PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“

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2 PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ Grenzleistungen biologischer Rezeptoren Chemorezeptor, Photorezeptor, Mechanorezeptor Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

3 Themenfolge der Vorlesung
1. Grenzleistung elementarer biologischer Sensoren 2. Integrierte (exotische) Sensorsysteme in der Natur 3. Der Biosensor als bionisch/biotechnologisches Zwittersystem 4. Ungewöhnliche Biosensoren nach dem Vorbild der Natur 5. Signalwandlung und Signalverarbeitung in Biosensoren 6. Das Neuron als analog/digitale Rechenmaschine 7. Die Inhibition – Leistung einer elementaren Neuronenschaltung 8. Struktur und Arbeitsweise Neuronaler Netzwerke 9. Rechnen mit Molekülen (DNA-Chips und DNA-Computing)

4 Leistung eines Chemorezeptors

5 Molekülfänger eines Seidenspinnermännchens

6 Sexuallockstoff Bombykol CH C OH H Seidenspinnerweibchen
Der Nobelpreisträger Adolf Butenandt benötigte 17 Jahre und Seiden-spinnerweibchen um 1959 die chemische Struktur von Bombykol aufzuklären. CH 2 C OH 3 H Synthetische Herstellung mit Markierung durch Tritium möglich (Tritium = radioaktiver Wasserstoff mit 2 Neutronen im Kern)

7 Wird im Experiment ein Schmetterlingsmännchen 1 s lang von einem Duftstrom mit Bombykolmolekülen/cm3 und einer Windgeschwindigkeit von 60 cm/s angeblasen, so löst dies einen Suchflug windaufwärts aus. Im Freien tastet das Männ-chen chemisch die Geruchsfahne ab, kehrt immer wieder in den Luftstrom höchster Duftmoleküldichte zurück und findet so das Weibchen. Durch diese Chemotaxis kann ein Männchen auf 1 km Entfernung ein Weibchen z. B. in 12 min finden. Bis zu 10 km weite Suchflüge sind möglich. Geruchsfahne Käfig mit 12 min 1 km

8 Zur Bestimmung der Riechschwelle
Anstechen mit einer Mikroelektrode Riechsensillen

9 Aufbau einer Mikroelektrode
Als Elektroden verwendet man Glaskapillar-Mikroelek-troden. Dies sind hauchdünn ausgezogene Glaskapil-laren, in die ein Silberdraht hineinführt, der im Innern der Kapillare mit einer Schicht von Silberchlorid über-zogen ist. Der Innenraum der Glaskapillare ist mit einer konz. KCl-Lösung gefüllt (sog. Elektrolytsäule). Es handelt sich um eine Ag/AgCl-Elektrode mit einem konstanten Potential. Die Elektrode ist dadurch geeicht. Sobald die feine Kapillarspitze durch die Membran ein-gedrungen ist, steht das Cytoplasma der Zelle über jene dünne Elektrolytsäule mit dem Silberdraht in Verbin-dung. Das Membranpotential wird also immer als intra-zelluläres Potential relativ zum extrazellulären Potential angegeben. Das extrazelluläre Potential ist willkürlich als Null definiert.

10 Einmoleküldetektion ! Riechsensillen
Bestimmung der während eines gegebenen Zeitintervalls absor-bierten, Tritium markierten Duft-moleküle (z. B. 300). Anstechen einer Duftsinneszelle mit einer Mikroelektrode. Die Häufigkeit einer beobachteten Potenzialänderung stimmt mit der berechneten Wahrscheinlichkeit (z. B. 1/100 bei Rezeptoren) für einen Einmolekültreffer überein. Riechsensillen Einmoleküldetektion !

11 Der Aal und seine Nase

12 Wahlapparatur für die Röhrendressur eines Aals
Duftstoff Aalversteck Gummiröhre Wahlapparatur für die Röhrendressur eines Aals

13 Andressur des Aals mit fortschreitender Verdünnung des Duftstoffes b-Phenylethylalkohol
Harald Teichmann: Über die Leistung des Geruchssinnes beim Aal. Z. vergl. Physiol. 42 (1959), S

14 Die Schlussphase des Verhaltensexperiments ─ Erreichen der Riechschwelle des Aals

15 Einmoleküldetektion Inhalt der Nase des 12,4 cm langen Versuchsaals:
0,30 mm3 Rechnerisch befindet sich im Aalnasenvolumen nur 0,53 „Molekül“ Einmoleküldetektion

16 Formel zur Berechnung der Molekülzahl MZ pro cm3
Substanzmenge [g] × Avogadrozahl MZ = Molmasse [g] × Volumen [cm3 ] Avogadrozahl = 6,022 · 1023

