•1

1

1 Einführung, Organisatorisches, Wurzeln der Biophysik2 4.4. Gimsa Mol. Struktur biol. Syst. (MSBS): Elektrostatik, Atommodelle, Orbitale, Bindungen, chem. & elektr. Potentiale3 11.4. Gimsa MSBS: molekulare & ionale Wechselwirkung, Wasserstruktur, Entropie, Molekülbewegung4 16.4. Gimsa MSBS: Aktivierungsenergie, Debye-Hückel, Inter- & intramolekulare Wechselwirkungen5 18.4. Wachner Thermodynamik (TD): Grundlagen (Rekapitulation Physik &Chemie)6 23.4. Wachner TD: Elektrodeneigenschaften, Wasser- und Ionengleichgewicht, Osmotischer Druck7 25.4. Wachner TD: Donnan-Gleichgewicht, Nernst-Gleichung, Goldmann-Gleichung,

Datum Name Thema9 7.5. Gimsa Passive elektrische Eigenschaften (PEE): elektrische Zellstruktur, Oberflächenpotential, Elektrokinetik

10 9.5. Baumann Membran als Grenzfläche: Grenzflächenspannung, Rastermikroskopietechniken

11 14.5. Baumann Aktive elektrische Eigenschaften: Transmembranpotential, Nervenerregung, Patch-Clamp

12 16.5. Seminar/Fragestunde und TESTAT

13 21.5. Gimsa PEE: Feldverlauf um Zellen, Impedanz, induziertes Transmembranpotential

14 23.5. Gimsa PEE: elektrisch induzierte Kräfte, Elektrodeformation, Dielektrophorese, Elektrorotation

30.5. Reserve (Pfingstwoche=Projektwoche)

15 4.6. Baumann Biomechanik (BM): Ähnlichkeitsanalyse, Allometrie, Elastizität

16 6.6. Baumann BM: Skelett, Rheologie, Blutkreislauf17 11.6. Baumann BM: Strömungen, Schwimmen und Fliegen

18 13.6. Kuznetsov BM: Zytomechanik

19 18.6. Wachner Physikal. Umweltfaktoren: ionisierende Strahlung, Einführung in die Radioökologie

20 20.6. Haberland Physikal. Umweltfaktoren: nichtionisierende Strahlen

21 25.6. Sakowski Grundlagen der Systemtheorie: Kinetik, Stoffwechsel- und Austauschsysteme

22 27.6. Sakowski Grundlagen der Systemtheorie: Modelle zur Vermehrung, Populationskinetik

23 2.7. Pufferzeit bzw. Molekülstrukturaufklärung, Moleküldynamik (NMR/ESR)

24 4.7. Baumann Moderne Entwicklungen: biologische Anwendungen der Mikrosystemtechnik

25 9.7. Seminar/Fragestunde

26 11.7. KLAUSUR

VL Grundlagen der Biophysik

2

Arbeitsgebiet Werner Baumann(Physiker, Promotion in Biologie)

Cell Monitoring Systems (CMS)

chemisch/physikal.Sensoren

outputsDaten-

erfassunginputs

Zell(en)

Test Substanz outputs

physiologischeinputs

(O2, Glukose, Hormone,T, pH, ..)…

H+, CO2, adh., meta-bol., ..…

Neuronen auf Elektroden

(nach 3 Tagen auf dem Chip)

Zellen auf pH-ISFET 20x2µm2

Halbleiter-Sensorchip in Keramikträger

Sensorchip mit Verkapselungstrog

3

Grenzflächenspannung

und

biologische Membranen

4

Potentialverlauf an Membran

∆Ψ x∆

iΨ

eΨ

npotentialOberflächeexternesnpotentialOberflächeinneres

e

i

=Ψ=Ψ

5

Membranen

6

Grenzflächen

An Kontaktflächen unterschiedlicher Stoffe entstehen Grenzflächen.

Grenzflächenphänomene sind für eine Vielzahl besondererEigenschaften verantwortlich; z.B.:

GrenzflächenspannungAdsorption Kapillarität Diffusion Benetzbarkeit

•2

7

Grenz- und Oberflächen-PhänomeneAn der Oberfläche werden die Kräfte nicht von denumgebenden Molekülen kompensiert.

Es resultiert eine senkrecht zur Flüssigkeitsoberflächenach innen gerichtete Kraft => Oberflächenspannung.

Oberflächenmoleküle haben eine höhere Energie als dieMoleküle in Lösung.

8

Grenz- und Oberflächen-Phänomene

Gasphase

Flüssigkeit

9

Grenz- und Oberflächenspannung

Zur Erreichung des energetisch niedrigsten Zustandes wirddie Flüssigkeits-Oberfläche minimiert.

Die Grenzflächenspannung resultiert durch die nach innengerichtete Kraft. Sie bewirkt, dass die spezifischeOberfläche (Oberfläche/Volumen) minimal wird => Tropfenbildung=> Kugelform der Tröpfchen in der inneren Phase

10

Versuch zur Oberflächenspannung

Reines Wasser trägt die Rasier-klinge (links). Erniedrigt man die Oberflächen-spannung durch Seifenzugabe, sinkt sie zu Boden (rechts).

