ג ע" אביב תש מבוא לביופיסיקה / מבחן בית
Transcription
ג ע" אביב תש מבוא לביופיסיקה / מבחן בית
פברואר-מרץ 2013 מבוא לביופיסיקה /אביב תשע"ג מבחן בית הנחיות כלליות: יש לפתור את כל השאלות לפי ההנחיות .נא להסביר בקצרה ובכתב ברור את הדרך; פתרון ללא הסבר לא יתקבל .עבודה על המבחן הינה עצמאית וללא התייעצויות או שותפים .המבחן בנוי על אמון ומטרתו לסכם חלקים חשובים מהקורס .לכל שאלה מצוין הניקוד הכולל כאשר כל סעיף בתוך השאלה הוא בעל משקל שווה .נא להגיש את הפתרונות עד לתאריך: 7.3.2012לא יתקבלו פתרונות מעבר לתאריך זה .נא להגיש את העבודה ישירות אלי או לאלעד סטולוביצקי במעבדתי )חדר 414טלפון .(3389ניתן לפנות אלי במידה ומתעוררות שאלות ).([email protected] בהצלחה. 1 .Iקונפורמציות של מאקרו-מולקולות ) 20נקודות( .1שרשרת פולימר "חצי-גמישה" ) (semi-flexibleהנה בעלת אנרגית כיפוף 1 2 ) (bending energyליחידת אורך 2 Aכאשר kהיא העקמומיות המקומית ו A-מקדם אלסטי ) (bending modulusביחידות של אנרגיהxאורך .ניתן לכן לכתוב A = Ta :כאשר aהוא אורך הקשיחות ) (persistence lengthו B -הוא קבוע בולצמן .בכדי לפשט את הבעיה ,נניח כי השרשרת מונחת על מישור ומתכופפת רק על מישור זה .נשתמש כעת בפרמטריזצית מונג' ) (Mongeכפי שעשינו בכיתה עבור ממברנות )רק שפה יש עקומה במישור דו-ממדי ובממבראנות היה לנו משטח במרחב תלת-ממדי( ונכתוב ביטוי לאנרגיה מהצורה: } { L 2 1 2 ) dx A ∇ 2 h + F ( ∇h ∫ 20 ) ( = E h ( x ) עבור שרשרת עם אורך נומינלי ) Lאורך השרשרת כשהיא מתוחה( ,כאשר ∇2 הוא אופרטור הלפלסיאן ו F -הוא כוח חיצוני מושך המופעל אופקית )במישור( על השרשרתh(x) . הוא הגובה המקומי )פונקציה של (xשל השרשרת מעל קו ייחוס שרירותי המקביל לציר .x א( כתבו את האנרגיה במרחב פורייה כסכום על מודים qבעלי אמפליטודה . ℎ ב( בשימוש בעיקרון חלוקת האנרגיה השווה ) (equipartitionמצאו ביטוי ל ℎ -כפונקציה של qוהטמפרטורה. ג( נניח כי ∆L = L − Lהינו הפרעה קטנה ) (∆L ≪ Lכאשר Lהינו האורך הממשי של השרשרת .פתחו את ∆Lבטור טיילור ורשמו ביטוי עבורו במרחב פורייה כסכום על המודים q בסדר הנמוך ביותר. ד( כעת השתמשו במעבר מסכום לאינטגרל ∑ → ! dq :בכדי לחשב את של Lתחת ההנחה כי # ≫ 1 &. F$ BT #כפונקציה F=k .2נניח שרשרת חד-ממדית עם Nמונומרים ואורך Lהתלויה אנכית בכיוון ̂( כאשר כל מונומר יכול להיות בכיוון ̂( +או ̂( . −קצה השרשרת מחובר לנקודה מעל הרצפה כאשר לקצה השני מחוברת מסה . Mהשרשרת כולה בשיווי משקל תרמודינמי בטמפ' . T א( כיתבו את פונקצית החלוקה Zלשרשרת זו )הצבר הקנוני בטמפ' .(T ב( חשבו את האנרגיה החופשית ואת האנרגיה ./012 , ,- U = −כאשר .β = 1/4 5 הסבירו את ההבדל הפיסיקלי בין האנרגיה החופשית שקיבלתם והאנרגיה .U ג( חשבו את האורך הממוצע 〉 〈/של השרשרת )ממוצע תרמודינמי(. ד( בהתאם למה שחישבתם בסעיפים הקודמים הראו האם המסה תעלה או תרד כאשר הטמפ' תעלה. 2 .IIתהליכי דיפוזיה ) 30נקודות( .1נתבונן על השפעת ממדי המרחב על תהליך הדיפוזיה .