκο φάσης (phase volume): Ʋ = (C E) m / Γ(m+1) Όπου C είναι μία σταθερά εξαρτώμενη από τα ειδικά χαρακτηριστικά του συστήματος και Γ είναι η γάμα συνάρτηση. Στην περίπτωση που η υπερσφαίρα έχει μία πολύ υψηλή διαστατικότητα (very high dimensionality), 2m, που είναι και η συνήθης κατάσταση στην θερμοδυναμική, ουσιαστικά όλος ο όγκος θα βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια. Ω(E) = ∂ Ʋ / ∂E = C m E m-1 / Γ(m) Όπου χρησιμοποιήθηκε η αναδρομική Γ(m+1) = m Γ(m) Η περιοχή της επιφάνειας Ω(E) στηρίζεται χωριστά σε 2 διαφορετικούς κόσμους : (i) στον μακροσκοπικό όπου θεωρείται συνάρτηση της ενέργειας, και των άλλων εκτατικών μεταβλητών, όπως ο όγκος, που κρατιέται σταθερός όταν παίρνουμε το διαφορικό του όγκου φάσης και (ii) τον μικροσκοπικό, όπου αντιπροσωπεύει τον αριθμό των καταστάσεων που είναι συμβατές με μία δοθείσα μακροσκοπική κατάσταση. Είναι η ποσότητα που ο Planck ονόμασε «θερμοδυναμική» πιθανότητα. 38

39 4/12/2015ΔΧ39 Νανομηχανική Διαφέρει από μία κλασική πιθανότητα τόσο που δεν μπορεί να κανονικοποιηθεί. Καθώς η ολοκλήρωση του σε όλες τις ενέργειες ποικίλει, αλλά ποικίλει ως δύναμη της ενέργειας και όχι ταχύτερα. Καθώς η ολοκλήρωση πάνω σε όλες τις ενέργειες είναι άπειρο, μπορούμε να προσπαθήσουμε και να λάβουμε τον μετασχηματισμό Laplace που μπορεί να δώσει μία φυσική ερμηνεία. Ο εκθετικός παράγοντας μείωσης, όπου β είναι μία θετική παράμετρος, θα υπερενισχύσει την ταχέως αυξανόμενη επιφάνεια, προκαλώντας την εμφάνιση μίας εξαιρετικά αιχμηρής κορυφής σε συγκεκριμένη ενέργεια Ε*. Η μεγαλύτερη συνεισφορά στο ολοκλήρωμα θα’ ρθει από τη άμεσα γειτονική σε αυτή την τιμή, τιμή ενέργειας. Αυτό καθιστά τον ορισμό της κατάλληλης πυκνότητας πιθανότητας σύμφωνα με: Η ολοκλήρωση της f(E; Β) δίνει μονάδα. Οι στιγμές της ενέργειας υπολογίζονται από την Z(β) που ονομάζεται συνάρτηση επιμερισμού (partition function) Σε όρους στατιστικών ροπών (moments), μετά από την επέκταση, η πυκνότητα πιθανότητας γίνεται κανονική κατανομή (Gaussian). Η ποσότητα Ω(Ε) καλείται συνάρτηση δομής (structure function)

40 4/12/2015ΔΧ40 Νανομηχανική Για E =, Αν ο όγκος φάσης (phase volume) αυξηθεί ως E m, ο μετασχηματισμός Laplace αυτής, η συνάρτηση επιμερισμού (partition function), θα ποικίλει ως β -m και Με αυτές τις εκφράσεις η συνάρτηση δομής γίνεται: Ο παρονομαστής είναι ακριβώς η προσέγγιση του Stirling για m! = Γ(m+1), και αν η συνάρτηση δομής κρατήσει την ίδια συναρτησιακή εξάρτηση για όλες τις τιμές της ενέργειας, η πυκνότητα πιθανότητας θα ανήκει στην οικογένεια εκθετικών κατανομών, που είναι γνωστές ως γάμμα πυκνότητες (gamma densities). Κατά συνέπεια, η κανονική πυκνότητα πιθανότητας βρίσκεται στη δικαιοδοσία του τοπικού νόμου μεγάλων αριθμών, η οποία ορίζει ότι μία σειρά ανεξάρτητων και πανομοιότυπα κατανεμημένων τυχαίων μεταβλητών, τείνουν στην κανονική κατανομή όταν η σειρά αυτή αυξηθεί απεριόριστα.

41 Νανορευστομηχανική (Nanofluidics) Το 1965, οι Rice και Whitehead δημοσίευσαν τη σημαίνουσα συνεισφορά τους στην θεωρία μεταφοράς ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων σε μεγάλου μήκους (στην ιδεατή κατάσταση άπειρου) τριχοειδείς σωλήνες νανομετρικής διαμέτρου. Συνοπτικά, το δυναμικό, ϕ, σε διαμετρική απόσταση, r, δίνεται από την εξίσωση Poisson-Boltzmann: όπου κ είναι το αντίστροφο μήκος Debye που ορίζεται από την πυκνότητα του αριθμού των ιόντων n, τη διηλεκτρική σταθερά, ε, τη σταθερά Boltzmann, k, και τη θερμοκρασία,T. Γνωρίζοντας το δυναμικό, φ(r), η πυκνότητα φόρτισης μπορεί να ανακτηθεί από την εξίσωση Poisson, η λύση της οποίας μπορεί να εκφραστεί ως τροποποιημένη συνάρτηση Bessel πρώτου τύπου, I 0, και να κλιμακωθεί στην ακτίνα του τριχοειδούς, a. Μία συνάρτηση κίνησης υπό το συνδυασμό της πίεσης και της ηλεκτρικά οδηγούμενης ροής μπορούν να γραφτεί ως: Όπου F z είναι η δύναμη από την εφαρμογή του ηλεκτρικού πεδίου, E z, πάνω στην καθαρή πυκνότητα φορτίου στη διπλή στοιβάδα. Όταν δεν υπάρχει εφαρμογή πίεσης, η ακτινική διασπορά της ταχύτητας δίνεται από: 4/12/201541ΔΧ

42 4/12/2015ΔΧ Πειραματικά εργαλεία στην Νανοτεχνολογία Το Μικροσκόπιο Σάρωσης Σήραγγας (S(canning) T(unneling) M(icroscope)) ανακαλύφθηκε από τους Binning και Rohrer στην IBM Zurich (Οι Binning και Rohrer τιμήθηκαν με το Nobel το 1986). Το όργανο δίνει τη δυνατότητα απεικόνισης στερεών επιφανειών με ακρίβεια ατομικής κλίμακας. Η λειτουργία του βασίζεται σε φορτίο δημιουργίας σήραγγας (tunneling current) που ενργοποιείται όταν ένα άκρο (tip) τοποθετημένο σε ένα πιεζοηλεκτρικό σαρωτή προσεγγίζει μία αγώγιμη επιφάνεια σε 1 nm. Ακολουθείται από Μικροσκόπιο Σάρωσης Αισθητήρα (S(canning) P(robe) M(icroscope)) και Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης (A(tomic) F(orce) M(icroscope)) Το AFM δίνει τη δυνατότητα μελέτης μη αγώγιμων επιφανειών, καθώς σαρώνει δυνάμεις van der Waals με το «ατομικό» του άκρο. 42

43 4/12/2015ΔΧ Πειραματικά εργαλεία στη Νανοτεχνολογία Τόσο το STM όσο και το AFT χρησιμοποιούνται για χωρική (positional) ή ρομποτική (robotic) σύνδεση τους (assembly), με απώτερο στόχο την κατασκευή μοριακών νανοδομών, με τον ίδιο τρόπο που χτίζουμε μακροσκοπικές δομές με μακροσκοπικά δομικά στοιχεία, π.χ. τούβλα. Αν πετύχουμε επαρκή έλεγχο στην χωροθέτηση των σωστών μορίων στις σωστές θέσεις, θα μπορούσαμε να τροποποιήσουμε υλικά ώστε να έχουν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Σύνδεσμοι (Assemblers) ή διατάξεις χωροθέτησης είναι φτιαγμένοι για να τοποθετηθούν και να στηριχθούν Μοριακές Δομικές Μονάδες (Molecular Building Blocks) στις θέσεις σύνδεσης (positional assemblies). Ο πιο στοιχειώδης τύπος τέτοιων συνδέσμων είναι η «Πλατφόρμα Stewart», ένα αυστηρό και ευέλικτο πολύεδρο, με όλες τις έδρες του να είναι τρίγωνα. Δυο από τις έδρες του είναι η βάση και η πλατφόρμα, και είναι συνδεδεμένοι με 6 ράβδους στήριξης μεταβαλλόμενων μεγεθών. Μεταβάλλοντας το μήκος των ράβδων αλλάζει ο προσανατολισμός και η θέση της πλατφόρμας σε σχέση με τη βάση. Για να επανέλθουν τα MBBs στις επιθυμητές τους θέσεις, οι σύνδεσμοι χρησιμοποιούν δύναμη ελατηρίου F = s x όπου x είναι η απόσταση ανάμεσα στην αρχική και στην επιθυμητή απόσταση των ΜΒΒ και s η ακαμψία του ελατηρίου. Η αβεβαιότητα στο χώρο (μέσο σφάλμα στην απόσταση), e, δίνεται από τη σχέση:e 2 = k B T / s Το STM έχει s ~ 10 nm, έτσι, e ~ 0.02 nm 43

44 4/12/2015ΔΧ Αυτό-συναρμολόγηση δομικών μονάδων (Self-Assembly) Αποτελεί αξιοσημείωτη ιδιότητα συστημάτων στη νανοκλίμακα. Πιστεύεται πως αποτελεί τη βασική διεργασία που οδήγησε στην εξέλιξη μη ζωντανού υλικού σε βιολογικό υλικό. Υπάρχουν δύο τύποι αυτό-συναρμολόγησης των δομικών μονάδων, (1) αυτή που λαμβάνει χώρα σε διεπιφάνεια υγρού/στερεού, και (2) αυτή που λαμβάνει χώρα στο κύριο σώμα του της υγρής φάσης. Παράδειγμα της δεύτερης περίπτωσης αποτελεί η μικυλλίωση μακρομορίων ασφαλτενίου, ακολουθούμενη από αυτό-συναρμολόγηση των μικυλλίων σε micelle- coacervates Asphaltene Micelle Micelle Coacervate Η αυτοσυναρμολόγηση σε διεπιφάνεια υγρού στερεού περιλαμβάνει ακινητοποίηση μορίων σε ρευστό, σαν συναρμολόγηση σε στερεή επιφάνεια. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσω ομοιοπολικών ή μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ μορίων στο ρευστό και μορίων στη στερεή επιφάνεια. 44

45 4/12/2015ΔΧ Αυτοσυναρμολόγηση (Self-Assembly) Ομοιοπολικοί δεσμοί, π.χ. μεταξύ ενός σουλφιδίου και ενός ευγενούς μετάλλου, παράγει μη αναστρέψιμη, κι άρα σταθερή, ακινητοποίηση σε όλα τα στάδια. Η ακινητοποίηση μέσω μη ομοιοπολικών δεσμών είναι αναστρέψιμη, κι άρα μη σταθερή, στην έναρξη της διαδικασίας αυτοσυναρμολόγησης, αλλά αποκτά σταθερότητα όταν έχουμε αξιοσημείωτη ανάπτυξη του οικοδομήματος. Ορισμένοι μη ομοιοπολικοί δεσμοί περιλαμβάνουν: (1) δεσμούς που οφείλονται στην συγγένεια των μορίων (affinity coupling) μέσω αντισωμάτων (γλυκοπρωτεινών που παράγονται από το ανοσοποιητικό σύστημα σε απάντηση εισβολής ξένων υλικών που ονομάζονται αντιγονίδια), (2) δεσμούς που οφείλονται στη συγγένεια των μορίων (affinity coupling) από βιοτίνη-στρεπταβιδίνη (biotin-streptavidin) (αβιδίνη, μία γλυκοπρωτεΐνη, που συνδυάζεται με την Βιοτίνη, μία βιταμίνη Β. Η στρεπταβιδίνη (STreptaVidin) είναι μία τετραμερική πρωτεΐνη, η οποία έχει τέσσερα σημεία δεσμού για την βιοτίνη, και (3) Σύμπλεγμα Ακινητοποιημένου Ιόντος Μετάλλου (Immobilized Metal Ion Complexation) (δημιουργία μη ομοιοπολικού δεσμού του βιομορίου μέσω δημιουργίας ενός συμπλόκου με μεταλλικά ιόντα) Divalent metal ion 45

46 ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ Mήτρα: Άμορφο πολυμερές Πληρωτικό: Σφαιρικά νανοσωματίδια, ακτίνας R n  1 nm Κλάσμα όγκου: Συγκέντρωση σωματιδίων: Διεπιφάνεια ανά μονάδα όγκου: Απόσταση επιφανειών γειτον. σωματιδίων: Γυροσκοπική ακτίνα αλυσίδων: 4/12/2015ΔΧ46

47 Ατομιστικό (~ m) Προσομοιώσεις MD Λεπτομέρειες δομής, τοπική δυναμική Δυναμικά Hamaker για αλληλεπιδράσεις νανοσωματιδίου- νανοσωματιδίου και νανοσωματιδίου–πολυμ. τμήματος Αδροποιημένο (~10 -9 m) Monte Carlo μεταβλητής συνδετικότητας Καλά εξισορροπημένες διαμορφώσεις σε συστήματα μακριών αλυσίδων Εμπνευσμένο από τη θεωρία πεδίου (FTiMC) (~10 -7 m) Προσομοιώσεις Monte Carlo με απλοποιημένη Χαμιλτονιανή Μεγάλα νανοσωματίδια, πολλά νανοσωματίδια NAΝΟΣΥΝΘΕΤΑ: EΠΙΠΕΔΑ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗΣ 4/12/2015ΔΧ47

