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Motores moleculares: nanotecnologia e termodinâmica

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O documento discute motores moleculares, descrevendo brevemente: 1) A história do desenvolvimento da ideia de átomos desde a Grécia Antiga até o século 20; 2) Os princípios básicos da termodinâmica e como eles se aplicam à escala molecular; 3) Técnicas experimentais como microscopia de força atômica que permitem observar e medir moléculas individuais.

Tecnologia
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Motores Moleculares Ney Lemke Departamento de F´sica e Biof´sica ı ı 2008
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Outline 1 ¸˜ Introducao 2 ´ ´ Uma breve historia dos atomos 3 ˆ Termodinamica 4 Acessando o sut´l ı
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Nascimento da Nanotecnologia 29/12/1959 Feynman proferiu a ¸ ´ palestra “Existe muito espaco la em baixo” no MIT. ´ ˆ Enciclopedia Britanica em um alfinete, escrevendo em um plano ´ Usando atomos podemos escrever todo o conhecimento humano em ˜ um grao de poeira. ´ Melhores Microscopios. http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Escala Nanometro equivale 10−9 m. ˆ ˆ Em um cubo de um nanometro podemos abrigar em torno ´ de mil atomos. ´ ´ Escala das moleculas de interesse biologico. ¸˜ Excecao: DNA de seres humanos pode medir 1 m!
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Motores Moleculares ˜ Os motores moleculares sao objetos que vivem nesta escala e ˜ que sao capazes de operar como motores, ou seja sao ˜ capazes de realizar trabalho utilizando energia qu´mica ou ı ´ eletrica.
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Perguntas ´ Como podem operar estas diminutas maquinas em ˜ ambientes tao adversos? ˆ Como devemos descreve-las? Em que processos ´ biologicos atuam? ´ Como podemos planejar maquinas para atuar no mundo da nanotecnologia?
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Outline 1 ¸˜ Introducao 2 ´ ´ Uma breve historia dos atomos 3 ˆ Termodinamica 4 Acessando o sut´l ı
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Gregos ´ ´ Tales: “Tudo e agua” ı ı ´ Princ´pio atom´stico de Leucipo e Democrito: Atribui o ` comportamento de todas as coisas a part´culas indivis´veis ı ı ´ chamadas de atomos. ´ ”Tudo que existe no universo e fruto do acaso e da necessidade.”
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Atom´stas e “Continu´stas” ı ı Atom´stas ı “Continu´stas” ı Newton Filosofia que advoga Leibnitz ´ ˜ que os atomos sao Boltzmann ´ inobservaveis. Planck Ernst Mach
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Boltzmann ´ Base microscopica da Segunda Lei S = kB ln Ω ´ Cinetica dos Gases Probabilidades na ˆ mecanica.
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Outline 1 ¸˜ Introducao 2 ´ ´ Uma breve historia dos atomos 3 ˆ Termodinamica 4 Acessando o sut´l ı
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ˆ Termodinamica Sistemas em equil´brio ı Sem correntes ˆ Homogeneos ¸˜ Sem evolucao Temporal ˜ ´ Comportamento do sistema nao dep. da Historia Numero muito grande de elementos ´ ¸˜ Interacoes de curto alcance
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ˆ As leis da Termodinamica 1 Corpos em equil´brio possuem a mesma temperatura ı 2 A energia se conserva. 3 Segunda Lei.
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Entropia ´ Variavel de Estado. Todo o sistema em equil´brio possui ı uma entropia associada. ∆Q = ∆S/T ˆ ´ ´ Na Mecanica estat´stica e dada por: S = kB ln Ω, onde Ω e ı o volume no espaco de fase compat´vel com os v´nculos ¸ ı ı do sistema. Por simplicidade podemos pensar em S como uma medida da desordem do sistema.
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Segunda Lei A entropia de um sistema fechado sempre aumenta (Clausius). ˜ ˆ Calor nao pode fluir espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente. (Clausius) ´ E imposs´vel converter calor completamente em trabalho. ı (Kelvin)
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Ciclo de Carnot ˆ ´ A eficiencio maxima de uma ´ ´ ´ maquina termica e dada por: T1 η =1− T2 ˜ onde Ti sao as temperaturas ´ ´ dos reservatorios termicos.
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ˆ ´ Existencia dos atomos Clarkia pulchella Robert Brown ¸˜ 1827 - Observacao ´ Microscopio Leeuenwenhoek: ¸˜ Interpretacao Animista Brown: medidas cuidadosas ¸˜ ı interpretacao f´sica
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Modelo de Einstein ´ Ate 1905: Nenhuma Teoria ´ Einstein e a hipotese atom´stica ı Tratamento genial, permitiu determinar N o numero de ´ Avogrado.
