Tópicos de Biofísica

  1. Introducción a la biofísica.
  2. Bioenergética.
    1. Termodinámica de la transducción de energía en membranas biológicas. Problemas
      1. Termodinámica del DH+ - ligado a procesos activos.
      2. Termodinámica del DH+ - ligado a la síntesis de ATP.
      3. ATP y alta energía.
      4. Reacciones de oxidación-reducción.
      5. Energía libre de activación para la transferencia de electrones.
    2. Termodinámica de los estados excitados de la fotosíntesis.
      1. Equilibrio de radiación.
        1. Equilibrio absorción/desactivación.
        2. Estimados numéricos.
      2. Trabajo de extracción.
      3. La imagen energética de la fotosíntesis "real".
        1. Espectro de absorción.
        2. Papel de la antena.
        3. Potencial vs rendimiento cuántico.
    3. Bacteriorrodopsina.
      1. Estructura.
      2. El fotociclo.
        1. Espectroscopía de transición.
        2. Pasos del ciclo fotoquímico.
        3. Eventos de la transferencia de protones cerca de la superficie membranal.
        4. Espectroscopía infrarroja de los fotointermediarios.
        5. Cristalografía de los estados intermedios.
      3. Mecanismos de la tranferencia de protones.
        1. Desprotonación de la base de Schiff.
        2. Reprotonación de la base de Schiff.
        3. Reprotonación del Asp-96.
        4. Desprotonación del Asp-85.
      4. Naturaleza del interruptor de la transferencia de protones.
  3. Canales, receptores y transportadores.
    1. Introducción a la electrostática continua, con aplicaciones moleculares.
      1. Electrostática sin dieléctricos.
      2. Electrostática en un medio dieléctrico uniforme.
      3. Las bases físicas del barrido dieléctrico.
      4. El trabajo de polarización.
      5. Electrostática continua a nivel molecular.
      6. Fronteras dieléctricas.
      7. Fuerzas electrostáticas para una constante dieléctrica no uniforme.
      8. Solvatación electrostática.
      9. Iones móviles y la ecuación de Poisson-Boltzmann.
      10. Resolviendo la linearización de la ecuación de Poisson-Boltzmann.
      11. Electrostática y modelado molecular.
      12. Ideas sobre electrostática molecular.
      13. Realizando cálculos de diferencias finitas de Poisson-Boltzmann.
    2. La permeabilidad como procesos de difusión.
      1. Simulación de concentración.
      2. Simulación de corriente.
      3. Simulación de potencial.
      4. Condiciones de frontera.
      5. Movimiento atómico.
      6. Promediando.
      7. La carga es la fuente del potencial.
      8. De la carga al potencial.
      9. Resolviendo las ecuaciones PNP.
      10. ¿Qué hacer con estas ecuaciones?
      11. Coeficiente de difusión.
      12. Fuerza motriz para el movimiento iónico.
      13. Biología de la permeabilidad.
      14. Linearidad de las relaciones I(V).
      15. ¿Qué sucede si no conocemos la estructura?
      16. ¿Cuáles son las conclusiones generales?
      17. ¿Qué se ha hecho?
      18. ¿Qué se requiere hacer?