48 ΕΞΙΣΟΡΡΟΠΗΣΗ ΠΥΚΝΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΦΑΣΕΩΝ :MONTE CARLO Κινήσεις μεμονωμένων τμημάτων: –Περιστροφή εσωτερικού ατόμου (FLIP) –Ερπυσμός (REPT) Τοπικές ανακατατάξεις διαμόρφωσης: –Μεροληψία απεικόνισης (CB) –Συντονισμένη περιστροφή (CONROT) [1] Μεταβολές συνδετικότητας: –Διπλή γεφύρωση (DB) [2] –Ενδομοριακή διπλή αναγεφύρωση (IDR) [2] Διακύμανση όγκου FLIP REPT 1.L.R. Dodd, T.D. Boone, DNT, Mol. Phys., 78, 961 (1993) 2.N. Karayiannis, V.G. Mavrantzas, DNT, Phys. Rev. Lett. 88, (2002) CB CONROT IDR new chain jch ’ is formed new chain ich ’ is formed DB 4/12/2015ΔΧ48

49 ΕΞΙΣΟΡΡΟΠΗΣΗ ΠΟΛΥΣΤΥΡΕΝΙΟΥ (PS) αυξάνει μονότονα προς μία ασυμπτωτική τιμή. Εξαιρετική συμφωνία με σκέδαση νετρονίων σε μικρές γωνίες (SANS). T. Spyriouni, C. Tzoumanekas, DNT, F. Müller- Plathe, G. Milano, Macromolecules 40, 3876 (2007) G. G. Vogiatzis and DNT, Macromolecules 47, (2014), in press. DOI: /ma402214r R RgRg 4/12/2015ΔΧ49

50 ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΑ ΠΟΛΥΣΤΥΡΕΝΙΟΥ - C 60 Πεδίο δυνάμεων ενοποιημένων ατόμων για πολυστυρένιο: A.V. Lyulin, M.A.J. Michels, Macromolecules 35, 1463 (2002). Πεδίο δυνάμεων C 60 : S.L. Mayo, B.D. Olafson, W.A. Goddard, J. Phys. Chem. 94, 8897 (1990); L.A. Girifalco, J. Phys. Chem. 96, 858 (1992). αδροποιημένο μοντέλοατομιστικό από αντίστρ. απεικόνιση 4/12/2015ΔΧ50

51  Χρόνος συσχέτισης για τμηματική κίνηση δίνεται από το ολοκλήρωμα:  Προσαρμογή σε τροποποιημένη έκφραση Kohlrausch – Williams – Watts (mKWW): G. G. Vogiatzis and DNT, Macromolecules 47, (2014), in press. DOI: /ma402214r ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΜΗΜΑΤΩΝ: ΤΗΓΜΑ PS συγκρινόμενο με ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΟ PS-C 60 4/12/2015ΔΧ51

52 Προσαρμογή εμπειρικής εξίσωσης Williams–Landel–Ferry (WLF) [1] : 1.J.D. Ferry, Viscoelastic Properties of Polymers, 3rd ed., Wiley, New York, S.K. Kumar, R.H. Colby, S.H. Anastasiadis, G. Fytas, J. Chem. Phys. 105, 3777 (1996). 3.J. Hintermeyer, A. Herrmann, R. Kahlau, C. Goiceanu, E.A. Rössler, Macromolecules 41, 9335 (2008). 4.J.M. Kropka, V.G. Sakai, P.F. Green, Nano Lett. 8, 1061 (2008). Συντελεστές WLF σε πολύ καλή συμφωνία με το πείραμα [2]. Πειραματικό σημείο υαλώδους μετάπτωσης ατακτ. πολυστυρενίου: – K [3]. Σύστημα πολυστυρενίου – C 60 επιδεικνύει λίγο υψηλότερο T g από ό,τι το καθαρό πολυστυρένιο. Ανύψωση του T g κατά 1 Κ έχει αναφερθεί από τους Green και συνεργάτες [4]. ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΜΗΜΑΤΩΝ: ΤΗΓΜΑ PS συγκρινόμενο με ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΟ PS-C 60 4/12/2015ΔΧ52

53 G. G. Vogiatzis and DNT, Macromolecules 47, (2014), in press. DOI: /ma402214r  Προσαρμογή σε τροποποιημένη έκφραση Kohlrausch – Williams – Watts (mKWW):  Χαρακτηριστικός χρόνος χαλάρωσης δίνεται από το ολοκλήρωμα: 1.Y. He, T.R. Lutz, M.D. Ediger, C. Ayyagari, D. Bedrov, G.D. Smith, Macromolecules 37, 5032 (2004). 2.H.W. Spiess, H. Sillescu, J. Magn. Reson. 42, 381 (1981).  Καλή συμφωνία με μετρήσεις Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) και παλαιότερες προσομοιώσεις MD [1,2] ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΜΗΜΑΤΩΝ: ΤΗΓΜΑ PS συγκρινόμενο με ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΟ PS-C 60 4/12/2015ΔΧ53

54  Νανοσωματίδια: ◦ Πυριτία με αλυσίδες PS επιφανειακά εμφυτευμένες κατά το ένα άκρο  Μονοδιάσπαρτο ατακτικό PS: ◦ Ελεύθερες αλυσίδες: kg mol -1 ◦ Εμφυτευμένες αλυσίδες: kg mol -1  Προσομοιώσεις NVT υπό T = 500 K  Ακτίνα νανοσωματιδίων: 8 ή 13 nm  Κυβικά κουτιά προσομοίωσης: ◦ Μήκος ακμής nm  Επιφανειακή πυκνότητα εμφύτευσης: 0.2 – 0.7 αλυσίδες nm nm ΔΟΜΗ ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΑΣ- ΠΟΛΥΣΤΥΡΕΝΙΟΥ G.G. Vogiatzis and DNT Macromolecules 46, 4670 (2013) 4/12/2015ΔΧ54

55 Αλυσίδες: τυχαίοι περίπατοι από στατιστικά τμήματα Kuhn. Κάθε τμήμα Kuhn αντιστοιχεί σε 7 μονομερή PS. Δεσμικές αλληλεπιδράσεις λαμβάνονται υπόψη μέσω του σταθερού μήκους του τμήματος Kuhn ( b =18.3 Å). Μή δεσμικές αλληλεπιδράσεις: – Πολυμερούς-πολυμερούς (όπως στη θεωρία πεδίου) – Πολυμερούς-νανοσωματιδίου (ολοκλήρωση Hamaker των ατομιστικών δυναμικών) – Νανοσωματιδίου-νανοσωματιδίου (Hamaker) Τοπική πυκνότητα πολυμερούς παρακολουθείται χρησιμοποιώντας τρισδιάστατο πλέγμα. Απεικόνιση αλυσίδων και νανοσωμα- τιδίων μεταβάλλεται με κινήσεις MC. Χρησιμοποιούνται και μετακινήσεις του πλέγματος. 60 nm MONTE CARLO ΕΜΠΝΕΥΣΜΕΝΟ ΑΠΟ ΘΕΩΡΙΑ ΠΕΔΙΟΥ 4/12/2015ΔΧ55

56 G.G. Vogiatzis and DNT Macromolecules 46, 4670 (2013) 4/12/2015ΔΧ56

57 FTiMC: ΤΟΠΙΚΗ ΔΟΜΗ  Ακτινική κατανομή πυκνότητας,  Μεταβολές στη θέση και το πάχος της περιοχής αλληλεπικάλυψης εμφυτευμένων και ελεύθερων αλυσίδων συναρτήσει:  Μοριακής μάζας εμφυτευμένων αλυσίδων  Επιφανειακής πυκνότητας εμφύτευσης - Silica nanoparticles, R n =8 nm - Μήτρα ατακτικού πολυστυρενίου - Αραιή διασπορά M g = 20kg/mol M f =100kg/mol σ = 0.5 nm -2 M f = 100kg/mol G.G. Vogiatzis and DNT Macromolecules 46, 4670 (2013) 4/12/2015ΔΧ57

58 FTiMC: Πάχος «ψήκτρας» εμφυτευμένων αλυσίδων G.G. Vogiatzis and DNT, Macromolecules 46, 4670 (2013)  Καλή συμφωνία με πειράματα σκέδασης νετρονίων σε μικρές γωνίες (SANS). [1]  Καλή συμφωνία με θεωρία Daoud-Cotton: [2] 1.Mathias Meyer, Ph. D. thesis, Westfälische Wilhelms- Universität Münster, M. Daoud, J. Cotton, J. Phys. France 43, 531 (1982). SiO 2 σε PS, R n =8 nm M f =100 kg/mol 4/12/2015ΔΧ58

59 FTiMC: Πρόρρηση SANS από εμφυτευμένη στεφάνη Πειράματα : C. Chevigny, J. Jestin, D. Gigmes, R. Schweins, E. Di-Cola, F. Dalmas, D. Bertin, F. Boué, Macromolecules, 43, (2010). SiO 2 in PS, R n =13 nm M g = 25 kg/mol, σ = 0.5 nm -2 SiO 2 in PS, R n =8 nm M g = 20 kg/mol, M f = 100 kg/mol 4/12/2015ΔΧ59

60 ΔΙΑΧΥΤΟΤΗΤΑ ΑΡΩΜΑΤΙΚΩΝ ΜΟΡΙΩΝ ΣΤΟ ΖΕΟΛΙΘΟ ΣΙΛΙΚΑΛΙΤΗ-1 Ζεόλιθοι MFI (Mobil Five): ευρεία χρήση στην πετροχημική βιομηχανία ZSM-5: Καταλύτης για μετατροπές αλκυλαρωματικών μορίων ZSM-5: Καταλύτης για μετατροπή μεθανόλης σε βενζίνη. Τερεφθαλικό οξύ Οξείδωση PET Σιλικαλίτης-1: Μοριακό κόσκινο για διαχωρισμό π-ξυλολίου από άλλα μόρια στη νάφθα, όπως βενζόλιο, τολουόλιο, ο- και m-ξυλόλιο. Ο Σιλικαλίτης-1 είναι η καθαρά πυριτική μορφή του ZSM-5. 4/12/2015ΔΧ60

61 ΣΙΛΙΚΑΛΙΤΗΣ -1 Μοναδιαία κυψελίδα Si 96 O 192 Pnma a = Å b = Å c = Å (δείχνονται 3  3  3 κυψελίδες) Αποτελείται από τετράεδρα SiO 4 που μοιράζονται κορυφές. Ευθύγραμμα (S) και ημιτονοειδή (Z) κανάλια διαμέτρου ≈ 5.5 Å Περιοχές διασταύρωσης καναλιών (I) διαμέτρου ≈ 9 Å x y z a b c 4/12/2015ΔΧ61

62 Η διάχυση αρωματικών μορίων στο σιλικαλίτη-1 είναι βραδεία… Πειραματικός συντελεστής αυτοδιάχυσης, βενζόλιο/Σιλικαλίτης-1 (300 K) Αρωματικό μόριο βρίσκεται υπό ισχυρό περιορισμό στα κανάλια. Προτιμά να εντοπίζεται σε ενεργειακά ευνοϊκές «θέσεις ρόφησης» και σπάνια εκτελεί άλματα μεταξύ αυτών των θέσεων. H. Jobic. M. Bée, S. Pouget J. Phys. Chem.B 104, 7130 (2000). Τόσο χαμηλές διαχυτότητες δεν μπορούν να υπολογιστούν με MD. x z y 4/12/2015ΔΧ62

63 i j state Σταθερά ρυθμού k i  j : Πιθανότητα ανά μονάδα χρόνου να επιτελεστεί μετάβαση προς την κατάσταση j,προϋποτιθεμένου ότι το σύστημα βρίσκεται αρχικά στην κατάσταση i. ΘΕΩΡΙΑ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ (TST) Ελεύθερη ενέργεια ως συνάρτηση των βαθμών ελευθερίας r που συμμετέχουν στη μετάβαση. Μπορεί να υπολογιστεί ένας δυναμικός παράγοντας διόρθωσης για το k i  j, που ενσωματώνει την επίπτωση φαινομένων αναδιασταύρωσης της διαχωριστικής επιφάνειας, μέσω σύντομων προσομοιώσεων MD που ξεκινούν από τη διαχωριστική επιφάνεια. διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ καταστάσεων i και j TST: J. Kärger, D. Ruthven, DNT, Diffusion in Nanoporous Materials, Volume 1, Wiley-VCH, 2012, Chap.9 4/12/2015ΔΧ63

64 Προσδιορισμός A(r): Το ροφημένο μόριο εξαναγκάζεται να δειγματοληπτήσει μικρές αλληλεπικαλυπτόμενες περιοχές μέσα στους πόρους. Χρήση MD παρουσία περιοριστικών «τοίχων». P.D. Kolokathis, E. Pantatosaki, C.-A. Gatsiou, H. Jobic, G.K. Papadopoulos, DNT Molecular Simulation 40, (2014). 4/12/2015ΔΧ64

65 Σταθερές μετάβασης από ΤST: Bενζόλιο στο Σιλικαλίτη-1 Θερμοκρασία Σταθερές ρυθμού TST (s -1 ) 300K465K555K I → S 5.24    10 8 S → I    10 9 I → Z b    10 7 Z b → I    10 9 I → Z a 1.76    10 8 Z a → I3.04    10 9 Δυναμικοί παράγοντες διόρθωσης: 0.81 έως /12/2015ΔΧ65

66 Bενζόλιο και π-ξυλόλιο στο Σιλικαλίτη-1, T =300 K Μονοδιάστατα προφίλ ελεύθερης ενέργειας στο ευθύγραμμο κανάλι: Κάθετα προς δακτύλιο Μίσχος μεθυλίου (κύριος άξονας) 10.5 X(Å) X(Å) ξ (Å) 2 Κατανομή ελεύθερης ενέργειας προσανατολισμού σε διάφορες θέσεις: Χρωματικός κώδικας I S S 4/12/2015ΔΧ66