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Modelo de Einstein Considere um c´rculo de raio r em torno da part´cula, ı ı quanto tempo devemos esperar para que a part´cula cruze ı este c´rculo? ı ¸˜ Papel das Flutuacoes RT 1 r2 = t N 3πkP ´ ´ onde: onde R e a constante dos gases, T e a temperatura, ´ ´ N e o numero de Avogrado, k e a viscosidade e a o raio ´ das part´culas. ı ˆ ´ Existencia dos atomos
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ´ Fotons ´ Em 1905 Einstein introduziu o conceito de foton: quanta de energia possui momentum e energia ¸˜ ´ pode mudar a direcao de movimento dos atomos e excitar ´ eletrons
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ´ Biomoleculas prote´nas, ı ´ moleculas formadas a partir de nucleot´deos: DNA e RNA ı e lip´dios ı
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı DNA dupla fita em forma de espiral ´ molecula carregada associamos uma ¸˜ ¸˜ direcao a suas ligacoes qu´micas. ı
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı RNA fita simplesem forma de espiral Maior Complexidade Estrutural
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Prote´nas ı Estrutura mais rica ˆ Tres elementos estruturais: ´ alfa-helices, folhas betas e ¸˜ ligacoes to tipo coil
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Prote´nas ı ˆ ¸˜ Tres representacoes da prote´na triose fosfato isomerase. ı
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Outline 1 ¸˜ Introducao 2 ´ ´ Uma breve historia dos atomos 3 ˆ Termodinamica 4 Acessando o sut´l ı
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Aparato Experimental Aparelhos de Raio-X permitem determinar a estrutura de ´ ´ prote´nas e acidos nucleicos, mas para tanto necessitam ı de cristais ˆ ´ Ressonancia Magnetica Nuclear permite determinar a ˆ estrutura e eventualmente aspectos da dinamica de ´ biomoleculas. Necessita de grandes quantidades de ´ moleculas ´ Microscopio do Forca Molecular permitem caracterizar ¸ ´ individualmente as moleculas ¸ ´ Pincas oticas permitem manipular e medir forcas em ¸ ´ escalas microscopicas.
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Atomic Force Microscope- AFM ´ Alavanca microscopica com ponta muito fina. ˜ Ao se aproximar do material forcas surgem, elas sao ¸ ˜ medidas pela defexao da alavanca. Diferentes forcas podem ser medidas: ¸ forcas de Van der Waals, ¸ ¸˜ ligacoes qu´micas, ı ´ forcas eletrostaticas, ¸ ¸˜ forcas de solvatacao e ¸ forcas de Casimir. ¸
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Atomic Force Microscope - AFM
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Atomic Force Microscope- AFM
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ¸ ´ Pinca Otica Forca exercida por uma ¸ luz laser fortemente focada para aprisionar objetos pequenos. Nesta escala esta forca ¸ ´ ´ e comparavel as outras forcas do sistema. ¸
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Teoria ¸˜ Objetos Pequenos: a luz induz a formacao de um dipolo ´ eletrico nas part´culas, este processo atrai as ı ¸˜ part´culas na direcao do foco do laser ı Objetos Grandes os objetos agem como lentes refratando os raios de luz, este processo faz com que os objetos sejam atra´dos pela luz do laser. ı
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ¸ ´ Pinca Otica
¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ´ Pincas Oticas ¸ Aprisionam objetos com 5 nm Exercem forcas da ordem de 100 pN . ¸ ´ Esta escala de forcas e excelente para manipular ¸ ´ macromoleculas. Esta tecnologia tem sido utilizada para medir forcas ¸ exercidas por motores moleculares miosina, kinesina, enzimas e ribossomas.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Outline 5 Exemplos de Motores Biomoleculares 6 A base F´sica dos Motores Moleculares ı 7 ˜ Questoes em Aberto 8 Perspectivas 9 Bibliografia
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Motores Biomoleculares ´ ´ Na decada de 70 as celulas eram pensados como tubos de ensaios contendo misturas de compostos qu´micos. ı ˜ Nos ultimos anos esta visao mudou. ´ ´ ˜ ´ ˜ As celulas sao estruturas polares e seu interior e nao ˆ ˜ ´ homogeneo e nao isotropico. Muitos processos bioqu´micos envolvem movimento ı ´ direcional e transporte de especies qu´micas. ı
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Processos ¸˜ Processos celulares requerem que a informacao ˆ armazenada em sequencias de pol´meros seja lida de ı forma direcional ´ As celulas devem se orientar em resposta a gradientes qu´micos e outros sinais. ı
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ´ Maquinas ´ Para vencer os efeitos aleatorios do movimento browniano, ´ as celulas possuem estruturas moleculares que devem se ´ ˆ comportar como pequenas maquinas mecanicas. ´ Estas maquinas operam como motores moleculares que ˆ convertem energia qu´mica em energia mecanica. ı ´ ` Elas operam com n´veis de ru´do termico comparados as ı ı suas energias.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Mecanismos Universais Existem muitos tipos diferentes de motores moleculares: Motores que se locomovem ao longo de pol´meros. ı Motores que se movimentam ao longo de DNA e RNA. Motores moleculares que exercem torque.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ¸˜ Outras Classificacoes Processuais Se deslocam ao longo de sua base de ¸˜ sustentacao durante muitos “passos”. Ex. Kinesina ˜ Nao Processuais Se deslocam poucos passos e tendem a possuir um comportamento coletivo. Ex. Miosina II