    3. Carga de superficie.
      1. Teoría Gouy-Chapman.
      2. Evidencia experimental de la Teoría Gouy-Chapman.
      3. Evidencia experimental contra la Teoría Gouy-Chapman.
      4. Posible solución de las diferencias experimentales.
      5. Significado de la carga de superficie.
    4. Mecanismos alostéricos en la activación de canales con puerta de ligando.
      1. Teoría alostérica.
        1. Proteínas alostéricas con un solo sito de unión.
        2. Proteínas alostéricas con múltiples sitios de unión.
        3. Otros modelos para señales proteicas.
          1. La ecuación de Hill.
          2. El modelo de Koshland-Nemethy-Filmer.
          3. La Teoría de Weber.
      2. Análisis experimental de canales con puerta de ligando.
        1. Activación cooperativa.
        2. Transiciones de afinidad.
        3. Detección de transiciones alostéricas.
        4. No equivalencia de sitios de unión.
        5. Aditividad de energías de unión.
        6. Independencia de sitios de unión.
      3. Funciones fisiológicas del receptor A de acetilcolina.
      4. Bases microscópicas de la teoría alostérica.
      5. Mutaciones alostéricas y aditividad microscópica.
      6. Canales dependientes de voltaje.
  4. Biofísica teórica y computacional.
    1. Modelado biomolecular.
      1. Simulaciones macromoleculares.
        1. Mecánica clásica y cuántica.
        2. Mecánica estadística - Calculando los equilibrios promedio.
        3. Mecánica clásica vs cuántica: El oscilador armónico en una dimensión.
          1. Probabilidad(x): ¿Dónde está la partícula oscilante?
          2. Energía U promedio y capacidad calórica.
          3. Fluctuación media cuadrática.
          4. Comparación total - ¿Qué significa para la simulación?
        4. Electrostática del modelo "Generalized Born".
        5. Simulación macromolecular clásica.
          1. Una nota sobre la notación - lenguaje CHARMM.
          2. Simulando biomoléculas: Los tres ingredientes necesarios.
            1. Una descripción de la estructura.
            2. Coordenadas iniciales.
            3. Una función empírica de energía: Energía libre vs Energía potencial.
        6. La función empírica de energía potencial.
          1. Coincidiendo las aproximaciones electrostáticas de CHARMM a las ambientales.
            1. Aproximaciones.
            2. Solvente no explícito (RDIE).
            3. Solvatación parcial por moléculas explícitas de agua.
            4. Soluciones, cristales e interfases.
        7. Simulaciones clásicas y técnicas de modelado.
          1. Preguntas que podemos hacer con una computadora.
          2. Minimización de energía.
          3. Simulación de dinámica molecular (MD).
          4. Simulación de dinámica Langevin (LD).
          5. Simulación Monte Carlo (MC).
          6. Análisis de modo normal (Harmónico).
          7. Desnaturalización simulada.
        8. ¿Qué es exclusivo de los experimentos por computadora?
