Fisica estadistica de liquidos y Sistemas complejos

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Fisica estadistica de liquidos y Sistemas
complejos
Master en Fisica de la Materia Condensada y
Nanotecnologia
Pedro Tarazona (C-V-602) . -Sistemas
anfifilicos y membranas -Proteinas y
macromoleculas biologicas
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La materia condensada blanda
Liquidos fases condensadas formadas como
resultado de un balance entre energia y
entropia. -Aparecen en un rango finito de
temperaturas, entre el desorden de un gas y el
orden de un cristal DESORDEN MUY
CORRELACIONADO
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La materia condensada blanda
Liquidos fases condensadas formadas como
resultado de un balance entre energia y
entropia. -Son rigidos respecto de algunos
aspectos y blandos respecto de otros
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La estructura de las moleculas se transmitir a
las propiedades macroscopicas

• Liquidos simples Forma blanda
• Volumen duro
• Cristales liquidos nematicos Forma blanda
• 
  Volumen duro
• 
  Orientacion dura

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(Macro)-moleculas organicas

• Los enlaces quimicos entre atomos de carbono
  permiten una enorme cantidad de combinaciones
  quimicas, y pueden producir moleculas con todo
  tipo de propiedades.
• Que tipo de fases o estructucturas pueden
  aparecer?

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La materia viva !

• Estructuras de materia condensada blanda que
• en condiciones fuera del equilibrio termodinamico
• son capaces de auto-organizarse y reproducirse

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Experimento de Miller-Urey sobre la quimica
pre-biotica
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BioquimicaTipos de moleculas

• Azucares
• Lipidos
• Proteinas
• Acidos nucleicos

y reacciones quimicas entre ellas.
Metabolismo La celula como un reactor quimico
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Biologia molecular- Biofisica molecular

• Las reacciones metabolicas ocurren en unas
  estructuras muy (auto)-organizadas espacial y
  temporamente.

• Compartimentacion
• Conectividad
• Transporte activo
• La celula como una nano-factoria quimica, capaz
  de auto-ensamblarse y replicarse

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Fisica estadistica de liquidos y Sistemas
complejos
Master en Fisica de la Materia Condensada y
Nanotecnologia
-Sistemas anfifilicos y membranas
Compartimentacion -Proteinas
Catalizadores, estructuradores,
nano-maquinas -Acidos nucleicos La
dinamica darwiniana

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La invencion de la individualidad es el requisito
esencial para poner en marcha el mecanismo de
dinamica Darwiniana, que ha creado la asombrosa
explosion de complejidad de los seres vivos. Con
mucha probabilidad, las vesiculas de bicapas
lipidicas, que se forman espontanemente en las
condiciones adecuadas jugaron un papel esencial
en el mundo prebiotico y se han incorporado a las
partes esenciales de las celulas.
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La fisica de los agregados anfifilicos
1.- INTRODUCCION Autoestructuracion de la
materia blanda desde las moleculas hasta escalas
nano y micrometricas
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Membranas lipidicas
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Membranas lipidicas
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Como se montan esas estructuras?
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(No Transcript)
17
Se montan ellas solas!
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Faciles de manipular
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Moleculas anfifilicas
Cabeza polar Cola(s) no polares Unidas en
una molecula
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La estructura quimica de las cabezas y de las
colas puede ser muy variada (y complicada)
Detergentes, surfactantes, fosfolipidos...
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...pero presentan aspectos comunes en su
capacidad de formar estructuras complejas al
disolverse en agua o en las superficies del agua

• Micelas
• Membranas bicapa
• Vesiculas
• Cristales micelares
• Fases hexagonales
• Fases bicontinuas ordenadas
• Pesadillas del fontanero...

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...pero presentan aspectos comunes en su
capacidad de formar estructuras complejas al
disolverse en agua o en las superficies del agua

• Micelas
• Membranas bicapa
• Vesiculas
• Cristales micelares
• Fases hexagonales
• Fases bicontinuas ordenadas
• Pesadillas del fontanero...

Cuales son las razones basicas que hay detrás
de estas estructuras?
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Podemos tratar de entenderlo con modelos simples
de sistemas complejos
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La cabeza polar se disolveria en agua
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Las colas se segregarian en
agua como el aceite
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Que pueden hacer cabezas y colas unidas?
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(No Transcript)
28
(No Transcript)
29
(No Transcript)
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• Estas estructuras se observan experimentalmente,
• en condiciones controlables de concentraciones y
• temperatura.
• Los diagramas de fase globales muestran
  transiciones
• de unas fases a otras, variando esos parametros
  fisicos.
• Algunas moleculas forman solo uno o dos tipos de
• agregados, otras tienen diagramas de fase mucho
  mas
• complejos, con rangos de estabilidad de muchas
  fases
• distintas.

Estudios experimentales
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• Estas estructuras se observan como elementos
  esenciales en estructuras biologicas. Los
  procesos bioquimicos requieren la concentracion,
  segregacion, canalizacion, transporte,
  almacenamiento, etc...
• de los metabolitos. Las estructuras de membranas
  lipidicas son el componente esencial para la
  compartimentacion en los organulos celulares.
• La propia individualidad de las celulas esta
  mantenida por las membrana celular, formada por
  bicapas lipidicasproteinas

Observacion in vivo
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(No Transcript)
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Cual es la base fisica de la formacion y de las
propiedades de los agregados anfifilicos?
Contenido del tema 1.- Introduccion 2.-
Estabilidad termodinamica de los agregados. 3.-
Hamiltonianos efectivos de superficie. 4.-
Modelos moleculares simples
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2.- Estabilidad termodinamica de agregados
anfifilicos Micelas
Nano-gotas, con N 100-1000 moleculas,
que no pueden crecer de
tamaño, por el
requisito de que las cabezas polares esten
en la superficie
Membranas Fases macroscopicas
bidimensionales
pero en un mundo tridimensional
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(No Transcript)
36
(No Transcript)