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ¸˜ Funcoes ¸˜ Contracao e movimento muscular: Miosina Movimento ciliar: Dine´na ı Movimento de Organelas: Kinesina ¸˜ Sinalizacao ¸˜ Localizacao de RNA ¸˜ Transducao sensorial Desenvolvimento ¸˜ Replicacao Celular
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Zoo
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Doencas Envolvidas ¸ Miopatias Sindrome de Griscelli Surdez Retinitis Pigmentosa Transporte Viral Doencas Neurodegenativas ¸
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Mecanismos Universais ¸˜ Apesar de existir variacao entre os motores eles partilham caracter´sticas universais. ı Teorias buscam explicar os mecanismos f´sicos ı subjacentes. ¸˜ Objetivo: esclarecer o papel que as flutuacoes e o ´ acoplamento entre a cinetica qu´mica e a estrutura f´sica ı ı ˆ desempenham no comportamento e na eficiencia destas ´ maquinas.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı 3 Exemplos Kinesina e dine´na ı RNA Polimerase Flagelo de Bacteria
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Kinesisa e Dine´na ı ˜ ˜ Na medida em que as dimensoes dos objetos vao se tornando menores a forca gravitacional se torna neglig´vel. ¸ ı ˜ Por exemplo: Um motor molecular de dimensoes de 10 nm pode gerar forca suficiente 5 pN para levantar o peso de uma ¸ ´ ˜ hemacia de dimensoes 1000 vezes maior e com um volume ˜ bilhoes de vezes maior.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Kinesisa e Dine´na ı As dine´nas ı transportam material ao longo dos microtubulos ˜ que sao orientados na ¸˜ direcao do centro da ´ celula. ´ Estas moleculas conseguem transportar organelas inteiras como o complexo de Golgi
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı RNA Polimerase ´ A RNA polimerase e uma prote´na que caminha no DNA ı ´ sendo responsavel por produzir RNA mensageiro. Este processo pode ser dividido em : ¸˜ ¨ˆ localizacao de sinais caracter´sticos na sequencia de DNA, ı chamados de promotores, desenrolar e abrir a dupla fita, gerar a fita complementar de RNA, recompor a fita de DNA e ˜ finalmente localizar a regiao terminal dos genes e abandonar a fita de DNA.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı RNA Polimerase
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı RNA Polimerase
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Flagelo de Bacterias ´ Muitas bacterias se utilizam de uma cauda para se locomover, esta estrutura recebe o nome de flagelo. ˜ ´ Sao necessarias 20 diferentes tipos de partes para que o motor funcione: ´ ¸˜ motores responsaveis pela rotacao do flagelo ¸˜ prote´nas que extraem informacoes do meio celular e ı ¸˜ decidem em qual direcao o motor deve girar. ´ O motor opera atraves da energia fornecida por ´ons que ı ´ atravessam a membrana da celula.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı O motor gira com freq. de 100 hz. O motor gira no sentido ´ horario e a bacteria se move erraticamente O motor gira no sentido ´ anti-horario e a bacteria se move de forma linear.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Flagelo
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı flagelo
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Complexidade Irredut´vel ı A complexidade desta estrutura tem sido utilizada como ´ exemplo paradigmatico de Complexidade Irredut´vel, ou seja ı sistemas que por serem muito complexos e precisarem do funcionamento orquestrado de muitas unidades ˜ interdependentes nao poderiam ter sido produzidos por um ´ processo aleatorio.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Complexidade Irredut´vel ı Contudo muitas das prote´nas envolvidas possuem ı similaridade com outras que desempenham outras funcoes ¸˜ ´ ´ biologicas, isto e um forte indicativo que esta estrutura deve ter sido gerada em um longo processo evolutivo. http://www.newscientist.com/channel/life/dn13620-evolution-24- myths-and-misconceptions.html.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Outline 5 Exemplos de Motores Biomoleculares 6 A base F´sica dos Motores Moleculares ı 7 ˜ Questoes em Aberto 8 Perspectivas 9 Bibliografia
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Catraca Browniana ´ O princ´pio basico de funcionamento dos motores ı ´ moleculares e a catraca browniana. ˜ Retificamos o ru´do, eliminando as partes dele que nao ı nos interessam e explorando aquelas que contribuem para o movimento. (Princ´pio de Rubens Ricupero: “O que e ı ´ ´ bom gente mostra, o que e ruim a gente esconde.”
