CELLEBIOLOGI PROKARYOTE anaerobe kan leve uten tilførsel av oksygen mangler celle kjerne bakterier har et relativt enkelt indre med bare ett hulrom, vacuoler EUKARYOTE aerobe trenger oksygen mer kompleks struktur enn prokaryote har cellekjerne og mitokondrier i
VEVSTYPER
Membranproteiner Integralproteiner bipolare gjennomgående (enkel/multippel) Perifere proteiner ikke biopolare primært innsiden bundet til lipid / integralprotein
EUKARYOT CELLE Cytoplasma CytosolC l Cytoskjelettet Cellekjerne (nucleus) Mitokondrie Endoplastisk Retikulum (ER) Golgiapparat Plasmamembran b Lysosom Peroxysomer RIBOSOM
Biologiske makromolekyler DNA PROTEIN t RNA
Biologiske makromolekyler 4 hovedtyper (proteiner, nukleinsyrer, polysakkarider, lipider) Kovalent (kjemisk) O δ P Ionisk (kjemisk) 1 Hydrogen (svak) δ ( ) + van der Waals (svak) H H P 2 δ + n 1, 2, 3,..., n (K,L,M...) l 0, 1, 2,..., n 1 (s,p,d, f ) m l l, l+1,.., 0,.. l 1, +l m s +½, ½ P Hunds regel Elektroner fyller opp orbitalene med så mange parallelle spinn som mulig. Pauliprinsippet To elektroner kan ikke ha alle fire kvantetall felles
LCAO MO ΗΨ=Ε Ψ Ψ = c A ψ A + c B ψ B Sigma (σ) binding π binding sp3 sp2 sp lone pair Tetraeder; 109,5 5 Plan; 120 Lineær; 180
20 aminosyrer Essensielle aminosyrer (8+2) Ikke essensielle aminosyrer (10) β sheet PEPTIDBINDING α helix Doméne funksjonelle sub enheter Denaturering oppløsing av høyere ordens struktur
DNA A / C / G / T 2 deoxyribose monofosfate Chargaff s rule (1950) T/A 1 og C/G 1 A form B form Z form A B Z Short broad Long thin Longer thinner Diameter ~26Å ~20 Å ~ 18 Å Rise / base pair 2.3Å 3.4Å 3.8Å Base pair pr turn ~ 11 ~ 10 ~ 12 Helix pitch 25Å 34Å 47Å Tilt of the bases 20 ⁰ (70⁰) 1 ⁰ (90⁰) 9 ⁰ (80⁰) Relativt vanninnhold < 75 % H 2 O > 92 % H 2 O Sukker bukling C3 endo C2 endo
IONISERENDE STRÅLING Elektromagnetisk Partikkel Direkte ioniserende Indirekte ioniserende Naturlig Antropogen g 1/2 RADIOAKTIVE FAMILIER Halveringstid T 1/2 Neptunium (Bi 209 T 1/2 = 2,14. 10 6 ) Uran actinium (U 235 T 1/2 = 2,038. 10 8 ) 7. T 1/2 < 1% rest Uran radium (U 238 T 1/2 = 4,47. 10 9 ) Thorium (Th 232 T 1/2 = 1,405. 10 10 ) Energy Rekkevidde LET
Aktivitet (A) A = dn/dt = λn Elektromagnetisk stråling fotoner N=N 0 e λt T ½ λ=ln2 Bq=1/s Spesifikk aktivitet Desintegrasjonskonstanten (λ) Fotoelektrisk (Z 4 ) Compton (Z) Pardannelse (Z 2 ) Halveringstid T ½ Fysisk t f Biologisk t b Effektiv t eff 1/ t f + 1/ t b = 1/ t eff γ type Stråledose Absorbert dose Gy 1J/kg Ekvivalent dose Sv w R (strålingsvektfaktor) Elektroner (β) Fotoner (X ray, γ) β type α type Effektiv dose Sv w R, w O (organvektfaktor) α partikkel tyngre ladde kjerner
Build up Totaldose skyldes primær ionisasjon + sekundær elektroner Protonterapi lav dose foran målvolum lav dose bak målvolum m
LET / Bethe Block LET π 2 2 2 2mv e ln rel. effekter 2 e de 4 ( ze ) NZ = = + dx m v I Energiavsetning for ladde partikler de/dx ze v Z NZ I LET ladningen til innkommende partikkel hastigheten til innkommende partikkel effektive atomnummeret til mediet antall elektroner pr volum til mediet midlet ionisasjonspotensial/eksitasjonenergi for mediet. øker med NZ. øker med (ze 2 ) 2 øker inverst med hastigheten v, går gjennom et maksimum når hastigheten v 0 Rekkvidden, x LET 2 de ze = ρ e dx v 2