11

„Seifeneffekt“

Ruhende Seifenlauge:

Im Innern der Flüssigkeit befinden sich Wasser-moleküle und Mizellen.

An der Oberfläche der Lauge sind die Seifen-anionen mit ihren negativen Enden nach innen gerichtet.

Die Oberflächenspannung des Wassers ist herabgesetzt.

12

Versuch zur Oberflächenspannung

Aufgrund der hohen Ober-flächenspannung des Wassers schwimmt die Textilfaser in reinem Wasser auf der Oberfläche (links).

Durch Zugabe von Seife wird die Oberflächenspannung erniedrigt, die Faser wird besser mit Wasser benetzt, sie saugt sich voll Wasser und sinkt.

•3

13

Vergrösserung der Grenz- bzw. Oberfläche

Um die Grenzfläche zu vergrößern, muss die nach innengerichtete Kraft überwunden werden.

Bzw. es muss Energie aufgewandt werden, um Moleküle aus derPhase an die Grenzfläche zu bringen.

14

Oberflächenvergrösserung ∆A

σ = Oberflächenspannung [N/m]∆W = Arbeitsaufwand [Nm]∆A = Oberflächenvergrösserung [m2]

AW

AW

∆∆

=

∆⋅=∆

σ

σ

Zur Oberflächenvergrösserung muss Arbeit (∆W) aufgewendet werden.

∆W ist das Produkt aus Oberflächenspannung σ und ∆A.

15

Oberflächenspannungstabelle

28,2 *10 -3 N/mBenzol

22,0 *10 -3 N/mEthanol

72,8 *10 -3 N/mWasser

500 *10 -3 N/mQuecksilber

bei 25°C

16

Frage an alle

Wie misst man die Grenzflächenspannung ?

17

Messung der Oberflächenspannung

Tensiometermethode

Kapillarsteigmethode

z.B. mit:

18

Tensiometermethode

Interfacial Tensiometer (Le Comte du Noüy)

Kraftbestimmung mittels Verdrillung eines Torsionsdrahtes beim Herausziehen eines Platin-Iridium-Ringes definierter Dimension aus der Grenz- bzw. Oberflächenspannung

F

•4

19

Formel zur Berechnung der Oberflächenspannung

Greift am Bügel die Kraft F an, so ist die Oberflächenspannung:

aF

sasF

AW

22=

∆∆

=∆∆

=σF

∆ s

F= Force=Kraft

a

Faktor 2 wegen Vorder- und Rückfläche der Lamelle20

Grenzflächenspannung bei zwei Flüssigkeiten A und B

Vermutung:Die Differenz der Grenzflächenspannung der Flüssigkeiten A und B.

Am Besten jedoch nicht berechnen, sondern messen!

BABAAB σσσσσ ⋅−+=Ein besseres Ergebnis liefert folgende Formel:

21

Kapillarsteigmethode

In einer Kapillare steigt eine benetzendeFlüssigkeit je nach Größe ihrer Oberflächenspannung verschieden hoch.

Die Messung beruht auf dem Zusammenhang zwischen Steighöhe in der Kapillare und Oberflächenspannung.

h

22

Kapillarsteigmethode

Berechnung der Oberflächenspannung bei bekannter Dichte der Flüssigkeit und bekanntem Durchmesser der Kapillare aus der Steighöhe:

2ghr

AW ⋅⋅⋅

=∆∆

=ρσ

σ = Oberflächenspannung

r = Kapillarradius

h = Steighöhe

ρ = Dichte

g = ErdbeschleunigungHerleitung?

23

Kapillarwirkung

Benetzende Systeme werden in die Kapillare hochgezogen

Nicht benetzende Systeme werden nach unten gedrückt

24

Vergleich benetzende und nichtbenetzende Flüssigkeit

benetzende Flüssigkeit

benetzende Flüssigkeit

nicht benetzende Flüssigkeit

nicht benetzende Flüssigkeit

•5

25

Adhäsion und Kohäsion

Die Grenzfläche einer Flüssigkeit wird durch zwei Kräfte beeinflusst:

Kohäsion: Kräfte zwischen gleichartigen MolekülenAdhäsion: Kräfte zwischen verschiedenartigen Molekülen

Einschub:

26

Adhäsion und Kohäsion

Kohäsionskräfte < Adhäsionskräftebenetzende Flüssigkeit (Wasser auf Glas, Benzin auf

Wasser).

Kohäsionskräfte > Adhäsionskräftenicht benetzende Flüssigkeit (Quecksilber auf Glas,

Wassertropfen auf Goretex®).