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Carro na Rampa
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Prote´na ı ´ ´ Para uma prote´na imersa na agua, este efeito faria a molecula ı se mover um m´cron por segundo, mais de 10 vezes o seu ı tamanho. Em termos comparativos isto equivaleria a um carro andando a 100 km/h.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Catraca roda dentada com ´ dentes assimetricos uma lingueta: um ¨ pequeno braco que ¸ impede que a catraca retroceda. ´ A lingueta esta ligada a ¨ uma mola.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ¸˜ Violacao da Segunda Lei ˜ ´ ˜ Uma questao importante e se este mecanismo nao iria violar a ˆ segunda lei da termodinamica. ´ ´ ´ Esta maquina e um exemplo de moto perpetuo do segundo tipo: transforma calor inteiramente em trabalho, o que viola esta lei.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ´ Analise de Feynman ´ ´ ´ O problema neste caso e que o ru´do termico tambem ı agiria sobre a mola, fazendo com que ela eventualmente liberasse a catraca. Este efeito cancela os anteriores. ¸˜ ´ Solucao manter a catraca e as pas em temperaturas diferentes. ´ Se a temperatura da catraca for maior do que as pas, o sistema funciona como motor. ´ Se a temperatura da catraca for menos do que as pas, o ¸˜ ´ sistema funciona na direcao contraria.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Modelo para a Kinesina Potencial que a kinesina enfrenta possui a forma de um dente de serra ´ ´ A hidrolise de moleculas de ATP faz com que o potencial ´ se torne plano (o que sera equivalente a retirar a lingueta ¨ da catraca). ¸˜ A liberacao dos ADPs retorna o potencial para a forma de um dente de serra (recolocando a lingueta), o que ¨ ´ dependendo de quanto a molecula andou permite que ela ´ avance para o proximo dente.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Outline 5 Exemplos de Motores Biomoleculares 6 A base F´sica dos Motores Moleculares ı 7 ˜ Questoes em Aberto 8 Perspectivas 9 Bibliografia
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ˜ Questoes ¸˜ Determinacao da estrutura de um maior numero de ´ motores ¸˜ Alvos dos motores e regulacao ¸˜ Implicacao de motores em doencas ¸ Uso em nanotecnologia.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Outline 5 Exemplos de Motores Biomoleculares 6 A base F´sica dos Motores Moleculares ı 7 ˜ Questoes em Aberto 8 Perspectivas 9 Bibliografia
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Futuro de Feynman ´ ´ Melhores microscopios oticos, na verdade uma nova ´ tecnologia para microscopios: forcas moleculares ¸ ´ Computadores mais rapidos e qualitativamente diferentes dos computadores de 1950. Reconhecimento de rostos ¸˜ Auto programacao
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Futuro de Feynman ˆ Nanorobos capazes de realizar cirurgias ´ ˆ Novos materiais e nanomaquinas identicas. ´ ` ´ S´ntese qu´mica atomo a atomo. ı ı
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Perspectivas. Em linhas gerais nos aproximamos do futuro de Feynman. ´ Mas ainda estamos muito distantes de varias das ˜ previsoes. ´ Avanco muito rapido em Biologia. ¸
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Futurologia ˆ ¸˜ ´ Cirurgia genomica: alteracao do DNA em todas as celulas ˜ de um indiv´duo, ou de um orgao. ı ¸˜ ¸˜ ´ Reprogramacao ou reconstrucao sinaptica. ¸˜ ´ Criacao de maquinas capazes de se auto-reproduzirem. ´ Farmacos adaptados para o indiv´duo, levando em conta ı particularidades das prote´nas presentes no indiv´duo. ı ı Armazenar o estado de um determinado sistema ´ neurologico.
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Outline 5 Exemplos de Motores Biomoleculares 6 A base F´sica dos Motores Moleculares ı 7 ˜ Questoes em Aberto 8 Perspectivas 9 Bibliografia
˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Bibliografia ASTUMIAN, R. D. , “Making Molecules into Motors”, Sci. Am., July, 57, (2001). BUSTAMANTE,C.; KELLER, D. ; OSTER, G. “The Physics of Molecular Motors”, Acc. Chem. Res., 34, 412, (2001) GRIER, D. G. “A Revolution in Optical Manipulation”, Nature, 424, 810, (2003). HOWARD, J. “Molecular Mechanics of Cells and Tissues”, Cellular and Molecular Bioengineering, 1, 24, (2008). SCHLIWA, M.; WOEHKE, G.,”Molecular Motors”, Nature,422, 759, (2003).