67 Επίλυση της εξίσωσης Master μέσω αναδρομικής ελάττωσης της διαστατικότητας (MESoRReD) σε σύστημα 2 ν μοναδιαίων κυψελίδων με περιοδικές οριακές συνθήκες στα άκρα: Υπολογισμός του συντελεστή αυτοδιάχυσης D Εξίσωση Master για τη χρονική εξέλιξη των πιθανοτήτων κατάληψης των καταστάσεων: Άνυσμα πιθανοτήτων κατάληψης καταστάσεων LdLd Cell 1 Cell 2 C ell 2 ν -1Ce ll 2 ν Cell 2 ν-1 + 1Cell 2 ν-1 P.D. Kolokathis and DNT J. Chem. Phys 137, (2012) Πίνακας σταθερών ρυθμού 4/12/2015ΔΧ67

68 Τεχνική Neutron Spin-Echo Προσομοιώσεις ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΑΥΤΟΔΙΑΧΥΣΗΣ ΣΤΟ ΣΙΛΙΚΑΛΙΤΗ -1 4/12/2015ΔΧ68

69 ΠΕΡΙΛΗΨΗ  Η πολλαπλότητα των κλιμάκων μήκους και χρόνου επιβάλλει την ανάπτυξη στρατηγικών προσομοίωσης σε πολλές κλίμακες.  Προσομοιώσεις Μonte Carlo μεταβλητής συνδετικότητας, μαζί με αδροποίηση και αντίστροφη απεικόνιση, εξισορροπούν πλήρως πολυμερικά τήγματα μεγάλου μοριακού βάρους.  Η επίπτωση νανοσωματιδίων στην τμηματική δυναμική νανοσυνθέτων C 60 -πολυστυρενίου ποσοτικοποιείται με προσομοιώσεις MD.  Προσομοιώσεις Monte Carlo εμπνευσμένες από τη θεωρία πεδίου προβλέπουν τη διαμόρφωση αλυσίδων εμφυτευμένων σε νανοσωματίδια ακτίνων 8 και 13 nm μέσα σε τήγματα πολυστυρενίου.  Η μοριακή προτυποποίηση και προσομοίωση μπορούν να βοηθήσουν σημαντικά στην κατανόηση των ιδιοτήτων νανοδομημένων υλικών.  Υπολογισμός των προφίλ ελεύθερης ενέργειας κατά μήκος των πόρων, σε συνδυασμό με θεωρία μεταβατικών καταστάσεων και MESoRReD, δίνει εκτιμήσεις διαχυτοτήτων αρωματικών μορίων στο Σιλικαλίτη-1.  Το π-ξυλόλιο διαχέεται ταχύτερα από ό,τι το βενζόλιο μέσα στο Σιλικαλίτη-1. Η δυνατότητα αναπροσανατολισμού στις διασταυρώσεις των καναλιών δημιουργεί υψηλότερο φράγμα ελεύθερης ενέργειας εντροπικής προέλευσης για το βενζόλιο. 4/12/2015ΔΧ69

70 4/12/2015ΔΧ Βιοφαρμακευτικά Επίσης γνωστά ως φαρμακευτικά βασισμένα στη Βιοτεχνολογία. Από το 1980 μέχρι και σήμερα περισσότερα από 90 ανασυνδυασμένα φάρμακα έχουν εγκριθεί και 369 είναι στη διαδικασία έγκρισης. Η πλειονότητα αυτών των ανασυνδυασμένων μορφών πρωτεϊνών βρέθηκαν in vivo. Χρησιμοποιούνται σε (1) θεραπείες υποκατάστασης, π.χ. ινσουλίνη και ορμόνη ανάπτυξης, (2) ως συμπλήρωμα για την αύξηση της δράσης ενδογενών πρωτεϊνών, (3) για την ενεργοποίηση υποδοχών που βρίσκονται σε στοχευμένους ιστούς, (4) ως θεραπευτικά αντισώματα, (5) ως φορείς τοξικών φαρμάκων, χωρικής εξειδίκευσης και (6) ως μέσα απεικόνισης Η χρήση θεραπευτικών πρωτεϊνών για αντικατάσταση ή συμπλήρωση ενδογενών μορίων πρωτεΐνης, αποτελεί μία επί μακράν εφαρμοζόμενη θεραπευτική πρακτική για ασθένειες όπως διαβήτης, έλλειψη αναπτυξιακής ορμόνης, αιμοφιλία κλπ. Η θεραπεία συχνά περιορίζεται από (1) την απόκριση του ανοσοποιητικού συστήματος στην παρουσία ετερόλογων πρωτεϊνικών μορίων, (2) την παρουσία μολυσματικών παραγόντων σε πρωτεΐνες που προέρχονται από σύνθετες φυσικές πηγές και (3) δυσκολίες και κόστη που συνεπάγεται η ανάκτηση χρήσιμου υλικού σε αξιοποιήσιμες ποσότητες από ανθρώπους και ζώα. Στις μέρες μας το ανασυνδυασμένο DNA και οι τεχνικές υβριδώματος, είναι ικανά να παρέχουν μόρια, καλά ορισμένης χημικής σύστασης, και να τα παράγουν σε μέσα καλλιέργειας κυττάρων, που μπορούν να ελεγχθούν προσεκτικά. Εξαιτίας αυτών των τεχνικών, η προσφορά και η καθαρότητα δεν αποτελούν, πλέον, παράγοντες περιορισμού της ανάπτυξης και χρήσης των θεραπευτικών βιομορίων. 70

71 4/12/2015ΔΧ Βιοφαρμακευτικά Το DNA, εξαιτίας του ρόλου του στην αντιγραφή των νέων δομών και χαρακτηριστικών των ζώντων οργανισμών, έχει ευρεία χρήση στην ανακεφαλαιοποίηση (recapitulating), μέσω ιογενών ή μη ιογενών φορέων, τόσο επιθυμητών όσο και ανεπιθύμητων χαρακτηριστικών ενός είδους, για την επίτευξη αλλαγών χαρακτηριστικών, ή για την αντιστάθμιση επιδράσεων από γενετικές ή επίκτητες δυσλειτουργίες που επηρεάζουν διεργασίες σε επίπεδο κυττάρου ή οργανισμού. Το ανασυνδυασμένο DNA είναι μία μορφή τεχνητού DNA που κατασκευάζεται μέσω συνδυασμού ή εισαγωγής ενός η περισσότερων κλώνων DNA, όπου κατ’ αυτόν το τρόπο συνδυάζονται αλληλουχίες DNA που υπό κανονικές συνθήκες δεν θα συνυπήρχαν. Ως προς την γενετική τροποποίηση το ανασυνδυασμένο DNA παράγεται με την προσθήκη του σχετικού DNA μέσα σε υπάρχον γονιδίωμα οργανισμού, όπως το πλασμίδιο βακτηρίου, για την κωδικοποίηση ή την μεταβολή διαφορετικών χαρακτηριστικών για ένα συγκεκριμένο σκοπό, όπως για παράδειγμα είναι το ανοσοποιητικό. H γενετική τροποποίηση (modification) διαφέρει από τον γενετικό ανασυνδυασμό (recombination), στο ότι δεν λαμβάνει χώρα μέσω διεργασιών εντός κυττάρου ή ριβοσωμάτων, αλλά έχουν αποκλειστικά κατασκευαστεί (engineered). Η τεχνική του ανασυνδυασμένου DNA επινοήθηκε από τους Stanley Norman Cohen και Herbert Boyer το Δημοσίευσαν τα ευρήματά τους το 1974 όπου περιέγραφαν μία τεχνική απομόνωσης κι ενίσχυσης γονιδίων ή τμημάτων DNA, και την εισαγωγή τους με ακρίβεια σε άλλο κύτταρο, δημιουργώντας ένα διαγονιδιακό (transgenic) βακτήριο. Η τεχνολογία ανασυνδυασμένου DNA κατέστη εφικτή από την ανακάλυψη των περιοριστικών ενδονουκλεασών από τους Werner Arber, Daniel Nathan, και Hamilton Smith, για το οποίο πήραν το βραβείο Νόμπελ Ιατρικής του

72 4/12/2015ΔΧ Βιοφαρμακευτικά Αντισώματα είναι πρωτεΐνες ιδιαίτερης εξειδίκευσης που προσδένονται στα αντιγόνα, και παράγονται από παρακινούμενα β-λεμφοκύτταρα (stimulated B-lymphocytes), καθένα από τα οποία εκκρίνει αντισώματα μόνο μίας συγκεκριμένης εξειδίκευσης. Πολυκλωνικά αντισώματα είναι μίγματα πολλών διαφορετικών αντισωμάτων, πολλών διαφορετικών εξειδικεύσεων, παραγόμενων in vivo. Μονοκλωνικά αντισώματα παράγονται από ένα μίγμα αντισωμάτων, αρχικά με την απομόνωση β-λεμφοκυττάρων σε καλλιέργειες ιστών, στη συνέχεια αυτά καλλιεργούνται, και παράγονται κλώνοι πανομοιότυπων β-κυττάρων. Προβλήματα που καταγράφονται σε αυτή τη διαδικασία είναι ότι τα απομονωμένα λεμφοκύτταρα συχνά δεν επιβιώνουν στην καλλιέργεια, δεν διαιρούνται πολύ γρήγορα, και παράγουν πολύ λίγα αντισώματα. Αν συνδυάσουμε τα χαρακτηριστικά των β-λεμφοκυττάρων, που παράγουν αντισώματα, κι αυτά ενός καρκινικού κυττάρου, που εμφανίζει βιωσιμότητα ιστού και ταχεία διαίρεση κυττάρων, π.χ. με την «συγχώνευση» (“fuse”) ενός β-λεμφοκυττάρου κι ενός καρκινικού κυττάρου σε ένα κύτταρο, αυτό το «υβριδικό» κύτταρο συνεχίζει την ανάπτυξη του επ’αόριστον εντός της καλλιέργειας, και η διαίρεση του κυττάρου λαμβάνει χώρα τάχιστα (παράγει ένα κλώνο). Στην ίδια καλλιέργεια, η παραγωγή αντισωμάτων από ένα [μόνο]-κλώνο ξεκινά και μεγάλες ποσότητες αντισωμάτων μπορούν να παραχθούν. Η τεχνική της υβριδίωσης μπορεί να χειραγωγήσει την γενετική των απομονωμένων λεμφοκυττάρων, μπορεί να επιλέξει αντισώματα με συγκεκριμένες βιολογικές ιδιότητες, και είναι πολύ λιγότερο ακριβή, από την χρήση ζώων που παράγουν αντισώματα. 72

73 4/12/2015ΔΧ Βιοφαρμακευτικά Η τεχνική ανασυνδυασμένου DNA ή η Γενετική Μηχανική περιλαμβάνουν την απομόνωση θραυσμάτων κυτταρικού DNA τα οποία κωδικοποιούν πρωτεΐνες θεραπευτικού ενδιαφέροντος. Τα θραύσματα αυτά του DNA εισάγονται σε κυτταρικούς υποδοχείς, οι οποίοι με κανονική αναπαραγωγή, κάνουν πολλαπλά αντίγραφα της πρωτότυπης αλληλουχίας. Η ενίσχυση αυτή της αρχικής αλληλουχίας καθιστά εφικτή την παραγωγή χρήσιμων ποσοτήτων πρωτεΐνης στο μέσο καλλιέργειας κυττάρων. Με την χρήση, δε, ήδη καθιερωμένων βιοχημικών τεχνικών καθαρισμού, η πρωτεΐνη μπορεί να απομονωθεί σε μορφή υψηλής καθαρότητας. Τα μονοκλωνικά αντισώματα ήταν μία από τις πρώτες μορφές πρωτεϊνών, που προέκυψαν με αυτή τη τεχνολογία, και τα οποία χορηγήθηκαν σε ανθρώπους. Στην πρώιμη φάση ανάπτυξης τους, τα μονοκλωνικά αντισώματα λαμβανόταν από είδη ποντικών με την χρήση τεχνικής υβριδιώματος. Η χορήγηση αντισωμάτων που λήφθηκαν από ποντικούς προκαλούσαν μία αντίδραση του ανθρώπινου ανοσοποιητικού συστήματος με την παραγωγή ενδογενών αντισωμάτων για την εξουδετέρωση των χορηγούμενων αντισωμάτων, και με μικρό χρόνο ημιζωής ορού για τα τελευταία. Με χρήση εργαλείων Γενετικής Μηχανικής που αναπτύχθηκαν αργότερα, παρήχθησαν μονοκλωνικά αντισώματα με μεγαλύτερη ταύτιση της αλληλουχίας τους με αυτήν των ενδογενώς παραγόμενων αντισωμάτων. Δύο κύριες τεχνολογίες αναδείχθηκαν για την παραγωγή «εξανθρωπισμένων» (“humanized”) πρωτεϊνών, (1) με χρήση διαγονιδιακών (transgenic) ζώων και (2) με χρήση της τεχνικής «phage display». 73