הניחו כי חלקיק מונח בתחילה בראשית הצירים במרחב עם dממדים ועובר תהליך דיפוזיה עם מקדם דיפוזיה .D א( מהי צפיפות ההסתברות למצוא את החלקיק במרחק בין rל 8 + ∆8-בזמן ?t ודאו כי הביטוי שקיבלתם מכיל את הנרמול הנכון לפי הממד dבכדי שההסתברות על כל המרחב תהיה אכן .1 ב( ההסתברות לחזור לראשית הצירים או למרחק קטן ממנה δניתנת ע"י )Porig ( t ) = ∫ d d r P(r, t r <δ כאשר עבור זמנים ארוכים ו δ -קטן האקספוננט המופיע באינטגרנד הוא בקרוב טוב ) 1וכך יש להניח בחישוב( .הזמן שהחלקיק ישהה קרוב לראשית הוא: ∞ )torig = ∫dt Porig (t τ חשבו את <; 9:עבור d=1,2,3והראו האם הוא סופי או לא עבור הממדים השונים. ג( עבור הנחות סבירות ,מה המשמעות של התשובות שקיבלתם על ההסתברות לחזור לראשית? .2נניח מספר קבוע של חלקיקים המפוזרים במרחב עם צפיפות ) 0.8=, 2מס' חלקיקים ליח' נפח(. ?, משוואת הרציפות תהיהA= ∙ =J = 0 : ∇ ,@ +כאשר =Jהוא זרם החלקיקים .עבור תהליך דיפוזיה טהור מתקיים: )J D ( r, t ) = − D∇ • n(r, t המוביל למשוואת הדיפוזיה של חלקיקים חופשיים ,ואז =J = =JEעקב תהליך דיפוזיה בלבד. א( נניח כעת כי פועל כוח = AFעל החלקיקים ולתווך יש צמיגות כך שמתקיים =A , vכאשר μ A= = μF vהמהירות .כמו כן נניח כי = AFנגזר מפוטנציאל .חשבו את הזרם =JHהמתווסף ל=JE - המוביליות וA= - עקב הפעלת הכוח. ב( נניח כעת שהפוטנציאל הפועל על החלקיקים מביא את הריכוז שלהם בחלק סופי של המרחב למצב שיווי-משקל ) 0I .8=2שכמובן איננו תלוי בזמן( .מצאו את ) 0I .8=2הניחו כי הפוטנציאל גדל ב- ∞ כך שהוא מרכז את החלקיקים בחלק סופי של המרחב(. ג( מכאניקה סטטיסטית מלמדת אותנו כי בשיווי-משקל תרמודינמי הפילוג הוא פילוג בולצמן .השתמשו בתוצאה שמצאתם בסעיף ב בכדי למצוא קשר בין D , μו.T- MN O ד( כעת השתמשו במימדי הגדלים הפיסיקאליים הבאים :צמיגות ,η LO∙PQ -ומוביליות μ LR∙PQ -עבור vוחשבו מאנליזת ממדים בלבד את הקשר בין הטמפ' חלקיק כדורי עם רדיוס R -הנע במהירות =A למקדם הדיפוזיה ורדיוס החלקיק ,עד כדי קבוע גיאומטרי .C 3 .3קרן לייזר מאירה עם עוצמה I.8=2תמיסה עם חלקיקים פלואורסנטיים )כלומר הבולעים באורך גל מסוים ופולטים באורך גל יותר ארוך( הנכנסים ויוצאים מהקרן ע"י תהליך דיפוזיה שלהם בתמיסה .בחלון זמן קטן ∆ הסיגנל הפלואורסנטי המגיע מנקודת הארה ניתן ע"י: ) n ( t ) = ∆t Q ∫d 3r I ( r ) C ( r , t כאשר T.8=, 2היא צפיפות החלקיקים ו U -קבוע הנקבע ע"י פרטי המערכת .נכתוב את צפיפות החלקיקים בצורה הבאה T .8=, 2 = T̅ + WT.8=, 2 :כאשר ̅ Tהיא הצפיפות הממוצעת ו WT.8=, 2 -הוא החלק הפלקטואטיבי .הסיגנל הפלורוסנטי יכתב בהתאם: . 0.2 = 0X + W0.2נראה כי ניתן לחשב את מקדם הדיפוזיה של החלקיקים מפונקצית 〉〈Z?.