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Motores moleculares: nanotecnologia e termodinâmica

  • 1. Motores Moleculares Ney Lemke Departamento de F´sica e Biof´sica ı ı 2008
  • 2. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Outline 1 ¸˜ Introducao 2 ´ ´ Uma breve historia dos atomos 3 ˆ Termodinamica 4 Acessando o sut´l ı
  • 3. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Nascimento da Nanotecnologia 29/12/1959 Feynman proferiu a ¸ ´ palestra “Existe muito espaco la em baixo” no MIT. ´ ˆ Enciclopedia Britanica em um alfinete, escrevendo em um plano ´ Usando atomos podemos escrever todo o conhecimento humano em ˜ um grao de poeira. ´ Melhores Microscopios. http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
  • 4. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Escala Nanometro equivale 10−9 m. ˆ ˆ Em um cubo de um nanometro podemos abrigar em torno ´ de mil atomos. ´ ´ Escala das moleculas de interesse biologico. ¸˜ Excecao: DNA de seres humanos pode medir 1 m!
  • 5. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Motores Moleculares ˜ Os motores moleculares sao objetos que vivem nesta escala e ˜ que sao capazes de operar como motores, ou seja sao ˜ capazes de realizar trabalho utilizando energia qu´mica ou ı ´ eletrica.
  • 6. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Perguntas ´ Como podem operar estas diminutas maquinas em ˜ ambientes tao adversos? ˆ Como devemos descreve-las? Em que processos ´ biologicos atuam? ´ Como podemos planejar maquinas para atuar no mundo da nanotecnologia?
  • 7. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Outline 1 ¸˜ Introducao 2 ´ ´ Uma breve historia dos atomos 3 ˆ Termodinamica 4 Acessando o sut´l ı
  • 8. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Gregos ´ ´ Tales: “Tudo e agua” ı ı ´ Princ´pio atom´stico de Leucipo e Democrito: Atribui o ` comportamento de todas as coisas a part´culas indivis´veis ı ı ´ chamadas de atomos. ´ ”Tudo que existe no universo e fruto do acaso e da necessidade.”
  • 9. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Atom´stas e “Continu´stas” ı ı Atom´stas ı “Continu´stas” ı Newton Filosofia que advoga Leibnitz ´ ˜ que os atomos sao Boltzmann ´ inobservaveis. Planck Ernst Mach
  • 10. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Boltzmann ´ Base microscopica da Segunda Lei S = kB ln Ω ´ Cinetica dos Gases Probabilidades na ˆ mecanica.
  • 11. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Outline 1 ¸˜ Introducao 2 ´ ´ Uma breve historia dos atomos 3 ˆ Termodinamica 4 Acessando o sut´l ı
  • 12. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ˆ Termodinamica Sistemas em equil´brio ı Sem correntes ˆ Homogeneos ¸˜ Sem evolucao Temporal ˜ ´ Comportamento do sistema nao dep. da Historia Numero muito grande de elementos ´ ¸˜ Interacoes de curto alcance
  • 13. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ˆ As leis da Termodinamica 1 Corpos em equil´brio possuem a mesma temperatura ı 2 A energia se conserva. 3 Segunda Lei.
  • 14. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Entropia ´ Variavel de Estado. Todo o sistema em equil´brio possui ı uma entropia associada. ∆Q = ∆S/T ˆ ´ ´ Na Mecanica estat´stica e dada por: S = kB ln Ω, onde Ω e ı o volume no espaco de fase compat´vel com os v´nculos ¸ ı ı do sistema. Por simplicidade podemos pensar em S como uma medida da desordem do sistema.
  • 15. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Segunda Lei A entropia de um sistema fechado sempre aumenta (Clausius). ˜ ˆ Calor nao pode fluir espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente. (Clausius) ´ E imposs´vel converter calor completamente em trabalho. ı (Kelvin)
  • 16. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Ciclo de Carnot ˆ ´ A eficiencio maxima de uma ´ ´ ´ maquina termica e dada por: T1 η =1− T2 ˜ onde Ti sao as temperaturas ´ ´ dos reservatorios termicos.
  • 17. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ˆ ´ Existencia dos atomos Clarkia pulchella Robert Brown ¸˜ 1827 - Observacao ´ Microscopio Leeuenwenhoek: ¸˜ Interpretacao Animista Brown: medidas cuidadosas ¸˜ ı interpretacao f´sica
  • 18. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Modelo de Einstein ´ Ate 1905: Nenhuma Teoria ´ Einstein e a hipotese atom´stica ı Tratamento genial, permitiu determinar N o numero de ´ Avogrado.