        9. Vale la pena preocuparse por...
      2. Modelado molecular.
        1. Métodos y aplicaciones.
        2. Tópicos en biología estructural.
        3. Tópicos especiales.
      3. Una guía a la mecánica estadística para el modelador molecular.
        1. Principios básicos y el ensamble microcanónico.
          1. Leyes clásicas del movimiento.
          2. Ensambles y termodinámica.
            1. Un ensamble de partículas.
            2. Termodinámica microscópica.
            3. Formalismo para sistemas clásicos.
          3. Ejemplos: Gas ideal clásico.
          4. Ejemplos: Gas ideal cuántico.
        2. Ensamble canónico y equipartición.
          1. La distribución canónica.
            1. Una derivación.
            2. Otra derivación.
            3. Una derivación más.
          2. Más termodinámica.
          3. Formalismo para sistemas clásicos.
          4. Equipartición.
          5. Ejemplo: Osciladores armónicos y radiación de cuerpo negro.
            1. Oscilador clásico.
            2. Oscilador cuántico.
            3. Radiación de cuerpo negro.
          6. Aplicaciones: Teoría Poisson-Boltzmann.
          7. Breve introducción al gran ensamble canónico.
        3. Movimiento browniano, ecuaciones de Fokker-Planck, y el teorema de fluctuación-disipación.
          1. Ecuación unidimensional de Langevin y el teorema de fluctuación-disipación.
          2. Ecuación Fokker-Planck.
          3. Movimiento browniano de varias partículas.
          4. Fluctuación-disipación y dinámica browniana.
    2. Modelos matemáticos en biofísica.
      1. Especificidad del modelado matemático de sistemas vivos.
      2. Modelos básicos en biofísica matemática.
        1. Crecimiento ilimitado. Crecimiento exponencial. Autocatálisis.
        2. Crecimiento limitado. La ecuación Verhulst.
        3. Relación respecto a un substrato. Los modelos de Monod y Michaelis-Menten.
        4. Competencia. Selección.
        5. El disparador de Jacob y Monod.
        6. Los modelos clásicos de Lotka y Volterra.
        7. Modelos de la interacción entre especies.
        8. Modelos de la catálisis enzimática.
        9. Modelo de un cultivo de microorganismos lotic.
        10. Estructura de edades en poblaciones.
          1. Las matrices de Lesley.
          2. Modelos continuos de la estructura de edades.
      3. Oscilaciones y ritmos en sistemas biológicos.
        1. Glucólisis.
        2. Oscilaciones del calcio intracelular.
        3. Ciclos celulares.
      4. Auto organización espacio temporal de sistemas biológicos.
        1. Olas de vida.
        2. Auto olas y estructuras disipativas.
        3. El modelo básico.
        4. Modelos de la morfogénesis.
        5. La reacción Belousov-Zhabotinskii (BZ).
        6. Teoría de la conductividad nerviosa.
      5. Modelos físicos y matemáticos de biomacromoléculas.
        1. Dinámica molecular.
        2. Modelos de la motilidad SNA.
      6. Modelado de sistemas biológicos complejos.
        1. Teoría del control metabólico.
        2. Modelos de los procesos fotosintéticos primarios.
  5. Electrofisiología.
    1. Detección de secreciones por métodos electroquímicos.
      1. Electroquímica.
        1. Difusión y amperometría.
        2. Difusión y voltametría cíclica.
        3. Voltametría cíclica de barrido rápido en células individuales.
        4. Efectos de tasa de barrido de potencial variable.
        5. Amperometría en células individuales.
        6. Efecto de espaciado de electrodos.
      2. Construcción de microelectrodos.
        1. Materiales y procedimiento.
        2. Microelectrodos de vidrio.
        3. Materiales.
        4. Procedimiento.
        5. Preparación de superficie de electrodo.
        6. Otras geometrías de electrodo: Cilindro y microdiscos.
      3. Instrumentación.
        1. Consideraciones generales.
        2. Microscopio.
        3. Micromanipuladores.
        4. Adquisición de datos.
        5. Ruido eléctrico.
        6. Fabricantes.
      4. Técnicas en conjunto con amperometría.
      5. Otros ejemplos de monitoreo electroquímico de la exocitosis.
      6. Modificaciones a la superficie de electrodos.
  6. Contractilidad muscular y celular.
    1. Bioquímica de la contracción muscular.
      1. Músculo esquelético.
        1. Proteínas contráctiles.
          1. Estructura de la miosina.
            1. Tamaño y forma de la molécula de miosina.