[2∙Z?.2 = Y .2כאשר 〉 …〈 מבטא ממוצע על צבר סטיסטי בטמפ' האוטוקורלציה: \?X קבועה. א( כיתבו ביטויים )השאירו את האינטגרלים כמו שהם( עבור: ) (ιעוצמת הסיגנל הממוצע .0X ) (ιιהחלק הפלקטואטיבי בסיגנל .W0.2 ב( הראו כי: ) ∫d r ∫d r I (r ) I (r )δ C (r , 0) • δ C (r , t ' ' 3 2 3 ) (Q ∆t 2 n = ) G (t ג( כאשר החלקיקים עוברים דיפוזיה חופשית )ללא כוחות חיצוניים( אז T.8=, 2ולכן גם WT.8=, 2מקיימים את משוואת הדיפוזיה: ∂ ) δC ( r, t ) = D∇ 2δC ( r, t ∂t השתמשו בהגדרה הבאה של התמרת פורייה ב 3-ממדים עבור פונקציה :f =A = bc ^d .A= 2e !fM∙g _ a \.`2 3 = ^ .8=2וההתמרה ההפוכהA=2el∙8A= : b 8 ^ .8 =A 1 3 .2j22 = # hA=i ^ ופתחו את המשוואה הדיפרנציאלית עבור WTd .A= , 2ופתרו אותה עד כדי קבוע A=, 02 WTd .של תנאי ההתחלה. ד( חשבו את פונקצית הקורלציה 〉 〈WT.8=, 02WT.8= m , 2והראו כי היא שווה ל- C 3 ) ' − Dk 2 t ik •( r − r d ke e ∫ (2π)3 כאשר מתקיים 〈WT.8=, 02WT.8= mm , 02〉 = T̅ W c .8= − 8= mm 2כלומר הפלקטואציות בצפיפות אינן בקורלציה )במקרה כזה הוריאנס ) (varפרופורציוני לממוצע—פילוג כזה נקרא פילוג פואסון(. הערה :ניתן להשתמש בעובדה שעבור פונקציות אורתוגונאליות מתקיים: 3 ) ( 2π ) δ 3 ( r − r '' ) = ∫d 3keik •( r − r '' ה( כעת חשבו את Y .2לפי סעיף ב )ניתן להשאיר את האינטגרל(. 4 .IIIקינטיקה של אינזימים ) 30נקודות( א( קראו את מאמרו המצורף של Hopfieldעל kinetic proffreadingוהסבירו בקצרה )לא יותר מחצי עמוד( את עיקרון הפחתת השגיאות המוצג במאמר .האם התהליך דורש אנרגיה? אם כן ,מדוע ובאיזה שלבים של הקינטיקה? הסבירו! כעת נחשב את התהליך של תיקון שגיאות בשכפול דנ"א לפי עקרון זה .תחילה נתבונן על הריאקציה ללא תיקון שגיאות .נניח שהפולימרז )האנזים המשכפל של הדנ"א( צריך להכניס את הבסיס הנכון בשרשרת הדנ"א הנבנית שהיא העתק של מולקולת הדנ"א המשוכפלת עליה הפולימרז "צועד" .נדמה את התהליך כריאקציה כימית שבה האנזים )פולימרז( קושר בסיס מהתמיסה )הבסיס הזה הוא הסובסטרט( ומצמד אותו בשרשרת הנבנית .הבסיס הנקשר צריך להתאים לבסיס שהפולימרז קשור עליו על המולקולה המשוכפלת .בתמיסה קיימים רק שני סוגי בסיסים ובנקודה מסוימת רק אחד מהם הוא הבסיס המתאים .הריאקציה הכימית ניתנת לתיאור ע"י הסכמה הבאה: כאשר Eהוא האנזים )פולימרז( A ,הוא הבסיס הנכון ו B-הוא הבסיס השגוי nopqrOst .הוא הקצב בו m nouqrOstהוא קצב יצירת התוצר השגוי עם בסיס נוצר התוצר הנכון )הכנסת בסיס Aלשרשרת( ו- .Βהניחו כי הריכוזים npqו nuq -לא מידללים ונשארים קבועים בתהליך. ב( כתבו את המשוואות הקינטיות לתהליך המתואר. ג( בכדי לתאר את ההסתברות לשגיאה fהמוגדרת כ -קצב יצירת nuqחלקי קצב יצירת , npqאין צורך לפתור את המשוואות .חשבו במצב עמיד את ההסתברות לשגיאה עבור ריאקציה זו .