  • 19. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Modelo de Einstein Considere um c´rculo de raio r em torno da part´cula, ı ı quanto tempo devemos esperar para que a part´cula cruze ı este c´rculo? ı ¸˜ Papel das Flutuacoes RT 1 r2 = t N 3πkP ´ ´ onde: onde R e a constante dos gases, T e a temperatura, ´ ´ N e o numero de Avogrado, k e a viscosidade e a o raio ´ das part´culas. ı ˆ ´ Existencia dos atomos
  • 20. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ´ Fotons ´ Em 1905 Einstein introduziu o conceito de foton: quanta de energia possui momentum e energia ¸˜ ´ pode mudar a direcao de movimento dos atomos e excitar ´ eletrons
  • 21. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ´ Biomoleculas prote´nas, ı ´ moleculas formadas a partir de nucleot´deos: DNA e RNA ı e lip´dios ı
  • 22. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı DNA dupla fita em forma de espiral ´ molecula carregada associamos uma ¸˜ ¸˜ direcao a suas ligacoes qu´micas. ı
  • 23. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı RNA fita simplesem forma de espiral Maior Complexidade Estrutural
  • 24. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Prote´nas ı Estrutura mais rica ˆ Tres elementos estruturais: ´ alfa-helices, folhas betas e ¸˜ ligacoes to tipo coil
  • 25. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Prote´nas ı ˆ ¸˜ Tres representacoes da prote´na triose fosfato isomerase. ı
  • 26. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Outline 1 ¸˜ Introducao 2 ´ ´ Uma breve historia dos atomos 3 ˆ Termodinamica 4 Acessando o sut´l ı
  • 27. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Aparato Experimental Aparelhos de Raio-X permitem determinar a estrutura de ´ ´ prote´nas e acidos nucleicos, mas para tanto necessitam ı de cristais ˆ ´ Ressonancia Magnetica Nuclear permite determinar a ˆ estrutura e eventualmente aspectos da dinamica de ´ biomoleculas. Necessita de grandes quantidades de ´ moleculas ´ Microscopio do Forca Molecular permitem caracterizar ¸ ´ individualmente as moleculas ¸ ´ Pincas oticas permitem manipular e medir forcas em ¸ ´ escalas microscopicas.
  • 28. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Atomic Force Microscope- AFM ´ Alavanca microscopica com ponta muito fina. ˜ Ao se aproximar do material forcas surgem, elas sao ¸ ˜ medidas pela defexao da alavanca. Diferentes forcas podem ser medidas: ¸ forcas de Van der Waals, ¸ ¸˜ ligacoes qu´micas, ı ´ forcas eletrostaticas, ¸ ¸˜ forcas de solvatacao e ¸ forcas de Casimir. ¸
  • 29. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Atomic Force Microscope - AFM
  • 30. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Atomic Force Microscope- AFM
  • 31. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ¸ ´ Pinca Otica Forca exercida por uma ¸ luz laser fortemente focada para aprisionar objetos pequenos. Nesta escala esta forca ¸ ´ ´ e comparavel as outras forcas do sistema. ¸
  • 32. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı Teoria ¸˜ Objetos Pequenos: a luz induz a formacao de um dipolo ´ eletrico nas part´culas, este processo atrai as ı ¸˜ part´culas na direcao do foco do laser ı Objetos Grandes os objetos agem como lentes refratando os raios de luz, este processo faz com que os objetos sejam atra´dos pela luz do laser. ı
  • 33. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ¸ ´ Pinca Otica
  • 34. ¸˜ Introducao ´ ´ Uma breve historia dos atomos ˆ Termodinamica Acessando o sut´l ı ´ Pincas Oticas ¸ Aprisionam objetos com 5 nm Exercem forcas da ordem de 100 pN . ¸ ´ Esta escala de forcas e excelente para manipular ¸ ´ macromoleculas. Esta tecnologia tem sido utilizada para medir forcas ¸ exercidas por motores moleculares miosina, kinesina, enzimas e ribossomas.
  • 35. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Outline 5 Exemplos de Motores Biomoleculares 6 A base F´sica dos Motores Moleculares ı 7 ˜ Questoes em Aberto 8 Perspectivas 9 Bibliografia
  • 36. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Motores Biomoleculares ´ ´ Na decada de 70 as celulas eram pensados como tubos de ensaios contendo misturas de compostos qu´micos. ı ˜ Nos ultimos anos esta visao mudou. ´ ´ ˜ ´ ˜ As celulas sao estruturas polares e seu interior e nao ˆ ˜ ´ homogeneo e nao isotropico. Muitos processos bioqu´micos envolvem movimento ı ´ direcional e transporte de especies qu´micas. ı
  • 37. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Processos ¸˜ Processos celulares requerem que a informacao ˆ armazenada em sequencias de pol´meros seja lida de ı forma direcional ´ As celulas devem se orientar em resposta a gradientes qu´micos e outros sinais. ı
  • 38. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ´ Maquinas ´ Para vencer os efeitos aleatorios do movimento browniano, ´ as celulas possuem estruturas moleculares que devem se ´ ˆ comportar como pequenas maquinas mecanicas. ´ Estas maquinas operam como motores moleculares que ˆ convertem energia qu´mica em energia mecanica. ı ´ ` Elas operam com n´veis de ru´do termico comparados as ı ı suas energias.
  • 39. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Mecanismos Universais Existem muitos tipos diferentes de motores moleculares: Motores que se locomovem ao longo de pol´meros. ı Motores que se movimentam ao longo de DNA e RNA. Motores moleculares que exercem torque.