            2. Fragmentos proteolíticos de la miosina.
            3. Cadenas ligeras de la miosina.
          2. Función.
            1. Unión miosina-actina.
            2. Actividad de ATPasa de la miosina.
            3. Sitios de unión de actina y de ATPasa en la miosina.
            4. Intermediarios de la hidrólisis de ATP.
            5. Actividad de ATPasa de la miosina y velocidad de la contracción muscular.
            6. Cadena pesada de la miosina.
          3. Ensamble.
            1. Fibras musculares, miofibrillas.
            2. Estructura tridimensional de la actina.
            3. Los contactos intersubunidades en los filamentos F de actina.
            4. Localización de la actina en la estructura del músculo.
            5. Estructura del filamento delgado.
          4. Interacciones actina-miosina.
            1. Modelo estructural.
            2. Sitios de contacto.
            3. Modelo de brazo de palanca.
            4. Difracción de rayos X y microscopía electrónica del músculo.
            5. Ensayo de motilidad in vitro.
        2. Proteínas reguladoras.
          1. Tropomiosina.
            1. Isoformas de tropomiosina.
            2. Propiedades de unión.
          2. Troponina.
            1. Troponina C.
            2. Troponina I.
            3. Troponina T.
        3. Regulación de la contracción del músculo esquelético.
          1. El papel del Ca2+ en la regulación de la contracción del músculo esquelético.
          2. Los experimentos de Huxley y Taylor.
          3. Retículo sarcoplásmico.
          4. Transducción de señales entre el túbulo T y la unión SR.
          5. Acoplamiento excitación/contracción.
          6. Secuencia de eventos.
        4. Mecanismo de la contracción del músculo esquelético.
          1. La teoría del filamento deslizante.
          2. Relación longitud/tensión.
          3. Ciclo del puente y su relación con la actomiosina ATPasa.
        5. Resumen de eventos en la contracción del músculo esquelético.
          1. Excitación.
          2. Contracción.
          3. Relajación.
        6. Energética.
          1. Desarrollo histórico de la energética del músculo.
          2. Teoría del ácido láctico y su refutación.
          3. La reacción de Lohmann y su inhibición.
          4. El ATP, la fosfocreatina y el glucógeno proporcionan energía para la contracción muscular.
          5. Producción de calor durante la contracción muscular.
          6. La relación entre producción de energía y la reacción química.
          7. Estimación del costo energético en humanos.
            1. Calorimetría directa.
            2. Calorimetría indirecta.
            3. Relación entre producción de trabajo y consumo de O2.
            4. Deuda de oxígeno.
            5. Adaptación al ejercicio.
            6. Fatiga.
      2. Músculo liso.
        1. Estructura.
          1. Innervación y estimulación.
          2. Proteínas miofibrilares.
        2. Fosforilación y defosforilación de la cadena ligera de 20-kDa.
          1. Cinasa y fosfatasa de la cadena ligera de miosina.
          2. Rho-cinasa.
          3. Fosforilación de la cadena ligera de miosina en músculo liso intacto.
          4. Isoformas de la cadena ligera de miosina de 20-kDa.
          5. Sitio de fosforilación.
          6. Mapeo tríptico bidimensional del péptido.
          7. El papel del Ca2+ en la fosforilación de la cadena ligera.
          8. Fosforilación de la cadena ligera inducida por luz.
        3. Transducción de señales.
          1. Inositol 1,4,5-trisfosfato.
          2. Proteínas G.
          3. Fosfolipasa C específica de fosfoinósido.
        4. Mecanismo de contracción del músculo liso.
      3. Motilidad celular.
        1. Desarrollo histórico de la motilidad celular.
        2. Proteínas unidas a actina.
          1. Profilina.
          2. Gelsolina.
          3. ADF/cofilina.
          4. Complejo Arp2/3 y proteínas WASp/Scar.
          5. Otras proteínas unidas a actina.
          6. Actina en el citoesqueleto.
        3. Miosinas no musculares.
        4. Microtúbulos.
          1. Cinesina y dineina.
  7. Ácidos nucleicos.
    1. Condensación de ADN.
      1. Revisión de la condensación.
        1. Agentes condensantes.
        2. Morfología.
        3. Cinética y reversibilidad.
        4. Tamaño mínimo del ADN.
      2. Mecanismos estadísticos del colapso del polímero.
      3. ¿Por qué toroides?