74 4/12/2015ΔΧ Βιοφαρμακευτικά Τα πιο αποτελεσματικά και δημοφιλή συστήματα έκφρασης για φαρμακευτικά που λαμβάνονται μέσω ανασυνδυασμού (recombinantly derived biopharmaceuticals) είναι κύτταρα θηλαστικών, όπως είναι Ωοθήκες Κινέζικων Χάμστερ (Chinese Hamster Ovary) και κύτταρα μυελώματος ποντικών (mouse myeloma cells (NSO)). Κύτταρα προκαρυωτικών οργανισμών που λαμβάνονται από Escherichia coli και είδη ζυμών, επίσης χρησιμοποιούνται για πρωτεΐνες θεραπευτικού ενδιαφέροντος. Τα συστήματα έκφρασης θηλαστικών, σε αντίθεση με αυτά των μη θηλαστικών, έχουν τον βιοχημικό μηχανισμό για την γλυκοζίωση πρωτεϊνών κατά τη διάρκεια μετα-μεταφραστικών βιοσυνθετικών φαινομένων (posttranslational biosynthetic events). Τα μονοκλωνικά αντισώματα που λήφθηκαν με ανασυνδυασμό, απαιτούν γλυκοζίωση για να εμφανίσουν ένα πλήρες εύρος βιολογικής δραστηριότητας. Η γλυκοζίωση των ανασυνδυασμένων αντισωμάτων μπορεί να ελεγχθεί κατά τη διάρκεια της ζύμωσης με τη ρύθμιση του επιπέδου των υδατανθράκων στην καλλιέργεια κυττάρων όταν αναπτύσσονται τα κύτταρα. Οι συνθήκες ζύμωσης για αυτού του τύπου τα κύτταρα μπορούν επίσης να προσαρμοστούν ώστε να εκφράζουν υψηλό τίτλο του θεραπευτικού αντισώματος (express high titers), σε επίπεδο > 1 g/L, γεγονός σημαντικό για την ανάπτυξη αποτελεσματικών και οικονομικά βιώσιμων διεργασιών. Η αύξηση της συνολικής ποσότητας της παραγόμενης θεραπευτικής πρωτεΐνης μπορεί να επιτευχθεί με την χρήση διαγονιδιακών ζώων (transgenic animals), όπως πρόβατα, κατσίκες, χοίροι. Αναπτύχθηκε εξειδικευμένο θρεπτικό υλικό κυττάρων χωρίς ορό, και απαλλαγμένο από παράγωγα βοοειδών, για να εξαλειφθεί οποιαδήποτε πιθανότητα μόλυνσης από ίχνη σπογγώδους εγκεφαλοπάθειας βοωειδών (Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE)). 74

75 4/12/2015ΔΧ Λίγη Βιολογία… Τι είναι ζωή; Οριζόμενη μόνο σε όρους των χαρακτηριστικών της: 1.Κυτταρική οργάνωση, συνάθροιση μορίων που περιβάλλονται από μεμβράνες, 2.Ευαισθησία, δυνατότητα απόκρισης σε ερεθίσματα, 3.Ανάπτυξη, αφομοίωση ενέργειας και αξιοποίηση της για αύξηση (μεταβολισμός), 4.Ανάπτυξη, συστηματική αλλαγή, που καθοδηγείται από τα γονίδια, όσο οι οργανισμοί αναπτύσσονται και ωριμάζουν, 5.Αναπαραγωγή, μετάδοση χαρακτηριστικών στις επόμενες γενεές, 6.Ρύθμιση, οι οργανισμοί έχουν μηχανισμούς που ρυθμίζουν εσωτερικές διεργασίες, 7.Ομοιόσταση, οι οργανισμοί έχουν σχετικά σταθερές εσωτερικές συνθήκες, διαφορετικές από το περιβάλλον τους. Δομικές μονάδες ζωής Μόρια → Κύτταρα → Ιστοί → Όργανα → Οργανισμοί Κύτταρο – Η μικρότερη ζωντανή μονάδα καθώς και η βασική μονάδα οργάνωσης όλων των οργανισμών, περιέχει DNA, το μόριο της κληρονομικότητας, είναι περιβεβλημένο και απομονωμένο από το περιβάλλον του με τη μεμβράνη πλάσματος 75

76 4/12/2015 Λίγη Βιολογία… Τα κύτταρα είναι δύο τύπων, (1) προκαρυωτικά, δηλ. κύτταρα που δεν έχουν πυρηνική μεμβράνη, δεν έχουν οργανίδια (organelles), έχουν μοναδικό χρωμόσωμα (μόριο DNA), και τα (2) ευκαρυωτικά, δηλ. κύτταρα που έχουν περίπλοκη εσωτερική δομή, με πυρηνική μεμβράνη, ποικιλία οργανιδίων, συμπεριλαμβανομένων των μιτοχονδρίων, ενδοπλασματικού δικτύου (endoplasmic reticulum), σωμάτιο Golgi, κ.α., καθώς και περισσότερα του ενός χρωμοσώματα στον πυρήνα. Οι κυτταρικοί οργανισμοί κατατάσσονται σε ευκαρυωτικούς (έχουν ευκαρυωτικά κύτταρα) και βακτήρια (έχουν προκαρυωτικά κύτταρα). Οι ευκαρυωτικοί μπορούν να είναι πολυκύτταροι (σημαντική διαφοροποίηση κυττάρων και ιστών), π.χ. φυτά, ή μονοκύτταροι (μικρή ή καμία διαφοροποίηση κυττάρων και ιστών), π.χ. ζώα ή οργανισμοί που ανήκουν στους πρωτίστες (φύκη, μύκητες, πρωτόζωα). Τα βακτήρια μπορούν να διαχωριστούν σε ευβακτήρια (τα περισσότερα βακτήρια η χημεία των κυττάρων τους είναι παρόμοια των ευκαρυωτικών) και αρχαιοβακτήρια (π.χ. τα μεθανογενή, τα αλλόφιλα, θερμο-οξύφιλα έχουν διακριτή κυτταρική χημεία). Οι ιοί δεν μπορούν να καταταχθούν κάτω από καμία κατηγορία, είναι πολύ μικροί ( nm) και υποχρεωτικά παράσιτα (όχι κύτταρα που ζουν ελεύθερα) άλλων κυττάρων. Περιέχουν είτε DNA είτε RNA ως γενετικό υλικό, για την αποκωδικοποίηση της γενετικής πληροφορίας (σε κύτταρα που ζουν ελεύθερα, όλη η γενετική πληροφορία περιέχεται στο DNA). Οι ιοί RNA καλούνται και ρετροϊοί (retroviruses), π.χ. Ο ιός του HIV. ΔΧ76

77 4/12/2015 Λίγη Βιολογία… Κύτταρο Στα προκαρυωτικά (βακτήρια), το περισσότερο γενετικό υλικό βρίσκεται σε ένα μοναδικό μόριο DNA, που βρίσκεται σε μία περιοχή κοντά στο κέντρο του κυττάρου, στο νουκλεοτίδιο. Αυτή η περιοχή δεν είναι διαχωρισμένη από το υπόλοιπο εσωτερικό του κυττάρου με κάποιες μεμβράνες. Στα ευκαρυωτικά, το DNA, περιέχεται εντός του πυρήνα, ο οποίος περιβάλλεται από δύο μεμβράνες, (α) μία ημίρευστη μήτρα, το κυτόπλασμα, που γεμίζει το εσωτερικό του κυττάρου, και σε αποκλειστικότητα τον πυρήνα (ευκαρυωτικά) ή το νουκλεοτίδιο (προκαρυωτικά). Περιέχει ζάχαρα, αμινοξέα, και πρωτεΐνες, για τις δραστηριότητες τους κυττάρου. Σε ευκαρυωτικά κύτταρα, το κυτόπλασμα περιέχει εξειδικευμένα τμήματα προσδεμένα στην μεμβράνη (membrane-bounded compartments), που ονομάζονται οργανογέλλες (organelles) και (β) φωσφολιπιδική επιφάνεια δύο στρώσεων, η μεμβράνη πλάσματος, η οποία διαχωρίζει το κύτταρο από το περιβάλλον του. ΔΧ77

78 4/12/2015ΔΧ Λίγη Βιολογία… Δομή ευκαρυωτικών κυττάρων 1.Κυτταρικό τοίχωμα – μόνο σε κύτταρα φυτών, για προστασία και στήριξη, 2.Κυτοσκελετός (Cytoskeleton) – διάταξη ινωδών πρωτεϊνών για την δομική στήριξη και την κυτταρική κίνηση, 3.Μεμβράνη πλάσματος – διπλοεπιφάνεια φωσφολιπιδίων (με υδρόφοβη εσωτερική και υδροφιλική εξωτερική κατάληξη), ρυθμίζει τι περνά προς το εσωτερικό και προς το εξωτερικό του κυττάρου, 4.Ενδοπλασματικό δίκτυο (Εndoplasmic reticulum) – δίκτυο μεμβρανών στις οποίες συνθέτονται γλυκοπρωτεΐνες και λιπίδια, 5.Πυρήνας – φιλοξενεί το μεγαλύτερο μέρος του κυτταρικού DNA · κατευθύνει την πρωτεϊνική σύνθεση και την αναπαραγωγή των κυττάρων, 6.Golgi – συνδυάζει (packages) πρωτεΐνες για την εξαγωγή τους από το κύτταρο· δημιουργεί εκκριτικά κυστίδια (secretory vesicles), 7.Λυσοσώματα- περιλαμβάνουν ένζυμα, χωνευμένες φθαρμένες οργανογέλλες, και υπολείμματα κυττάρου, 8.Μικροσώματα (Microbodies) – περιλαμβάνει ένζυμα, δραστηριότητες απομονωμένων σωματιδίων, από το υπόλοιπο του κυττάρου, 10.Μιτοχόνδρια – στοιχεία που μοιάζουν με βακτήρια· περιοχές με οξειδωτικό μεταβολισμό, 11.Χλωροπλάστες- περιοχές φωτοσύνθεσης σε φυτικά κύτταρα, 12.Χρωμοσώματα – Σύνθετα συμπλέγματα χρωμοσωμάτων-DNA και πρωτεϊνών, περιλαμβάνουν κληρονομικές πληροφορίες (συνολικό DNA στα χρωμοσώματα του οργανισμού είναι το γονιδίωμα του) 13. Πυρηνίσκος - μέρος των γονιδίων για τη σύνθεση rRNA, συγκεντρώνει τα ριβοσώματα, 14.Ριβοσώματα – Σύνθετα συμπλέγματα πρωτεϊνών και RNA, συχνά βρίσκεται στο ενδοπλασματικό δίκτυο· περιοχή όπου γίνεται η σύνθεση πρωτεϊνών 78

79 4/12/2015ΔΧ Λίγη Βιολογία… Μόρια της ζωής Νερό, ανόργανα ιόντα, και σχετικά μικρά οργανικά μόρια (π.χ. σάκχαρα, βιταμίνες, λιπαρά οξέα), όπου το 75-80% κ.β. του ζωντανού υλικού οφείλεται σε αυτά. Το νερό είναι αυτό που βρίσκεται στην μεγαλύτερη αφθονία. Το νερό, τα ιόντα και πολλά μικρά οργανικά μόρια εισέρχονται εντός των κυττάρων. Τα κύτταρα επίσης παράγουν και τροποποιούν πολλά μικρά οργανικά μόρια. Το εναπομένον 20-25% της ζώσας ύλης είναι μακρομόρια (πολυμερή), συμπεριλαμβανομένων των πρωτεϊνών, των πολυσακχαριτών, και των νουκλεϊκών οξέων, π.χ. DNA (deoxyribonucleic acid), RNA (ribonucleic acid). Tα κύτταρα μπορούν να αποκτήσουν τα μακρομόρια αποκλειστικά εφόσον τα παράγουν τα ίδια. ΜονομερήΠολυμερή ΑμινοξέαΠρωτεΐνη ΝουκλεοτίδιαΝουκλεϊκό οξύ ΣάκχαραΠολυσακχαρίτες 79

80 4/12/2015 Αμινοξέα Περιέχουν τουλάχιστον μία καρβοξυλική ομάδα, -COOH, και μία αμινομάδα, -NH2, και μία ομάδα, R. H | H 2 N - C - COOH | R Οι δομικές μονάδες (Building blocks) των πρωτεϊνών είναι 20 κοινά αμινοξέα, τα οποία, με βάση της ομάδας R, κατηγοροιοπούνται ως: 1.Μη πολικές – Η ομάδα R περιλαμβάνει –CH 2 or –CH 3 : αλανίνη, βαλίνη, λευκίνη, ισολευκίνη, 2.Πολικές μη φορτισμένες- Ομάδες R που περιλαμβάνουν O ή μόνο H: γλυκίνη, σερίνη, θρεονίνη, ασπαραγίνη, γλουταμίνη 3.Αυτές που μπορούν να ιονιστούν (Ionizable) – οι ομάδες R περιλαμβάνουν οξέα ή βάσεις: γλουταμικό οξύ, ασπαρτικό οξύ, υστιδίνη, λυσίνη, αργινίνη, 4.Αρωματικές ομάδες- R που περιέχουν δακτυλίους C με εναλλασσόμενους μονούς και διπλούς δεσμούς: Φαινυλαλανίνη, τρυπτοφάνη, και 5.Ειδικής λειτουργίας: μεθειωνίνη, προλίνη (δημιουργούν κόμπους ( kinks) στις αλυσίδες), κυστεΐνη (συνδέει τις αλυσίδες μαζί) ΔΧ 80

81 4/12/2015ΔΧ Αμινοξέα Είναι οπτικά ενεργά και εμφανίζονται σε δύο ισομερικές μορφές, L και D H | | H 2 N - C - COOH HOOC - C - NH 2 | | R R L-αμινοξύ D-αμινοξύ Σε αέρια κατάσταση είναι ουδέτερα· σε υγρή κατάσταση υπάρχουν διπολικά μόρια του τύπου H | H 3 N + - C - COO - | R αμφιτεριόν (zwitterion) Η τιμή του pH στην οποία ένα αμινοξύ δεν έχει καθαρό φορτίο καλείται ισοηλεκτρικό σημείο 81