  • 40. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ¸˜ Outras Classificacoes Processuais Se deslocam ao longo de sua base de ¸˜ sustentacao durante muitos “passos”. Ex. Kinesina ˜ Nao Processuais Se deslocam poucos passos e tendem a possuir um comportamento coletivo. Ex. Miosina II
  • 41. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ¸˜ Funcoes ¸˜ Contracao e movimento muscular: Miosina Movimento ciliar: Dine´na ı Movimento de Organelas: Kinesina ¸˜ Sinalizacao ¸˜ Localizacao de RNA ¸˜ Transducao sensorial Desenvolvimento ¸˜ Replicacao Celular
  • 42. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Zoo
  • 43. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Doencas Envolvidas ¸ Miopatias Sindrome de Griscelli Surdez Retinitis Pigmentosa Transporte Viral Doencas Neurodegenativas ¸
  • 44. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Mecanismos Universais ¸˜ Apesar de existir variacao entre os motores eles partilham caracter´sticas universais. ı Teorias buscam explicar os mecanismos f´sicos ı subjacentes. ¸˜ Objetivo: esclarecer o papel que as flutuacoes e o ´ acoplamento entre a cinetica qu´mica e a estrutura f´sica ı ı ˆ desempenham no comportamento e na eficiencia destas ´ maquinas.
  • 45. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı 3 Exemplos Kinesina e dine´na ı RNA Polimerase Flagelo de Bacteria
  • 46. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Kinesisa e Dine´na ı ˜ ˜ Na medida em que as dimensoes dos objetos vao se tornando menores a forca gravitacional se torna neglig´vel. ¸ ı ˜ Por exemplo: Um motor molecular de dimensoes de 10 nm pode gerar forca suficiente 5 pN para levantar o peso de uma ¸ ´ ˜ hemacia de dimensoes 1000 vezes maior e com um volume ˜ bilhoes de vezes maior.
  • 47. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Kinesisa e Dine´na ı As dine´nas ı transportam material ao longo dos microtubulos ˜ que sao orientados na ¸˜ direcao do centro da ´ celula. ´ Estas moleculas conseguem transportar organelas inteiras como o complexo de Golgi
  • 48. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı RNA Polimerase ´ A RNA polimerase e uma prote´na que caminha no DNA ı ´ sendo responsavel por produzir RNA mensageiro. Este processo pode ser dividido em : ¸˜ ¨ˆ localizacao de sinais caracter´sticos na sequencia de DNA, ı chamados de promotores, desenrolar e abrir a dupla fita, gerar a fita complementar de RNA, recompor a fita de DNA e ˜ finalmente localizar a regiao terminal dos genes e abandonar a fita de DNA.
  • 49. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı RNA Polimerase
  • 50. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı RNA Polimerase
  • 51. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Flagelo de Bacterias ´ Muitas bacterias se utilizam de uma cauda para se locomover, esta estrutura recebe o nome de flagelo. ˜ ´ Sao necessarias 20 diferentes tipos de partes para que o motor funcione: ´ ¸˜ motores responsaveis pela rotacao do flagelo ¸˜ prote´nas que extraem informacoes do meio celular e ı ¸˜ decidem em qual direcao o motor deve girar. ´ O motor opera atraves da energia fornecida por ´ons que ı ´ atravessam a membrana da celula.
  • 52. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı O motor gira com freq. de 100 hz. O motor gira no sentido ´ horario e a bacteria se move erraticamente O motor gira no sentido ´ anti-horario e a bacteria se move de forma linear.
  • 53. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Flagelo
  • 54. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı flagelo
  • 55. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Complexidade Irredut´vel ı A complexidade desta estrutura tem sido utilizada como ´ exemplo paradigmatico de Complexidade Irredut´vel, ou seja ı sistemas que por serem muito complexos e precisarem do funcionamento orquestrado de muitas unidades ˜ interdependentes nao poderiam ter sido produzidos por um ´ processo aleatorio.
  • 56. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Complexidade Irredut´vel ı Contudo muitas das prote´nas envolvidas possuem ı similaridade com outras que desempenham outras funcoes ¸˜ ´ ´ biologicas, isto e um forte indicativo que esta estrutura deve ter sido gerada em um longo processo evolutivo. http://www.newscientist.com/channel/life/dn13620-evolution-24- myths-and-misconceptions.html.
  • 57. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Outline 5 Exemplos de Motores Biomoleculares 6 A base F´sica dos Motores Moleculares ı 7 ˜ Questoes em Aberto 8 Perspectivas 9 Bibliografia
  • 58. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Catraca Browniana ´ O princ´pio basico de funcionamento dos motores ı ´ moleculares e a catraca browniana. ˜ Retificamos o ru´do, eliminando as partes dele que nao ı nos interessam e explorando aquelas que contribuem para o movimento. (Princ´pio de Rubens Ricupero: “O que e ı ´ ´ bom gente mostra, o que e ruim a gente esconde.”