      4. Estimaciones experimentales de la energía libre intermolecular.
      5. La importancia de las interacciones iónicas.
      6. Fuerzas en la condensación del ADN.
        1. Plegado.
        2. Entropía mixta.
        3. Fuerzas coulómbicas.
        4. Fuerza de hidratación.
      7. Distorsión de la hélice por cationes polivalentes.
  8. Ensambles supramoleculares.
    1. Distribución y peso molecular promedio.
      1. Pesos moleculares promedio.
        1. Notación.
        2. Tipos de pesos moleculares promedio.
        3. Promedios de otras cantidades.
      2. Mecanismos de polimerización.
        1. Equilibrio monómero/polímero.
        2. Asociación ilimitada con igualdad de probabilidad de formación de enlace.
        3. Polimerización catalizada por fosforilasa.
        4. Polimerización en núcleos preexistentes.
        5. Polimerización nucleada de proteínas helicoidales.
    2. Filamentos de actina.
      1. Estructura primaria.
        1. Isoformas.
        2. Modificación covalente.
      2. Estructuras secundaria y terciaria de los monómeros de actina.
      3. Polimerización.
        1. Cinética y mecanismo de polimerización.
        2. Asimetría del filamento e hidrólisis de ATP.
        3. Termodinámica de polimerización.
      4. Mecánica de filamentos individuales de actina F.
        1. Elasticidad longitudinal.
        2. Elasticidad torsional.
        3. Elasticidad de doblaje y persistencia de la longitud.
        4. Elasticidad entrópica de un filamento térmicamente ondulante.
      5. Estructura y mecánica de redes de actina F.
        1. Formación de redes semidiluidas y entrecruzadas.
        2. Mediciones de viscoelasticidad.
        3. Modelos teóricos para redes de polímeros semiflexibles.
      6. Transiciones de fase en soluciones de la actina F.
      7. Propiedades polielectrolíticas de la actina F.
        1. Condensación del contraión.
        2. Abultamiento.
        3. Formación de anillo.
        4. Características electrostáticas de proteínas unidas a actina.
    3. ADN circular.
      1. Superenrollado de ADN.
        1. Conceptos básicos.
          1. ADN circular cerrado y linking number.
          2. Diferencia de linking number y densidad superhelicoidal. Topoisómeros
          3. Vueltas y torsiones.
        2. Preguntas básicas.
        3. Métodos experimentales específicos para ADN superenrollado.
          1. Midiendo DLk.
          2. Obteniendo ADN con un DLk predefinido.
        4. Distribución de topoisómeros en equilibrio.
          1. Energía libre de superenrollado.
          2. Análisis del equilibrio en la distribución de topoisómeros.
        5. Conformaciones de ADN superenrollado.
        6. Formación de estructuras no canónicas.
          1. Consideraciones generales.
          2. Detección experimental de estructuras no canónicas.
          3. Métodos de localización de transiciones estructurales.
          4. Métodos de electroforesis bidimensional en gel.
          5. Análisis termodinámico.
          6. Estructuras cruciformes.
          7. Forma Z izquierda.
          8. Influencia mutua de transiciones estructurales.
      2. Nudos y uniones en ADN.
        1. Tipos de nudos y uniones.
        2. Equilibrio topológico.
        3. Probabilidades de equilibrio de nudos en ADN circular.
        4. Probabilidades de equilibrio de uniones.
  9. Difracción y dispersión.
    1. Difracción electrónica e imágenes de macromoléculas.
    2. Cristalografía de rayos X.
    3. Espectroscopía de dispersión de luz.
  10. Separaciones e hidrodinámica.
    1. Coeficientes de fricción.
      1. Viscosidad del agua.
      2. Esferas.
      3. Elipsoides de revolución y cilindros.
      4. Hebras aleatorias.
      5. Arreglos oligoméricos de esferas.
    2. Determinación experimental de propiedades hidrodinámicas.
      1. Coeficientes de sedimentación.
      2. Coeficientes de difusión translacional.
      3. Rotación.
      4. Viscosidad intrínseca.
  11. Análisis de secuencias.
    1. Predicción de estructura proteica a partir de secuencias primarias.
      1. ¿Por qué predecir la estructura proteica?
      2. Antecedentes y revisión.
      3. Evaluación de la precisión de las predicciones.
    2. Métodos empíricos generales.
      1. Estadísticos.
      2. Redes neurales.
      3. Estructura terciaria.
    3. Modelado por homología.
      1. Definiciones.
      2. Patrones de consenso.
      3. Otros métodos.
      4. Aplicaciones.
    4. Modelado molecular.
      1. Mecánica molecular.
      2. Dinámica molecular y simulaciones Monte Carlo.
      3. Predicción de conformaciones homólogas, asas y cadenas laterales.
      4. Modelos reticulares y otras representaciones reducidas.

    Bibliografía General

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© Raúl Alva*, México, 15/II/2002.
e-mail: alva@xanum.uam.mx e-mail de Raúl Alva
*Profesor-Investigador de la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, México.