82 4/12/2015ΔΧ Πρωτεΐνες Είναι τα οργανικά μόρια που βρίσκονται σε μεγαλύτερη αφθονία σε ζωντανά κύτταρα, σχεδόν % του ξηρού τους βάρους. Είναι πολυμερή συμπύκνωσης των α-αμινοξέων, ενωμένων με πεπτιδικούς δεσμούς. Ο πεπτιδικός δεσμός δημιουργείται όταν το άκρο με την ομάδα –NH 2 ενός αμινοξέος ενώνεται με την ομάδα -COOH ενός άλλου Ο πεπτιδικός δεσμός είναι επίπεδος. Τα πεπτίδια περιλαμβάνουν δύο ή περισσότερα αμινοξέα συνδεμένα με πεπτιδικό δεσμό. Πολυπεπτίδια είναι αλυσίδες που περιλαμβάνουν λιγότερα από 50 αμινοξέα, ενώ μεγαλύτερες αλυσίδες αμινοξέων είναι οι πρωτεΐνες. Μόνο τα L αμινοξέα συναντώνται στις πρωτεΐνες. Τα D αμινοξέα είναι σπάνια στην φύση; Συναντώνται στα κυτταρικά τοιχώματα ορισμένων μικροοργανισμών και σε ορισμένα αντιβιοτικά. Συζευγμένες πρωτεΐνες περιέχουν οργανικά και/ή ανόργανα συστατικά, πέραν των αμινοξέων, τα οποία ονομάζονται προσθετικές ομάδες, π.χ. Η αιμοσφαιρίνη είναι μία συζευγμένη πρωτεΐνη με 4 ομάδες αίμης (heme), δηλ. οργανομεταλλικά συμπλέγματα που περιέχουν σίδηρο. R | H 2 N - C - C - | || H O H R΄ | | N - C - COOH | H 82

83 4/12/2015 Πρωτεΐνες Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι πρωτεϊνικού σχηματισμού, (1) ινώδης (2) σφαιροειδής Με βάση την διαφορετική βιολογική τους δράση οι πρωτεΐνες μπορούν να ομαδοποιηθούν σε 5 βασικές ομάδες: 1.Δομικές, π.χ., γλυκοπρωτεΐνες, κολλαγόνο, κερατίνη, 2.Καταλυτικές, π.χ., ένζυμα, 3.Μεταφοράς, π.χ., αιμοσφαιρίνη, ορός, αλμπουμίνη, 4.Ρυθμιστικές, π.χ., ορμόνες (ινσουλίνη, αυξητική ορμόνη), και 5.Προστατευτικές, π.χ., αντισώματα, θρομβίνη Τα ενζύμα, με πάνω από 2000 διαφορετικά γνωστά είδη, αντιπροσωπεύουν την μεγαλύτερη ομάδα. Τα περισσότερα ένζυμα είναι σφαιροειδείς πρωτεΐνες, με πολύ ισχυρή καταλυτική δράση και μεγάλη εξειδίκευση στη δράση τους. Το κάθε μόριο ενζύμου έχει μία ενεργό περιοχή στην οποία συγκεκριμένες ενώσεις προσδένονται κατά την κατάλυση. Αντισώματα [Antibodies (Ab)] ή ανοσοσφαιρίνες (immunoglobulins) (IgG, IgA, IgD, IgE, and IgM), MW = 150 – 900 kD, βρίσκονται στον ορό του αίματος και σε συγκεκριμένα κύτταρα του σπονδύλου και προσδένονται στα Αντιγόνα [Antigens (Ag)], ξένα μόρια, για να δημιουργήσουν ένα σύμπλεγμα Ab-Ag. Η δημιουργία του συμπλέγματος καλείται απόκριση ανοσοποιητικού. Είναι ιδιαίτερα εξειδικευμένα σε ξένες πρωτεΐνες που υποκινούν το σχηματισμό τους. Έχουν 4 πολυπεπτιδικές αλυσίδες, 2 βαριές (430 αμινοξέων) και 2 ελαφριές (214 αμινοξέων), δεμένες μαζί με δισουλφιδικό δεσμό σχήματος Y-, με ευέλικτη δομή. Η κάθε αλυσίδα έχει περιοχές σταθερής και μεταβλητής αλληλουχίας αμινοξέων. Οι περιοχές μεταβλητής αλληλουχίας ελαφρών και βαρέων αλυσίδων αποτελούν περιοχές δεσμού (binding sites). ΔΧ 83

84 4/12/2015 Πρωτεΐνες Η τρισδιάστατη δομή των πρωτεϊνών, η οποία είναι κρίσιμη για την βιολογική τους δραστικότητα, μπορούν να περιγραφούν σε 4 διαφορετικά επίπεδα: 1.Η Πρωτοταγής δομή – μία μοναδική γραμμική αλληλουχία αμινοξέων με ορισμένη σύσταση, 2.Δευτεροταγής δομή – προκύπτει από δεσμούς υδρογόνου γειτονικών αμινοξέων, δηλ. δεσμοί υδρογόνου στην ίδια αλυσίδα που δημιουργούν  έλικα, δεσμοί υδρογόνου ανάμεσα μεταξύ αλυσίδων που δημιουργούν  - πτυχωτά φύλλα (pleated sheet) (η δομή φύλλο είναι πιο σταθερή από αυτή της έλικας), 3.Τριτοταγής δομή– διπλωμένη ή λυγισμένη δομή των αλυσίδων αμινοξέων, ως αποτέλεσμα διπολικού, δισουλφιδικού, ή δεσμού υδργονόνου, ή υδρόφιλη και υδρόφοβη αλληλεπίδραση ανάμεσα σε ομάδες R (οι δισουλφιδικοί δεσμοί είναι κρίσιμοι για την κατάλληλη αναδίπλωση), και 4.Τεταρτοταγής δομή – προκύπτει από αλληλεπιδράσεις (δισουλφιδικοί δεσμοί ή ασθενείς αλληλεπιδράσεις) μεταξύ πεπτιδικών αλυσίδων ΔΧ84

85 4/12/2015 Πρωτεΐνες Αιμαγλουτινίνη: Αποτελείται από 3 πανομοιότυπες υποομάδες, καθεμιά αποτελούμενη από 2 αλυσίδες, HA 1 & HA 2 (a) Πρωτοταγής δομή – αλληλουχία υπολειμμάτων αμινοξέων 68 – 195 του HA 1 (χρησιμοποιείται από τον ιό της γρίπης για να προσδεθεί σε ζωικά κύτταρα. Κωδικός αμινοξέος ενός γράμματος. (b) Δευτεροταγής δομή - περιοχές πολυπεπτιδικής αλυσίδας αναδιπλωμένες σε α-έλικες (κύλινδροι),  -φύλλα ή νήματα (βέλη), και τυχαίες σπείρες (έντονες γραμμές) (c)Τριτοταγής δομή – αναδίπλωση των ελίκων και των φύλλων σε κάθε υπομονάδα, περιοχές με σφαιροειδή (απομακρισμένη περιοχή σε σχέση με την μεμβράνη), και ινώδης σχηματισμός (περιοχή κοντά στη μεμβράνη) (d) Τεταρτοταγής δομή – από- τελείται από 3 υπομοάδες HA και σταθεροποιείται με πλευρικές αντιδράσεις μεταξύ υποομάδων 85

86 4/12/2015ΔΧ Πολυσακχαρίτες Υδατάνθρακες - περιέχει C:H:O σε μοριακή αναλογία 1:2:1 Οι δεσμοί C-H απελευθερώνουν ενέργεια όταν σπάσουν Σάκχαρα – υδατάνθρακες αποτελούμενοι από δακτυλίους 6 ανθράκων (Φρουκτόζη, γλυκόζη και γαλακτόζη, ισομερή με εμπειρικό τύπο C 6 H 12 O 6 ) Πολυσακχαρίτες – πολυμερή ζάχαρης Οργανισμοί μετατρέπουν το μεγαλύτερο μέρος της γλυκόζης σε λίπος για να αποθηκεύσουν ενέργεια για μεγάλες χρονικές περιόδους Λιπίδια Μόρια αδιάλυτα στο νερό Λίπος - σύνθετα μόρια αποτελούμενα από γλυκερόλη (μία 3-C αλκοόλη με τον κάθε C να φέρει μία ομάδα OH-) και 3 λιπαρά οξέα (μεγάλες αλυσίδες υδρογονανθράκων που καταλήγουν σε ομάδα -COOH)· τα περισσότερα περιέχουν περισσότερα από 40 άτομα C αλλά ο λόγος της αποθήκευσης ενέργειας στους δεσμούς C-H ανά άτομα άνθρακα είναι υπερδιπλάδιος από αυτόν των υδατανθράκων Κορεσμένα λιπαρά περιέχουν το μέγιστο δυνατό αριθμό ατόμων H. Ακόρεστα λιπαρά περιέχουν διπλούς δεσμούς ανάμεσα σε δύο ή περισσότερα διαδοχικά ζευγάρια ατόμων C. Πολυακόρεστα λιπαρά περιέχουν περισσότερους του ενός διπλούς δεσμούς, έχουν χαμηλό σημειο τήξης (οι αλυσίδες λιπαρών οξέων λυγίζουν στο διπλό δεσμό παρεμποδίζοντας την πλήρη ευθυγράμμιση του ενός με τον άλλο) και συνήθως βρίσκονται σε υγρή κατάσταση στη θερμοκρασία δωματίου. 86

87 4/12/2015 Νουκλεϊκά οξέα Νουκλεϊκά οξέα- πολυμερή νουκλεοτιδίων·«εργαλεία» αποθήκευσης πληροφοριών των κυττάρων· λειτουργούν ως το πρότυπο για να παράγουν ακριβές αντίγραφο του εαυτού τους, έτσι ώστε η πληροφορία που ορίζει τι είναι ένας οργανισμός μπορεί να αντιγραφεί και να περάσει στους απογόνους. Νουκλεοτίδια – αποτελούνται από (1) ένα σάκχαρο 5-C (ριβόζη στο RNA και ντεσοξιριβόζη στο DNA), (2) μία φωσφορική ομάδα, -PO 4, και (3) μία οργανική βάση που περιέχει Ν. Όταν ένα πολυμερές νουκλεϊκού οξέος συγκροτεί, φωσφορική ομάδα ενός νουκλεοτιδίου προσδένεται στην υδροξυλική ομάδα άλλου, απελευθερώνοντας νερό και δημιουργώντας έναν δεσμό φωσφοδιεστέρα.. Τα νουκλεοτίδια περιέχουν δύο τύπους οργανικών βάσεων: (1) πουρίνες, μεγάλα μόρια διπλού δακτυλίου ευρισκόμενα τόσο στο DNA όσο και στο RNA, π.χ., αδενίνη (A) και γουανίνη (G), και (2) πυριμιδίνες μικρότερα μόρια μονού δακτυλίου, π.χ., κυτοσίνη (C, τόσο σε DNA όσο και RNA), θυμίνη (T, μόνο στο DNA), και ουρακίλη (U, μόνο στο RNA) Αδενίνη συστατικό κλειδί της Τριφωσφορικής Αδενοσίνης (Adenosine TriPhosphate), που θεωρείται το «ενεργειακό νόμισμα» του κυττάρου; Επίσης το Δινουκλεοτίδιο του Νικοτιναμιδίου της Αδενίνης [Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD + )] και το Δινουκλεοτίδιο του της Φλαβιν Αδενίνης [Flavin Adenine Dinucleotide (FAD + )], μεταφέρουν ηλεκτρόνια η ενέργεια των οποίων χρησιμοποιείται για να δημιουργηθεί ATP Ο κώδικας του DNA αποτελείται από διαφορετικούς συνδυασμούς των 4 νουκλεοτιδίων, A, C, G, T ΔΧ87

88 4/12/2015 Νουκλεϊκά οξέα Νουκλεοτίδια Αναπαραγόμενη διπλή έλικα DNA (Double-stranded DNA replicating) ΔΧ88

89 4/12/2015ΔΧ Νουκλεϊκά οξέα DNA – δεσοξυριβονουκλεϊκό οξύ· περιέχει σάκχαρο δεσοξυριβόζης στο οποίο το – OH είναι αντικατεστημένο από –H. Αποθηκεύει πληροφορίες κληρονομικότητας ως μία ειδική αλληλουχία των νουκλεοτιδικών βάσεων. Οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται για να συναρμολογηθούν πρωτεΐνες με τον ίδιο τρόπο που τα γράμματα σε μία σελίδα κωδικοποιούν την πληροφορία RNA – ριβονουκλεϊκό οξύ· περιέχει σάκχαρο ριβόζης στο οποίο ο άνθρακας σε θέση 2 συνδέεται με –OH· παρόμοιο σε δομή με το DNA. Είναι κατασκευασμένο ως μεταγραμμένο αντίγραφο μερών του DNA και χρησιμοποιείται από κύτταρα για να διαβάσουν την κωδικοποιημένη από το DNA-πληροφορία και να συνθέσουν απευθείας τις πρωτεΐνες· χρησιμοποιεί την ουρακίλη αντί της θυμίνης του DNA. Η ουρακίλη έχει την ίδια δομή όπως η θυμίνη, εκτός του ότι ένα από τα άτομα C δεν έχει συνδεμένη μία μεθυλομάδα Τα μόρια DNA συναντώνται όχι ως μονές αλυσίδες (εξαίρεση οι ιοί) αλλά ως διπλές αλυσίδες περιστρεφόμενος η μία γύρω από την άλλη όπως οι εξωτερικές και εσωτερικές τροχιές μίας κυκλική σκάλας (διπλή έλικα) Κάθε βήμα της διπλής ελικοειδούς σκάλας του DNA είναι ένα ζευγάρι βάσεων, αποτελούμενο από μία βάση σε μία αλυσίδα προσδεμένη με δεσμό υδρογόνου σε μία βάση απέναντι της στην άλλη αλυσίδα Τα μόρια RNA molecules είναι πάντα μονόκλωνα, δηλ., έχουν μια έλικα (single stranded) 89

