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Themenfolge der Vorlesung 1. Grenzleistung elementarer biologischer Sensoren 2. Integrierte (exotische) Sensorsysteme in der Natur 3. Der Biosensor als.

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2 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)

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

4 Leistung eines Chemorezeptors

5 Molekülfänger eines Seidenspinnermännchens

6 Wird im Experiment ein Schmetterlingsmännchen 1 s lang von einem Duftstrom mit Bombykolmolekülen/cm 3 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. Käfig mit 1 km 12 min Geruchsfahne Zahl der Moleküle pro Kubik- zentimeter Luft = 2,687· 10 19

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

8 Tritium markiertes Bombykol Schwirr-Reaktion Zahl der absorbier- ten Moleküle über den radioaktiven Zerfall = 300

9 Riechsensillen Kontrollexperiment zur Bestimmung der Riechschwelle Anstechen mit einer Mikroelektrode

10 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). 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. Aufbau einer Mikroelektrode

11 Riechsensillen Bestimmung der während eines gegebenen Zeitintervalls absor- bierten, Tritium markierten Duft- moleküle (z. B. 300). Einmoleküldetektion ! 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.

12 Der Aal und seine Nase

13 Wahlapparatur für die Röhrendressur eines Aals Aalversteck Gummiröhre (Harald Teichmann, 1956)

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

15 Die Schlussphase des Verhaltensexperiments Erreichen der Riechschwelle des Aals

16 Inhalt der Nase des 12,4 cm langen Versuchsaals: 0,30 mm 3 Rechnerisch befindet sich im Aalnasenvolumen nur 0,53 Molekül Einmoleküldetektion

17 Formel zur Berechnung der Molekülzahl M Z pro cm 3 M Z Substanzmenge [g] × Avogadrozahl Molmasse [g] × Volumen [cm 3 ] Avogadrozahl = 6,022 · 10 23

18 Grenzempfindlichkeit der Aalnase -Phenylethylalkohol 1/5 Tropfen C 8 H 10 O 0,1 g

19 Brandmittel-SpürhundRauschgift-SpürhundSprengstoff-Spürhund Lawinenhund Biosensor Hundenase

20 Ehemalige Cargolifter-Halle: Länge: 360 m Breite: 210 m Höhe: 107 m Volumen: 5,5 Millionen m 3 1,6 Millionstel Gramm Buttersäure in der Halle kann ein Hund noch riechen ! Jetzt Tropical Island 2000 Moleküle/cm 3

21 Anzahl der Riechsinneszellen

22 Leistung eines Photorezeptors

23 100 W = 100 J/s n 60 Photonen /s Pupille: A = 0,5 cm 2 n 0 = 6·10 18 Photonen /s Energie eines Photons: Plancksches Wirkungsquantum Lichtwellenlänge Lichtgeschwindigkeit Annahme: Nur 2% der von der Glühlampe ausgesendeten Photonen liegen im maximalen Empfindlichkeitsbereich des Auges (um 550 nm). Bei sehr klaren Wetterbedingungen wird die Intensität eines Lichtstrahls pro 100 km auf etwa 1/3 seiner Ausgangsstärke abgeschwächt. 3·10 20 Photonen/s Minimale Reizenergie 2· J

24 n 60 Photonen /s Von der Schrotladung der 60 Photonen treffen nur 10 auf Rezeptoren der Netzhaut ! 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 Ein Photorezeptor misst ein Lichtquant

25 Leistung eines Mechanorezeptors

26 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. Mechanorezeptoren 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.

27 7,5 mm 150 m 0,3 nm 5 μm5 μm An der Hörschwelle 0,1 nm Wasserstoffatom Empfindlichkeit einer Haarzelle 0,1 V

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

29 Thermorezeptor Hygrorezeptor Elektrorezeptor Magnetorezeptor Thermorezeptor Hygrorezeptor Elektrorezeptor Magnetorezeptor Chemorezeptor Photorezeptor Mechanorezeptor

30 Wie funktioniert ein biologischer Rezeptor ? Wie erklärt sich die unglaublich hohe Empfindlichkeit ?

31 Ruhepotential einer Nervenzelle - 70 mV 0

32 Wie entsteht ein Ruhepotenzial ?

33 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 Breite, 1 µm Höhe und 0,001 µm Tiefe. Tiefe überhöht dargestellt !

34 Im intrazellulären Testvolumen von mm 3 befinden sich Kaliumionen, Natriumionen, Chloridionen und negativ geladene Aminosäuremoleküle. Das gleich große extrazelluläre Testvolumen enthält Kaliumionen, Natriumionen und Chloridionen. Wir messen die Span- nungsdifferenz 0 V.

35 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. Zum Anfangszustand

36 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. Zum Anfangszustand

37 Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial ?

38 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 Signalmo- leküle an Membranschlösser diese aufschließen. Zum Anfangszustand

39 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. Zum Anfangszustand

40 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. Zum Anfangszustand

41 Wie funktioniert eine Riechsinneszelle

42 Ein etwas zu simples mechanisches Modell eines Riechrezeptors

43 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.

44 Die Kunst des Molekül-Fangens und der Messung dieses Ereignisses !

45 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.

46 Einmolekülmessung durch eine Katalysatorkaskade Rezeptor Signalmolekül Katalysator

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

48 Wie funktioniert eine Lichtsinneszelle

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 Photon -70 mV * aktiviertes Rhodopsin R hält Ionentore geschlossen

51 Photon -70 mV -30 mV R

52 Photon Transduktionskaskade 1 Photon schließt 10 6 bis 10 7 Natriumkanäle -30 mV R*R*

53 Photon -70 mV R*R* Wiederherstellung des Ruhepotentials

54 Photomultiplier Verstärkung durch Lawineneffekt auch in der Technik Dynoden Anode

55 Biochemische Verstärkungskaskade Enzyme

56 Wie funktioniert ein Haarzellensensor

57 - 50 mV

58 - 40 mV

59 - 30 mV

60 - 40 mV

61 - 50 mV

62 - 60 mV

63 - 70 mV

64 - 60 mV

65 - 40 mV

66 Ende

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