Kosmisk stråling Intern stråling (C 14 og K 40 ++) Ekstern γ (jord og berggrunn) 0,4 msv 0,4 msv 0,3 msv Rd Radon 2 3 msv (α) Medisinskbruk 1,1 msv (ikke terapi) TOTALT 3 5 msv pr år + Tsjernobyl (1986) + 0,1 msv pr år
Biologiske effekter av ioniserende stråling for mennesker ingensikre funnved doser under 100 200 msv. Genetiske effekter hos mennesker ikke observert uannsett dosestørrelse! LD 50 dose 50 for mennesker, ca 5Sv. Helkropsbestråling ved beinmargstransplantasjon: typisk 10 Sv. Lokale terapidoser ved strålebehandling: typisk 80 Gy (gitt i flere fraksjoner). Stor dose > 1 Gy Midlere dose 0,1 1 Gy Liten dose < 0,1 Gy ørliten dose 0,005005 Gy 5 mgy Dosegrenser (tillegg til naturlig stråling) Yrkesutøvere (stråleutsatte) 100 msv/5år (snitt 20 msv/år) Befolkingen generelt 1 msv/år
DNA strålingsfysikk Indirekte effekt Radikaler dannet i omgivelsene angriper DNA OH Direkte effekt Ionisering og energideponering i finner sted direkte i DNA hv, ±e
Skade som funksjon av dose Dose respons mhp: radikaldannelse (ofte lineær, jmf EPR lab) cellerespons/overlevelse (ofteeksponentiell) eksponentiell) effekt på menneske (tja...) Overlevelse som funksjon av dose D D α D 37 N( D) = Ne 0 = Ne 0 D = stråledose N 0 = bestrålte targets (celler, DNA, enzym el.l) N(D) = er uskadde targets etter dosen D α = konstant som angir strålefølsomheten Overlevelsener redusert til0,37 37(dvs 37%) når αd= 1 (α=1/d 37 ) N/N 0 = e 1 =1/e = 1/ 2,718 = 0,368 = e αd(37) dvs, αd 37 = 1 37
Vannradikaler ad ae Radikal-yield (G) varierer med ph 1) : MH + H M H i i 2) : MH + OH M HOH i 3) : MH + H M + H i 4) : MH + OH M + H O 5) : MH + etrapped MH i i i i i 2 i 2 2 H addisjon OH addisjon i i H abstraksjon 6) : MH + etrapped + H2O M+ H2 + OH typisk baser H abstraksjon typisk sukker H abstraksjon (homolyttisk brudd) elektroninnfanging Indirekte effekt i tørre stoffer i i hν ** MH MH M+ H supereksitasjon + homolyttisk bindingsbrudd
Oksygeneffekt D37 aerob D37 (1 / ) ( ) OER = = (1 / D ) ( D ) med oksygen uten oksygen anaerob uten oksygen med oksygen 37 anaerob 37 aerob Oksygen er et biradikal i + i i h ν MH MH M H MH MH, M, H, e i + MH + e MH i i M + H MH O 2 har høy affinitet for e, H og M. OER < 1 >1 =1 avhenger av mekanisme og system ca 2 i levende celler
DNA strålingsfysikk Ionisering 50% på basene 50% på sukker fosfat + Ladningstransport gir ujevn fordeling av radikalprodukter Ionisasjons Potensial: G<A<T<C<SP Elektronene vil primært fanges inn på basene Elektron Affinitet: C T>A>G>SP Endelige radikalfordeling: 80 90 % på basene (primært G og C) Guanin Kation H O + + N H N H N N N H drib N H 10 20 % på sukker fosfat (primært hull ) drib O Cytosin anion N N + e
Adaptiv effekt liten trigger dose reduserer effekten av påflgende større dose trigger reperasjon 1 0.9 Hypersensitivitet ekstra høy strålefølsomhetved lave doser raction Surviving f 0.8 0.7 0.6 0.5 IR -m odel LQ-model 0 1 2 Dose (Gy) Hormetisk effekt positiv p effekt ved lave doser, negativ effekt ved høye doser
