Vorlesung BionikII /Biosensorik

Freitag: 10 -12 ct Hörsaal: H 0110

Grenzempfindlichkeit biologischer Rezeptoren

Sinnesorgane als Modelle für technische Messgeräte

Der Biosensor als bionisch-biotechnologisches Zwittersystem

Rechnen mit Molekülen (DNA-Chips und DNA-Computing)

Struktur und Arbeitsweise Neuronaler Netzwerke

Exotische Messsysteme in der Natur

Signalwandlung und Signalverarbeitung in Biosensoren

Beginn: 15. 04. 05

Die Inhibition - Leistung einer elementaren Neuronenschaltung

Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“

Grenzleistungen biologischer Rezeptoren

Chemorezeptor, Photorezeptor, Mechanorezeptor

Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

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)

Leistung eines

Chemorezeptors

Molekülfänger eines Seidenspinnermännchens

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.

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

PoreDendritenLiquor

Sinneszellen

Mikroelektrode

V

Riechsensillen

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). 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.

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

Andressur des Aals mit fortschreitender Verdünnung des Duftstoffes -Phenylethylalkohol

Hara

ld T

eich

man

n: Ü

ber d

ie L

eist

ung

des

Ger

uchs

sinne

s be

im A

al. Z

. ver

gl. P

hysio

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

934

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 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

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

Ruhepotential einer

Nervenzelle

- 70 mV

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 Länge, 1 µm Höhe

und 0,001 µm Tiefe.

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

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.

-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.

-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.

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 Signal-

moleküle an Membranschlösser aufschließen.

Reiz

+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.

-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.

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.

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

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.

Wie funktioniert

eine Lichtsinneszelle

Photon

-70 mV

R*

Photon

-70 mV-30 mV

R*

Photon

Transduktionskaskade

1 Photon schließt 10

6 bis 10

7 Natriumkanäle

-30 mV

R*

Photon

-70 mV

R*

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.

Photomultiplier

Verstärkung durch Lawineneffekt

Dynoden Anode

Biochemische Verstärkungskaskade

Wie funktioniert

ein Haarzellensensor

-50 mV

-60 mV

-70 mV

-60 mV

-50 mV

-50 mV

-40 mV

-30 mV

-40 mV

-50 mV

Ende