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Introducao Uma breve historia dos atomos Termodinamica Acessando o sutıl
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1 Introducao
2 Uma breve historia dos atomos
3 Termodinamica
4 Acessando o sutıl
Introducao Uma breve historia dos atomos Termodinamica Acessando o sutıl
Nascimento da Nanotecnologia
29/12/1959 Feynman proferiu apalestra “Existe muito espaco la embaixo” no MIT.Enciclopedia Britanica em umalfinete, escrevendo em um planoUsando atomos podemos escrevertodo o conhecimento humano emum grao de poeira.Melhores Microscopios.
http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
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Escala
Nanometro equivale 10−9 m.Em um cubo de um nanometro podemos abrigar em tornode mil atomos.Escala das moleculas de interesse biologico.Excecao: DNA de seres humanos pode medir 1 m!
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Motores Moleculares
Os motores moleculares sao objetos que vivem nesta escala eque sao capazes de operar como motores, ou seja saocapazes de realizar trabalho utilizando energia quımica oueletrica.
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Perguntas
Como podem operar estas diminutas maquinas emambientes tao adversos?Como devemos descreve-las? Em que processosbiologicos atuam?Como podemos planejar maquinas para atuar no mundoda nanotecnologia?
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3 Termodinamica
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Gregos
Tales: “Tudo e agua”Princıpio atomıstico de Leucipo e Democrito: Atribui ocomportamento de todas as coisas a partıculas indivisıveischamadas de atomos.”Tudo que existe no universo e fruto do acaso e danecessidade.”
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Atomıstas e “Continuıstas”
AtomıstasNewtonLeibnitzBoltzmannPlanck
“Continuıstas”Filosofia que advogaque os atomos saoinobservaveis.Ernst Mach
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Boltzmann
Base microscopica daSegunda LeiS = kB ln Ω
Cinetica dos GasesProbabilidades namecanica.
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Termodinamica
Sistemas em equilıbrioSem correntesHomogeneosSem evolucao TemporalComportamento do sistema nao dep. da Historia
Numero muito grande de elementosInteracoes de curto alcance
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As leis da Termodinamica
1 Corpos em equilıbrio possuem a mesma temperatura2 A energia se conserva.3 Segunda Lei.
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Entropia
Variavel de Estado. Todo o sistema em equilıbrio possuiuma entropia associada.∆Q = ∆S/TNa Mecanica estatıstica e dada por: S = kB ln Ω, onde Ω eo volume no espaco de fase compatıvel com os vınculosdo sistema.Por simplicidade podemos pensar em S como umamedida da desordem do sistema.
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Segunda Lei
A entropia de um sistema fechado sempre aumenta(Clausius).Calor nao pode fluir espontaneamente de um corpo friopara um corpo quente. (Clausius)E impossıvel converter calor completamente em trabalho.(Kelvin)
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Ciclo de Carnot
A eficiencio maxima de umamaquina termica e dada por:
η = 1 − T1
T2
onde Ti sao as temperaturasdos reservatorios termicos.
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Existencia dos atomos
Robert Brown1827 - ObservacaoMicroscopioLeeuenwenhoek:Interpretacao AnimistaBrown: medidascuidadosasinterpretacao fısica
Clarkia pulchella
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Modelo de Einstein
Ate 1905: Nenhuma TeoriaEinstein e a hipotese atomısticaTratamento genial, permitiu determinar N o numero deAvogrado.
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Modelo de Einstein
Considere um cırculo de raio r em torno da partıcula,quanto tempo devemos esperar para que a partıcula cruzeeste cırculo?Papel das Flutuacoes
〈r2〉 =RTN
13πkP
t
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 raiodas partıculas.Existencia dos atomos
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Fotons
Em 1905 Einstein introduziu o conceito de foton:quanta de energiapossui momentum e energiapode mudar a direcao de movimento dos atomos e excitareletrons
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Biomoleculas
proteınas,moleculas formadas a partir de nucleotıdeos: DNA e RNAelipıdios
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DNA
dupla fita em forma deespiralmolecula carregadaassociamos umadirecao a suas ligacoesquımicas.
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RNA
fita simplesem forma deespiralMaior ComplexidadeEstrutural
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Proteınas
Estrutura mais ricaTres elementos estruturais:
alfa-helices,folhas betas eligacoes to tipo coil
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Proteınas
Tres representacoes da proteına triose fosfato isomerase.
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3 Termodinamica
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Aparato Experimental
Aparelhos de Raio-X permitem determinar a estrutura deproteınas e acidos nucleicos, mas para tanto necessitamde cristaisRessonancia Magnetica Nuclear permite determinar aestrutura e eventualmente aspectos da dinamica debiomoleculas. Necessita de grandes quantidades demoleculasMicroscopio do Forca Molecular permitem caracterizarindividualmente as moleculasPincas oticas permitem manipular e medir forcas emescalas microscopicas.