90 4/12/2015 Ιδιότητες βιολογικών μορίων (πρωτεΐνες, πεπτίδια, νουκλεϊκά οξέα) Oι συντελεστές διασποράς σωματιδίων που βρίσκονται είτε σε διασπορά είτε σε μορφή διαλύματος, σχήματος κανονικού ή τέτοιου που να προσεγγίζει το κανονικό, και μεγέθους από μοριακό μέγεθος (in Å ) και πάνω, σε ένα υγρό δίνονται από την εξίσωση Stokes-Einstein Όπου D pl είναι ο συντελεστής διασποράς των σωματιδίων σε υγρό, k B είναι η σταθερά Boltzman ίση με1.38x erg molecule -1 o K -1 Στην αραιή περιοχή, όπου το ογκομετρικό κλάσμα των σωματιδίων στο σύστημα σωματιδίων- υγρού είναι μικρό (< 0.10), όπως γίνεται στα περισσότερα βιολογικά συστήματα, η κίνηση των σωματιδίων προκαλείται από την θερμική ενέργεια που μεταφέρεται από τα μόρια του υγρού κατά τις τυχαίες συγκρούσεις ανάμεσα σε αυτά και στα σωματίδια. Αυτή η μεταφορά ενέργειας οδηγεί σε κίνηση ρευστού η οποία επιβραδύνεται από την αντίσταση του υγρού πάνω στα σωματίδια. Για σωματίδια χαρακτηριστικών διαστάσεων περίπου 10 φορές μεγαλύτερα από αυτά των μορίων διαλύτη, η οπισθέλκουσα αυτή δύναμη, μπορεί να προσεγγιστεί με χρήση υδροδυναμικής χαμηλού αριθμού Reynolds, όπως F D = K. v p (2) όπου F D είναι η οπισθέλκουσα δύναμη (vector) δρώσα σε ένα μοναδικό σωματίδιο, K είναι τανυστής μετάφρασης (translation tensor) (συμμετρικός, δηλ., K ij = K ji ), και v p η ταχύτητα του σωματιδίου. Ο συμμετρικός τανυστής K, με την κατάλληλη επιλογή των αξόνων συντεταγμένων, μπορεί να διαμορφωθεί έτσι ώστε, f ij = 0 if i ≠ j και f ij ≠ 0 αν i = j. Τα μη μηδενικά κύρια διαγώνια στοιχεία του K ονομάζονται κύριοι συντελεστές τριβής (principal friction coefficients) και για την περίπτωση, ισοτροπικών σωματιδίων, είναι f 1 = f 2 = f 3 = f ΔΧ90

91 4/12/2015ΔΧ Ιδιότητες βιολογικών μορίων (πρωτεΐνες, πεπτίδια, νουκλεϊκά οξέα) Οι πρωτεΐνες υπό φυσιολογικές συνθήκες προϋποθέτουν την διακριτή τριτοταγή δομή τους, την δραστική (native) διαμόρφωση, της ελάχιστης ελεύθερης ενέργειας, η οποία είναι προαπαιτούμενο για βιολογική λειτουργία. Η βιολογικά ενεργή μορφή ενός μορίου πρωτεΐνης είναι σφαιρική (σε συνθετικά πολυμερή, οι τυχαίες αλυσίδες μπορούν επίσης να δημιουργήσουν σπείρωμα (coiled) προς σφαιρικές δομές που καλούνται σφαιρουλίτες, αλλά τα πρωτεϊνικά μόρια δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν ικανοποιητικά ως σφαίρες. Αυτό γίνεται καθαρό από τις τιμές του λόγου f ̅ / f 0 καθώς και των δομών και διαστάσεων της Κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ. Σε διάλυμα, οι πρωτεΐνες ενυδατώνονται χάρη στις ηλεκτροστατικές και ηλεκτροδυναμικές αλληλεπιδράσεις. Αν η ενυδάτωση ήταν ομοιόμορφη πάνω στο μόριο πρωτεΐνης και λάμβανε χώρα σε διακριτές στρώσεις, η ενυδάτωση αυτή θα οδηγούσε σε μεγαλύτερα μεγέθη μορίων. Ωστόσο, η ενυδάτωση δεν είναι ομοιόμορφη πάνω στο μόριο και είναι μεγαλύτερη πλησίον φορτισμένων περιοχών. Ο μοριακός όγκος της πρωτεΐνης αυξάνεται σύμφωνα με την σχέση όπου v ̅ mp είναι ο μοριακός όγκος σε cm 3 gmol -1, v ̅ sp είναι ο ειδικός όγκος σε cm 3 g -1, M είναι το μοριακό βάρος της πρωτεΐνης, ρ w η πυκνότητα νερού, και δ h ο βαθμός ενυδάτωσης σε g νερού (g πρωτεΐνης) -1 Παρακάτω παρουσιάζονται μετρήσεις κι εκτιμούμενες τιμές συντελεστών διασποράς, για διαφορετικά σχήματα και μεγέθη, για την πρωτεΐνη λυσοζύμη 91

92 4/12/2015ΔΧ Ιδιότητες βιολογικών μορίων (πρωτεΐνες, πεπτίδια, νουκλεϊκά οξέα) Ο προηγούμενος Πίνακας δείχνει ότι όταν ο υπολογισμός για το σχήμα είναι πιο ακριβής, αυτό βελτιώνει την εκτίμηση του συντελεστή διασποράς. Δεδομένα από καταβύθιση σε μία υπερφυγόκεντρο και διασποράς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση του μοριακού βάρους μίας πρωτεΐνης από τις σχέσεις: Για μια σειρά από πρωτεΐνες, οι συντελεστές διασποράς και καταβύθισης στους 20 o C, το μοριακό βάρος, τα δεδομένα από κρυσταλλογραφία ακτίνων X για τα σχήματα, και οι μετρούμενες τιμές για f ̅ /f 0 είναι γνωστές και απαριθμούνται στον Πίνακα που ακολουθεί. Η πιο κοινώς χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την μέτρηση του μοριακού βάρους μία πρωτεΐνης, στις μέρες μας, είναι η διήθηση gel (gel filtration). Η μέθοδος βασίζεται στο πέρασμα του διαλύματος πρωτεΐνης μέσα από στήλη με σταθερή κλίνη πορώδους υλικού (packed porous beads). Μόρια μικρότερα από το μέγεθος πόρων του υλικού της στήλης εισέρχονται μέσα από το υλικό, και προχωρούν μακρύτερα μέσω της στήλης σε σχέση με όσο μπορούν άλλα μόρια. Όσο μικρότερο είναι το μόριο, τόσο περισσότερο χρόνο θα πάρει να διασχύσει τη στήλη. Μετρώντας το χρόνο που απαιτείται για να περάσει μέσα από τη στήλη μία σειρά από πρότυπα γνωστού μοριακού βάρους, και δημιουργώντας μία καμπύλη βαθμονόμησης μοριακού βάρους έναντι χρόνου παραμονής, μπορεί να οριστεί καλύτερα το μοριακό βάρος της πρωτεΐνης. Αυτή η μέθοδος εφαρμόζεται πιο εύκολα σε σχέση με την υπερφυγοκέντριση και δεν απαιτεί υπερκαθαρά δείγματα για την εφαρμογή της. 92

93 4/12/2015ΔΧ Ιδιότητες βιολογικών μορίων (πρωτεΐνες, πεπτίδια, νουκλεϊκά οξέα) 93

94 4/12/2015ΔΧ Ιδιότητες βιολογικών μορίων (πρωτεΐνες, πεπτίδια, νουκλεϊκά οξέα) Από την ανάλυση μίας 3-D random walk, ο συντελεστής διασποράς δίνεται από τη σχέση D ij = δ 2 / 6τ(1) όπου δ είναι η μετατόπιση και τ ο χρόνος μεταξύ συγκρούσεων Η ταχύτητα διασποράς, v d, ορίζεται ως v d = δ /τ(2) Η ταχύτητα διασποράς μπορεί να οριστεί εξισώνοντας την κινητική ενέργεια του σωματιδίου ή μορίου με την θερμική ενέργεια, σύμφωνα με 1/2 m p v d 2 = 3/2 k B T(3) Από εξισώσεις (1) και (2)  δ = 6D ij /v d (4) Eq.(3)  v d = (3k B T/m p ) 1/2 (5) Η εξίσωση Stokes-Einstein είναι D ij = k B T/ f ̅ (6) Αντικαθιστώντας από εξισώσεις (5) και (6) στην εξίσωση (4), δίνει δ = (12 m p k B T) 1/2 / f ̅ = (12Mk B T/N A ) 1/2 / f ̅ (7) 94

95 4/12/2015 Ιδιότητες βιολογικών μορίων (πρωτεΐνες, πεπτίδια, νουκλεϊκά οξέα) Πολυπεπτίδια και πολυνουκλεϊκά οξέα (RNA και DNA) διαφέρουν από σφαιρικές πρωτεΐνες και συχνά αντιμετωπίζονται ως τυχαίες σπείρες. Σε μία τυχαία σπείρα που αποστραγγίζει ελεύθερα (διαλύτης κινείται ελεύθερα σε χώρο που καλύπτεται από τη σπείρα) όπου έχουν ελεύθερα ενωθεί N μέρη (όπου N είναι ο βαθμός πολυμερισμού) μήκους l το καθένα, η μέση ρίζα του τετραγώνου της απόστασης από άκρο σε άκρο, 1/2, είναι 1/2 = N 1/2 l Αν η σπείρα επεκταθεί πλήρως (fully extended), 1/2 = L c = Nl όπου L c είναι το μήκος περιγράμματος (contour length) Αυτό βρίσκει εφαρμογή σε φυσική και συνθετική τυχαία σπείρα μακρομορίων σε διαλύτες με τους οποίους μόρια δεν Αλληλεπιδρούν (theta διαλύτες) Αληθινά μακρομόρια, όπως είναι τα πολυπεπτίδια και τα πολυνουκλεϊκά οξέα διαφέρουν αρκετά σε σχέση με σπείρες ελεύθερης στράγγισης (free-draining random coil). Οι διαφορές αυτές είναι: (α) Η σπείρα έχει ένα πεπερασμένο μέγεθος, καθώς πρέπει να ληφθεί υπόψη η δράση αποκλειόμενου όγκου (excluded-volume effect), (β) Η γωνία του δεσμού, θ, και η γωνία περιστροφής του δεσμού, φ, του μακρομορίου δεν είναι ούτε σταθερή αλλά ούτε κι αλλάζει χωρίς περιορισμούς, και, (γ) Υπάρχει αλληλεπίδραση μορίου διαλύτη 1/2 RnRn R n-1 ΔΧ95

96 4/12/2015ΔΧ Ιδιότητες βιολογικών μορίων (πρωτεΐνες, πεπτίδια, νουκλεϊκά οξέα) Για να δικαιολογηθούν αυτές οι διαφορές για πολυπεπτίδια και πολυνουκλεϊκά οξέα (RNA και DNA), η μέση ρίζα του τετραγώνου της απόστασης από άκρο σε άκρο (root- mean-square end-to-end distance), 1/2, γίνεται 1/2 = (C n N) 1/2 l όπου C n είναι ο χαρακτηριστικός λόγος, ίσος με τον λόγο l K / l, και l K είναι το μήκος Kuhn το οποίο, μαζί με τον αριθμό των μερών Kuhn, N K < N, είναι η παράμετρος που χαρακτηρίζει τη δυσκαμψία της σπείρας 1/2 = N K 1/2 l K L c = N K l K Όταν N  ∞, C n  C ∞ (πεπερασμένο). Πολυπεπτίδια χωρίς τα αμινοξέα γλυκίνη ή προλίνη έχουν C ∞ = 130 και η μέση ρίζα του τετραγώνου της απόστασης από άκρο σε άκρο είναι σε nm. Η μεγάλη τιμή του C ∞ δείχνει σημαντική αλληλεπίδραση των πλευρικών αλυσίδων με νερό και ακαμψία των μερών. Για το DNA, l K είναι ίσο με 150 nm και l με 0.34 nm, που δείχνει ότι το DNA είναι μία δύσκαμπτη αλυσίδα. Για βακτηριακό DNA με 1.5x10 6 ζευγάρια βάσεων (base pairs), η μέση ρίζα του τετραγώνου της απόστασης από άκρο σε άκρο είναι 8.75 μm, πολύ μεγαλύτερο από το μέγεθος του βακτηρίου. Για τα πολυάμινο οξέα (πολυπεπτίδια και πρωτεΐνες) και πολυνουκλεοτίδια (RNA και DNA), ο συντελεστής τριβής μπορεί να εκτιμηθεί με την υπόθεση ότι η τυχαία σπείρα συμπεριφέρεται ως σφαίρα με ακτίνα ίση με την γωνιδιακή ακτίνα, R g 96

97 4/12/2015ΔΧ Ιδιότητες βιολογικών μορίων (πρωτεΐνες, πεπτίδια, νουκλεϊκά οξέα) Η ακτίνα της περιστροφής (radius of gyration), R g, ορίζεται με δύο τρόπους, οι οποίοι μπορεί να αποδειχθεί ότι είναι ισοδύναμοι και όπου r k = R k – R k-1 και R k είναι το διάνυσμα από την αρχή του συστήματος αναφοράς origin στον k-στο σύνδεσμο της αλυσίδας Για ένα ελεύθερης αποστράγγισης (free-draining), ανοιχτής κατάληξης (open-ended), τυχαία σπείρα Για μία κυκλική τυχαία σπείρα, η οποία μπορεί να προσομοιάσει ικανοποιητικά τη διάταξη ενός πλασμιδίου DNA που βρίσκεται σε βακτήρια 97

