Themenfolge der Vorlesung 1. Grenzleistung elementarer biologischer Sensoren 2. Integrierte...
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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)
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung „ Bionik II / Biosensorik “
Grenzleistungen biologischer Rezeptoren
Chemorezeptor, Photorezeptor, Mechanorezeptor
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
Leistung eines
Chemorezeptors
Molekülfänger eines Seidenspinnermännchens
Wird im Experiment ein Schmetterlingsmännchen 1 s lang von einem Duftstrom mit 2 000 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.
Käfig mit
1 km
12 min
Geruchsfahne
Zahl der Moleküle pro Kubik-zentimeter Luft = 2,687· 1019
CH2
C
CH2
CH2 CH2CH2CH2CH2 CH2CH2CH2OH
CH2CH3
C
C C
H
H H
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 750 000 Seiden-spinnerweibchen, um 1959 die chemische Struktur von Bombykol aufzuklären.
Tritium markiertes Bombykol
Schwirr-Reaktion
Zahl der absorbier-ten Moleküle über den radioaktiven Zerfall = 300
PoreDendritenLiquor
Sinneszellen
Mikroelektrode
V
Riechsensillen
Kontrollexperiment zur Bestimmung der Riechschwelle
Anstechen mit 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).
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
Silberdraht
GlasröhrchenAgCl-Überzug
KonzentrierteKCL-Lösung
Öffnungs-1 bis 0,1µ m
Ø
PoreDendritenLiquor
Sinneszellen
Mikroelektrode
V
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 30 000 Rezeptoren) für einen Einmolekültreffer überein.
Der Aal und seine Nase
Duftstoff
Wahlapparatur für die Röhrendressur eines Aals
Aalversteck Gummiröhre
(Harald Teichmann, 1956)
Andressur des Aals mit fortschreitender Verdünnung des Duftstoffes -Phenylethylalkohol
Hara
ld T
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man
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des
Ger
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sinne
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im A
al. Z
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l. 42
(195
9), S
.206
-254
.
Die Schlussphase des Verhaltensexperiments ─ Erreichen der Riechschwelle des Aals
Inhalt der Nase des 12,4 cm langen Versuchsaals: 0,30 mm3
Rechnerisch befindet sich im Aalnasenvolumen nur 0,53 „Molekül“
Einmoleküldetektion
Formel zur Berechnung der Molekülzahl MZ pro cm3
MZ
Substanzmenge [g] × Avogadrozahl
Molmasse [g] × Volumen [cm3 ]
Avogadrozahl = 6,022 · 1023
Überlingen
MeerburgFriedrichshafen
Lindau
Bregenz
Konstanz
Grenzempfindlichkeit der Aalnase
-Phenylethylalkohol
1/5 Tropfen
C8H10O
0,1 g
Brandmittel-SpürhundRauschgift-Spürhund
Sprengstoff-SpürhundLawinenhundBiosensor Hundenase
Ehemalige Cargolifter-Halle:
Länge: 360 mBreite: 210 mHöhe: 107 m
Volumen: 5,5 Millionen m3
1,6 Millionstel Gramm Buttersäure in der Halle kann ein Hund noch riechen !
Jetzt „Tropical Island“
2000 Moleküle/cm3
225 Mio.147 Mio. 126 Mio.
6 Mio.
Schäferhund Foxterrier Dackel Mensch
Anzahl der Riechsinneszellen
Leistung eines
Photorezeptors
100 W = 100 J/sn ≈ 60 Photonen /s
Pupille:A = 0,5 cm
2
n0= 6·1018 Photonen /s
Energie eines Photons: Jm
smJschE 199
834
106,3][10550
]/[103][1062,6
Plancksches Wirkungsquantum
Lichtwellenlänge
Lichtgeschwindigkeit
Annahme: Nur 2% der von der Glühlampe ausgesendeten Photonen liegen im maximalen Empfindlichkeitsbereich des Auges (um 550 nm).
km6004
0
nnAr
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 ≈ 2·10 -17 J
?r
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
Leistung eines
Mechanorezeptors
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.
7,5 mm
150
m
0,3 nm
5 μ
m
An der Hörschwelle
0,1
nm
Wasserstoffatom
Empfindlichkeit einer Haarzelle
0,1 V
Mensch: Vergleich Auge – Ohr
Minimale Reizenergie ≈ 2 · 10 -17 J
Minimale Reizenergie ≈ 5 · 10 -18 J
Entspricht der Energie von 60 Photonen (550 nm)
Thermorezeptor
Hygrorezeptor
Elektrorezeptor
Magnetorezeptor
Thermorezeptor
Hygrorezeptor
Elektrorezeptor
Magnetorezeptor
Chemorezeptor
Photorezeptor
Mechanorezeptor
Wie funktioniert ein biologischer Rezeptor ?
Wie erklärt sich die unglaublich hohe Empfindlichkeit ?
Ruhepotential einer
Nervenzelle
- 70 mV
0
Wie entsteht ein Ruhepotenzial ?
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 !
Im intrazellulären Testvolumen von 10
-12 mm3
befinden sich 100 000 + 6 Kaliumionen, 10 000
Natriumionen, 2 200 Chloridionen und 107 800
+ 6 negativ geladene Aminosäuremoleküle. Das
gleich große extrazelluläre Testvolumen enthält
2 000 Kaliumionen, 108 000 Natriumionen und
110 000 Chloridionen. Wir messen die Span-
nungsdifferenz 0 V.
0 mV
100000 +
10000
2200
107800 +
K
NaCl
A
+
+ 2000 K+
108000 Na+
110000 Cl
0 mV
100000 +
10000
2200
107800 +
K
NaCl
A
+
+ 2000 K+
108000 Na+
110000 Cl
-90 mV-90 mV
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
-70 mV-70 mV
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
Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial ?
mV
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.
Reiz
Zum Anfangszustand
+30mV
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
-70 mV
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
Wie funktioniert
eine Riechsinneszelle
Signalmolekül
Rezeptor
Membran
Ionen
V
Ein etwas zu simples mechanisches Modell eines Riechrezeptors
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.
Die Kunst des Molekül-Fangens
und der Messung dieses Ereignisses !
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.
Einmolekülmessung durch eine Katalysatorkaskade
Rezeptor
Signalmolekül
100
10 000
1
Katalysator
Katalysator
Katalysator
AC
Rezeptor
G-Protein
ATP
ATP
ATPcAMP
cAMP
cAMP cAMP cAMP
cAMP
cAMPAC = Adenylcyclase
cAMP = cyclo-Adenosinmonophosphat
Genaueres Modell des Riechens mit molekularer Verstärkung Duftstoff
Wie funktioniert
eine Lichtsinneszelle
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.
Photon
-70 mV
*aktiviertes RhodopsinRhält Ionentore geschlossen
Photon
-70 mV-30 mV
R
Photon
Transduktionskaskade
1 Photon schließt 10
6 bis 10
7 Natriumkanäle
-30 mV
R*
Photon
-70 mV
R*
Wiederherstellung des Ruhepotentials
Photomultiplier
Verstärkung durch Lawineneffekt auch
in der Technik
Dynoden Anode
Biochemische Verstärkungskaskade
Enzyme
Wie funktioniert
ein Haarzellensensor
- 50
mV
- 40
mV
- 30
mV
- 40
mV
- 50
mV
- 60
mV
- 70
mV
- 60
mV
- 40
mV
Ende
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000
2 200
107 800 +
K
NaCl
A
+
+ 2 000 K+
108 000 Na+
110 000 Cl