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Atomic Force Microscope- AFM
Alavanca microscopica com ponta muito fina.Ao se aproximar do material forcas surgem, elas saomedidas pela defexao da alavanca.Diferentes forcas podem ser medidas:
forcas de Van der Waals,ligacoes quımicas,forcas eletrostaticas,forcas de solvatacao eforcas de Casimir.
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Atomic Force Microscope - AFM
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Atomic Force Microscope- AFM
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Pinca Otica
Forca exercida por umaluz laser fortementefocada para aprisionarobjetos pequenos.Nesta escala esta forcae comparavel as outrasforcas do sistema.
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Teoria
Objetos Pequenos: a luz induz a formacao de um dipoloeletrico nas partıculas, este processo atrai aspartıculas na direcao do foco do laser
Objetos Grandes os objetos agem como lentes refratando osraios de luz, este processo faz com que os objetossejam atraıdos pela luz do laser.
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Pincas Oticas
Aprisionam objetos com 5 nmExercem forcas da ordem de 100 pN .Esta escala de forcas e excelente para manipularmacromoleculas.Esta tecnologia tem sido utilizada para medir forcasexercidas por motores moleculares
miosina,kinesina,enzimas eribossomas.
Exemplos de Motores Biomoleculares A base Fısica dos Motores Moleculares Questoes em Aberto Perspectivas Bibliografia
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5 Exemplos de Motores Biomoleculares
6 A base Fısica dos Motores Moleculares
7 Questoes em Aberto
8 Perspectivas
9 Bibliografia
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Motores Biomoleculares
Na decada de 70 as celulas eram pensados como tubosde ensaios contendo misturas de compostos quımicos.Nos ultimos anos esta visao mudou.As celulas sao estruturas polares e seu interior e naohomogeneo e nao isotropico.Muitos processos bioquımicos envolvem movimentodirecional e transporte de especies quımicas.
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Processos
Processos celulares requerem que a informacaoarmazenada em sequencias de polımeros seja lida deforma direcionalAs celulas devem se orientar em resposta a gradientesquımicos e outros sinais.
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Maquinas
Para vencer os efeitos aleatorios do movimento browniano,as celulas possuem estruturas moleculares que devem secomportar como pequenas maquinas mecanicas.Estas maquinas operam como motores moleculares queconvertem energia quımica em energia mecanica.Elas operam com nıveis de ruıdo termico comparados assuas energias.
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Mecanismos Universais
Existem muitos tipos diferentes de motores moleculares:Motores que se locomovem ao longo de polımeros.Motores que se movimentam ao longo de DNA e RNA.Motores moleculares que exercem torque.
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Outras Classificacoes
Processuais Se deslocam ao longo de sua base desustentacao durante muitos “passos”. Ex.Kinesina
Nao Processuais Se deslocam poucos passos e tendem apossuir um comportamento coletivo. Ex. Miosina II
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Funcoes
Contracao e movimento muscular: MiosinaMovimento ciliar: DineınaMovimento de Organelas: KinesinaSinalizacaoLocalizacao de RNATransducao sensorialDesenvolvimentoReplicacao Celular
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Zoo
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Doencas Envolvidas
MiopatiasSindrome de GriscelliSurdezRetinitis PigmentosaTransporte ViralDoencas Neurodegenativas
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Mecanismos Universais
Apesar de existir variacao entre os motores eles partilhamcaracterısticas universais.Teorias buscam explicar os mecanismos fısicossubjacentes.Objetivo: esclarecer o papel que as flutuacoes e oacoplamento entre a cinetica quımica e a estrutura fısicadesempenham no comportamento e na eficiencia destasmaquinas.
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3 Exemplos
Kinesina e dineınaRNA PolimeraseFlagelo de Bacteria
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Kinesisa e Dineına
Na medida em que as dimensoes dos objetos vao se tornandomenores a forca gravitacional se torna negligıvel.Por exemplo: Um motor molecular de dimensoes de 10 nmpode gerar forca suficiente 5 pN para levantar o peso de umahemacia de dimensoes 1000 vezes maior e com um volumebilhoes de vezes maior.
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Kinesisa e Dineına
As dineınastransportam material aolongo dos microtubulosque sao orientados nadirecao do centro dacelula.Estas moleculasconseguem transportarorganelas inteiras comoo complexo de Golgi
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RNA Polimerase
A RNA polimerase e uma proteına que caminha no DNAsendo responsavel por produzir RNA mensageiro.Este processo pode ser dividido em :
localizacao de sinais caracterısticos na sequencia de DNA,chamados de promotores,desenrolar e abrir a dupla fita,gerar a fita complementar de RNA,recompor a fita de DNA efinalmente localizar a regiao terminal dos genes eabandonar a fita de DNA.