Cellesyklus Strålefølsomheten er størst i mitosen
Magnetisk resonans: EPR og NMR Populasjonsdifferanse μ = g e ( eħ/2m e e) S= gg e βes μ N =g N (eħ/2m p ) I = g N β N I Zeemannsplitting E = <H> = (m I g N β N B) Resonansbetingelsen ΔE = hν= g N β N B N øvre /N nedre =exp( ΔE/kT) 1 ΔE/kT <1 Netto absorbsjon T1 spinn gitter, varmeutveksling m/gitter T2 spinn spinn, lokale magnetfelt varierer Opprettholder populasjonsdifferansen Påvirker linjebredden Signalintensitet er proporsjonal med antall spinn (N) og Zeemannenergien de/dt = N P (ΔE)2/kT g e β e / g N β N = 658 for protoner (H) EPR mer følsomt enn NMR Forskjellig kombinasjon av B og v 24
Depa artment of P hysics University of Oslo Målsetning NMR Forstå spekteret i Fig 2.1 side 3.1.11, cw-nmr fra valine. 26.11.2010 FYS3710 NMR 25
Depa artment of P hysics University of Oslo Kjemisk skift, δ B eff = B 0 B lok = B 0 σb 0 = (1 σ)b 0 skjermingskonstanten, σ er positiv I praksis måles kjemisk skift i forhold til en referanse, for protoner gjerne TMS (TetraMethylSilian, Si(CH 3 ) 4 ). Erstatter ν free med ν TMS : δ = (ν TMS ν mol )/ν TMS δ, kalles kjemisk skift,erdimensjonsløst og gjerne gis i ppm δ er relativ til referanse (TMS), σ er relativ til fritt atom, 26.11.2010 FYS3710 NMR 26
Depa artment of P hysics University of Oslo Spinn-Spinn kobling Måles med størrelsen J; H J =hj ij I i I j UHJ hjij Ii Ij Måles i frekvensenheter, Hz Frekvensuavhengig Avtar med økende avstand Neglisjerbar for protoner langt tfra hverandre >3 bindinger~(3.5-4å) 26.11.2010 FYS3710 NMR 27
Depa artment of P hysics University of Oslo S-S kobling tilstander Spinn-operator: H =-g N β N (1-σ Α )I A B - g N β N (1-σ Β )I B B + J AB I A I B Magnetfeltet ti z-retning ti gir: H = -g N β N B(1-σ Α )I AZ - g N β N B(1-σ Β )I BZ B+ J AB I AZ I BZ Neglisjerer ledd av typen I X, I Y i spinn-spinn koblingsleddet Har fire totaltilstander: α Α α Β >, α Α β Β >, β Α α Β >, β Α β Β > I Z α>=½ α> og I Z β>=-½ β> E = <Ψ H Ψ> = -g N β N B(1-σ σ Α )m A - g N β N B(1-σ σ Β )m B + J AB m A m B 26.11.2010 FYS3710 NMR 28
Depa artment of P hysics University of Oslo S-S kobling Splitting og intensitet n kjemiske ekvivalente protoner gir en oppsplitting av linjene assosiert til naboprotoner i en multiplett med n +1 linjer Linjenes intensitesfordeling er som koeffisientene i binominalfordelingen (1+x)n Pascals trekant: n: (# ekv.prot.) 1 0 1:1 1 1:2:1 :1 2 1: 3:3 :1 3 1: 4: 6: 4 :1 4 15101051 1:5:10:10:5:1 5 Kjemisk ekvivalente protoner gir IKKE innbyrdes spinn-spinn kobling 26.11.2010 FYS3710 NMR 29
Depa artment of P hysics University of Oslo S-S kobling -Acetaldehyd Acetaldehyd: (CH 3 ) (CH)=O Lavoppløst (J=0) spectrum: CHO CH 3 TMS δ (ppm) 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0-1 De tre protonene i metylgruppen er kjemisk ekvivalente*, og vi må derfor se på deres totale t spinntilstand: t I A = I 1 +I 2 +I 3 (metyl) I B = I aldehyd Med tilhørende spinnkvantetall: m A = m 1 +m 2 +m 3 = ±1/2, ± 3/2 m B = m aldehyd = ±1/2 rotasjon *f.eks. hurtig 26.11.2010 FYS3710 NMR 30