27

Benetzende Flüssigkeiten

Kohäsionskräfte < Adhäsionskräfte

28

Nichtbenetzende Flüssigkeiten

Kohäsionskräfte > Adhäsionskräfte

29

Kapillarwirkung

Benetzende Systeme werden in die Kapillare hochgezogen

Nicht benetzende Systeme werden nach unten gedrückt

30

Kapillardruck einer Flüssigkeit

Positiver Kapillardruck

=> Tropfen positive Krümmung

•6

31

Kapillardruck einer Flüssigkeit

Negativer Kapillardruck

=> negative Krümmung

32

Berechnung des Kapillardrucks I

benetzende Flüssigkeit

benetzende Flüssigkeit

nicht benetz.Flüssigkeit

nicht benetz.Flüssigkeit

Druck in Seifenblase:

σ = Oberflächenspannung [N/m] R = Blasenradius

RdRdAdWF πσσ 16==Oberflächenarbeit:

dRRPPdVdWV24π∆=∆=

Volumenarbeit:

FV dWdW =Aus Bedingung folgt:

RP σ4=∆

bei zwei

Grenzflächen

RP σ2=∆

bei einer

Grenzfläche

33

Berechnung des Kapillardrucks II

σ = Oberflächenspannung [N/m] Θ = Benetzungswinkel

2ghrρσ =

Berechnung der Oberflächenspannung aus Steighöhe:

rRPPK

Θ==∆=−

cos22 σσKapillar-

druck

bei einer Grenzfläche

RP σ2=∆

34

Entstehung einer Seifenblase I

Ruhende Seifenlauge: im Innern der Flüssigkeit befinden sich Wasser-moleküle und Mizellen. An der Oberfläche der Lauge sind die Seifen-anionen mit ihren negativen Enden nach innen gerichtet. Die Oberflächenspannung des Wassers ist herabgesetzt.

Einschub:

35

Entstehung einer Seifenblase II

Wird ein Draht in die Seifenlauge getaucht und langsam herausgezogen so wölbt sich die Oberfläche nach außen. Es bildet sich eine Seifenlamelle, die zu einer Blase gepustet werden kann.

36

Entstehung einer Seifenblase III

Die Seifenlamelle stellt einen "Wasser - Mizellenspeicher" dar. Dadurch kann sich eine Seifenblase ausdehnen und ihre Größe verändern.Die Seifenblasenhaut ist im Extremfall, d.h. kurz vor dem Zerplatzen, nur ein Molekül dick. Die Seifenanionen verhindern das Verlassen der Wassermoleküle aus der Außenschicht.

•7

37

Entstehung einer Seifenblase IV

38

Frage an Alle

Analogie zur Seifenblase in der Biologie ?

39

Membranen

40

Membranen

41

Membran-Entstehung

Hydrophobe Phase

Hydrophile Phase

Polares Molekül mit Ladungen

Phospholipide an Grenzschicht

42

Phospholipid

•8

43

Phospholipidverteilung

44

Geometrie Phospholipide

K

F

K

F

K

F

AA

lAlA

lAVf ===

eKettenlänglKopfgruppeder

arfFlächenbedeffektiverAVolumeneffektivesV

Formfaktorf

K

F

=

===

45

Mizellen etc.

Mizelleunilamellares

Liposom

wässrige Phase

multilamellares Liposom

46

Membran mit Ionenkanälen etc.

47

Membranen

Diffusionsbarriere =>kontrollierter Stoffaustausch

Abgrenzung von Reaktionsräumen

„Oberflächenreaktive Bausteine“

Isolatorschicht mit speziellen elektrischen Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften beeinflussen Struktur undBewegung der Zelle

Merkmale

48

Mechanische Membran-Eigenschaften

Translation und Rotation von Membrankomponenten

Fluid Mosaic Modell

Flächendehnung

vergleichbar mit Stahl

Zerreißgrenze bei 1-2% Flächendehnung

Scherverformung

Abhängig von Proteineinlagerungen

•9

49

Mechanische Membran-Eigenschaften

Verschiebung von Membranproteinen durch Spektrin-System

Membranbiegung durch membraneigene oder eingelagerte „biegungsaktive“ Proteine

Verdrängung weniger flexibler Membrankomponenten aus Bereichen hoher Membrankrümmung

50

Membranen elektr. Eigenschaften

Ersatzschaltbild bei Stromfluss um Zelle:

ACdAC spr == εε0

Membrankapazität

22 110cmµF

mmFC Zellesp =≈

Spezifische Membrankapazität

Spezifischer Membranwiderstand

24101 cmARRsp Ω−≈⋅=

(bei Zelle mit 20µm∅ und Rsp=104Ωcm2

=> ca. 104 MΩ)

(bei Zelle mit 20µm ∅=>ca. 12pF 8x106 Ladungenbei Vm=100mV)

d ≈ 6-10nm

εr ≈ 5-9

51

Membranen Glykokalix

=> Aktive elektr. Eigenschaften VL 14.5.52

Wichtig zu Grenzflächen etc.:

Zusammenhang Oberflächenspannung und Kapillarsteighöhe sowie Kapillardruck

Analogie zur Seifenblase in der Biologie

Zellmembranaufbau

Mechanische und elektrischeZellmembraneigenschaften