  • 59. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Carro na Rampa
  • 60. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Prote´na ı ´ ´ Para uma prote´na imersa na agua, este efeito faria a molecula ı se mover um m´cron por segundo, mais de 10 vezes o seu ı tamanho. Em termos comparativos isto equivaleria a um carro andando a 100 km/h.
  • 61. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Catraca roda dentada com ´ dentes assimetricos uma lingueta: um ¨ pequeno braco que ¸ impede que a catraca retroceda. ´ A lingueta esta ligada a ¨ uma mola.
  • 62. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ¸˜ Violacao da Segunda Lei ˜ ´ ˜ Uma questao importante e se este mecanismo nao iria violar a ˆ segunda lei da termodinamica. ´ ´ ´ Esta maquina e um exemplo de moto perpetuo do segundo tipo: transforma calor inteiramente em trabalho, o que viola esta lei.
  • 63. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ´ Analise de Feynman ´ ´ ´ O problema neste caso e que o ru´do termico tambem ı agiria sobre a mola, fazendo com que ela eventualmente liberasse a catraca. Este efeito cancela os anteriores. ¸˜ ´ Solucao manter a catraca e as pas em temperaturas diferentes. ´ Se a temperatura da catraca for maior do que as pas, o sistema funciona como motor. ´ Se a temperatura da catraca for menos do que as pas, o ¸˜ ´ sistema funciona na direcao contraria.
  • 64. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Modelo para a Kinesina Potencial que a kinesina enfrenta possui a forma de um dente de serra ´ ´ A hidrolise de moleculas de ATP faz com que o potencial ´ se torne plano (o que sera equivalente a retirar a lingueta ¨ da catraca). ¸˜ A liberacao dos ADPs retorna o potencial para a forma de um dente de serra (recolocando a lingueta), o que ¨ ´ dependendo de quanto a molecula andou permite que ela ´ avance para o proximo dente.
  • 65. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Outline 5 Exemplos de Motores Biomoleculares 6 A base F´sica dos Motores Moleculares ı 7 ˜ Questoes em Aberto 8 Perspectivas 9 Bibliografia
  • 66. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı ˜ Questoes ¸˜ Determinacao da estrutura de um maior numero de ´ motores ¸˜ Alvos dos motores e regulacao ¸˜ Implicacao de motores em doencas ¸ Uso em nanotecnologia.
  • 67. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Outline 5 Exemplos de Motores Biomoleculares 6 A base F´sica dos Motores Moleculares ı 7 ˜ Questoes em Aberto 8 Perspectivas 9 Bibliografia
  • 68. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Futuro de Feynman ´ ´ Melhores microscopios oticos, na verdade uma nova ´ tecnologia para microscopios: forcas moleculares ¸ ´ Computadores mais rapidos e qualitativamente diferentes dos computadores de 1950. Reconhecimento de rostos ¸˜ Auto programacao
  • 69. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Futuro de Feynman ˆ Nanorobos capazes de realizar cirurgias ´ ˆ Novos materiais e nanomaquinas identicas. ´ ` ´ S´ntese qu´mica atomo a atomo. ı ı
  • 70. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Perspectivas. Em linhas gerais nos aproximamos do futuro de Feynman. ´ Mas ainda estamos muito distantes de varias das ˜ previsoes. ´ Avanco muito rapido em Biologia. ¸
  • 71. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Futurologia ˆ ¸˜ ´ Cirurgia genomica: alteracao do DNA em todas as celulas ˜ de um indiv´duo, ou de um orgao. ı ¸˜ ¸˜ ´ Reprogramacao ou reconstrucao sinaptica. ¸˜ ´ Criacao de maquinas capazes de se auto-reproduzirem. ´ Farmacos adaptados para o indiv´duo, levando em conta ı particularidades das prote´nas presentes no indiv´duo. ı ı Armazenar o estado de um determinado sistema ´ neurologico.
  • 72. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Outline 5 Exemplos de Motores Biomoleculares 6 A base F´sica dos Motores Moleculares ı 7 ˜ Questoes em Aberto 8 Perspectivas 9 Bibliografia
  • 73. ˜ Exemplos de Motores Biomoleculares A base F´sica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Biblio ı Bibliografia ASTUMIAN, R. D. , “Making Molecules into Motors”, Sci. Am., July, 57, (2001). BUSTAMANTE,C.; KELLER, D. ; OSTER, G. “The Physics of Molecular Motors”, Acc. Chem. Res., 34, 412, (2001) GRIER, D. G. “A Revolution in Optical Manipulation”, Nature, 424, 810, (2003). HOWARD, J. “Molecular Mechanics of Cells and Tissues”, Cellular and Molecular Bioengineering, 1, 24, (2008). SCHLIWA, M.; WOEHKE, G.,”Molecular Motors”, Nature,422, 759, (2003).