98 4/12/2015ΔΧ Ροή πληροφορίας κι έλεγχος Ένα κύτταρο είναι κάτι περισσότερο από ένα σακί γεμάτο με νερό, λιπίδια, αμινοξέα, σάκχαρα, ένζυμα, και νουκλεϊκά οξέα. Πρέπει να ελέγξει πως έχουν δημιουργηθεί αυτά τα συστατικά και πως αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Για να γίνει αυτό το κύτταρο κατέχει την ικανότητα μεταβολικής ρύθμισης, δηλ. την ικανότητα να συντονίζει ένα μεγάλο εύρος χημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα εντός του. Το κλειδί για την μεταβολική ρύθμιση είναι η ροή και ο έλεγχος της πληροφορίας. Όλα τα ζώντα συστήματα υπακούν στο ίδιο Κεντρικό Δόγμα της Βιολογίας, όταν πρόκειται για αποθήκευση, έκφραση και χρήση της πληροφορίας. Η πληροφορία αποθηκεύεται στο μόριο DNA. Αυτή η πληροφορία μπορεί να αναπαραχθεί (replicated) απευθείας για να δημιουργήσει ένα δεύτερο πανομοιότυπο μόριο. Περαιτέρω μέρη της πληροφορίας μπορεί να Further segments of the information can be αντιγραφεί για να δημιουργήσει μόρια RNA. Με την χρήση ενός εύρους από RNA, η πληροφορία μεταφράζεται σε πρωτεΐνες, οι οποίες τελούν ένα δομικό ή ενζυμικό ρόλο στη μεσολάβηση όλων των μεταβολικών λειτουργιών στο κύτταρο. Το περιεχόμενο της πληροφορίας του μορίου DNA είναι στατικό, αλλαγές συμβαίνουν αργά μέσω μη συχνών μεταλλάξεων ή αναδιατάξεων. Ο τύπος και η ποσότητα των ειδών RNA που είναι παρόντα ποικίλει με τον χρόνο και τις συνθήκες καλλιέργειας. Παρομοίως, οι πρωτεΐνες που είναι παρούσες αλλάζουν με τον χρόνο σε μια κλίμακα διαφορετική από την κλίμακα χρόνου της αλλαγής του RNA. Ορισμένες από τις πρωτεΐνες προσδένονται στο DNA για να ρυθμίσουν τη διεργασία αντιγραφής για την δόμηση του RNA 98

99 Ροή πληροφορίας κι έλεγχος Μία σημαντική, μολονότι σχετικά ελάσσονος σημασίας, απόκλιση από το Κεντρικό Δόγμα, είναι η ύπαρξη ρετροϊών (retroviruses) RNA που περιέχουν ένα ένζυμο που ονομάζεται αντίστροφη τρανσκριπτάση (reverse transcriptase) που καθιστά εφικτή την αντίστροφη αντιγραφή (reverse transcription) από RNA σε DNA (π.χ.: ο Ιός της ανοσολογικής ανεπάρκειας του ανθρώπου -Human Immunodeficiency Virus- που προκαλεί το σύνδρομο επίκτητης ανοσολογικής ανεπάρκειας -Acquired ImmunoDeficiency Syndrome-, ένας τρόπος αντιμετώπισης είναι η παρεμπόδιση αντίστροφης τρανσκριπτάσης) Για να συμβεί αποθήκευση κι ανταλλαγή πληροφοριών, πρέπει να υπάρχει μία γλώσσα.Κάθε μορφή ζωής χρησιμοποιεί μία αλφάβητο 4 γραμμάτων, φτιαγμένη από νουκλεοτίδια A, T, C, και G στο DNA. Σε αυτή τη γλώσσα, όλες οι λέξεις, που καλούνται κωδόνια (codons), έχουν μήκος 3-γραμμάτων. Με 4 γράμματα και μόνο λέξεις 3-γραμμάτων, μία γλώσσα μπορεί να έχει το πολύ 64 λέξειςs. Όταν αυτές οι λέξεις τοποθετηθούν σε μία αλληλουχία, μπορεί να δημιουργηθεί μία πρόταση, που ονομάζεται γονίδιο, το οποίο, όταν καταλλήλως μεταγράφεται και μεταφράζεται, γίνεται μία πρωτεΐνη. Κάθε βήμα στην αποθήκευση και μεταφορά της πληροφορίας απαιτεί ένα μακρομοριακό πρότυπο. Η επιτυχία ή αποτυχία των διεργασιών γενετικώς κατασκευασμένων θεραπευτικών πρωτεϊνών εξαρτάται από την επιλογή του οργανισμού δέκτη και του συστήματος έκφρασης. Η πιο σημαντική επιφύλαξη πρέπει να είναι αν οι τροποποιήσεις μετά από την μετάφραση, π.χ. η γλυκοζίωση, δηλ. η προσθήκη σακχάρων, ή η φωσφορυλίωση, του προϊόντος είναι απαραίτητη. 4/12/2015ΔΧ99

100 4/12/2015 Σταθερότητα Πρωτεΐνης Οι πρωτεΐνες υπό φυσιολογικές συνθήκες προϋποθέτουν την διακριτή τριτοταγή δομή τους, την έμφυτη διαμόρφωση, της ελάχιστης ελεύθερης ενέργειας, η οποία είναι προαπαιτούμενο για βιολογική λειτουργία. Η έμφυτη βιολογικώς ενεργή μορφή του μορίου πρωτεΐνης κρατά τη συνοχή του μέσω μίας λεπτής ισορροπίας μη ομοιοπολικών δυνάμεων, υδρόφοβων, van der Waals, και δεσμών υδρογόνου. Σε πρωτεΐνες που περιέχουν δυο ή περισσότερα υπολείμματα κυστίνης (cystine residues), δισουλφιδικούς δεσμούς (disulfide bonds), που είναι ομοιοπολικοί, αυτοί συνεισφέρουν σημαντικά στη διατήρηση της δομής της πρωτεΐνης. Με χρήση ανάλυσης δομής ακτίνων Χ, έχει επιβεβαιωθεί ότι οι περισσότερες υδατοδιαλυτές πρωτεΐνες, μπορούν χονδρικά να περιγραφούν ως ένας υδρόφοβος πυρήνας, μη πολικών αμινοξέων, περιτριγυρισμένων από ένα υδρόφιλο περίβλημα διαλυτοποιημένων πολικών (solvated polar) αμινοξέων. Με την έκθεση σε συγκεκριμένους μετουσιωτές (denaturants) και ποικίλες περιβαλλοντικές συνθήκες, οι μη ομοιοπολικές δυνάμεις ασθενούν και διασπώνται, οδηγώντας στο ξεδίπλωμα (οι συνοδοί πρωτεΐνες -chaperone proteins- είναι σημαντικές πρωτεΐνες, που βοηθούν για την σωστή αναδίπλωση πολυπεπτιδικών αλυσίδων) και την συνακόλουθη απενεργοποίηση της πρωτεΐνης. Τυπικά, η έμφυτη (native) δομή εμφανίζει μόνο οριακή σταθερότητα που διαταράσσεται εύκολα ακόμη κι από ασήμαντες περιβαλλοντικές αλλαγές στην πίεση, θερμοκρασία, pH, ιονική ιχύ, η έναν συνδυασμό των παραπάνω. Η ελεύθερη ενέργεια μετουσίωσης των σφαρικών πρωτεΐνών απανίως ξεπερνά τα 15 kcal/mol. Το ολικό ή μερικό ξεδίπλωμα της πρωτεΐνης συνήθως είναι πλήρως αντιστρέψιμο, μετά από την απομάκρυνση από το ανταγωνιστικό μέσο. Αυτό το αναστρέψιμο ξεδίπλωμα είναι ωστόσο, ο προάγγελος της μη αναστρέψιμης αναδόμησης της πρωτεΐνης με ομοιοπολικές και μη ομοιοπολικές αντιδράσεις. ΔΧ 100

101 4/12/2015ΔΧ Σταθερότητα Πρωτεΐνης Ομοιοπολική αποσταθεροποίηση Όπως με τα μικρά οργανικά μόρια των συμβατικών φαρμάκων, οι χημικές αντιδράσεις που συμμετέχουν στην αποσταθεροποίηση των πρωτεϊνών ομαδοποιούνται σε αυτές που περιλαμβάνουν: (1)την υδρόλυση, (2) την οξείδωση, (3) την (2)ρακεμοποίηση. Η διάσπαση του δισουλφιδικού δεσμού και η ανταλλαγή είναι επίσης αντιδράσεις που επηρεάζουν τη σταθερότητα της πρωτεΐνης. Ένα εντυπωσιακό χαρακτηριστικό της πρωτεϊνικής αποσταθεροποίησης είναι ότι πολλαπλοί διαφορετικοί μηχανισμοί αντιδράσεων μπορούν να επιδρούν ταυτόχρονα. Εξαιτίας πολλαπλών διαδρομών αποδόμησης που μπορούν να λάβουν μέρος σε υψηλές θερμοκρασίες, τα δεδομένα παρακολούθησης της σταθερότητας των πρωτεϊνών μπορεί να μην συμμορφώνονται με τη σχέση Arrhenius. Οι μηχανισμοί χημικών αντιδράσεων που εμπλέκονται στην αποδόμησης πρωτεϊνών εξαρτάται από (1) τη φύση των πρωτεϊνών, (2) τη θερμοκρασία, (3) το pH, (4) την ιονική ισχύ, (5) την τάση ατμών του οξυγόνου, και (6) τον τύπο και τη συγκέντρωση των διαλυτών σωμάτων 101

102 4/12/2015ΔΧ Σταθερότητα Πρωτεΐνης Ομοιοπολική αποσταθεροποίηση - Υδρόλυση Η πρωτεύουσα υδρολυτική αντίδραση στην αποδόμηση των πρωτεϊνών είναι η υδρόλυση του πεπτιδικού δεσμού και η απαμίνωση. Η υδρόλυση πεπτιδικού δεσμού συμβαίνει αμέσως σε ισχυρά όξινες συνθήκες ή με συνδυασμό ηπιότερου pH και υψηλής θερμοκρασίας. Η πλήρης όξινη υδρόλυση πρωτεΐνης προς τα αμινοξέα της λαμβάνει χώρα υπό ακραίες συνθήκες, 6M HCl, 24 h, 110 o C. Πιο σύντομη έκθεση σε λιγότερο όξινες συνθήκες, εμφανίζουν προτίμηση σε πεπτιδική υδρόλυση προς υπολείμματα ασπαρτικού οξέος. Σύνδεσμοι ασπαρτυλ-προπυλ είναι ιδιαίτερα ευάλωτοι. Η απώλεια των ολιγοσακχαρικών μισών μέσω της υδρόλυσης των γλυκοζιτικών δεσμών μπορεί επίσης να επηρεάσει τη σταθερότητα της πρωτεΐνης Η απαμίνωση (Deamidation) είναι η υδρόλυση της πλευρικής αμιδικής αλυσίδας σε γλουταμίνικά και ασπαραγινικά υπολείμματα (τα δεύτερα είναι πιο επιρρεπή σε απαμίνωση από ότι τα πρώτα). Η απαμίνωση υπό φυσιολογικές συνθήκες προχωρά βασικά μέσω ενός ιμιδικού ενδιαμέσου (imide intermediate). Το κυκλικό ιμίδιο (succinimide) ταχέως υδρολύεται με το νερό προς ένα μίγμα ασπαρτικού και ισοασπαρτικού οξέος, έχοντας ως αποτέλεσμα την εισαγωγή νέου αρνητικού φορτίου στην πρωτεΐνη. Η ταχύτητα της απαμίνωσης επηρεάζεται από την φύση του υπολείμματος αμινοξέος που βρίσκεται παρακείμενο στην ασπαραγίνη. Το πιο ασταθές υπόλειμμα ασπαραγίνης σε μικρότερα πεπτίδια ακολουθείται από υπόλειμμα γλυκίνης. Η διαδοχή ασπαραγίνης-σερίνης είναι η αμέσως επόμενη σε αστάθεια περιοχή απαμίνωσης. Σε σφαιρικές πρωτεΐνες, η περιοχή του ευάλωτου υπολείμματος στην αναδιπλωμένη διάταξη μπορεί να είναι σημαντικότερη στον έλεγχο της ταχύτητας απαμίνωσης. 102

103 4/12/2015 Σταθερότητα Πρωτεΐνης Ομοιοπολική αποσταθεροποίηση - Οξείδωση Μπορεί να συμβεί με ένα πλήθος οξειδωτικών για αμινοξέα με αρωματικές πλευρικές αλυσίδες, καθώς και με υπολείμματα μεθιονίνης, κυστεΐνης και κυστίνης. Μοριακό οξυγόνο, υπεροξείδιο του υδρογόνου, καθώς και ρίζες οξυγόνου, είναι γνωστά οξειδωτικά πρωτεϊνών. Η οξείδωση του υπολείμματος μεθειονίνης στα αντίστοιχα σουλφοξείδια συσχετίζεται με την απώλεια της βιιολογικής δραστικότητας για πολλές πεπτιδικές ορμόνες και πρωτεΐνες. Η ομάδα θειόλης της κυστεΐνης μπορεί να οξειδωθεί σταδιακά, σύμφωνα με τα ακόλουθα διαδοχικά βήματα σε ένα θειενικό οξύ (sulfenic acid), RSOH, σε ένα δισουλφίδιο, RSSH, σε ένα σουλφινικό οξύ, RSO 2 H, και τελικά σε ένα σουλφονικό οξύ, RSO 3 H, ανάλογα με τις συνθήκες αντίδρασης. Η οξείδωση των θειολών λαμβάνει χώρα σε βασικό pH με παρουσία ιόντων μετάλλων μετάπτωσης όπως το Cu 2+. Όταν οξειδωμένες θειολικές ομάδες εκτίθενται σε πρωτεϊνική επιφάνεια, εξαιτίας στερικής δράσης (steric effects), μπορεί να δημιουργηθούν διαμοριακοί δισουλφιδικοί δεσμοί, οδηγώντας σε συσσωμάτωση πρωτεΐνης. Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα οξείδωσης περιλαμβάνουν την θερμοκρασία, pH, Ρυθμιστικό μέσο (buffer medium), τύπο καταλύτη, και την τάση ατμών του οξυγόνου. ΔΧ103

