1. 2 Inhalt Ziel Zelltypen Zellorganellen Problemen bei der Visualisierung Mögliche Lösungsansätze Kollisionserkennung Automatische Modellierung Vorgehen.

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2 2 Inhalt Ziel Zelltypen Zellorganellen Problemen bei der Visualisierung Mögliche Lösungsansätze Kollisionserkennung Automatische Modellierung Vorgehen CELLmicrocosmos III: CELLeditor

3 3 Ziel Entwicklung eines Zelleditors Zellmodellierung durch den Nutzer Unterstützung bei der Wahl des Zelltyps

4 4 Zelltypen Prokariotische Zellen Bakterien Blaugrüne Algen CELLmicrocosmos III: CELLeditor Eukariotische Zellen Tierische Zellen Pflanzliche Zellen Pilze Grüne Algen

5 5 Prokariotische Zelle ● Kapsel ● Zellwand ● Zellmembran ● Cytoplasma ● Nukleotid ● Ribosomen ● Pilli/Geißel Größe 1-10μm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

6 6 Eukariotische Zelle Größe 30-40µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

7 7 Zellmembran Lipid- Doppelschicht Lateralbewegliche Proteine CELLmicrocosmos III: CELLeditor

8 8 Eukariotische Zelle Größe 30-40µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

9 9 Kern ● Ort der DNA- Verdopplung ● Ort der Zusammensetzung der Ribosomen- Untereinheiten Größe 5μm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

10 10 Eukariotische Zelle Größe 30-40µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

11 11 Ribosomen Ort der Proteinsynthese Vorkommen Endoplasmatisch es Retikulum Cytosol Mitohondrien Chloroplasten Anzahl: >20000 Größe 30nm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

12 12 Eukariotische Zelle Größe 30-40µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

13 13 Endoplasmatisches Retikulum ● Raues ER Ort der Proteinsynthese ● Glattes ER Ort der Membranlipid- synthese Größe ca. 10% der Zelle CELLmicrocosmos III: CELLeditor

14 14 Vesikel Membran- abschnürungen Transport Nährstoffe Proteine CELLmicrocosmos III: CELLeditor

15 15 Eukariotische Zelle Größe 30-40µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

16 16 Golgi-Apparat ● Versandhaus der Zelle Empfängt Sortiert Proteine Schickt sie an Bestimmungsort Größe 1- 2µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

17 17 Eukariotische Zelle Größe 30-40µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

18 18 Lysosomen Verdauungsapparat der Zelle Zerlegung von Makromolekülen in Monomere Besitzen Verdauungsenzyme Anzahl: mehrere Dutzend Größe 1µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

19 19 Eukariotische Zelle Größe 30-40µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

20 20 Peroxisom Abbau von Giften Fetten Vorkommen Leberzellen Nierenzellen Nervenzellen Größe 0,2-0,5µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

21 21 Eukariotische Zelle Größe 30-40µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

22 22 Mitochondrien Kraftwerke der Zelle Bildung von ATP aus Nährstoffen und Sauerstoff Besitzen eigene DNA Anzahl: 1000-2000 Größe 0,5-10µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

23 23 Pflanzliche Zelle Zellwand Vakuole Chloroplasten CELLmicrocosmos III: CELLeditor

24 24 Chloroplasten Kraftwerke der pflanzlichen Zelle Orte der Photosynthese Besitzen eigene DNA Anzahl: ????? Größe 0,2x0,5µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

25 25 Pflanzliche Zelle Zellwand Vakuole Chloroplasten CELLmicrocosmos III: CELLeditor

26 26 Vakuole Funktionen Speicherung Stabilität Verdauung Anzahl: ??? Größe 10-90% der Zelle CELLmicrocosmos III: CELLeditor

27 27 Eukariotische Zelle Größe 30-40µm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

28 28 Centrosom Zellteilung Skelett Vorkommen: Tierische Zelle Pflanzliche Zelle (niedere Pflanzen) Größe 170x150nm CELLmicrocosmos III: CELLeditor

