Folie 1

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(No Transcript)
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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung Bionik II /
Biosensorik
Grenzleistungen biologischer Rezeptoren
Chemorezeptor, Photorezeptor,
Mechanorezeptor
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle
gestattet
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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)
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Leistung eines Chemorezeptors
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Molekülfänger eines Seidenspinnermännchens
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Sexuallockstoff
Bombykol
Seidenspinnerweibchen
Der Nobelpreisträger Adolf Butenandt benötigte 17
Jahre und 750 000 Seiden-spinnerweibchen um 1959
die chemische Struktur von Bombykol aufzuklären.
Synthetische Herstellung mit Markierung durch
Tritium möglich (Tritium radioaktiver
Wasserstoff mit 2 Neutronen im Kern)
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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.
Geruchsfahne
12 min
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Zur Bestimmung der Riechschwelle
Anstechen mit einer Mikroelektrode
Riechsensillen
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Aufbau einer Mikroelektrode
Als Elektroden verwendet man Glaskapillar-Mikroele
k-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.
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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 30 000
Rezeptoren) für einen Einmolekültreffer überein.

Riechsensillen
Einmoleküldetektion !
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Der Aal und seine Nase
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Aalversteck Gummiröhre
Wahlapparatur für die Röhrendressur eines Aals
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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.206-254.
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Die Schlussphase des Verhaltensexperiments -
Erreichen der Riechschwelle des Aals
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Inhalt der Nase des 12,4 cm langen Versuchsaals
0,30 mm3
Rechnerisch befindet sich im Aalnasenvolumen nur
0,53 Molekül
Einmoleküldetektion
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Formel zur Berechnung der Molekülzahl MZ pro cm3
Substanzmenge g Avogadrozahl
MZ
Molmasse g Volumen cm3
Avogadrozahl 6,022 1023
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b-Phenylethylalkohol
Grenzempfindlichkeit
der Aalnase
0,1 g
1/5 Tropfen
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Biosensor Hundenase
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Ehemalige Cargolifter-Halle
Länge 360 m Breite 210 m Höhe 107 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
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Anzahl der Riechsinneszellen
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Leistung eines Photorezeptors
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Minimale Reizenergie 210 -17 J
100 W 100 J/s
n 60 Photonen /s
Pupille A 0,5 cm 2
310 20 Photonen/s
Annahme Nur 2 der von der Glühlampe
ausgesendeten Photonen liegen im maximalen
Empfindlichkeitsbereich des Auges (um 550 nm).
n0 61018 Photonen /s
Bei sehr klaren Wetterbedingungen wird die
Intensität eines Lichtstrahls pro 100 km auf etwa
1/3 seiner Ausgangsstärke abgeschwächt.
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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
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Leistung eines Mechanorezeptors
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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
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0,3 nm
An der Hörschwelle
5 µm
Empfindlichkeit einer Haarzelle
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Mensch Vergleich Auge Ohr
Entspricht der Energie von 60 Photonen (550 nm)
Minimale Reizenergie 2 10 -17 J
Minimale Reizenergie 5 10 -18 J
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Thermorezeptor Hygrorezeptor Elektrorezeptor Magne
torezeptor
Thermorezeptor Hygrorezeptor Elektrorezeptor Magne
torezeptor
Chemorezeptor Photorezeptor Mechanorezeptor
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- 70 mV
Ruhepotential einer
Nervenzelle
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Wie entsteht ein Ruhepotenzial ?
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial ?
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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.
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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.
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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 stoffwechselgetriebe
ne gekoppelte Na- trium-Kalium-Pumpe wieder
zurücktransportiert.
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Wie funktioniert eine
Riechsinneszelle
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Ein etwas zu simples mechanisches Modell eines
Riechrezeptors
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Phenomenologisches Modell der Geruchserkennung
Wir empfinden vielleicht
kugelförmige Moleküle als kampferartig, scheibenfö
rmige Moleküle als moschusartig, keilförmige
Moleküle als pfefferminzartig, stabförmige
Moleküle als ätherartig, u.s.w.
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Genaueres Modell des Riechens mit molekularer
Verstärkung
Duftstoff
AC Adenylcyclase
cAMP cyclo-Adenosinmonophosphat
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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.
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Wie funktioniert eine
Lichtsinneszelle
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Photon
R
-70 mV
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Photon
R
-70 mV
-30 mV
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Photon
R
Transduktionskaskade
1 Photon schließt 10 6 bis 10 7 Natriumkanäle
-30 mV
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Photon
R
-70 mV
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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.
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Photomultiplier
Anode
Dynoden
Verstärkung durch Lawineneffekt
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Biochemische Verstärkungskaskade
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Wie funktioniert ein
Haarzellensensor
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-50 mV
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-60 mV
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-70 mV
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-60 mV
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-50 mV
58
-50 mV
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-40 mV
60
-30 mV
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-40 mV
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-50 mV
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Ende