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
© Copyright 2024