17 Grenzempfindlichkeit der Aalnase
b-Phenylethylalkohol Grenzempfindlichkeit der Aalnase 0,1 g 1/5 Tropfen C8H10O

18 Biosensor Hundenase Rauschgift-Spürhund Brandmittel-Spürhund
Lawinenhund Sprengstoff-Spürhund Biosensor Hundenase

19  2000 Moleküle/cm3 Ehemalige Cargolifter-Halle:
Länge: m Breite: m Höhe: m Volumen: 5,5 Millionen m3 Jetzt „Tropical Island“ 1,6 Millionstel Gramm Buttersäure in der Halle kann ein Hund noch riechen !  2000 Moleküle/cm3

20 Anzahl der Riechsinneszellen

21 Leistung eines Photorezeptors

22 n ≈ 60 Photonen /s Minimale Reizenergie ≈ 2·10 -17 J 100 W = 100 J/s
Pupille: A = 0,5 cm 2 3·10 20 Photonen/s Annahme: Nur 2% der von der Glühlampe ausgesendeten Photonen liegen im maximalen Empfindlichkeitsbereich des Auges (um 550 nm). n0= 6·1018 Photonen /s Bei sehr klaren Wetterbedingungen wird die Intensität eines Lichtstrahls pro 100 km auf etwa 1/3 seiner Ausgangsstärke abgeschwächt. Energie eines Photons: Plancksches Wirkungsquantum Lichtwellenlänge Lichtgeschwindigkeit

23 Ein Photorezeptor misst ein Lichtquant
n ≈ 60 Photonen /s Ein Photorezeptor misst ein Lichtquant Von der „Schrotladung“ der 60 Photonen treffen nur 10 auf einen Rezeptor ! Photorezeptor des Pfeilschwanzkrebses reagiert ebenfalls auf ein Lichtquant Der Pfeilschwanzkrebs gilt als lebendes Fossil, da er sich seit 175 Millionen Jahren morphologisch kaum verändert hat

24 Leistung eines Mechanorezeptors

25 Das Vater-Pacini-Körperchen reagiert auf Eindellungen der Haut
Das Vater-Pacini-Körperchen reagiert auf Eindellungen der Haut. Das bedeutet, dass es besonders auf Druck reagiert. Das Vater-Pacini-Körperchen liegt im Übergangsbereich von Lederhaut und Unterhaut. Das Meissner-Körperchen rea-giert empfindlich auf Berührung. Es ist besonders zahlreich in den Fingerkuppen. Mit dem Meiss-ner-Körperchen können wir die Oberfläche und die Ausdehnung von Gegenständen fühlen. Die Haarzelle reagiert auf mecha-nische Verschiebungen. Haarzel-zellen gibt es im Seitenlinienor-gan der Fische und mit Haarzellen sind wir in der Lage zu hören. Haarzellen sind die empfindlichs-ten Mechanorezeptoren. Mechanorezeptoren

26 Empfindlichkeit einer Haarzelle
7,5 mm 150 m 0,3 nm An der Hörschwelle 0,1 nm Wasserstoffatom 5 μm 0,1 V Empfindlichkeit einer Haarzelle

27 Mensch: Vergleich Auge – Ohr
Entspricht der Energie von 60 Photonen (550 nm) Minimale Reizenergie ≈ 2 · J Minimale Reizenergie ≈ 5 · J

28 Thermorezeptor Hygrorezeptor Elektrorezeptor Magnetorezeptor Thermorezeptor Hygrorezeptor Elektrorezeptor Magnetorezeptor Chemorezeptor Photorezeptor Mechanorezeptor

29 - 70 mV Ruhepotential einer Nervenzelle

30 Wie entsteht ein Ruhepotenzial ?

31 Nerven- und Sinneszellenpotenziale entstehen
durch Ionenströme, die durch veränderliche Po- ren der Zellmembran fließen. Um die Zahlenver- hältnisse der beteiligten Ionen zu veranschauli- chen, wird eine Volumenelement betrachtet. Die Zellmembran teilt dieses Volumen in zwei gleich große Hälften von 1 µm Länge, 1 µm Höhe und 0,001 µm Tiefe.

32 Im intrazellulären Testvolumen von 10 -12 mm3
befinden sich Kaliumionen, Natriumionen, Chloridionen und + 6 negativ geladene Aminosäuremoleküle. Das gleich große extrazelluläre Testvolumen enthält 2 000 Kaliumionen, Natriumionen und Chloridionen. Wir messen die Span- nungsdifferenz 0 V.

33 Die Zellmemran besitzt Poren, durch die die Ka-
liumionen hindurchgelassen werden. Wegen der Konzentrationsdifferenz beginnen Kaliumionen nach außen zu diffundieren. Es baut sich eine elektrische Gegenkraft auf. Bei 6 aus dem Test- volumen herausdiffundierten Kaliumionen ist die- se Gegenkraft im Gleichgewicht mit der Diffusi- onskraft. Wir messen eine Spannung von -90 mV.

34 Die Zellmembran besitzt einige Poren, durch die
auch die größeren Natriumionen hindurchtreten können. Wegen der höheren extrazellulären Na- triumkonzentration diffundieren langsam Natrium- ionen in das Zellinnere. Andererseits fördert eine vom Stoffwechsel betrieben Natriumpumpe Natri- umionen nach außen. Es stellt sich eine neue Gleichgewichtsspannung von -70 mV ein.