104 4/12/2015ΔΧ Σταθερότητα Πρωτεΐνης Ομοιοπολική αποσταθεροποίηση – Ρακεμοποίηση Η ρακεμοποίηση του δραστικού (native) L- αμινοξέος στο D-εναντιομερές γενικά προκύπτει από την απομάκρυνση του α-πρωτονίου που καταλύεται από βάση, για να παραχθεί ένα αρνητικά φορτισμένο επίπεδο καρβανιόν (carbanion). Η επιστροφή του πρωτονίου στο ενδιάμεσο καρβανιόν μέσω αντίδρασης με νερό παράγει ένα μίγμα εναντιομερών. Η ταχύτητα ρακεμοποίησης εξαρτάται από το συγκεκριμένο αμινοξύ και επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, το pH,την ιονική ισχύ, και την χηλοποίηση μεταλλικού ιόντος (metal ion chelation). Το ασπαρτικό οξύ και τα υπολείμματα σερίνης είναι τα πιο δεκτικά σε ρακεμοποίηση. Μία ομάδα απόσυρσης ηλεκτρονίου (electron-withdrawing group) στην πλευρά του αμινοξέος, όπως στη σερίνη, σταθεροποιεί το ενδιάμεσο καρβανιόν, το οποίο με τη σειρά του επιταχύνει την ταχύτητα ρακεμοποίησης. Η διαμόρφωση του ενδιάμεσου ηλεκτριμίδιου (succinimide) παίζει κρίσιμο ρόλο στην ρακεμοποίηση των υπολειμμάτων ασπαρτυλ και ασπαργινυλ. Η ρακεμοποίηση αμινοξέων σε πρωτεΐνες μπορεί να δημιουργήσει μη μεταβολίσιμες μορφές αμινοξέων (D-εναντιομερή) ή να δημιουργήσουν πεπτιδικούς δεσμούς απρόσιτους σε πρωτεολυτικά ένζυμα. 104

105 4/12/2015 Σταθερότητα Πρωτεΐνης Ομοιοπολική αποσταθεροποίηση – Ανταλλαγή δισουλφιδίων Οι δισουλφιδικοί δεσμοί παρέχουν ομοιοπολική δομική σταθερότητα στης πρωτεΐνες. Η διάσπαση και η επακόλουθη αναδιάταξη αυτών των δεσμών μπορεί να μεταβάλλει την τριτοταγή δομή, επηρεάζοντας, κατ’αυτόν τον τρόπο, τη βιολογική δραστικότητα. Η ανταλλαγή δισουλφιδίων καταλύεται από θειόλες, οι οποίες μπορούν να προκύψουν από την αρχική υδρολυτική διάσπαση των δισουλφιδίων, ή από β- εξάλειψη (  -elimination) σε ουδέτερο ή αλκαλικό μέσο. Σε pH 6 και 8, θερμική απενεργοποίηση της ριβονουκλεάσης στους 90 o C προκαλείται καταρχήν από ανταλλαγή δισουλφιδίων. Η διεργασία αυτή παρεμποδίζεται από thiol scavengers, όπως N-ethylmaleimide, p-(chloromercuri) benzoate, και ιόντα χαλκού, και ενισύχεται παρουσία θειολών, όπως και με την προσθήκη κυστεΐνης. Οι ταχύτητες γενικά αυξάνουν υπό αλκαλικές συνθήκες. Έχει καταγραφεί ευρεία δημιουργία ομοιοπολικών διμερών ινσουλίνης [Covalent Insulin Dimers (CIDs)] κατά την παραγωγή ινσουλίνης, ως αποτέλεσμα της ανταλλαγής δισουλφιδίου. ΔΧ105

106 4/12/2015 Σταθερότητα Πρωτεΐνης Μη ομοιοπολική αποσταθεροποίηση Τρεις κύριες κατηγορίες αναντίστρεπτης πρωτεϊνικής αδρανοποίησης λαμβάνουν χώρα ως αποτέλεσμα διατάραξης των μη ομοιοπολικών δυνάμεων που διατηρούν την τριδιάστατη δραστική κατάσταση των πρωτεϊνών (1) συσσωμάτωση, (2) μακροσκοπική καταβύθιση, και (3) επιφανειακή προσρόφηση Μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις, ηλεκτροστατικές, δεσμού υδρογόνου, υδροφοβικότητα, και η ενυδάτωση πρωτεϊνών, μπορούν να μεταβληθούν ως αποτέλεσμα τόσο θερμικών δράσεων όσο και δράσεων pH. Η αναντίστρεπτη αδρανοποίηση ακολουθεί το αρχικό αντιστρεπτό ξεδίπλωμα της δραστικής κατάστασης. Με μια αύξηση της θερμοκασίας το πρωτεϊνικό μόριο σε διάλυμα θα υποστεί χαρακτηριστική μετάβαση από την αρχική δραστική του μορφή στην ξεδιπλωμένη στην θερμοκρασία τήξης, T m, που ορίζεται ως η θερμοκρασία που το 50% των μορίων έχουν ξεδιπλωθεί. To pH του διαλύματος επηρεάζει το καθαρό φορτίο της πρωτεϊνης, σε συνάρτηση με το pI του. Το pH μπορεί να επιδράσει στην ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση, επίσης αναφέρεται και ως γέφυρα άλατος. Σε ακραίες τιμές pH, το καθαρό φορτίο της πρωτεΐνης αυξάνεται με μεγαλύτερη απώθηση φορτίου (charge repulsion), οδηγώντας σε ξεδίπλωμα πρωτεΐνης. Η διαμόρφωση πρωτεΐνης επηρεάζεται σημαντικά από τον τύπο και τη συγκέντρωση των ιοντικών ειδών που είναι παρόντα στο διάλυμα. Η επίδραση των επιμέρους αλάτων μπορεί να είναι είτε σταθεροποιητική είτε αποδομητική. Αυτές οι δράσεις ακολουθούν τη λυοτροπική σειρά Hofmeister (lyotropic series): SO 4 - > HPO 4 2- > Oac - > F - > citrate > Cl - > NO 3 - > I - > CNS -, ClO 4 - (CH 3 ) 4 N + > NH 4 + > K +, Na + > Mg 2+ > Ca 2+ > Ba 2+ ΔΧ106

107 4/12/2015ΔΧ Σταθερότητα Πρωτεΐνης Μη ομοιοπολική αποσταθεροποίηση Ανιόντα και κατιόντα στα αριστερά της σειράς είναι τα πιο σταθεροποιητικά και μειώνουν τη διαλυτότητα των υδρόφοβων ομάδων, καταβυθίζοντας με αντιδιαλύτη (salting out) το μόριο πρωτεΐνης, με αύξηση της ιονικής ισχύος του διαλύματος. Ανιόντα και κατιόντα στα δεξιά της σειράς είναι αποσταθεροποιητικά και είναι γνωστά για την αποδόμηση πρωτεϊνών, προκαλώντας μία αύξηση στη διαλυτότητα (salting in). Mηχανικές δυνάμεις, όπως διάτμηση, ανακίνηση, και πίεση, μπορούν επίσης να αποδομήσουν τις πρωτεΐνες. Η ανακίνηση μπορεί να οδηγήσει σε αδρανοποίηση εξαιτίας της αύξησης της διεπιφάνειας αερίου/υγρού. Επιφανειακή αποδόμηση μπορεί να συμβεί κατόπιν προσρόφησης των πρωτεϊνών στα τοιχώματα του περιέκτη και στα υλικά φίλτρου. Μη ομοιοπολική αποσταθεροποίηση- Συσσωμάτωση και Καταβύθιση Η Συσσωμάτωση είναι μία μικροσκοπική διεργασία σύνδεσης πρωτεϊνικών μορίων. Τα συσσωματώματα μπορεί να είναι διμερή ή μεγαλύτερα ολιγομερή, που παραμένουν στο διάλυμα και μπορούν να επιδράσουν στη βιολογική δραστικότητα. Αναντίστρεπτη συσσωμάτωση μπορεί να ακολουθήσει το ξεδίπλωμα της πρωτεΐνης ως αποτέλεσμα εσφαλμένης επαναδίπλωσης της (incorrect refolding). Το ξεδίπλωμα της πρωτεΐνης εκθέτει το υδρόφοβο της εσωτερικό σε διαλύτη, συνήθως νερό. Αλληλεπιδράσεις μεταξύ εκτεθειμένων υδρόφοβων περιοχών του εσωτερικού της πρωτεΐνης οδηγούν στην συσσωμάτωση. Μολονότι ένα πρότυπο (μοντέλο) ισορροπίας δύο καταστάσεων περιγράφει, κατά κανόνα, το ξεδίπλωμα των πρωτεϊνών, πολλαπλά παραδείγματα ενδιάμεσων διαμορφωτικών καταστάσεων (intermediate conformational States) έχουν αποκαλυφθεί και μπορούν να παίξουν ένα ρόλο στη δημιουργία συσσωματωμάτων και την επακόλουθη καταβύθιση. 107

108 4/12/2015ΔΧ Σταθερότητα Πρωτεΐνης Μη ομοιοπολική αποσταθεροποίηση – Συσσωμάτωση και καταβύθιση Τα διαμορφωτικά ενδιάμεσα έχουν αξιοσημείωτη δευτεροταγή δομή αλλά λείπουν οι τριτοταγείς δομικές αλληλεπιδράσεις. Η συσσωμάτωση προκύπτει από τη σύνδεση των εκτεθειμένων υδρόφοβων περιοχών σε μονομερή ενδιάμεσα. Η συγκέντρωση της πρωτεΐνης μπορεί να επιδράσει στην ταχύτητα δημιουργίας των ενδιαμέσων. Η συσσωμάτωση εξαρτάται τόσο από το θερμικό ξεδίπλωμα όσο και το pH. Η καταβύθιση αναφέρεται στη δημιουργία ορατών σωματιδίων τα οποία, επιπλέον της μεταβολής της εμφάνισης ενός σκευάσματος, μειώνει την δραστικότητα και την επίδοση σε διατάξεις έγχυσης (infusion devices) H ανακίνηση ενός διαλύματος πρωτεϊνης μπορεί να οδηγήσει σε συσσωμάτωση και καταβύθιση, ως αποτέλεσμα πολλαπλών μηχανισμών, όπως είναι η οξείδωση στον αέρα, επιφανειακή αποδόμηση, εκρόφηση στα τοιχώματα του περιέκτη, ή την μηχανική τάση. Ο προτεινόμενος μηχανισμός αδρανοποίησης από μηχανική τάση, είναι μέσω του εντοπισμού των ασυμμετρικών πρωτεϊνών στην περιοχή διατμητικής ροής (shear flow field), η οποία προωθεί τη σύνδεση ευθυγραμμισμένων μορίων. Η συσσωμάτωση και καταβύθιση έχουν παρατηρηθεί για την ανθρώπινη ιντερφερόνη-γ και για την ανθρώπινη ιντερφερόνη ινοβλαστών. Η συσσωμάτωση και καταβύθιση της ινσουλίνης ήταν ένα εμπόδιο στην εξέλιξη των εμφυτεύσιμων διατάξεων για την παροχή της ινσουλίνης. Πιθανά αίτια για την συσσωμάτωση και καταβύθιση της ινσουλίνης είναι τα θερμικά αίτια, μηχανική τάση, η φύση των υλικών που βρίσκονται σε επαφή με την ινσουλίνη, και η καθαρότητα του σκευάσματος ινσουλίνης. 108

109 4/12/2015 Σταθερότητα πρωτεΐνης Μη ομοιοπολική αποσταθεροποίηση– Surface Adsorption Η προσρόφηση της πρωτεΐνης στην επιφάνεια των τοιχομάτων του περιέκτη, του φίλτρου, των υλικών συστημάτων έγχυσης κλπ. μπορεί να είναι κρίσιμα όταν η συγκέντρωση της αρχικής πρωτεΐνης στο διάλυμα είναι χαμηλή. Η επιφανειακή προσρόφηση προκύπτει από υδρόφοβες και ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις, κι εξαρτάται από συνδιαμορφωτική κατάσταση (conformational state) της πρωτεΐνης, του pH, της ιοντικής ισχύος του διαλύματος, καθώς και της φύσης της επιφάνειας. Η αλληλεπίδραση του πρωτεϊνικού μορίου με την επιφάνεια αυξάνεται με αυξάνουσα την υδροφοβικότητα και των δυο, της επιφάνειας και του μορίου πρωτεϊνης. Η τάση της πρωτεΐνης να υποβληθεί σε συνδιαμορφωτική αλλαγή είναι σε εξάρτηση από τον χρόνο, αλλά και συγκεκριμένη ως προς την πρωτεΐνη και την επιφάνεια. Η διήθηση μεμβράνης (Membrane filtration) είναι ο μόνος προς το παρόν αποδεκτός τρόπος αποστείρωσης πρωτεϊνικών φαρμακευτικών και η προσρόφηση της πρωτεΐνης στη μεμβράνη είναι ιδιαίτερου ενδιαφέροντος. Μεμβράνες νιτροκυτταρίνης και nylon έχουν εξαιρετική προσροφητικότητα πρωτεΐνης, ακολουθούμενες από μεμβράνες πολυσουλφόνης, διοξικής κυτταρίνης, και υδρόφιλης μεμβράνης polyvinylidene fluoride. ΔΧ109


Κατέβασμα ppt "Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google