Kristaller, men flytande!
Riktiga och datorexperiment
Arnold Maliniak
Fysikalisk kemi
Arrheniuslaboratoriet
22 november 2014
Flytande kristaller
Biomembraner
Nobelpriset i kemi år 2003 Peter Agre och
Roderick MacKinnon:
för upptäckter rörande kanaler i cellmembran
Tekniska tillämpningar
Vätskekristaller
direktor
flytande kristaller
partiell ordning
kristaller
perfekt ordning
Termotropa (värme)
Stavar
2014-11-22
Diskar
/SU november 2014
vätskor
ingen ordning
Lyotropa (sammansättning)
Lamellär
Hexagonal
Hydrofob effekt
Amfifila molekyler
luft
monoskikt
monomer
hydrofob hydrofil
vatten
tensid
aggregat
fosfolipid
miceller
hexagonala
flytande kristaller
kubiska faser
koncentration av amfifiler
lamellära
flytande kristaller
omvända miceller Flytande kristaller
Pierre-Gilles de Gennes (1932-2007)
Collège de France Paris, Frankrike
Interdisciplinärt område:
• Medicin
• Biologi
• Kemi
• Fysik
• Materialvetenskap
• Teknik
”the Isaac Newton of our time”
Nobelpriset i fysik 1991
”för upptäckten att metoder, som utvecklats för att beskriva
ordning i enkla system, kan generaliseras till att gälla mer
komplicerade former av materia, särskilt flytande kristaller
och polymerer"
2014-11-22
/SU november 2014
Polarisationsmikroskopi
Experimentella metoder
• Spektroskopi
• Mikroskopi
• Datormodellering
NMR
ordning
molekylstruktur
dynamik
Modellering: tids- och längdskalor
s
”för utvecklandet av flerskalemodeller för komplexa kemiska system”
Makroskala
Tidsskala
ms
Mesoskala
Kvantkemi
fs
ps
ns
μs
Atomistisk
pm
2014-11-22
/SU november 2014
nm
μm
Längdskala
mm
m
Datorexperiment: Modellmembraner
Biomembran
MODELL
Molekylära växelverkningarna: energi
l

θ
kovalenta
Bindningssträckning
icke bundna
Vinkelböjning
Torsionspotential
repulsion
Elektrostatik
r
＋
attraktion
r
ー
Molekylmodellering
Simuleringsmetoder:
• Molekylmekanik
• Monte Carlo
• Molekyldynamik
Simuleringsdata:
•
Antalet partiklar: 100000
• Tidssteg:
1 fs
(10-15 s)
• Simulering: 500 ns (10-9 s)
Newtons mekanik:
Energi
2014-11-22
Kraft
/SU november 2014
Förflyttning
Datorsimulering av lidokain
i DMPC lipidmembran
lokalanestetikum
+
Termodynamik
laddad
lidokain
Elastiska egenskaper
Information om
Dynamik
Struktur
Ordning
neutral
lidokain
2014-11-22
Membran-kolhydrat växelverkan
Molekylär mekanism:
Trehalos:
• skyddar mot torka
• undanträngande av vatten
• termisk stabilisering • infångning av vatten
• mekaniskt skydd
• ”karamelisering” av ytan
Adsorption på ytan
Problem:
• för kort simuleringstid
• för litet system
antalet trehalosmolekyler
Stelhet
Diffusion av lipider
molfraktion av trehalos
Modellering: tids- och längdskalor
s
”för utvecklandet av flerskalemodeller för komplexa kemiska system”
Tidsskala
ms
Mesoskala
fs
ps
ns
μs
Atomistisk
pm
2014-11-22
/SU november 2014
nm
μm
Längdskala
mm
m
Offra molekylära detaljer: använd grovkorniga modeller
118 atomer i DMPC-lipid reduceras till 10
Simulera:
• större system
• långsamma processer
Bicellbildning: 2 mikrosekunder
/SU november 2014
Lipidvesiklar
Vesikel
Bicell
Nobelpriset i fysiologi eller medicin år 2013
James E. Rothman, Randy W. Schekman och Thomas C. Südhof
för deras upptäckter rörande maskineriet som reglerar vesikeltrafik, ett viktigt transportsystem i våra celler
Molekylmodellering:
• Utveckling av datorkraft öppnar för studier av komplexa kemiska system
• Molekylmodellering är ett kraftfullt komplement till experiment
• Framtidens utveckling ligger i ”prediktiva” möjligheter
Tack till:
Jon Kapla
Baltzar Stevensson
Alexander Lyubartsev
Göran Widmalm
Alexander Mirzoev för filmer/bilder
2014-11-22
/SU november 2014
Molekylmodellering av Cardiolipin
• mitokondriellamembraner
• negativt laddad lipid
• polymorfism:
• pH
• saltkoncentration/valens
• molekylstruktur
2014-11-22
/SU november 2014