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RNA Polimerase
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RNA Polimerase
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Flagelo de Bacterias
Muitas bacterias se utilizam de uma cauda para selocomover, esta estrutura recebe o nome de flagelo.Sao necessarias 20 diferentes tipos de partes para que omotor funcione:
motores responsaveis pela rotacao do flageloproteınas que extraem informacoes do meio celular edecidem em qual direcao o motor deve girar.
O motor opera atraves da energia fornecida por ıons queatravessam a membrana da celula.
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O motor gira com freq.de 100 hz.O motor gira no sentidohorario e a bacteria semove erraticamenteO motor gira no sentidoanti-horario e a bacteriase move de formalinear.
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Flagelo
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flagelo
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Complexidade Irredutıvel
A complexidade desta estrutura tem sido utilizada comoexemplo paradigmatico de Complexidade Irredutıvel, ou sejasistemas que por serem muito complexos e precisarem dofuncionamento orquestrado de muitas unidadesinterdependentes nao poderiam ter sido produzidos por umprocesso aleatorio.
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Complexidade Irredutıvel
Contudo muitas das proteınas envolvidas possuemsimilaridade com outras que desempenham outras funcoesbiologicas, isto e um forte indicativo que esta estrutura deve tersido gerada em um longo processo evolutivo.http://www.newscientist.com/channel/life/dn13620-evolution-24-myths-and-misconceptions.html.
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Catraca Browniana
O princıpio basico de funcionamento dos motoresmoleculares e a catraca browniana.Retificamos o ruıdo, eliminando as partes dele que naonos interessam e explorando aquelas que contribuem parao movimento. (Princıpio de Rubens Ricupero: “O que ebom gente mostra, o que e ruim a gente esconde.”
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Carro na Rampa
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Proteına
Para uma proteına imersa na agua, este efeito faria a moleculase mover um mıcron por segundo, mais de 10 vezes o seutamanho. Em termos comparativos isto equivaleria a um carroandando a 100 km/h.
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Catraca
roda dentada comdentes assimetricosuma lingueta: umpequeno braco queimpede que a catracaretroceda.A lingueta esta ligada auma mola.
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Violacao da Segunda Lei
Uma questao importante e se este mecanismo nao iria violar asegunda lei da termodinamica.Esta maquina e um exemplo de moto perpetuo do segundotipo: transforma calor inteiramente em trabalho, o que violaesta lei.
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Analise de Feynman
O problema neste caso e que o ruıdo termico tambemagiria sobre a mola, fazendo com que ela eventualmenteliberasse a catraca.Este efeito cancela os anteriores.Solucao manter a catraca e as pas em temperaturasdiferentes.Se a temperatura da catraca for maior do que as pas, osistema funciona como motor.Se a temperatura da catraca for menos do que as pas, osistema funciona na direcao contraria.
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Modelo para a Kinesina
Potencial que a kinesina enfrenta possui a forma de umdente de serraA hidrolise de moleculas de ATP faz com que o potencialse torne plano (o que sera equivalente a retirar a linguetada catraca).A liberacao dos ADPs retorna o potencial para a forma deum dente de serra (recolocando a lingueta), o quedependendo de quanto a molecula andou permite que elaavance para o proximo dente.
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Questoes
Determinacao da estrutura de um maior numero demotoresAlvos dos motores e regulacaoImplicacao de motores em doencasUso em nanotecnologia.
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Futuro de Feynman
Melhores microscopios oticos, na verdade uma novatecnologia para microscopios: forcas molecularesComputadores mais rapidos e qualitativamente diferentesdos computadores de 1950.
Reconhecimento de rostosAuto programacao
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Futuro de Feynman
Nanorobos capazes de realizar cirurgiasNovos materiais e nanomaquinas identicas.Sıntese quımica atomo a atomo.
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Perspectivas.
Em linhas gerais nos aproximamos do futuro de Feynman.Mas ainda estamos muito distantes de varias dasprevisoes.Avanco muito rapido em Biologia.
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Futurologia
Cirurgia genomica: alteracao do DNA em todas as celulasde um indivıduo, ou de um orgao.Reprogramacao ou reconstrucao sinaptica.Criacao de maquinas capazes de se auto-reproduzirem.Farmacos adaptados para o indivıduo, levando em contaparticularidades das proteınas presentes no indivıduo.Armazenar o estado de um determinado sistemaneurologico.
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Bibliografia
ASTUMIAN, R. D. , “Making Molecules into Motors”, Sci. Am.,July, 57, (2001).BUSTAMANTE,C.; KELLER, D. ; OSTER, G. “The Physics ofMolecular 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).