כיצד לדעתכם ניתן להקטין את השגיאה בעזרת שינוי בפרמטרים m ?rOst = rOstקבלו חסם תחתון להסתברות השגיאה. הקינטיים אבל תחת ההנחה כי ד( רשמו ביטוי לחסם תחתון של fכפונקציה של האנרגיות החופשיות &vו &4 -להוצאת מולקולת בסיס Aאו Bמהתמיסה וקישורה לאנזים בהתאמה )ברור שיש מחסום אנרגטי המבוטא ע"י קצב סופי של ריאקצית הקישור(. ה( כעת נפעיל תיקון קינטי ) (kinetic proofreadingלפי הסכמה הבאה: וסכמה דומה עבור o ∗ .Bמבטא שינוי במבנה האנזים Eעקב השלב הנוסף בריאקציה .חשבו כעת את החסם התחתון לשגיאה כפונקציה של האנרגיות החופשיות &vו &4 -כאשר ניתן להניח בקרוב טוב כי Fz∗ ~Fzו .F∗ ~F -מה היה קורה אילו הריאקציה rהייתה הופכית ,כלומר היה קיים 8 mבכיוון ההפוך מ E ∗ A -ל) EA -וכנ"ל ל ?(Β -האם דרושה הכנסת אנרגיה לתהליך תיקון השגיאה ואם כן איזה שלב דורש אנרגיה? הסבירו! .IVתהליכים חשמליים ומתח המנוחה בתאים ) 20נקודות( .1מתח צומת נניח ממשק )צומת מגע( בין שני אלקטרוליטים )תמיסות יוניות( שונים עם ריכוזי יונים חיוביים ושליליים C +1 = C −1 = C 1ו C +2 = C −2 = C 2 -רחוק מן הממשק .בתוך עובי ממשק dבין שני האלקטרוליטים קיימים ריכוזי יונים ) C − (x) , C + (xופוטנציאל חשמלי )) Ψ (xבעיה חד-מימדית( .לפיכך ,על פני הממשק קיים מתח צומת . V j הניחו מצב עמיד וכי אין הצטברות של יונים באף מקום במרחב כך ששטפי הזרמים מקיימים- . J = J+ + J− = 0 א .קבלו ביטוי עבור מתח הצומת V jכפונקציה של הטמפרטורה והריכוזים C 1ו C 2 -והמוביליות של היונים החיוביים והשליליים u +ו. u − - רמז :הניחו כי בתוך הממשק המשתרע מ 0-ועד dקיימת ניטרליות כך ש- dΨ כפונקציה של גרדינט הריכוז בממשק ובצעו ) . C+ ( x) = C− ( x) = C ( xקבלו ביטוי עבור dx אינטגרציה על פני עובי הממשק .d ב .קבלו ביטוי עבור השטף הכללי שהוא סכום השטפים של הקטיונים )יונים חיוביים( ואניונים )יונים שליליים( כפונקציה של גרדינט הריכוז בממשק. .2משוואת גולדמן ) (Goldmanלמתח המנוחה. נסמן Φ enו Φ in -השטפים פנימה והחוצה לתא דרך הקרום של יון .nהשטף נטו הוא לפיכך . Φ n = Φ in − Φ enנסמן Cneו Cni -ריכוזי היון ה n-מחוץ ובתוך התא בהתאמה. הניחו כי השטף החוצה פרופורציוני לריכוז היונים הפנימי והשטף פנימה פרופורציוני לריכוז א. היונים החיצוני של יון , nכלומר Φ en = PneCne :ו Φ in = Pni Cni -כאשר Pneו Pni -בלתי תלויים בריכוז. Φ in Cni ( Z n F / RT )Vm ) ( Z n F / RT )(Vm −V n הראו כי : = e = e Φ en Cne כאשר Vnהוא מתח Nernstשל יון nו Vm -מתח הקרום .המתחים מוגדרים חיוביים כאשר הצד הפנימי של הקרום יותר חיובי מהצד החיצוני שלו. ב .כעת הניחו כי כל היונים הם חד-וולנטיים ) .( Z n = 1השתמשו בחלק א בכדי להראות כי במצב עמיד ∑ PneCne + ∑ PniCni RT Z n = +1 Z n = −1 ln = ) Vm (rest e i i e F ∑ Pn Cn + ∑ Pn Cn Z n = −1 Z n = +1 שהיא משוואת Goldmanלמתח המנוחה. 6