29 29 Cytoskelett CELLmicrocosmos III: CELLeditor

30 30 Mikrotubuli CELLmicrocosmos III: CELLeditor

31 31 Intermediärfilamente CELLmicrocosmos III: CELLeditor

32 32 Aktinfilamente CELLmicrocosmos III: CELLeditor

33 33 Problemen bei der Visualisierung Komplexe Struktur der Zellkompartimente Unterschiedliche Größen Variable Anzahl Zufallsverteilung Berührungspunkte Kollisionsprobleme Zelldifferenzierung CELLmicrocosmos III: CELLeditor

34 34 Zelldifferenzirungen CELLmicrocosmos III: CELLeditor

35 35 CELLmicrocosmos III: CELLeditor The Inner Life Of The Cell

36 36 3 dimensionale Darstellung von Zellen Problemen bei der Visualisierung Topologie und Physiologie Kollisionsbehandlung CELLmicrocosmos III: CELLeditor

37 37 Was man beachten muss ● Aufbau einer Zelle z.B. liegt um den Zellkern das enodoplasmatische Retikulum ● Erscheinungsbild einer Zelle Oberflächenbeschaffenheit und Farbwahl CELLmicrocosmos III: CELLeditor

38 38 Mögliche Lösungsansätze ● Zweiphasige Algorithmen Bounding Volumes (Sphäre, AABB, OBB, k-DOP) Bounding Volume Hierarchien Räumliche Zerlegung von Objekten oder Szenen ● Einphasige Algorithmen BSB-Bäume Hubbard‘s Methode CELLmicrocosmos III: CELLeditor

39 39 Bounding Volumes Sphäre Axis Alignet Bounding Box Oriented Bounding Box Oriented Polytopes (k-DOP) CELLmicrocosmos III: CELLeditor

40 40 Kollisionserkennung Teile Kollisionserkennung in zwei Phasen auf „Broad-Phase“, Objekte die sich nicht treffen werden aussortiert „Nahphase“, die verbleibenden Objekte werden auf überlappung getestet CELLmicrocosmos III: CELLeditor

41 41 X Y Überlappungen auf der x-Achse: grün-rot, rot-blau Überlappungen auf der y-Achse: orange-rot, orange-grün, rot-grün, blau-grün 2D-Überlappung: grün-rot Dimensionen Reduktion - Darstellung der Dimensionen in einem x-y-Koordinatensystem Falls N Objekte gegeben sind, so sind N² – N Schnitttest durchzuführen CELLmicrocosmos III: CELLeditor Kollisionserkennung 2

42 42 Sweep and Prune Algorithmus Sortiere die Intervalle aufsteigend nach ihren linken Intervallgrenzen in einer Liste Sortierte Liste: L = [ I 3, I 1, I 2] CELLmicrocosmos III: CELLeditor

43 43 Durchlaufe die Liste L mit einer Sweep-Line Ein Intrevall wird A zugeordnet, wenn die Sweep-Line die linke Seite des Intervalls erreicht hat s 3 s 1 e 3 s 2 e 1 e 2 Sortierte Liste: L = [I 3, I 1, I 2 ] Aktiv: A=[ I 3 ] CELLmicrocosmos III: CELLeditor Kollisionserkennung

44 44 Alle in A liegenden Intervalle überschneiden sich CELLmicrocosmos III: CELLeditor Kollisionserkennung

45 45 Ein Intervall wird aus der Liste A gelöscht, sobald die Sweep-Line die rechte Grenze des Intervalls erricht hat CELLmicrocosmos III: CELLeditor Kollisionserkennung

46 46 Kollisionserkennung Sweep and Prune für alle Ebenen Zwei Objekte kollidieren Überlappung auf allen drei Ebenen CELLmicrocosmos III: CELLeditor

47 47 Automatische Modellierung Idee: Darstellung von innen nach außen Erstellen von großen Elementen Rest kann in der Zelle verteilt werden CELLmicrocosmos III: CELLeditor

48 48 Vorgehen Was möchte der Benutzer erzeugen Eingabemöglichkeiten Prüfe ob in Abhängigkeit der gewählten Größe die Darstellung möglich ist Reserviere einen kleinen Teil für eventuelle Probleme CELLmicrocosmos III: CELLeditor

49 49 Literatur Neil A.Campbell, Biologie, Spektrum Müller-Esterl, Biochemie, Elsevier GmbH CELLmicrocosmos III: CELLeditor