Depa artment of P hysics University of Oslo S-S kobling -Acetaldehyd Når metylgruppen A flipper (Δm A =1) vil A-linjen splittes i 2 fordi m B har to B mulige verdier ±1/2 A Når aldehyd-protonet B flipper (Δm B =1), vil B-linjen splittes i 4, fordi m A kan ha fire mulige verdier. De 4 linjene vil ikke være like intense, fordi m A verdien framkommer på 3 ulike måter Intensitetsfordeling 1:3:3:1 Tilstander for 3 ekvivalente protoner: ³/2: ( ½, ½, ½) ¹/2: ( ½, ½, ½), ( ½, ½, ½) ( ½, ½, ½) ¹/2: ( ½, ½, ½), ( ½, ½, ½) ( ½, ½, ½) ³/2: ( ½, ½, ½) 26.11.2010 FYS3710 NMR 31
Depa artment of P hysics University of Oslo S-S kobling Etylalkohol Etylalkohol, OH-CH 2 - CH 3 Lavoppløst: OH CH 2 CH 3 CH 3 δ (ppm) 6 5 4 3 2 1 0-1 Høyoppløst: J 1 J 2 2J1 J1 3J 2 2J 2 OH CH 2 CH 3 6 5 4 3 2 1 0-1 1 J 1 26.11.2010 FYS3710 NMR 32
sics Oslo ent of Phys versity of O Departme Univ EPR Electron Paramagnetic Resonance (alt. ESR Electron Spin Resonance) NMRspektroskopi for alle molekyler er bare avhengig av kjerner med kjernespinn (f.eks H) EPR avhenger av at prøven er paramagnetisk, dvs. uparede elektroner (fri radikaler). μ = g e βs, der β = eħ/2m Elektron Zeeman effekt: H = μ e B = g e βs B La B = Bk H = g e βbs z E = <H> = (±1/2 g e βb) når verdien av S z kan ta én av to mulige verdier, z <S z > = m s = ½ ( α>) eller <S z > = m s = ½ ( β>).
sics Oslo ent of Phys versity of O Departme Univ 1. g verdivariasjon For en gitt prøve vil g g e. g vil være forskjellig fra prøve til prøve. g betraktes som en empirisk parameter, måles ved at g = hν/βb g = hν/βb; ν, B måles eksperimentelt. h, β konstanter Årsaken til g variasjon skyldes en kvantemekanisk effekt som kalles spinn banekopling: S og L for et elektron kan koples, H LS = λl S der λ er spinn banekoplingskonstanten. g variasjonen avhenger av hvilke kjerner elektronet er bundet til, hvilke orbitaler elektronet er lokalisert til (L=0 for s orbitaler), og retningen til B relativt til et gitt molekyl.
sics Oslo ent of Phys versity of O Departme Univ 2. Hyperfinvekselvirkning (isotrop) a iso Når et elektron befinner seg i nærheten av en kjerne vil deres magnetiske momenter vekselvirke Fermi s hyperfinvekselvirkning (eller kontaktvekselvirkning) H = a iso S I der a iso er den isotrope hyperfinkoplingskonstanten a β iso = (2μ 0 /3)gβg N β N ψ(r N ) 2 hvor ψ(r N ) 2 er et mål for sannsynligheten for å finne elektronet på kjernens plass (r N ). Eksempel: H atomet. Ett 1s elektron og en kjerne (proton), I N = ½ S = ½ Her er L = 0, g = g e = 2.0023.
Departme ent of Phys sics Univ versity of Oslo Δm s = ±1 og Δm I = 0 ΔE = hν = g e βb ±½ a i energienheter B ± = (1/g e β) (hν ± ½ a ) i magnetfeltenheter (konstant ν) = B 0 ±½ (a /g e β) = B 0 ±½ a
Departme ent of Phys sics Univ versity of Oslo To I = ½ kjerner med samme koplingskonstant (ekvivalente kjerner): Dersom eso det er n ekvivalente ae I=1/2 kjerner, vil det være n+1 linjer med relative intensiteter i følge Pascals talltrekant [(1+x) n] : 3 2 0 1 2 3 4 5 6 7 1 1 1 1 2 1 1 3 3 1 1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1 1 6 15 20 15 6 1 1 7 21 35 35 21 7 1 4
Røntgendiffraksjon Biofysiske metoder UV VIS spektroskopi osmose sentrifugering Sedimentering, enzymkinetikk Genteknologi og Immunologi EPR lab