35 Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial ?

36 Ein Reiz verändert die Durchlässigkeit der Zell-
membran, hier die Durchlässigkeit für Natrium- ionen. Extrazelluläre Natriumionen diffundieren schlagartig in das Zellinnere. Die Spannung steigt an. Ein mechanischer Reiz könnte die Membranporen durch Deformation öffnen, ein chemischer Reiz durch Anbindung der Signal- moleküle an Membranschlösser aufschließen.

37 Der Na-Einstrom käme erst bei einer Spannungs-
differenz von + 60 mV zum Stillstand (10 in das Testvolumen eindiffundierte Natriumionen). Aber durch Abnahme der elektrischen Gegenkraft, die zuvor das Ausströmen weiterer Kaliumionen ver- hinderte, diffundieren nun weitere Kaliumionen zellauswärts. Der Natrium-Ioneneinstrom kann nur eine Spannung von + 30 mV aufbauen.

38 Rezeptorzellen adaptieren, wenn der Reiz länger
anhält. Der Natriumioneneinstrom wird gesperrt, und der intrazelluläre Überschuss an Kaliumionen stellt das Ruhepotential von -70 mV wieder her. Die in die Zelle eindiffundierten Natriumionen und die aus der Zelle gelangten Kaliumionen werden durch eine stoffwechselgetriebene gekoppelte Na- trium-Kalium-Pumpe wieder zurücktransportiert.

39 Wie funktioniert eine Riechsinneszelle

40 Ein etwas zu simples mechanisches Modell eines Riechrezeptors

41 Phenomenologisches Modell der Geruchserkennung
Wir empfinden vielleicht kugelförmige Moleküle als kampferartig, scheibenförmige Moleküle als moschusartig, keilförmige Moleküle als pfefferminzartig, stabförmige Moleküle als ätherartig, u.s.w.

42 Genaueres Modell des Riechens mit molekularer Verstärkung
Duftstoff AC = Adenylcyclase cAMP = cyclo-Adenosinmonophosphat

43 Vom Duft zum elektrischen Signal Winzige Spuren eines Duftstoffs genügen, schon nehmen wir die Witterung auf. Wie schafft es das Gehirn, wenige Moleküle wahrzunehmen? Um diesen Vorgang zu verstehen, muss man ins Innere der Zelle vordringen. Das Geruchssignal wird hier kaskadenförmig verstärkt. Das geschieht in mehreren Schritten: Zunächst dockt der Geruchsstoff an der Riechzelle an. Sein Anker ist ein Rezeptor, ein längliches Eiweißmolekül, das sich durch die Zellhaut (Membran) hindurchschlängelt. Das Geruchsmolekül aktiviert den Rezeptor, die Kaskade beginnt. Der Rezeptor spaltet ein G-Protein im Inneren der Zelle (Schritt zwei). G-Proteine sind Eiweißmoleküle, die als „reitende Boten“ in der Zelle eine zentrale Rolle spielen. Das G-Protein kurbelt (Schritt drei) ein Enzym namens AC an, das seinerseits massenhaft Boten-Moleküle namens cAMP produziert (Schritt vier). Dann dockt cAMP an Ionenkanälen in der Zellhaut an (Schritt fünf). Das cAMP fungiert wie ein Schleusenwärter, der die Kanäle öffnet. Das führt dazu, dass elektrisch geladene Teilchen (Ionen) in die Zelle einströmen. Das elektrische Potenzial der Zellmembran ändert sich schlagartig. Aus dem chemischen ist auf diese Weise ein elektrisches Signal entstanden – die im Gehirn „gängige Währung“ der Informationsübertragung.

44 Wie funktioniert eine Lichtsinneszelle

45 Photon R* -70 mV

46 Photon R* -70 mV -30 mV

47 1 Photon schließt 10 6 bis 10 7 Natriumkanäle
Transduktionskaskade 1 Photon schließt 10 6 bis 10 7 Natriumkanäle -30 mV

48 Photon R* -70 mV

49 Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin in seine enzymatisch aktive Form (R*). Ein aktiviertes R* aktiviert 3000 Transducin-Proteine (T*). Diese Form des Transducins aktiviert das Enzym Phospho-diesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE* wiederum ist in der Lage, 2000 cyclo-Guanosinmonophosphat-Moleküle (cGMP) zu inaktivieren. In zwei Stufen erreicht die Kaskade also einen Verstärkungsgrad von 6 Millionen.

50 Verstärkung durch Lawineneffekt
Photomultiplier Dynoden Anode Verstärkung durch Lawineneffekt

51 Biochemische Verstärkungskaskade

52 Wie funktioniert ein Haarzellensensor

53 -50 mV

54 -60 mV

55 -70 mV

56 -60 mV

57 -50 mV

58 -50 mV

59 -40 mV

60 -30 mV

61 -40 mV

62 -50 mV

63 Ende